磨机衬板磨损在线测量技术的研究与应用

磨矿设备是选矿工艺准备工作中的关键设备，其投资成本占选矿厂全部投资的60%以上，运营成本占选矿厂的65%~70%。 炉衬是大型自磨机、半自磨机和球磨机的主要耗材，以10.37m5.19m半自磨机为例，炉衬总质量超过400t，其中筒体炉衬和部分卸料炉衬总质量超过300t，每年更换3~5次，1台在磨机生产作业中，炉衬会长期受到矿石、钢球等的冲击和研磨，同时也会受到矿物质的腐蚀。 衬板磨损到一定程度后，铣削效率会降低，衬板本身的厚度也会变薄，因此容易破裂。 衬板失效后，筒体会直接受到钢球和材料的冲击而损坏，需要重点监测衬板的磨损量，定期更换衬板。

由于工况的恶化和技术条件的限制，衬板磨损检测一直是磨机行业的难题。 笔者总结了国内外衬板磨损测量的现状和存在的问题，提出了衬板磨损在线测量的技术方案。

1衬板磨损的传统测量技术

目前检测炉衬磨损的常用方法有人工测量法、超声波测量法和激光三维扫描测量法，以下分别论述这三种测量方法的原理和优缺点。

1.1　人工测量法

人工测量法是磨机停机后，放置一段时间，待汽包内温度下降后，由操作人员进入磨机内，用直尺或专用测量工具进行测量(见图1 )，根据测量数据制定换衬时间表，进行看板管理。 人工测量费时，工作效率低，测量数据少。 特别是在炉衬使用中后期，根据炉衬制造技术特点，炉衬磨损速度急剧变化，用较少的数据预测变化较大的磨损趋势，预测误差较大，给生产管理带来较大风险，给生产管理者带来较大的心理压力，满足现代化企业的需要

图1人工测量磨机衬板磨损

1.2　超声波测量法

将超声波测厚仪放入磨缸内，人工测量炉衬厚度，根据多次测量的差值计算炉衬磨损量。 如图2所示。 超声波测厚仪(参照图3 )主要由主体和探针两部分构成。 主体电路包括发送电路、接收电路、计数显示电路三个部分。 通过发送电路产生的高压冲击波激发探针，产生超声波脉冲波。 脉冲波由介质界面发射后由接收电路接收，经单片机计数处理后，通过液晶显示器显示厚度值。 在现场使用前需要用钢锭标定。 被测量物的厚度

式中，v是材料声速； t是超声波在试样中往返1次的传播时间。

超声波处理方便，指向性良好，可用于金属和非金属材料的测量，因此可测量金属衬和橡胶衬，测量厚度一般超过400mm，该尺寸能满足大多数磨机的使用要求。

图2超声波测厚仪测量炉衬磨损

图3超声波测厚仪

1.3　三维激光扫描测量法

三维激光扫描仪(见图4 )按其原理可分为三角测量、相位式和脉冲式，在磨机中的应用主要采用相位式。 如图5所示，用无线波段的频率对激光束进行振幅调制，测量调制光往返1次而产生的相位延迟，根据调制光的波长换算出该相位延迟表示的距离。 也就是说，用间接的方法测量光往返所需的时间，扫描仪记录自身水平方向和垂直方向的旋转角度，用软件计算出三维数据。

能够产生相移时间是光在2d的距离内传播所需要的时间

式中，d是从激光发射器到被测定物体距离； c是光速； 调频是设定的频带频率。

图43三维激光扫描仪

图5三维扫描测量原理

中信重工机械股份有限公司(以下简称“中信重工”)首次将该技术用于国内磨机衬板的磨损测量。 如图6所示。 目前已向生产现场提供了几十份炉衬磨损分析报告，优化和改进炉衬结构，大幅度提高了炉衬寿命和磨机生产率。 笔者以某矿山大型磨机的应用为例，简要介绍基于激光三维扫描技术的衬板磨损测量系统。

图6三维激光扫描仪在磨机内测量炉衬磨损和扫描的云图

2基于激光三维扫描的磨机衬板磨损测量技术

以某厂房自磨机进料口磨损量测量为例简要说明测量结果。 由图7可知，送料侧衬板整体状态较差，特别是中轮衬板磨损最严重。 内环衬里状态良好，但与内环衬里结合处，底板厚度约50mm，提拉条厚度约155mm； 中轮衬底板大部分厚度为35~50mm，最薄处约25mm，提升杆磨损较均匀，其厚度为140~160mm； 外圈衬板底板大部分厚度为42~50mm，最薄处约35mm，提升杆状态良好，大部分厚度为200~235mm。

图7自磨机进给端衬板磨损云图和磨损量

如上所述，每次扫描衬里时，得到衬里的提升杆的高度和衬里的截面形状，经过多次扫描，得到衬里的高度和衬里的截面形状随时间变化的关系模型。 如图8所示； 利用相关模型可以制定炉衬更换计划，如图9所示。

图8衬里磨损情况实测数据

图9背板更换计划

激光三维扫描技术的使用大大提高了衬板磨损检测的精度和技术水平，但该技术仍然存在一定的局限性。 例如，数据后处理过程非常复杂，很费时间，而且需要在磨机停止的状态下进行测量，不可避免地会在一定程度上影响磨机的工作效率。

3衬板磨损在线测量技术

在大量研究国内外衬板测量技术后，结合现场实际，开发了磨机衬板磨损在线测量系统，能够在不停机的情况下实时监测衬板磨损量。

3.1　系统组成

衬板磨损在线测量系统由智能螺栓(包括螺栓传感器和发射机)、无线信号接收机和上位机三部分组成。 上位机可以将磨损数据和衬板寿命预测值通过通信方式传输到中控台DCS屏幕，通过加密的SDK传输到云平台，或者在手机端进行查看，便于生产管理。 如图10所示。

图10炉衬磨损在线测量系统的构成

智能螺栓的外形与现有螺栓基本一致，可以代替炉衬现有的螺栓将炉衬连接到矿用磨筒体上。 智能螺栓平头比传统螺栓长，加长的平头内部集成有长度传感头、传感器模块、处理器模块、无线通信模块、电源模块等，智能螺栓内部用绝缘材料封装。 智能螺栓的内部结构如图11所示。

1 .螺栓外壳2 .绝缘浇注料3 .传感器探头4 .传感器模块

5 .处理器模块6 .无线通信模块7 .天线8 .电源模块

图11智能螺栓内部结构

如图12所示，将智能螺栓放入背板，将智能螺栓的平头部分与背板的升降条对齐。 随着背板的磨损，平头和嵌入其中的传感器也会同样磨损。 磨损的传感器信号被处理压缩后，由无线发送，通过磨机旁边的无线接收机(参照图13 )，将信号变换为背板的磨损量。 螺栓控制中心从现场PLC或DCS采集矿用磨机矿石处理量，结合矿石处理量和炉衬磨损量进行数据分析处理，预测炉衬寿命。

图12炉衬磨损在线测量系统工作原理

图13无线信号接收机

智能螺栓的外形与现有的螺栓基本一致，可以代替衬里的现有螺栓来紧固衬里

现场安装使用时，可根据衬板磨损情况在磨损较早的位置配置智能螺栓(分别为圆周方向和长度方向)，配置数量可根据磨机规格和衬板数量综合确定。 如图14所示，在进给侧衬板和气缸套7个不同位置分别安装螺栓，螺栓旋转一圈配置2个智能螺栓，共14个，可以较好地覆盖磨机衬板的磨损情况。

图14智能螺栓的安装位置

3.3　系统工作原理

磨损数据的收集和发送由电池进行，电池被命令半年以上。 该系统可以根据选厂的需求设定磨损数据的采样频率。 磨损数据可通过4G信号传输至中信云物联网平台，选厂通过Web端和手机APP查看炉衬磨损状态，结合DCS系统处理数据，如图15所示预测剩余寿命和剩余矿量

图15 Web侧和手机侧表示衬里的磨损量和剩馀寿命

4衬板磨损在线测量技术的应用

由于实现了炉衬磨损量的在线测量，选煤厂可以采集炉衬使用周期随时间变化的密集数据。 通过对衬板磨损大数据的分析和整理，计算出衬板磨损速度，建立衬板寿命预测模型，得到不同时期衬板磨损速度的变化情况和剩余寿命预测(见图16 )，指导磨机的生产操作和衬板备件的管理，同时

图16炉衬磨损速度和炉衬寿命预测曲线

从测量原理、测量精度等7个方面，比较了人工测量、超声波测量、激光三维扫描测量和在线测量4种方法的技术参数，如表1所示。 由表1可知，激光三维扫描测量方法测量精度最高，为2mm，但数据后处理时间长； 在线测量方法由于工况恶劣和铸造本身的误差，测量精度为3mm，但也能满足现场使用要求。 此外，在线测量技术具有不需要停机、测量数据量大、融合生产数据、预测寿命准确、测量成本不高等特点，与其他测量手段相比具有较强的优势。

表1不同测量方法的技术参数比较

4.1　现场安装

炉衬是磨矿设备的重要耗材，其磨损监测和更换时间对提高磨矿工作效率至关重要。 中信重工开发的衬板磨损在线测量技术，测量精度可达3mm，首次实现了不停机测量衬板磨损，减少了停机造成的损失，同时避免了人工进磨测量，提高了生产安全性利用安装简单可靠、无需现场设备改造的物联网技术，用户可以在手机上看到衬里的磨损情况和剩余寿命，提高了生产效率和经济效益。 该技术在某厂家大型半自磨机上得到验证，可以准确测量衬板的磨损数据。 经过炉衬周期的测量，积累了炉衬磨损随时间变化的大数据，可用于指导磨矿生产工作，改进炉衬制造工艺，优化炉衬结构。 该技术方案成熟可靠，已获得国家发明专利，可在国内外矿山磨机行业推广应用。

来源：矿机之家

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