磨機襯板是磨機在生產運行中的主要易損部件，由于介質和物料對襯板的沖擊、磨剝和腐蝕等作用，使磨機襯板產生了沖擊磨損、剪切磨損、疲勞磨損、磨料磨損和腐蝕磨損等[1]。國內外的球磨機所使用的襯板從材質上區分可以劃分為3大類型：金屬型襯板、非金屬型襯板和復合型襯板[2]。應用最早而且到目前為止應用最廣泛的是金屬型襯板，主要材質為高錳鋼，一般情況下，在一段球磨機中應用的壽命為6～10個月，在二段磨機上使用壽命為10～18個月，存在的問題主要是更換周期較短、降低磨機作業率、生產成本高[3]。非金屬襯板主要以橡膠和聚氨酯材質為主，材質自身的特性導致抵抗沖擊和剪切作用的能力比金屬襯板差，對使用的條件要求比較嚴格，因而應用的范圍受到限制，主要用于球磨機端部和非金屬礦用磨機。復合型襯板的出現是耐磨襯板發展的重大突破，包含了橡膠復合磁性襯板和金屬復合磁性襯板，其中橡膠磁性襯板以瑞典斯克嘉(SKEGA)為代表，而金屬復合磁性襯板則以中國為代表，金屬復合磁性襯板在我國礦山中獲得廣泛應用[4]。
目前磁性襯板的卓越性能在國內外已經得到公認，使用壽命可以達到錳鋼襯板的4～8倍甚至更長，比如HM型襯板已經有使用壽命超過8年仍然在穩定運行的使用實例，大大降低了襯板消耗和運行成本，提高磨機作業率;此外，磁性襯板與高錳鋼襯板相比還有多個優點：增大磨機有效容積，提高處理能力;減輕磨機運行負荷，降低運轉功率，節約電耗;安裝維護方便，減輕工人勞動強度;降低噪音，筒體不漏礦漿，提升工作環境質量[5]。
1、HM磁性襯板的發展歷程
北京礦冶研究總院于1987年開始磁性襯板的研究，是國內最早從事磁性襯板研究的機構;橡膠-金屬磁性襯板于1992年通過了中國有色金屬工業總公司組織的技術鑒定[4];在1997年，北京礦冶研究總院與包鋼(集團)公司選礦廠合作，在Φ3.6 m×6.0m溢流型球磨機內應用了全套HM型金屬磁性襯板，應用效果良好，并通過了中國有色金屬工業協會的技術鑒定;在2002年，HM型磁性襯板獲得北京市科學技術進步獎，并被評定為2002年國家重點推廣新產品;此后，對襯板材料和磁系結構又進行了優化設計，并對材料性能進行了深入研究和改進，2004年研制成功了性能更優越的第二代HM型磁性襯板。到目前為止HM型磁性襯板已經在包鋼、鞍鋼、中鋼等數十家大中型鐵磁性礦山應用，并于近年來將應用范圍擴展到弱磁和非磁性礦物領域，經過幾年的跟蹤HM磁性襯板在弱磁及非磁性礦物磨機中應用效果良好，達到普通錳鋼襯板使用壽命的3倍以上。此外，HM型磁性襯板在直徑5m以上的大型球磨機中也取得了良好應用效果，性能穩定可靠，達到國內領先水平。
2、HM磁性襯板的機理研究
決定磁性襯板性能的關鍵因素主要有兩個：一是磁系的設計是否合理，這要求對構成磁系的材料特性、磁系結構及其表現的磁場特性等方面進行深入研究。二是能否形成堅固、穩定、有效的保護層，磁性襯板的安裝過程及使用初期的操作要求對保護層的形成至關重要。
2.1 結構特點
HM金屬磁性襯板由金屬殼體、磁性材料、彈性膠層等3部分組成，如圖1所示，彈性膠填充在金屬殼體內表面和磁性材料之間，將兩者牢牢粘接在一起。
磁性材料的一面與磨機筒體接觸，靠磁力緊緊吸附在磨機筒體上，磁性材料的性能是磁性襯板可靠性的基礎，磁性襯板根據使用條件的要求選用硬磁材料，剩磁強度、矯頑力、最大磁能積以及穩定性和經濟性都是磁性材料選取的參數。
金屬殼體的外表面是襯板的工作面，吸附小球、碎球和磁性物質形成保護層，保護層按磁路形成正弦波峰，由從內向外逐漸變粗的磁性物質構成，靠近襯板表面為內層，是細粒物料組成的均勻床層，中間是小片狀和粗粒狀物料，外層是粗粒的磁性物質和小球。在長期的運行中，保護層始終處于平衡狀態，內部的組成成分被磁化，使其更加牢固，一定厚度的保護層磨損后再繼續生成，周而復始地保護磁性襯板表面，從而達到減輕襯板磨損，延長壽命的目的。
圖1 磁性襯板工作原理示意圖
Figure 1 Sketch of magnetic lining working principle
2.2 磁性襯板作用機理
磁性襯板表面的保護層依靠磁性材料產生的磁力吸附形成，磁力的大小決定了保護層的厚度，根據起保護作用所需要的保護層體積，以及形成保護層的物質性質，由(1)式可確定保護層內物質所需的磁力。
(1)
式中：FC為磁力;a為磁場強度修正系數;μ0為真空磁導率;k0為物體磁化率;H0gradH0為磁場力，A2/m3;H0為外磁場強度，A/m;gradH0為磁場梯度，A/m2;V為保護層體積，m3。
式中：x0為保護層中顆粒的比磁化率;δ為顆粒密度，kg/m3，單位質量的保護層所需磁力fc為：
(2)
由(2)式可以看出，單位質量顆粒受到的磁力除了受自身的比磁化率影響之外，主要與磁場強度及磁場梯度相關，磁場強度和梯度的值越大磁性襯板對特定顆粒的吸附力也越強。
研究表明，磁性襯板表面保護層的形成與磁性材料的磁場強度、磁場梯度，磁系結構的極數、極性、極距、極隙和磁系寬度等參數密切相關。磁場強度越大，吸附層的厚度越厚，但保護層的厚度并不是越厚越好，過厚的保護層一方面會影響磨機的有效容積，另一方面也會加重磨機的轉動負荷，不利于生產運行，保護層的厚度在20-30mm范圍內最佳。
2.3磁場特性的實驗研究
磁性材料的磁場強度及梯度受到磁性材料自身外形尺寸的影響，優化磁性材料厚度和磁系布置可以使其兼有表面磁場強度高和磁場梯度大的優點。
通過制作出相應的實驗工具，用拉力儀器測出磁性材料表面磁力與磁性體厚度的關系，如圖2所示，保護層受到的吸附力隨著磁性材料的厚度增加而逐漸增加，但增加的幅度呈現逐漸減小的趨勢，與磁感應強度的變化規律是相近似的;在20~30mm的范圍內，保護層受到的吸引力比較接近，比厚度為15mm的保護層受到的吸引力有明顯的增加;而當保護層厚度增大到35mm時，其受到的吸引力與30mm厚度時相比變化很小，尤其在磁性材料厚度較小時，吸引力是相同的，這說明HM型磁性襯板所產生的吸附作用對20~30mm厚度的磁性物質的吸附性是最好的。
Figure 2 Graphs of magnetic force and the thickness of the magnetic body
2.4磁場特性的數值模擬
通過先進的數值模擬軟件對磁性襯板的磁場特性進行分析，進一步優化其磁體排布結構，在保證磁場強度的前提下，降低磁場變化率，提高磁場均勻性。
建模時設定沿磨機筒體切向為X方向，徑向為Y方向，對磁性襯板模型建模并劃分網格，然后進行運算，模擬結果如圖3所示。
圖3磁場模擬分布圖
Figure3 Simulation diagram of the magnetic field
通過圖3可以清楚的看到磁性襯板表面的磁通量密度值，磁性襯板表面磁極的中間部位磁通密度最高，而磁體中心位置的磁通密度最低。磁性襯板的表面磁通密度呈現波峰與波谷的交替分布規律，在沿著磁性襯板表面垂直高度方向，磁通密度衰減趨勢明顯，具有表面磁場強度大、垂直高度磁場梯度高的特點。
襯板安裝到筒體上后，磁極表面的磁場吸力大，而離開極面不遠，磁場強度快速下降，高梯度的磁系設計使保護層既堅固又厚度適當，高梯度磁場和保護層內部被二次磁化形成封閉磁路，使吸附層表面的磁場強度幾乎為零，這樣礦漿就不會被磁化而影響后邊流程中的分級和選別。
3 HM磁性襯板的應用進展
3.1在磁性礦的應用
包鋼集團某大型鐵選廠始建于1958年，處理原礦石能力達到1200萬t/a，選礦廠的原礦石屬沉積變質高溫熱液交代型多金屬共生礦床，密度3.7t/m3，普氏硬度8～12，鐵品位為32.0%左右。其中磁鐵礦占50%～51%，屬強磁性礦物，比磁化率x =6300～12000m3/ kg，有良好的吸附性。
選礦廠原礦經三段破碎粒度減小到-25mm，然后進入三段閉路磨礦工藝流程。第一段為棒磨機開路工作，第二、三段為球磨機閉路工作，磨礦產品粒度為-75μm≥90%。HM型磁性襯板(包括筒襯和端襯)安裝在二段Φ3.6×6.0m球磨機上，從1999年2月投入運轉，使用壽命達到了8年多，達到高錳鋼襯里的6～8倍。在襯板的使用過程中，曾多次打開磨機筒體考察，磁性襯板表面由介質、碎球和礦粉組成的吸附層非常均勻勻和牢固，按磁系排列形式均勻美觀的自然波形，如圖4所示。
圖4 Φ3.6×6.0m球磨機內磁性襯板保護層外貌
Figure4 Appearance of magnetic layer in the Φ3.6×6.0m ball mill
HM磁性襯板與錳鋼襯板對比，對磨礦產品粒度、磁選精礦品位和回收率沒有任何不良影響，使用過程中免維護，提高磨機作業率3.14%;增大磨機有效容積，提高磨機處理能力3.16%，還具有重量輕、節電、噪音低、節省磨機操作成本等優點，每年就可為包鋼選廠增加經濟效益117.8萬元。
3.2 在非磁性礦的應用
云南某大型銅礦的采選規模為2000t/d，礦石硬度大，屬堅硬的長石、石英砂巖。銅主要附存于硫化礦物中，以輝銅礦為主，其次為銅藍、斑銅礦;脈石以石英、長石為主，其次為方解石、粘土礦物等，伴生礦物中有銀，原礦中不含磁性礦物，多元素分析結果見表1。
表1 原礦多種元素分析結果
該選廠采用四段磨礦加分段浮選的流程，原礦經過三段磨礦后兩次粗選，粗選的精礦進行第四段再磨，磨礦粒度達到-325目95%時在進行第三次精選。
在2003年前后該選廠曾先后嘗試了錳鋼襯板、磁性襯板和橡膠襯板，并對三種襯板進行了較系統的考察，得出磁性襯板的使用壽命不如橡膠襯板的結論。針對該礦的礦石性質和工藝條件我院研制了新型的HM-FC耐磨磁性襯板，安裝在該選廠的二段和三段球磨機上，在設計時對磁性襯板的結構和強度進行優化，使磁性襯板能更牢固的吸附磨機內部的碎鋼球和小鋼球。HM-FC磁性襯板在2007年5月安裝使用，使用壽命達到三年半，是原錳鋼襯板的5倍。盡管受礦物不含磁性物的制約襯板使用壽命達不到在磁性礦物使用八年的壽命，但與高錳鋼襯板相比在使用成本方面已經非常優越。
3.3 在大型磨機上的應用
云南某大型有色金屬選礦廠生產規模達到8000t/d，礦石類型屬于錫石硫化物-矽卡巖型，按礦物自然組合特征，大致分為錫石硫化物型、錫石矽卡巖型、錫石磁鐵礦型，以錫石硫化物型礦石為主。多金屬元素的分析結果見表2。
表2 原礦多種元素分析結果
該礦的碎磨工藝采用粗碎+半自磨+球磨流程，其中粗碎后的礦物粒度為-250mm，該產品給入半自磨機，半自磨機的產品粒度為10mm占80%，進入到一段球磨機中，球磨機的型號為φ5.03×8.5m，如圖5所示，安裝功率3500kW，使用最大直徑為80mm鋼球，磨礦產品粒度為-74μm占80%，在投產初期該磨機使用錳鋼襯板，但襯板磨損較快，對生產造成一定影響，后經過研究決定使用HM型磁性襯板取代錳鋼襯板。
該球磨機的直徑較大，而且礦物中的磁性成分含量不高，在類似條件下使用磁性襯板是存在難度的，HM型磁性襯板進行了開拓性的嘗試，針對應用條件對襯板的結構進行了改進和優化設計，使其更能適應大直徑磨機的工況條件。經過一段運行時間的考察，HM型磁性襯板的使用情況良好，安裝磁性襯板后磨機的處理能力和磨礦產品粒度沒有受到任何影響，而磨機的平均運行功率由原來的2300kW降低到2220kW左右，節能約3.4%，此外磨機的噪音也有所降低，改善了工作環境。
圖5 安裝HM型襯板的φ5.03×8.5m球磨機外貌
Figure6 Appearance of Φ5.03×8.5m ball mill installed HM magnetic lining
4總結
(1)通過深入研究磁性襯板保護層的形成機理，形成了多極分布，小極距，表面大場強，高磁場梯度的磁系設計特點，使襯板表面形成穩定的有效保護層，使用壽命更長，性能更穩定;
(2)HM磁性襯板經過近30年的發展已經在國內各大磁性礦物選廠獲得廣泛應用，使用壽命達到6-8年，得到了用戶的一致認可;
(3)通過不斷地優化設計和技術升級，HM磁性襯板已經成功應用于非金屬礦物和弱磁性礦物，并取得使用壽命3年以上的良好效果，是同種工況下的高錳鋼襯板使用壽命的3倍以上，經濟效益明顯;
(4)HM磁性襯板在直徑5m以上的大型球磨機取得突破性進展，隨著應用壽命的不斷增加和應用經驗的積累，必然迎來更加廣闊的市場前景。
參考文獻：
[1]王蘊.金屬磁性襯板性能分析[J].現代礦業，2009，(9)：115-117.
[2]高琳.球磨機磁性襯板研制[J].北京礦冶研究總院學報，1993，2(4)：42-44，23.
[3]楊俊平.HM型大型磨機磁性襯板研制與應用[J].有色金屬(選礦部分)，2002，(3)：29-32.
[4]吳建明.HM型磁性襯板及其在包鋼選廠的應用[J].金屬礦山，2002，(9)：46-50.
[5]楊俊平.HM型磁性襯板的應用和發展[J].有色金屬(選礦部分)，2004，(5)：37-39.
聲明：
“HM型磁性襯板的研究與應用進展” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業用途，請聯系該技術所有人。
我是此專利(論文)的發明人(作者)
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編輯：吉利娜
來源：北京礦冶研究總院，北礦機電科技有限責任公司
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