我國鑄造耐磨材料經(jīng)過數(shù)十年的快速發(fā)展，現(xiàn)已較廣的應(yīng)用于礦山、冶金、建材、電力及化工等行業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)鋼鐵耐磨鑄件年消耗 350萬 t以上，預(yù)計(jì)總需求量年增長 5%～ 10%。由此可以看出，耐磨材料產(chǎn)業(yè)具有廣闊的發(fā)展前景。

近年來，隨著富礦的枯竭和金屬需求量的增加，需處理的礦石總量逐年增加。為了降低基建投資和生產(chǎn)費(fèi)用，提升勞動生產(chǎn)率，礦用磨機(jī)尤其是自磨機(jī)、半自磨機(jī)的大型化已成為磨礦設(shè)備的主要發(fā)展趨勢。以美卓、中信重工等為代表的裝備企業(yè)較大地推動了磨礦設(shè)備的大型化發(fā)展。自 2003年至今，中信重工已成功自主研發(fā)世界***大 φ12.2 m 自磨機(jī)，以及國內(nèi)***大 φ11 m 半自磨機(jī)和 φ7.9 m 球磨機(jī)。

隨著磨機(jī)大型化和應(yīng)用領(lǐng)域的多樣化，其裝配的襯板結(jié)構(gòu)日益大型化、復(fù)雜化，襯板服役工況愈發(fā)惡劣。磨機(jī)襯板主要用來保護(hù)磨機(jī)筒體，使其避免研磨體和物料的直接沖擊。隨著市場對磨機(jī)襯板的需求量和期望值的持續(xù)提升，大型磨機(jī)襯板的壽命問題變得愈加突出。筆者根據(jù)磨機(jī)襯板工業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)狀，簡要介紹影響其使用壽命的相關(guān)因素。

1 磨機(jī)的類型及規(guī)格

自磨機(jī)是一種兼有破碎和粉磨的磨礦設(shè)備，其工作原理是在一定的轉(zhuǎn)速下，作為磨礦介質(zhì)的物料因受到離心力和摩擦力的作用，被帶到一定的高度后在重力的作用下呈瀉落或拋落運(yùn)動狀態(tài)，產(chǎn)生沖擊和磨剝作用，達(dá)到粉碎的目的。因物料比重小，拋落后對襯板的沖擊力較小，因此自磨機(jī)襯板的失效形式多為磨損失效。

半自磨機(jī)的工作原理與自磨機(jī)基本相同，區(qū)別在于除物料自身外，還添加部分磨球用來處理物料自磨時(shí)出現(xiàn)的部分頑石。磨球加強(qiáng)了物料及頑石的破碎效果，但同時(shí)磨球拋落過程中與襯板碰撞瞬間會產(chǎn)生巨大的沖擊力，對磨機(jī)襯板造成嚴(yán)重的沖擊，尤其在高球荷和低充填率的情況下這種現(xiàn)象更為明顯。目前大型半自磨機(jī)襯板失效形式主要為斷裂和磨損，且使用壽命一般僅為 2～ 6個(gè)月。

球磨機(jī)與半自磨機(jī)的破磨物料方式基本一致。目前磨礦工藝流程中，球磨作業(yè)一般設(shè)置在半自磨作業(yè)之后，進(jìn)料粒度更細(xì)，磨球更小，襯板受到磨球和物料的沖擊小，其失效形式主要為磨粒磨損，使用壽命相對較長。大型球磨機(jī)襯板使用壽命一般為 10～ 12個(gè)月。

磨機(jī)規(guī)格對襯板壽命也有影響。隨著磨機(jī)規(guī)格的增加，物料或磨球被提升的高度增高，拋落向下的沖擊力增強(qiáng)，處理物料的能力增強(qiáng)，襯板的磨損加劇，尤其是半自磨機(jī)筒體襯板斷裂磨損相當(dāng)嚴(yán)重。文獻(xiàn)[5]指出，采用 EDEM 仿真模擬技術(shù)研究 φ10.37 m 半自磨機(jī)發(fā)現(xiàn)，半自磨機(jī)每轉(zhuǎn)1圈，每塊襯板要承受大于 6×104 N 的沖擊力 449次，***大沖擊力達(dá) 1.31×106 N，襯板所受平均沖擊能量約 4 986 J，單個(gè)介質(zhì)對襯板的***大沖擊能量達(dá) 820 J。由此可見，磨機(jī)的規(guī)格越大，襯板承受的沖擊力越強(qiáng)，斷裂風(fēng)險(xiǎn)越高。

2 磨機(jī)運(yùn)行工況

當(dāng)磨機(jī)處于試運(yùn)行期間，磨礦工藝參數(shù)處于摸索階段，給礦量不穩(wěn)定，磨球的加入時(shí)機(jī)、頻次及加入量也不固定;此外，因停機(jī)檢修造成磨機(jī)反復(fù)啟動，筒體內(nèi)物料少，磨球數(shù)量突然增加，襯板瞬間遭受巨大沖擊，斷裂風(fēng)險(xiǎn)增大。實(shí)踐表明，在磨機(jī)試運(yùn)行期間，襯板斷裂嚴(yán)重，而磨損相對較輕，因此通常建議應(yīng)優(yōu)先保證磨機(jī)內(nèi)綜合充填率，縮小磨球的加入規(guī)格、加入量及加入頻次，同時(shí)適當(dāng)調(diào)整磨機(jī)轉(zhuǎn)速，為磨機(jī)正常運(yùn)行積累數(shù)據(jù)，為襯板優(yōu)化提供可靠的方向。

當(dāng)磨機(jī)處于正常運(yùn)行期間，實(shí)際工況條件主要包括磨機(jī)轉(zhuǎn)速，物料充填率，磨球硬度、尺寸及充填率以及礦石屬性等幾個(gè)方面。

2.1 磨機(jī)轉(zhuǎn)速

磨機(jī)轉(zhuǎn)速對物料的破碎研磨效果影響很大。磨機(jī)轉(zhuǎn)速增加，磨球及物料整體的旋轉(zhuǎn)高度上升，拋落點(diǎn)增高且拋落距離增大，磨球的沖擊破碎動量增強(qiáng)。隨著循環(huán)沖擊次數(shù)的增加，襯板的沖擊磨損愈加嚴(yán)重。雖然提升磨機(jī)轉(zhuǎn)速可以快速提升磨機(jī)的處理能力，但同時(shí)常造成襯板斷裂而過早失效，有時(shí)還伴有磨機(jī)“吐球”及漏漿現(xiàn)象，增加了磨機(jī)檢修及襯板更換頻次，影響磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)率。生產(chǎn)中需要根據(jù)襯板結(jié)構(gòu)及磨球充填率，選擇合適的磨機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.2 物料充填率

當(dāng)磨機(jī)轉(zhuǎn)速及磨球充填率穩(wěn)定時(shí)，物料給入量、礦塊組成及充填率對磨礦過程起決定性作用，及時(shí)掌握物料充填率是磨機(jī)穩(wěn)定生產(chǎn)的關(guān)鍵。物料充填率過高，磨礦的拋落高度差降低，破碎效率下降，磨機(jī)工作不穩(wěn)定，極易產(chǎn)生“漲肚”現(xiàn)象;物料充填率過低，筒體內(nèi)物料較少，厚度較薄，磨球直接沖擊襯板極易造成襯板斷裂失效，甚至在螺栓孔處發(fā)生漏漿現(xiàn)象，影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)踐表明，半自磨機(jī)綜合充填率以 25%～30% 為宜;物料質(zhì)量和塊度配比基本不變，一般大小塊各占 50%。只有保持穩(wěn)定的物料填充率，磨機(jī)才能發(fā)揮良好的破碎研磨效果。

2.3 磨球的硬度、尺寸及充填率

磨球的硬度、尺寸及充填率等因素對襯板的使用及磨礦效果有重要影響。磨球與襯板的合理匹配是改善破磨效率、降低生產(chǎn)成本的有效途徑，是提升襯板使用壽命的關(guān)鍵。磨球與襯板的耐磨性是相對的關(guān)系，磨機(jī)內(nèi)磨球、襯板與物料組成一個(gè)磨料磨損系統(tǒng)，磨球和襯板的磨損方式是伴隨有沖擊載荷的三體磨料磨損。

(1)磨球硬度 磨球硬度提升，襯板抗磨損能力下降，即襯板的使用壽命降低;磨球硬度低于襯板硬度時(shí)，磨球的抗磨損能力降低，磨球消耗過大，生產(chǎn)成本提升。

(2)磨球尺寸 磨球大小是決定磨礦效果的一個(gè)關(guān)鍵因素。實(shí)踐表明，磨球大小和給料粒度之間存在一定的關(guān)系。在物料較硬、粒度較大時(shí)，較大的磨球、一定磨球充填率，可獲得良好的破碎研磨效果。磨球越大，其勢能越大，拋落過程中磨球?qū)σr板的沖擊越大，襯板使用壽命越短。實(shí)際磨礦過程中單一尺寸的介質(zhì)運(yùn)動不能滿足磨礦效果，只有將不同尺寸的介質(zhì)混合匹配，才能提升磨礦效率。

(3)磨球充填率 磨球充填率也是影響磨機(jī)粉磨效率的一個(gè)重要因素。在筒體容積一定的條件下，提升磨球充填率可增加粉碎物料的有效介質(zhì)，磨機(jī)處理能力增加;但磨球充填率過高，沖擊次數(shù)過多，研磨面積過大，磨球和襯板磨損嚴(yán)重，尤其在半自磨機(jī)物料供給不足時(shí)，襯板會斷裂甚至掉塊，危及筒體安全。通常磨球充填率的選擇應(yīng)遵循以下規(guī)律：當(dāng)物料粒度、硬度較大時(shí)，可適當(dāng)提升磨球充填率;磨機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，充填率可以稍低一些。

2.4 礦石屬性

礦石自身屬性對磨礦效率也有一定影響。礦體、礦段、成因的不同造成礦石性質(zhì)存在一定差異，磨礦效率往往存在很大波動，尤其是礦石硬度變化嚴(yán)重影響磨機(jī)的穩(wěn)定性。

礦石的碎磨特性參數(shù)，諸如邦德球磨功指數(shù)、礦石的磨蝕指數(shù)及 JK Tech 落重試驗(yàn)參數(shù) (ta、DWi)、礦石的可磨度或可磨度系數(shù)等需通過試驗(yàn)獲取。目前常參照礦石 A×b 值和邦德球磨功指數(shù) BWi 值表征礦石的軟硬程度。A×b 值越小，說明礦石越難破碎;反之，說明礦石越易破碎。球磨功指數(shù) BWi 值越大，說明礦石越難磨;反之，說明礦石越易磨。

礦石的破碎、研磨難易程度對磨機(jī)襯板及磨球產(chǎn)生重要影響。礦石難破碎、難研磨，需要的破磨能量增加，磨球與物料、磨球與襯板之間沖擊及揉搓力增強(qiáng)，襯板斷裂風(fēng)險(xiǎn)大，磨損嚴(yán)重。如國內(nèi)某鉬礦，礦石 A×b<30.邦德球磨功指數(shù)大于 15.屬于極硬礦，該礦磨機(jī)采用 φ150 mm 磨球時(shí)，運(yùn)行初期和中期襯板均發(fā)生大量斷裂，需要頻繁更換襯板，嚴(yán)重影響磨機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率。因此襯板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選材需同時(shí)考慮礦石屬性。

3 襯板結(jié)構(gòu)

襯板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是影響磨機(jī)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需與選礦工藝合理匹配，以使磨機(jī)處于***佳運(yùn)行狀態(tài)。襯板結(jié)構(gòu)對磨機(jī)的產(chǎn)能、能耗、破碎質(zhì)量等方面有直接影響，可以說磨機(jī)襯板的設(shè)計(jì)優(yōu)劣對磨機(jī)運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。合理的襯板設(shè)計(jì)能夠降低物料對筒體不必要的沖擊，磨礦效率達(dá)到***高值，能耗達(dá)到***低值。襯板的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括襯板高度、襯板面角及襯板間隙等。

(1)襯板高度 襯板高度增加可以提升磨球及物料的沖擊力，有利于改善物料的破碎效果。田秋娟等人指出，在一定轉(zhuǎn)速下，當(dāng)襯板高度由 50 mm 提升至 200 mm 時(shí)，***高沖擊能量由 53.45 J 增加到 80.91 J，與此同時(shí)，襯板受到的沖擊、磨損加劇。襯板高度增加還會引起一些不利影響，一方面減小磨機(jī)筒體容積，進(jìn)而減小介質(zhì)有效工作空間，降低磨機(jī)效率;另一方面，大量介質(zhì)與礦料處于筒體與襯板接觸區(qū)域形成的研磨死角，降低了磨礦效率。提升條高度一般為磨料或介質(zhì)半徑的奇數(shù)倍，該倍數(shù)通常選取 1～3.當(dāng)磨機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，襯板提升條高度增加，提升物料的能力增強(qiáng)，沖擊能量也相應(yīng)增加。

(2)襯板面角 襯板面角也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。改變筒體提升條面角會改變磨球、物料在筒體內(nèi)的運(yùn)動軌跡，從而改變物料與磨球在磨機(jī)內(nèi)的沖擊點(diǎn)。付開進(jìn)發(fā)現(xiàn)，在同一轉(zhuǎn)速下，襯板面角增大，提升作用降低，處于拋落狀態(tài)的物料和磨球數(shù)量減少，對物料的沖擊破碎效果減弱;襯板面角變小，磨球和礦料對襯板的沖擊與磨削作用增強(qiáng)。在磨機(jī)運(yùn)行過程中，襯板面角隨著磨損而增大，進(jìn)而改變了介質(zhì)運(yùn)動效果。實(shí)踐表明，當(dāng)筒體襯板面角設(shè)計(jì)不當(dāng)，襯板會斷裂，尤其物料填充率低時(shí)這種現(xiàn)象更加明顯。這是因?yàn)榈偷奈锪铣涮盥蕦σr板的保護(hù)作用弱，因此襯板極易發(fā)生斷裂。為獲得較好的磨礦效果，襯板的***佳面角需隨磨機(jī)轉(zhuǎn)速而調(diào)整，轉(zhuǎn)速較高時(shí)，襯板面角應(yīng)適當(dāng)增大。

(3)襯板間隙 襯板間隙指襯板提升條之間的間距，由襯板排列數(shù)量決定。合理的提升條間隙可***大限度增加物料的提升率，并避免夾料現(xiàn)象，從而提升磨機(jī)的性能。襯板排列數(shù)量增加，物料破碎效果提升。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，筒體襯板排列數(shù)量大約等于筒體直徑 (英尺)的 2倍。減少部分提升條數(shù)量可增加提升條間料倉的體積，同時(shí)提升磨機(jī)每轉(zhuǎn)動一圈需提升的料漿，磨礦效率大幅度提升。在提升條空間寬闊的條件下，一方面物料易滑動，物料整體提升能力下降，襯板磨損加劇;另一方面，物料拋落較為分散。為達(dá)到良好的磨礦效果，通常通過增加磨機(jī)轉(zhuǎn)速來提升物料的提升能力，但磨球及物料對襯板的沖擊也隨之增強(qiáng)。加寬襯板，與筒體貼合不牢時(shí)開裂風(fēng)險(xiǎn)加劇。實(shí)踐中，當(dāng)襯板間隙增大時(shí)，襯板面角應(yīng)適當(dāng)增大，以避免磨球?qū)訉捯r板的直接沖擊。

劉建平等人利用離散元分析軟件 (EDEM)對半自磨機(jī)襯板的提升條排數(shù)、提升條面角、提升條高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，顯著提升了襯板的使用壽命。蔡興健等人通過階梯式優(yōu)化襯板結(jié)構(gòu)，使襯板整體磨損速率趨向一致，減少了襯板更換次數(shù)，磨礦細(xì)度提高到約 73%，同時(shí)有效降低了襯板采購成本。張浩對比了磁性襯板+溢流型排礦、錳鋼梯形襯板+格子型強(qiáng)制排礦、錳鋼梯形襯板+溢流型排礦等 3種襯板與排礦方式對再磨產(chǎn)品粒度的影響，結(jié)果表明，在其他磨礦條件相同時(shí)，不同襯板和排礦方式對再磨產(chǎn)品粒級組成有較大影響，影響后續(xù)選別作業(yè)。

4 襯板材料

多年來，國內(nèi)外材料工作者對耐磨材料進(jìn)行了較廣的而深入的研究，隨著國際學(xué)術(shù)及技術(shù)交流的增多、國際貿(mào)易的發(fā)展，我國耐磨材料及耐磨鑄件業(yè)發(fā)展迅速。目前，我國已形成了高錳鋼、高鉻鑄鐵、合金鋼、耐磨球鐵和鋼鐵基復(fù)合材料等五大系列耐磨產(chǎn)品。

(1)高錳鋼 高錳鋼受劇烈沖擊或接觸應(yīng)力時(shí)，表面迅速硬化，芯部韌性仍較好，因而高錳鋼既抗磨損又抗沖擊的特點(diǎn)在抗強(qiáng)沖擊、大壓力方面是其他耐磨材料難以企及的。目前高錳鋼主要用于高沖擊負(fù)荷下的大型破碎機(jī)產(chǎn)品，如大型破碎機(jī)定錐襯板、動錐襯板、顎板、錘頭，挖掘機(jī)鏟齒及鐵道轍叉等。在高錳鋼基礎(chǔ)上發(fā)展了合金化改性高錳鋼、中錳鋼、低錳鋼，用于低沖擊負(fù)荷或低應(yīng)力磨損工況;同時(shí)為改善厚大斷面錳鋼鑄件的組織和性能，發(fā)展了超高錳鋼。在礦山領(lǐng)域，高錳鋼起初應(yīng)用于小型球磨機(jī)襯板，隨著襯板材料的發(fā)展，在大型球磨機(jī)及半自磨機(jī)襯板中開始逐漸使用合金化改性高錳鋼、中錳鋼。但因工況、磨機(jī)規(guī)格的不同，襯板使用壽命表現(xiàn)不一。目前高錳鋼襯板的主要問題是在大型磨機(jī)中易斷裂、延展變形，造成襯板拆卸困難，嚴(yán)重時(shí)將螺栓拉斷。這是因?yàn)楦咤i鋼屈服強(qiáng)度低，襯板在使用過程中受物料和磨球的不斷沖擊引起表面發(fā)生相變，造成局部體積增大和切向尺寸加大。

(2)高鉻鑄鐵 高鉻鑄鐵具有高耐磨性、高溫強(qiáng)度及耐熱性，被譽(yù)為繼普通白口鑄鐵、鎳硬鑄鐵之后的第3代抗磨材料。目前高鉻鑄鐵已較廣的應(yīng)用于礦山磨球、渣漿泵過流件、破碎機(jī)顎板、立磨襯板以及攪拌磨螺旋襯板等。高鉻鑄鐵雖然有高硬度及高耐磨性，但其韌性相對較差，僅 5～ 7 J/cm2.尤其不適用于強(qiáng)沖擊載荷工況的半自磨機(jī)，故做為磨機(jī)襯板其應(yīng)用受到一定***。為了充分發(fā)揮其高耐磨性的特點(diǎn)，目前已嘗試在沖擊較弱的磨粒磨損工況下使用高鉻鑄鐵襯板。如自磨機(jī)進(jìn)料端高鉻鑄鐵襯板較其他材質(zhì)襯板使用壽命提升近 1倍，φ5 m 球磨機(jī)筒體壽命可延長至 2年。鑒于高鉻鑄鐵成本高、易開裂及性價(jià)比低的特點(diǎn)，今后需通過成分及工藝優(yōu)化，逐步擴(kuò)大其在磨機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用。

(3)合金鋼 合金鋼分為低碳中合金、中碳低合金、中碳中合金和低碳高合金等幾種，其化學(xué)成分中通常含有一定量 Cr 和 Mo，有的則含有較高的 Si 和Mn，熱處理后其組織為回火馬氏體或珠光體、碳化物。通過化學(xué)成分及熱處理的合理搭配，合金鋼可獲得高的硬度及良好的韌性，目前在濕式磨機(jī)襯板應(yīng)用上已取得了成效。低合金珠光體鋼硬度 300～400HB，經(jīng)得起反復(fù)沖擊，同時(shí)因其尺寸穩(wěn)定性好，拆卸方便，目前已在 φ6 m 以上的大型半自磨機(jī)襯板上得到了較廣的應(yīng)用。經(jīng)驗(yàn)表明，在沖擊磨料磨損工況下，單一追求高硬度而忽視材料的韌性將使襯板開裂率增大，同時(shí)其表面形成的微裂紋會加速基體磨損。因此合金鋼的發(fā)展方向是高強(qiáng)度、高硬度和良好韌性的合理配合，以***提升其抗沖擊和耐磨損能力。

(4)耐磨球鐵 耐磨球鐵現(xiàn)有馬氏體耐磨球鐵和貝氏體-馬氏體耐磨球鐵，這兩種耐磨球鐵通過液淬熱處理獲得高硬度及一定的韌性，目前已應(yīng)用于球磨機(jī)襯板、磨球等耐磨件。等溫淬火球鐵具有高強(qiáng)度、一定韌性和良好的加工硬化特性，目前在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于磨機(jī)磨球、齒輪、凸輪軸、汽車牽引鉤等易磨損件。

(5)鋼鐵基復(fù)合材料 鋼鐵基復(fù)合材料是近年國內(nèi)外耐磨材料研究開發(fā)的熱點(diǎn)之一。我國鋼鐵基耐磨復(fù)合材料經(jīng)歷了雙液雙金屬材料、高鉻鐵-鋼鑲鑄材料、高鉻鐵-鋼機(jī)械組合材料及鋼-橡膠復(fù)合材料等幾個(gè)階段。雙液雙金屬復(fù)合材料已應(yīng)用于破碎機(jī)錘頭、破碎機(jī)襯板等耐磨件，且具有一定的沖擊韌性和高硬度，產(chǎn)品壽命得到提升。目前，球磨機(jī)襯板也在逐步嘗試采用雙液雙金屬復(fù)合材料，但尚需長期工業(yè)化驗(yàn)證。鋼-橡膠復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、耐磨等特點(diǎn)，有利于降低磨機(jī)運(yùn)行功率和成本，目前已廣泛應(yīng)用于大型自磨/半自磨機(jī)出料端襯板，且獲得了用戶的肯定。

5 結(jié)語

綜上所述，影響磨機(jī)襯板使用壽命的因素眾多，因此，大型磨機(jī)襯板的壽命評估需要綜合考慮磨機(jī)選型、運(yùn)行工況、襯板結(jié)構(gòu)和襯板材料等諸多因素。針對客戶需求，只有選擇各種因素相匹配的襯板，才能減少停機(jī)次數(shù)，從而有效提升磨機(jī)磨礦效率及產(chǎn)能。