半自磨機(jī)內(nèi)部鋼球的運(yùn)行軌跡和拋落點(diǎn)受到磨機(jī)轉(zhuǎn)速、襯板高度、提升面角等因素影響，部分鋼球會(huì)直接沖擊筒體襯板。半自磨機(jī)大型化使襯板的服役條件急劇惡化，對(duì)襯板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、材料強(qiáng)韌性和耐磨性提出了更高的要求。依據(jù)大型半自磨機(jī)襯板設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合襯板專業(yè)設(shè)計(jì)軟件及三維掃描分析技術(shù)，對(duì)提升條排數(shù)等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的原材料。半自磨機(jī)作為采礦業(yè)重要的破碎和研磨設(shè)備，裝機(jī)量逐年攀升。耐磨襯板是半自磨機(jī)的重要部件，主要作用是提升礦物和研磨介質(zhì)，使其相互摩擦碰撞，從而破碎、磨細(xì)礦物，同時(shí)保護(hù)磨機(jī)本身免受礦物和研磨介質(zhì)的損害。近30 年來(lái)，由于磨機(jī)設(shè)計(jì)理論和磨機(jī)制造技術(shù)不斷進(jìn)步，大型半自磨機(jī)得到廣泛應(yīng)用，目前..半自磨機(jī)規(guī)格已達(dá)到 φ13.41 m×7.92 m。隨著磨機(jī)規(guī)格的不斷增加，為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率、降低礦石處理成本，研磨介質(zhì) (主要是各種材質(zhì)的磨球，以鋼球居多) 的尺寸也不斷增加，直徑由 φ70 mm 增至φ150 mm，質(zhì)量由 1.41 kg 猛增至 13.87 kg。磨機(jī)半徑增加導(dǎo)致線速度增加，φ12.2 m 半自磨機(jī)中 φ150 mm鋼球的沖擊力約為 φ5 m 半自磨機(jī)中 φ70 mm 鋼球沖擊力的 24 倍。

由于半自磨機(jī)內(nèi)部鋼球的拋落受到磨機(jī)轉(zhuǎn)速、襯板高度、提升面角等影響，鋼球運(yùn)行軌跡復(fù)雜，有部分鋼球會(huì)直接沖擊筒體襯板。高頻次、高能量沖擊會(huì)導(dǎo)致表面材料疲勞，造成襯板超預(yù)期磨損和斷裂，這對(duì)襯板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、材料強(qiáng)韌性和耐磨性提出了更高的要求。近年來(lái)，半自磨機(jī)襯板的材料和制造工藝進(jìn)步明顯，但仍然難以滿足半自磨機(jī)大型化給耐磨襯板帶來(lái)的巨大挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，須持續(xù)提高襯板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并合理選擇襯板材料，以抵抗鋼球巨大沖擊力造成的破壞和襯板的超預(yù)期磨損。筆者結(jié)合多年來(lái)的襯板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造經(jīng)驗(yàn)，對(duì)半自磨機(jī)襯板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則和選材進(jìn)行系統(tǒng)研究和總結(jié)。

1 襯板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)提升條在襯板上的位置分布，可以將半自磨機(jī)筒體襯板的結(jié)構(gòu)形式分為“丄”形 (“山”形)、“L”形和分體式，如圖 1 所示；也有學(xué)者依據(jù)襯板的整體形狀對(duì)襯板結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了細(xì)分，如楔形、波形、平凸形等。無(wú)論筒體襯板采用何種結(jié)構(gòu)形式，其目的都是提升物料和保護(hù)筒體。半自磨機(jī)的主要作用是破碎，改進(jìn)襯板結(jié)構(gòu)的主要目標(biāo)是增加提升能力、強(qiáng)化破磨效果。襯板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則是，既要解決磨機(jī)襯板頻繁更換帶來(lái)的低運(yùn)轉(zhuǎn)率問(wèn)題，又要在滿足產(chǎn)能要求條件下使襯板有足夠長(zhǎng)的壽命，且容易安裝和拆卸。

圖1 襯板的結(jié)構(gòu)形式

1.1 筒體襯板提升條數(shù)量

為了更加合理地確定筒體襯板提升條數(shù)量，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者使用離散元法模擬了提升條數(shù)量對(duì)物料提升以及物料運(yùn)行軌跡的影響。有學(xué)者認(rèn)為，磨機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，鋼球是否被拋落取決于提升條的數(shù)量，數(shù)量越多，鋼球被拋落次數(shù)越多。有學(xué)者認(rèn)為，提升條越多，提升的介質(zhì)越多，破碎和粉磨的效率越高。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論認(rèn)為，半自磨機(jī)筒體襯板提升條數(shù)量等于磨機(jī)直徑數(shù)值 (以英尺為單位) 的 2 倍。有學(xué)者統(tǒng)計(jì)了自 φ8 m 至 φ12 m 的半自磨機(jī)筒體襯板提升條數(shù)量，結(jié)果顯示當(dāng)筒體襯板采用等高方案時(shí)，半自磨機(jī)直徑數(shù)值 (以英尺為單位) 與提升條數(shù)量之比等于或接近 1∶1。筆者結(jié)合半自磨機(jī)襯板設(shè)計(jì)實(shí)踐認(rèn)為，當(dāng)筒體襯板采用高低襯板交替排布時(shí)，半自磨機(jī)直徑數(shù)值 (以英尺為單位) 等于或接近提升條數(shù)量的1.5 倍較為合理。當(dāng)襯板提升條數(shù)量達(dá)到某一臨界值時(shí)，相鄰提升條根部距離小于 2 倍鋼球直徑，相鄰襯板間的容積減小，鋼球?yàn)a落數(shù)量明顯增加，大部分物料相互滑動(dòng)，此時(shí)鋼球的破碎能力下降，不利于礦石的破碎?；谝陨戏治?，襯板提升條數(shù)量應(yīng)..相鄰提升條根部距離大于等于 2 倍鋼球直徑。

1.2 襯板的提升面角

提升面角的作用是盡可能多地使礦物和鋼球之間發(fā)生碰撞，減小物料之間的相對(duì)滑動(dòng)。在半自磨機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況下，提升面角在一定范圍時(shí)，磨機(jī)的臺(tái)效達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)磨機(jī)內(nèi)瀉落區(qū)范圍比例小，磨機(jī)的處理能力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

確定標(biāo)準(zhǔn)初始提升面角，是為了..研磨介質(zhì)拋落在料堆趾部，避免直接沖擊襯板或料堆較厚部位。鋼球直接沖擊襯板會(huì)增加襯板斷裂的概率，而沖擊料堆較厚部位對(duì)礦石的破碎效果較弱。通過(guò)計(jì)算不同提升面角時(shí)鋼球在磨機(jī)內(nèi)的運(yùn)行軌跡和拋落點(diǎn)可以確定提升面角。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的離散元分析軟件和專業(yè)的襯板設(shè)計(jì)軟件被開發(fā)出來(lái)。Mill Traj Liner Design Software 是一款專業(yè)襯板設(shè)計(jì)軟件，通過(guò)輸入磨機(jī)規(guī)格、轉(zhuǎn)速、提升條高度、提升面角度、提升條數(shù)量等，研究鋼球的拋落位置，模擬鋼球在筒體內(nèi)的運(yùn)行軌跡，輔助和驗(yàn)證襯板提升面角設(shè)計(jì)，如圖 2 所示。

圖2 磨機(jī)物料軌跡模擬

通常情況下，根據(jù)不同的磨機(jī)規(guī)格和轉(zhuǎn)速，提升面角的范圍為 25°～ 35°。由于物料的運(yùn)動(dòng)軌跡和格子板的排料作用，出料端鋼球和礦料比例高于進(jìn)料端和中間段筒體，加重了鋼球?qū)σr板的沖擊和沖刷，對(duì)不同部位的筒體襯板可以采用不同的提升面角。例如，進(jìn)料端、中間段和出料端的襯板可分別采用 31°、32°和 35°的提升面角；非提料側(cè)承擔(dān)的沖擊和磨損較輕，可以采用小角度面角，通常為 5°～ 15°。

半自磨機(jī)襯板的整個(gè)壽命周期大致要經(jīng)歷 3 個(gè)階段：產(chǎn)能提升期、產(chǎn)能穩(wěn)定期和產(chǎn)能衰減期。一般情況下，產(chǎn)能穩(wěn)定期提升條面角大于提升條初始面角，此時(shí)磨機(jī)內(nèi)物料的相對(duì)運(yùn)動(dòng)達(dá)到一定值，磨機(jī)的處理效率越高；隨著襯板的進(jìn)一步磨損，提升面角越來(lái)越大，磨機(jī)內(nèi)物料相對(duì)運(yùn)動(dòng)越來(lái)越弱，產(chǎn)能逐漸衰減，磨機(jī)功耗上升。為了解決襯板安裝初期產(chǎn)能不足難題，可以采用“上大下小”的變面角方案 (見圖 3)。上部提升面角與磨機(jī)實(shí)際運(yùn)行的一定提升角度范圍接近，能夠使襯板在運(yùn)行初期即可快速達(dá)到磨機(jī)的額定臺(tái)效；隨著襯板的磨損，提升條下半部面角在壽命中后期達(dá)到一定提升角度范圍，可以延長(zhǎng)襯板提升條處于一定提升角度的時(shí)間。

圖3 變提升面角設(shè)計(jì)

1.3 提升條高度

肖賢煌采用離散元法，基于統(tǒng)計(jì)力學(xué)原理，通過(guò)分析半自磨機(jī)內(nèi)部各層級(jí)載荷顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)相近層級(jí)下的載荷顆粒具有相似的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，將半自磨機(jī)內(nèi)部載荷劃分為提升區(qū)、死區(qū)、瀉落區(qū)和拋落區(qū)。提升區(qū)和拋落區(qū)的范圍越大，半自磨機(jī)的處理能力越強(qiáng)，因此，需要通過(guò)調(diào)整提升條高度和提升面角的大小，盡可能減小死區(qū)和瀉落區(qū)的范圍。

當(dāng)襯板提升條數(shù)量和磨機(jī)轉(zhuǎn)速確定時(shí)，提升條的高度越高、提升面角越小，鋼球和礦料被拋落的距離越遠(yuǎn)。一般情況下，提升條高度應(yīng)等于鋼球的直徑，波谷半徑等于或稍大于鋼球半徑。但隨著半自磨機(jī)的大型化，由于磨機(jī)內(nèi)部高頻次、高能量介質(zhì)對(duì)襯板的強(qiáng)烈沖擊和沖刷作用，提升條高度等于或略大于鋼球直徑已經(jīng)很難滿足礦業(yè)企業(yè)對(duì)襯板高耐磨性、長(zhǎng)壽命、壽命期內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)行的苛刻要求。據(jù)筆者多年設(shè)計(jì)和制造 φ10 m 以上半自磨機(jī)襯板的經(jīng)驗(yàn)，在..型半自磨機(jī)上，提升條的有效高度 (襯板總高與底板厚度之差) 至少為鋼球直徑的 2 倍以上。同時(shí)，增加提升條高度可以減弱鋼球和物料對(duì)底板的沖刷，..襯板底板的早期磨損。以國(guó)內(nèi)某銅礦φ11.0 m×6.4 m 半自磨機(jī)和某銅鉬礦 φ10.97 m×7.16 m 半自磨機(jī)為例，現(xiàn)在設(shè)計(jì)的筒體襯板提升條的有效高度分別為鋼球直徑的 2.2 倍和 2.3 倍。

1.4 提升條高度的軸向分布

由于不同半自磨機(jī)中物料進(jìn)入磨機(jī)的落點(diǎn)、鋼球充填量和綜合充填量等各不相同，筒體襯板的高磨損區(qū)域也各不相同。為了避免局部高磨損襯板提前失效，需要對(duì)襯板提升條高度在軸向的分布進(jìn)行調(diào)整，增加高磨損區(qū)域提升條高度，適當(dāng)減小低磨損區(qū)域提升條高度，在..襯板整體壽命的情況下，實(shí)現(xiàn)不同部位襯板的壽命匹配。

研究人員通過(guò)三維激光空間掃描技術(shù)，建立磨機(jī)襯板磨損曲線與時(shí)間的關(guān)系，對(duì)不同部位的襯板使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，并根據(jù)襯板磨損形狀，對(duì)襯板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)結(jié)合不同部位的選材及硬度、沖擊韌性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)壽命匹配。三維激光掃描技術(shù)將襯板的磨損狀態(tài)轉(zhuǎn)化為可編輯點(diǎn)云，以磨機(jī)筒體內(nèi)壁建立三維標(biāo)準(zhǔn)模型，二者進(jìn)行比對(duì)可以獲取厚度色譜圖和不同部位的準(zhǔn)確厚度，如圖 4、5 所示。也可以襯板三維初始結(jié)構(gòu)裝配圖為標(biāo)準(zhǔn)模型與點(diǎn)云對(duì)比，能夠直觀地顯示襯板的磨損程度，如圖 6 所示。

圖4 厚度值色譜顯示

圖5 不同部位襯板厚度

圖6 襯板磨損狀態(tài)與原始結(jié)構(gòu)對(duì)比

為了提高襯板壽命，實(shí)現(xiàn)不同部位襯板的壽命匹配，依據(jù)各部位的剩余厚度，對(duì)其提升條高度進(jìn)行增減，優(yōu)化設(shè)計(jì)提升條高度沿軸向的分布，如圖 7 所示。

圖7 提升條高度沿軸向分布

1.5 筒體襯板的金屬量及數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

半自磨機(jī)筒體襯板金屬量和結(jié)構(gòu)是襯板設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，襯板的正常失效都反映為襯板金屬量的損失。在選擇合適提升條高度、提升面角的前提下，適當(dāng)增加提升條頂寬，使襯板的有效金屬量 (一般為襯板總質(zhì)量的 70% 左右) 增多，可以進(jìn)一步提高襯板的使用壽命。

為了便于在襯板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)提供參考依據(jù)，建立以單位面積筒體上襯板質(zhì)量為參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)的其他參數(shù)包括襯板高度、底板厚度、提升面角、提升條頂寬、礦石參數(shù)、實(shí)際使用壽命或處理礦量等。設(shè)計(jì)襯板結(jié)構(gòu)時(shí)，依據(jù)磨機(jī)規(guī)格、礦石參數(shù)和額定處理量等，選取相同或相近規(guī)格半自磨機(jī)的襯板結(jié)構(gòu)進(jìn)行參考。

2 半自磨機(jī)襯板的選材

半自磨機(jī)襯板失效的主要形式有磨損失效、變形失效和斷裂失效，半自磨機(jī)襯板磨損的主要形式有三體磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損。大型半自磨機(jī)中，高頻次、高能量鋼球的沖擊使襯板表面形成疲勞層，導(dǎo)致三體磨損和腐蝕磨損加劇。半自磨機(jī)襯板的選材，要同時(shí)兼顧高耐磨性和高沖擊韌性，還要避免材料在沖擊下發(fā)生嚴(yán)重變形。

2.1 鋼鐵基耐磨材料

用于半自磨機(jī)襯板的鋼鐵基耐磨材料主要有 4 大類：奧氏體錳鋼、馬氏體鋼、抗磨白口鐵和珠光體鋼。奧氏體錳鋼是半自磨機(jī)襯板使用廣泛的材料，受到?jīng)_擊或者接觸應(yīng)力時(shí)，奧氏體組織會(huì)迅速發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，形成一定厚的硬化層抵抗磨損，當(dāng)應(yīng)力消失，組織又會(huì)迅速恢復(fù)為奧氏體；但隨著半自磨機(jī)大型化，高能量沖擊使襯板組織內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)超奧氏體錳鋼形變應(yīng)力極 限，組織隨之發(fā)生流變、疲勞，磨損加速，甚至發(fā)生斷裂，難以滿足大型和超大型半自磨機(jī)襯板耐磨性強(qiáng)、耐沖擊性強(qiáng)、抵抗變形能力強(qiáng)的性能需求。馬氏體鋼大多通過(guò)淬火處理獲得，快速冷卻使組織迅速發(fā)生轉(zhuǎn)變，組織內(nèi)殘余應(yīng)力很難完全消除，沖擊韌性較差?？鼓グ卓阼F組織中塊狀碳化物含量高，材料硬度高，脆性大，碳化物嚴(yán)重割裂基體組織，高頻、高能沖擊極 易導(dǎo)致襯板產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂、脫落。以上材料都很難滿足大型半自磨機(jī)襯板的高耐磨性、長(zhǎng)壽命、壽命期內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的苛刻要求。

珠光體鋼是一系列以錳、鉻、鉬、鎳為主要合金元素的耐磨鋼的總稱，碳含量通常在 0.3%～1.0% 之間，合金元素總含量低于 5%，熱處理后組織以珠光體和碳化物為主?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整碳和合金元素含量，使用不同的熱處理工藝滿足不同規(guī)格磨機(jī)對(duì)襯板的性能要求，硬度和沖擊韌性在很大范圍內(nèi)可調(diào)整，硬度范圍 300～500 HB，無(wú)缺口沖擊功10～50 J。

低合金珠光體鋼已廣泛應(yīng)用于 φ8 m 以上半自磨機(jī)襯板，國(guó)內(nèi)外主要耐磨襯板制造商均采用珠光體鋼作為大型半自磨機(jī)襯板的主材質(zhì)，并取得了良好的使用效果。

2.2 橡膠襯板和鋼-橡復(fù)合襯板

橡膠作為耐磨材料，自 20 世紀(jì) 50 年代末就用于礦山耐磨件。1967 年，銅陵有色鳳凰山銅礦采用橡膠作為耐磨材料。耐磨橡膠主要采用聚氨酯橡膠，其特點(diǎn)是耐磨性能好，抗腐蝕性強(qiáng)，密度低，質(zhì)量輕，噪聲小，且安裝容易。耐磨橡膠可以單獨(dú)作為襯板材質(zhì)使用，以碳鋼或鑄鐵作為骨架在模具中灌注耐磨橡膠，主要用于規(guī)格較小的半自磨機(jī)和球磨機(jī)襯板；也可與抗磨白口鑄鐵、馬氏體鋼等耐磨材料制成鋼-橡復(fù)合襯板，在云南某銅礦 φ9.75 m×4.72 m 半自磨機(jī)中試用，與耐磨鑄鋼襯板壽命相當(dāng)，但有耐磨塊脫落的現(xiàn)象。

橡膠襯板和鋼-橡復(fù)合襯板整體質(zhì)量?jī)H為鋼襯板的 1/3～1/2，具有質(zhì)量輕、耐沖擊、能耗低、工作環(huán)境噪聲小的特點(diǎn)。但橡膠襯板易變形，而鋼-橡復(fù)合襯板存在結(jié)合不牢固、耐磨塊易脫落等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了這 2 種材料在大型半自磨機(jī)襯板上的應(yīng)用。

3 結(jié)論

半自磨機(jī)不同部位襯板的磨損程度不同，襯板的使用壽命嚴(yán)重不均。為應(yīng)對(duì)大型半自磨機(jī)內(nèi)高頻次、高能量鋼球的沖擊，延長(zhǎng)襯板的使用壽命，使襯板在服役期內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)大型半自磨機(jī)筒體襯板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)和選材進(jìn)行系統(tǒng)研究，得出以下結(jié)論。

(1) 根據(jù)襯板等高或高低交替排布方案，半自磨機(jī)直徑數(shù)值 (以英尺為單位) 與提升條數(shù)量之比應(yīng)為1∶1 或 1.5∶1.0；相鄰提升條根部距離應(yīng)大于等于 2倍鋼球直徑。

(2) 提升條有效高度應(yīng)大于等于 2 倍鋼球直徑。

(3) 提升面角范圍為 25°～ 35°，不同部位的襯板可以采用不同的提升面角，同一襯板可以采用變面角設(shè)計(jì)。

(4) 可以采用專業(yè)襯板設(shè)計(jì)軟件和三維激光掃描分析技術(shù)，輔助和驗(yàn)證襯板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(5) 建立以單位筒體面積上襯板金屬量、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、礦石性質(zhì)和襯板使用壽命或處理礦量為參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠快速、合理地確定襯板設(shè)計(jì)方案。

(6) 目前大型半自磨機(jī)襯板的材質(zhì)為珠光體鋼，橡膠襯板和鋼-橡復(fù)合襯板也可以在部分半自磨機(jī)襯板上應(yīng)用。