李 超，周 洁，夏 霜

1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039

2矿山重型装备国家重点实验室 河南洛阳 471039

3大冶特殊钢股份有限公司 湖北黄石 435001

自 磨机利用被磨物料自身作为介质，通过相互冲击和磨削作用实现破碎和粉磨两种功能。在处理合适的矿石时，使用自磨机非常经济，因为无金属介质消耗，可降低运营成本，同时衬板使用寿命高达 6～12 个月，大大提高了设备作业率。

1 物料板结问题

如果自磨机运行时因故障长时间停机，容易导致磨机内部物料板结。因为自磨机筒体内部细粒级物料较多，当与适量的水调和时，可形成一种可塑性的胶体，随着时间的推移，胶体逐渐失去可塑性，变成不能流动的紧密状态。此后胶体的强度逐渐增加，掺有不同粒级且密实的物料被它们胶合到一起，变成坚硬的整体，这类似于混凝土的凝固和硬化的过程[1]。

如果没有专用工具，处理板结的物料将耗时约1～2 d；如果板结物料没有被发现，磨机启动过程中从顶部落下，将产生巨大的冲击力，会造成法兰面出现裂纹 (见图 1)，筒体变形和法兰裂开[2]，不仅造成重大设备事故，还会因为高昂的维修费用和设备长时

间停机带来巨大的经济损失。因此，判断物料是否板结和如何处理板结物料意义重大。笔者介绍了根据现场不同工况下物料动态安息角来判断板结的理论，并通过现场实际应用验证了处理板结物料的方法。

图1 板结物料掉落导致法兰面裂纹Fig.1 Crack of f lange surface due to falling of hardened charge

2 物料动态安息角

当大量的物料颗粒在旋转的筒体内转动，在一定的摩擦力下被带到一定高度，当达到动态安息角[3]后，在重力作用下沿料层表面滚落，并实现动态平衡。

为了进一步了解现场自磨机内物料在不同工况下启机时的动态安息角，汇总了近期 6 组磨机启机时的数据，如表 1 所列。

表1 不同工况下物料的动态安息角Tab.1 Dynamic dispose angle of charge in various operation modes

正常检修情况下停机前磨机磨空时，动态安息角较小；当事故停机时，充填率高，物料内部细颗粒多，矿浆浓度较高，动态安息角相对较高。物料板结均发生在故障停机的情况下，发生板结的时间主要与停机时物料细粒级的情况有关。现场记录了最短发生板结的时间约为 0.5 h，严重板结的发生时间是故障停机后 6 h。磨机内部的物料情况如图 2 所示，转动后表层大颗粒矿石滑落，漏出了底部大面积的板结细料。

3 板结判断的理论依据

图2 自磨机内部板结物料Fig.2 Hardened charge inside autogenous grinding mill

当自磨机启动时，如果没有发生板结，物料被提升一定高度，达到动态平衡时动力学平衡方程如式(1) 所示，在此过程中物料状态示意如图 3 所示。

式中：Md为电动机输出转矩，N·m；Mf为中空轴处的摩擦阻力矩，为负荷阻力矩，N·m；Jε为启动时的惯性阻力矩，N·m。

图3 启动阶段物料状态Fig.3 Charge status during start-up stage

在自磨机启动阶段，Mf为定值，当自磨机由水平转至约 37°时，磨机由静止加速至后开始匀速转动，这时磨机的角加速度为 0，则Jε为 0。之后当物料到达动态安息角时，的数值不随转角增大而增大，电动机输出转矩将下降或小范围内平稳波动。如果发生物料板结，数值随转角继续增大，电动机输出转矩继续增加。

4 板结判断的实际应用

磨机正常启动过程是从静止到一定角度后，电动机转矩达到最大值并开始逐渐下降。然而当物料板结时，磨机转动超过正常范围的动态安息角后，电动机转矩依然随角度的增加而持续变大，如图 4 所示。

现场自磨机使用环形电动机驱动，系统配有板结物料监控程序模块，其控制逻辑示意如图 5 所示。当磨机转至设定的角度时，系统将对实时转矩M与启动过程中不断变化的最大转矩Mmax进行比较：如果M＜Mmax，说明物料已滑落，磨机将继续正常启动；如果M＞Mmax，系统认为存在板结，电动机将调停。同时，设定的角度应大于正常范围的动态安息角，即使在物料很少的情况下，这种保护程序控制逻辑也能有效判断是否存在板结。

图4 正常情况和物料板结时电动机启动特性对比Fig.4 Comparison of normal operation mode and charge hardening mode in start-up characteristics of motor

图5 板结物料监控程序控制逻辑Fig.5 Control logic of program of monitoring charge hardening

图6 显示了系统检测出板结后调停的过程。在磨机从水平位置转至 85°之前，转矩值一直增加；当到达设定的 85°时，该转矩值等于或大于先前记录的最大转矩，系统认为物料发生板结，电动机调停。

该系统可以及时发现物料板结现象，进而避免因板结物料掉落冲击对磨机造成损坏，但无法消除板结的物料。

5 板结物料处理方法

当自磨机内部物料出现板结后，现场一般有 3 种方法来处理不同程度的板结。

5.1 多次正常启动

5.2 板结物料松动功能

当物料从平衡位置被提到 85°位置后磨机反向转动，在降至 35°时，电动机施加一个反向的强力转矩，使磨机立刻停止转动，物料在惯性力作用下在筒体内部滑落。如果第一次物料没有滑落，磨机将物料转到反方向后重复以上过程，最后磨机将自动停在平衡位置。处理板结物料的整个过程约需 2 min。同时需注意，当板结物料过多时，可导致电动机过载而无法正常启动板结物料松动功能。

图6 实际板结物料调停发生过程Fig.6 Actual halting process at charge hardening

图7 启用板结物料松动功能Fig.7 Process of enabling hardened charge loosening function

图7 显示了 2 次正常启动后均由于触发物料板结报警而调停，随后使用了板结物料松动功能，并一次完成板结物料的松动，然后顺利正常启动。

5.3 高压水炮冲洗方式

当以上方式均无效后，需要用高压水炮将板结物料冲散。高压水炮需要特殊设计，使喷头尽量靠近进料口 (见图 8)，并可以在自磨机筒体圆周方向和轴向移动，喷头冲洗可覆盖内部大部分区域。

图8 冲洗板结物料高压水炮系统Fig.8 High-pressure water cannon system for f lushing hardened charge

将磨机慢驱一侧约 80°位置，高压水炮对准暴露的板结物料进行冲洗，如图 9 所示。根据情况将磨机慢驱另一侧约 80°位置，重复以上操作。在此过程中越来越多的板结物料被冲散，反复慢驱也使一部分物料松动。根据实际操作经验，此种方式耗时约 5 h 即可消除板结，磨机具备正常启动条件。

图9 工作中的高压水炮系统Fig.9 High-pressure water cannon system in operation

6 结论

根据收集的实际数据，现场自磨机启动过程中，不同工况下动态安息角通常在 35°～65°范围内。通过理论分析和实践证明，利用电动机启动转矩和自磨机转角关系来判断磨机内部是否出现板结的方法非常有效。

对于轻微板结一般 2 次以内正常启动均能消除；较为严重的板结可使用电动机的板结松动功能；当松动功能失效后，使用高压水炮冲散板结物料也是一种比较高效的方式。