高压辊磨机的技术特性及在有色矿山的应用

常亮亮

(中国恩菲工程技术有限公司 矿山事业部，北京 100038)

高压辊磨机的技术特性及在有色矿山的应用

常亮亮

(中国恩菲工程技术有限公司 矿山事业部，北京 100038)

高压辊磨机作为一种高效节能的设备在国外已得到了较为广泛的应用。本文就高压辊磨机的工作原理和技术特性作了简要介绍，并描述了其在我国有色矿山的应用情况。通过对适用流程、节能优势与在生产实践中的局限性等问题的阐述，探讨了高压辊磨机的发展前景。

高压辊磨机； 技术特性； 碎磨流程； 节能降耗

0 前言

自1985年世界上第一台双驱动液压高压辊磨机问世以来，最初广泛应用于水泥生熟料、石灰石、高炉炉渣、煤以及各类非金属矿物的粉碎，近年逐渐开始应用于铁矿、有色金属矿破碎工艺中，与常规碎矿流程相比更深层次体现了“多碎少磨”的节能理念。该设备能有效提高物料的粉碎效率，进而达到降低金属矿业破碎和磨矿系统综合能耗的目的。

目前基于对磨矿作业能量利用率低、能耗高的的普遍共识，“多碎少磨”已成为世界粉碎工程界改善碎矿、磨矿过程和提高综合技术经济指标的重要措施。高压辊磨机正是在这种大背景下被引入金属矿业碎矿领域，作为三段破碎中的细碎设备或在常规三段破碎后、入磨前的超细碎设备；该设备还可用作自磨(半自磨)回路的顽石破碎设备；在铁矿中也有被应用于“高压辊磨—粗粒湿式磁选抛尾工艺”中，以使入选给料达到适宜抛废粒度，进而达到提高入磨矿石品位，减少入磨矿量，降低生产成本的目的。

鉴于高压辊磨机在黑色矿山“高压辊磨—粗粒湿式磁选抛尾工艺”中的相对不可替代性，本文主要探讨其在有色矿山领域的应用。

1 高压辊磨机的工作原理[1-2]

高压辊磨机粉碎机理的基础即“料团粉碎原理”。已有研究结果表明：脆性矿石用高压粉碎方式进行层压粉碎时，所需能耗远远低于传统的粉碎方式(如冲击、剪切等)。

高压辊磨机工作时两个辊子作慢速的相对运动，其中一个辊固定，另一个可以作水平方向滑动，当物料由高压辊磨机上部以挤满给料方式连续喂入并通过双辊间的间隙时，给活动辊以一定的作用力，使物料被此两个相向转动的辊子咬住(即咬住作用)，随辊面向下运动，进行破碎过程。

咬住作用和挤压给料是料团在封闭空间内压力能够产生并积聚的前提。在封闭粉碎腔内的物料，除位于表面层的颗粒直接同辊面接触并受到辊面作用力外，料团内部颗料之间互相施力(见图1)，使料团内颗粒产生位移、压实、出现微裂纹和粉碎等过程。这种料团颗粒间相互作用产生的粉碎，即为料团粉碎。料团粉碎时全部颗粒都受力并产生粉碎，而不仅仅是同辊面直接接触的较粗颗粒受力，因此高压辊磨机产量和能量利用率高、辊面磨损低。

图1 颗粒之间互相施力和颗粒多点受力

2 高压辊磨机的技术特性

与常规破碎机相比，高压辊磨机具有如下主要特点：

(1)破碎比大。该设备可作为超细碎设备，通过闭路筛分，能达到3 mm甚至更小的产品粒度。

(2)产品中细粒级含量高。与采用其他破碎设备相比，当产品粒度相同时，采用高压辊磨机作破碎设备，可使原有球磨机回路的生产能力显著增加。

(3)产品的磨矿功指数降低。由于“料团粉碎”效应，高压辊磨机产品中不但细粒级含量增多，而且颗粒中会产生大量微裂纹，使得磨矿功指数降低，因此采用高压辊磨机作为细碎设备，有利于节省后续磨矿系统的能耗及降低钢球和衬板等金属消耗。

(4)给矿适应范围广。不但适于处理硬度较低的石灰石而且适于处理所有脆性材料包括摩氏硬度达到10的硬材料。

(5)维修量低、易损件寿命长、运转率高。

高压辊磨机在国内外的应用均表明：高压辊磨机产品中细粒级和超细粒级含量较常规破碎机高，并且破碎产品颗粒有大量微裂纹，当后续作业是磨矿时，其大量的细粒级及颗粒的微裂纹可大幅降低磨矿的能量消耗及钢球和衬板的消耗。因此其可在粉碎脆性、硬度和磨蚀性高的矿石(铁、金、铜、金刚石等)中推广应用。其缺点表现在产品中的部分料饼不易打散，影响后续干式筛分效果；且对给矿含泥含水量有一定要求局限性，即高压辊磨机要求给矿物料具有较好的流动性。

3 高压辊磨机在国内有色矿山的应用

除作为顽石破碎设备用于自磨(半自磨)流程中外，在有色金属矿业领域采用高压辊磨机作为细碎设备或超细碎设备主要目的是为了能够减少后续磨矿的功耗或者能够提高后续磨矿设备的处理能力。

3.1 高压辊磨机在某钼矿的应用

图2 某钼矿碎矿工艺流程

在某钼矿选矿厂扩产改造工程中，选用了以高压辊磨机作四段破碎的碎磨工艺方案，即在传统的三段破碎后增加高压辊磨机作为四段破碎(超细碎)设备，碎矿流程见图2。该项目对半自磨+球磨工艺、常规碎磨工艺及以高压辊磨机作超细碎的碎磨工艺进行了详细论证，并对三段一闭路常规碎磨方案、以高压辊磨机作超细碎的碎磨工艺方案进行了全面的技术经济比较，比较结果是：以高压辊磨机代替常规细碎设备，碎矿产品粒度可降低到P80=7.2 mm，实现了“多碎少磨”；同时由于高压辊磨机的应用改善了矿石的可磨性，球磨机处理能力可提高15%左右。与三段一闭路常规碎磨方案相比，以高压辊磨机作细碎的碎磨工艺方案建设投资节省248.9万元，碎磨作业成本每年降低44.4万元。

2008年德国某公司对该矿钼矿石进行了高压辊磨机试验，试验结果表明，当给矿粒度为-25 mm时，高压辊磨机产品粒度可达P80=7.2 mm，产品中-0.09 mm粒级含量从0.91%增加到13.45%～17.82%(柱钉辊面)；高压辊磨机排料中，边料与中心料粒级组成差别不大，当给矿粒度为-25mm时可以实现高压辊磨机开路破碎，避免了高压辊磨机破碎回路闭路筛分、筛分前产品打散等一系列问题。因此确定碎磨工艺采用以高压辊磨机作超细碎的碎磨工艺方案。

该钼矿新建扩产选矿系统于2011年9月投入使用，生产规模为10000 t/d，投产当年即达产达标。高压辊磨机采用1台(引进设备)，规格为Φ1.5 m×1.0 m，功率为2×750 kW。磨矿设备采用1台Φ5.5 m×8.5 m球磨机，安装功率4500 kW，一段磨矿产品细度为-0.074 mm占60%。系统存在雨季含水高，粉矿仓易堵塞等问题。

3.2 高压辊磨机在某金矿的应用

在某金矿采用了以高压辊磨机作为细碎设备的常规碎磨工艺方案，碎矿流程见图3。

图3 某金矿碎矿工艺流程

该项目鉴于高压辊磨机产品太细对后续的干式筛分、粉矿贮存均存在不利影响；同时考虑到高压辊磨机产品湿式筛分后与球磨系统配套使用的复杂性以及工业场地的限制，根据试验开路细碎产品不粗(与常规产品相当，d80约7 mm)，所以在强化中碎和闭路筛分的前提下为简化流程，在细碎作业采用高压辊磨机，给矿粒度为-25 mm，产品粒度d80=7 mm，高压辊磨机产品不设闭路筛分直接输送至粉矿仓。此外，试验结果显示使高压辊磨机辊面端部的破碎效果较差，出现较大颗粒，边缘效应较明显；且由于选矿工业场地的限制等原因，在设置边料返回有一定难度的情况下，为了保证最终入磨物料的产品粒度，该项目适当增加了高压辊磨机的辊子长度，以提高物料位于辊子中间部分的比例，尽可能降低边缘效应对产品粒度的影响。

项目技术经济比较结果表明：高压辊磨机作为细碎设备的碎磨方案较与常规三段一闭路碎磨方案相比，投资增加2021万元，生产成本降低488万元/年，投资静态回收期为4.1年。以该金矿的服务年限为9～10年计，项目后期可共节约成本2391～2879万元。

该金矿新建选矿系统于2013年3月投入试生产，2013年6月即达产达标。至2013年底，系统稳定处理能力为9500～10000 t/d，日最大处理能力为10500 t。高压辊磨机采用1台(引进设备)，规格为Φ1.4 m×1.1 m，功率为2×560 kW。磨矿设备采用1台Φ5.5 m×8.5 m球磨机，安装功率4500 kW，实耗功率约4000 kW，一段磨矿产品细度为-0.074 mm占55%。

高压辊磨机给矿粒度-25 mm、胶结物含量10%～15%、水分7%～8%、-200目含量1.57%。产品：P80=7 mm，-200目含量18.5%。截至2013年12月18日，该高压辊磨机负荷运行4124小时，共计处理矿石量207.8万t，辊面未进行过更换。因给矿胶结物含量较高，高压辊磨机压力给料仓未充分使用，目前料柱高度为40～50 cm，若挤满给料则料仓易堵塞。尽管未能实现挤满给料，现场观察高压辊磨机产品仍可成料饼，此外产品中有少部分较大块度物料。

3.3 高压辊磨机各相关流程及工艺配置方案的优势和局限性

在以上两个矿山，高压辊磨机均采用开路作业，且均在破碎筛分系统采用。基于开、闭路设置方式，可分为高压辊磨机产品全开路破碎、半闭路破碎与闭路破碎3种不同的工艺方案；基于高压辊磨机的配置位置，又可分为：(1)高压辊磨机设置于粉矿贮存设施前(即与破碎筛分系统采用同一工作制度)；(2)高压辊磨机设置于粉矿贮存设施后(即与磨矿系统采用同一工作制度)。与磨矿系统采用同一工作制度，要求高压辊磨机能够达到90.41%以上的设备作业率。

3.3.1 关于高压辊磨产品的开路、半闭路和闭路破碎流程

就高压辊磨产品的开路、半闭路和闭路破碎流程而言，开路破碎配置最为简单，不需要边料返回，也无需考虑后续的打散、筛分等问题；但开路破碎会存在由于边缘效应导致辊面端部的破碎效果较差，出现较大颗粒，进而影响最终入磨物料的产品粒度问题。

对于闭路破碎，由于与筛分设备的配合使用，在同等条件下，可以获得较开路破碎更细的产品粒度，使入磨物料的产品细度得到保证，更有利于降低后续磨矿的能耗。闭路破碎又可分为干式闭路与湿式闭路，但无论是干式闭路还是湿式闭路，由于在高压力作用下，高压辊磨的产品成饼状，使其在筛分前均需经过打散工序，否则会严重影响筛分效率；干式筛分还存在粉尘量大及粉矿贮存不利等问题，而采用高压辊磨机产品湿式筛分会遇到与球磨系统配套使用的复杂性以及工业场地的限制等问题，还需考虑设备作业率能否满足其与磨矿系统配套使用的问题。

在半闭路流程中，使辊面端部破碎效果较差的较大颗粒返回高压辊磨机进行再破碎，可较为有效地解决产品细度问题，尽管其效果与闭路尚有差距，但在工艺配置上和生产管理上要简单得多。因此在一定给矿条件下，半闭路流程为高压辊磨机的较适用流程。

3.3.2 关于高压辊磨机的三段破碎流程及四段破碎流程

就高压辊磨机的三段破碎流程及四段破碎流程，一般而言，在同采用开路、闭路或半闭路的条件下，高压辊磨机作为细碎设备的三段破碎流程在配置上更为简单，但四段破碎能获得更细的粒度，对后续磨矿能耗的降低更为有利。高压辊磨三段或四段流程的确定，主要取决于需要的高压辊磨机产品细度。当高压辊磨机产品粒度与常规三段一闭路产品相当时，采用三段破碎流程较为合适。在高压辊磨机产品粒度与常规三段一闭路产品相当或略小时(P80=7 mm左右)，采用中碎筛分闭路，高压辊磨机作为细碎设备在工艺上易于实现，且能够取得降低后续磨矿系统能耗的效果，在该流程中应注意中碎闭路筛筛孔尺寸的选取，以得到适宜的高压辊磨机给矿粒度及中碎破碎机的循环负荷。如采用高压辊磨机作常规三段一闭路后的四段破碎设备后，高压辊磨机的产品粒度仍与常规三段一闭路产品相当或略有降低，该配置尽管在高压辊磨产品给矿的粒度上可能更为合理、之前破碎筛分系统的调节上更为灵活，但会使设备数量增多，破碎厂房面积增大，工艺配置的复杂性增加。

在高压辊磨机四段破碎(超细碎)流程中，高压辊磨机也可以理解为一段球磨的预磨矿设备，其主要功能是获得合理细度的破碎产品，以期最大限度的降低碎磨系统的总能耗。就高压辊磨机设备性能而言，可以获得较细粒级(-3 mm甚至更细粒级)的产品，但较细粒级产品的获得，需要更大的压力，在高压辊磨破碎段会消耗较大的能耗，这就存在高压辊磨系统与一段磨矿系统的能耗的平衡问题。在此流程中，为了得到合格粒级的破碎产品，高压辊磨机适于采用闭路或半闭路作业。若将高压辊磨机配置在粉矿贮存设施前，采用干式作业，产品粒度越细对后续干式闭路筛的影响越大，即使半闭路也存在严重的粉矿仓贮存问题。因此为了保证高压辊磨机及其配套系统的稳定运行需将高压辊磨机配置在粉矿贮存设施后，即与球磨系统采用同一工作制度：

(1)采用高压辊磨机半闭路流程，产品不经贮存直接通过带式输送机给入球磨机，通过带式输送机变频实现稳定给矿。

(2)高压辊磨机配套湿式闭路筛使用，筛下矿浆经渣浆泵给入磨矿系统。

3.3.3 关于高压辊磨机的工作制度

目前在有色矿山领域高压辊磨机多配置于粉矿贮存设施前与破碎筛分系统采用同一工作制度，此种配置有利于调节破碎与磨矿系统的均衡性，保证磨矿系统的稳定运行，但对含泥含水高的物料适用性较差。

而实现高压辊磨机与磨矿系统采用同一工作制度的关键在于—高压辊磨机能够保证与球磨机相当的高作业率以及较高的控制水平，否则难以保证生产顺行。

3.3.4 对含泥含水多物料的高压辊磨机适用流程探讨

根据高压辊磨机在以上某钼矿及某金矿的使用情况，在解决好“过铁”问题后，高压辊磨机设备本体运行比较可靠，而其配套系统的可靠性是决定高压辊磨机运用成败的关键所在。若给矿含泥含水量多，粘性大，流动性差，高压辊磨机系统存在以下问题：(1)给矿不畅，给料压力仓不能充分利用，难以实现挤满给料；(2)影响干式筛分效果；(3)粉矿贮存设施易堵塞。针对此种类型的矿石，为从根本上解决以上问题，在认可HPGR可连续运行24 h的前提下，是否可采用粗碎后破碎筛分系统全湿式作业，工作制度为24 h连续作业，与磨浮作业制度统一。图4列举了高压辊磨机常规三段一闭路全湿式工艺流程。

图4 高压辊磨机常规三段一闭路全湿式工艺流程

在该流程中，筛分设备及中碎设备需充分备用。为充分发挥高压辊磨机的能力，筛孔尺寸可放低到6 mm甚至更小，但合适的破碎产品粒度需充分考虑能耗在碎矿系统及磨矿系统的合理分配，经详细的技术经济比较确定。

4 高压辊磨机在有色矿业领域的发展前景

高压辊磨机作为一种新型碎矿设备，其最吸引人的功能就是高压辊磨机可改善矿石的磨矿性能，有利于后续磨矿系统的提产降耗。因此，目前在有色金属选厂正在逐步推广，并且在未来具有较好的发展前景。主要表现在以下方面：

(1)充分响应国家“节能降耗”的产业政策

与常规破碎流程相比，高压辊磨流程可节省15%～30%的能耗，与ABC(SABC)流程相比，节省能耗更大。

高压辊磨机的应用之所以能够降低后续磨矿的能耗，可宽泛地从以下两个方面来解释：第一，采用高压辊磨机可获得更多的细粒级甚至合格粒级，这些细粒级(合格粒级)在磨矿过程中少耗功或不耗功，因此有利于降低后续磨矿的能耗；第二，高压辊磨机除产生大量细粒级或微细粒级外，还会使颗粒间产生大量的微裂纹，这些微裂纹有利于改善物料的磨矿性能，邦德功指数相对降低。

(2)更能体现设备的大型化、高效化

就目前的破碎设备而言，与常规的各规格的破碎机相比高压辊磨机在设备大型化方面具有的较大的优势。以目前应用较为广泛、技术上较为成熟的规格最大的多缸液压圆锥破碎机MP1000及Φ2.1 m×2.4 m高压辊磨机为例，一台Φ2.1 m×2.4 m的高压辊磨机在细碎阶段可代替2～3台MP1000多缸液压圆锥破碎机。可以预见随着科学技术的逐步发展，高压辊磨机的规格不会只停留在直径2 m量级的阶段，无疑将会向更大的规格发展，进而更有利于实现设备的大型化、高效化。

(3)对硬矿石适应性强

常规破碎设备处理硬度较大矿石时，细粒级含量低、循环负荷大；SABC流程处理硬度较大矿石时存在顽石多、电耗高等问题。而高压辊磨机则对矿石的硬度适应性较广，不但适于处理硬度较低的石灰石等矿物而且能处理摩氏硬度很大的硬材料。

(4)运行成本的进一步降低

在高压辊磨机问世之初，辊面磨损问题曾经是制约其发展的首要问题之一。近年来，随着高压辊磨生产商在衬板技术上获得的较大进步，此问题已得到基本解决。目前采用较多的Hexadur WT2 辊面及柱钉辊面等均有较长的抗磨寿命。从而使困扰高压辊磨机实现工业应用的辊面磨损问题得到了较好的解决，大大降低了设备运营成本。目前辊面的修复技术又有新的进展—对破损辊面可现场焊接修复，因此进一步降低了设备运营成本。辊面制造技术及修复技术的发展和进步将给高压辊磨机的运营成本带来更大的降低空间，进而更有利于其在有色金属矿业领域的推广使用。

(5)后续作业问题的进一步解决

高压辊磨机的后续作业问题主要包括筛分、粉矿贮存等问题。将来随着强力曲张筛设备大型化的实现以及类似高效筛分设备的有望问世，相信筛分问题将得到较好的解决。关于粉矿贮存问题，也有高压辊磨机设备厂家对此进行深入研究，并取得了一定成果。可以预见，随着后续作业问题的逐步解决，高压辊磨机作为超细碎设备的功能将得以实现，在确保流程畅通的前提下可得到d95=6 mm甚至更细粒级的产品，进而可实现后续磨矿系统节能降耗的最大化。

5 结语

高压辊磨机是基于“料团粉碎原理”发展起来的新型粉碎设备，具有破碎比大、易损部分磨损率低、设备运转率高等特点，尤其适用于粉碎脆性、硬度和磨蚀性高矿物，该设备用于破碎筛分系统的细碎作业，破碎产品较常规流程微细粒级含量高，且颗粒内含有大量微裂纹，可较大程度地提高后续球磨机的作业效率，节省能耗。本文详细介绍了目前高压辊磨机在国内有色矿山的应用实例，列举了该设备在有色矿业碎矿领域的适用流程及各种工艺配置方案，并探讨了各流程及工艺方案的优势和在工业实现上遇到的问题。从工艺、配置、控制和技术经济等多方考虑，现阶段对于给矿性质较好的矿物，采用高压辊磨机作为细碎设备的三段破碎、中碎闭路，高压辊磨半闭路流程为较为适宜的高压辊磨机应用流程；对于含泥含水高、流动性较差的矿物，提出了常规三段一闭路全湿式工艺流程。

在世界能源日益紧缺、节能降耗日益引起重视的背景下，在磨矿系统的能耗、钢耗和效率的问题比较突出的形势下，由于具有优越的技术性能和节能降耗方面的优势，高压辊磨机适于在有色矿业领域推广应用，并且在未来具有更加广阔的发展前景。

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[2] 任德树，陈启鸿.辊压机料团粉碎机理及在金属矿山的应用[J].金属矿山，2007，(5)：5-9.

Technical Characteristics and Application in Nonferrous Metallurgical Mine of HPGR

CHANG Liang-liang

(Mine Department,China ENFI Engineering Corporation, Beijing 100038, China)

High pressure grinding roll (HPGR) has been widely used overseas because of its high-efficiency and energy-saving characteristics. This paper briefly introduces operating principle, technical characteristics and application in domestic non-ferrous metallurgical mine of HPGR, and discusses the application prospect via the exposition of appropriate circuit, energy conversation superiority, and limitation in productive practice.

HPGR； technical characteristics； crushing and grinding process； energy conservation

2013-10-16

常亮亮(1980-)，女，辽宁沈阳人，工程师，硕士研究生，主要从事选矿工程咨询设计工作。

TD453

B

1003-8884(2014)01-0036-06