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    國產礦用磨機大型化趨勢、 原因及展望

    2020-04-28  來自: 洛陽弘實機械設備有限公司 瀏覽次數:728


    磨機

                     Φ8.8m×4.8 m半自麿機

    改革開放初期,我國礦業亟待發展。20 世紀 80年代國產磨機制造水平仍然很低,國家標準中zui大規格的球磨機為 φ3.6 m,φ4.57 m 球磨機還需進口。20 世紀 80 年代末,我國出口澳大利亞 1 臺 φ4.0 m×6.0 m 球磨機,是當時國內生產的zui大規格球磨機。20 世紀 90 年代初期,洛陽礦山機械廠 (中信重工的前身) 與國外公司合作,為江銅德興銅礦大山選廠提供了 4 臺 φ5.5 m×8.5 m 球磨機。同期,我國成功中標巴基斯坦山達克銅金礦項目,這是我國在國外總承包的第 1 個大型礦山建設項目,于 1991 年底開工,其中 3 臺 φ5.03 m×6.40 m 球磨機由洛陽礦山機械廠設計制造,但當時仍處于有條件的自主研發階段。

    1 礦用磨機大型化的趨勢

    進入 21 世紀,隨著國內外礦業市場需求猛增和國內設計研發水平的不斷提高,以及重型裝備制造業的迅速發展,國內礦業領域的各大設計研究院堅持自主創新,以中信重工為代表的磨礦設備制造廠ji大地推動了我國磨礦設備的發展。自 2003 年至今,中信重工實現了跨越式發展,研發出具有完全自主知識產權的礦用磨機,設計制造水平均已達到了國際先進水平,中信重工制造的部分大型礦用磨機如表 1 所列。

    表 1 中信重工制造的部分大型礦用磨機
    Tab. 1 Partial large-scale m ine-used m ills m ade by CITICHIC

    磨機

    國內相關資料將 φ6 m 以上的自磨機/半自磨機和 φ4 m 以上的球磨機稱為大型礦用磨機。目前,國內zui大的半自磨機直徑已達到了 11.0 m,球磨機直徑達到了 7.9 m。對于te大型礦用磨機,尚沒有明確的界定,筆者認為自磨機/半自磨機 φ9 m 以上、球磨機 φ6 m 以上、裝機功率在 6 000 kW 以上、單機處理能力在 1.5 萬 t/d 以上的礦用磨機,均可稱為te大型礦用磨機。

    隨著能源開采費用的增長和礦山品位的下降,降低建設投資和生產費用是世界各礦山面臨的一個重要課題,大型高效磨礦設備已成為近代選礦廠建設中的主流設備,環形電動機的出現使得限制磨機規格的因素越來越少。目前,世界zui大的自磨機/半自磨機直徑達到了 12.8 m,球磨機直徑達到了 8.53 m。

    截止到 2012 年,世界上各種類型的zui大磨機如表 2 所列,有的正在安裝,有的已經投入運行。半自磨機和自磨機的裝機功率均達到 28 MW,規格分別為 φ12.8 m×7.62 m 和 φ12.2 m×11.0 m;球磨機的裝機功率已達到 22 MW,規格為 φ8.53 m×13.6 m,未來半自磨機的裝機功率可達到 36 MW,直徑也將達到 13.4 m 或 13.7 m;球磨機的裝機功率也將達到 25~30 MW,直徑達到 9 m 以上。

    2 礦用磨機大型化的原因

    礦用磨機大型化的主要原因可以從資源開采、建設投資、節能降耗、理論水平、設計水平和制造能力等方面進行闡述。

    2.1 資源開采

    (1) 經過多年開發,礦產資源貧化現象越來越嚴重。以銅礦為例,早期經濟品位約為 0.8%,目前約為 0.4%~0.5%,甚至更低。目前全球選礦品位在逐年下降,過去國外鐵礦山多為富礦,而目前多為貧礦。近幾年我國在國外投資開發的礦產項目也多為貧礦。

    (2) 多金屬雜礦越來越多,為了提高經濟效益,大型化的磨礦設備是shou選。

    (3) 礦產資源的嵌布粒度越來越細,要求的單位產量磨礦能耗越來越大,為了簡化系統,設備大型化是必然趨勢。

    2.2 建設投資

    磨機大型化可以節省初期投資,給用戶帶來直接利益。礦產資源開發商為了取得規模效益,要求設備大型化。

    以 φ7.32 m×9.60 m 球磨機為例,該磨機裝機功率達 10 000 kW,相當于 8 臺 φ3.6 m×6.0 m 球磨機,然而其建筑面積僅為后者的 40%,大大減少了廠房建筑面積,降低了廠房建筑投資。其次,隨磨機配套的自動化設施投資也節省 50%,且由于磨機數量的減少,較容易實現自動化。

    粉磨設備大型化還可以優化工藝流程,推動整個選廠設備的技術進步。如采用大型半自磨系統,可避免采用多段多系列破碎系統,簡化設備流程,降低勞動力成本和運行成本。

    表 2 截至 2012 年世界zui大的礦用自磨機/半自磨機和球磨機
    Tab. 2 The biggest m ine-used AG/SAG m ill and ball m ill up to 2012

    磨機

    據國外資料統計,粉磨設備大型化大大減少了廠房的建筑面積,按照球磨機單位裝機功率、使用面積計算,可以節約建筑面積 50%~75%;減少鋼材的使用,按照球磨機單位裝機功率計算,可以節約鋼材22%~35%,節約襯板裝入量 15%~41%。如果襯板的報廢厚度執行相同標準,則小型球磨機的報廢率是大型球磨機的 0.4~1.7 倍。綜上分析,設備大型化節省經營成本約 20%,節省初期投資約 40%。

    2.3 節能降耗

    粉磨設備是整個礦物處理系統中的關鍵環節,也是能耗較多的環節。選礦生產中,磨礦作業設備投資、生產費用、電能消耗和鋼材消耗所占比例zui大。通常,設備費占 60%,生產費占 40%~60%,電能消耗占 50%~65%,鋼材消耗占 50%。據統計,世界能源 10% 以上消耗在碎礦和磨礦中。一個典型的粉碎成本分析顯示,爆破僅占總成本的 1%,粗碎占 2%,細碎占 20%,而磨碎占 77%。

    據國外媒體報道,φ6.7 m 以上大型球磨機與小規格磨機相比,單位處理能力電耗可降低 22.7%,球耗降低 14%,耐磨材料單耗降低 33%;因此,磨礦設備的大型化是選礦廠節能降耗的要求。

    2.4 理論水平

    (1) 從磨機大型化的基本關系分析,磨機的容積V、設備總質量 G 均與磨機直徑 D2 成正比,即

    磨機

    磨機的支取功率 P 與磨機直徑 D2.5 成正比,處理能力 Q 與功率 P 成正比;因此,Q 也與磨機直徑 D2.5成正比,即

    磨機

    式 (2) 除以式 (1) 可得,磨機單位容積、單位設備質量、支取功率和處理能力,均與磨機直徑 D0.5 成正比,即

    磨機

    隨著磨機直徑 D 增加,這些參數值均相應增加,它們之間的關系如表 3 和圖 1 所示。

    表 3 磨機各參數與磨機直徑的關系
    Tab. 3 Relationship between various parameters and m ill diameter

    磨機

    由式 (3) 可知,與中小型磨機相比,相同總容積和設備總質量,大型磨機具有更大的總支取功率和總處理能力;反之,相同總支取功率和總處理能力,大型磨機需要較小的總容積和設備總質量。這是磨機大型化可以減少設備總質量、降低投資、節約能耗的理論依據。

    磨機

    圖 1 磨機直徑與單位比值的關系
    Fig. 1 Relationship between m ill diam eter and ratio

    (2) 從磨機選型的實例看,20 世紀 80 年代美國曾對某選廠做過評估,系統處理能力為 453.6 t/h,總功率為 4 476 kW,各方案對比如表 4 所列。

    表 4 國外某選礦廠投資方案的對比
    Tab. 4 Contrast of investment schemes in a foreign concentrator

    磨機

    選礦廠的總投資包括磨機設備費、基礎和安裝運輸費。表 4 中為較早的評估,如今礦用磨機規格不斷增大,磨機大型化的優點將更為突出。

    2.5 設計水平

    (1) 對大型磨機的核心技術進行研究,自主開發相應的計算軟件,如磨礦工藝流程的研究與模擬、磨機規格的選擇和電動機功率的計算、磨機zui佳傳動形式的選擇、磨機和基礎系統的模態分析、傳動系統的扭振分析、開式齒輪的強度計算、磨機關鍵件有限元分析、大型鑄件計算機模擬和質量控制、高強度螺栓的強度計算、主軸承形式的選擇和參數計算、主軸承油膜有限元分析、進出料裝置 (給料小車和出料筒篩)的研究、襯板材料的研究及幾何形狀的計算機模擬等。

    作為磨機核心技術之首,磨礦工藝流程的研究與模擬、磨機規格的選擇和電動機功率的計算均需對磨機的實際運轉狀態建立合適的數學模型。1961 年,邦德利用工業數據和實驗室數據建立了 1 個球磨機半經驗公式,至今已有半個多世紀,仍被世界廣泛應用,實踐證明該公式適用于直徑小于等于 5 m 的球磨機。其他許多公式都有其相應的數學模型,被世界上許多公司應用,但由于模型與實際差別較大,計算結果往往偏大。1993 年,澳大利亞 Stephen M orrell 博士發表建立在試驗基礎上的數學模型,指出物料和鋼球在磨機中運動呈腰花形,而不是以往的半月形;其偏轉角是轉速和充填率的函數,而不是假定值;考慮動能、勢能及礦漿的影響;考慮磨機空載的功耗;與世界上 82 臺磨機 (功率 10~10 000 kW) 的工業數據對比,平方根誤差 σ = 5%,置信度 95% 時誤差僅為±10%。

    (2) 選擇zui佳的磨機傳動對項目的經濟狀況和工廠的成功運行非常重要,合理地選擇磨機的驅動系統對降低電耗意義重大。以前受齒輪加工技術的制約,催生了大功率無齒輪傳動技術 (GMD),它具有不受功率限制、傳動系統簡單、效率較高等特點。從操作和維護觀點來看,其機械結構相對簡單,可以節省空間、簡化系統;但也存在初期投資大、安裝精度高、維護費用高和備品備件貴等缺點。隨著現代制造業的發展,齒輪驅動功率的界限不斷被改寫。目前世界上齒輪驅動zui大的功率為 17 000 kW,應用于中信重工為中國黃金集團烏努格吐山銅鉬礦二期制造的 φ7.9 m×13.6 m 雙驅溢流型球磨機。

    (3) 有限元分析方法已廣泛應用于磨機設計中,對筒體 (含中空軸、筒體、端蓋以及多處連結螺栓)、主軸承結構與油膜、大小齒輪、齒輪罩、頂起托架及基礎進行全方位有限元分析,經過現代設計手段的分析優化,減少設備質量,提高可靠性,更加符合綠色低碳的環保理念。超大型磨機作為回轉運動設備,由于設備和地基基礎具有相近的固有頻率,且回轉運動的載荷較大,在設計時必須對設備與基礎是否產生共振和較大的強迫振動進行檢驗。對磨機與地基基礎的聯合結構進行動力學仿真,利用先進的三維軟件建立基礎與磨機的有限元模型,采用有限元分析軟件對其進行模態分析及瞬態響應分析,在基礎設計初期即給出合理的建議和意見,保證傳動系統運行的穩定性,從而提高設備的運行壽命。此外,DEM 模型和流體模型的耦合,也越來越多地應用于礦磨設備內部結構的計算機模擬,不僅可以模擬不同充填率下物料 (包括鋼球) 在磨機內部的運行軌跡,還可以模擬礦磨設備在不同的驅動功率下內部物質的運動狀態,甚至反映襯板的磨損情況。

    (4) 大型和超大型礦用磨機的自動化水平和配套設施日益提高和完善。隨著自動化水平的提高,在線監測設備得到了進一步發展,如在線粒度和濃度監測更加智能化;半自磨機襯板內安裝傳感器來檢測鋼球的落點位置,與磨機轉速調整實現互動,通過轉速的調整控制鋼球的落點,提高襯板壽命;振動監測系統可以實時在線監控小齒輪軸承和電動機軸承的振動情況;油膜測厚傳感器可以實時監測主軸瓦與中空軸之間的油膜厚度;紅外測溫裝置可以實時在線監控小齒輪齒面溫度,當齒面溫度溫差過大時會報警甚至停機,有效保護大小齒輪等?,F代在線設備狀態監測手段的使用,提高了磨機故障的預見性和磨機的可靠性。通過優化磨礦控制系統,可以提產降耗,穩定生產。

    2.6 制造能力

    以前受制造能力的制約,大直徑磨機的齒輪和端蓋等很多零部件無法加工。近年來,隨著國內外制造能力的提升,龐大的鑄鍛能力和加工能力為磨機大型化提供了硬件條件。

    以中信重工為例,近年來該公司耗資近 6 億美元擴大其生產能力,目前擁有 8~10 條平行生產線:80 t 電弧爐、150 t 鋼包精煉爐和 150 t VD/VOD 爐,使其單件澆鑄能力zui大可達 900 t;1 臺 18 500 t 鍛造裝置可以鍛造 400 t 單件鑄件;7 m×16 m、9 m×12 m 熱處理爐滿足大型零部件的熱處理需求;大型卷板機冷卷鋼板厚度為 160 mm,熱卷鋼板厚度達 250 mm;φ14 m×10 m 自動焊接操作中心為磨機筒體提供高質量焊縫;φ16 m 數控立式車床讓大直徑端蓋和筒體的加工變為現實;φ16 m 高精度 CNC 滾齒機使得齒輪直徑zui大可達 16 m,模數達到 45,精度達到AGMA10 級;軌高 26 m、起吊能力 550 t 天車滿足大體積、大質量零部件的起吊和出廠試車要求。先進制造設備為大型磨機的關鍵件 (筒體、端蓋和大齒輪等)提供優質鑄鋼件和高精度加工手段,并為出廠試車提供了條件。

    3 結語

    近年來,世界范圍的機械產業轉移和中國企業到國外發展礦業,為礦用磨機提供了zui好的發展時機。國內外礦山的發展,用戶和設計院對國產裝備業的認可和支持,為國產磨機提供了廣闊的發展平臺。以中信重工為代表的重型礦山設備制造企業,通過自身的不斷革新,大力加強硬件和軟件的建設,促進國內磨礦業得到迅猛發展。

    (1) 在磨礦技術方面,國內技術有了大幅提高,技術創新讓國產磨機大型化發展具有良好前景。目前礦用磨機技術發展趨勢是流程zui佳化、規格大型化、結構多樣化、操作自動化,根據礦石性質、產品粒度和處理能力選擇合理的工藝流程,可以節省投資,提高產量;對于特定的磨機規格,磨機的產能和回路的能源效率、運行成本是相互制約的,磨礦設備大型化可使整個選礦廠的效益zui大化;多種傳動形式和多種軸承形式豐富了磨機的結構配置;愈加先進和完善的DCS 系統,實現工藝zui佳化閉環控制。

    (2) 據國外資料統計,截至 2010 年,按全世界自磨機/半磨機總量計算,國外公司制造的磨機占總功率的 94.2%,而國產磨機不到 6%。由此可見,國產磨機設計制造水平與國外相比仍存在較大的差距。如大型化程度低,國內絕大部分企業不具備大型裝備的設計制造水平;設備與工藝參數研究不足,缺少試驗條件和研究手段;自動化水平低;創新能力明顯不足等。

    (3) 國產大型和超大型礦用磨機未來的發展目標是:工藝流程和結構創新,成為節能節材的綠色產業;造就一支國際化的技術、營銷、服務團隊;建設強大的數據庫和有自主知識產權的理論計算體系,使國產大型礦用磨機在國內外占領更廣闊的市場。

    關鍵詞: 磨機   自磨機   半自磨機   溢流型球磨機  

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