摘要：球磨机大型化发展是现今国内外研究的热点之一，通过球磨机的大型化提高粉碎效率并降低单位能耗是球磨机大型化的主要目标。在球磨机大型化的过程中仅仅通过"比例放大"的方式对球磨机进行设计是无法取得良好的粉碎效果的，应当在总结分析球磨机大型化后钢球运动特性的基础上找出合理的球磨机衬板形状，以确保球磨机能够取得良好的工作性能。
关键词：大型球磨机；衬板形状；介质运动轨迹
不同的衬板形状会对大型球磨机中的运动介质的运动轨迹产生影响。相同转速率条件下不同衬板形状的球磨机之间所产生的有用功率差别较大，此外，在衬板形状的选择上还需要充分考虑物料直径与介质之间的碰撞能量。
一、衬板形状及仿真参数的选取
通常大型磨机的填充率较低，且最大介质直径较小，直径达到6 m的球磨机的填充率在20%左右，国外磨机中最大介质直径通常在75~80 mm。以6080型大型球磨机为研究对象，由于磨机内只装有介质，不存在水的作用，因此，可以忽略介质的轴向移动。为了节省仿真时间，选取球磨机的部分轴向长度代替整台磨机。衬板形状众多，笔者只选取了矩形衬板、梯形衬板和波形衬板进行研究。衬板排数达到一定程度时对磨机有用功率的影响可以忽略不计，选取衬板排数为30排。仿真具体参数如表1所列。
表1
二、衬板形状对球磨机内运动介质运动轨迹产生的影响分析
球磨机在物料粉碎时主要依靠的是其内部的运动介质与物料之间的相互作用来实现的。其内部的运动介质在工作的过程中主要有泻落、抛落和离心三种典型的运动轨迹。在上述三种运动轨迹中，运动介质在抛落运动轨迹时其所具有的冲击力既对物料产生冲击破碎作用，又能够对物料产生一定的研磨作用，从而在球磨机工作过程中取得较为良好的磨矿效果。球磨机衬板是球磨机中重要的组其形状的不同会对球磨机中运动介质的运动轨迹、运动介质的有用功率和碰撞能量分布等造成一定的影响。为确保球磨机的运动效果应当做好球磨机衬板形状与球磨机转速等不同参数的匹配，从而最大限度的确保球磨机的研磨效果。球磨机衬板会对球磨机筒体旋转时运动介质与筒体接触的方式和抛落点的受力体系造成改变，并对球磨机中介质的运动轨迹产生极大的影响。不同衬板形状对球磨机内介质运动轨迹所产生的影响进行分析。
1.矩形衬板对于球磨机中运动介质的影响。通过研究发现，在采用矩形衬板
在球磨机筒体转速率较低的情况下，筒体内的矩形衬板会对最外层介质（钢球等）产生良好的提升效果，使得最外层介质产生抛落运动。而对于最内层的介质所产生的提升效果并不明显，内层介质会在球磨机的内部产生一个倾斜面，并在这一倾斜面达到一定的角度时倾斜面上的运动介质会沿着倾斜面自由滑落。随着筒体转速的提升直至达到临界转速60%时，筒体内的运动介质的运动特性并未产生明显的改变，但是最外层介质的抛落运动轨迹较为理想，介质抛落的高度较大、作用在物料上的力较大从而产生较强的破碎冲随着转速率的进一步提升，最外层介质产生的降落点将会逐渐离开矿石存在的区域，从而作用在裸露的衬板表面，在这一过程中会伴随着巨大的噪音和振动，加快衬板的磨损，减少衬板的使用寿也不利于磨机的平稳运行。通过上述分析后发现，在球磨机中采用矩形衬板将会导致筒体内的介质在运动时产生明显的内、外层分层现象，内、外层介质的运动形态有所差异，在筒体转动时需要达到特定的转速率才能使得内、外层介质获得相对理想的运动形态。为使得选用矩形衬板的球磨机获得良好的工作特性，应当确保最外层介质处于理想的运动状态。根据这一特性分析应当将选用矩形衬板的球磨机的转速率控制在60%以内。
2.梯形衬板对球磨机中运动介质运动轨迹的影响。当球磨机中采用梯形衬板时，在球磨机的筒体转速达到临界转速60%时，梯形衬板会对筒体内的最外层介质及靠近最外层的部分介质产生较为明显的提升效果，从而使得这一部分的介质获得抛落运动，剩余的靠近内层的运动介质将处于泻落运动状态。随着球磨机转速率进一步提升，球磨机中外层运动介质的抛落高度也随之进一步的提高。而当球磨机的转速率提高至75%运动介质处于抛落运动状态的介质增多，且各层介质抛落高度均变大，运动介质的抛落轨迹处于理想状态。随着球磨机转速的进一步提升，运动介质中处于抛落状态的占比较高且介质抛落较为均匀，但是一部分的外层介质由于抛落高度较高导致超出了矿石存在区域而直接冲击在裸露的衬板上，对球磨机的运动造成了一定的影响。通过对球磨机中运动介质的运动轨迹进行分析后发现，采用梯形衬板的大型球磨机，球磨机工作时在75%的临界转速下都能够得到较好的抛落效果。
3.波形衬板对于球磨机中运动介质抛落轨迹的影响。通过对运动介质的抛落轨迹进行试验分析后发现，在球磨机转速低于临界转速70%时其筒体内的运动介质发生抛落运动的介质占比较低且抛落的高度不高，因此无法对物料形成较强的冲击力，多数的运动介质都处于泻落状态。泻落运动状态下的磨矿作用以研磨为主，冲击为辅，磨矿效率不高。当转速率提升时，球磨机筒体内的抛落介质占比增加，但是运动介质上升阶段会产生一定的滑动现象。当球磨机转速率提升至85%时，筒体内的运动介质大部分处于抛落状态且外层运动介质的抛落高度较高，其落在介质冲击区时能够产生较强的冲击效果，介质的抛落轨迹较为理想。当球磨机的转速逐渐提升至临界转速时，筒体中的运动介质在筒体内部会产生离心运转现象，此时运动介质之间和运动介质与衬板之间几乎没有相对运动，也就不对矿石产生研磨作用。
三、衬板形状对磨机有用功率的影响
离散单元法软件EDEM能够导出仿真的磨机筒体任何时步的驱动力矩。由于介质的离散性及与筒体碰撞的随机性，筒体所受到的驱动力矩随时间的变化波动较大。对力矩曲线作平滑处理就可得到稳定力矩。稳定力矩与旋转角速度之积就是球磨机模拟段的有用功率。不同转速率下，衬板形状与球磨机模拟段的有用功率的关系如图1所示。由图1可知，球磨机的转速小于临界转速时，安装3种衬板的磨机的有用功率都随转速的增大而增大。衬板形状为矩形，转速率在70%~80%之间时，有用功率的增幅变小，这是因为内层介质尚未抛落，外层介质抛落高度减小；转速率超过80%之后，大量的内层介质开始抛落，有用功率的增幅变大。
图1
衬板形状为梯形，转速率达到80%之后，有用功率增幅减小。衬板形状为波形，有用功率随转速率的增大呈直线上升趋势。转速率小于60%时，衬板形状为矩形的磨机有用功率最大，波形衬板的有用功率最小；转速率在60%~85%之间时，衬板形状为梯形的磨机有用功率最大；转速率达到90%时，衬板形状为波形的磨机有用功率最大，磨矿效率最高。这些都和介质的运动轨迹相吻合。结合介质的运动形态，转速率小于60%时，衬板形状为矩形的球磨机有用功率最大，且介质降落时能有效冲击到介质区，因此，转速率小于60%时，宜选用矩形衬板。当转速率为80%时，虽然梯形衬板磨机的有用功率最大，但是部分降落的介质将直接砸到对面裸露的衬板上，因此转速率大于75%时，应选择波形衬板；转速率在60%~75%时，应选用梯形衬板。
球磨机的大型化发展成为国内外研究的热点问题之一，采用传统的“比例放大”原则设计的大型球磨机存在诸多缺陷。球磨机的磨矿作用是由磨矿介质的运动造成的，介质的运动轨迹直接影响到磨矿的功耗、钢耗及磨矿效率。为了获得良好的运动轨迹，设计了不同的衬板形状，如波形和梯形。介质在球磨机内有泻落、抛落和离心3种典型的运动形态。其中介质作抛落运动时既能对物料产生冲击破碎作用，又能对物料产生研磨作用，磨矿效果最好。
参考文献：
[1]万平.球磨机有用功率与磨矿效率影响因素研究.2016
[2]王凡一.衬板的设计参数对球磨机磨矿效果的影响.2016
论文作者:王君伟
论文发表刊物:《电力设备》2018年第25期
论文发表时间:2019/1/16
标签：介质论文; 球磨机论文; 转速论文; 衬板论文; 形状论文; 轨迹论文; 功率论文; 《电力设备》2018年第25期论文;