超大型超细卧式砂磨机的突破创新及其在矿山之应用

摘 要：纳米科技是本世纪科技发展的重要技术领域，势必创造另一波技术创新及产业革命。卧式砂磨机是一种高效率的超细湿法研磨设备。本文介绍了新型卧式砂磨机设备结构、工艺及其在工业矿物中的应用情况。不论其应用领域为何，所需要用的材料均为次微米或纳米级尺度之材料。如何得到纳米级粉体及如何将纳米级材料分散到其最终产品已成为目前产﹑经及学术界共同之研究课题。本文将针对纳米粉体研磨及纳米材料分散到其最终产品技术加以详加探讨，系统介绍卧式砂磨机在金属矿山的应用情况和最新研究进展，及对金属矿山资源综合利用和节能降耗的贡献，并对此进行了综合评述和发展展望。

关键词：研磨；分散；金属矿山；比能量；研磨介质

1 引言

笔者从事德国公司卧式砂磨机销售业务数十余年，且已曾受邀在国内大专院校﹑工研院﹑中科院及国内外企业针对“新一代高效率纳米研磨的现况及发展”主题演讲，并已规划过数百个案子，在国内已销售数百厂实绩。其主要应用领域可以1998年为区分点。1998年以前，企业界所面临的问题为如何提高分散研磨效率以降低劳力成本，如染料﹑涂料﹑油墨等产业。而1998年以后，产业技术瓶颈则为如何得到微细化（纳米化）材料及如何将纳米化材料分散到最终产品里，如光电业TFTLCD﹑Jet ink﹑电子﹑磁性材料﹑医药﹑生物制药和细胞破碎﹑氧化物﹑食品等行业。

最近十几年来卧式砂磨机得到了迅速的发展，在冶金、矿业、非金属矿物材料、化工、陶瓷和新材料领域得以广泛应用。超细卧式砂磨机是一种高效节能的超细湿法粉碎设备，随着卧式砂磨机设备的超大型化和技术的不断完善。卧式砂磨机将在金属矿山再磨或细磨作业中得到普遍应用。

不论是传统产业提升研磨效率求快或是高科技产业纳米化材料求细需求，对大批量工业化生产来说，耐高温、耐强酸、耐磨、无污染控制都同样重要。所以细﹑快﹑大、更少污染已成为新一代分散研磨技术最重要的课题。

本文将针对纳米级研磨的现状及发展﹑纳米级分散研磨技术的原理﹑纳米级研磨机的构造﹑现有设备的来源﹑应用实例及注意事项﹑结论及建议等六大主题展开讨论。

2 纳米级分散研磨技术的现状与发展

（1） 化学方法和物理方法

随着 3C 产品之轻、薄、短小化及纳米材料应用白热化，如何将超微细研磨技术应用于纳米材料的制作及分散研磨已成为当下重要课题。一般想得到纳米粉体有两种方法。一种是化学方法，由下而上之制造方法（bottom up），如化学沉淀法，溶胶凝胶法（sol-gel）。另一种方法则为物理方法，将粉体粒子由大变小（top down），如机械球磨法、化学法、物理法等。

到目前为止，大部分化学法或由下而上之纳米粉体制造方法被学术界研究且已有丰硕的成果，可以得到数纳米级粉体。唯其制造成本有时相当高，且不易放大, 同时所得到粒径分布亦较大。所以到目前为止，企业界仍主要以物理机械研磨方法得到纳米级粉体。物理方法较易得到粒径分布较小的纳米级粉体，同时生产成本相对较低，参数容易控制，将研发实验机台所得参数放大到量产机台。只是物理方法目前只能研磨到30 nm，但已能满足业界需求。

（2） 干法研磨和湿法研磨

对纳米粉体制造厂而言，一般希望以干法研磨方法来得到最终粉体。但若以机械研磨方式研磨粉体，在研磨过程中，粉体温度将因大量能量导入而急速上升，且当颗粒微细化后，如何避免防爆等问题产生也是研磨机难以掌控的因素。所以一般而言，干法研磨的粒径只能研磨到5~8 μm。如果要得到5 μm以下粒径，建议必须使用湿法式研磨。

所谓湿法研磨即先将纳米粉体与适当溶剂混和调制成适当材料。为了避免研磨过程中发生粉体凝聚现象，需加入适当分散剂或助剂充当助磨剂。若需制备纳米级粉体，则需选择适当的溶剂﹑助剂﹑过滤方法及干燥方法。

（3） 研磨和分散

研磨是利用剪切力﹑摩擦力或冲力将粉体由大颗粒研磨成小颗粒。分散是使纳米粉体被其所添加溶剂﹑助剂﹑分散剂、树脂等包覆住，以便达到颗粒完全分离﹑润湿﹑分布均匀及稳定的目的。在纳米粉体分散或研磨时，因为粉体尺度处于由大变小的过程中，范德瓦尔力及布朗运动现象逐渐明显。所以，选择适当助剂以避免粉体再次凝聚，利用研磨机来控制研磨浆料温度以降低或避免布朗运动影响，将是纳米级粉体研磨及分散的关键技术。

3 有色金属矿及非金属矿粉体的分散研磨原理

湿法研磨方式是得到纳米级粉体最有效且最经济的方法。图1和图2分别是砂磨机的结构图和工作原理图。图3是砂磨机动态转子置于其内的超大过流面积分离器。

结合图1、图2和图3来看，马达利用齿轮箱传动搅拌转子，利用动力使锆球运动产生剪切力，浆料通过泵的推力到达研磨室，移动过程中因与磨球有相对运动而产生剪切力，进而产生分散研磨效果。浆料粒径小于研磨室内分离磨球与浆料之动态大流量分离器滤网间隙大小时，浆料将被离心力挤出至出料桶槽以便得到分散研磨效果。上述过程为研磨1个周期，若尚未达到粒径要求，则可以重复上述动作，称为循环研磨，直到粒径达到要求为止。

上述流程可用有色金属矿选矿、研磨、分选流程图（见图4）表示。浆料粒径未达要求，将回送至研磨室继续研磨，直到符合要求。

4 研磨操作流程及技术控制

图5和图6分别是传统立式搅拌磨与超大型卧式砂磨机的研磨操控流程图。两者的区别主要在于砂磨机的结构与研磨方式。研磨操作流程及相应的技术控制主要分为以下几方面。

（1） 浆料前处理及预搅拌

本系统能否成功达到研磨或分散目的，主要在于研磨介质（即锆球）大小及材质的选择。以笔者经验，所选择磨球需为1.0~1.8 mm。同时，为了让小磨球能够在研磨过程中不受浆料X轴方向移动的推力影响，而堵在滤网附近，导致研磨室因压力太高而停机，其搅拌转子线速度需超过16 m/s。同时，浆料粘度控制在1000 cps以下，以便让磨球运动不受浆料粘度影响。同时，浆料的固含量也需控制在65%以下，以防止研磨过程中因粉体比表面积增加而导致粘度上升，无法继续使用小磨球。同时，为避免1.0 mm以下的磨球从动态分离器流出研磨室或卡在滤网上，滤网间隙需调整到0.8 mm左右。

前处理或预搅拌时，需依下列原则准备研磨前的浆料，整理如下：

1)先决定所欲研磨的浆料最后粒径需求。

2)将浆料粘度﹑固含量﹑研磨前细度、最终要求细度做准备，并满足预定需求。

3)预搅拌或前处理系统搅拌转子转速需为高线速度设计。建议线速度为10~23 m/s以避免产生浆料沉淀或不均匀问题。

（2） 超大型卧式砂磨机

为了同时保证研磨高效化和研磨机的正常运转，所需控制原则及参数如下：

1)依照所需粒径要求选择适当的磨球。例如，若需达到超细粉体要求且避免磨球损耗，需选择钇稳氧化锆磨球，莫氏硬度越大越好，磨球需为规则球形，没有孔隙，大小为1.2~1.8 mm。磨球的选择会显著影响研磨所欲达到的粒径尺度。

2)依据磨球大小及浆料粘度，适当调整搅拌转子转速。一般冶金、矿业、非金属矿物材料、化工、陶瓷和新材料超细粉体研磨，转速需达13.5~23 m/s以上。

3)控制研磨浆料温度。一般浆料研磨温度需控制在90 ℃以下。对浆料温度影响较大的主要有转子转速﹑磨球充填率﹑研磨桶热交换面积大小﹑冷却水条件及流量。

4)依据磨球大小选择适当动态分离系统间隙。一般间隙为磨球直径的1/2~1/3。

5)调整进料泵的转速。在研磨桶允许压力范围内，进料泵的转速越大越好，一般选择HP工业级软管泵。

如此，可以于同一研磨时间内增加浆料经过研磨机研磨次数以得到较窄粒径分布。

6)记录研磨机所需消耗的电能。

7)取样时，记录每个样品的比能量值，并于分析该粒径大小后，探索出比能量与平均粒径关系，以利将来放大试验用。

8)达到所需比能量值时即可停机。此时，按预定要求应该已达到所需研磨分散的平均粒径。

（3） 循环桶

一般要得到超细粉体，均需利用卧式砂磨机研磨数次，为了节省人力及利于自动化﹑无人化操作，可使用循环式操作模式用于纳米级粉体研磨。

决定平均粒径（D50）之方法，若浆料配方固定，研磨机操作条件亦固定，平均粒径将决定于比能量值。比能量E值定义如下：

E=(P-P0)/m·Cm（1）

其中，E-比能量，单位为kW·h/t

P-消耗电力，单位为kW

P0-无效的消耗电力，尚未加入磨球时，启动研磨机消耗电力，单位为kW

m-流量，单位为t/hr

Cm-固成分，单位为%

由上可知，比能量指每吨粉体单位小时所消耗的电力。

如图7所示，以研磨碳酸钙为例，通过改变研磨机搅拌转子的速度(12~18.5 m/s)和流量，以X轴为比能量，Y轴为平均粒径作图。由图7可以得知，在允许范围内，不论流量或搅拌轴速度如何改变，只要比能量值固定，其研磨所得平均粒径都能得到控制。所以，只要控制相同的比能量值，即可得到相同的平均粒径值。

（4） 磨球大小对研磨结果的影响

如图8所示，不同磨球大小将影响所需的比能量值。当使用1.0~1.4 mm磨球研磨碳酸钙时，需320 kW·h/t，才可达到D80小于2 μm的粒径。但当比能量E值达到96 kW·h/t后，改用0.6~0.8 mm磨球继续研磨，则只需要比能量180 kW·h/t，即可达到相同D80小于2μm的粒径。若浆料起始粒径可以先处理的更小，例如20 μm以下，则可以改用0.2~0.6 mm磨球研磨，则达到D80小于2 μm粒径所需的比能量值将再度缩小。由此得知，磨球越小，则研磨效果越好，所需比能量值越小。

（5） 展望市场，设备超大型是必经之路

在金属矿山中，部分铁矿需磨至400目通过95%或更高才能单体解离，精矿品位通过65%，需要大处理量、窄粒径的超细搅拌球磨机。金银矿、钼矿、铜矿、镍矿、铅锌矿也需要磨至400目通过90%或更高才能单体解离，需要具有细磨和擦洗作用的大型搅拌球磨机。

由于造纸行业发展迅速，将带动CaCO3需求量增长，势必带动大型现代化造纸钙生产基地的建立和完善。 现在如太阳纸业集团高旭公司、晨呜纸业集团、岳阳林纸集团纷纷建立大型造纸钙卫星生产基地，至少年产5~10万t/a以上。中铝拟向西芒杜铁矿投资22亿美元。广西南国铜业有限责任公司年产15万t铜冶炼项目环境影响报告书得到了国家环境保护部正式批复。驰宏锌锗公告称，公司全资子公司呼伦贝尔驰宏矿业有限公司（下称“呼伦贝尔公司”）14万t锌/年、6万t铅/年冶炼项目实际投资超出计划14.2305亿元。为进一步保障项目建设资金的连续性，呼伦贝尔公司拟将总投资由原来的33.9874亿增加到48.2179亿元。国有企业中国有色矿业集团有限公司旗下子公司计划通过非公开发行A股股票筹资至多人民币17.9亿元(合2.92亿美元)，部分所筹资金将用于在广东省建立的一个稀土工厂。这可能意味着中国再次对这种具有战略意义的矿产提起重视。高岭土、膨润土、云母等非金属矿业也将向大型化、现代化生产发展，例如国内的中国高岭土公司、广西北海高岭土公司、广东茂名高岭土公司和山西金洋高岭土公司等也将步入大型化、自动化大生产。

工业矿物粉体的制备，价格相对低廉，因此需要处理量大的加工设备。研制产品粒度细且分布均匀、处理量大的大型超细搅拌磨机是工业矿物粉体深加工的当务之急。在能源工业中，例如，煤直接液化项目中催化剂制备技术，就需要大型超细搅拌磨机制备亚微米级黄铁矿油浆。

因此，非金属行业、金属行业亦或能源行业，迫切需要一种高效、实用、能耗低且价格适中的大处理量、窄粒径的超细超大型卧式砂磨机。

我国许多矿山工业生产铁精矿都使用普通卧式球磨机磨矿，因普通卧式球磨机磨矿效率低，产品粒度达不到要求，矿物没有达到单体解离，所以铁品位只能在53%~55%之间。超大型卧式砂磨机是金银矿、钼矿、铜矿、镍矿、铅锌矿、铁矿再磨或细磨最具有发展前景、能量利用率高、产品粒度细的一种细磨设备。另外，由于该设备结构简单、操作维护方便，从而被广泛应用于黄金矿、有色金属矿、金属矿和磁性材料等工业生产中。

柿竹园有色金属矿铁精矿磨多年来都是采用卧式球磨机，磨矿粒度一直都是43 μm占到60%，铁品位在53%~55%之间，磨矿细度达不到，铁精矿品位不能提高。所以换用派勒超大型卧式超细砂磨机是唯一选择。

5 派勒新一代超大型卧式超细砂磨机结构

若想有效完成纳米级粉体的分散研磨，大流量﹑小磨球已成为必然趋势。因此，新一代纳米级研磨机构造需能满足“大流量﹑小磨球”设计原则。

以图9和图10为例，图9是派勒超大型卧式超细砂磨机PHE 10000L现场案例示意图，图10是其研磨盘和转子。

新型超耐磨、耐高温、耐酸碱材质研磨盘和转子

结合图9来看，研磨室桶体直径较大，且产能较高时，可称得上较好的砂磨机。因可以降低浆料残余量以方便设备清洗。如图10所示，分离机构（即专利动态大流量分离器）间隙根据不同磨球大小可任意调整，不需卸下磨球及打开研磨机即可完成。同时，滤网面积越大则研磨机所能使用流量将越大，更能满足“大流量﹑小磨球”原则，滤网间隙需为磨球大小1/2~1/3。

研磨桶需有大面积热夹套层设计，以利于将热量带走并控制良好研磨浆料温度。研磨桶内，所有与浆料接触部分材质需慎重选择以避免金属离子析出等污染问题产生。

图11是派勒PHE 10000L超大型卧式超细砂磨机整体外观图，该砂磨机主要用于金银矿、钼矿、铜矿、镍矿、铅锌矿、铁矿、硫酸法钛白粉、GCC高岭土等有色金属矿和非金属矿业领域的超细研磨。

通过与长沙矿冶研究院、中金岭南、驰宏锌锗等公司的技术交流合作，即将开展对派勒PHE 10000超大型卧式超细砂磨机在金银矿再磨中的应用工作。金被黄铁矿包裹，以显微金、次显微金或固熔体存在的含金矿石，是难溶浸提金的一类金矿石。

超大型卧式超细砂磨机在边磨边浸过程中，磨矿介质与矿料之间强烈的剥磨作用，破坏了物料颗粒表面的扩散界面层，从而加快化学反应速度，提高了浸出率。已在与福建紫金矿业殷份公司、安徽省锕陵朝山金矿、山东乳山金矿等黄金企业讨论合作。

6 结论与建议

综上所述，“大流量﹑小磨球”为纳米级粉体研磨主要依循原则。 若欲满足细﹑快﹑更少污染"的纳米级粉体研磨要求，需具备下列条件：

（1） 先认清研磨材料的特性要求。

（2） 根据材料特性要求匹配适宜的研磨机。

（3） 搭配适当配套设备，如冰水机﹑压缩空气机、预搅拌机及移动物料桶等。

（4） 找到适合产品的助剂。

（5） 与上﹑下游有完善的沟通，以便调整最佳配方与研磨条件，提高纳米粉体相容性。

超大型卧式超细砂磨机已在金属矿山、非金属矿应用超过180多台，对金属矿山、非金属矿资源综合利用和节能降耗做出了应有的贡献。

超大型卧式超细砂磨机将会引起金属矿山矿物加工领域更多的关注和重视，应用愈加普及化。这都需要设备研制者和工艺人员密切配合，共同攻关，进行大型搅拌球磨机研制及其在金属矿山的应用。细磨技术和装备在金属矿山资源综合利用和节能降耗中大有用武之地。

参考文献

[1] 张国旺.超细粉碎设备及其应用[M].北京:冶金工业出版社,2005.

[2] 李东.有色金属硫化矿选矿技术现状及进展探研[J].四川有色

金属,2007.

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[6] M Hourn,D Halbe. The NENATECH Process: Results on Frieda

River Copper Gold Concentrate[J].Proceedings of the International

Conference of Randol,1999.

[7] M Gao,K R Weller,K R. Review of Alternative Technologies For

Fine Grinding[J].AMIRA Project,1993.

[8] Juhasz,Opoczky.Mechanical Activation of Minerals by Grinding

[J].Ellis Horwood Limited,1990.

作者简介：雷立猛（1978年~），工学博士，主要研究方向：纳米粉体分散、研磨技术及应用。

Puhler Wet Grinding Nano Powder of Puhler Nano Grinding Tech Communion

LEI Li-meng1,2,3

(1.Puhler Machinery & Equipment Co., Ltd.,Guangzhou 511495; 2.Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy,Changsha 410012; 3.Lingnan Danxia Smelter,Shaoguan 512322)

Abstract: Fine grinding mills have improved in design and efficiency in recent years, allowing major opportunities for treatment of materials where liberation to grind sizes below fifteen microns are required. The successful development of the Puhler PHE Super Max Flow Mill, a horizontal stirred mill, has produced equipment capable of grinding the larger tonnages which exist in mineral processing operations, to product sizes below ten microns. Initially developed for use with base metal flotation circuits, significant test work conducted in 1998 shows that major economic gains can be achieved by producing finely ground material for leaching. Puhler PHE Super Max Flow Mill development and operation is reviewed. Results from test work to produce a feed stock for both straight cyanidation and sulphide leaching are discussed, with emphasis on energy consumption, product size and leachability. A number of options for ultrafine grinding and leaching are also discussed.

Key words: grinding; dispersing; metal mine; specific energy; grinding media

（4） 找到适合产品的助剂。

（5） 与上﹑下游有完善的沟通，以便调整最佳配方与研磨条件，提高纳米粉体相容性。

超大型卧式超细砂磨机已在金属矿山、非金属矿应用超过180多台，对金属矿山、非金属矿资源综合利用和节能降耗做出了应有的贡献。

超大型卧式超细砂磨机将会引起金属矿山矿物加工领域更多的关注和重视，应用愈加普及化。这都需要设备研制者和工艺人员密切配合，共同攻关，进行大型搅拌球磨机研制及其在金属矿山的应用。细磨技术和装备在金属矿山资源综合利用和节能降耗中大有用武之地。

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[8] Juhasz,Opoczky.Mechanical Activation of Minerals by Grinding

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作者简介：雷立猛（1978年~），工学博士，主要研究方向：纳米粉体分散、研磨技术及应用。

Puhler Wet Grinding Nano Powder of Puhler Nano Grinding Tech Communion

LEI Li-meng1,2,3

(1.Puhler Machinery & Equipment Co., Ltd.,Guangzhou 511495; 2.Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy,Changsha 410012; 3.Lingnan Danxia Smelter,Shaoguan 512322)

Abstract: Fine grinding mills have improved in design and efficiency in recent years, allowing major opportunities for treatment of materials where liberation to grind sizes below fifteen microns are required. The successful development of the Puhler PHE Super Max Flow Mill, a horizontal stirred mill, has produced equipment capable of grinding the larger tonnages which exist in mineral processing operations, to product sizes below ten microns. Initially developed for use with base metal flotation circuits, significant test work conducted in 1998 shows that major economic gains can be achieved by producing finely ground material for leaching. Puhler PHE Super Max Flow Mill development and operation is reviewed. Results from test work to produce a feed stock for both straight cyanidation and sulphide leaching are discussed, with emphasis on energy consumption, product size and leachability. A number of options for ultrafine grinding and leaching are also discussed.

Key words: grinding; dispersing; metal mine; specific energy; grinding media

（4） 找到适合产品的助剂。

（5） 与上﹑下游有完善的沟通，以便调整最佳配方与研磨条件，提高纳米粉体相容性。

超大型卧式超细砂磨机已在金属矿山、非金属矿应用超过180多台，对金属矿山、非金属矿资源综合利用和节能降耗做出了应有的贡献。

超大型卧式超细砂磨机将会引起金属矿山矿物加工领域更多的关注和重视，应用愈加普及化。这都需要设备研制者和工艺人员密切配合，共同攻关，进行大型搅拌球磨机研制及其在金属矿山的应用。细磨技术和装备在金属矿山资源综合利用和节能降耗中大有用武之地。

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作者简介：雷立猛（1978年~），工学博士，主要研究方向：纳米粉体分散、研磨技术及应用。

Puhler Wet Grinding Nano Powder of Puhler Nano Grinding Tech Communion

LEI Li-meng1,2,3

(1.Puhler Machinery & Equipment Co., Ltd.,Guangzhou 511495; 2.Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy,Changsha 410012; 3.Lingnan Danxia Smelter,Shaoguan 512322)

Abstract: Fine grinding mills have improved in design and efficiency in recent years, allowing major opportunities for treatment of materials where liberation to grind sizes below fifteen microns are required. The successful development of the Puhler PHE Super Max Flow Mill, a horizontal stirred mill, has produced equipment capable of grinding the larger tonnages which exist in mineral processing operations, to product sizes below ten microns. Initially developed for use with base metal flotation circuits, significant test work conducted in 1998 shows that major economic gains can be achieved by producing finely ground material for leaching. Puhler PHE Super Max Flow Mill development and operation is reviewed. Results from test work to produce a feed stock for both straight cyanidation and sulphide leaching are discussed, with emphasis on energy consumption, product size and leachability. A number of options for ultrafine grinding and leaching are also discussed.

Key words: grinding; dispersing; metal mine; specific energy; grinding media