张勋说：简述球磨机内介质(钢球|钢棒|衬板)运动动力学(图文)

　　球磨机是物料被破碎之后，再进行粉碎的关键设备，自1893年球磨机出现100多年以来，它在矿业、冶金、建材、化工及电力等行业的物料粉碎中得到广泛的应用。球磨机依靠钢球对矿石的冲击和研磨来完成对矿石的破碎作业，由于球磨机处理能力和粉磨后的粒度对后续作业的效率和整体生产流程的技术经济指标影响显著，有关球磨机的研究在国内外一直受到广泛关注。（想了解球磨机钢球知识，可查看我写的这一篇：张勋说：看完这波球磨机钢球知识，你就成专家了！(图文)）

　　中信重工设计国内最大型半自磨机

　　球磨机是利用磨球作为磨矿介质进行磨矿的设备，其结构简单、性能稳定、 破碎比大，既可以湿磨又可以干磨，可用于处理各种矿物原料，适应性强，易于实现自动化控制。据统计表明，世界上用于粉磨的耗电总量占全球发电总量的 2.8%-3%，而选矿厂磨矿耗电量占整个选矿厂总耗电量的30%-70%，造成了极大的能源消耗。此外球磨机内部磨球消耗量十分巨大，国内磨球年消耗量已经超过200万吨;以2006年为例，磨球损耗造成的经济损失不少于40亿。随着 矿产资源日趋贫化,低品位矿产资源不仅降低球磨效率，还增加磨球消耗和能耗。（想了解降低球磨机钢球消耗可以看我的这一篇：张勋说：球磨机钢球降低磨耗的方法(图文)）

　　《工业节能十二五规划》以及《工业转型升级规划(2011-2015年)》明确提出“重点淘汰直径3.0米以下球磨机”，重点研发并推广大型球磨机;《建材工业“十二 五”发展规划》明确提出“重点研发与推广球磨机等节能减排技术”，以满足国家对高耗能行业节能减排的要求。因此有效提高球磨机粉磨效率，减少球磨机粉磨过程的损耗，不但能提高选矿厂经济效益，而且也符合当下节能与环保的要求。

　　球磨机结构示意图

　　图所示为球磨机结构示意图（点击查看：【国家标准】GBT25708-2010球磨机和棒磨机标准），矿石进入球磨机筒体，筒体内壁设有衬板，钢球被筒体带到一定高度后下落，撞击矿石，以实现对物料的破碎和研磨。 根据内部运动特征，将球磨机筒体内部划分为四个区域：拋落区、泻落区、研磨区和破碎区,其中衬板的磨损发生在研磨区和破碎区：在破碎区，球磨介质与衬板间的冲击摩擦磨损严重;在研磨区，衬板承受由磨球和磨料构成的高应力磨粒磨损。

　　(a)钢球                     (b)衬板

　　钢球与衬板断裂损伤破坏示意图

　　如上图所示，在矿粉或矿浆共同作用下钢球和衬板磨损严重，特别是大型球磨机筒体体积庞大(克虏伯公司研发世界最大球磨机中6.2x25.5 m、洛阳矿山机械工程设计研究院研发中国最大球磨机10.37x5.19m),其内部磨球、矿石和衬板间的冲击碰撞更为剧烈，衬板消耗量巨大，进而严重降低大型 球磨机球磨效率。

　　钢球由抛落而产生冲击摩擦发生在抛落区和破碎区，抛落的钢球用于破碎矿料，同时会冲击衬板，造成损伤破坏。如图所示，衬板在冲击、摩擦磨损作用下导致损伤变形，进而严重降低球磨效率。目前，选矿行业普遍使用高锰钢衬板，使用周期仅6-12月，全国金属矿山选矿厂每年衬板消耗达8万吨以上(保守估计)，然而人们还没有充分认识干湿磨工况下球磨机内部衬板冲击摩擦磨损学行为。因此, 亟需开展球磨机内部衬板冲击摩擦磨损基础理论和试验研究，为解决大型球磨机高能耗、高钢耗的科学问题提供重要基础数据，进而为球磨机磨球及衬板材料和结构设计提供理论基础（参考资料：耐磨钢球磨耗计算方法）。

       作为研磨介质从业人员，开展干湿磨工况下球磨机研磨介质（磨球、磨棒、磨段、衬板）冲击摩擦磨损行为研究尤为重要，为给客户设计和提供节能降耗的球磨机研磨介质提供基础理论与技术支持。

　　自20世纪20年代戴维斯等人比较系统的提出球磨机磨矿理论以来，国内外学者在这方面进行了大量的试验研究工作，先后提出许多不同的观点。就球磨机内介质运动形态而论，这些观点大体上分为三大学派理论：即纯二相运动理论, 三相混合理论和肾形蠕动区运动理论。

球磨机磨球运动的三种典型运动状态

　　图所示为球磨机磨球运动的三种典型运动状态。纯二相运动理论认为: 当球磨机筒体的转速较低时，磨球随着筒体转动被提升到一定高度沿介质堆表面自由滑落，这种情况称为泻落式;当球磨机筒体转速较高时，磨球随筒体上升到 一定高度并以抛物线向下抛落，称为抛落式;当球磨机筒体转速达到临界状态, 磨球随筒体上升到一定高度做圆周运动，称为离心式。

　　三相混合运动理论认为介质在磨机中运动很少有可能是纯泻落或纯抛落式, 而大多数呈混合运动，即在某一转速下外层介质可能属二相纯抛落式(圆轨道及 抛物线轨道)，内层介质可能属二相纯泻落式(圆轨道及滑落轨道)，中间层介质 可能属三相混合运动，即介质沿圆轨道上升，然后以某一初速度离开筒体抛落下 降至某一区域进行滑落，因此磨机中各层介质运动轨迹不一样，总的看来有圆轨 道、抛落、滑落三种形态，故称为三相混合运动理论。

　　肾形蠕动理论认为介质在磨机中运动时，介质层中心区域形成肾形内核。从 宏观上看，肾形内核相对运动甚微，其中包络的介质进行缓慢蠕动。这个蠕动区 基本上不起粉磨作用，但对能耗、钢耗及粉磨效率有影响。

　　球磨机最外层钢球抛落运动轨迹图

　　球磨机物料粉碎是通过球磨介质运动对物料实施冲击、研磨和剥磨来实现的。 研究球磨介质的运动形态和运动规律是研究球磨机生产率、优化球磨参数和提高 粉磨效率等问题的基础。球磨机内介质运动是一个多变量的复杂函数, 一般分析筒体内最外层球的运动来说明其运动规律。而球磨机内介质的运 动情况取决于磨机筒体转速、介质填充率、磨机衬板等，尤其是磨机转速和介质 填充率。合理而经济地选择球磨机工作参数、提高球磨效率，首先要分析了 解球磨介质在筒体内运动规律。目前，国内外学者对球磨机磨球运动学开展了广 泛的研究：黄鹏以640x540mm的球磨机为研究对象，基于离散元方法对球 磨机内介质运动进行仿真分析，研究影响球磨机磨矿效果的因素。董铭锋600x700 mm的球磨机为研究对象，应用离散元软件PFC模拟磨球的各种运动， 获得磨球运动轨迹数据，建立了各层磨球的运动轨迹方程。李笑同等以规格为 MQZ1200x2400的水泥球磨机的技术参数作为模拟参照，利用PFC3D软件建 立模型，记录磨球的位置及速度变化来提高球磨机研磨效率。樊狄锋以 01000x1000 mm的球磨机为研究对象，研究完全抛落状态和混合运动状态下作不同运动的介质分布形态和数量关系。Moys和Powell对球磨机磨球的运动轨迹、填充率、转速率以及衬板形状对负荷行为的影响进行一系列的实验和理论 研究。卢建坤用离散元软件EDEM建立了 6080型大型球磨机离散元仿真模型，分析矩形衬板、梯形衬板和波形衬板的几何尺寸对磨矿介质运动状态的影响 及其与磨机工作转速之间的关系。Agrawala等详细分析介质的运动规律，探讨球磨机运行条件对介质运动形态的影响，并着重研究了介质运动过程中的分离和波动等现象。