자성 라이너

자성 라이너의 작동 원리는 라이너가 자성 재료로 만들어졌다는 점에 있습니다. 자력을 통해 강철 물체(특히 분쇄 매체인 강철 볼) 및/또는 자성 광물(예: 자철석)이 라이너 표면에 끌려와, 라이너 자체의 일부가 되는 견고한 보호층을 형성합니다(그림 5-24 및 5-25 참조).

고무 라이닝이 적용된 밀의 금속 외피용 영구 자석 블록

그림 5-24 초기 자기 라이너

그림 5-25 일반적인 자성 라이너 도식도

그림 5-26 (인용되었으나 표시되지 않음)

1975년, 앤더슨(Andersson)은 텀블링 밀에 자성 라이너를 사용하는 방안을 최초로 제안했다. 라이너 자체가 자성을 띠고 있기 때문에, 볼트 체결 시스템 없이도 자력에 의해 밀 외피에 직접 부착될 수 있어(그림 5-26 참조) 설치 및 교체가 용이하다. 그 후 1982년에 바이너트는 마모가 심한 더 광범위한 장비에 대한 적용 방안을 제안했다. 같은 해, 익명의 연구자는 텀블링 밀에서 자성 밀 라이너를 연구하고 시험했는데, 이 경우 분쇄 에너지가 전적으로 자성 라이너를 통해 광석으로 전달되었다. 이러한 밀에서 최적의 라이너 형상은 매끄러워야 하지만, 라이너 표면에 강자성 물질을 고정시켜 밀 내의 원료가 라이너를 따라 미끄러지는 것을 방지할 수 있을 만큼 충분한 인력을 가져야 합니다. 1980년대 중반부터 중국은 자성 라이너의 연구, 개선 및 보급에 큰 중점을 두기 시작했습니다. 자성 라이너의 핵심 구성 요소는 영구 자석이며, 이 자석은 라이너 표면에 충분히 강한 자기장을 생성하고 자화 소실을 방지할 수 있을 만큼 충분한 자기 에너지 곱과 보자력을 가져야 합니다.

초기 자성 라이너는 세라믹 자석 블록을 고무 프레임에 끼워 넣어 제작되었습니다. 실제 생산 과정에서 이 라이너들이 2차 분쇄 공정에서 매우 뛰어난 성능을 발휘함이 입증되었습니다. 이러한 라이너의 대표적인 예로는 트렐레보르그(Trelleborg)가 개발한 “광석층(ore-bed)” 자석 라이너가 있습니다(그림 5-24 참조). 이 라이너는 고무 상자에 담긴 자석 블록으로 구성되어 있으며, 밀 쉘에 부착되어 강자성 물질을 끌어당겨 보호층을 형성하는 동시에 작동합니다. 1980년, 이러한 자성 라이너가 스웨덴 LKAB 키루나(Kiruna) 선광소의 재분쇄 페블 밀에 설치되었다. 또 다른 세트는 블루 서클(Blue Circle)의 철모래 산화광을 처리하기 위해 트렐렉스(Trellex)의 웨스트버리(Westbury) 공장에 설치되었다. 이 경우, 라이너는 밀을 보호하기 위해 고무에 가황 처리된 세라믹 자석을 사용했으나, 고무의 인장 강도와 인열 저항이 아래에 있는 자석에 가해지는 밀 하중의 충격을 견디거나 흡수하기에는 충분하지 않았고, 자석 자체도 매우 취성이 강했습니다. 결과적으로 이러한 라이너는 분쇄 볼 직경이 40 mm(1.5 in) 미만이고 밀 직경이 3 m(10 ft) 미만인 용도로만 제한되었습니다. 대형 분쇄기의 경우, 분쇄 매체의 직경은 25 mm(1 in) 미만이어야 했습니다. 또한, 고무 자성 라이너는 쉘에만 사용할 수 있었고, 엔드 라이너에는 사용할 수 없었습니다.

라이너 내부의 자석을 더욱 효과적으로 보호하기 위해, 마일스는 자석 주위에 금속판을 배치한 자석 라이너 설계를 특허 출원했으며, 이를 통해 밀 내부에서 떨어지는 강구로부터의 직접적인 충격을 방지할 수 있게 되었다.

이에 따라, 제분기 가동 중 연마재와 원료로 인해 영구 자석이 손상되는 것을 방지하기 위해 중국 야금광업그룹(China Metallurgical Mining Group Corporation)은 자석을 감싸는 금속 보호함(또는 금속 프레임)이 장착된 자성 라이너를 개발하였으며, 이를 금속 자성 라이너. 때로는 진동 감쇠 및 부식 방지를 위해 고무와 같은 탄성층을 금속 프레임 표면에 덧씌우기도 했다. 라이너는 블록 형태로 제작되었으며, 밀 쉘에 두 가지 방식으로 설치될 수 있었다. 하나는 자력을 이용하여 강철 쉘에 직접 부착하는 방식이었고, 다른 하나는 클램핑 바와 볼트를 사용하여 고정하는 방식이었다. 밀 가동 중, 자력에 의해 라이너 표면은 금속성 매체(특히 파손된 강구 등)와 자성 물질을 끌어당겨 30~40mm 두께의 보호층을 형성한다. 이 보호층은 자가 재생되며 라이너의 마모와 부식을 방지한다. 보호층의 두께는 라이너 표면의 자기장 강도에 따라 달라집니다. 1989년, 안산 광업 연구소는 직경 2.7m × 길이 3.6m(9.0ft × 12.0ft) 규모의 재분쇄 볼 밀에서 이러한 금속 자성 라이너를 성공적으로 시험했습니다. 그 후 1992년에 중국의 진파(Jinfa) 공업상사(Jinfa Industrial and Commercial Company)는 금속 라이너를 개발하여 중국 북부의 한 철광산에 설치했다. 보고에 따르면 이 자성 라이너는 9년간의 가동 후에도 뚜렷한 손상이 나타나지 않았다. 현재 중국 내 선광소에서는 수백 세트의 금속 자성 라이너가 사용 중이며, 가장 큰 볼 밀은 직경 5.5m × 길이 8.8m(18.0ft × 29.0ft) 규모로, 35mm × 45mm × 40mm 크기의 원뿔형 분쇄 매체를 사용하고 있다. 2006년, 진파(Jinfa)는 미네소타주 실버 베이(Silver Bay)에 위치한 클리블랜드-클리프스(Cleveland-Cliffs)의 노스쇼어 마이닝(Northshore Mining) 철광석 선광장에 금속 자성 라이너 한 세트를 설치했습니다.

금속 외피의 표면은 높은 자속 밀도를 가져야 합니다. 보호 쉘에 사용되는 고합금 자성강은 경도 HBW 250 이상, 압축 강도 700 MPa 이상, 항복 강도 400 MPa 이상, 단면 수축률 45% 이상, 충격 인성은 50 J/cm² 이상이어야 합니다. 쉘 라이너의 기판은 평면인 반면, 엔드 라이너의 기판은 큰 평평한 반구형 볼록체입니다. 금속 쉘과 엔드 라이너의 기하학적 구조, 형상 및 구조 또한 금속 자성 라이너의 기술적 성능에 상당한 영향을 미칩니다. 영구 자석은 금속 자석 라이너의 핵심 부품이다. 금속 자석 라이너는 보호층을 끌어당기는 것 외에도, 자체 자력을 통해 쉘과 단면 커버에 단단히 부착되어야 한다. 접착층은 특수 탄성 바인더로 만들어져 있으며, 금속 쉘 내부의 자석 블록을 단단히 결합시킵니다. 접착층은 탄성이 우수하여 자석에 가해지는 재료 및 매체의 완만한 충격을 완충하고 충격 에너지를 흡수합니다.

금속 자성 라이너의 핵심 요소는 자계 특성입니다. 자로 설계에는 개방형 자로 시스템이 채택되어 있으며, 라이너는 쉘과 엔드 커버에 원주 방향으로 교대로 배열되어 있고, N극과 S극이 번갈아 배치되어 있습니다.

표 5-10 기존의 고무 자성 라이너와 금속 자성 라이너의 주요 특성을 비교합니다. 자석 보호 외피가 더 단단하기 때문에 금속 자성 라이너는 더 큰 볼 밀과 더 굵은 분쇄 매체에 적용될 수 있음을 알 수 있습니다. 이 예에서, 금속 자성 라이너가 장착된 밀에 사용되는 강철 볼의 무게는 고무 자성 라이너가 장착된 밀에 사용되는 강철 볼의 무게보다 2.4배 더 무겁습니다.

그림 5-26 볼트 없는 자석 라이너의 예

표 5-10 고무 자성 라이너와 금속 자성 라이너의 비교

자성 라이너는 다음과 같은 장점이 있습니다:

(1) 연삭량 증가. 금속 자성 라이너의 장점 중 하나는 기존 금속 라이너보다 더 얇고 가볍다는 점입니다. 따라서 자성 라이너를 사용하는 분쇄기는 유효 분쇄 용적이 더 크며 무게도 더 가볍습니다. 예를 들어, 앞서 언급한 직경 2.7m × 길이 3.6m(9.0ft × 12.0ft)의 볼 밀의 경우, 보호층을 포함한 전체 자성 라이너의 총 두께는 95mm(3.75in)에 불과하여 기존 금속 라이너보다 훨씬 얇습니다. 그 결과, 더 큰 분쇄 작업 용량, 더 높은 처리량, 그리고 향상된 분쇄 효율을 얻을 수 있습니다. 또 다른 보고된 사례에 따르면, 금속 자성 라이너를 사용한 직경 3.2m × 길이 4.5m(10.5ft × 14.7ft) 볼 밀은 운전 전력 소비량이 7% 감소했고, 처리량은 5.6% 증가했으며, 가동률은 1% 향상되었습니다. 노스쇼어 광산에서도 금속 자성 라이너를 사용하여 유사한 결과가 얻어졌습니다.

자석 블록, 볼 밀 외통 및 광석 쿠션은 외통의 원주 방향을 따라 작은 폐쇄형 자기 회로를 형성합니다. 일반적으로 맨홀이 있는 대형 밀의 경우, 자성 라이너를 설치하면 매번 맨홀 문을 여는 작업이 번거롭고 시간이 많이 소요될 수 있습니다. 이를 해결하기 위해서는 여분의 맨홀 문을 여러 개 준비하거나, 맨홀 문 주변 영역에는 자성 라이너를 설치하지 않는 방법이 있습니다. 자성이 없는 맨홀 문과 자성 라이너 사이의 자기 회로의 경우, 문틀 양쪽 근처에 있는 자석 블록이 문틀 및 쉘과 함께 폐쇄형 자기 회로를 형성하므로, 맨홀 문은 자화되지 않아 설치 및 제거가 용이합니다.

(2) 긴 수명. 자성 라이너를 설치하면 볼트 없이도 자력에 의해 금속 밀 쉘에 직접 부착됩니다. 밀이 작동하는 동안 자성 라이너는 파손된 강구와 자성 광석을 표면으로 끌어당겨 일정 두께의 보호층을 형성하며, 이 보호층은 회전하는 분쇄 매체와 비교적 미세한 입자가 라이너와 직접 접촉하는 것을 방지합니다. 이 보호층은 자성 라이너 표면에 단단히 흡착되어 슬러리 매체와 자성 라이너 간의 직접적인 접촉을 방지하므로, 슬러리 및 기타 매체로 인한 기계적 마모와 전기화학적 부식을 크게 줄여주고 라이너의 수명을 현저히 연장시킵니다. 따라서 자성 라이너는 흔히 “마모가 전혀 없는 라이너”라고 불립니다. 그러나 볼 밀은 지속적으로 작동하기 때문에 여전히 약간의 미끄럼 마찰과 경미한 전기화학적 부식이 발생하므로, 자성 라이너도 미미한 마모를 겪게 됩니다. 자성 라이너가 마모되어 자석 극 표면에 가까워지면 표면의 자기장 강도가 증가하며, 이는 결과적으로 자력을 증가시키고 보호층을 두껍게 하여 보호 기능을 강화합니다. 따라서 자성 라이너의 초기 마모 속도는 비교적 빠르지만, 금속 보호막이 마모됨에 따라 마모 속도도 그에 따라 감소합니다. 자성 라이너의 수명은 10년 또는 그 이상에 달할 수 있는 반면, 기존의 금속 라이너는 일반적으로 1년 미만으로 수명이 다합니다. 따라서 자성 라이너의 수명은 일반적으로 고망간강 라이너보다 수배에서 10배 이상 길며, 고무 라이너보다 약 5배 이상 깁니다. 자성 라이너의 가격은 일반 라이너의 약 2배이지만, 부대 비용이 적다는 점을 고려하면 투자 회수 기간은 비교적 짧아, 일반적으로 불과 몇 개월 정도에 불과합니다.

(3) 연마재 소비량 감소. 자성 라이너가 사용되는 여러 산업 분야에서 금속 자성 라이너를 도입한 결과, 연마재 소비량이 약 10% 감소했습니다.

(4) 유지보수가 간편합니다. 금속 자성 라이너는 유지보수성 측면에서 기존 금속 라이너에 비해 상당한 이점을 제공합니다. 단일 자성 라이너 블록은 기존의 합금강 라이너보다 가볍고 얇습니다. 자성 라이너의 질량은 고망간강의 약 40%에 불과하며, 두께도 약 60%에 불과합니다. 또한 자성 라이너는 기존 합금강 라이너보다 설치가 용이하며, 볼트 없이 자력으로 쉘에 부착되므로 작업자의 노동 강도를 줄여줍니다. 따라서 금속 자성 라이너는 유지보수가 용이하고, 교체가 빠르며, 제거 및 설치가 안전합니다. 기존 합금강 라이너와 비교할 때, 금속 자성 라이너를 사용하면 광석 1톤당 연마 비용이 현저히 감소합니다.

(5) 안정적인 라이너 성능. 금속 자성 라이너의 자력에 의해 흡착된 강구와 자성 광석은 비교적 안정적인 기하학적 형상을 형성하며, 이는 라이너의 수명인 수년 이상 동안 거의 변하지 않습니다. 따라서 금속 자성 라이너는 안정적인 분쇄 성능을 제공합니다. 이는 분쇄 공정 중 마모에 따라 형상이 지속적으로 변화하여 라이너 성능이 마모 정도에 따라 달라지는 기존의 합금 라이너와는 상당히 다릅니다. 결과적으로, 합금강 라이너의 마모를 보정하기 위해 운영 조정이 이루어져야 합니다. 실제로, 합금강 라이너의 수명 동안 성능을 극대화하기 위해 새 라이너의 각도를 지나치게 가파르게 설정하는 경우가 많지만, 수명이 다할 무렵에는 리프터 바의 높이가 너무 낮아져 리프팅 용량과 분쇄 효율이 저하됩니다. 동시에, 자력에 의해 끌려 모인 원료가 형성하는 기하학적 형상은 원료를 효과적으로 들어 올리고 효율적인 계단식 분쇄를 촉진할 수 있습니다.

(6) 높은 연삭 에너지 효율. 금속 자성 라이너가 분쇄 효율을 향상시킨다는 보고가 자주 있습니다. 그 가능한 이유는 다음과 같습니다. 1) 자력에 의해 형성된 보호층의 기하학적 구조가 분쇄기 부하(분쇄 매체 및 광석 포함)에 영향을 미치며, 자성 라이너는 기존 금속 라이너에 비해 분쇄기 부하를 더 조밀하게 만드는 경향이 있습니다. 2) 또한 광석 입자와 분쇄 매체를 더 가깝게 끌어당기는 잔류 자기 효과가 있을 수 있습니다. 이 두 가지 요인은 모두 분쇄 매체(강구) 사이에서 광석 입자의 마모형 분쇄를 더욱 효과적으로 만들어, 입자 간 분쇄가 주된 파쇄 메커니즘이 되게 합니다. 3) 강철 볼과 자성 광물의 인력에 의해 형성되는 파동 모양의 프로파일은 분쇄 효율 향상에 기여한다.

자성 라이너는 강자성, 중자성, 약자성 광물을 포함한 다양한 광물에 널리 사용됩니다. 자성 광물에는 자철석(magnetite) 및 마게마이트(maghemite)와 같은 강자성 광물, 일메나이트(ilmenite) 및 마르타이트(martite)와 같은 중자성 광물, 그리고 대부분의 철-망간 광석 및 적철석(hematite)과 같은 약자성 광물이 포함됩니다. 또한 구리, 금, 납, 아연과 같은 비자성 광물에도 사용할 수 있습니다. 특히, 자성 라이너 사용 초기에는 보호층 형성을 돕기 위해 부서진 강철 볼이나 고철과 같은 강자성 물질을 일정량 주기적으로 첨가해야 합니다.

단점: 자성 라이너는 적용 시 경제적 이점이 크지만, 몇 가지 단점도 있습니다. 급재 단의 자기장 강도가 약하여 보호층이 상대적으로 얇아지고, 분쇄 볼의 직접적인 충격으로 인해 자성이 소실될 수 있으므로, 급재 단의 라이너 수명은 쉘 라이너만큼 길지 않습니다. 교체를 위한 가동 중지 작업이 필요하며, 이는 생산에 불편을 초래하고 설비 효율에 영향을 미칩니다. 설치 시 쉘 벽면과 단부 커버의 표면 평탄도가 비교적 높아야 하며, 표면이 고르지 않은 경우는 허용되지 않습니다. 배출단 및 급재단 커버에 장착된 자성 라이너의 자화 방향은 해당 부위에 작용하는 원심력의 방향과 수직을 이루어야 합니다. 자성 라이너(금속 자성 라이너 포함)는 내충격성이 낮기 때문에 여전히 소형 또는 중형 밀에 한정되어 사용됩니다. 또한, 큰 볼은 더 큰 충격력을 발생시키며 자성 라이너의 내충격성이 낮아 비교적 빠르게 자성이 소실될 수 있으므로, 일반적으로 볼 직경이 80 mm를 초과하는 볼 밀에서는 자성 라이너를 사용할 수 없습니다.