磨机衬板材质的研究进展

崔朝泽，王 岩

紫金矿业集团黑龙江多宝山铜业股份有限公司 黑龙江黑河 164300

目前磨机种类、样式繁多，数量大，如何降低磨机的磨损以及提高磨矿效率成为了热点话题。衬板的结构和材料、磨机填充率、钢球直径和级配等因素，都对磨机的磨损率有着很大的影响。陈佳侠等人[1]对于半自磨机冲击磨损机理开展了一系列研究，研究表明：提高衬板用钢熔炼质量，减少衬板夹杂物，在保证衬板高硬韧性前提下，进一步提高其韧性，是提高半自磨机衬板使用寿命的必要条件和主要路径。韩春阳等人[2]对某铁矿选厂的半自磨机筒体衬板进行磨损分析，利用等寿命法改造衬板结构，使用离散元分析和衬板模拟软件对研磨介质和矿石的运动规律进行模拟，发现优化后衬板平均使用寿命大幅度提高，从 54.2 d 延长至 68.33 d。庄巧玲[3]通过研究衬板的冶炼、铸造以及热处理工艺，使得衬板更加实用耐磨。

各类磨机的研磨机理相近却又不相同，这就导致磨机衬板的选择有较大区别。例如：大型半磨机衬板尺寸大，研磨介质大，冲击力大，这就需要磨机衬板具有很好的抗冲击性能；而以细磨为主的磨机衬板则更注重耐磨性。因此，在选择衬板时需要注意，在一定的冲击载荷作用下，衬板要始终保持较好的耐磨性。

1 衬板对磨矿的影响

1.1 衬板结构对磨矿的影响

磨机衬板分为条形衬板和单块衬板两种：条形衬板是楔状的压条固定在筒体内部，所需螺栓少，抗压强度大，不可单独拆卸；单块衬板是用螺栓固定在筒体内部，可以单独拆卸，抗压强度小，使用时需要注意螺栓处密封，防止出现漏液的情况。磨机衬板根据提升条形状又可分为 L 形衬板、T 形衬板以及波形衬板 3 种。不同形状的衬板，研磨介质和矿石被提升的高度和分散程度均不同，因此磨矿效果也大不相同。例如 L 形衬板，研磨介质和矿石可以被提升到很高的位置，因此撞击力足，粗碎时效果最好，但巨大的冲击力会使衬板的寿命大幅度降低，并且很容易出现砸空的情况。四川某选矿厂最初使用 T 形衬板，在使用一段时间后发现衬板出现不对称磨损，因此改进了 T形衬板结构，将易磨损的位置加厚，不易磨损的地方减薄，这样既保证了衬板在处理矿石前后质量没有变化，又延长了衬板寿命。

近些年国内外学者对衬板结构进行了优化升级，例如孙珊珊等人[4]通过离散元分析和 ANSYS 耦合方法设计出一种新型结构的波形衬板，在主提升条两侧增加副提升条，副提升条高度为主提升条的 1/3，优化了衬板性能。使用后发现，新型结构衬板磨损最严重的地方较传统的波形衬板降低很多，并且对于矿石和研磨介质的提升作用也有显著提高。刘建平[5]采用离散单元法对半自磨机出料端衬板进行升级改造，将原径向放射状衬板改造为弧形衬板，使得排料能力大幅度提高，并且延长了衬板寿命。上述衬板改造均实现了在降低衬板磨损的同时，大幅度提高了磨机生产效率，成为未来衬板结构研究的主要方向。

1.2 衬板磨损对磨矿的影响

球磨机在工作时筒体围绕中心轴线旋转，筒体内的矿石和研磨介质受到巨大的摩擦力和离心力作用，当到达高处后受到重力作用泻落，从而产生破碎冲击作用，达到粉碎矿石的目的。磨机内部有钢球等研磨介质、待磨矿石和矿浆，工作环境极其恶劣，工作时矿石以及研磨介质除了直接受到冲击作用以外，由于钢球的滑动和滚动，还同时受到挤压和研磨作用。球磨机相对于半自磨机而言，衬板对物料的提升作用较弱，钢球数量较多，矿石在球磨机中更多的是被研磨，而衬板的磨损也主要是矿石和钢球在研磨时的碰撞导致。

潘庆等人[6]使用离散元法模拟衬板的磨损过程，精确找到衬板的磨损位置以及磨损程度，为衬板的改造和提升条分布设计提供指导，从而实现提高衬板使用寿命的目的。谢卓宏等人[7]提高了提升条的高度，将提升条设计为非对称锥面，将衬板平板部分厚度降低 1/7，使得半自磨机碎磨效率得到大幅度提升，同时又降低了衬板磨损。

1.3 磨矿工艺条件对磨矿的影响

磨机衬板一方面可以避免矿石和研磨介质直接冲击筒壁，另一方面可以通过改变衬板表面光滑度来控制矿石的研磨粒度。如用于细磨，则使衬板表面坑洼不平，以增大磨机内部的摩擦力，从而使物料和介质有更强大的冲击力；相反，如果用于粗磨，则需将衬板表面做得平滑，以减小磨机内部的摩擦力，达到粗磨的目的。衬板的类型有很多种，选择一套适合的衬板可以大幅度减少矿石对磨机筒壁的不必要撞击，从而延长磨机寿命，提高磨矿效率，可以说衬板对磨机的工作效率起着关键作用。

2 衬板材质的分类及发展

衬板材质大体上分为金属衬板、橡胶衬板和磁性衬板三大类。

2.1 金属衬板

在大型磨机大规模投入生产的初期，高锰钢是应用最为广泛的衬板材料。随着科技的不断进步，技术水平的创新，金属衬板得到发展，在材料选取方面也逐渐向多样化发展。其材料种类主要包括高锰钢、高合金白口铸铁以及高碳铬钼钢等等，这些材料的机体组织包括奥氏体、马氏体和贝氏体等。

2.1.1 高锰钢

高锰钢的主要优点是抗磨损，抗强冲击，芯部韧性好；主要缺点是屈服强度低、易断裂，扩散冲击导致衬板发生塑性流变，且导热性差，易析出碳。我国主要通过改变微观晶体结构，加入碳化物等方式实现高锰钢改性。

高锰钢在耐磨性和加工硬化方面有着出色的表现，是应用比较广泛的耐磨材料。大型球磨机应用高锰钢材料衬板能够有效延长其使用寿命。某选矿厂在φ3.2 m 球磨机中使用高锰钢衬板，衬板的寿命达到半年，在φ5.5 m 球磨机中使用高锰钢衬板，衬板的寿命更是达到了一年。这主要是因为大型球磨机中钢球与矿石的冲击力较大且转速较慢，使得高锰钢发挥出其显著的加工硬化效果。但高锰钢自身也存在着极大的弊端，因其屈服强度低，当受到巨大的冲击力时，会回弹失效，导致其发生形变。某选厂曾经在φ10.37 m ×5.19 m 半自磨机中尝试使用超高锰钢衬板，工作一个月后，高锰钢衬板发生严重变形，造成了一定的损失。因此，高锰钢不宜作为半自磨机的筒体衬板材料，而适用于大型球磨机筒体衬板。对于半自磨机，梁治安采用压条型铬钼钢作为筒体衬板，其寿命比锰钢材质衬板提高了 106.67%[8]。

2.1.2 合金白口铸铁

白口铸铁分为普通白口铸铁、低合金白口铸铁、中合金白口铸铁和高合金白口铸铁 4 种。目前应用最多的是含铬量为 12%～20% 的高铬白口铸铁，因其组织中形成孤立杆状 (Cr，Fe)7C3型碳化物，使其硬度更高，冲击韧性更强，因此受到材料研究者的青睐，也成为球磨机的筒体衬板材料。高铬白口铸铁冲击韧度通常为 5～7 J/cm2，相对其他材料偏低，因此高铬白口铸铁更适合于φ2.5 m 以下、对冲击强度要求比较低的小型球磨机筒体衬板。

2.1.3 合金钢

合金钢的主要合金元素包括硅、镍、锰、铬、钼、钨等，综合力学性能好，稳定性强，耐反复冲击且拆卸方便。作为性能较好的耐磨材料，在合金钢中添加不同含量和种类的合金元素，对碳含量进行调整，在不同的热处理工艺下，可获得不同的力学性能。

磨机衬板也会采用这种材料，尤其适用于大型磨机衬板。其中马氏体 Cr-Mo 合金耐磨性较好，珠光体 Cr-Mo 合金冲击韧性高，因此马氏体 Cr-Mo 合金钢衬板适用于大型自磨机，珠光体 Cr-Mo 合金钢衬板适用于大型半自磨机。

2.2 橡胶衬板

橡胶衬板由弹性聚合物材料构成，具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，安装快捷且隔音消音，质量轻，可以减轻磨机质量，有利于节省电能[9]。缺点是自身较厚，会导致磨矿介质消耗增多，磨机处理能力下降。与合金搭配制成复合型衬板，可用于磨机的端衬板、进出料口衬板。自 20 世纪 60 年代橡胶应用于球磨机衬板，大幅度降低了磨机运行噪声，并且因其有极好的抗腐蚀性，提高了衬板使用寿命。但其也有明显不足，较高的弹性导致在磨矿时会吸收一部分冲击能量，降低了研磨效率。某选矿厂在φ5.5 m×8.5 m 球磨机中使用橡胶作为筒体衬板，磨矿效率下降了约10%。因此橡胶衬板不适合作为磨机筒体衬板，更适用于细磨作业以及作为进出料口衬板、端衬板等。某冶炼厂渣选时采用橡胶衬板作为半自磨机进料端端面衬板和小槽板，并将格子板结构优化，增加最外圈 3根肋板的厚度，使磨矿效率和衬板寿命均有提高[10]。姚建超等人[11]发现 KLM 立磨机使用聚氨酯衬板替代传统的金属格子衬板，无论是安装拆卸还是使用寿命均有明显优势，应用效果良好。

2.3 磁性衬板

磁性衬板的外壳是金属，因此能够吸附磁性物质进而形成保护层。保护层分为三层：最内层主要是高铁粉矿等细料，中间层是颗粒比较粗或者是片状的磁性物质，而最外层则是低铬铸球及粗颗粒磁性矿物。当磨机工作时，磁性物质进行极低速移动及旋转，内层细颗粒会更加牢固地嵌在衬板上，外层处于动态平衡，不断损耗也不断补充。理论上磁性衬板可以永久使用，但实际使用时，因金属腐蚀以及保护层之间相互摩擦，也需要在几年后定时更换。目前磁性衬板的使用寿命一般为 8～10 a，相较于普通金属衬板，使用寿命提升了 5～8 倍。磁性衬板具有使用寿命长、安装方便、噪声较小、矿浆不易漏出、维修次数少等优点，已经广泛应用于大型强磁性矿物磨机筒体中。王超等人[12]将球磨机传统金属衬板换成磁性衬板后发现，可以减少研磨介质的填充，使磨机能耗下降。

针对弱磁性矿或非磁性矿，使用传统磁性衬板会出现磁性物质吸附不牢靠的问题，导致衬板使用寿命缩短。北矿机电科技有限责任公司研发出 HM 型磁性衬板，对衬板的磁性材料、磁系参数以及机械结构进行优化改进，使其具有大极面、小极距、表面磁场强度较高、磁场梯度大等优点。目前在弱磁性矿物和非磁性矿物的生产中已经开始运用 HM 磁性衬板。某铜矿选厂四段磨矿中的第二、三段磨矿采用 HM 磁性衬板，使用寿命达到 3.5 a，是传统金属衬板使用寿命的5 倍。

姜磊等人[13]通过研究橡胶磁性衬板表面对不同材质钢球的吸附力时发现，橡胶磁性衬板对低铬合金钢球的吸附力最大，随着钢球中铬含量增加，吸附力逐渐降低，这说明在采用橡胶磁性衬板时要选择适合的研磨介质。

2.4 橡胶金属复合衬板

利用金属衬板和橡胶衬板的各自优势，近几年出现了橡胶金属复合衬板，即在橡胶衬板上安装镶嵌合金件，使矿石冲击到金属上，发挥出金属高硬度的优点，并且大冲击力被橡胶衬板吸收，可防止衬板变形，使这两种材质的优点得以最大程度发挥。橡胶金属复合衬板的优点在于安装简单，使用寿命长，不易变形，广泛应用于进料端口衬板、出料格子板。

3 结论

在综合分析目前的衬板材质和国内外磨机性能后，结合实际生产情况，得出如下结论：

(1) 高锰钢适合作为大型球磨机筒体衬板，发挥其自身显著的加工硬化效果，而不适合作为大型半自磨机筒体衬板。

(2) 高铬白口铸铁更适合于φ2.5 m 以下、对冲击强度要求比较低的小型球磨机筒体衬板。

(3) 合金钢适用于大型磨机衬板，其中马氏体 Cr-Mo 合金耐磨性较好，珠光体 Cr-Mo 合金冲击韧性高，因此马氏体 Cr-Mo 合金钢衬板适用于大型自磨机，珠光体 Cr-Mo 合金钢衬板适用于大型半自磨机。

(4) 橡胶衬板不适合作为磨机筒体衬板，更适用于细磨作业以及作为进出料口衬板、端衬板。

(5) 磁性衬板具有使用寿命长、安装方便、噪声较小、矿浆不易漏出、维修次数少等优点，广泛应用于大型强磁性矿物磨机筒体衬板。

(6) 橡胶金属复合衬板的优点在于安装简单，使用寿命长，不易变形，广泛应用于进料端口衬板、出料格子板。