HM型磁性衬板的研究与应用进展

608 编辑：中冶有色技术网来源：北京矿冶研究总院，北矿机电科技有限责任公司

2023-06-05 14:57:12

磨机衬板是磨机在生产运行中的主要易损部件，由于介质和物料对衬板的冲击、磨剥和腐蚀等作用，使磨机衬板产生了冲击磨损、剪切磨损、疲劳磨损、磨料磨损和腐蚀磨损等[1]。国内外的球磨机所使用的衬板从材质上区分可以划分为3大类型：金属型衬板、非金属型衬板和复合型衬板[2]。应用最早而且到目前为止应用最广泛的是金属型衬板，主要材质为高锰钢，一般情况下，在一段球磨机中应用的寿命为6～10个月，在二段磨机上使用寿命为10～18个月，存在的问题主要是更换周期较短、降低磨机作业率、生产成本高[3]。非金属衬板主要以橡胶和聚氨酯材质为主，材质自身的特性导致抵抗冲击和剪切作用的能力比金属衬板差，对使用的条件要求比较严格，因而应用的范围受到限制，主要用于球磨机端部和非金属矿用磨机。复合型衬板的出现是耐磨衬板发展的重大突破，包含了橡胶复合磁性衬板和金属复合磁性衬板，其中橡胶磁性衬板以瑞典斯克嘉(SKEGA)为代表，而金属复合磁性衬板则以中国为代表，金属复合磁性衬板在我国矿山中获得广泛应用[4]。

目前磁性衬板的卓越性能在国内外已经得到公认，使用寿命可以达到锰钢衬板的4～8倍甚至更长，比如HM型衬板已经有使用寿命超过8年仍然在稳定运行的使用实例，大大降低了衬板消耗和运行成本，提高磨机作业率;此外，磁性衬板与高锰钢衬板相比还有多个优点：增大磨机有效容积，提高处理能力;减轻磨机运行负荷，降低运转功率，节约电耗;安装维护方便，减轻工人劳动强度;降低噪音，筒体不漏矿浆，提升工作环境质量[5]。

1、HM磁性衬板的发展历程

北京矿冶研究总院于1987年开始磁性衬板的研究，是国内最早从事磁性衬板研究的机构;橡胶-金属磁性衬板于1992年通过了中国有色金属工业总公司组织的技术鉴定[4];在1997年，北京矿冶研究总院与包钢(集团)公司选矿厂合作，在Φ3.6 m×6.0m溢流型球磨机内应用了全套HM型金属磁性衬板，应用效果良好，并通过了中国有色金属工业协会的技术鉴定;在2002年，HM型磁性衬板获得北京市科学技术进步奖，并被评定为2002年国家重点推广新产品;此后，对衬板材料和磁系结构又进行了优化设计，并对材料性能进行了深入研究和改进，2004年研制成功了性能更优越的第二代HM型磁性衬板。到目前为止HM型磁性衬板已经在包钢、鞍钢、中钢等数十家大中型铁磁性矿山应用，并于近年来将应用范围扩展到弱磁和非磁性矿物领域，经过几年的跟踪HM磁性衬板在弱磁及非磁性矿物磨机中应用效果良好，达到普通锰钢衬板使用寿命的3倍以上。此外，HM型磁性衬板在直径5m以上的大型球磨机中也取得了良好应用效果，性能稳定可靠，达到国内领先水平。

2、HM磁性衬板的机理研究

决定磁性衬板性能的关键因素主要有两个：一是磁系的设计是否合理，这要求对构成磁系的材料特性、磁系结构及其表现的磁场特性等方面进行深入研究。二是能否形成坚固、稳定、有效的保护层，磁性衬板的安装过程及使用初期的操作要求对保护层的形成至关重要。

2.1 结构特点

HM金属磁性衬板由金属壳体、磁性材料、弹性胶层等3部分组成，如图1所示，弹性胶填充在金属壳体内表面和磁性材料之间，将两者牢牢粘接在一起。

磁性材料的一面与磨机筒体接触，靠磁力紧紧吸附在磨机筒体上，磁性材料的性能是磁性衬板可靠性的基础，磁性衬板根据使用条件的要求选用硬磁材料，剩磁强度、矫顽力、最大磁能积以及稳定性和经济性都是磁性材料选取的参数。

金属壳体的外表面是衬板的工作面，吸附小球、碎球和磁性物质形成保护层，保护层按磁路形成正弦波峰，由从内向外逐渐变粗的磁性物质构成，靠近衬板表面为内层，是细粒物料组成的均匀床层，中间是小片状和粗粒状物料，外层是粗粒的磁性物质和小球。在长期的运行中，保护层始终处于平衡状态，内部的组成成分被磁化，使其更加牢固，一定厚度的保护层磨损后再继续生成，周而复始地保护磁性衬板表面，从而达到减轻衬板磨损，延长寿命的目的。

图1 磁性衬板工作原理示意图

磁性衬板工作原理示意图

Figure 1 Sketch of magnetic lining working principle

2.2 磁性衬板作用机理

磁性衬板表面的保护层依靠磁性材料产生的磁力吸附形成，磁力的大小决定了保护层的厚度，根据起保护作用所需要的保护层体积，以及形成保护层的物质性质，由(1)式可确定保护层内物质所需的磁力。

(1)

式中：FC为磁力;a为磁场强度修正系数;μ0为真空磁导率;k0为物体磁化率;H0gradH0为磁场力，A2/m3;H0为外磁场强度，A/m;gradH0为磁场梯度，A/m2;V为保护层体积，m3。

式中：x0为保护层中颗粒的比磁化率;δ为颗粒密度，kg/m3，单位质量的保护层所需磁力fc为：

(2)

由(2)式可以看出，单位质量颗粒受到的磁力除了受自身的比磁化率影响之外，主要与磁场强度及磁场梯度相关，磁场强度和梯度的值越大磁性衬板对特定颗粒的吸附力也越强。

研究表明，磁性衬板表面保护层的形成与磁性材料的磁场强度、磁场梯度，磁系结构的极数、极性、极距、极隙和磁系宽度等参数密切相关。磁场强度越大，吸附层的厚度越厚，但保护层的厚度并不是越厚越好，过厚的保护层一方面会影响磨机的有效容积，另一方面也会加重磨机的转动负荷，不利于生产运行，保护层的厚度在20-30mm范围内最佳。

2.3磁场特性的实验研究

磁性材料的磁场强度及梯度受到磁性材料自身外形尺寸的影响，优化磁性材料厚度和磁系布置可以使其兼有表面磁场强度高和磁场梯度大的优点。

通过制作出相应的实验工具，用拉力仪器测出磁性材料表面磁力与磁性体厚度的关系，如图2所示，保护层受到的吸附力随着磁性材料的厚度增加而逐渐增加，但增加的幅度呈现逐渐减小的趋势，与磁感应强度的变化规律是相近似的;在20~30mm的范围内，保护层受到的吸引力比较接近，比厚度为15mm的保护层受到的吸引力有明显的增加;而当保护层厚度增大到35mm时，其受到的吸引力与30mm厚度时相比变化很小，尤其在磁性材料厚度较小时，吸引力是相同的，这说明HM型磁性衬板所产生的吸附作用对20~30mm厚度的磁性物质的吸附性是最好的。

磁性材料表面磁场力与磁性体厚度关系图

图2磁性材料表面磁场力与磁性体厚度关系图

Figure 2 Graphs of magnetic force and the thickness of the magnetic body

2.4磁场特性的数值模拟

通过先进的数值模拟软件对磁性衬板的磁场特性进行分析，进一步优化其磁体排布结构，在保证磁场强度的前提下，降低磁场变化率，提高磁场均匀性。

建模时设定沿磨机筒体切向为X方向，径向为Y方向，对磁性衬板模型建模并划分网格，然后进行运算，模拟结果如图3所示。

磁场模拟分布图

图3磁场模拟分布图

Figure3 Simulation diagram of the magnetic field

通过图3可以清楚的看到磁性衬板表面的磁通量密度值，磁性衬板表面磁极的中间部位磁通密度最高，而磁体中心位置的磁通密度最低。磁性衬板的表面磁通密度呈现波峰与波谷的交替分布规律，在沿着磁性衬板表面垂直高度方向，磁通密度衰减趋势明显，具有表面磁场强度大、垂直高度磁场梯度高的特点。

衬板安装到筒体上后，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，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。

3 HM磁性衬板的应用进展

3.1在磁性矿的应用

包钢集团某大型铁选厂始建于1958年，处理原矿石能力达到1200万t/a，选矿厂的原矿石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，有良好的吸附性。

选矿厂原矿经三段破碎粒度减小到-25mm，然后进入三段闭路磨矿工艺流程。第一段为棒磨机开路工作，第二、三段为球磨机闭路工作，磨矿产品粒度为-75μm≥90%。HM型磁性衬板(包括筒衬和端衬)安装在二段Φ3.6×6.0m球磨机上，从1999年2月投入运转，使用寿命达到了8年多，达到高锰钢衬里的6～8倍。在衬板的使用过程中，曾多次打开磨机筒体考察，磁性衬板表面由介质、碎球和矿粉组成的吸附层非常均匀匀和牢固，按磁系排列形式均匀美观的自然波形，如图4所示。

图4 Φ3.6×6.0m球磨机内磁性衬板保护层外貌

Figure4 Appearance of magnetic layer in the Φ3.6×6.0m ball mill

HM磁性衬板与锰钢衬板对比，对磨矿产品粒度、磁选精矿品位和回收率没有任何不良影响，使用过程中免维护，提高磨机作业率3.14%;增大磨机有效容积，提高磨机处理能力3.16%，还具有重量轻、节电、噪音低、节省磨机操作成本等优点，每年就可为包钢选厂增加经济效益117.8万元。

3.2 在非磁性矿的应用

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，原矿中不含磁性矿物，多元素分析结果见表1。

表1 原矿多种元素分析结果

原矿多种元素分析结果

该选厂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-325目95%时在进行第三次精选。

在2003年前后该选厂曾先后尝试了锰钢衬板、磁性衬板和橡胶衬板，并对三种衬板进行了较系统的考察，得出磁性衬板的使用寿命不如橡胶衬板的结论。针对该矿的矿石性质和工艺条件我院研制了新型的HM-FC耐磨磁性衬板，安装在该选厂的二段和三段球磨机上，在设计时对磁性衬板的结构和强度进行优化，使磁性衬板能更牢固的吸附磨机内部的碎钢球和小钢球。HM-FC磁性衬板在2007年5月安装使用，使用寿命达到三年半，是原锰钢衬板的5倍。尽管受矿物不含磁性物的制约衬板使用寿命达不到在磁性矿物使用八年的寿命，但与高锰钢衬板相比在使用成本方面已经非常优越。

3.3 在大型磨机上的应用

云南某大型有色金属选矿厂生产规模达到8000t/d，矿石类型属于锡石硫化物-矽卡岩型，按矿物自然组合特征，大致分为锡石硫化物型、锡石矽卡岩型、锡石磁铁矿型，以锡石硫化物型矿石为主。多金属元素的分析结果见表2。

表2 原矿多种元素分析结果

原矿多种元素分析结果

该矿的碎磨工艺采用粗碎+半自磨+球磨流程，其中粗碎后的矿物粒度为-250mm，该产品给入半自磨机，半自磨机的产品粒度为10mm占80%，进入到一段球磨机中，球磨机的型号为φ5.03×8.5m，如图5所示，安装功率3500kW，使用最大直径为80mm钢球，磨矿产品粒度为-74μm占80%，在投产初期该磨机使用锰钢衬板，但衬板磨损较快，对生产造成一定影响，后经过研究决定使用HM型磁性衬板取代锰钢衬板。

该球磨机的直径较大，而且矿物中的磁性成分含量不高，在类似条件下使用磁性衬板是存在难度的，HM型磁性衬板进行了开拓性的尝试，针对应用条件对衬板的结构进行了改进和优化设计，使其更能适应大直径磨机的工况条件。经过一段运行时间的考察，HM型磁性衬板的使用情况良好，安装磁性衬板后磨机的处理能力和磨矿产品粒度没有受到任何影响，而磨机的平均运行功率由原来的2300kW降低到2220kW左右，节能约3.4%，此外磨机的噪音也有所降低，改善了工作环境。

安装HM型衬板的φ5.03×8.5m球磨机外貌