楊采文 毛瑩博 鄧久帥文書(shū)明方建軍

(1.四川省會(huì)理縣馬鞍坪礦山廢石綜合利用有限責(zé)任公司；2.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院；3.復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

礦山磨礦設(shè)備的應(yīng)用及研究進(jìn)展*

楊采文1毛瑩博2，3鄧久帥2，3文書(shū)明2，3方建軍2，3

(1.四川省會(huì)理縣馬鞍坪礦山廢石綜合利用有限責(zé)任公司；2.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院；3.復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

介紹了國(guó)內(nèi)外礦山磨礦設(shè)備的應(yīng)用及研究進(jìn)展，從球磨機(jī)、半自磨機(jī)、棒磨機(jī)、攪拌磨機(jī)等常用磨礦設(shè)備以及近年來(lái)研發(fā)的新型磨礦機(jī)的性能特點(diǎn)和應(yīng)用進(jìn)展等方面進(jìn)行了概括和討論，并對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行了展望，對(duì)促進(jìn)我國(guó)磨礦設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步有積極意義。

球磨機(jī) 自磨機(jī) 棒磨機(jī) 攪拌磨 研究進(jìn)展

礦產(chǎn)資源是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、制造業(yè)及能源原料的重要來(lái)源，高效利用礦產(chǎn)資源才能保證我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。磨礦作業(yè)是礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中一個(gè)不可或缺的工序，在礦山、冶金、化工、水泥、制粉、陶瓷等行業(yè)均設(shè)置了磨礦作業(yè)[1]。磨礦作業(yè)投資大、能耗高及對(duì)后續(xù)工序有重要影響，因此被廣泛重視。為提高生產(chǎn)效率和指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)能源開(kāi)發(fā)與節(jié)能并重的戰(zhàn)略，磨礦設(shè)備的研發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。為此，礦山工作者從改進(jìn)磨礦設(shè)備性能、研發(fā)高效節(jié)能設(shè)備、降低磨礦能耗等方面進(jìn)行了深入研究，不斷有新型高效磨礦設(shè)備研發(fā)出來(lái)，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到了應(yīng)用。介紹了球磨機(jī)、半自磨機(jī)、棒磨機(jī)、攪拌磨機(jī)等國(guó)內(nèi)外常用磨機(jī)的性能特點(diǎn)和最新研究進(jìn)展，并對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 常用磨礦設(shè)備

1.1 球磨機(jī)

自19世紀(jì)意大利I.C.F公司設(shè)計(jì)制造的用于陶瓷工業(yè)的連續(xù)式球磨機(jī)問(wèn)世以來(lái)，球磨機(jī)在礦山生產(chǎn)中應(yīng)用已有100多年的歷史，是礦山磨礦工藝的常用設(shè)備[3-4]。球磨機(jī)主要由筒體、給料端部、排料端部、主軸承和傳動(dòng)系統(tǒng)組成，其工作原理是回轉(zhuǎn)體內(nèi)裝有一定量適宜粒級(jí)配比的鋼球，筒體圍繞中性軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，筒體內(nèi)的鋼球和物料在離心力和摩擦力的作用下，隨著筒壁上升到一定高度，以自由脫落或拋落等方式運(yùn)動(dòng)，在沖擊力和磨剝的作用下將礦石磨細(xì)[5]。近年來(lái)，根據(jù)球磨機(jī)的工作原理，以節(jié)能降耗為目標(biāo)，在傳動(dòng)方式、襯板、磨礦介質(zhì)材料和磨機(jī)結(jié)構(gòu)等方面得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，球磨機(jī)呈現(xiàn)出大型、高效、節(jié)能的特點(diǎn)。

球磨機(jī)的生產(chǎn)廠家主要有芬蘭Metso公司、德國(guó)Krupp公司、澳大利亞的Qutokumpu公司和ANI公司、日本川崎重工和中國(guó)中信重工等[6]。規(guī)格為φ6.2 m×25.5 m的干式球磨機(jī)，采用環(huán)形電機(jī)驅(qū)動(dòng)，安裝功率為11.2 MW，早在1994年用于美國(guó)的一家金礦礦山；中信重工制造的濕式球磨機(jī)，目前最大規(guī)格達(dá)φ7.93 m×13.6 m，現(xiàn)用于澳大利亞的Sino鐵礦和烏山二期項(xiàng)目[7]；丹麥富勒史密斯礦業(yè)公司生產(chǎn)的規(guī)格為φ7.93 m×13.6 m的球磨機(jī)，應(yīng)用在南非的Anglo Platinum貴金屬鉑礦山，該磨機(jī)采用調(diào)心多滑履支撐軸承，超大功率雙機(jī)拖動(dòng)，全自動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)的方式，具有規(guī)格大、設(shè)備配置高、易于調(diào)控的特點(diǎn)，有效提高了磨礦效率[8]。相對(duì)于特大型球磨機(jī)，中小型球磨機(jī)在我國(guó)礦山生產(chǎn)中得到了更廣泛的應(yīng)用。昆鋼大紅山鐵礦2段磨礦采用φ2.7 m×3.6 m溢流型球磨機(jī)，前后通過(guò)2次改造，處理量不斷提高，滿足了不斷增長(zhǎng)的生產(chǎn)需求，獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益[9]；MQY4.5 m×6.1 m溢流型球磨機(jī)是我國(guó)首例應(yīng)用于黃金礦山的大型磨礦設(shè)備，在焦家金礦應(yīng)用并進(jìn)行優(yōu)化改造后自動(dòng)化水平提高，有效提高了磨機(jī)處理能力，比設(shè)計(jì)指標(biāo)提高了10萬(wàn)t/a 左右，每年為企業(yè)增加直接效益3 334萬(wàn)元[10]；在非金屬礦山選礦中應(yīng)用較廣的是φ4.573 m×6.1 m的溢流型球磨機(jī)，該磨機(jī)在貴州磷礦公司新建 110萬(wàn)t/a磨礦系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，生產(chǎn)過(guò)程該機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，技術(shù)指標(biāo)超過(guò)了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)11]。

近年來(lái)，球磨機(jī)的關(guān)鍵零件經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。其中球磨機(jī)的襯板改進(jìn)最為明顯，如橡膠襯板因具有質(zhì)量輕、耐磨損、耗能低、抗腐蝕、噪音低等諸多優(yōu)點(diǎn)[12]，得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)，應(yīng)用較多的是質(zhì)量輕的復(fù)合型磁性襯板，使用時(shí)無(wú)需螺栓固定且使用壽命長(zhǎng)，有效降低了安裝維護(hù)的工作量與能耗，大大提高了球磨機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率[13]。中國(guó)冶金礦冶總公司生產(chǎn)的磁性襯板，在本鋼歪頭山鐵礦應(yīng)用后，處理量增加了5.6%，磨機(jī)排礦粒度降低，同時(shí)大大降低了電耗和鋼耗，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益[14]；襯板的形狀結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)磨礦效率產(chǎn)生影響，攀鋼集團(tuán)在密地選礦廠采用波形襯板后，每臺(tái)球磨機(jī)的處理量提高了約3 t，處理礦石的襯板單耗降低了0.005 kg/t，大大延長(zhǎng)了襯板的使用周期[15]。

1.2 自磨(半自磨)機(jī)

自磨(半自磨)機(jī)是將不同體積的礦石以同球磨機(jī)相似的運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行磨礦，即筒體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，礦石間的有效粉碎是利用了礦石之間的碰撞、沖擊及摩擦等作用，并在排料端安裝了格子篩進(jìn)行分級(jí)，是一種同時(shí)具有破碎和粉磨功能的磨礦設(shè)備[16-17]。與球磨機(jī)和棒磨機(jī)最大的不同之處是其借助于被處理物料本身或添加少量介質(zhì)使礦石粉碎，其動(dòng)力來(lái)源為異步電機(jī)或同步電機(jī)，采用雙邊傳動(dòng)、單邊傳動(dòng)或使用電動(dòng)機(jī)在筒端直接拖動(dòng)。與球磨機(jī)相比，其具有投資少、建設(shè)周期短、工藝流程簡(jiǎn)單、成本低、粉碎比高等優(yōu)點(diǎn)。

從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，半自磨機(jī)與其他磨礦設(shè)備聯(lián)用首先在金屬礦山得到應(yīng)用，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展以及磨機(jī)結(jié)構(gòu)、形狀和襯板的不斷改進(jìn)，目前在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用[18-19]。

在國(guó)外，自磨(半自磨)機(jī)的使用較早，技術(shù)也比較成熟。目前，世界上最大的長(zhǎng)筒型半自磨機(jī)規(guī)格為φ9.76 m×10.37 m，其安裝功率為16.5 MW[20]；半自磨機(jī)在金礦選廠應(yīng)用的報(bào)道較多，F(xiàn)uller公司生產(chǎn)的半自磨機(jī)在澳大利亞某金礦選廠得到了應(yīng)用，其規(guī)格為φ10.97 m×6.25 m，功率為12 491 kW[21]；Metso公司生產(chǎn)的半自磨機(jī)在巴西SOSSEGO金礦選廠投產(chǎn)，其規(guī)格為φ11.58 m×7.47 m，由功率為1 998.48 kW的環(huán)形電機(jī)驅(qū)動(dòng)；Famel & Thompsow公司生產(chǎn)的半自磨機(jī)也在美國(guó)Phcenix銅金選廠投產(chǎn)，其規(guī)格為φ10.97 m×5.64 m，功率為13 423 kW[22]。

在我國(guó)，從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，自磨(半自磨)機(jī)也不斷應(yīng)用于礦山生產(chǎn)，并得到了發(fā)展，2013年11月，中信重工生產(chǎn)出了國(guó)內(nèi)規(guī)格最大、重約430 t的φ10.37 m×5.19 m雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)自磨機(jī)用于鉬礦選廠，是目前國(guó)內(nèi)規(guī)格最大、系統(tǒng)配置最高、控制性能最完善的鉬礦磨礦設(shè)備[23]；中信重工生產(chǎn)的規(guī)格為φ12.19 m×10.97 m的半自磨機(jī)，單機(jī)安裝功率達(dá)28 MW，2010年在澳大利亞Sino鐵礦得到了成功應(yīng)用，標(biāo)志著我國(guó)半自磨機(jī)大型化技術(shù)能力已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平[24]。

1.3 棒磨機(jī)

棒磨機(jī)是在球磨機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，但又不同于球磨機(jī)，在棒磨機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于棒與棒之間是線接觸，不僅具有選擇性磨碎作用，產(chǎn)品粒度較均勻，過(guò)粉碎現(xiàn)象少；而且具有處理能力大、加工技術(shù)可靠、輔助設(shè)備少等優(yōu)點(diǎn)。

但是棒磨機(jī)的轉(zhuǎn)速和充填率均較低，給礦粒度較嚴(yán)格，一般為25～30 mm，粒度過(guò)大時(shí)，棒磨機(jī)不僅會(huì)因鋼棒歪斜而使鋼板彎曲或折斷，而且棒與棒之間會(huì)產(chǎn)生較大間隙，降低磨礦效率。與球磨機(jī)相比，棒磨機(jī)適用范圍較小，在礦山生產(chǎn)中，球磨機(jī)一般情況下都能夠代替棒磨機(jī)使用，因此，在國(guó)內(nèi)，實(shí)際使用的棒磨機(jī)臺(tái)數(shù)和產(chǎn)量都比球磨機(jī)要少。

梅山鐵礦選廠所處理礦石的有用礦物主要是磁鐵礦、菱鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦和黃鐵礦，脈石礦物主要有石英和方解石等，礦物組成復(fù)雜，不同礦物硬度相差較大，原采用兩段球磨連續(xù)閉路磨礦時(shí)，磨礦產(chǎn)品粒度不均勻，螺旋分級(jí)效率低，達(dá)不到設(shè)計(jì)生產(chǎn)指標(biāo)，經(jīng)過(guò)技術(shù)改造，采用棒磨—螺旋分級(jí)—球磨—旋流器分級(jí)的磨礦工藝流程(棒磨機(jī)的規(guī)格為φ2.7 m×3.6 m)，經(jīng)過(guò)生產(chǎn)調(diào)試后，磨礦產(chǎn)品粒度不均勻問(wèn)題得到了改善，提高了磨礦分級(jí)效率[27]；金川二選廠使用φ2.7 m×4.0 m濕式棒磨機(jī)，通過(guò)對(duì)棒磨機(jī)給料部、進(jìn)出料部和中空軸瓦保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)后，設(shè)備的技術(shù)性能和運(yùn)行效率顯著提高，為該類(lèi)型棒磨機(jī)設(shè)計(jì)制造及使用維修積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)[28]。

1.4 攪拌磨機(jī)

攪拌磨機(jī)是一種筒體固定不動(dòng)，內(nèi)部安裝攪拌裝置帶動(dòng)磨礦介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而對(duì)礦石產(chǎn)生較大沖擊、剪切和摩擦作用，使礦石得到粉碎的磨礦設(shè)備，用于磨碎較細(xì)粒物料時(shí)的磨礦效率高于球磨機(jī)，此外投資費(fèi)用、能耗和噪音也低于球磨機(jī)。

在工業(yè)上應(yīng)用攪拌磨機(jī)是從20世紀(jì)30年代開(kāi)始的，經(jīng)過(guò)80余年的發(fā)展，攪拌磨機(jī)是已成為應(yīng)用廣泛的細(xì)磨和超細(xì)磨設(shè)備[29]，主要集中在生產(chǎn)亞微米粉體、漿料、納米涂料和新材料開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域，在礦業(yè)行業(yè)主要用于礦物加工的再磨作業(yè)。

1992年，澳大利亞MountIsa礦山和德國(guó)耐弛公司合作開(kāi)發(fā)的Isa磨機(jī)是一種大型臥式攪拌磨機(jī)。Westhuizen和Jayasundara等采用正電子輻射顆粒跟蹤技術(shù)、計(jì)算流體力學(xué)、離散元等手段相結(jié)合，研究了磨機(jī)內(nèi)部介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并在研究結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行了發(fā)展，在1994年澳大利亞Mountlas礦山鉛鋅尾礦再磨作業(yè)中進(jìn)行了應(yīng)用；2003年英美鉑業(yè)集團(tuán)公司在南非WLTR 選礦廠安裝了M10000型Isa磨機(jī)，裝機(jī)功率為2 600 kW，采用Isa磨機(jī)，有效提高了金屬回收率，獲得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，Isa磨機(jī)在澳大利亞最大的黃金礦山用于黃金精礦細(xì)磨作業(yè)中，可將礦石磨細(xì)到-10 μm，然后使用氰化浸出工藝，因而無(wú)需使用污染嚴(yán)重且費(fèi)用高的焙燒爐作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了清潔生產(chǎn)[30]。

攪拌磨機(jī)應(yīng)用較好的還有立式螺旋攪拌磨機(jī)，其是以其攪拌器為螺旋葉片命名的，又叫塔磨機(jī)。在20世紀(jì)50年代，美國(guó)Kubota公司制造了第一臺(tái)立式螺旋磨礦機(jī)，主要用于選礦領(lǐng)域，并獲得了該項(xiàng)技術(shù)專(zhuān)利。澳大利亞的Hellyer選礦廠處理的礦石礦物組成比較復(fù)雜，主要有用產(chǎn)品是銅、銀、鉛和鋅精礦，礦物難以單體解離，需細(xì)磨至-20 μm，磨礦設(shè)備采用立式螺旋攪拌磨機(jī)，運(yùn)行結(jié)果表明，塔磨機(jī)與球磨機(jī)相比可節(jié)能40%；山東焦家金礦的精煉廠采用1 000 kW的塔磨機(jī)，磨機(jī)的給礦粒度-74 μm占50%，最終產(chǎn)品粒度達(dá)-38 μm占95%，處理量約1 200 t/a，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益[31-32]。

2 新型磨礦設(shè)備

從20世紀(jì)80年代末開(kāi)始，隨著仿真技術(shù)在磨機(jī)制造領(lǐng)域的應(yīng)用，以及無(wú)齒傳動(dòng)環(huán)形電機(jī)的使用，磨礦設(shè)備得到了進(jìn)一步的發(fā)展，高效節(jié)能的靜動(dòng)壓軸承球磨機(jī)、中心傳動(dòng)球磨機(jī)、圓錐形球磨機(jī)，以及筒輥磨機(jī)、周邊排料磨機(jī)和離心自磨機(jī)等在生產(chǎn)中得到了一定應(yīng)用。

衡陽(yáng)有色冶金機(jī)械廠生產(chǎn)的規(guī)格為φ3.6 m×6.0 m的靜動(dòng)壓軸承球磨機(jī)，在陜西金堆城鉬業(yè)百花嶺選廠得到了成功應(yīng)用；在青海錫鐵山鋁鋅選廠，使用QSGφ2.8 m×3.6 m型靜動(dòng)壓軸承球磨機(jī)，與常用球磨機(jī)相比，礦石處理能力提高了7%～10%，處理每噸礦石能耗降低15%～20%，單位鋼耗降低5%[33-34]。國(guó)內(nèi)第一臺(tái)中心傳動(dòng)球磨機(jī)應(yīng)用在甘肅隴南福利選廠，其規(guī)格是φ1.5 m×3.0 m，與常規(guī)球磨機(jī)相比，處理每噸礦石的電耗降低了32.51%，節(jié)能效果十分明顯[34]。陜西鳳縣金礦選廠1段、2段磨礦分別采用φ2.1 m×2.7 m和φ1.5 m×3.5 m圓錐球磨機(jī)，與傳統(tǒng)球磨機(jī)相比，每年可多處理 1.5萬(wàn)t礦石，節(jié)電32萬(wàn)kWh[34]。2008年沈重設(shè)計(jì)院成功研發(fā)出SG3800筒輥磨機(jī)，在水泥熟料和礦渣生產(chǎn)中得到應(yīng)用，促進(jìn)了我國(guó)水泥事業(yè)和生產(chǎn)水泥設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化[35]。周邊排料磨機(jī)在礦山、冶金和建筑等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，其具有不易過(guò)磨、磨礦速度快等優(yōu)點(diǎn)，段希祥等對(duì)廣西的錫礦石分別進(jìn)行了周邊排料磨和中心排料磨的磨碎對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明周邊排料磨機(jī)能有效減少密度大的錫石過(guò)磨，減輕過(guò)粉碎現(xiàn)象，采用周邊排料磨機(jī)后，錫回收率提高了1.27個(gè)百分點(diǎn)[36]。離心自磨機(jī)是集中碎、 細(xì)碎及磨礦多種功能的磨礦設(shè)備，能一次將粗碎后的物料碎磨至常規(guī)細(xì)磨磨機(jī)產(chǎn)品的粒度，湖北省松滋重晶石粉廠采用離心自磨機(jī)進(jìn)行工業(yè)化試驗(yàn)，結(jié)果表明，離心自磨機(jī)的能耗比4 R雷蒙磨低3.2 kWh，且維修便利、造價(jià)低廉[37]。

3 結(jié) 論

磨礦作業(yè)投資大、能耗高，對(duì)后續(xù)選礦作業(yè)有重要影響，為提高磨機(jī)生產(chǎn)效率，磨礦設(shè)備性能不斷改進(jìn)。總結(jié)了球磨機(jī)、自磨(半自磨)機(jī)、棒磨機(jī)、攪拌磨機(jī)等常用磨礦設(shè)備的性能特點(diǎn)、主要制造廠家、應(yīng)用情況及近年來(lái)的研究進(jìn)展；對(duì)近年來(lái)研發(fā)的新型磨礦設(shè)備的類(lèi)型、特點(diǎn)、應(yīng)用情況等進(jìn)行了介紹。指出未來(lái)磨礦設(shè)備主要向大型化、高效、節(jié)能以及超細(xì)磨方向發(fā)展。

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國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51364017)。

2015-05-18)

楊采文(1987—)，男，助理工程師，650093 云南省昆明市五華區(qū)學(xué)府路。