φ5.5 m×8.5 m大型溢流球磨机衬板结构优化研究

刘 钊，张 明，刘 洋，吴 靖，苏永席

金川集团股份有限公司选矿厂 甘肃金昌 737100

球 磨机运行过程中，磨矿介质及矿物泻落、抛落和离心运动会产生较大动能，对球磨机衬板形成连续冲击，造成衬板磨损[1]。金川集团股份有限公司选矿厂于 2008年引进 4台由中信重工机械有限公司生产的φ5.5 m×8.5 m溢流型球磨机，有效容积为 185.5 m3，为当时国内容积最大的溢流型球磨机。其中一段一次磨矿、筒体及进出料端盖使用低鉻高锰钢材质衬板。大型球磨机衬板主要起保护球磨机筒体、进出料端盖的作用，经过长周期运行，衬板安装难度增大、临时检修频繁、检修同周期更换衬板难以实现等问题逐渐凸显。鉴于球磨机衬板造价成本高、更换周期短、更换作业难度大等特点[2]，对球磨机衬板结构进行优化研究具有重要现实意义和经济价值。

1 衬板使用现状

1.1 筒体衬板使用现状

原φ5.5 m×8.5 m溢流型球磨机进料端筒体衬板与出料端筒体衬板结构相同，沿均为波峰、波谷相间的波形结构，球磨机筒体轴向各分布 5排，分布结构如图 1所示。球磨机运行过程中，进、出料端筒体衬板磨损状况不同，进料端第一、第二排衬板磨损最快，使用寿命为 18个月；进料端第三、第四排磨损较快，使用寿命为 22个月；进料端第 5排与出料端筒体衬板磨损状况相同，使用寿命达到 24～ 27月。进料端筒体衬板与出料端筒体衬板的使用寿命存在至少 6个月的差值，衬板无法实现同寿命及同期更换，组织协调检修难度大，成本高。

图1 球磨机筒体衬板分布

1.2 端盖衬板使用现状

原φ5.5 m×8.5 m溢流型球磨机进出料端盖衬板共计 108块，为 3×18放射状配置安装，分为内段、中间段、外段端盖衬板，每段 18块。分布结构如图2所示。每段衬板之间为榫卯结构配置，对球磨机进出料端盖外形尺寸及衬板螺栓孔定位尺寸精度要求较高。在实际安装中，出现因衬板外形尺寸、进出料端盖衬板螺栓定位尺寸累计偏差较大，导致衬板螺栓错位、衬板位置重叠等现象发生，通常采用衬板螺栓错位安装的方式解决此类问题，造成衬板螺栓局部承受应力较大，出现短期内衬板螺栓断裂，进出料端盖泄漏矿浆等现象。且由于衬板和衬板螺栓均受到径向和轴向循环冲击[3]，球磨机进、出料端盖衬板容易出现其中一块断裂，须安排停车更换，由于榫卯配置局限性，单块衬板更换较为困难。

图2 改进前后球磨机筒体衬板厚度分布

球磨机进、出料衬套法兰处安装一块楔面压环，用于防止物料进入衬套与中空轴形成的空腔内。在实际使用过程中，由于钢球及物料冲击载荷大，导致楔面压环磨损较快，螺栓变形损坏，楔面压环难以拆除更换，不及时处理，会发生中空轴漏浆事故，导致中空轴损坏，球磨机内段端盖衬板无法保护楔面压环和中空轴。

2 结构优化研究

2.1 筒体衬板结构优化

针对φ5.5 m×8.5 m溢流型球磨机进、出料端筒体衬板磨损不均衡，使用寿命相差较大等问题，采用分段阶梯式配置衬板设计予以解决。筒体衬板波形不发生变化，波峰、波谷值保持不变；螺栓孔斜度不发生变化，出轴深度与原设计相同，使用高强螺栓规格型号不发生变化；出料端筒体衬板及第五排进料端筒体衬板厚度不变，仍为 70 mm。优化时，第三、第四排进料端筒体衬板厚度增加 14% (79.8 mm)，实际制作厚度为 80 mm，主视图及俯视图分别如图 3、4所示；第一、第二排进料端筒体衬板厚度增加 28%(89.6 mm)，实际制作厚度为 90 mm，改进前后球磨机筒体衬板厚度分布如图 5所示。

图3 进料端第三、第四排衬板主视图

图4 进料端第三、第四排衬板俯视图

图5 优化前后球磨机筒体衬板分布

对结构优化后的筒体衬板进行更换，球磨机齿轮副运行温度、同步电动机电流值、电动机定子温度、电动机轴瓦温度、筒体轴瓦温度等参数均未发生较大变化。2年后，对筒体衬板进行拆除更换，测量拆除衬板厚度，测量值如表 1所列，球磨机厚度为 23.8～26.2 mm，平均值 25.38 mm，极差 2.4 mm。可见球磨机筒体衬板处于均匀磨损状态。

表1 进出料衬板磨损 mm

2.2 端盖衬板结构优化

针对原φ5.5 m×8.5 m溢流型球磨机进、出料端盖衬板为 3×18放射状榫卯立面配置局限性导致的衬板安装维护及端盖泄漏矿浆问题进行研究，采用3×18放射状直线楔形立面配置予以解决。单列分布结构如图 6所示。沿球磨机筒体轴向观察，球磨机进、出料外段、中间段、内段端盖衬板均设计成扇形结构，三段衬板扇形中心点在球磨机端盖中心处，三段扇形圆心角相同，均为 20°。三段衬板结构设计为半球面、斜面、波浪形表面相结合配置，衬板结构形状如图 7所示。增加了衬板内表面积，加强了衬板内表面对矿石及磨矿介质的提升和研磨作用，有利于大型溢流型球磨机进料和排料，半球面过渡设计能够在排料和进料时减少物料及碎钢球对进出料端盖及进出料衬套的冲击和磨损。

图6 优化后球磨机端盖衬板分布

图7 改进后球磨机端盖内段衬板形状

针对球磨机内段端盖衬板无法起到防护中空轴，防止漏浆问题，球磨机进、出料内段端盖衬板结构进行优化，沿球磨机筒体轴向观察，球磨机进、出料外段及中间段端盖衬板的扇形面边长均为 770 mm。为了使球磨机内段衬板能起到防护作用，需对内段衬扇形边长延伸，延伸面厚度比衬板厚度少 60 mm，否则无法安装，进料段延伸长度为 75 mm、出料段延伸长度为 150 mm。通过此类设计，可实现内段衬板对楔面压环防护，避免钢球及物料直接冲击楔面压环，物料进入中空轴与进、出料衬套之间的缝隙，造成中空轴漏浆。优化前后内段衬板与楔面压环位置结构图，如图 8所示。

对结构优化后的端盖衬板进行更换，与未优化前相比，减少了 30% 的更换时间。连续运行 2年，未发现衬板螺栓断裂及单块衬板碎裂现象，进出料端盖处未发生漏浆设备事故，内段衬板保护楔面压环厚度最小处为 10.2 mm，楔面压环未见明显磨损。

3 结语

结构优化后的φ5.5 m×8.5 m溢流型球磨机实现进料端筒体衬板与出料端筒体衬板 24个月以上同等使用寿命，可以统一对进出料端筒体衬板进行检修更换，减少进出料端筒体衬板更换频次，实现周期计划性更换筒体衬板，降低检修时间和检修工作量，实现处理量和经济效益最大优化。

图8 改进前后球磨机端盖内段衬板

通过对φ5.5 m×8.5 m溢流型球磨机进、出料端端盖衬板结构优化升级，延长了端盖衬板使用寿命，降低了端盖衬板局部断裂和衬板螺栓折断等设备故障发生的可能，减少端盖衬板更换频次，实现周期计划性更换端盖衬板。同时，衬板可保护中空轴，防止端盖漏浆、中空轴损坏等设备故障发生。