一种磨机添加钢球装置

唐仕坤，李镇宏，冯永豪，王 槐，陆贤颖

（云南华联锌铟股份有限公司，云南文山 663701）

0 引言

在有色金属、黑色金属选矿行业中，半自磨机、球磨机是常用的磨矿设备，这类设备都需使用钢球作为磨矿介质。钢球除了磨机使用加装外，由于生产磨损消耗，每天都必须往磨机内添加新钢球，以满足选矿生产的工艺要求。操作人员每天都要添加钢球，有时磨机不只要添加一种型号的钢球，而是多种型号的钢球，且需要按照一定的比列添加各种钢球，工作重复且繁杂，还存在一定的安全风险及隐患。

1 钢球磨机的运行模式及钢球破损理论

1.1 运行原理

磨机的工作原理是利用自身的圆周运动带动钢球运动，利用钢球对物料产生冲击和研磨。磨机在工作中，滚筒绕水平轴作匀角速转动。在原料和钢球装入之后，钢球借助摩擦力进行上升，在上升一定高度之后将会脱离原有的圆周轨迹，按抛物线轨迹向下降落，从而对原料进行粉碎和研磨。一般来说，磨机内的钢球会根据固定的配合比调整直径，不同直径的钢球运动形式不同。

目前钢球在筒体内的运动形式一般包含两种：

（1）在钢球未脱离滚筒壁之前，钢球通过和筒体的摩擦力跟随滚筒一起作圆周运动。

（2）钢球在借助自身摩擦力上升之后，沿着抛物线向下降落。

除了上述运动之外，钢球还会做自转运动，钢球叠层之间还有相对滑动。为简化钢球运动，一般会忽略钢球的自转和相对滑动产生的摩擦。

在磨机运行中，钢球作堆叠分层循环运动，每一层的钢球都以筒体轴为圆心，但是不同层之间钢球的线速度、落点存在一定的区别。在脱离筒体之前，钢球的线速度为所在位置的线速度；在脱离筒体之后，钢球则按照抛物线轨迹向下降落。

本研究以最外层的钢球为研究对象，忽略物料对钢球的影响，则磨机内钢球的运动轨迹和受力情况如图1 所示。

图1 磨机内钢球的运动轨迹及受力情况

1.2 破损模式

在磨机磨筒实际运行的过程中，钢球的磨损过程较为复杂，随着磨矿的进行钢球逐渐被磨损。此外，钢球的损耗还受到多个因素的影响，如钢球的运动特征、几何性质、前端流程以及磨损方式等，会对钢球造成不同程度的损耗。

金属材料的耐磨性与含碳量相关，其耐磨性能会因含碳量的增大不断提高，但如果增加含碳量，金属材料的韧性就会随之降低，从而导致钢球容易破碎。因此，为了提高钢球的硬度，需要通过改变合成元素，以提高钢球的耐磨性能。

不同钢球的显微结构存在一定的区别，其耐磨性也不同。根据相关数据现实，马氏体的耐磨性较低，贝氏体的耐磨性相对较高。钢球的几何尺寸也会影响到磨损程度，一般来说，直径较大的钢球磨损速度更快，但是如果直径过小，就会降低磨矿的效率。因此，在钢球直径选择时，要结合具体情况具体分析。

钢球的运动特征将会直接影响到磨损程度。在大型磨机中，钢球的运动路径较长，随着动能的增加，机械磨损程度也随之增加。相关数据表明，磨筒内部水的化学性质和矿质特性保持不变，磨机直径的增大将会使矿粒度增加，从而加快钢球单位面积的磨损程度。另外，钢球的重量也会对其抛落状态的冲击力造成一定的影响，进而导致钢球的磨损程度增加。

在磨机运行中，钢球受到多种力的影响和作用，借助钢球自身的摩擦、钢球与衬板的摩擦以及钢球与物料的摩擦将其带到一定的高度，进而对物料形成较大的冲击和影响。

2 技术改造的必要性

磨机添加钢球是一个重复且繁杂的工作，虽然工作内容不复杂，但人工添加钢球存在较大的不稳定性和不确定性。而磨机定时添加足量的钢球是磨机磨矿效果达标、满足生产工艺要求的重要保障，对下游的工艺选别有着重要影响。为降低人员操作不稳定性对磨机磨矿效果的影响，提高工作效率，研发一种结构简单、使用方便，能够定时、定量地为磨机自动添加钢球的装置，实现钢球的精准、自动补加。

3 设计理念

为实现钢球自动并定时定量的添加，提出一种磨机添加钢球装置，该装置结构简单、使用方便。一种磨机添加钢球装置的结构如图2 所示，主要部件有圆锥形钢球仓、振动器、电控柜、气缸、气缸活塞、钢球卸口、钢球横向通道以及纵向的卸球通道等。

图2 磨机添加钢球装置结构

圆锥形钢球仓底部有一段纵向的卸球通道，卸球通道的侧壁上安装有红外线发生器。钢球添加机构包括气缸、钢球横向通道、钢球入口、钢球卸口端。钢球横向通道横置于圆锥形钢球仓下方，钢球横向通道一端封闭另一端开口。气缸与钢球横向通道处于同一水平线，气缸活塞由开口端推入钢球横向通道内并作往复运动。钢球卸口端在钢球横向通道的封闭段朝下的位置。钢球入口位于钢球横向通道中段向上的位置，钢球入口与卸球通道相对接。钢球卸口端在磨机进料端钢球添加口之上。

电控柜内置PLC 控制器、电气元件。其中电气元件包括中间继电器、交流接触器、热继电器、红外线接收器、电磁阀等，各元件与PLC 控制器连接形成联锁控制。电磁阀连接气缸，红外线发生器连接红外线接收器。

另外，圆锥形钢球仓外壁上还固定有振动器，该振动器通过继电器连接PLC。电控柜自带现场控制箱，其包含有与电控柜传输信号对接通信的接口，可以接收、处理电控柜的通信信号，控制钢球添加机构通电、断电动作。

4 使用说明

磨机钢球自动添加装置中，利用PLC 提供的定时器控制时间。当定时器达到设定时间时，PLC 给控制气缸进气方向的电磁阀通电，此时电磁阀控制气体使气缸推杆推出，将落入添加机构内的钢球推落至磨机钢球添加口。此时PLC 控制电磁阀动作，更换气缸进出气方向，将推杆收回，并在PLC 的计数器中计数值加1。当推杆收回后，由红外线接收器反馈给PLC 控制程序一个脉冲信号，判定有无钢球落入添加机构内。

判定规则是：若红外线接收器接收到红外线信号，则证明该孔内没有钢球落入，将信号反馈给PLC，PLC 控制振动器通电，振动器振动，直到红外线接收器不能接收到红外线信号，则证明有钢球落入添加机构的孔内，振动器停止振动。若红外线接收器没有接收到红外信号，则证明有钢球落入添加机构内，PLC 控制电磁阀将气缸推杆收回，计数器计数值加1。

重复上述添加钢球动作，直到计数器达到PLC 程序设定的计数值，即钢球已经添加达到设定的添加数量。在验证并确保添加机构的孔内有钢球后，PLC 控制气缸气源电磁阀断电，气缸停止动作，完成一次钢球的添加。然后PLC 计时器重新开始计时，当达到程序设定时间时，该系统重复上述钢球添加动作，完成钢球定时、定量的自动添加。气缸动作原理如图3 所示。

图3 气缸动作原理

5 效果分析

磨机钢球自动添加装置结构简单、自动化程度高、工作可靠性强，组装、制作、编程无技术问题，电控系统控制原理、控制程序及执行元器件容易获得，制造成本低，可以大规模推广运用。另外，该磨机钢球自动添加装置能够有效实现钢球自动添加，节约人工成本，降低人员操作难度和操作强度，运行成本低，推广应用前景广阔。

6 结束语

磨机钢球自动添加装置结构简单、使用方便，制造成本低，能减少人工劳动强度，降低岗位员工的安全风险，并能实现钢球自动定时定量地添加，解决人工添加钢球存在的问题，推广应用前景广阔。在日常工作中，相关技术工作人员应当充分应对工作中的变化，运用发散思维和联想能力，对当前的现实条件加以利用，积极思考、不断创新，结合实际情况和现有资源，用创新性的方法解决工作中的难题。

本文设计的磨机添加钢球装置已申请专利，授权公告号为CN213376979U，专利号为ZL202021905481.8。