惯性圆锥破碎机原理及在金属矿山的应用

唐 威

(北京矿冶研究总院，北京100044)

1 概 述

我国金属矿产资源有如下特点：①贫矿多，杂质含量高。铁矿石平均品位只有30%，比世界铁矿石平均品位低12个百分点；锰矿石平均品位约为22%，符合国际商品级的富矿石(锰矿石品位≥48%)几乎没有；铜矿石平均品位为0.8%，品位大于1%的储量仅占总储量的35%。②多金属共生、伴生矿多，选冶难度大。③大部分金属矿的嵌布粒度细，矿物不易解离，要磨至-200目才能有效进行选别[1]。

目前，大多数金属矿山选厂粉碎过程中，电耗、钢耗和原材料消耗极大，功耗和钢耗构成了整个生产成本的主要部分，占选厂成本的60%以上。特别是磨矿，其单位能耗远比破碎高得多，占整个矿物粉碎作业的89%～93%，占整个选厂的40%～70%。因此，在金属矿山实行节能降耗，可产生巨大的社会效益和经济效益。

破碎和磨矿的作用原理表明：强化破碎，尽量减少入磨粒度，是提高碎磨效率、降低选矿成本的重要途径。磨机的效率只有1%，破碎机的效率达10%。而且与磨机相比，破碎机能耗低、运转维护简单。因此，使用超细碎破碎设备，用破碎机部分取代磨机，实现“多碎少磨”，是当前粉碎工程领域的发展趋势。

“多碎少磨”是粉碎工程领域普遍公认的节能降耗的重要途径，“料层粉碎”是粉碎机理的一大突破。惯性圆锥破碎机便是基于“料层粉碎”机理，实现“多碎少磨” 节能降耗的代表设备之一。

2 惯性圆锥破碎机的结构特点和工作原理[2]

惯性圆锥破碎机的结构如图1所示。

惯性圆锥破碎机机体通过隔振元件座落在底架上，工作机构由定锥和动锥组成，锥体上均附有耐磨衬板，衬板之间的空间形成破碎腔。动锥轴插入轴套中，电动机的旋转运动通过传动机构传给固定在轴套上的激振器，激振器旋转时产生惯性力，迫使动锥绕球面瓦的球心做旋摆运动。在一个垂直平面内，动锥靠近定锥时，物料受到冲击和挤压被破碎；动锥离开定锥时，破碎产品因自重由排料口排出。动锥与传动机构之间无刚性联接。

1-底架；2-皮带传动装置；3-隔振元件；4-激振器；5-外壳；6-球面瓦；7-衬板；8-定锥；9-动锥；10-动锥支座；11-轴套

在惯性圆锥破碎机中，动锥和传动机构间无刚性联接，动锥的振幅不受传动系统的限制，是可以变化的，它的大小取决于物料层抗压阻力与破碎力的平衡。破碎机刚启动时，动锥摆动频率小，破碎力较小，动锥的振幅较小，因此启动力矩也较小，带负荷启动不会损坏破碎机。所以，惯性圆锥破碎机无需专门的给料机，可满负荷启动和停车，操作、监测和控制十分方便。同样道理，在惯性圆锥破碎机中，挤满给料只是增大了物料层的抗压阻力，动锥的振幅减小，不会造成破碎机“闷车”，不需安装给料机。在破碎力的作用下，动锥将尽可能靠近定锥，从而将物料破碎得更细，其产品最大粒度只有排料间隙的1/3～1/4左右。

由于动锥与传动机构之间无刚性联接，如果物料中混入不可破碎的物体，动锥暂时停止运动，激振器将绕动锥轴继续转动，绝对不会破坏传动系统和主机。

由于惯性圆锥破碎机是挤满给料，通过向物料层施加严格定量的由惯性力造成的压力，可以使物料层适当地压实，使物料承受全方位的挤压，物料颗粒之间相互作用，从而实现“料层粉碎”。同时，在由惯性力引起的强烈脉动冲击作用下，物料在破碎腔中承受交变的挤压、剪切、弯曲和扭转应力。物料颗粒之间不断改变方位，由于物料颗粒越小，晶格缺陷越少，强度越大，因此强度大的小颗粒可破碎相邻的强度小的大颗粒；在等强度颗粒中，那些晶格缺陷与剪切力方向重合的颗粒被破碎。这样物料主要沿晶格间的区域破碎而不破碎晶体本身，产品粒型好，强度高，破碎后的物料具有最低过粉碎，从而实现了物料的“选择性破碎”，可轻松破碎抗压强度高达5μPa的物料。

因为是料层粉碎，物料不单是被动锥冲击破碎，物料之间也相互破碎，不但破碎效率大大提高，而且衬板磨损降低，使用寿命延长。

动锥的旋摆频率很高，在破碎过程中，物料在惯性圆锥破碎机破碎腔中被破碎达几十次，动锥沿物料层每滚动一周都伴随有100多次的振动，由附加的这种强烈脉冲振动加强了破碎作用。因此，惯性圆锥破碎机的破碎比很大，产品粒度细，而且可在很大范围内调节。通过调节偏心静力矩、激振器转速和排料间隙，可很方便地调节所需的破碎比(4～30)，根据需要可有效地防止过粉碎，提高某粒级段的产率或相反增加细粉的产量。

无需振动筛构成闭路，可简化碎磨流程，大大降低入磨粒度，单位破碎比功耗仅为普通设备的一半左右，减少辅助设备台数，大大节省设备和基建投资。

惯性圆锥破碎机采用二次隔振，基础振动小，工作噪音小，安装时不需庞大基础和地脚螺栓，可作为移动式选厂的组成部分，操作安装方便。

3 惯性圆锥破碎机生产应用情况

惯性圆锥破碎机目前已形成动锥底部直径100～1200mm六种规格的产品，技术参数见表1。

惯性圆锥破碎机已广泛用于矿山、冶金、建材、耐火材料、磨料磨具、玻璃、陶瓷、化工等行业的物料破碎领域。

表1 惯性圆锥破碎机技术参数

3.1 GYP -600惯性圆锥破碎机

抚州某铀矿×××t/a渗滤浸出生产线，由核工业衡阳设计院设计，整个矿石破碎工艺流程布置紧凑，结构简单而高效。生产线采用2台GYP-600惯性圆锥破碎机作为细碎设备，破碎后的产品，5～0.15 mm进入渗滤浸出，-0.15mm进入常规搅拌浸出。其破碎分级工艺流程如图2。需说明的是，该矿常规搅拌浸出生产线中，球磨机的入磨粒度为-25 mm，从常规搅拌浸出生产线中分出一部分矿石作为渗滤浸出生产线的给料。因此，该生产线中GYP-600惯性圆锥破碎机进料粒度不是-50mm，而是-25mm。

图2 破碎分级工艺流程图

因为进料矿石中含有不少水分和细泥，而惯性圆锥破碎机对进料的含水量有一定要求，不能超过3%。因此，在USL1.2×3振动筛上方加了三排水管，在水管上钻了许多小孔，以冲洗筛面上的物料，尽可能的把物料中的细泥冲洗下来，提高筛分效率，以免太多的细泥进入破碎机中堵塞破碎腔。

惯性圆锥破碎机破碎产品取样筛分结果见表2。

从表2可知，GYP-600惯性圆锥破碎机产品中，+5mm的产率为13%以上，-0.15mm的产率占3%左右。前3次取样，单机产量在9 t/h左右，而第4次取样单机产量达到15t/h，前后对比产量相差较大。这是因为第4次取样时，排矿口尺寸与前3次相差较大，而排矿口尺寸直接影响破碎机的产量。第4次取样时，排矿口尺寸为30mm，已经达到GYP-600惯性圆锥破碎机排矿口的极限尺寸。一般情况下，不允许破碎机在极限排矿口尺寸下工作。

目前，该矿渗滤浸出生产线中2台GYP-600惯性圆锥破碎机同时工作，1d大约破碎400 t铀矿石。按1个月工作25d计，月破碎量为10000t左右[3]。

湖南郴州某有色金属矿山选厂，在破磨系统改造中，应用GYP-600惯性圆锥破碎机，开路破碎产品粒度-5mm占90%，整个破磨系统比原系统能耗下降20%，产量提高28%，经济效益十分显著。

表2 GYP-600惯性圆锥破碎机破碎铀矿产量和产品粒度筛分结果

3.2 GYP -900惯性圆锥破碎机

鞍山某矿业发展有限公司原采用三段一闭路破碎生产工艺流程，使用GYP-900惯性圆锥破碎机后，破碎生产工艺流程改为两段开路破碎，如图3所示。

在生产应用中取样6次，不同排料间隙下破碎产品取样测试结果见表3。

新生产工艺流程与原生产工艺流程相比，磨机产量提高42%，单位磨碎能耗下降28.5%，单位磨碎钢耗降低27%。

河北秦皇岛某铀矿为含铀碎屑岩和高硅酸盐铀矿石，品位为0.15%，硬度低，破碎时容易产生过粉碎。该铀矿采用堆浸工艺，过粉碎太多影响矿堆渗透性。在实际生产中，该铀矿选用了1台GYP-900惯性圆锥破碎机。该矿的破碎工艺流程非常简单，如图4所示。

表3 GYP-900惯性圆锥破碎机破碎铁矿产量和产品粒度筛分结果

图3 新破碎生产工艺流程图

图4 破碎生产工艺流程图

GYP-900惯性圆锥破碎机工业应用期间，在排矿口尺寸为25 mm、激振力为91.5%时，取样筛分结果见表4，产量为25～30 t/h。

破碎产品中，-0.12 mm的过粉碎颗粒产率为2.9%，所占比例很小，十分适合于后续的转鼓造粒工序，淋浸效果良好。

3.3 GYP -1200惯性圆锥破碎机

昆明某铜矿破碎生产工艺流程采用两段破碎, 如图5所示。粒度为-350 mm的原矿给入PD600×900外动颚颚式破碎机， 破碎产品经过振动筛，+12mm的物料进入GYP-1200惯性圆锥破碎机，-12mm的物料进入粉矿仓。因为GYP-1200惯性圆锥破碎机产品粒度集中，加权平均粒度小，实行开路破碎，产品直接进入粉矿仓，GYP-1200 惯性圆锥破碎机破碎产品取样筛分结果，见表5。

表4 GYP-900惯性圆锥破碎机破碎铀矿产品粒度筛分结果

表5 GYP-1200惯性圆锥破碎机破碎铜矿产量和产品粒度筛分结果

GYP-1200惯性圆锥破碎机的破碎产品中，-10mm含量在85 %以上，加权平均粒度在4.5mm以下，极大的降低了矿石入磨粒度，减少磨矿时间，经济效益显著。

鞍钢集团某破碎车间所处理的铁矿石质地致密，硬度f=17～18，破碎生产工艺流程采用两段开路破碎，如图6所示。第一段用EP400×600颚式破碎机，第二段用GYP-1200惯性圆锥破碎机。粒度为-350mm的原矿给入EP400×600颚式破碎机，破碎产品经过振动筛，+12mm的物料进入GYP-1200惯性圆锥破碎机，-12mm的物料进入粉矿仓。因为GYP-1200惯性圆锥破碎机产品粒度细，实行开路破碎，产品直接进入粉矿仓。

在生产应用中多次取样测试，GYP-1200惯性圆锥破碎机产量为62.3～79.2t/h，在给料粒度为-100～+12 mm时，产品筛分粒度见表6。

图5 破碎生产工艺流程图

图6 破碎生产工艺流程图

表6 GYP-1200惯性圆锥破碎机破碎铁矿产量和产品粒度筛分结果

GYP-1200惯性圆锥破碎机的破碎产品中，-9mm含量在80%以上，加权平均粒度在4.9 mm以下[4]。

4 结语

综上所述，与传统破碎设备相比，惯性圆锥破碎机作为物料加工的细碎设备，能实现物料的选择性破碎，满足“多碎少磨”新工艺的要求，具有破碎比大、单位电耗低、能破碎任何硬度的脆性物料的优点，极大地简化了破碎生产工艺流程，降低球磨机的入磨粒度，增加球磨机产量，节省破磨系统能耗和钢耗；同时，由于破碎磨矿流程的简化，可节省设备及基建投资，减少操作岗位和运行费用，具有十分显著的经济效益和社会效益，十分适用于金属矿山的物料破碎。推广应用后，对金属矿山的技术升级，对增强企业实力、尽快缩短与国外企业在生产成本、技术装备水平等方面的差距，提高我国金属矿山在国际上的竞争力，均有重大的现实意义。

[1] 常前发．矿产资源的合理开发、有效利用与可持续发展[C]．2000年全国矿产资源和二次 资源综合利用学术研讨与经验交流会论文集，2000：1-5.

[2] Г．А．ДЕНИСОВ，Л．П．ЗАРОГАТСКИЙ，В．Я．ТУРКИН．张国柱，叶振声，译．振动粉碎不同物理性质物料的设备及工艺[J]．矿山机械，1993.

[3] 唐威，孙锡波，王健．惯性圆锥破碎机在铀堆浸矿山的应用研究[J]．铀矿冶，2010(1)：49-52.

[4] 唐威，罗秀建，等．利用GYP-1200惯性圆锥破碎机降低入磨粒度的研究[C]．第六届中国有色金属学会青年学术论坛专辑．2006:111-114.