衬板磨损对磨矿效率影响的研究报告

作者及发表信息

本研究由P. Toor（Mausimm, Scanalyse Pty Ltd）、T. Perkins（昆士兰大学JKMRC研究中心）、M.S. Powell（昆士兰大学可持续粉碎技术教授）和J. Franke（Scanalyse Pty Ltd首席技术官）共同完成，并于2011年8月发表在《Metallurgical Plant Design and Operating Strategies (MetPlant 2011)》会议上。

学术背景

磨矿是矿物加工过程中的关键单元操作，其能耗占整个选矿厂总能耗的40%左右。由于能源成本上升、矿石品位下降以及环保要求提高，提高磨矿效率成为行业迫切需求。衬板作为磨机核心部件，其设计直接影响磨机内载荷运动行为（load motion）和矿石破碎效率。然而，传统衬板设计往往过度追求使用寿命，而忽视了磨损过程中形状变化对磨矿效率的动态影响。

本研究旨在通过量化衬板磨损对磨机性能的影响，提出一种优化衬板设计的方法，使其在寿命周期内保持高效破碎能力，同时平衡能耗、处理量（throughput）和衬板更换周期。

研究流程

1. 研究设计与数据采集

研究对象为一台32英尺（约9.75米）半自磨机（SAG mill），跟踪其两个完整的衬板寿命周期（第一个周期于2010年12月结束，第二个周期于2011年6月结束）。研究采用以下核心方法：
- 高精度激光扫描（MillMapper®）：在衬板寿命的四个阶段（新衬板、中期磨损、高度磨损、完全磨损）进行三维扫描，获取衬板形状、有效提升条高度（effective lifter height）、磨损体积等数据。
- 磨矿调查（grinding surveys）：在每次扫描前后进行标准化磨矿测试，记录处理量、功耗、产品粒度等参数。
- JKSimmett模拟：通过稳态模型归一化矿石硬度、给料粒度等变量，分离出衬板形状对破碎速率（breakage rate）的影响。

2. 数据分析与建模

• 衬板形状与磨机容积关系：激光扫描显示，衬板磨损导致磨机容积平均增加4.4%（从757m³增至792m³），但实际处理量提升高达10%，表明容积变化并非效率提升的唯一因素。
  
• 破碎速率分析：JKSimmett模型显示，磨损衬板对小颗粒（<30mm）的破碎速率更高，而新衬板对大颗粒（>50mm）的冲击破碎更有效（图14）。这与磨损衬板导致载荷运动从抛落（cataracting）转为泻落（cascading）有关。
  
• 放电格栅（discharge grate）设计干扰：研究中因格栅设计变更（pebble port面积从100%降至43%），导致放电函数（discharge function）出现阶跃变化（图12），需通过第二周期数据进一步验证。
  

3. 离散元模拟（DEM）验证

计划将扫描获得的四种衬板形状导入DEM平台（图16），模拟不同磨损阶段的载荷运动轨迹、能量分布等，以验证最优衬板形态。

主要结果

1. 磨损衬板效率优势：完全磨损衬板比新衬板处理量高7.76%（925 vs. 804 tph），功耗降低9.28%（6019 vs. 6588 kW），且更利于细颗粒生成（图15）。
   
2. 容积与形状协同效应：磨机容积增加仅贡献约4%的处理量提升，剩余6%归因于磨损后衬板形状更利于有效破碎。
   
3. 动态优化潜力：通过MillMapper®和JKSimmett结合，可识别衬板寿命中高效阶段对应的形状特征，指导新衬板设计。
   

结论与价值

本研究提出了一种基于激光扫描和模拟技术的衬板生命周期优化方法，其科学价值在于：
- 理论层面：揭示了衬板形状动态变化对破碎机制的差异化影响（冲击破碎 vs. 磨剥破碎）。
- 应用层面：为设计“长期保持高效形状”的衬板提供了方法论，预计可降低能耗10%以上，同时维持合理更换周期。

研究亮点

1. 方法创新：首次将MillMapper®激光扫描与JKSimmett模拟结合，量化了衬板形状与磨矿效率的实时关系。
   
2. 工程指导性：明确了“过度设计衬板会牺牲效率”的行业误区，提出平衡寿命与性能的设计原则。
   
3. 数据驱动优化：通过DEM模拟验证，为衬板设计提供了可扩展的数字化工具链。
   

其他有价值内容

• 采样点改进：第一周期因旋流器底流（cyclone underflow）采样偏差引入噪声，第二周期通过增设采样舱口（图9）显著提升数据可靠性（图10）。
  
• 行业普适性：该方法适用于现有传统磨机改造，无需大规模设备更新，符合矿业可持续升级需求。
  

（注：专业术语如MillMapper®、JKSimmett、SAG mill等保留原名称，首次出现时标注中文解释。）