唐仕坤，李鎮(zhèn)宏，馮永豪，王 槐，陸賢穎

（云南華聯(lián)鋅銦股份有限公司，云南文山 663701）

0 引言

在有色金屬、黑色金屬選礦行業(yè)中，半自磨機、球磨機是常用的磨礦設備，這類設備都需使用鋼球作為磨礦介質(zhì)。鋼球除了磨機使用加裝外，由于生產(chǎn)磨損消耗，每天都必須往磨機內(nèi)添加新鋼球，以滿足選礦生產(chǎn)的工藝要求。操作人員每天都要添加鋼球，有時磨機不只要添加一種型號的鋼球，而是多種型號的鋼球，且需要按照一定的比列添加各種鋼球，工作重復且繁雜，還存在一定的安全風險及隱患。

1 鋼球磨機的運行模式及鋼球破損理論

1.1 運行原理

磨機的工作原理是利用自身的圓周運動帶動鋼球運動，利用鋼球?qū)ξ锪袭a(chǎn)生沖擊和研磨。磨機在工作中，滾筒繞水平軸作勻角速轉(zhuǎn)動。在原料和鋼球裝入之后，鋼球借助摩擦力進行上升，在上升一定高度之后將會脫離原有的圓周軌跡，按拋物線軌跡向下降落，從而對原料進行粉碎和研磨。一般來說，磨機內(nèi)的鋼球會根據(jù)固定的配合比調(diào)整直徑，不同直徑的鋼球運動形式不同。

目前鋼球在筒體內(nèi)的運動形式一般包含兩種：

（1）在鋼球未脫離滾筒壁之前，鋼球通過和筒體的摩擦力跟隨滾筒一起作圓周運動。

（2）鋼球在借助自身摩擦力上升之后，沿著拋物線向下降落。

除了上述運動之外，鋼球還會做自轉(zhuǎn)運動，鋼球疊層之間還有相對滑動。為簡化鋼球運動，一般會忽略鋼球的自轉(zhuǎn)和相對滑動產(chǎn)生的摩擦。

在磨機運行中，鋼球作堆疊分層循環(huán)運動，每一層的鋼球都以筒體軸為圓心，但是不同層之間鋼球的線速度、落點存在一定的區(qū)別。在脫離筒體之前，鋼球的線速度為所在位置的線速度；在脫離筒體之后，鋼球則按照拋物線軌跡向下降落。

本研究以最外層的鋼球為研究對象，忽略物料對鋼球的影響，則磨機內(nèi)鋼球的運動軌跡和受力情況如圖1 所示。

圖1 磨機內(nèi)鋼球的運動軌跡及受力情況

1.2 破損模式

在磨機磨筒實際運行的過程中，鋼球的磨損過程較為復雜，隨著磨礦的進行鋼球逐漸被磨損。此外，鋼球的損耗還受到多個因素的影響，如鋼球的運動特征、幾何性質(zhì)、前端流程以及磨損方式等，會對鋼球造成不同程度的損耗。

金屬材料的耐磨性與含碳量相關，其耐磨性能會因含碳量的增大不斷提高，但如果增加含碳量，金屬材料的韌性就會隨之降低，從而導致鋼球容易破碎。因此，為了提高鋼球的硬度，需要通過改變合成元素，以提高鋼球的耐磨性能。

不同鋼球的顯微結(jié)構存在一定的區(qū)別，其耐磨性也不同。根據(jù)相關數(shù)據(jù)現(xiàn)實，馬氏體的耐磨性較低，貝氏體的耐磨性相對較高。鋼球的幾何尺寸也會影響到磨損程度，一般來說，直徑較大的鋼球磨損速度更快，但是如果直徑過小，就會降低磨礦的效率。因此，在鋼球直徑選擇時，要結(jié)合具體情況具體分析。

鋼球的運動特征將會直接影響到磨損程度。在大型磨機中，鋼球的運動路徑較長，隨著動能的增加，機械磨損程度也隨之增加。相關數(shù)據(jù)表明，磨筒內(nèi)部水的化學性質(zhì)和礦質(zhì)特性保持不變，磨機直徑的增大將會使礦粒度增加，從而加快鋼球單位面積的磨損程度。另外，鋼球的重量也會對其拋落狀態(tài)的沖擊力造成一定的影響，進而導致鋼球的磨損程度增加。

在磨機運行中，鋼球受到多種力的影響和作用，借助鋼球自身的摩擦、鋼球與襯板的摩擦以及鋼球與物料的摩擦將其帶到一定的高度，進而對物料形成較大的沖擊和影響。

2 技術改造的必要性

磨機添加鋼球是一個重復且繁雜的工作，雖然工作內(nèi)容不復雜，但人工添加鋼球存在較大的不穩(wěn)定性和不確定性。而磨機定時添加足量的鋼球是磨機磨礦效果達標、滿足生產(chǎn)工藝要求的重要保障，對下游的工藝選別有著重要影響。為降低人員操作不穩(wěn)定性對磨機磨礦效果的影響，提高工作效率，研發(fā)一種結(jié)構簡單、使用方便，能夠定時、定量地為磨機自動添加鋼球的裝置，實現(xiàn)鋼球的精準、自動補加。

3 設計理念

為實現(xiàn)鋼球自動并定時定量的添加，提出一種磨機添加鋼球裝置，該裝置結(jié)構簡單、使用方便。一種磨機添加鋼球裝置的結(jié)構如圖2 所示，主要部件有圓錐形鋼球倉、振動器、電控柜、氣缸、氣缸活塞、鋼球卸口、鋼球橫向通道以及縱向的卸球通道等。

圖2 磨機添加鋼球裝置結(jié)構

圓錐形鋼球倉底部有一段縱向的卸球通道，卸球通道的側(cè)壁上安裝有紅外線發(fā)生器。鋼球添加機構包括氣缸、鋼球橫向通道、鋼球入口、鋼球卸口端。鋼球橫向通道橫置于圓錐形鋼球倉下方，鋼球橫向通道一端封閉另一端開口。氣缸與鋼球橫向通道處于同一水平線，氣缸活塞由開口端推入鋼球橫向通道內(nèi)并作往復運動。鋼球卸口端在鋼球橫向通道的封閉段朝下的位置。鋼球入口位于鋼球橫向通道中段向上的位置，鋼球入口與卸球通道相對接。鋼球卸口端在磨機進料端鋼球添加口之上。

電控柜內(nèi)置PLC 控制器、電氣元件。其中電氣元件包括中間繼電器、交流接觸器、熱繼電器、紅外線接收器、電磁閥等，各元件與PLC 控制器連接形成聯(lián)鎖控制。電磁閥連接氣缸，紅外線發(fā)生器連接紅外線接收器。

另外，圓錐形鋼球倉外壁上還固定有振動器，該振動器通過繼電器連接PLC。電控柜自帶現(xiàn)場控制箱，其包含有與電控柜傳輸信號對接通信的接口，可以接收、處理電控柜的通信信號，控制鋼球添加機構通電、斷電動作。

4 使用說明

磨機鋼球自動添加裝置中，利用PLC 提供的定時器控制時間。當定時器達到設定時間時，PLC 給控制氣缸進氣方向的電磁閥通電，此時電磁閥控制氣體使氣缸推桿推出，將落入添加機構內(nèi)的鋼球推落至磨機鋼球添加口。此時PLC 控制電磁閥動作，更換氣缸進出氣方向，將推桿收回，并在PLC 的計數(shù)器中計數(shù)值加1。當推桿收回后，由紅外線接收器反饋給PLC 控制程序一個脈沖信號，判定有無鋼球落入添加機構內(nèi)。

判定規(guī)則是：若紅外線接收器接收到紅外線信號，則證明該孔內(nèi)沒有鋼球落入，將信號反饋給PLC，PLC 控制振動器通電，振動器振動，直到紅外線接收器不能接收到紅外線信號，則證明有鋼球落入添加機構的孔內(nèi)，振動器停止振動。若紅外線接收器沒有接收到紅外信號，則證明有鋼球落入添加機構內(nèi)，PLC 控制電磁閥將氣缸推桿收回，計數(shù)器計數(shù)值加1。

重復上述添加鋼球動作，直到計數(shù)器達到PLC 程序設定的計數(shù)值，即鋼球已經(jīng)添加達到設定的添加數(shù)量。在驗證并確保添加機構的孔內(nèi)有鋼球后，PLC 控制氣缸氣源電磁閥斷電，氣缸停止動作，完成一次鋼球的添加。然后PLC 計時器重新開始計時，當達到程序設定時間時，該系統(tǒng)重復上述鋼球添加動作，完成鋼球定時、定量的自動添加。氣缸動作原理如圖3 所示。

圖3 氣缸動作原理

5 效果分析

磨機鋼球自動添加裝置結(jié)構簡單、自動化程度高、工作可靠性強，組裝、制作、編程無技術問題，電控系統(tǒng)控制原理、控制程序及執(zhí)行元器件容易獲得，制造成本低，可以大規(guī)模推廣運用。另外，該磨機鋼球自動添加裝置能夠有效實現(xiàn)鋼球自動添加，節(jié)約人工成本，降低人員操作難度和操作強度，運行成本低，推廣應用前景廣闊。

6 結(jié)束語

磨機鋼球自動添加裝置結(jié)構簡單、使用方便，制造成本低，能減少人工勞動強度，降低崗位員工的安全風險，并能實現(xiàn)鋼球自動定時定量地添加，解決人工添加鋼球存在的問題，推廣應用前景廣闊。在日常工作中，相關技術工作人員應當充分應對工作中的變化，運用發(fā)散思維和聯(lián)想能力，對當前的現(xiàn)實條件加以利用，積極思考、不斷創(chuàng)新，結(jié)合實際情況和現(xiàn)有資源，用創(chuàng)新性的方法解決工作中的難題。

本文設計的磨機添加鋼球裝置已申請專利，授權公告號為CN213376979U，專利號為ZL202021905481.8。