磁性衬板在大红山铜矿三段球磨机的应用

孙云才，易海超

(1.玉溪矿业有限公司，云南 玉溪 653405；2.中国铜业有限公司，云南 昆明 650051)

0 引言

大红山铜矿位于云南省玉溪市新平县戛洒镇，是以含铜、铁为主要金属的大型矿床。铜矿物以黄铜矿为主，其次是斑铜矿，同时伴有微量的铜蓝和孔雀石；铁矿物以磁铁矿为主，其次是黄铁矿、赤铁矿和微量褐铁矿[1-2]。铜铁矿石选矿流程为“先浮选铜后磁选铁”的工艺流程，矿石中的铜矿物比较好选，浮选磨矿细度-200目占70%，选别流程简单，使用药剂种类少、用量低。为提高铁精矿质量，在磁选粗精矿流程后再增加三段球磨系统。随着矿山发展和生产规模的扩大，特别是2006年实施“万吨技改”项目后，随着产量的增加、供矿性质的改变，选矿生产工艺流程发生了很大的变化，之前的选矿条件已无法满足技改之后的万吨处理能力，而选矿选矿流程中球磨机衬板作为球磨系统的关键磨耗件，其质量、性质、寿命直接影响到原矿处理量、选矿指标和设备效率。

1 现状

大红山铜矿一选厂磨选车间现有球磨机设备10台套，三段球磨机4台套。磁性衬板改造前球磨机采用的都是市面上技术成熟的高锰钢耐磨衬板，该衬板含锰10%～15%，碳含量较高，一般为0.90%～1.50%，大部分大于1.0%。锰钢衬板通过螺丝连接方式安装在球磨机上，球磨机运转时，衬板在钢球、矿石较大冲击载荷和压力下表面发生塑性变形，产生强烈的硬化，表面硬度可提高硬度为HRC45～55，冲击韧性值≥25 J，此时有较高的耐磨性、耐冲击性，实质上这种锰钢衬板并不耐磨，在三段球磨系统上平均寿命只有13～14个月，每年必须停机约90 h进行更换锰钢衬板，存在更换衬板时候安全风险较高，更换前后几个月对选矿指标影响较大，全年设备开机率不足等诸多问题。自2007年以来，磁性衬板在一系列三段MQY245球磨机、二系列三段MQY2145球磨机、三系列三段MQY2736球磨机和MQY2130铁循环球磨机上的成功应用，弥补了锰钢衬板存在的不足，提高了设备运转效率，超出了预期目标，整体综合效益显著。

2 磁性衬板的工作原理

了解磁性衬板的工作原理，才能选择合适矿山实际的磁性衬板。葛俊波等[3]提出球磨机磨矿过程是利用磨矿介质与物料之间的冲击和研磨、介质与衬板的冲击与研磨过程中使被磨物料达到冲击粉碎和研磨解离的过程。因此，钢球和衬板的磨损是不可避免的。磁性衬板依靠自身磁性力紧紧吸附在磨机筒体上，初期工作时衬板表面由铁矿粉、碎钢球和小钢球等物料在磨机运转下，由于离心作用吸附在磁性衬板的表面，并在磁性衬板的磁场作用下，按磁路形成正弦波峰，并形成自衬层。由于球磨机长期运转，自衬层上的铁屑、碎钢球逐渐被磁性衬板磁化，形成附带磁性金属垫层，由于垫层被磁化，在垫层的上面有磁性矿石物料和碎小钢球组成的滚动层。在球磨机日常运行中，磁性金属垫层不断磨损，滚动层又不断被磁化生成补充磁性金属垫层，使得磁性金属垫层厚度一直处于动态平均厚度且循环交替地保护磁性衬板本体。除此之外，磁性衬板独特的磁路特性，使球磨机筒体及两端衬板按照磁场线分布规律形成了自然波峰，保证了球磨机衬板提升钢球的工作能力，且在衬板表面形成了约30 mm厚的磁性金属垫层，减轻了物料、钢球对磁性衬板本体的冲击磨损，延长了磁性衬板使用周期。图1为磁性衬板的结构及工作原理示意图，图2为磁场模拟分布图。

图1 磁性衬板的结构及工作原理示意图

图2 磁场模拟分布图

3 磁性衬板的选用原则

磁性衬板是否适合一台设备、一个系统、一种工艺，主要看三个条件：一是磁性衬板设计要合理，磁性材料选择合适，衬板安装完成后能够产生足够强度的磁场；二是磨矿介质中含有形成保护层需要的铁磁性碎钢铁介质和物料；三是衬板具有足够的结构强度，可以承受磨机工作时产生的冲击力和剪切力。根据大红山铜矿的矿山性质和工矿条件，为达到以上三个条件，大红山铜矿选用金属磁性衬板。

韩丽锁等[4]研究指出金属磁性衬板经常选用硬质条形永久磁铁作为磁性单元，磁性衬板按照设计图纸装配到球磨机筒体上后，可以形成封闭的磁路，磁通、磁路和磁阻各项分布得到改善，球磨机金属磁性衬板表面的磁场整体强度得到增强。吴建明[5]研究了磁场力与磁场强度的有关因素，下面通过对磁场强度的要求进行简单的分析。

磁性衬板表面的磁场强度由吸附保护层所需要的磁场力所决定，所以按照保护层的质量、厚度、负荷性质，可确定所需要的磁场力和磁场强度。吸附保护层所需磁力fc为

fc=αμ0x0H0gradH0，N/kg，

(1)

式中：α为磁性衬板表面吸附强磁性保护层导致磁场强度和磁场非均匀性提高的大于1的修正系数；μ0为真空磁导率；x0为保护层中颗粒的物体比磁化率，m3/kg；H0为磁极面上的磁场强度，A/m；gradH0为磁场梯度，A/m2；H0gradH0为磁场力，A2/m3。其中，x0=k0/δ，k0为颗粒的物体体积磁化率；δ为颗粒密度，kg/m3。吸附保护层所需的磁力Fc为

Fc=αμ0k0VH0gradH0，N，

(2)

式中：V为保护层体积，m3。

由以上公式可知，磁性衬板在球磨机内部形成的一定的磁场强度，吸附金属保护层除了需要足够的磁场强度之外，还需要一定的磁场影响范围(包括深度、宽度)。根据吴建明[5]的研究成果，表面磁场的作用深度又与磁性衬板磁极的极距、极隙以及磁系宽度等参数有关。永磁磁系沿磁极对称面上距磁极表面不同距离y(m) 处的磁场强度Hx可以用公式(3)表示：

Hx=H0e-cy，A/m，

(3)

式中：c为磁场非均匀系数，m-1，由式(4)确定：

(4)

式中：l为磁极距，m；R为磁极表面半径，m。距磁极表面不同距离y(m) 处的磁场力Fy为

(5)

式中：gradH为磁场梯度，A/m2。

由上述公式可以得出，磁极距的变化影响磁场非均匀系数的变化，进一步又对磁场强度和磁场影响范围都有影响。在磁极表面中心处场强相同的情况下，大极距磁系靠近磁极表面处的场强较高，而远离磁极表面后场强衰减较慢，即磁场影响范围较小，小极距磁系则反之。图3是通过实测的永磁铁厚度与其表面磁感应强度的关系曲线，图4是通过实测不同极距时磁场强度沿极面中心垂直方向的变化曲线。

图3 永磁铁厚度与其表面磁感应强度的关系曲线

图4 不同极距时磁场强度沿极面中心垂直方向的变化曲线

从图3、图4可以看出磁极表面磁场强度与磁极的距离尺寸、磁铁的厚度有直接关系。本次大红山铜矿选用材料为锶铁氧体和高磁能的钕铁硼复合永磁材料，磁性衬板厚度为60 mm，磁感应强度为120 mT的金属磁性衬板，通过9年的应用，结合日常停机检查，金属磁性衬板的设计应用及整体磁场特性满足磨选工艺指标各项要求。

4 磁性衬板在生产中的应用

一选厂磨选车间最早在2007年底三系列三段MQY2736溢流型球磨机上安装了磁性衬板，到2017为止使用时间近9年，通过日常停机检修时，技术人员定期进入球磨机内检查磁性衬板，发现衬板整体厚度磨损较小，工作状态良好。

磁性衬板在球磨机内的安装比较严格，首先将球磨机筒体和端盖的原螺栓孔完全封闭，矿浆不漏为合格，然后用清水筒体及端盖内冲洗干净，筒体或端盖若不平整的区域，需处理平整后再镶嵌磁性衬板，安装时候衬板的金属壳面向筒内，外弧面紧贴在球磨机内壁上，衬板之间不允许有间隙。磁性衬板安装完后，初期运转为了避免磁性衬板保护层形成太慢，设备启动前可先加装直径小于20 mm的小钢球约6 t和铁精矿粉约5 t至球磨机内，在衬板表面形成初始保护层。球磨机初装球规格为铸锻35×40 mm，40×45 mm，比例为1∶1，重量按27 t进行加球。球磨机实际运行约7日后，在磁性衬板表面逐步形成厚度约30 mm金属磁性保护层，金属保护层由于受磁场力作用，稳固地吸附在磁性衬板表面上方，阻隔了磨矿介质与磁性衬板的直接碰撞与研磨，极大地降低了磁性衬板的直接磨损，实现的延长衬板运行寿命的目的。除此之外，使用磁性衬板的球磨机运转过程中，没有出现衬板脱落、陷落的现象以及设备漏矿、漏浆问题，有效提升设备完好率超过99%。磁性衬板的实际使用结果总体与程景峰[6]、王勇[7]、李志刚等[8]、姜冬林等[9]的研究结论一致。图5为大红山铜矿三系列三段MQY2736溢流型球磨机现场图，图6为筒体磁性衬板的磁块安装方式，图7为现场工人磁性衬板安装。

图5 大红山铜矿三系列三段MQY2736溢流型球磨机

图6 筒体磁性衬板的磁块安装方式

图7 磁性衬板现场安装

5 磁性衬板的性能特点

5.1 磨损情况和寿命分析

磁性衬板与锰钢衬板相比，具有重量轻，安装便捷、使用寿命长等优点。由于磁性衬板不需要螺栓固定，一套衬板一天即可安装完成；由于衬板重量轻，减轻工人劳动强度，减少更换维修衬板时间。磁性衬板唯一缺点是一次性投资成本较高，当期投资回报率较低。

磁性衬板使用过程中，每年利用停机检修曾多次进入球磨机内检查，现场观察来看衬板几乎无磨损，使用效果较好。磁性衬板的坚硬金属吸附层非常均匀和牢固，按正弦磁场线均匀排列，波形自然美观[10]。图8为安装使用磁性衬板的MQY2700×3600球磨机进料端吸附层现状。图9为安装磁性衬板的MQY2700×3600球磨机筒体吸附层现状。

图8 安装磁性衬板的MQY2700×3600 球磨机进料端吸附层现状

图9 安装磁性衬板的MQY2700×3600 球磨机筒体吸附层现状

2007年至2017年每次年终检修对该球磨机磁性衬板磨损情况进行测量。具体测量方法是在筒体、前端盖和后端盖3个位置上各选取3个测量点，使用小铲将磁性衬板表面的吸附层沿球磨机轴线方向刮开一手掌大的区域，分别测量筒体衬板和端盖衬板的磨损量和厚度。通过10年的测量数据分析可估算出，该套磨机使用的磁性衬板的整体寿命将超过10年，远大于厂家设计使用寿命。由表1可直接得出，磁性衬板与锰钢衬板相比，从长期成本和寿命上有较大优势。

表1 MQY2736球磨机使用锰钢衬板与磁性衬板前后的参数对比

5.2 磁性衬板对磨机运转率的影响

查看大红山铜矿一选厂2005年至2015年近10年的衬板更换记录，使用高锰钢衬板的球磨机，每年需要更换锰钢衬板1套，衬板更换时间为72 h。而磁性衬板更换除了第一年拆除更换安装需要60 h外，在整个使用周期里几乎不需要进行维护。按照10年寿命计算，已安装使用磁性衬板的球磨机每年可至少节约62 h的衬板更换维护时间，实现球磨机运转率达99%以上。

5.3 磁性衬板对选矿指标的影响

大红山铜矿一选厂更换磁性衬板后，采集相关选矿指标，得出表2。

表2 MQY2700×3600球磨机分别使用磁性衬板与锰钢衬板选矿指标参数对比

由表2可知，三段磨使用磁性衬板后，处理量提升了约30%，磨矿效率、给矿细度指标变化不明显，铁精矿排矿细度下降2%～4%，通过测量磨机钢球充填率参数，发现安装磁性衬板的球磨机，由于磁性衬板吸附了一层30 mm厚的金属保护层，磨机筒体内部直接减少，导致筒体整体有效容积减少0.61 m3，影响排矿细度指标。虽然有上述影响因素，但是最终精矿品位基本无变化，不影响最终产品指标，磨矿综合效能不变。

5.4 使用磁性衬板的其他优点

1)磁性衬板靠比自身重量大5～6倍的磁吸引力在紧密吸附在磨机筒体上，消除了衬板与球磨机筒体相对运动的磨损问题，密闭了的磨机筒体原来的螺栓孔，消除了矿浆从螺栓孔泄露的隐患，间接减轻了矿浆对筒体的腐蚀，延长了磨机筒体的使用寿命。大红山铜矿1999年投产以来，装配高锰钢衬板的筒体使用寿命一般为7年；2007年装配应用磁性衬板以来，筒体使用时间超过了10年，保守估计至少可延长寿命2倍以上。

2)磁性衬板单块体积较小，重量较轻，每块约10 kg，且安装时候不需要螺栓进行固定，工人装配方便，减轻了工人检修作业体力强度，有效避免了因衬板安装时重量太重而引发人身安全事故。

3)安装高锰钢衬板的球磨机，若发生端盖螺栓断裂或脱落问题，矿浆、矿砂就会随着螺栓孔泄露至大齿轮面上，容易导致大小齿轮润滑不良，加速大小齿轮磨损，降低大小齿轮的使用寿命。2007年装配应用磁性衬板以来，由于螺栓孔被全部密闭，消除了矿浆泄露隐患，使大小齿轮组的寿命整体延长，经检修记录统计，小齿轮寿命延长1.5倍，大齿轮寿命延长2倍。

4)磁性衬板表面吸附碎球及磁性矿物组成的坚硬，避免磨矿介质铸锻球和球磨机筒体衬板之间直接撞击而产生碎半球，而且金属保护层还起磨矿介质作用，从而达到减少磨矿铸锻球的消耗。经实际测量，铸锻球单耗减少0.04 kg/t原矿，钢球单耗有效降低了10%～12%。

5)磁性衬板厚度薄，约为高锰钢衬板的40%；重量轻，约为高锰钢衬板的60%。磁性衬板有利于减少球磨机整体重量，使得电动机的实际轴功率减少，实际测量与其他同系统设备运行电流相比，约下降了10 A，电单耗下降了5%～7%，节能效果明显。

6 结论

大红山铜矿2007年使用第一套磁性衬板以来，经过10年的生产实践，验证了磁性衬板在磁铁矿应用的可行性，使用磁性衬板对提高磨机作业率、降低钢球单耗、降低周边环境噪音、节约能源、提高经济效益等方面效果显著。除此之外，减少了衬板检修作业频次，降低了工人劳动强度，安全效益更加明显。大红山铜矿目前使用的三段球磨机已经全部更换使用磁性衬板，并且从2015年开始，逐步将尝试在二段球磨机上进行试用，探索磁性衬板在磁铁矿各选矿工艺流程的应用。