磨機自動加球裝置設計和應用

吳果蕾，金 武，高 騰，秦文超，劉 鵬

（1.江西銅業集團有限公司 城門山銅礦 ，江西 九江 332000；2.江銅集團東同礦業有限責任公司，江西 撫州 331800；3.北礦智云科技（北京）有限公司，北京 100083）

1 引言

磨礦作業是選礦廠的一個十分重要的工序，同時又是鋼耗能耗較高的作業，據統計，選礦廠碎磨作業的能耗約占選礦廠總能耗的65%～75%，鋼耗接近100%，成本占選礦廠總成本的50%～70%。降低選礦成本，提高磨礦效率是核心，磨礦介質是影響磨礦效率高低的主要因素［1]。一般來說，城門山銅礦選礦廠磨礦介質主要是鋼球，如果磨礦介質充填率選擇不當，磨機的磨礦效率不會很高［2]。

磨機是選礦的主要設備，通過電機驅動回轉，筒體內的礦石和鋼球受摩擦力和離心力作用被帶到一定高度后，由于重力作用，產生拋落和瀉落，礦石在不同球徑鋼球沖擊和研磨作用下逐步被粉碎。被粉碎的礦石部分排出筒外。在分級機配合下，分級出合格產品后進入浮選。而磨機內的鋼球隨著對礦石的磨蝕而產生損耗，因此，為了保持球磨機內鋼球的充填率，使球磨機能夠發揮出良好的效率，補充損耗的鋼球是磨礦必不可少的生產工序。

城門山銅礦選礦廠磨機一直采用人工加球方式，磨礦介質主要是鋼球，缺點是加球量不準和加球不適時。理想的加球方法是采用自動加球系統，按磨機的給礦量或按一定的間隔時間或按磨機軸功率的變化自動加入一定重量或數量的鋼球，保證球磨機的充填率穩定在最佳狀態［3]。自動加球系統已經成為磨機必不可少的輔助設備［4]。

2 技術方案

2.1 現狀

城門山銅礦選礦廠采取人工加球的方式對磨機進行每天早晚2次補加球作業，每次添加相同的重量，半自磨機每天分2次共添加2t左右，球磨機每天分2次共添加5t左右。這種補加方式存在的主要問題：

（1）集中加球會造成鋼球自磨損增高。

（2）球磨機功率不平衡，造成不必要的電耗。

（3）加球間隔過長，造成磨礦效率不均衡，影響浮選指標。

另外加球時需多人配合，由操作工和行車工配合使用行車和電磁吸盤將鋼球裝入料斗，然后再用行車將料斗吊運至三層工作平臺將鋼球倒入磨機加球口，工作量大，加球時間長，人工和機具費用較高，特別是行車吊運鋼球漏斗的返回，且容易出現鋼球墜落等安全事故。

2.2 工藝方案對比

目前加球機技術比較成熟，通常將加球機布置在磨機進料端附近，加球機可直接將鋼球輸送至磨機。本次為城門山銅礦選礦廠設計了兩個方案，并進行了對比。

方案一：加球機直接放置在車間三層入料端平臺上，如圖1所示，結構簡單。缺點是仍需要人工和行車配合將鋼球從鋼球池吊運至三層平臺加球機處，需要多人長時間配合加球；另外平臺不能承受加球機滿載荷，限制了加球機球倉的儲球量。

方案二：以城門山銅礦選礦廠2#系統磨機展開研究，根據設備特點和場地空間情況，運用光、機、電一體化技術，設計一款新型自動加球系統。結合現場已有行車和電磁鐵吸盤工具，設計加球機、提升機和溜槽，實現磨機自動加球。加球工藝流程為：加球機→提升機→溜槽→加球口→磨機，如圖2所示。缺點是機構復雜，提升機無成熟產品可直接采購需研制，現場車間空間狹小。

圖1 磨礦車間

圖2 自動加球裝置工藝流程圖

經過兩個方案的對比，方案二雖然結構復雜，但是可以減少人員勞動強度，并且能夠充分利用加球機球倉容量，降低給加球機加球的頻次。自動加球裝置工藝流程如圖2所示，包括加球機、提升機和溜槽設備。加球機市面上成熟產品較多，直接選購即可，鋼球物料提升機需要研制，溜槽布置和角度需要進行試驗確定。

2.3 加球機

加球機結合自動控制系統，是實現無人工參與添加鋼球的智能設備。實現磨機加球智能自動控制，能夠克服人工加球存在的問題。加球機儲球倉可儲存一定量的鋼球，可設置加球量、加球頻率、不同球徑比例，設備能夠自動啟停且可均勻添加鋼球，設備可判斷是否處于卡球狀況，出現卡球自動啟動松球器進行松球處理。加球機有多種控制添加工作方式。

圖3 加球機基本功能

2.4 提升機

因為空間限制，加球機需放置在底層平面處，加球機排出的鋼球需經過提升機將鋼球提升至磨機工作平臺。提升機技術比較成熟，但大部分都是散料提升，調研目前市場上暫無成熟產品，鋼球提升需要研制，需要在結構形式、控制邏輯方面和加球機進行同步設計。研制一套鏈條式鋼球提升機，具有結構簡單可靠、穩定性高、承載能力高、維護工作量小等優點［5]，且需滿足鋼球提升基本需求。

3 方案詳細實施

3.1 加球機

目前加球機技術十分成熟，主要由儲球倉、緩沖倉、撈球裝置、雙擾動松球裝置、智能控制器、計數器、觸摸屏等組成。

球倉設計：根據球磨機24h處理量所需要的鋼球量進行設計球倉的體積大小，1m3的鋼球重量約5600kg ；故球倉體積設計為2m3，儲鋼球總重量為6t，以滿足生產的需求，下部呈一定角度，為鋼球輸出創造一定條件。

出球方式：通過活動頁板，上、下擺動，擺動幅度大于鋼球直徑，每下擺1次，鋼球通過擺動口滾出。

卡球的判斷及處理方式：出球加裝檢測裝置，當活動頁板工作次數或者用時間判斷，在這區域或時間內，檢測裝置沒有檢測到鋼球輸出，則判定為卡球，這時，振動電機開始工作，一直振動到檢測裝置檢測到有鋼球輸出，振動電要停止工作。

3.2 提升機

目前國內外散料提升機技術十分成熟，如煤、礦石、水泥等，但沒有鋼球物料的提升機案例，現有提升機多為車間工廠建設時期同時安裝，不能滿足一些老廠在自動化智能化改造中各式各樣的特殊場地條件。現有的基于提升機的學術科研中大部分是圍繞控制、電氣和力學仿真而展開的，針對鋼球特殊物料結構方案設計可借鑒成果和技術很少。

本次設計借鑒散料提升機的結構形式，主體結構設計為鏈條式提升機，在每節鏈條上安裝特殊設計的料斗，用于鋼球提升。經過反復試驗，設計了適合鋼球提升和拋料的料斗，料斗隨著鏈條運動至最高點，達到水平角度后鋼球利用前一個料斗背面將鋼球進行拋料作業，鋼球拋料軌跡如圖4所示。

圖4 拋球軌跡

3.3 溜槽

因為添加的鋼球為鍛造和鑄造兩種形式，表面不規則且毛刺較多，現場制作了不同角度的溜槽進行試驗。其中鍛造和鑄造的鋼球表面情況也不一致，針對該種情況分別進行了現場試驗，實驗結果如表1所示。根據實驗結果，磨機所需鍛造鋼球，布置了4°到6°范圍內坡度的溜槽，實現了鋼球從提升機到磨機平穩順利通過。

表1 不同角度鋼球通過情況

3.4 調試

2018年12月設備研制成功后進行了現場安裝，安裝完成后于2019年1月份開始調試工作。調試過程中首先模擬人工加球模式運轉，設備平穩后分時間段均勻加球，對加球機、提升機和溜槽進行測試。調試過程中實現了自動加球，驗證了設計方案和裝置的可行性，對設計的自動加球程序進行了調整和優化。但在調試過程中也發現部分問題，研制的第一臺提升機加球口容易堵球，鋼球對出球口沖擊較大造成結構件開焊情況，提升機驅動抖動嚴重。

圖5 自動加球裝置

3.5 優化改進

針對調試過程中發現的問題，對提升機加球口、出球口進行了改進。在調試過程中發現進料口容易堵球，將進料口改為喇叭狀，只能允許1個鋼球通行以解決進料口堵球問題；出料口由垂直出料改為水平出料，降低了鋼球對出料口的沖擊，保證提升機結構穩定性。對提升機驅動單元進行了改進設計，增加了剛度，可以緩解驅動單元的抖動。另外根據調試情況，在提升機加球口、出球口和溜槽末端設計了傳感器［6]，統計各個位置的出球數量以判斷過程是否堵球，并進行實時故障報警。經過優化和現場修改，有效地解決了調試過程中發現的問題，運行穩定可靠。

表2 實施前后2#系統磨礦細度統計 M%

圖6 實施前后2#系統磨礦細度達標率

4 結論

設計的自動加球系統已經在城門山銅礦選礦2#系統磨機上應用，實現了自動加球，并給生產工藝提供了鋼球添加量和時間可調控功能。其中磨礦細度達標率由原來的79.27%提升至89.37%，達標率較高，為浮選作業提供了良好的基礎，現場生產更加穩定、高效。

實現了全流程自動加球，同時達到減員2人的目標，降低人工成本，實現了精準加球，配合智能磨礦系統提高球磨機研磨效率、降低鋼球消耗量；填補了國內單個鋼球物料提升機的空白，可以借鑒給其他類型物料提升使用；整體緊湊型的結構設計形式和設計方法，可推廣到其他已建成礦山自動加球改造使用。