磁性耐磨衬里在磨矿行业的研究和应用进展*

2014-10-29杨俊平周宏喜孙小旭

铜业工程 2014年3期

杨俊平，周宏喜，孙小旭

(北京矿冶研究总院，北京 100160)

1 引言

近年来随着我国国民经济的高速发展，综合国力空前提高，基础设施、民生工程的建设都达到前所未有的规模，这些都对矿产资源的发展提出了刚性需求。目前我国金属和非金属矿山的矿石开采量和金属产量都居世界前列，尤其是钢铁产量从1996年开始一直处于世界第一。

一般来说，破碎、磨矿、分级作业是各类选矿厂的通用工序，磨矿作业更是广泛用于矿业、建材、化工、冶金等工业领域，占基建投资的60% ～80%，生产费用占选矿成本的50% ～70%，特别是电耗、钢耗占整个选厂的70%～80% 。磨机衬里安装在磨机筒体内表面，用来保护筒体不被磨损，并影响磨矿介质在筒体内的运动形态，因此衬里的形状和材质历来都是磨矿技术的重要研究内容之一[1]。

磁性耐磨衬里是靠磁场力在衬里工作面吸附一层磁性介质，形成一定厚度的保护层，减少衬里工作表面与运动的磨矿介质和被磨物料直接接触，从而起到减轻磨损、延长衬里寿命的目的。耐磨磁性衬里一经推出就收到了非凡的应用效果，它的寿命可以达到普通高锰钢衬里的4～8倍，甚至更长，大大节约钢耗，降低选矿成本，为矿山选厂带来了可观的经济效益和社会效益[2]。

因此十几年来，国内外都在进行耐磨磁性衬里的机理和应用研究。近几年来，北京矿冶研究总院根据各种矿石的特点，对卧式球磨机和立式超细磨机的不同磨矿机理进行了充分研究，并对吸附层的组成和吸附条件进行模拟，应用最新的COMSOL Multiphysics多物理场数值模拟软件对磁系进行优化，研制了一系列性能优良的磁性耐磨衬里。

目前北京矿冶研究总院研制的HM型磨机耐磨磁性衬里不仅在包钢、鞍钢、中钢等大型铁磁性矿山得到了成功应用，也在典型的非磁性矿如大姚铜矿等有色矿山应用成功，还为金属矿山新型立式超细磨机研究研究配套了磁性橡胶耐磨衬里，寿命可以达到普通高锰钢衬里的3～8倍，为矿山选厂节能降耗、提高装备水平、减轻工人劳动强度做出了一定贡献。

2 国内外概况

在上世纪70年代，美国和挪威有人提出了用磁性衬里保护球磨机筒体和溜槽表面不被磨损的创意。1980年瑞典Skega公司的Bertil Brandt申请了专利，提出了较实用的磁性衬里结构[3]。这些结构的磁系设计基本相同，不同之处在于衬里的外形。

加拿大诺兰达矿山公司，1981年在Horne选厂一台Φ2.1×3.66m的磨机筒体部分安装了橡胶磁性衬里，试验一个月后，检查发现衬里的表面都覆盖了一层保护层，使用情况较理想，后来又进行了试验和改进。1983年，加拿大十五届选矿会议介绍了该磨机磁性衬里的试验和应用情况。

1981年，瑞典Trelleborg公司在Kirana铁矿选厂的一台Φ5.9m×7.7m二段砾磨机上安装了橡胶磁性衬里进行试验，考察结果表明:砾石耗量降低30%，能耗降低11.4%，运转5000h没有明显磨损。

由于国外磨机的合金衬里和橡胶衬里寿命也比较长，所以磁性衬里的研究和推广应用相对发展缓慢。

国内八十年代开始对磁性衬里进行研制。1987年，北京矿冶研究总院开始磁性衬里的研究，研制成功了橡胶－金属磁性衬里，在1992年通过有色金属工业总公司的鉴定。1997年，北京矿冶研究总院为包钢选厂 Φ3.6×6.0 m 溢流型球磨机[4]研制配套的HM型全套磁性衬里，使用效果理想，使磁性衬里的研究取得了突破性进展，首次实现了磨机衬里的全部磁性化，被评为国家重点推广产品。

国内还有沈阳光大科技研究所、长沙矿冶研究院等单位也进行了磁性衬里的研究。

目前国内磁性衬里在矿山选厂的二段、三段磨机上的使用正处于黄金推广期，因为第一批磁性衬里的使用周期已经结束，它的卓越效果得到了矿山的充分认可，正在成批的取代锰钢衬里。

3 耐磨磁性衬里的机理研究

3.1 介质运动形态分析

介质在磨机内的运动形态主要受装入量以及介质的形状、尺寸、配比和磨机转速、衬里形式、磨机内物料量以及流变特性等因素制约。

介质充填率:

其中:h－磨机中心至料位平面高度，R－磨机半径。

磨机转速较低，介质充填率较小时，介质提升到一定高度后，负荷的倾角超过介质在负荷表面上的自然休止角时，介质沿负荷的倾斜面在重力作用下滚落，为泻落式运动。此时物料在介质间受到磨剥作用为主，二段磨矿和三段磨矿以这种方式实现物料的细磨。

磨机转速较高时，截至被提升到更高的高度，脱离筒体圆形轨道，以一定的速度成抛物线下落。截至在下落区强烈翻滚撞击，此时物料受介质的冲击为主，磨剥为辅，多用于一段磨的粗磨。

3.2 衬里的破坏和磨损

磨机衬里与物料和介质的接触发生在两个方面。当衬里进入运动的介质负荷下面时，介质沿负荷倾斜面滚落或抛落(一段磨)到衬里上，造成对衬里的冲击，同时介质带有一定的初速度，自身的转动等，与衬里发生剧烈的摩擦作用，造成对衬里的破坏和磨损，这是衬里破坏的主要原因。另外在介质的提升过程中，介质与衬里之间也会有相对的位移，造成衬里的磨粒磨损，衬里和介质的形状对该部分磨损有一定影响。

二段磨矿的介质运动状态为泻落式，介质从高点到负荷底部运动过程中，主要沿负荷斜面滚落，除了受自身的重力和还受到介质倾斜面上介质层的摩擦阻力，当介质运动到负荷底部时，冲击力和动能都大大减小，所以对衬里造成的冲击很小，实践也证明了二段磨衬里的破坏形式主要是磨损。

3.3 磁性衬里磁场特性的数值模拟

磁性耐磨衬里有耐磨材料和磁性材料组合而成，是靠磁力在衬里工作面吸附一层磁性物质，形成耐磨保护层，减少衬里工作面与运动的介质和物料直接接触，从而达到减轻磨损、延长衬里寿命的目的[5]。

采用COMSOL Multiphysics多物理场数值模拟软件可以对磁性衬里的磁场特性进行精确分析，COMSOL Multiphysics是以有限元法为基础，通过求解偏微分方程(单场)或偏微分方程组(多场)来实现真实物理现象的仿真软件。

以衬里壳体表面为0基点，读取0～100mm的磁场数据。得到以下云图，磁场衰减过程均匀，与实验室用特斯拉计所测结果接近。

图2 圆周方向云图分布

经过优化设计对比后确定的磁系结构具有以下特性:

(1)磁场强度大:采用高性能磁性材料，多极布置，衬里安装后能形成封闭的磁路，磁路磁阻和磁通分布均匀，进一步增强了磁场强度，使衬里安装可靠度高，保护层坚固不易脱落;

(2)磁场梯度高:采用小极距、高梯度的磁系设计，使磁极表面的磁场吸力大，而离开极面不远，磁场强度快速下降，高梯度的磁系设计使保护层既坚固又厚度适当;

(3)矿浆不会被磁化:高梯度磁场和保护层内部被二次磁化形成封闭磁路，使吸附层表面的磁场强度几乎为零，这样矿浆就不会被磁化而影响后边流程中的分级和选别。

4 耐磨磁性衬里的应用

4.1 在磁性矿的应用

国内某大型铁－稀土选矿厂，有10个选矿系列，年处理原矿石能力达到1200万t，年生产稀土精矿7.5万t，扩建的西矿年处理原矿1000万t，目前已成为世界上数一数二的大型选矿厂。选矿厂的原矿石大多采自白云鄂博，属沉积变质高温热液交代型多金属共生矿床，密度3.7t/m3，普氏硬度8～12，铁品位为32.0%左右。其中磁铁矿占50% ～51%，属强磁性矿物，比磁化率x=6300～12000m3/kg，该矿石条件为磁性衬里的成功应用提供了良好的基础。

在选厂的六系列二次Φ3.6m×6.0m球磨机上使用了HM型磁性衬里(包括筒体衬里和端衬里)，运行结果令人满意。图4为该磨机内部的照片，可以看出衬里表面吸附的保护层非常均匀。

图3 使用磁性衬里的球磨机排矿端内貌

使用磁性衬里和锰钢衬里的选矿工艺指标对比见表1。

表1 使用磁性衬里和锰钢衬里的选矿工艺指标对比

据考察，筒体磁性衬里的寿命达到了8年，为原使用的高锰钢衬里的6～8倍，同时具有以下优点:磨机作业率提高3.14%，不需维护;磨机容积增大，磨机处理能力提高3.16%;对磨矿产品粒度、磁选精矿品位和回收率等选矿指标无不良影响;重量轻、单块尺寸小、安装方便、节电、噪音低、降低选矿成本。

4.2 在非磁性矿山的应用

云南某大型铜矿的采选规模为2000t/d，矿石硬度大，属坚硬的长石、石英砂岩。铜主要附存于硫化矿物中，以辉铜矿为主，其次为铜蓝、斑铜矿;脉石以石英、长石为主，其次为方解石、粘土矿物等，伴生矿物中有银[6]，原矿中不含磁性矿物，多元素分析结果见表2。

表2 原矿多元素分析结果

由于该矿的矿石硬度大，采用四段磨矿加分段浮选的流程。原矿经过三段磨矿后两次粗选，粗选的精矿进行第四段再磨，磨矿粒度达到－200目100%时在进行三次精选。该选矿流程的设计有利于调整各段选矿的药剂，分别提高铜金属的回收率和伴生银的回收率。

在该选厂的二段和三段球磨机上，使用了北京矿冶研究总院HM－FC新型耐磨磁性衬里[7]，该耐磨衬里是针对该矿矿石性质特点和工艺条件研制的，强化了局部的吸附强度，虽然不含磁性矿物，但衬里表面吸附的介质保护层也非常均匀坚固，否定了其前认为该矿用磁性衬里效果不如橡胶衬里的结论[8]。该选厂曾在2003年对其使用过的锰钢衬里、磁性衬里、橡胶衬里进行了较系统的考察，其原先使用的磁性衬里产品寿命不理想。现在该矿使用HM－FC新型耐磨磁性衬里，寿命为原锰钢衬里的3～5倍。由于其原矿中不含磁性铁，受磁性衬里工作原理制约，磁性衬里在该矿的寿命必然低于铜陵系的含铁铜矿，但与高锰钢衬里相比已非常优越。

4.3 在立式超细磨机上的应用

磁性耐磨衬里不管是应用于磁性矿还是非磁性矿，在金属矿山大多用于卧式球磨机，这是由矿山的选矿工艺技术条件制约造成的。

近年来，随着优质矿产资源趋于枯竭，贫、细、杂难处理矿石的开采量大增，新建选矿项目的规模频创新高，有的甚至高达10万吨，因此矿石的再磨细磨工艺技术日益受到重视。传统的卧式球磨受其结构形式及工作机理的局限，在矿物的细磨作业中效率低下、能耗高，这使高效的立式细磨设备在金属矿山的应用需求越来越大[9]。

卧式球磨机是靠筒体转动从而带动筒体内的磨矿介质运动，而立磨机则是筒体固定，由电机带动高速旋转的搅拌装置，搅动介质和矿浆，实现对矿物的冲击、剪切和研磨作用，其能量的利用效率要高于传统的卧式球磨机[10]。立磨机中通常采用3～10mm的球形介质，硬度一般比被磨物料大，介质在筒体内的高速运动，对筒壁造成了剧烈的冲击与磨损，因此对筒壁的耐磨层要求很高。目前筒体耐磨衬里的材料一般采用聚氨酯、刚玉、碳化硅等，寿命短且更换麻烦，给选厂的正常生产造成很大影响，也制约了大型立式细磨设备的发展和普及。

针对立磨机介质运动形态和筒壁磨损方式进行动态模拟和分析，北京矿冶研究总院为此研制了HM－LM立磨机专用橡胶耐磨磁性衬里，目前已经应用于新开发的大型立式螺旋搅拌磨机上，将彻底改变目前的筒体衬里材料靠自身性能来对抗磨损的机理。HM－LM耐磨磁性衬里原理同与一般卧式球磨机磁性衬里，不同之处在于根据立磨机的工作原理，弱化了抗冲击性能，强化了耐腐蚀性能，从而也使该耐磨衬里比卧式球磨机磁性衬里要轻、薄很多，拆装更方便，寿命预计可以达到三年以上，更换可以在数小时内完成，图4为安装HM－LM橡胶耐磨磁性衬里的北矿院大型立磨机。