矿山碎磨设备节能降耗现状及发展趋势

王　琴　祖大磊　张广伟　谭文才

(1.中信重工工程技术有限责任公司；2.中信重工机械股份有限公司矿山重型装备国家重点实验室)



矿山碎磨设备节能降耗现状及发展趋势

王琴1,2祖大磊1,2张广伟1,2谭文才1,2

(1.中信重工工程技术有限责任公司；2.中信重工机械股份有限公司矿山重型装备国家重点实验室)

破碎、磨矿的节能降耗是选矿厂降低能耗提高效益的有效途径。阐述了颚式破碎机、高压辊磨机、柱磨机、圆锥破碎机、搅拌磨机、振动磨、离心磨等高效碎磨设备的研究进展，以及设备大型化对选厂节能降耗的意义，指出新型高效碎磨设备、碎磨工艺及理论研究将是今后发展方向。

矿物加工破碎磨矿节能降耗

矿物加工领域中破碎、磨矿能耗约占选矿工艺总能耗的40%～60%，大型选矿厂用于碎磨作业的成本通常占选矿总成本的50%以上，世界能源的10%以上都消耗在破碎和磨矿作业中[1]。目前全球矿业形势低迷，破碎、磨矿的节能降耗是选矿厂降低能耗、提高效益的有效途径[2]。本文通过对现有破碎、磨矿设备的考察调研，阐述了高效破碎、磨矿设备在矿物加工领域的应用发展现状以及碎磨设备大型化的趋势。

1　破碎设备

1.1颚式破碎机

德国Krupp公司研制的高转速冲击颚式破碎机[3]借助带有弹簧的动颚板与定颚板之间的高速冲击和压碎作用破碎矿石；排料口不易堵塞，动颚运动速度增加，加大了冲击破碎作用，破碎机的处理量较同规格传统破碎机提高了50%～100%。

北京矿冶研究总院研发的外动颚破碎机的动颚与连杆分离[3]，使动颚的运动特性不再受连杆的约束，设备外形低矮，产品破碎比大。与传统复摆颚式破碎机相比，规格相同时处理量可以提高20%，能耗降低15%～30%。使用该设备可以简化破碎流程，且厂房投资降低。

1.2高压辊磨机

德国在20世纪80年代研制出了高压辊磨机，其具有生产能力高、破碎比大、能量有效利用率高等特点[2-4]。高压辊磨机主要由机架、工作装置、传动装置、给料装置、施压装置等组成。高压辊磨机两个辊子单独驱动，辊面压力一般为1.0～4.5N/mm2。辊面线速度由给料粒度、含水率及其粉磨特性决定，实际应用中，辊面线速度一般取1.0～2.0m/s。给料最大粒度不应大于两个辊子之间的最小间隙，实际应用时给料粒度多小于60mm。

智利CNH公司的洛斯科罗拉多斯(LosColorados)选厂[5-6]用辊径1 700mm、辊宽1 800mm、驱动电机功率2×1 850kW、最大处理量2 000t/h的高压辊磨机作为细碎设备，实际处理量为 1 600t/h、比能耗约1.1kWh/t、循环负荷约30%。高压辊磨机应用后后续球团厂球磨机处理量较原工艺可提高27%～44%。

谢敏雄等考察了德国KHD公司的φ1.4m×1.1m高压辊磨机在山东黄金矿业新立选厂的应用效果[7]。新立选矿厂矿石以硫化矿为主，中等硬度，普氏系数f=10～14，采用高压辊磨机作为细碎设备，后续球磨机的单位能耗由13.0kWh/t降到了8.9kWh/t，磨机处理量较采用常规破碎设备进行破碎作业时提高了20%～30%。

陕西金堆城钼业百花岭选厂处理量为1万t/d，是国内首家将高压辊磨机应用于有色矿山选厂的企业，该选厂碎磨作业采用三段一闭路—高压辊磨破碎—球磨流程，高压辊磨作业选用的是德国魁伯恩公司的GM1.5m×1.0m高压辊磨机，装机功率2×750kW。采用高压辊磨机后，破碎最终产品内部产生的微裂纹增多，球磨机的磨矿功指数较原工艺降低了约10%，因此采用高压辊磨机有利于矿物在磨矿时的单体解离。

1.3柱磨机

柱磨机[8]属立式磨，该设备利用中速中压和反复辊压的料层粉碎原理；机器上部的减速箱驱动主轴旋转，从而使辊轮在环锥形内衬中转动(辊衬之间间隙可调)。物料从上部进入，依靠自重和上部推料作用在环锥形内衬中形成料层，料层受到辊轮的反复挤压而破碎，破碎后产品从磨机下部自动排出。超低品位贫铁矿石采用柱磨机超细碎进行预选可以提高生产能力、降低能耗、降低生产成本。辽宁阜新铁矿石[9]经ZMJ900A型柱磨机超细碎至5mm，采用DCφ400mm×300mm湿式弱磁选机对超细碎产品进行预选抛尾，在原矿铁品位为9.56%时，磁选粗精矿铁品位可以提高到27.74%，铁回收率为25.52%。

1.4惯性圆锥破碎机

与传统破碎设备相比，惯性圆锥破碎机具有破碎比大，产品粒度可调等优点[10]；商洛某钨矿破碎作业采用两段开路流程，原矿最大粒度是200mm，经筛孔尺寸为10mm的振动筛预先筛分后，筛上物料返回到GYP-600惯性圆锥破碎机进行破碎，极大地减轻了磨矿作业的负荷。

2　磨矿设备

随着易选冶矿产资源的消耗和人工成本的增加，人们开始关注微细粒嵌布矿石的分选，而实现分选的前提是矿物单体解离，因此，高效磨矿设备成为矿业研究的重点[11]。

2.1搅拌磨

1948年搅拌磨机问世。近年来，搅拌磨技术日益成熟，搅拌磨机得到广泛应用。搅拌磨机主要由筒体、搅拌装置、传动装置和机架构成，通过搅拌轴旋转搅动筒体内磨矿介质和物料，使介质和物料在筒体内作多维循环运动及自转运动的同时相互碰撞实现对物料的粉碎[12]。

鞍钢齐大山选矿厂浮选尾矿回收赤铁矿工艺要求细磨产品粒度-0.045mm含量占90%以上 (-0.038mm含量占83%以上)，采用普通球磨机磨矿时生产能力低、运行成本高，磨矿产品只能达到-0.084mm占80%，改用立式搅拌磨机后，产品粒度可达-0.038mm占90%以上，且比普通球磨机节能50%以上[13]。

德兴铜矿的铜钼混合粗精矿再磨作业采用JM-1000型立式螺旋搅拌磨代替普通球磨机后，生产精矿钼品位可达47%，钼综合回收率在74%左右，精矿指标相比于改造前有了大幅提高，并降低了钼精矿中的铜含量[14]。

艾莎磨机在澳大利亚最大的黄金矿山被用于将金精矿细磨到10μm以下，细磨产品直接进行氰化浸出，该技术在黄金矿山工业的成功应用，替代了原污染严重、运行费用高的高温焙烧炉工艺，对环境保护和节能降耗均具有实际意义[15]。

南非英美铂金公司用M10000艾莎磨机处理球磨机的产品[16]，在给矿粒度F80=75μm时，产品粒度P80=53μm，磨矿比功耗为9kWh/t，介质最大尺寸为3.5mm；如果采用传统的球磨机闭路流程磨矿，球磨机需要8MW的装机功率，而1台M10000艾莎磨机的装机功率(2.6MW)仅为传统球磨机装机功率的32%。

2.2振动磨

振动磨[17]的粉磨作用主要是靠介质在做高频振动的筒体内对物料进行剧烈冲击和摩擦等作用使物料迅速粉碎。65%～80%的充填率和103～157Hz的振幅，使得该种设备兼有冲击破碎和研磨粉碎的作用，因此其具有单位容积生产率大、高效节能、节省空间等优点。MGZ-1型高幅振动磨[18]振幅高达15mm，其处理能力比同规格的Palla型振动磨高出30～40倍，功耗降低约30%。

2.3离心磨

离心磨的运行状态和振动磨机相似，是介于行星式磨机和振动磨之间的一种新型磨矿设备[19]。该机借助离心加速度来提高钢球的磨碎力而进行磨矿，离心加速度为重力加速度的10～15倍。离心磨不受临界转速的限制，这样使得功率和磨机体积减小，而磨矿效率显著提高。

武汉工业大学俞良中[20]研究开发的立轴锥盘离心磨机(又叫旋流态离心自磨机)是一种新型散体流态运动自粉碎设备，最大的优点是磨机给料可以是未经中、细碎的矿石，矿石在磨机中受到冲击粉碎、交变脉动剪切疲劳粉碎和磨削粉碎3种粉碎方式，1次粉碎作业甚至可产生平均粒径为10μm的超细粒级，采用该设备可以简化和缩短工艺流程，能耗相对较低。

2.4中心传动球磨机

衡阳有色冶金机械厂制造的中心传动球磨机采用中心传动方式[21]，电机、减速机以及传动系统和筒体在同一轴线上，采用圆柱滚子轴承，摩擦阻力和静阻力矩减小，装机功率较普通球磨机小；甘肃陇南福利选矿厂使用的φ1 500mm×3 000mmQSZ型中心传动球磨机与附近青羊峡选厂φ1 500mm× 3 000mm普通格子型球磨机相比，溢流细度 (-74μm)增加了11个百分点，处理单位矿石电耗降低32.51%，节能效果较好。

2.5静动压力轴承球磨机

静动压力轴承球磨机启动时采用高压液压系统润滑，磨机中空轴润滑状态良好，减小了摩擦阻力；气动离合器分段启动电机轴和小齿轮轴，启动电流和功率降低。青海锡铁山铝锌矿选厂[21]采用φ2.8m×3.6mQSG型静动压力轴承球磨机，与同类型普通球磨机相比，选厂磨矿产能提高7%～10%，处理单位矿石能耗降低15%～20%。

2.6锥形球磨机

锥形球磨机[22]特有的锥形结构将介质自然分离，大球位于给料端,小球位于排料端，排料端物料与磨矿介质接触面积增加，便于细磨。该种磨机相当于在筒体内安装有永久性分级机，不会产生过磨，增加了能量利用率，节能显著。外形似球的锥形球磨机，与普通球磨机相比，在同样表面积的情况下，不仅增加了有效容积，还增加了工作表面积，因此驱动功率降低，设备重量减轻，与同规格普通磨机相比可节能20%。

3　碎磨设备大型化

大型矿山的开发以及矿山企业降低生产成本的要求迫切需要大型化的矿山碎磨设备。MorrellS等研究发现[23]，与小直径球磨机相比，直径在6.7m以上的大型球磨机单位处理能力电耗降低22.7%，钢球消耗降低14%。弓长岭选矿厂[24]一段磨矿采用φ5.03m×6.7m溢流型球磨机，二段磨矿采用φ4.0m×7.5m球磨机取代原来的φ2.7m×3.6m球磨机，一段磨矿产品-74μm含量55%，二段磨矿产品-74μm含量达85%，分别较改造前的一、二段磨矿产品-74μm含量提高了15和17.5个百分点。

目前世界上最大的旋回破碎机为Sandvik公司制造的规格为65～119英寸(给矿口1 650mm)的旋回破碎机，其次为Krupp公司生产的KB63×114型旋回破碎机[25]，装机功率1 200kW，1996—1997年Krupp公司为印尼自由港铜矿提供了2台KB63×114型破碎机。国内自行设计制造的最大规格旋回破碎机[26]是由中信重工机械股份有限公司设计制造的PXZ-152/287型旋回破碎机，装机功率1 200kW，处理量达5 100～8 000t/h。目前世界上最大的半自磨机规格为φ12.19m×7.92m，装机功率28MW，于2013年在中铝秘鲁某铜矿投产。现场应用最大规格的自磨机是由中信重工机械股份有限公司为中信泰富澳大利亚的Sino铁矿制造的φ12.2m×10.97m自磨机，装机功率28MW。最大规格的干式球磨机[27]规格是φ6.2m×25.5m，装机功率11.2MW。

矿山规模化生产是降低矿山生产成本的关键也是发展趋势，大型化碎磨设备既有利于加快新建选厂的建设速度，提高设备的处理效率，减少基建成本，还可减少上下管道、电缆等附属设备的投资。同时选厂系列少，自控设备相应变少，更有利于选厂的自动化控制。碎磨设备的大型化既提高了单台设备的处理量，更符合节能降耗的基本国策要求。

4　展　望

研究开发高效、节能的新型破碎粉磨设备，探索矿物加工高效碎磨工艺和技术，逐步淘汰能耗高、效率低的碎磨设备将是选矿业今后发展的方向。积极推广磁性衬板、耐磨介质等新型材料的应用，提高球磨机衬板、磨矿介质等易损、易耗件的寿命对降低磨机运行成本具有重要意义。

[1]占鹏飞.预磨机碎磨机理分析及能耗实验研究[D].赣州：江西理工大学，2013.

[2]吴建明.更强、更细、更省—粉碎工程技术的新进展[J].有色金属：选矿部分，2011(增)：1-17.

[3]赵昱东.金属矿山破碎和磨矿设备的进展[J].矿业快报，2008(12)：23-26.

[4]李仕亮，杜玉艳.高压辊磨机及其在选矿碎磨工艺中应用的进展[J].有色金属：选矿部分，2011(增)：96-99.

[5]WestermeyerCP，CordesH.OperatingexperiencewitharollerpressattheLosColoradosironoredressingplantinChile[J].MineralProcessing，2004，41(11)：497-505.

[6]VanderMeerFP，MatthiesE，GallardoCP,etal.SuccessandreliabilityofHPGRcrushingatCompanniaMineraHuascoinChile[C].ProceedingsofProcemin2009.Santiago：Gecamin，2009：191-201.

[7]谢敏雄，王宝胜，郭遥.高压辊磨机与大型球磨机联合粉磨工艺性能匹配研究[J].黄金，2015(11)：44-50.

[8]郝志刚，徐毅茹，刘靖.柱磨机在铁矿选矿工艺中的应用研究[J].金属矿山，2006(增)：306-309.

[9]郝志刚，徐毅茹，刘靖.柱磨机在极贫和低品位铁矿预选中的应用研究[J].金属矿山，2008(增)：110-114.

[10]唐威.利用惯性圆锥破碎机降低入磨粒度的研究[J].有色金属：选矿部分，2011(增)：103-105.

[11]卢世杰，孙小旭. 大型立式螺旋搅拌磨机应用现状[J].铜业工程，2014(2)：38-42.

[12]张国旺，李自强，赵湘，等．大型立式螺旋搅拌磨矿机的研制及其在矿业工程中的应用[J]．中国矿业，2009(7)：302-307.

[13]杨晓峰，陈景明. 回收赤铁矿尾矿工艺中合适的磨矿细度及设备研究[J]．矿业工程，2013，11(6)：65-67.

[14]郑描，罗冶.铜钼分选改造中新工艺新设备的应用[J]．中国矿山工程，2013，42(2)：8-11.

[15]高明炜，贺家齐，贺晓虹.XSTRATA公司的有色冶金技术及其对世界有色工业的影响[J]．有色金属，2004(11)：39-40.

[16]金勇士.艾萨磨技术的应用及最新进展[J].有色设备，2013(3)：15-19.

[17]侯彤.振动磨在粉体加工中的应用[J].化工矿物与加工，2014(10)：46-47.

[18]张更超，应富强.超细粉碎技术现状及发展趋势[J].中国非金属矿工业导刊，2003(3)：25-28.

[19]叶贤东，文书明.细磨和超细磨设备的进展[J].矿山机械，2002(7)：13-15.

[20]俞良中.旋流态离心自磨机粉碎机理及主要参数设计研究[J].矿冶工程，1997(6)：26-30.

[21]王海瑞.高效节能球磨机的特点及应用[J].新疆有色金属，1998(1)：20-24.

[22]王东明，邹声勇.高效节能锥形球磨机[J].矿山机械，1995(10)：29-30.

[23]MorrellS，JohnsonG，RevyT.Acomparisonthroughobservationandsimulationofthepowerutilisationandperformanceoftwodissimilarcomminutionplants[C] ∥FourthMillOperators,Conference，1991：157-160.

[24]高林章，印万忠，王洋，等.弓长岭选矿厂减排增效实践[J].现代矿业，2011(4)：30-32.

[25]黄虹，姜迎春.国外旋回破碎机主要制造厂家发展历程[J].科技创新与应用，2014，15：87.

[26]邱静雯，郭文哲，付晓蓉.国内外大型液压旋回破碎机的发展现状[J].金属矿山，2013(7)：126-134.

[27]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，2014，32：40-42.

2016-04-22)

王琴(1988—)，女，硕士，471039 河南省洛阳市建设路206号。