矿山磨矿设备的应用及研究进展*

杨采文 毛莹博 邓久帅文书明方建军

(1.四川省会理县马鞍坪矿山废石综合利用有限责任公司；2.昆明理工大学国土资源工程学院；3.复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室)

矿山磨矿设备的应用及研究进展*

杨采文1毛莹博2，3邓久帅2，3文书明2，3方建军2，3

(1.四川省会理县马鞍坪矿山废石综合利用有限责任公司；2.昆明理工大学国土资源工程学院；3.复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室)

介绍了国内外矿山磨矿设备的应用及研究进展，从球磨机、半自磨机、棒磨机、搅拌磨机等常用磨矿设备以及近年来研发的新型磨矿机的性能特点和应用进展等方面进行了概括和讨论，并对其发展方向进行了展望，对促进我国磨矿设备的技术进步有积极意义。

球磨机 自磨机 棒磨机 搅拌磨 研究进展

矿产资源是工业、农业、制造业及能源原料的重要来源，高效利用矿产资源才能保证我国经济的快速发展。磨矿作业是矿产资源开发利用过程中一个不可或缺的工序，在矿山、冶金、化工、水泥、制粉、陶瓷等行业均设置了磨矿作业[1]。磨矿作业投资大、能耗高及对后续工序有重要影响，因此被广泛重视。为提高生产效率和指标，实现能源开发与节能并重的战略，磨矿设备的研发具有重要的现实意义[2]。为此，矿山工作者从改进磨矿设备性能、研发高效节能设备、降低磨矿能耗等方面进行了深入研究，不断有新型高效磨矿设备研发出来，并在实际生产中得到了应用。介绍了球磨机、半自磨机、棒磨机、搅拌磨机等国内外常用磨机的性能特点和最新研究进展，并对其发展方向进行了展望。

1 常用磨矿设备

1.1 球磨机

自19世纪意大利I.C.F公司设计制造的用于陶瓷工业的连续式球磨机问世以来，球磨机在矿山生产中应用已有100多年的历史，是矿山磨矿工艺的常用设备[3-4]。球磨机主要由筒体、给料端部、排料端部、主轴承和传动系统组成，其工作原理是回转体内装有一定量适宜粒级配比的钢球，筒体围绕中性轴线旋转时，筒体内的钢球和物料在离心力和摩擦力的作用下，随着筒壁上升到一定高度，以自由脱落或抛落等方式运动，在冲击力和磨剥的作用下将矿石磨细[5]。近年来，根据球磨机的工作原理，以节能降耗为目标，在传动方式、衬板、磨矿介质材料和磨机结构等方面得到了长足的发展，球磨机呈现出大型、高效、节能的特点。

球磨机的生产厂家主要有芬兰Metso公司、德国Krupp公司、澳大利亚的Qutokumpu公司和ANI公司、日本川崎重工和中国中信重工等[6]。规格为φ6.2 m×25.5 m的干式球磨机，采用环形电机驱动，安装功率为11.2 MW，早在1994年用于美国的一家金矿矿山；中信重工制造的湿式球磨机，目前最大规格达φ7.93 m×13.6 m，现用于澳大利亚的Sino铁矿和乌山二期项目[7]；丹麦富勒史密斯矿业公司生产的规格为φ7.93 m×13.6 m的球磨机，应用在南非的Anglo Platinum贵金属铂矿山，该磨机采用调心多滑履支撑轴承，超大功率双机拖动，全自动液压驱动的方式，具有规格大、设备配置高、易于调控的特点，有效提高了磨矿效率[8]。相对于特大型球磨机，中小型球磨机在我国矿山生产中得到了更广泛的应用。昆钢大红山铁矿2段磨矿采用φ2.7 m×3.6 m溢流型球磨机，前后通过2次改造，处理量不断提高，满足了不断增长的生产需求，获得了较好的经济效益[9]；MQY4.5 m×6.1 m溢流型球磨机是我国首例应用于黄金矿山的大型磨矿设备，在焦家金矿应用并进行优化改造后自动化水平提高，有效提高了磨机处理能力，比设计指标提高了10万t/a 左右，每年为企业增加直接效益3 334万元[10]；在非金属矿山选矿中应用较广的是φ4.573 m×6.1 m的溢流型球磨机，该磨机在贵州磷矿公司新建 110万t/a磨矿系统中得到了应用，生产过程该机运转平稳，技术指标超过了设计标准11]。

近年来，球磨机的关键零件经过不断改进，也取得了长足的进展。其中球磨机的衬板改进最为明显，如橡胶衬板因具有质量轻、耐磨损、耗能低、抗腐蚀、噪音低等诸多优点[12]，得到了广泛应用。同时，应用较多的是质量轻的复合型磁性衬板，使用时无需螺栓固定且使用寿命长，有效降低了安装维护的工作量与能耗，大大提高了球磨机的运转率[13]。中国冶金矿冶总公司生产的磁性衬板，在本钢歪头山铁矿应用后，处理量增加了5.6%，磨机排矿粒度降低，同时大大降低了电耗和钢耗，具有良好的经济效益[14]；衬板的形状结构也会对磨矿效率产生影响，攀钢集团在密地选矿厂采用波形衬板后，每台球磨机的处理量提高了约3 t，处理矿石的衬板单耗降低了0.005 kg/t，大大延长了衬板的使用周期[15]。

1.2 自磨(半自磨)机

自磨(半自磨)机是将不同体积的矿石以同球磨机相似的运行规律进行磨矿，即筒体转动时，矿石间的有效粉碎是利用了矿石之间的碰撞、冲击及摩擦等作用，并在排料端安装了格子筛进行分级，是一种同时具有破碎和粉磨功能的磨矿设备[16-17]。与球磨机和棒磨机最大的不同之处是其借助于被处理物料本身或添加少量介质使矿石粉碎，其动力来源为异步电机或同步电机，采用双边传动、单边传动或使用电动机在筒端直接拖动。与球磨机相比，其具有投资少、建设周期短、工艺流程简单、成本低、粉碎比高等优点。

从20世纪50年代开始，半自磨机与其他磨矿设备联用首先在金属矿山得到应用，随着计算机和自动化技术的不断发展以及磨机结构、形状和衬板的不断改进，目前在国内外得到了广泛应用[18-19]。

在国外，自磨(半自磨)机的使用较早，技术也比较成熟。目前，世界上最大的长筒型半自磨机规格为φ9.76 m×10.37 m，其安装功率为16.5 MW[20]；半自磨机在金矿选厂应用的报道较多，Fuller公司生产的半自磨机在澳大利亚某金矿选厂得到了应用，其规格为φ10.97 m×6.25 m，功率为12 491 kW[21]；Metso公司生产的半自磨机在巴西SOSSEGO金矿选厂投产，其规格为φ11.58 m×7.47 m，由功率为1 998.48 kW的环形电机驱动；Famel & Thompsow公司生产的半自磨机也在美国Phcenix铜金选厂投产，其规格为φ10.97 m×5.64 m，功率为13 423 kW[22]。

在我国，从20世纪90年代开始，自磨(半自磨)机也不断应用于矿山生产，并得到了发展，2013年11月，中信重工生产出了国内规格最大、重约430 t的φ10.37 m×5.19 m双电机驱动自磨机用于钼矿选厂，是目前国内规格最大、系统配置最高、控制性能最完善的钼矿磨矿设备[23]；中信重工生产的规格为φ12.19 m×10.97 m的半自磨机，单机安装功率达28 MW，2010年在澳大利亚Sino铁矿得到了成功应用，标志着我国半自磨机大型化技术能力已经达到了国际先进水平[24]。

1.3 棒磨机

棒磨机是在球磨机基础上发展起来的，但又不同于球磨机，在棒磨机运行时，由于棒与棒之间是线接触，不仅具有选择性磨碎作用，产品粒度较均匀，过粉碎现象少；而且具有处理能力大、加工技术可靠、辅助设备少等优点。

但是棒磨机的转速和充填率均较低，给矿粒度较严格，一般为25～30 mm，粒度过大时，棒磨机不仅会因钢棒歪斜而使钢板弯曲或折断，而且棒与棒之间会产生较大间隙，降低磨矿效率。与球磨机相比，棒磨机适用范围较小，在矿山生产中，球磨机一般情况下都能够代替棒磨机使用，因此，在国内，实际使用的棒磨机台数和产量都比球磨机要少。

梅山铁矿选厂所处理矿石的有用矿物主要是磁铁矿、菱铁矿、赤铁矿、褐铁矿和黄铁矿，脉石矿物主要有石英和方解石等，矿物组成复杂，不同矿物硬度相差较大，原采用两段球磨连续闭路磨矿时，磨矿产品粒度不均匀，螺旋分级效率低，达不到设计生产指标，经过技术改造，采用棒磨—螺旋分级—球磨—旋流器分级的磨矿工艺流程(棒磨机的规格为φ2.7 m×3.6 m)，经过生产调试后，磨矿产品粒度不均匀问题得到了改善，提高了磨矿分级效率[27]；金川二选厂使用φ2.7 m×4.0 m湿式棒磨机，通过对棒磨机给料部、进出料部和中空轴瓦保护系统进行改进后，设备的技术性能和运行效率显著提高，为该类型棒磨机设计制造及使用维修积累了宝贵的经验[28]。

1.4 搅拌磨机

搅拌磨机是一种筒体固定不动，内部安装搅拌装置带动磨矿介质运动，进而对矿石产生较大冲击、剪切和摩擦作用，使矿石得到粉碎的磨矿设备，用于磨碎较细粒物料时的磨矿效率高于球磨机，此外投资费用、能耗和噪音也低于球磨机。

在工业上应用搅拌磨机是从20世纪30年代开始的，经过80余年的发展，搅拌磨机是已成为应用广泛的细磨和超细磨设备[29]，主要集中在生产亚微米粉体、浆料、纳米涂料和新材料开发等领域，在矿业行业主要用于矿物加工的再磨作业。

1992年，澳大利亚MountIsa矿山和德国耐弛公司合作开发的Isa磨机是一种大型卧式搅拌磨机。Westhuizen和Jayasundara等采用正电子辐射颗粒跟踪技术、计算流体力学、离散元等手段相结合，研究了磨机内部介质的运动规律，并在研究结果的基础上进行了发展，在1994年澳大利亚Mountlas矿山铅锌尾矿再磨作业中进行了应用；2003年英美铂业集团公司在南非WLTR 选矿厂安装了M10000型Isa磨机，装机功率为2 600 kW，采用Isa磨机，有效提高了金属回收率，获得了可观的经济效益。同时，Isa磨机在澳大利亚最大的黄金矿山用于黄金精矿细磨作业中，可将矿石磨细到-10 μm，然后使用氰化浸出工艺，因而无需使用污染严重且费用高的焙烧炉作业，实现了清洁生产[30]。

搅拌磨机应用较好的还有立式螺旋搅拌磨机，其是以其搅拌器为螺旋叶片命名的，又叫塔磨机。在20世纪50年代，美国Kubota公司制造了第一台立式螺旋磨矿机，主要用于选矿领域，并获得了该项技术专利。澳大利亚的Hellyer选矿厂处理的矿石矿物组成比较复杂，主要有用产品是铜、银、铅和锌精矿，矿物难以单体解离，需细磨至-20 μm，磨矿设备采用立式螺旋搅拌磨机，运行结果表明，塔磨机与球磨机相比可节能40%；山东焦家金矿的精炼厂采用1 000 kW的塔磨机，磨机的给矿粒度-74 μm占50%，最终产品粒度达-38 μm占95%，处理量约1 200 t/a，取得了良好的经济效益[31-32]。

2 新型磨矿设备

从20世纪80年代末开始，随着仿真技术在磨机制造领域的应用，以及无齿传动环形电机的使用，磨矿设备得到了进一步的发展，高效节能的静动压轴承球磨机、中心传动球磨机、圆锥形球磨机，以及筒辊磨机、周边排料磨机和离心自磨机等在生产中得到了一定应用。

衡阳有色冶金机械厂生产的规格为φ3.6 m×6.0 m的静动压轴承球磨机，在陕西金堆城钼业百花岭选厂得到了成功应用；在青海锡铁山铝锌选厂，使用QSGφ2.8 m×3.6 m型静动压轴承球磨机，与常用球磨机相比，矿石处理能力提高了7%～10%，处理每吨矿石能耗降低15%～20%，单位钢耗降低5%[33-34]。国内第一台中心传动球磨机应用在甘肃陇南福利选厂，其规格是φ1.5 m×3.0 m，与常规球磨机相比，处理每吨矿石的电耗降低了32.51%，节能效果十分明显[34]。陕西凤县金矿选厂1段、2段磨矿分别采用φ2.1 m×2.7 m和φ1.5 m×3.5 m圆锥球磨机，与传统球磨机相比，每年可多处理 1.5万t矿石，节电32万kWh[34]。2008年沈重设计院成功研发出SG3800筒辊磨机，在水泥熟料和矿渣生产中得到应用，促进了我国水泥事业和生产水泥设备的国产化[35]。周边排料磨机在矿山、冶金和建筑等行业得到广泛应用，其具有不易过磨、磨矿速度快等优点，段希祥等对广西的锡矿石分别进行了周边排料磨和中心排料磨的磨碎对比试验，结果表明周边排料磨机能有效减少密度大的锡石过磨，减轻过粉碎现象，采用周边排料磨机后，锡回收率提高了1.27个百分点[36]。离心自磨机是集中碎、 细碎及磨矿多种功能的磨矿设备，能一次将粗碎后的物料碎磨至常规细磨磨机产品的粒度，湖北省松滋重晶石粉厂采用离心自磨机进行工业化试验，结果表明，离心自磨机的能耗比4 R雷蒙磨低3.2 kWh，且维修便利、造价低廉[37]。

3 结 论

磨矿作业投资大、能耗高，对后续选矿作业有重要影响，为提高磨机生产效率，磨矿设备性能不断改进。总结了球磨机、自磨(半自磨)机、棒磨机、搅拌磨机等常用磨矿设备的性能特点、主要制造厂家、应用情况及近年来的研究进展；对近年来研发的新型磨矿设备的类型、特点、应用情况等进行了介绍。指出未来磨矿设备主要向大型化、高效、节能以及超细磨方向发展。

[1] Rowe W B. Grinding process control[J].Principles of Modern Grinding Technology：Second Edition，2014，21(6):221-240.

[2] 肖庆飞，罗春梅，石贵明，等.多碎少磨的理论依据及应用实践[J].矿山机械，2009(21):51-53.

[3] Kanda Y, Gunji H, Takeuchi H, et al. Rate constants of wet and dry ball mill grindings [J].Zairyo/Journal of the Society of Materials Science, 1978(8):663-666.

[4] 李文亮，杨 涛，于向军，等.国外大型球磨机发展现状[J].矿山机械，2007(1):13-15.

[5] 陈利平.浅谈球磨机的发展趋势及其构件的改进[J].机电信息，2012,33：45-47.

[6] 陈剑锋，肖飞凤.球磨机的发展方向综述[J].中国矿业，2006(8):94-97.

[7] Jones S M J. Autogenous and semiautogenous mills 2005 update [J].Proceedings of International Autogenous and Semiautogenous Grinding Technology, 2006(1):398-425.

[8] 周克良，胡子健.大型球磨机发展综述[J].世界有色金属，2009(9):32-34.

[9] 乔顺平，赵江龙.玉溪大红山铁矿50万t/a选矿二段磨给矿端的改造[J].煤矿机械，2011(8)：168-169.

[10] 张东松.大型溢流型球磨机介质磨矿规律研究[J].矿冶，2002,11(1)：47-49.

[11] 田维强.φ4.572 m×6.1 m溢流型球磨机的安装[J].磷肥与复肥，2013(3):50-51.

[12] 张 伟，戈文英，何孝文.球磨机衬板材质的研发和应用现状研究[J].莱钢科技，2005(5):36-39.

[13] 周鲁生,段其福. 球磨机金属磁性衬板应用实践综述[G]∥中国冶金矿山企业协会.2004年全国选矿新技术及其发展方向学术研讨与技术交流会论文集.北京：冶金工业出版社，2004:4-10.

[14] 邹 健，周鲁生，段其福，等.金属磁性衬板在歪头山铁矿使用9年的综合评价[J].金属矿山，2002(8):26-28.

[15] 攀枝花市科技发展战略研究所，攀枝花市生产力促进中心.攀枝花选矿厂选矿技术基本情况调查报告[J].攀枝花科技与信息，2007(3):1-10.

[16] Uchida Y, Nakajima Y. Scale-up of autogenous mill[J].Res Dev Kobe Steel Ltd，1985(1):38-41.

[17] Djordjevic N，Morrison R， Loveday B，et al. Modeling communition patterns within a pilot scale AG/SAG mill[J].Minerals Engineering，2006(5):1505-1516.

[18] 杨琳琳，文书明.自磨机和半自磨机的发展和应用[J].国外金属矿选矿，2005(7):13-16.

[19] 赵昱东.自磨(半自磨)机的进展及其应用效果[J].矿山机械，2005(10):12-14.

[20] 邹志毅. 半自磨机及其半自磨流程的应用[C]∥中国冶金矿山企业协会.2004年全国选矿新技术及其发展方向学术研讨与技术交流会论文集. 北京：冶金工业出版社，2004:10-14.

[21] Y·阿塔索伊，李帅帅，李长根.位于澳大利亚卡姆巴尔达的圣伊维斯金矿山勒夫诺伊金选矿厂一段半自磨回路的投产与优化[J].国外金属矿选矿，2008(2): 25-31.

[22] Gao M， Holmes R， Pease J. The latest developments in fine and ultrafine grinding technologies[J].Istanbul Advertising Agency, 2006(5):30-37.

[23] 黄政伟.国内最大的钼矿半自磨机成功下线[J].中国钼业，2013(6):9.

[24] 卢幸子.我国目前最大半自磨机和球磨机试车成功[N].中国有色金属报，2010-04-13(13).

[25] Tavares L M， De Carvalho R M， Guerrero J C. Simulating the bond rod mill grindability test[J].Minerals Engineering，2012(1):99-101.

[26] Li Huifeng. Feasibility study of schedule-free rolling design for high-speed wire & rod mill within finishing block [J].Chinese Society for Metals，2010(4):4.

[27] 衣德强，于留春.棒磨机在梅山选矿厂的试验与应用[J].梅山科技，2004(4):13-16.

[28] 曾新民.金川镍矿二期选矿工艺研究与生产实践[J].有色金属：选矿部分，1998(2):1-6.

[29] Stief D E. Tower mill and its application to fine grinding [J].Minerals and Metallurgical Processing，1987(4):45-50.

[30] 刘 琨.金属矿磨矿设备研究与应用新进展[J].中国资源综合利用，2014(3):40-42.

[31] 吴任欧.立式搅拌磨机的研究与应用进展[J].有色金属：选矿部分，2011(z):79-80.

[32] 任茂福.塔磨机及其在黄金选冶工艺中的应用[J].黄金，2002(3):21-23.

[33] 叶贤东，文书明，张文彬.磨矿设备的发展趋势[J].金属矿山，2002(3):128-131.

[34] 赵昱东.高效节能磨矿设备综述[J].矿山机械，1999(10):18-20.

[35] 蒋冬青，张铁华，王之初，等.筒辊磨及其粉碎特性的研究[J].中国建材科技，1999(1):18-21．

[36] 段希祥.选择性磨矿及其应用[M].北京:冶金工业出版社，1991.

[37] 肖庆飞，罗春梅.碎矿与磨矿技术问答[M].北京:冶金工业出版社，2010.

国家自然科学基金项目(编号：51364017)。

2015-05-18)

杨采文(1987—)，男，助理工程师，650093 云南省昆明市五华区学府路。