球磨机衬板的设计要点 (1)

机械装备文章编号:1009-9441(2007)09-0027-03
球磨机衬板的设计要点
□□严锦武　(常州工程职业技术学院,江苏常州　213164)
摘　要:介绍球磨机衬板的功能,阐述了衬板的磨损机理、材料选择、结构形式,以及安装等技术要点。

关键词:粉磨设备;球磨机;衬板;高锰钢
中图分类号:T Q172.6 文献标识码:B
引言
球磨机是冶金、选矿、建材、化工、发电、陶瓷等工业部门的各种粉体材料制备的重要设备。

球磨机筒体的内表面,一般都装有各种表面形状的衬板。

衬板是球磨机的主要易损件,其使用成本约为产品销售价的2%～3%,衬板的性能和使用寿命是用户极为关心的技术经济指标之一,衬板的材料选择、结构形式、安装要点等是球磨机设计人员关注的产品设计关键点。

1　衬板的功能
1.1　保护筒体与增强筒体刚度
筒体是球磨机价值较大的重要部件,筒体内安装衬板后,筒体不会直接承受磨矿介质和被磨物料的冲击和研磨,从而保护了筒体,延长了筒体和整个设备的使用寿命。

磨机衬板与筒体紧密地结合在一起,还起到了增强筒体刚度的作用[1]。

1.2　传递能量
在筒体回转过程中,借助于衬板表面的特殊形状与摩擦力,将球体提升到一定的高度,赋予其一定的位能和抛落动能,使它们产生符合粉磨工艺要求的“圆弧-抛物线”运动轨迹,冲击和研磨物料。

衬板的工作表面形状不同则具有不同的提升磨擦系数,对球体将产生不同的牵制能力;衬板工作表面的状态与排列方式的不同,将直接影响到磨矿机粉磨效率的高低。

1.3　自动分级球体
自动分级衬板如角螺旋衬板、锥面分级衬板等,可使筒体内不同级配的研磨体,沿磨机轴向,按磨矿粒度的变化合理地正向分级,从而使各种不同直径的研磨体在粉碎相应粒径物料的过程中,发挥出最大的功能。

换言之,自动分级衬板能使同一粉磨仓内较大的钢球集合在该仓进料端,以粉碎较大的料块,同时使较小的钢球集合在该仓排料端,以粉碎较小的料块。

2　衬板磨损机理与衬板材料的选择
2.1　衬板材料的基本要求
降低衬板磨损率主要有两个途径:一是改善磨矿工艺,二是选择与处理好衬板材料。

衬板材料选择的基本要求可概括为:在一定的冲击载荷作用下具有较高的耐磨性。

包括以下3个方面:
(1)衬板整体上硬度、组成、结构均匀。

(2)具有较高的冲击疲劳持久性,能抵抗一定强度的冲击。

(3)具有较低的磨损率,使用过程中不变形、不破碎[1]。

2.2　衬板磨损机理及主要影响因素
磨机衬板主要承受球体和物料的瞬时冲击力、滑动摩擦力、滚动摩擦力等载荷作用。

对于干法磨机来讲,衬板磨损主要是受到多次重复的冲击载荷而出现疲劳破坏。

在粉磨仓内以凿削磨料的磨损为主,研磨和冲刷磨料的磨损为辅;在细磨仓内则相反。

对于湿法磨机来讲,除上述磨损之外,占主导地位的是磨蚀磨损。

三菱公司的研究认为:衬板磨损率与球体的冲击能的大小成正比,而球体的冲击能又与筒体直径成正比,即衬板的磨损率与筒体直径成正比(d M/dt=1.5D)[1]。

生产实践表明,衬板的磨损率与生产工艺布置、衬板结构形式、磨机操作、球体填充率等许多因素有关。

此外,衬板硬度与物料硬度之比值,也直接影响到衬板的磨损率。

通常衬板材料可按下以经验公式选择:
Hu>0.8Ha(1)式中:Hu———衬板材料硬度;
Ha———物料硬度。

衬板材料的硬度越高,其耐磨性也越好,因此,提高磨机衬板使用寿命往往从提高材料的硬度方面着手。

2.3　衬板的常用材料
(1)高锰钢:高锰钢(ZG Mn13)的化学成分中Mn含量12%～14%,原始表面硬度为HRC20～HRC25,在磨机操作过程中,由于衬板受到球体的冲击,可使其表面硬度增加到HRC40以上。

在大型磨机中,锰钢衬板常常因受到剧烈冲击而产生变形,致使磨机筒体受到损伤,因而锰钢衬板宜在中、小型磨机使用。

(2)低铬合金铸钢:与传统的高锰钢相比,低铬合金铸钢对冲击的敏感度低,衬板不会因受到冲击而变形,可以有效地保护筒体,因而常用于大型磨机的粗磨仓衬板。

(3)高铬合金铸钢衬板:可用于大、中、小型磨机的粗、细磨仓,尤其适用于高铬钢球的磨机。

(4)高铬合金铸铁衬板:具备相当于耐磨白口铸铁的较高原始硬度,又有一定的韧性,在较低的冲击力下具有较高的耐磨性,相对于其他材料而言具有较高的性价比。

一般来讲,磨机的仓室不同,衬板材质的机械性能也应不同。

粗磨仓衬板的硬度通常稍低于钢球的硬度,材料应具有较高的冲击强度和较低的硬度。

细磨仓的要求则相反,材料应具有较高的硬度和较低的冲击强度。

由于细磨仓物料粒径及球体尺寸较小,因而所受到的冲击小,通常细磨仓衬板的寿命可达粗磨仓衬板寿命的两倍左右。

3　衬板分类和结构形式
磨机的衬板种类很多,按安装部位可分为端(磨头)衬板、筒体衬板、磨门衬板;按联接方式可分为有螺栓孔衬板、无螺栓孔(镶嵌式)衬板;按功能可分为普通衬板、分级衬板等;按表面形状可分为阶梯衬板、凸棱衬板、半球形衬板、沟槽衬板、波形衬板、平衬板等;也可按上述衬板的材质分类。

下面以阶梯衬板与平衬板为例进行对比说明。

(1)阶梯衬板:具有较高的提升能力,同时其对同一层球体的提升高度均匀一致,从而使衬板表面磨损均匀一致,换言之,衬板磨损之后并未明显改变形状。

阶梯衬板广泛应用在磨机的粗磨仓内,其薄端应与磨机的转动方向一致。

(2)平衬板:不论是完全光滑的或是刻有棱形花纹的工作表面,平衬板对球体的提升作用,基本上是依靠其与球体之间的静摩擦力。

湿法磨机静摩擦系数为0.35,干法磨机为0.4,由于静摩擦系数比实际需要的小得多,也就不可避免地会出现两者的相对滑动现象,致使衬板提升高度降低,衬板及球体的磨损增大。

细磨仓内的物料一般以研磨为主,衬板提升能力可以相应小一些,甚至希望球体与衬板之间有一定的相对滑动,以增强对物料的研磨和摩擦。

因此平衬板非常适用于细磨仓。

另外,采用高转速操作制度的磨机也必须使用光滑的平衬板。

4　衬板的排列及其安装
4.1　衬板的排列方式
衬板的排列应与筒体钢板的拼焊统一考虑。

由于焊缝附近有较大的应力集中与凸起,不便于衬板固定,衬板螺栓孔的中心与焊缝中心的距离应满足S≥2.5d(d为螺栓孔直径);螺栓孔应根据衬板尺寸等距开设、纵横成行。

衬板的排列原则为:环(周)向缝隙不能贯通,必须互相错开,防止球体碎屑和物料(尤其是湿法料浆)对筒体内壁沿周向直接地冲刷,致使筒体内壁产生环向沟槽。

衬板四周的预留间隙为5～8mm,单块衬板的制造偏差为3～4mm。

4.2　衬板的安装方式
衬板与筒体的固定方法有两种:螺栓联接和无螺栓联接。

无螺栓联接一般用于细磨仓,如镶嵌小波纹衬板。

螺栓联接的优点是牢固可靠、抗冲击、耐振动,缺点是筒体上要钻有一定数量的螺栓孔,因而削弱了筒体的强度。

其设计原则是:在保证强度的前提下尽可能减少螺栓个数,尤其是减少环(周)向联接螺栓的个数;每块衬板最好用两个螺栓固定,防止一个螺栓断裂时衬板掉落;为防止螺栓受到冲击后出现松动,一般采用细牙螺纹,同时还要采取双螺母加弹簧垫片等防松措施。

目前,磨机广泛采用椭圆锥形孔衬板及相应形状的椭圆头螺栓联接(见图1),为便于制造,锥顶角为一常数(如60°),安装时用锥形垫圈(又称碗形垫圈)将缠绕在螺栓杆上的浸过铅油(或漆)的麻丝包容压紧。

为防止湿法磨机的漏浆现象发生,可在衬板与筒体之间垫一薄层橡胶板,这样不仅可避免漏浆,又降低了磨机运转的噪声。

图1　衬板的螺栓联接
5　衬板设计的注意事项和技术要求
5.1　衬板设计的主要注意事项
(1)衬板不宜过重,每块质量最好在60kg以下,以减轻安装的劳动强度。

(2)衬板的周向块数Z应按100mm的倍数取值,周向圆弧尺寸既不宜过大,也不宜过小。

目前,国内统一的周向尺寸为314mm。

(3)衬板轴向长度名义尺寸按50mm的整数倍选取;周向与轴向尺寸取值应以安装拆卸时能从人孔方便地出入为原则;同时还要考虑螺栓孔不宜开得太多,以免削弱筒体的强度。

轴向长度为500mm 左右,半块长为250mm左右。

(4)衬板平均厚度为40～50mm,对于细磨仓,其衬板厚度还可取得小一些,以增大磨机的有效容积。

(5)由于铸件本身几何形状的偏差,同时也为冲击变形留有余地,衬板四周应留有5～8mm的间隙,名义尺寸减去预留间隙则为衬板的实际尺寸。

(6)细磨仓镶嵌衬板时(无螺栓),尺寸应尽量取小。

另外,应设计一些狭窄的“填隙件”,其宽度为标准宽度的2/3、1/3或1/2,供镶嵌衬板时接缝楔紧之用。

(7)衬板工作表面曲线的选择,应以促进粉磨、制造容易、便于更换、磨损少为原则,同时应尽可能减少衬板种类,以减少木模种类,降低制造成本。

5.2　衬板的主要工艺技术要求
以ZG Mn13衬板为例,说明如下:
(1)铸件材料应符合国标中有关ZG Mn13的规定。

(2)铸件不得有影响机械强度的缺陷如夹渣、缩孔、气孔等。

(3)铸件要求在1000～1050℃温度下进行水淬处理和回火处理,且不得产生裂纹;热处理后硬度HB≤217N/mm2,若超过此规定,则铸件应进行二次热处理。

(4)衬板周边凸起量≯1.5mm,如果超过此规定,则应用砂轮磨平,以免影响镶砌的牢固性。

(5)所有未注明的铸造圆角均为R5mm。

参考文献:
[1]戴少生.粉碎工程及设备[M].北京:中国建材工业出版
社,1994:308-310.
作者简介:严锦武(1971-),男,江苏扬州人,讲师,1993年7月毕业于上海建材学院机械设计与制造专业,现从事教学与科研工作。

收稿日期:2007-08-20
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