魏 波 張憲偉 李麗匣 馬廷斌 張 強(qiáng) 袁致濤

（1.遼寧五寰特種材料與智能裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司,遼寧 沈陽 113122;2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110819;3.本溪鋼鐵（集團(tuán)）礦業(yè)遼陽賈家堡鐵礦有限責(zé)任公司,遼寧 遼陽 111219）

在金屬礦選廠,粉碎作業(yè)是使礦石粒度減小及形狀變化的過程[1],其最終目的是將有用礦物與脈石礦物解離[2]。粉碎工藝決定著下游工藝的作業(yè)效率[3],但多數(shù)粉碎工藝是典型的高能耗、低效率作業(yè),占選礦廠總能耗可高達(dá)80%,粉碎能效卻低至1%～2%[4-6]。研究表明[6],采用高效節(jié)能的粉碎設(shè)備和粉碎工藝,可將粉碎作業(yè)直接能耗降低30%。因此,在當(dāng)前能源成本日益增長的情況下,選擇節(jié)能高效的粉碎設(shè)備與粉碎工藝意義重大[7]。

高壓輥磨機(jī)由SCH?NERT基于層壓粉碎理論研發(fā),是一種高效節(jié)能的粉碎設(shè)備[8]。高壓輥磨機(jī)碎磨工藝比傳統(tǒng)碎磨工藝可節(jié)省10%～50%的能耗[9],其粉碎產(chǎn)品細(xì)粒級含量高、微裂紋發(fā)育,有利于后續(xù)磨礦、選別或浸出作業(yè)[10-12]。此外,高壓輥磨機(jī)還具有處理量大、適應(yīng)性強(qiáng)、占地面積小、易于維護(hù)等特性[13-14]。在冶金礦山領(lǐng)域,高壓輥磨機(jī)首先應(yīng)用于金剛石與圍巖解離,隨后應(yīng)用于鐵礦球團(tuán)原料預(yù)處理。隨著輥面抗磨損技術(shù)的不斷發(fā)展及對堅(jiān)硬、磨蝕性物料適應(yīng)性的增強(qiáng),高壓輥磨機(jī)逐漸應(yīng)用于堅(jiān)硬、低可磨性、高磨蝕性的金屬礦粉碎[15-16]。

本文分析了開路粉碎工藝、邊料返回半閉路粉碎工藝和篩分（包括干法篩分和濕法篩分）全閉路粉碎工藝3種粉碎工藝的選擇依據(jù),并結(jié)合國外礦山典型應(yīng)用案例,系統(tǒng)地分析了高壓輥磨機(jī)在金剛石解離、鐵礦球團(tuán)原料預(yù)處理、（半）自磨工藝頑石破碎和金屬礦磨前粉碎領(lǐng)域所采用的工藝流程、設(shè)備型號、操作參數(shù)和應(yīng)用效果,并展望了高壓輥磨機(jī)粉碎工藝的發(fā)展趨勢,旨在為高壓輥磨機(jī)工藝設(shè)計(jì)與礦山碎磨流程改造提供參考。

1 高壓輥磨機(jī)粉碎工藝流程

高壓輥磨機(jī)的節(jié)能效果與粉碎工藝布置、干式或濕式分級、礦石硬度和輔助設(shè)備的數(shù)量等有關(guān)[9],成本節(jié)約需要考慮投資成本和運(yùn)行成本[17]。高壓輥磨機(jī)粉碎工藝通?？煞譃殚_路粉碎工藝、邊料返回半閉路粉碎工藝和篩分全閉路粉碎工藝[18-20],如圖1所示。

圖1 高壓輥磨機(jī)粉碎工藝流程Fig.1 HPGR-based comminution configurations

開路粉碎工藝對物料進(jìn)行一次粉碎即可得到粉碎產(chǎn)品,工藝簡單,處理量大,沒有循環(huán)負(fù)荷,但粉碎產(chǎn)品細(xì)粒級含量低。閉路粉碎工藝包括邊料返回半閉路粉碎和篩分全閉路粉碎工藝,通過檢查分級作業(yè)將粗顆粒重新返回高壓輥磨機(jī)進(jìn)行再次粉碎,可增加粉碎產(chǎn)品中細(xì)粒級物料的含量。邊料返回半閉路粉碎工藝,又稱為邊料循環(huán)閉路粉碎工藝,指在高壓輥磨機(jī)排料端設(shè)置分礦擋板,將粉碎產(chǎn)品分為中料和邊料,相對較粗的邊料產(chǎn)品返回高壓輥磨機(jī)進(jìn)行再粉碎,相對較細(xì)的中料作為高壓輥磨機(jī)最終粉碎產(chǎn)品。篩分全閉路粉碎工藝通過控制篩孔尺寸將粗顆粒返回高壓輥磨機(jī)繼續(xù)粉碎,篩下產(chǎn)品作為高壓輥磨機(jī)的最終粉碎產(chǎn)品。

1.1 開路粉碎工藝

高壓輥磨機(jī)開路粉碎產(chǎn)品粒度分布較寬,P80可能略小于常規(guī)破碎產(chǎn)品,但粉碎產(chǎn)品中細(xì)粒級含量明顯高于常規(guī)破碎產(chǎn)品[21]。此外,開路粉碎工藝沒有篩分環(huán)節(jié),對含水和含泥量高的礦石適應(yīng)性強(qiáng),還可簡化粉碎車間的設(shè)備配置,節(jié)省基建投資。因此,開路粉碎工藝適合對粉碎產(chǎn)品粒度要求不嚴(yán)格、場地空間受限、粉碎產(chǎn)品分級困難或需要壓縮投資成本的選礦廠。

Anglo鉑礦Northam UG2選礦廠為了增加產(chǎn)能、降低生產(chǎn)費(fèi)用、提高鉑族金屬回收率、減少精礦中鉻含量,首次將高壓輥磨機(jī)應(yīng)用于鉑族金屬礦選礦廠技術(shù)改造,于2008年引進(jìn)Polycom?09/06-0型高壓輥磨機(jī)。高壓輥磨機(jī)采用開路粉碎工藝,給礦粒度-6 mm占80%,排礦粒度-1.5 mm占80%。通過碎磨與選別作業(yè)升級改造,選廠產(chǎn)能由107 t/h增加至148 t/h,鉑族礦物回收率增加了6個百分點(diǎn),精礦中Cr2O3平均含量由4.00%降低至2.15%[22-23]。

1.2 邊料返回半閉路粉碎工藝

檢查篩分是控制粉碎產(chǎn)品粒度的有效途徑,但物料經(jīng)高壓輥磨機(jī)粉碎后常以料餅的形式排出。隨著料餅含量和硬度的增加,篩分效率降低,循環(huán)負(fù)荷增加,粉碎指標(biāo)惡化,需增加更多的篩分設(shè)備與打散裝置減弱或避免料餅對篩分閉路粉碎作業(yè)產(chǎn)生的不利影響,但投資成本與維護(hù)成本也隨之增加[21]。

邊料返回半閉路粉碎工藝省去了篩分及相關(guān)輔助設(shè)備,工藝配置相對簡單,投資與運(yùn)行成本也較低,其粉碎效果與篩分全閉路粉碎工藝相比尚有差距,但優(yōu)于開路粉碎工藝與常規(guī)粉碎工藝。邊料返回半閉路粉碎工藝尤其適合處理富含軟巖礦物、黏土礦物、水分較高或粉碎產(chǎn)品粒度較細(xì)等不利于篩分的物料[20-21]。

哈薩克斯坦Vasilkovsky金礦安裝了2臺KHD Humboldt Wedag RPS 16-170/180型高壓輥磨機(jī)作為第三段破碎機(jī)。2臺高壓輥磨機(jī)均采用邊料返回半閉路粉碎工藝,給料粒度-50 mm、球磨邦德功指數(shù)16.5 kWh/t、水分含量2%～5%,粉碎產(chǎn)品中-5 mm粒級占比80%,礦石通過量1 500 t/h,粉碎比能耗1.5～2.1 kWh/t,循環(huán)負(fù)荷180%。粉碎產(chǎn)品中料餅含量10%～20%,但料餅在進(jìn)入旋流器之前已被磨機(jī)打散,因此不需要安裝打散裝置[20]。

1.3 篩分全閉路粉碎工藝

篩分全閉路粉碎工藝通過檢查篩分提高破碎效率并控制產(chǎn)品粒度,檢查篩分方法包括干法篩分與濕法篩分。濕法篩分篩分效率高、產(chǎn)品粒度更細(xì)、揚(yáng)塵少、對給料水分含量不敏感,可處理含絹云母、黏土類的難篩物料[24]。西澳Boddington金礦高壓輥磨機(jī)磨前細(xì)碎工藝、墨西哥Penasquito多金屬礦高壓輥磨機(jī)頑石破碎工藝以及南澳Whyalla磁鐵礦高壓輥磨機(jī)磨前預(yù)選工藝均采用濕法篩分,篩下產(chǎn)品粒度分別為-11 mm、-6 mm和-3 mm[25-27]。

KOCK[28]針對西澳Tropicana金礦高壓輥磨機(jī)磨前預(yù)選項(xiàng)目分析了不同篩分方式的優(yōu)劣:濕法篩分篩上返回物料水分高,會引起高壓輥磨機(jī)輥面磨損、通過率降低,但篩分效率高,可將高壓輥磨機(jī)粉碎產(chǎn)品粒度控制在6 mm以下,實(shí)現(xiàn)全流程節(jié)能效果最大化;干法篩分可通過配置大型料倉將高壓輥磨機(jī)與球磨系統(tǒng)分開,便于設(shè)備定期維護(hù),工藝配置簡單,但篩分效率低。2013年,西澳Tropicana金礦引進(jìn)高壓輥磨機(jī),最終選擇濕法篩分,篩下產(chǎn)品粒度為-4 mm。

干法篩分在缺水地區(qū)應(yīng)用廣泛。南非Anglo鉑礦PPRust North選廠擴(kuò)建項(xiàng)目高壓輥磨機(jī)磨前細(xì)碎工藝采用干法篩分,篩下產(chǎn)品粒度-10 mm[29]。西非毛里利塔尼亞SNIM鐵礦Guelb Ⅱ項(xiàng)目對高壓輥磨機(jī)粉碎產(chǎn)品通過干法篩分分為+10 mm、10～1.6 mm及-1.6 mm 3個粒級。將+10mm粒級產(chǎn)品返回高壓輥磨機(jī)繼續(xù)粉碎;對10～1.6 mm粒級產(chǎn)品利用干式弱磁選機(jī)分選,精礦返回高壓輥磨機(jī),尾礦作為干選尾礦;對-1.6 mm粒級產(chǎn)品依次進(jìn)行粗、精、掃三段選別,精選精礦給入磨機(jī),粗選尾礦和掃選尾礦進(jìn)入干選尾礦。

文獻(xiàn)[24]對比了干法與濕法篩分的適用條件,指出干法篩分通常只在鐵礦石干式磁選、金礦堆浸等需要制備干燥原料時選用。但隨著篩分技術(shù)的不斷發(fā)展,干法篩分效率明顯提高,揚(yáng)塵污染也能得到有效控制,應(yīng)用會更加廣泛。

1.4 帶預(yù)先分級的粉碎工藝

VAN DER MEER等[20]指出若將高壓輥磨機(jī)給料中的細(xì)粒級物料篩去,會導(dǎo)致料床空隙增大、堆密度減小、通過率降低、比能耗提高,還可能增加輥面磨損速度。MORLEY[30]則認(rèn)為高壓輥磨機(jī)通常不適合處理高度風(fēng)化或細(xì)粒級含量高的礦石,因?yàn)檫@兩類物料會緩沖輥面擠壓作用,降低粗顆粒的粉碎效率。因此,當(dāng)給料中細(xì)粒級含量高時,有必要設(shè)置預(yù)先篩分作業(yè)。

Cullinan金剛石礦與Argyle金剛石礦均在高壓輥磨機(jī)前配置了預(yù)先分級作業(yè),以防止過粉碎。南非Khumani鐵礦在高壓輥磨機(jī)前后分別設(shè)置了預(yù)先篩分和檢查篩分,以提高碎磨工藝處理量、減小給料水分、降低粉碎比能耗和粉碎成本[24]。某大型低品位銅金礦原采用半自磨工藝,但所處理物料為軟硬混合型礦石,硬度變化很大,導(dǎo)致碎磨指標(biāo)不穩(wěn)定。針對該問題,Persio Rosario等提出將半自磨機(jī)改為自磨機(jī),并在自磨機(jī)之后、球磨機(jī)之前增加帶預(yù)先分級的高壓輥磨機(jī)開路粉碎工藝。結(jié)果表明,該工藝對富含黏土礦物的礦石適應(yīng)性強(qiáng),鋼耗小、能耗低[31]。

2 高壓輥磨機(jī)典型應(yīng)用案例

1987年,高壓輥磨機(jī)應(yīng)用于Premier金剛石礦。1994年,Malmberget球團(tuán)廠利用高壓輥磨機(jī)預(yù)處理鐵礦球團(tuán)原料鐵精礦。1997年,Empire鐵礦成功引進(jìn)高壓輥磨機(jī)作為頑石破碎機(jī)。1998年,智利Los Colorados鐵礦將高壓輥磨機(jī)成功應(yīng)用于鐵礦細(xì)碎。2006年、2008年、2009年,高壓輥磨機(jī)分別應(yīng)用于秘魯Cerro Verde銅礦、南非Mogalakwena North鉑礦[22]和西澳Boddington金礦[5,32]。

2.1 金剛石與圍巖解離

基于層壓粉碎原理,高壓輥磨機(jī)具有選擇性粉碎特性,可對圍巖產(chǎn)生優(yōu)先破壞,有助于金剛石晶體與圍巖解離,并保護(hù)較大顆粒的金剛石晶體不被破壞[33]。高壓輥磨機(jī)與圓錐破碎機(jī)對金剛石解離性能的差異如圖2所示[34],根據(jù)礦石中金剛石顆粒的最大尺寸調(diào)節(jié)高壓輥磨機(jī)兩輥間距,可優(yōu)化解離與回收指標(biāo)[30]。

圖2 金剛石解離與保護(hù)原理[34]Fig.2 Principles of liberating and preserving diamond crystals

1987年,南非Cullinan（舊稱Premier）金剛石礦首次將高壓輥磨機(jī)成功應(yīng)用于金剛石與圍巖解離[35]。Cullinan新選廠通過自磨機(jī)、顎式破碎機(jī)和高壓輥磨機(jī)組合應(yīng)用降低生產(chǎn)成本、減少金剛石破損、提高全粒級金剛石顆粒的回收率。該項(xiàng)目于2017年完成建設(shè)與調(diào)試,工藝流程如圖3所示。所用Polys-ius高壓輥磨機(jī)輥徑2.8 m,輥寬 0.5 m,通過量750 t/h,輥面線速度2.8 m/s。為了防止金剛石晶體被破壞,輥間隙設(shè)置為55 mm。

圖3 高壓輥磨機(jī)在New Cullinan金剛石選廠的應(yīng)用[36]Fig.3 New Cullinan flow sheet around HPGR

Argyle金剛石礦通過一系列技術(shù)改造實(shí)踐[25,33]充分體現(xiàn)了高壓輥磨機(jī)產(chǎn)能高、選擇性粉碎、粉碎指標(biāo)穩(wěn)定、投資成本低等特性。選廠運(yùn)行初期處理中等風(fēng)化礦石（球磨邦德功指數(shù)10 kWh/t,磨蝕指數(shù)0.22）,實(shí)際處理量超過4.0 Mt/a。隨著開采深度增加,堅(jiān)硬、磨蝕性的煌斑巖（球磨邦德功指數(shù)18 kWh/t,磨蝕指數(shù)0.60）頻繁出現(xiàn),使選廠產(chǎn)能降低。Argyle原計(jì)劃通過增加設(shè)備數(shù)量以適應(yīng)礦石性質(zhì)波動,并提高選廠產(chǎn)能,但該方案因成本過高而被放棄。

Argyle金剛石礦1990年引入第1臺高壓輥磨機(jī),使選廠產(chǎn)能由4.5 Mt/a增加至6.4 Mt/a。1993年,安裝了第2臺高壓輥磨機(jī)并增加了分選設(shè)備,選廠產(chǎn)能超過了8.6 Mt/a,超過了預(yù)期提產(chǎn)指標(biāo)。2臺Polysius高壓輥磨機(jī)均安裝于圓錐破碎機(jī)之后,輥系規(guī)格相同,輥徑2.2 m,輥寬1.0 m,電機(jī)功率分別為2×1 000 kW 和 2×1 200 kW,前者為定速電機(jī),后者為變速電機(jī)。2002年,Argyle金剛石礦安裝了第3臺高壓輥磨機(jī),用于粉碎重介質(zhì)預(yù)選作業(yè)的溢流產(chǎn)品,旨在增加金剛石解離度與回收率。第3臺高壓輥磨機(jī)采用柱釘輥面,設(shè)備型號KHD HPGR170/140,電機(jī)功率2×950 kW,給料粒度-25 mm,粉碎產(chǎn)品粒度-8 mm占比80%,-1.18 mm含量高達(dá)36%,最高輥速下產(chǎn)能超過750 t/h。

2.2 鐵礦球團(tuán)原料預(yù)處理

高壓輥磨機(jī)用于鐵礦球團(tuán)原料鐵精礦預(yù)處理時,與球磨機(jī)或潤磨機(jī)相比,具有處理量大、比能耗低、耗水量小、工藝簡單等特點(diǎn),并能更高效地降低鐵精礦粒度,提高鐵精礦比表面積,調(diào)控鐵精礦水分含量,進(jìn)而降低膨潤土的添加量,改善鐵精礦的成球形能和生球質(zhì)量[37]。

高壓輥磨機(jī)與球磨機(jī)配合使用或代替球磨機(jī)細(xì)磨鐵精礦時,通常采用開路粉碎工藝,也可采用邊料返回半閉路粉碎工藝[21]。將高壓輥磨機(jī)設(shè)置于球磨機(jī)之前或之后可以降低鐵精礦在球磨機(jī)內(nèi)的停留時間,增加球磨機(jī)處理量,減少磨礦介質(zhì)消耗,降低脫水或過濾作業(yè)的運(yùn)行成本及全流程能耗。利用高壓輥磨機(jī)完全取代球磨機(jī)幾乎能消除鐵礦球團(tuán)原料預(yù)處理工藝中的所有濃縮、過濾等脫水作業(yè)[37-39]。

瑞典LKAB公司于1994年和1995年引進(jìn)高壓輥磨機(jī),分別安裝于Malmberget與Kiruna球團(tuán)廠,用于鐵精礦濾餅細(xì)磨作業(yè)[38,40]。巴西淡水河谷公司在3個球團(tuán)廠均安裝了高壓輥磨機(jī)[38,40]。其中,Tubar?o球團(tuán)廠的高壓輥磨機(jī)與球磨機(jī)配合使用;Vit?ria球團(tuán)廠證明了高壓輥磨機(jī)替代球磨機(jī),省去濃縮、脫水作業(yè)的可行性;S?o Luis球團(tuán)廠則直接采用高壓輥磨機(jī)完全替代了球磨機(jī)。

2.3 （半）自磨頑石破碎

頑石會惡化（半）自磨機(jī)的磨礦效果,加入頑石破碎機(jī)可使（半）自磨機(jī)產(chǎn)能提高15%～50%,比能耗降低25%[41]。高壓輥磨機(jī)作為頑石破碎機(jī)不但能產(chǎn)生更多的細(xì)粒級物料,還可通過改變輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速調(diào)節(jié)產(chǎn)能,以適應(yīng)（半）自磨機(jī)給料的不均勻性,提高（半）自磨作業(yè)的穩(wěn)定性[26]。

1997年,美國Empire鐵礦首次將高壓輥磨機(jī)應(yīng)用于自磨機(jī)頑石破碎。頑石經(jīng)圓錐破碎機(jī)破碎后給入KHD HPGR 7-140/80型高壓輥磨機(jī),粉碎產(chǎn)品返回至自磨機(jī)。高壓輥磨機(jī)給料粒度-63.5 mm、水分3%,排料中-2.5 mm粒級占50%,高壓輥磨機(jī)通過量400 t/h、粉碎比能耗1.7 kWh/t。通過配置高壓輥磨機(jī),自磨機(jī)產(chǎn)能平均提高了20%以上,磨礦能耗也有所降低[26]。墨西哥Penasquito多金屬礦所用Polycom 24/17型高壓輥磨機(jī)同時處理-50 mm粒級粗碎產(chǎn)品和頑石破碎產(chǎn)品。對高壓輥磨機(jī)粉碎產(chǎn)品進(jìn)行濕式篩分,+6 mm粒級篩上產(chǎn)品返回圓錐破碎機(jī),-6 mm粒級篩下產(chǎn)品直接給入磨礦分級作業(yè)[26]。

2.4 金屬礦磨前粉碎

高壓輥磨機(jī)應(yīng)用于金屬礦磨前粉碎的主要目的是降低磨機(jī)的給礦粒度或通過磨前預(yù)選減少磨礦量,以提高磨機(jī)處理能力,降低磨礦成本,改善分選指標(biāo)。與圓錐破碎機(jī)相比,高壓輥磨機(jī)處理中細(xì)碎產(chǎn)品時能量利用率高、破碎比大,粉碎產(chǎn)品粒度分布相對穩(wěn)定、細(xì)粒級含量高、球磨邦德功指數(shù)低[42-43]。因此,高壓輥磨機(jī)常作為磨前（超）細(xì)碎設(shè)備應(yīng)用于第三段粉碎,或應(yīng)用于第四段粉碎對傳統(tǒng)三段破碎工藝進(jìn)行技術(shù)升級[43]。

2.4.1 磨前預(yù)選給料粉碎

對于貧鐵礦等可進(jìn)行磨前預(yù)選的物料,利用高壓輥磨機(jī)降低預(yù)選給料粒度,可增加有用礦物與圍巖的解離度,有助于提高磨前預(yù)選指標(biāo),符合“多碎少磨、能拋早拋”的選礦原則。

1998年,智利Los Colorados鐵礦采用1臺KHD HPGR Type RP 16-170/180型高壓輥磨機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)第三段和第四段破碎機(jī)進(jìn)行細(xì)碎作業(yè),細(xì)碎產(chǎn)品給入干式磁選機(jī),磁選精礦給入球磨機(jī)。高壓輥磨機(jī)給料粒度-65 mm、球磨邦德功指數(shù)9～14 kWh/t、石英含量15%～30%、水分0～1%,粉碎產(chǎn)品中-6.35 mm粒級占55%～70%,粉碎比能耗為0.8～1.2 kWh/t[20]。利用高壓輥磨機(jī)升級原有工藝后,細(xì)碎產(chǎn)品中-0.15 mm粒級含量增加了2倍,磨前干式磁選指標(biāo)得到改善,磨機(jī)給料球磨邦德功指數(shù)由11 kWh/t降低至8～9 kWh/t,磨機(jī)產(chǎn)能增加約27%～44%[20,44]。

澳大利亞Bendigo金礦呈粗粒結(jié)晶,結(jié)晶粒度0.1～10 mm,是典型的易選礦石,金重選回收率超過75%。因此,提高磨前重選回收率,不但可以降低選礦成本,還可以避免有價金屬因“過磨”而流失。2006年,Bendigo金礦引入 1臺 Koeppern 1.0 m×0.5 m型高壓輥磨機(jī),以碎代磨,降低了破碎粒度與分選成本,同時提高了金重選及全流程回收率。該選廠最初設(shè)置檢查篩分方式為-2 mm濕法篩分,但由于篩上產(chǎn)品中水分過高,導(dǎo)致輥面磨損嚴(yán)重,最終更改為-4 mm濕法篩分[25]。

2.4.2 “標(biāo)準(zhǔn)”粉碎工藝

當(dāng)高壓輥磨機(jī)成功應(yīng)用于Los Colorados鐵礦時,僅有14臺高壓輥磨機(jī)應(yīng)用于礦山領(lǐng)域[20]。隨著輥面材料和結(jié)構(gòu)的持續(xù)改進(jìn),高壓輥磨機(jī)在礦山領(lǐng)域的安裝數(shù)量快速增長,已經(jīng)成功應(yīng)用于有色金屬、貴金屬等領(lǐng)域[16],并形成了集成高壓輥磨機(jī)的三段兩閉路“標(biāo)準(zhǔn)”粉碎工藝[31,45],如圖4所示。該“標(biāo)準(zhǔn)”粉碎工藝?yán)^承了傳統(tǒng)三段破碎工藝適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢,并可通過檢查篩分嚴(yán)格控制后續(xù)磨選作業(yè)的粒度上限,使磨機(jī)給料粒度減小,碎磨能量前移,符合“多碎少磨”原則,在眾多高壓輥磨機(jī)粉碎工藝中被期望獲得最大能源效率[31]。Cerro Verde銅礦、Boddington金礦和Mogalakwena鉑礦是采用上述“標(biāo)準(zhǔn)”粉碎工藝的典范,為Salobo、Mt.Karara、Cristalino等選礦廠高壓輥磨機(jī)工藝設(shè)計(jì)提供了參考[24]。

圖4 高壓輥磨機(jī)“標(biāo)準(zhǔn)”粉碎工藝Fig.4 “Standard”HPGR comminution circuit

Cerro Verde銅礦和Boddington金礦均屬于大型選礦廠,設(shè)計(jì)處理量分別為108 000 t/d、96 000 t/d,均安裝了4臺POLYCOM 24/17型高壓輥磨機(jī),單臺處理量可達(dá)3 000 t/h,檢查篩分方式為濕法篩分。Cerro Verde銅礦球磨邦德功指數(shù)為15.3 kWh/t,Boddington金礦處理2種礦石,球磨邦德功指數(shù)分別為15.1 kWh/t與16.6 kWh/t。對比研究發(fā)現(xiàn),Cerro Verde銅礦半自磨工藝碎磨噸功耗20.1 kWh/t,運(yùn)行成本1.70美元/t,而高壓輥磨機(jī)粉碎工藝噸功耗和運(yùn)行成本分別只有15.9 kWh/t和1.33美元/t。Boddington金礦高壓輥磨機(jī)粉碎工藝與SABC（即半自磨+球磨+頑石破碎）工藝相比,雖然投資成本提高了7%,但運(yùn)營成本降低了12%[25,45]。

Anglo Mogalakwena North鉑礦原粉碎工藝為SABC粉碎流程。研究發(fā)現(xiàn)高壓輥磨機(jī)粉碎產(chǎn)品粒度細(xì),可降低粉碎能耗,提高磨機(jī)產(chǎn)能,改善后續(xù)選礦指標(biāo),且針對礦石性質(zhì)不穩(wěn)定情況較半自磨工藝有更好的適應(yīng)性?；诖?Anglo Mogalakwena North鉑礦新粉碎工藝用高壓輥磨粉碎工藝代替了SABC工藝。所用高壓輥磨機(jī)型號Polycom?22/16-8,處理礦量2 160 t/h[24],當(dāng)給料粒度-65 mm,排礦粒度-8 mm時,粉碎產(chǎn)品中-1 mm約占50%[22,29]。

2.4.3 應(yīng)用于第四段粉碎

給礦粒度越粗,將其磨到規(guī)定粒度所需要的磨礦時間越長,功耗也越大,磨機(jī)產(chǎn)能越低。因此,盡量縮小磨機(jī)給料粒度,是降低磨礦能耗,提高磨機(jī)產(chǎn)能的一個有效途徑。將高壓輥磨機(jī)應(yīng)用于第四段粉碎,以破代磨,處理細(xì)碎產(chǎn)品,可獲得更細(xì)的磨機(jī)給料。2006年,PTFI Grasberg銅金礦首次將高壓輥磨機(jī)應(yīng)用于第四段粉碎[24],使選廠產(chǎn)能提高了20%。礦石首先經(jīng)傳統(tǒng)三段一閉路破碎工藝破碎至-15 mm,-15 mm破碎產(chǎn)品給入2臺POLYCOM 20/15型高壓輥磨機(jī),高壓輥磨機(jī)開路粉碎產(chǎn)品進(jìn)入磨礦選別系統(tǒng)。2臺高壓輥磨機(jī)單臺處理量1 200 t/h,如果采用閉路粉碎,實(shí)際通過量可達(dá)2 000 t/h以上。

對于貧鐵礦等可進(jìn)行磨前預(yù)選的物料,降低預(yù)選給料粒度,有助于粗粒嵌布礦物初步解離,通常可提高磨前預(yù)選拋尾量和入磨品位。因此,“粗碎—中碎—細(xì)碎+高壓輥磨機(jī)超細(xì)碎”工藝在貧鐵礦選礦領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。對于選廠技術(shù)改造工程,將高壓輥磨機(jī)應(yīng)用于第四段粉碎可充分利用原有三段破碎和篩分系統(tǒng),達(dá)到在改造工程量較小的情況下升級碎磨回路的效果。因此,高壓輥磨機(jī)作為第四段粉碎設(shè)備,常用于舊選廠技術(shù)改造,以降低磨礦能耗,增加碎磨系統(tǒng)整體產(chǎn)能[43]。

3 高壓輥磨機(jī)粉碎工藝發(fā)展趨勢

通過工藝優(yōu)化,不斷提高粉碎效率、降低粉碎成本仍是高壓輥磨機(jī)粉碎工藝的發(fā)展方向。近年來,2臺高壓輥磨機(jī)串聯(lián)配置、高壓輥磨機(jī)與風(fēng)力分級設(shè)備配置和高壓輥磨機(jī)與攪拌磨機(jī)配置等新工藝受到廣泛關(guān)注。

3.1 2臺高壓輥磨機(jī)串聯(lián)配置

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù),高壓輥磨機(jī)閉路粉碎產(chǎn)品粒度通常不小于-3 mm。繼續(xù)降低粉碎產(chǎn)品粒度,會導(dǎo)致循環(huán)負(fù)荷顯著增加,需要配備更大規(guī)格（或更多）的粉碎、分級和運(yùn)輸設(shè)備[17]或配置多系列粉碎回路以解決產(chǎn)能問題。而兩臺高壓輥磨機(jī)串聯(lián)配置與單臺高壓輥磨機(jī)配置相比,粉碎產(chǎn)品粒度細(xì),循環(huán)負(fù)荷低,還能節(jié)約物料分級與運(yùn)輸成本。由于粉碎產(chǎn)品粒度細(xì),兩臺高壓輥磨機(jī)串聯(lián)配置工藝也可集成于“高壓輥磨機(jī)與風(fēng)力分級設(shè)備配置”工藝或“高壓輥磨機(jī)與攪拌磨機(jī)直接配置”工藝[46]。

2007年,哈薩克斯坦Nurkazgan銅礦采用2臺高壓輥磨機(jī)串聯(lián)配置工藝,將2臺高壓輥磨機(jī)分別用于第三段和第四段粉碎。2臺KHD Humboldt Wedag RP 13-170/140型高壓輥磨機(jī)電機(jī)功率分別為2×1 150 kW 和 2×1 750 kW,處理量850～950 t/h,均采用邊料返回半閉路粉碎工藝,循環(huán)負(fù)荷約為75%～125%。第三段粉碎高壓輥磨機(jī)給料粒度-35 mm、含水率3%～5%、球磨邦德功指數(shù)16.5 kWh/t,粉碎產(chǎn)品中-5 mm粒級占80%,粉碎比能耗1.2～2.0 kWh/t。第四段粉碎高壓輥磨機(jī)產(chǎn)品中-1 mm粒級含量高達(dá)80%,粉碎比能耗1.2～2.2 kWh/t[20]。

巴西Serra Azul鐵礦擬采用2臺高壓輥磨機(jī)串聯(lián)配置工藝處理其特殊的鐵英巖。兩段高壓輥磨機(jī)分別用于第四段粉碎和第五段粉碎,分別采用開路粉碎工藝和濕法篩分全閉路粉碎工藝。研究結(jié)果表明[38],若控制篩下產(chǎn)品粒度為-1 mm,控制輥面壓力為4 N/mm2時,第五段粉碎產(chǎn)品P80為0.38 mm。由于采用-1 mm濕法篩分,第五段粉碎高壓輥磨機(jī)給料水分可能高達(dá)9%。

3.2 高壓輥磨機(jī)與風(fēng)力分級設(shè)備配置

風(fēng)力分級是利用氣流作為分級介質(zhì),將顆粒按照形狀、大小、密度分為2個或多個組分的過程,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于處理水泥、食品、煤炭、鋼渣微粉等需要避免與水介質(zhì)作用的物料[47]。該工藝應(yīng)用于冶金礦山領(lǐng)域有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)濕式磨礦工藝,為水資源缺乏、能量供給困難的地區(qū)提供可行的磨礦分級解決方案[48]。

JANKOVIC等[49]以-10 mm玄武巖為粉碎物料,對方案A（高壓輥磨機(jī)+風(fēng)力分級）和方案B（高壓輥磨機(jī)+干法篩分（2.36 mm）+球磨機(jī)）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的對比試驗(yàn)研究。結(jié)果表明,對于方案A,當(dāng)粉碎產(chǎn)品P80為0.05 mm時,粉碎比能耗為14.0±2.2 kWh/t,其中高壓輥磨機(jī)粉碎比能耗為 7.9±1.0 kWh/t,風(fēng)力分級比能耗為6.1±1.2 kWh/t,循環(huán)負(fù)荷高達(dá)700%。方案B控制磨礦產(chǎn)品粒度P80為0.057 mm時,高壓輥磨機(jī)循環(huán)負(fù)荷150%,粉碎比能耗為2.8±0.4 kWh/t,球磨機(jī)磨礦比能耗為 17.1±1.8 kWh/t,合計(jì) 19.9±2.3 kWh/t。 相比之下,方案A更加節(jié)能。

VAN DER MEER等[48]針對北美某磁鐵礦,對方案A（兩段高壓輥磨機(jī)+空氣分級機(jī)）和方案B（兩段高壓輥磨機(jī)+球磨機(jī)+旋流器）進(jìn)行了模擬對比研究。2種方案第一段高壓輥磨機(jī)給料粒度均為-50 mm,采用干法篩分全閉路粉碎工藝,篩下產(chǎn)品-7 mm粒級占比70%～80%。方案A第二段高壓輥磨機(jī)與風(fēng)力分級設(shè)備組成粉碎分級系統(tǒng),循環(huán)負(fù)荷380%。方案B第二段高壓輥磨機(jī)采用濕法篩分全閉路粉碎,篩下產(chǎn)品-1 mm占比55%,篩下產(chǎn)品給入球磨機(jī)與旋流器組成的閉路磨礦分級系統(tǒng)。方案A與方案B最終粉碎產(chǎn)品P80均小于-0.09 mm。對比結(jié)果表明,方案A較方案B可節(jié)能約45%。

盡管上述試驗(yàn)結(jié)果表明,高壓輥磨機(jī)+風(fēng)力分級工藝節(jié)能效果明顯,但該工藝仍存在某些實(shí)際問題亟需解決。與旋流器分級相比,風(fēng)力分級設(shè)備粉碎產(chǎn)品中粗粒級顆粒含量更難控制,粉碎產(chǎn)品粒度不均勻,且容易過磨。與此同時,高壓輥磨機(jī)+風(fēng)力分級工藝破碎比大,會導(dǎo)致循環(huán)負(fù)荷增加,選廠產(chǎn)能降低[9]。此外,如果鐵礦采用高壓輥磨機(jī)+風(fēng)力分級工藝,粉碎產(chǎn)品常采用干式磁選,而干式磁選精礦品位通常較濕式磁選精礦品位低。

3.3 高壓輥磨機(jī)與攪拌磨機(jī)直接配置

高壓輥磨機(jī)粉碎產(chǎn)品通常給入球磨機(jī),但球磨機(jī)的實(shí)際磨礦粒度極限為40～45μm,當(dāng)粉碎產(chǎn)品中-0.075 mm含量占比超過70%時,球磨機(jī)磨礦效率迅速下降[50]。攪拌磨機(jī)采用小球作為磨礦介質(zhì),能量傳遞效率高,更適合細(xì)磨作業(yè)[46]。代表性的攪拌磨機(jī)有塔磨機(jī)（Tower Mill）、立磨機(jī)（Vertimill）和艾薩磨機(jī)（IsaMill）等[50]。

隨著粉碎技術(shù)的不斷發(fā)展,高壓輥磨機(jī)可為磨礦作業(yè)提供更細(xì)粒級的給料,甚至可以代替粗磨作業(yè)[51],這為高壓輥磨機(jī)和攪拌磨機(jī)的直接配置提供了可能。VALERY等[46]采用高壓輥磨機(jī)與攪拌磨機(jī)直接配置工藝對某金屬礦進(jìn)行碎磨試驗(yàn)研究?；谠囼?yàn)結(jié)果,Valery等指出,當(dāng)高壓輥磨機(jī)粉碎產(chǎn)品粒度P80為1.5 mm時可直接作為攪拌磨機(jī)給料。

Julius Kruttschnitt礦物中心SHI等[50]以球磨邦德功指數(shù)分別為11.9、15.4和15.9 kWh/t的2種鉛鋅礦和1種硅酸鹽金礦為研究對象,對比研究了標(biāo)準(zhǔn)邦德功指數(shù)球磨機(jī)和研磨腔為3L的立磨機(jī)的磨礦能效。結(jié)果表明,當(dāng)球磨機(jī)磨礦產(chǎn)品P80分別為0.084、0.083和0.049 mm,立磨機(jī)磨礦產(chǎn)品 P80分別為0.073、0.078 和 0.052 mm時,立磨機(jī)可分別節(jié)約能耗25%、37%和27%。

FARBER等[52]認(rèn)為將高壓輥磨機(jī)與艾薩磨機(jī)直接配置可降低磨礦能耗與維護(hù)成本。Farber通過研究磨礦介質(zhì)對艾薩磨磨礦效率和介質(zhì)消耗的影響發(fā)現(xiàn),大尺寸、高密度介質(zhì)有助于艾薩磨機(jī)處理粗粒級物料。WANG等[4]以Huckleberry選礦廠銅鉬礦為粉碎物料,采用JK SimMet軟件模擬、中試試驗(yàn)等方法進(jìn)行了不同粉碎工藝的對比研究。結(jié)果表明,當(dāng)粉碎產(chǎn)品P80為0.075mm時,兩段高壓輥磨機(jī)+艾薩磨機(jī)工藝與半自磨+球磨工藝相比可節(jié)約能耗34%。SHI等[50]研究了艾薩磨機(jī)與球磨機(jī)對粗粒物料的磨礦效率,結(jié)果表明,當(dāng)粉碎產(chǎn)品粒度P80小于0.04 mm時,艾薩磨具有節(jié)能優(yōu)勢。

近年來,隨著國內(nèi)大型裝備技術(shù)水平和耐磨材料技術(shù)的進(jìn)步,國內(nèi)高壓輥磨機(jī)粉碎工藝發(fā)展迅速。沈陽盛世五寰科技有限公司對黑龍江某選廠采用高壓輥磨機(jī)與攪拌磨機(jī)直接配置工藝進(jìn)行了技術(shù)改造。通過新型拱形架體高壓輥磨機(jī)與弛張篩組成的粉碎分級系統(tǒng)直接生產(chǎn)-1 mm粉碎產(chǎn)品,并將-1 mm粉碎產(chǎn)品直接給入塔磨機(jī)與旋流器組成的磨礦分級系統(tǒng),最終獲得-0.074 mm粒級占85%的磨礦產(chǎn)品。通過技術(shù)升級,淘汰了傳統(tǒng)球磨機(jī),縮短了碎磨工藝流程,提高了選廠產(chǎn)能,降低了噪音污染。

4 結(jié) 論

（1）高壓輥磨機(jī)由Sch?nert基于層壓粉碎理論研發(fā),是一種高效節(jié)能的粉碎設(shè)備。根據(jù)粉碎產(chǎn)品的返回方式,高壓輥磨機(jī)粉碎工藝通常包括開路粉碎工藝、邊料返回半閉路粉碎工藝和篩分全閉路粉碎工藝。這3種工藝的粉碎效果、基建投資、維護(hù)成本依次增加。篩分全閉路粉碎工藝中檢查篩分的目的是提高粉碎效率和控制產(chǎn)品粒度,篩分方式包括干法篩分和濕法篩分。干法篩分工藝簡單,濕法篩分篩分效率高。隨著篩分技術(shù)的發(fā)展,干法篩分篩分效率顯著提高,揚(yáng)塵污染減小,優(yōu)勢逐漸明顯,具有更大的發(fā)展前景。

（2）基于層壓粉碎原理,高壓輥磨機(jī)粉碎效率高,其粉碎產(chǎn)品粒度細(xì)、微裂紋發(fā)育、球磨邦德功指數(shù)低。高壓輥磨機(jī)應(yīng)用于冶金球團(tuán)領(lǐng)域,取代或部分取代潤磨機(jī)和球磨機(jī)預(yù)處理球團(tuán)原料鐵精礦,能夠改善鐵精礦的成球性能,降低球團(tuán)成本,提高生球質(zhì)量。在（半）自磨工藝中,高壓輥磨機(jī)作為頑石破碎機(jī),能改善（半）自磨機(jī)的磨礦性能,提高碎磨回路產(chǎn)能和穩(wěn)定性。利用高壓輥磨機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)破碎流程中的第三段或第四段破碎設(shè)備,進(jìn)行細(xì)碎或超細(xì)碎作業(yè),可降低磨機(jī)給料粒度,提高磨礦效率,節(jié)約磨礦能耗。

（3）基于晶界粉碎機(jī)理,物料經(jīng)高壓輥磨機(jī)粉碎后會沿解理面破碎,有助于粗粒嵌布礦物的初步解離,便于采用磨前預(yù)選等方法進(jìn)行分選。金剛石礦采用高壓輥磨機(jī)旨在提高金剛石與圍巖解離度,并減少金剛石破損,回收全粒級金剛石顆粒。對于貧鐵礦等可進(jìn)行磨前預(yù)選的物料,將高壓輥磨機(jī)配置于磨前預(yù)選作業(yè)之前,有利于促進(jìn)礦物初步單體解離,增加磨前預(yù)選拋尾量,進(jìn)一步提高入磨品位、降低入磨量、節(jié)約磨礦成本。

（4）粉碎能耗、產(chǎn)能與產(chǎn)品特性始終是高壓輥磨機(jī)粉碎工藝研發(fā)過程中關(guān)注的焦點(diǎn)。兩臺高壓輥磨機(jī)串聯(lián)配置、高壓輥磨機(jī)與風(fēng)力分級設(shè)備配置、高壓輥磨機(jī)與攪拌磨直接配置等新型高壓輥磨機(jī)粉碎工藝雖然發(fā)展不夠成熟,但節(jié)能降耗優(yōu)勢明顯,有望為冶金礦山物料高效粉碎提供新的解決方案。目前,“高壓輥磨機(jī)與塔磨機(jī)直接配置”碎磨工藝已在鉛鋅礦、磁鐵礦選礦領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用。