بطانات مغناطيسية

يعتمد مبدأ عمل البطانات المغناطيسية على أن البطانة مصنوعة من مادة مغناطيسية. وبفضل القوة المغناطيسية، تنجذب الأجسام الفولاذية (خاصة وسائط الطحن – الكرات الفولاذية) و/أو المعادن المغناطيسية (مثل المغنتيت) إلى سطح البطانة، مكونةً طبقة واقية صلبة تصبح جزءًا من البطانة نفسها (كما هو موضح في الشكلين 5-24 و5-25).

كتل مغناطيسية دائمة للغلاف المعدني لمطحنة مبطنة بالمطاط

الشكل 5-24: البطانات المغناطيسية المبكرة

الشكل 5-25: رسم تخطيطي نموذجي للبطانة المغناطيسية

الشكل 5-26 (مشار إليها ولكنها غير معروضة)

في عام 1975، اقترح أندرسون لأول مرة استخدام البطانات المغناطيسية في المطاحن الدوارة. ونظرًا لأن البطانات نفسها مغناطيسية، فيمكن تثبيتها مباشرةً على غلاف المطحنة بواسطة القوة المغناطيسية دون الحاجة إلى أنظمة تثبيت بمسامير (كما هو موضح في الشكل 5-26)، مما يجعل التركيب والاستبدال أمرًا سهلاً. وبعد ذلك، في عام 1982، اقترح وينرت تطبيقًا لمجموعة أوسع من المعدات المعرضة للتآكل الشديد. وفي العام نفسه، أجرى «مجهول» دراسة واختبارات على البطانات المغناطيسية في المطاحن الدوارة، حيث كانت طاقة الطحن تنتقل إلى الخام بالكامل عبر البطانات المغناطيسية. في مثل هذه المطاحن، يجب أن يكون الشكل الأمثل للبطانة أملسًا، ولكن يجب أن تتمتع بقوة جذب كافية للاحتفاظ بالمواد المغناطيسية الحديدية على السطح لمنع انزلاق حمولة المطحنة على سطح البطانة. منذ منتصف الثمانينيات، بدأت الصين في التركيز بشكل كبير على البحث في البطانات المغناطيسية وتحسينها والترويج لها. المكون الأساسي للبطانة المغناطيسية هو المغناطيس الدائم، الذي يجب أن يتمتع بناتج طاقة مغناطيسية وقوة إكراه كافيين لتوليد مجال مغناطيسي قوي بما يكفي على سطح البطانة ومقاومة إزالة المغناطيسية.

كانت البطانات المغناطيسية المبكرة تُصنع عن طريق تضمين كتل مغناطيسية خزفية في إطارات مطاطية. وأثبتت الممارسات الإنتاجية نجاحها الكبير في عمليات الطحن الثانوية. ومن الأمثلة النموذجية على هذه البطانات البطانة المغناطيسية “ore‑bed” التي طورتها شركة Trelleborg (كما هو موضح في الشكل 5‑24). كانت هذه البطانة تتكون من كتل مغناطيسية محاطة بصناديق مطاطية، مثبتة على غلاف المطحنة، بينما تقوم في الوقت نفسه بجذب المواد المغناطيسية لتشكيل طبقة واقية. في عام 1980، تم تركيب هذه البطانات المغناطيسية في مطحنة حصى لإعادة الطحن في مركز تركيز LKAB كيرونا في السويد. وتم تركيب مجموعة أخرى في مصنع تريليكس في ويستبري لمعالجة خام أكسيد رمل الحديد التابع لشركة بلو سيركل. في هذه الحالات، استخدمت البطانات مغناطيسات خزفية مُفلكنة في المطاط لحماية المطحنة، لكن قوة الشد ومقاومة التمزق للمطاط لم تكن عالية بما يكفي لمقاومة أو امتصاص تأثير حمل المطحنة على المغناطيسات الموجودة أسفلها، كما أن المغناطيسات نفسها كانت هشة للغاية. ونتيجة لذلك، اقتصرت استخدامات هذه البطانات على التطبيقات التي يقل فيها قطر كرات الطحن عن 40 مم (1.5 بوصة) ويقل قطر المطحنة عن 3 أمتار (10 أقدام). بالنسبة للمطاحن الكبيرة، كان لا بد أن يكون حجم وسائط الطحن أصغر من 25 مم (1 بوصة). علاوة على ذلك، لم يكن من الممكن استخدام البطانات المغناطيسية المطاطية إلا على الغلاف الخارجي، وليس على البطانات الطرفية.

ولزيادة حماية المغناطيسات الموجودة في البطانات، حصل مايلز على براءة اختراع لتصميم بطانة مغناطيسية يتم فيها وضع ألواح معدنية حول المغناطيسات، مما يمنع التعرض للصدمات المباشرة الناجمة عن سقوط الكرات الفولاذية داخل المطحنة.

وبالتالي، ومن أجل منع تلف المغناطيسات الدائمة بفعل وسائط الطحن والمواد أثناء تشغيل المطحنة، قامت شركة «مجموعة التعدين والميتالورجيا الصينية» بتطوير بطانة مغناطيسية مزودة بصندوق واقي معدني (أو إطار معدني) يغلف المغناطيسات، وقد أُطلق عليها اسم بطانة مغناطيسية معدنية. وفي بعض الأحيان، كانت تُضاف أيضًا طبقة مرنة، مثل المطاط، إلى سطح الإطار المعدني لتخفيف الاهتزازات والحماية من التآكل. كانت البطانات تُصنع على شكل كتل ويمكن تركيبها على غلاف المطحنة بطريقتين: الأولى هي تثبيتها مباشرةً على الغلاف الفولاذي بواسطة القوة المغناطيسية؛ والثانية هي تثبيتها باستخدام قضبان تثبيت ومسامير. أثناء تشغيل المطحنة، وبسبب القوة المغناطيسية، يجذب سطح البطانة المواد المعدنية (خاصة الكرات الفولاذية المكسورة، وما إلى ذلك) والمواد المغناطيسية، مكونًا طبقة واقية بسمك 30–40 مم. هذه الطبقة الواقية تتجدد ذاتيًا وتمنع تآكل البطانة وتآكلها. يعتمد سمك الطبقة الواقية على شدة المجال المغناطيسي على سطح البطانة. في عام 1989، نجح معهد أنشان لأبحاث التعدين في اختبار هذه البطانات المعدنية المغناطيسية في مطحنة كروية لإعادة الطحن يبلغ قطرها 2.7 متر وطولها 3.6 متر (9.0 قدم × 12.0 قدم). وبعد ذلك، في عام 1992، طورت شركة «جينفا» الصناعية والتجارية الصينية بطانة معدنية وقامت بتركيبها في منجم للحديد في شمال الصين. وأفادت التقارير أن هذه البطانة المغناطيسية لم تظهر عليها أي أضرار ملحوظة بعد 9 سنوات من الخدمة. حاليًّا، تُستخدم مئات المجموعات من البطانات المغناطيسية المعدنية في مراكز التخصيب الصينية، حيث يبلغ قطر أكبر مطحنة كروية 5.5 متر × طول 8.8 متر (18.0 قدم × 29.0 قدم)، وتستخدم وسائط طحن مخروطية مقاس 35 مم × 45 مم × 40 مم. في عام 2006، قامت شركة «جينفا» بتركيب مجموعة من البطانات المغناطيسية المعدنية في مصنع تركيز خام الحديد «نورثشور ماينينغ» التابع لشركة «كليفلاند-كليفس» في سيلفر باي، مينيسوتا.

يجب أن يتمتع سطح الغلاف المعدني بكثافة تدفق مغناطيسي عالية. يتطلب الفولاذ المغناطيسي عالي السبائك المستخدم في الغلاف الواقي صلابة لا تقل عن HBW 250، وقوة ضغط لا تقل عن 700 ميجا باسكال، وقوة خضوع لا تقل عن 400 ميجا باسكال، وتقلص في المساحة لا يقل عن 45%، ومقاومة صدمية تزيد عن 50 جول/سم². قاعدة بطانة الغلاف عبارة عن سطح مستوٍ، في حين أن قاعدة البطانة الطرفية عبارة عن جسم محدب نصف كروي مسطح كبير. كما أن الهندسة والشكل والهيكل للغلاف المعدني والبطانات الطرفية لها تأثيرات كبيرة على الأداء التقني للبطانة المغناطيسية المعدنية. المغناطيس الدائم هو الجزء الأساسي للبطانة المغناطيسية المعدنية. وبالإضافة إلى جذب الطبقة الواقية، يجب أن تلتصق البطانة المغناطيسية المعدنية بقوة بالغلاف والأغطية الطرفية بواسطة قوتها المغناطيسية الخاصة. تتكون الطبقة اللاصقة من مادة رابطة مرنة خاصة، والتي تربط كتل المغناطيس بقوة داخل الغلاف المعدني. تتمتع الطبقة اللاصقة بمرونة جيدة، حيث تعمل على تخفيف التأثير البطيء للمواد والوسائط على المغناطيسات وامتصاص طاقة الصدمة.

يتمثل الجانب الأساسي للبطانة المغناطيسية المعدنية في خصائص مجالها المغناطيسي. ويعتمد تصميم الدائرة المغناطيسية على نظام مغناطيسي مفتوح، حيث تُرتب البطانات بالتناوب في الاتجاه المحيطي على الغلاف والأغطية الطرفية مع تناوب الأقطاب N-S.

الجدول 5-10 يقارن هذا المثال الخصائص الرئيسية للبطانات المغناطيسية المطاطية القديمة بالبطانات المغناطيسية المعدنية. ويتضح أن الغلاف الواقي المغناطيسي الأكثر صلابة يتيح استخدام البطانة المغناطيسية المعدنية في مطاحن الكرات الأكبر حجمًا ومع وسائط طحن أكثر خشونة. في هذا المثال، يبلغ وزن الكرات الفولاذية في المطحنة المزودة بالبطانة المغناطيسية المعدنية 2.4 ضعف وزنها في المطحنة المزودة بالبطانة المغناطيسية المطاطية.

الشكل 5-26: مثال على بطانة مغناطيسية بدون براغي

الجدول 5-10: مقارنة بين البطانات المغناطيسية المطاطية والبطانات المغناطيسية المعدنية

تتميز البطانات المغناطيسية بالمزايا التالية:

(1) زيادة حجم الطحن. تتمثل إحدى مزايا البطانات المغناطيسية المعدنية في أنها أرق وأخف وزنًا من البطانات المعدنية التقليدية. ولذلك، تتمتع المطاحن التي تستخدم البطانات المغناطيسية بحجم طحن فعّال أكبر، كما أنها أخف وزنًا. على سبيل المثال، في مطحنة الكرات المذكورة سابقًا التي يبلغ قطرها 2.7 م وطولها 3.6 م (9.0 قدم × 12.0 قدم)، بلغ السُمك الإجمالي للبطانة المغناطيسية بأكملها، بما في ذلك الطبقة الواقية، 95 ملم (3.75 بوصة) فقط، وهو ما يقل بشكل ملحوظ عن سُمك البطانات المعدنية التقليدية. وينتج عن ذلك حجم عمل طحن أكبر، وإنتاجية أعلى، وكفاءة طحن محسّنة. وفي حالة أخرى تم الإبلاغ عنها، أظهرت مطحنة كروية يبلغ قطرها 3.2 م × طولها 4.5 م (10.5 قدم × 14.7 قدم) تستخدم بطانات مغناطيسية معدنية انخفاضًا بمقدار 7% في استهلاك الطاقة التشغيلية، وزيادة قدرها 5.6% في الإنتاجية، وتحسنًا قدره 1% في معدل التشغيل. وقد تم الحصول على نتائج مماثلة في منجم نورثشور باستخدام البطانات المغناطيسية المعدنية.

تشكل الكتل المغناطيسية، وجسم مطحنة الكرات، ووسادة الخام دائرة مغناطيسية صغيرة مغلقة على طول الاتجاه المحيطي لجسم المطحنة. أما بالنسبة للمطاحن الكبيرة، التي عادةً ما تحتوي على فتحة صيانة، فإن تركيب البطانات المغناطيسية قد يجعل فتح باب فتحة الصيانة عملية شاقة وتستغرق وقتًا طويلاً في كل مرة. ويتمثل الحل في استخدام عدة أبواب بديلة للفتحة أو ترك المنطقة المحيطة بباب الفتحة خالية من البطانات المغناطيسية. بالنسبة للدائرة المغناطيسية بين باب فتحة الصيانة غير المغناطيسي والبطانات المغناطيسية، تشكل الكتل المغناطيسية القريبة من إطار الباب على كلا الجانبين دائرة مغناطيسية مغلقة مع إطار الباب والغلاف، وبالتالي لا يتم مغنطة باب فتحة الصيانة، مما يسهل تركيبه وإزالته.

(2) عمر خدمة طويل. عند تركيب البطانات المغناطيسية، فإنها تلتصق مباشرةً بالغلاف المعدني للطاحونة بفعل القوة المغناطيسية دون الحاجة إلى مسامير. وأثناء تشغيل الطاحونة، تجذب البطانة المغناطيسية الكرات الفولاذية المكسورة والخامات المغناطيسية إلى سطحها، مكونةً بذلك طبقة واقية بسماكة معينة تمنع وسائط الطحن المتدحرجة والمواد الدقيقة نسبيًّا من التلامس المباشر مع البطانة. ونظرًا لأن الطبقة الواقية تلتصق بقوة بسطح البطانة المغناطيسية، فإنها تمنع التلامس المباشر بين وسط الملاط والبطانة المغناطيسية، مما يقلل بشكل كبير من التآكل الميكانيكي والتآكل الكهروكيميائي الناتج عن الملاط والوسائط الأخرى، ويطيل عمر خدمة البطانة بشكل ملحوظ. ومن ثم، غالبًا ما يُشار إلى البطانات المغناطيسية باسم “البطانات التي لا تتآكل أبدًا”. ومع ذلك، نظرًا لأن مطحنة الكرات تعمل بشكل مستمر، فلا يزال هناك بعض الاحتكاك الانزلاقي وتآكل كهروكيميائي طفيف، لذا فإن البطانات المغناطيسية تتعرض بالفعل لتآكل طفيف. ومع تآكل البطانة المغناطيسية واقترابها من سطح القطب المغناطيسي، تزداد شدة المجال المغناطيسي على السطح، مما يؤدي بدوره إلى زيادة قوة الجذب المغناطيسي، وزيادة سماكة الطبقة الواقية، وتعزيز الحماية. لذلك، يكون التآكل الأولي للبطانات المغناطيسية سريعًا نسبيًا، ولكن مع تآكل الغلاف المعدني الواقي، ينخفض معدل التآكل تبعًا لذلك. يمكن أن يصل العمر التشغيلي للبطانات المغناطيسية إلى 10 سنوات أو حتى أكثر، في حين أن البطانات المعدنية التقليدية تدوم عادةً أقل من عام واحد. وبالتالي، فإن العمر التشغيلي للبطانات المغناطيسية يبلغ عمومًا عدة أضعاف إلى أكثر من عشرة أضعاف عمر البطانات المصنوعة من الفولاذ عالي المنغنيز، وحوالي 5 أضعاف أو أكثر من عمر البطانات المطاطية. وعلى الرغم من أن سعر البطانات المغناطيسية يبلغ حوالي ضعف سعر البطانات العادية، إلا أنه بالنظر إلى انخفاض تكاليفها الإضافية، فإن فترة استرداد التكلفة قصيرة نسبيًا، ولا تتجاوز عادةً بضعة أشهر.

(3) انخفاض استهلاك وسائط الطحن. في العديد من التطبيقات الصناعية للبطانات المغناطيسية، أدى استخدام البطانات المغناطيسية المعدنية إلى خفض استهلاك وسائط الطحن بنحو 10%.

(4) سهولة الصيانة. تتميز البطانات المغناطيسية المعدنية بمزايا كبيرة مقارنة بالبطانات المعدنية التقليدية من حيث سهولة الصيانة. يُعد كل كتلة من البطانات المغناطيسية أخف وزنًا وأرق من البطانات التقليدية المصنوعة من سبائك الصلب. تبلغ كتلة البطانة المغناطيسية حوالي 40% فقط من كتلة الفولاذ عالي المنغنيز، كما يبلغ سمكها حوالي 60% فقط. كما أن البطانات المغناطيسية أسهل في التركيب من البطانات التقليدية المصنوعة من سبائك الصلب؛ حيث يتم تثبيتها على الغلاف بواسطة القوة المغناطيسية دون الحاجة إلى مسامير، مما يقلل من كثافة العمل المطلوب من العمال. وبالتالي، فإن البطانات المغناطيسية المعدنية سهلة الصيانة وسريعة الاستبدال وآمنة في الإزالة والتركيب. وبالمقارنة مع البطانات التقليدية المصنوعة من سبائك الصلب، تنخفض تكلفة الطحن لكل طن من الخام بشكل ملحوظ عند استخدام البطانات المغناطيسية المعدنية.

(5) أداء ثابت للبطانة. بفضل القوة المغناطيسية للبطانات المغناطيسية المعدنية، تشكل الكرات الفولاذية الملتصقة والخام المغناطيسي شكلاً هندسيًّا مستقرًا نسبيًّا يظل دون تغيير تقريبًا طوال العمر التشغيلي للبطانة الذي يمتد لعدة سنوات أو أكثر. وبالتالي، توفر البطانات المغناطيسية المعدنية أداء طحن مستقرًا. وهذا يختلف تمامًا عن البطانات المصنوعة من السبائك التقليدية، التي تتغير هندستها باستمرار مع التآكل أثناء عملية الطحن، مما يؤدي إلى تباين أداء البطانة مع التآكل. ونتيجة لذلك، يجب إجراء تعديلات تشغيلية لتعويض تآكل البطانات المصنوعة من سبائك الصلب. في الممارسة العملية، ولتحقيق أقصى قدر من الأداء على مدار عمر البطانة المصنوعة من سبائك الصلب، غالبًا ما يتم ضبط زاوية البطانات الجديدة بزاوية شديدة الانحدار، ولكن في نهاية العمر التشغيلي تصبح قضبان الرفع منخفضة جدًّا، مما يقلل من قدرة الرفع وكفاءة الطحن. وفي الوقت نفسه، يمكن للشكل الهندسي الذي تشكله المادة المنجذبة مغناطيسيًا أن يرفع المادة بفعالية ويعزز كفاءة الطحن التعاقبي.

(6) كفاءة عالية في استهلاك الطاقة أثناء عملية الطحن. يُذكر في كثير من الأحيان أن البطانات المعدنية المغناطيسية تعمل على تحسين كفاءة الطحن. وتتمثل الأسباب المحتملة في ما يلي: 1) تؤثر هندسة الطبقة الواقية التي تتشكل بفعل الجذب المغناطيسي على حمل المطحنة (بما في ذلك وسائط الطحن والخام)؛ حيث تميل البطانات المغناطيسية إلى جعل حمل المطحنة أكثر تماسكًا مقارنةً بالبطانات المعدنية التقليدية. 2) قد يكون هناك أيضًا تأثير مغناطيسي متبقي يعمل على تقريب جزيئات الخام ووسائل الطحن من بعضها البعض. ويؤدي هذان العاملان معًا إلى تكسير أكثر فعالية من النوع الاحتكاكي لجزيئات الخام بين وسائل الطحن (الكرات الفولاذية)، مما يجعل التكسير بين الجزيئات هو آلية التكسير السائدة. 3) ويساهم الشكل الموجي الناتج عن جاذبية الكرات الفولاذية والمعادن المغناطيسية في تحسين كفاءة الطحن.

تُستخدم البطانات المغناطيسية على نطاق واسع لمعالجة مختلف المعادن ذات المغناطيسية القوية والمتوسطة والضعيفة. وتشمل المعادن المغناطيسية: المعادن ذات المغناطيسية القوية مثل المغنتيت والمغيميت؛ والمعادن ذات المغناطيسية المتوسطة مثل الإلمنيت والمارتيت؛ والمعادن ذات المغناطيسية الضعيفة مثل معظم خامات الحديد والمنغنيز والهيماتيت. كما يمكن استخدامها للمعادن غير المغناطيسية مثل النحاس والذهب والرصاص والزنك. والجدير بالذكر أنه خلال الفترة الأولى من استخدام البطانات المغناطيسية، يلزم إضافة كمية معينة من المواد المغناطيسية الحديدية — مثل كرات الفولاذ المكسورة وخردة الحديد — بشكل دوري للمساعدة في تكوين الطبقة الواقية.

العيوب: على الرغم من أن البطانات المغناطيسية توفر مزايا اقتصادية جيدة عند الاستخدام، إلا أنها تنطوي أيضًا على بعض أوجه القصور. فشدة المجال المغناطيسي عند طرف التغذية أضعف، مما يؤدي إلى طبقة واقية أرق نسبيًا، كما أن التأثير المباشر لكرات الطحن يمكن أن يتسبب في إزالة المغناطيسية؛ ولذلك فإن عمر البطانة عند طرف التغذية ليس بنفس طول عمر بطانات الغلاف. ومن الضروري إيقاف التشغيل في منتصف العمر التشغيلي لاستبدالها، مما يسبب إزعاجًا للإنتاج ويؤثر على كفاءة المعدات. ويتطلب التركيب استواءً سطحيًا عاليًا نسبيًا لجدار الغلاف والأغطية الطرفية؛ ولا يُسمح بوجود أسطح غير مستوية. ويجب أن يكون الاتجاه المغناطيسي للبطانات المغناطيسية على أغطية طرفي التفريغ والتغذية عموديًا على اتجاه القوة الطردية المركزية التي تتعرض لها. لا تزال البطانات المغناطيسية (بما في ذلك البطانات المغناطيسية المعدنية) مقتصرة على المطاحن الصغيرة أو المتوسطة الحجم بسبب ضعف مقاومتها للصدمات. بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن عمومًا استخدام البطانات المغناطيسية في المطاحن الكروية التي يتجاوز قطر الكرات فيها 80 مم، لأن الكرات الأكبر حجمًا تولد قوى صدم أكبر، وقد تؤدي مقاومة البطانات المغناطيسية الضعيفة للصدمات إلى إزالة مغناطيسيتها بسرعة نسبية.