搅拌磨机的研究及应用现状

李椿楠，李国峰，刘立伟，李营营

（华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063210）

我国矿产资源总量丰富，但绝大部分具有“贫、细、杂”的特点，即矿石品位低、矿物组成复杂、结晶粒度微细，需经细磨甚至超细磨来实现有用矿物的充分单体解离和分选回收。搅拌磨机主要采用研磨为主的磨矿方式，具有磨矿能耗低、磨矿效率高、粉磨产品粒度细等优点，近十几年来发展较为迅速，广泛应用于矿业、冶金、油漆、油墨、颜料、造纸涂料、陶瓷釉料、磁性材料、塑性填料和功能材料等行业[1]。

1 搅拌磨机发展历史

早在1928年，Klein和Szegvari就提出了搅拌磨的基本原理，即将搅拌器和介质（天然砂粒、钢球、瓷球、玻璃球等）加入筒体，使物料在筒体内充分研磨实现粉碎。1939 年，美国矿山局设计了一种用于浮选之前清理矿物表面的设备。该设备有一个立式圆筒，安装有定子和转子，工作时由转子和定子之间的相对运动产生颗粒之间的摩擦，对矿物表面进行清洁，并发现该设备是一台非常有效的细磨设备。50年代美国杜邦公司开发出了一种以硅砂作为介质的高速搅拌磨机—砂磨机[2]，在颜料、油墨等行业得以应用。

70 年代初，Wilhelm增加了搅拌磨介质分离器,可处理矿浆粘度为5 Pa·s的物料。瑞典Matter Partner AG公司开发研制了TRZK(干式)和NRZK(湿式)搅拌磨, 主要应用于水煤浆的加工领域。1979年，美国MPSI公司从日本引进专利塔式磨机产品，生产出立式搅拌磨机，用于铅锌矿和金矿的磨矿作业。而后，德国Fryma公司、瑞典Sala公司分别开发了双锥形砂磨机和底部给料搅拌磨机。

目前，以美卓矿物公司的VTM系列、SMD系列搅拌磨机、德国爱立许公司的ETM系列搅拌磨机以及由 Mount Isa 矿山与德国Netzsch公司联合研制的Isa 磨机在矿山企业应用最为广泛。国内，长沙矿冶研究院、北京矿冶科技集团有限公司、中信重工和东北大学等单位分别研发出JM系列、GJM系列、CSM系列和NEUM系列搅拌磨机，并已成功应用于各类矿石细磨的工业生产，部分型号实现了出口。

2 搅拌磨机的类型及结构特点

搅拌磨机具有多种分类方式，其具体分类详见表1，并对SMD、Verti、Isa、JM、GJM等搅拌磨机进行较为详细的介绍。

表1 搅拌磨分类及特点Table 1 Classification and characteristics of agitating mill

2.1 SMD磨机

SMD磨机[3]是由芬兰的美卓（Metso）公司生产的一种棒式立磨机，其中心轴上的棒式搅拌器工作时棒端的线速度大致为11 m/s。筒体的形状为正八边体，用来支撑内部的多臂叶轮，筒体的高度与筒体的直径相等。SMD磨机的研磨介质为陶瓷珠、卵石和河砂等，粒径通常在1 ～ 2 mm，也可根据不同情况选择不同材料和不同粒径的研磨介质，从而得到不同细度的产品。磨机筒体的上部具有楔形聚氨酯筛板，其主要作用为在磨机工作时约束研磨介质留在研磨室中，并允许产品排出筒体，可根据研磨产品的粒径和矿浆流量选择不同的筛板。此外，SMD磨机采用低浆位、低转速的运行模式以减轻搅拌器与磨机内衬的磨损，最大功率为1100kW。

2.2 Verti磨机

Verti磨机是由Metso公司提供的一种立式搅拌磨机，最节能的重力式磨机，使用螺旋式搅拌器，研磨介质多为12 mm的钢球。Verti磨机结构简单，坚固耐用，该磨机的筒体为侧开门式设计，此设计既方便了维护工作的进行，又节省了停机时间。此外，磨机运转速率高达95%以上，衬板损耗减少，能源效率提高40%，磨矿介质消耗减少50%，在相同应用中，比球磨机占地面积减少50%。Verti磨机工作时矿浆从磨机下部给入，经筒体内研磨介质研磨后磨矿产品从磨机的顶部溢出。Verti磨机多用于二段磨矿、再磨、超细磨等作业，可以接受6 mm的给矿粒度，磨矿产品可达到0.02 mm以下。目前，Metso公司最大的Verti磨机功率已达2240 kW。

2.3 Isa磨机

Isa磨机是由澳大利亚Mount Isa 矿山与德国Netzsch公司联合研制的，它是由应用于颜料工业领域的Netzsch搅拌磨按照一定比例放大改进而成。标准的Isa磨机有8个安装在悬臂轴上的带孔圆盘，圆盘的周边转速可达到21 ～ 24 m/s，Isa磨机的能量输入密度较高可达到350 kW/m3。此外，Isa磨机在排矿端安装有分离器，可将介质保留在磨机内，只允许矿浆通过。研磨介质方面，Isa磨机使用特别加工制作的MT1系列磨矿介质，该介质的密度为0.0037 t/m3，堆密度为0.0023 ～ 0.0024 t/m3，主要成分有79%氧化铝，6.5%氧化硅，14%氧化锆，维氏硬度HV1300 ～1400。为有效降低内衬的磨损，Isa磨机采用了可转动的筒体内衬，并使用一体式的、用后可弃的橡胶衬里和简单的检修方式。截至目前，Isa磨机已在世界范围内安装了100余台，总安装功率已超过16万kW。

2.4 JM搅拌磨机

JM系列立式螺旋搅拌磨机主要由立式筒体、传动装置、螺旋搅拌器支座等组成，是长沙矿冶研究院独立开发的具有自主知识产权的高效超细磨矿设备，主要应用于黄金、有色金属、稀土矿、冶金和材料等行业。在金属矿山中，金银矿、钼矿、铜矿、镍矿铅锌矿等多需细磨至-0.038 mm大于95%或更细才能单体解离，需要超细搅拌磨机细磨。在河南栾川、陕西洛南和甘肃等地已应用100多台套，如金堆城钼矿、德兴铜矿和洛钼集团选厂等。张国旺等[4]以JM 800B立式搅拌磨机代替柿竹园铁精矿再磨再选工艺中的球磨机，使得磨矿产品细度由-0.043 mm 60%提高到-0.038 mm 95%，最终精矿铁品位随之提高10%以上。

2.5 GJM搅拌磨机

GJM搅拌磨机主要由电动机、减速器、传动装置、双叶轮搅拌器、槽体、耐磨橡胶衬里排料装置等组成，自20世纪90年代，由北京矿冶研究总院和北矿机电科技有限责任公司共同开发研制，该型磨机的主要优势为工艺布置灵活，可采用多种连接方式，由单台、两台、三台串联，也可由一台和多台其他类型的搅拌磨机串联布置，配置灵活，可满足不同工艺需要[5]。孙小旭等[6]采用GJM 型搅拌磨机进行了黑龙江某石墨选矿厂再磨工业试验，在保证后续浮选品位的前提下，搅拌磨机的运行电流和研磨介质消耗分别降低28%和50%左右。

整体而言，搅拌磨机主要由传动装置（电机、减速器）和执行装置（筒体、搅拌器）组成，筒体内填充有一定数量的研磨介质。在磨矿过程中，电机通过减速器把动力直接作用于搅拌器，搅拌器旋转推动介质球运动；在微观上，介质球受力（重力、离心力、摩擦力等）的不均匀性导致相邻磨矿介质间存在动态速度差，对介质间的矿粒施加强力挤压、摩擦和剪切作用，从而实现矿物颗粒的高效粉磨。其中剪切力在搅拌磨机进行物料研磨时占据重要地位。

较传统球磨机而言，搅拌磨机磨矿具有更加显著的优势：①搅拌磨机工作时筒体固定、搅拌器旋转，解决了球磨机筒体旋转导致能量损耗大的问题；②相比于球磨机冲击粉碎和研磨结合的磨矿方式，搅拌磨机主要依靠研磨作用辅以少量冲击实现物料粉碎，缓解了声、发热和振动等造成的能量消耗，提高了细磨效率；③搅拌磨机设备的占地面积相对较小，结构简单，安装方便快捷[7]。

3 搅拌磨机的关键工艺参数

3.1 搅拌器转速

搅拌器转速在很大程度上决定了磨机的处理能力和物料产品的粒度，是影响磨机磨矿效率的重要因素之一。搅拌器转速加快，磨矿介质在磨机中的运动更加剧烈，介质对物料的冲击、挤压等作用将相应增强，单位时间内研磨介质与物料颗粒相互作用的次数增加。因此，搅拌器旋转速度较快时，磨矿效率较高。然而，在搅拌器旋转速度过快的条件下，搅拌器和机筒内衬的磨耗加剧，增加磨机能量损耗，耗费更多研磨介质。因此，进行物料研磨时应事先选择适宜的搅拌速度以保证设备稳定高效运转。

3.2 矿浆浓度

矿浆浓度是指矿浆中固体矿粒的含量，在研磨物料时，只有选取适宜的矿浆浓度，才能达到最佳的磨矿效率，矿浆浓度过大或过小都会对磨矿效率产生不利影响。矿浆浓度过大，物料在筒体内流动迟缓，被磨时间增长，易出现过粉碎现象；此外，高浓度矿浆中粗颗粒物料不容易沉落，容易随矿浆流失，造成“跑粗”现象。当矿浆浓度较小时，物料流动速度较快，被磨时间相应缩短，也会造成“跑粗”现象，同时，高密度的矿石颗粒容易淤积在矿浆底部，导致产品过粉碎。细磨时矿浆浓度多为65% ～ 75%。

3.3 料球比

料球比是指被研磨物料和球的体积之比，是影响搅拌磨机磨矿效果的一个重要工艺参数。在实际生产中，当料球比较小时，磨矿介质撞击、研磨作用于物料的机率也相应较小，研磨球与研磨球之间、研磨球与衬板之间冲击的无用功损耗增加，粉磨效果差，金属消耗多； 反之，当料球比较大时，磨矿介质颗粒与物料颗粒之间的碰撞、研磨作用机率相应增加，粉磨效率较高。但是，当料球比过大，说明磨机内存料过多，磨矿介质的量会阻碍搅拌器的有效旋转运动，介质撞击、研磨的机率及强度相应减小，且容易产生缓冲作用与过粉碎现象，研磨效率下降[20]。因此，料球比需根据实际情况适当选取。

3.4 介质属性

介质球的选择会考虑多种因素，首先介质材料与被磨物料发生化学反应，其次，磨矿介质尺寸直接影响物料的粉碎效果及磨机的能耗、球耗和生产效率。介质直径会影响磨球与物料之间的运动，为提高磨矿效率，粉磨粗颗粒物料时选用直径较大的研磨介质；粉磨细粒级物料时选用直径较小的研磨介质，剪切和挤压作用力增强，且出现过粉碎现象概率降低。搅拌磨机中的介质形状通常为球形，介质密度一般在2.0 ～ 7.8 g/cm3之间变化，介质尺寸通常在0.1 ～ 10 mm之间，莫氏硬度比被研磨物料大3以上较佳, 以增大研磨强度,提高粉碎效率[9]。

3.5 滞留时间

滞留时间是指矿料在搅拌磨机筒体内部停留的时间，是影响产品粒度和磨矿效果的因素之一。根据前人试验及推导公式[10]得出，滞留时间是磨机有效容积、矿浆浓度和单位时间处理量的函数，与磨机的有效容积、矿浆浓度和矿浆密度成正比，与磨机单位时间处理量成反比。在磨矿作业中，为提高磨机的磨矿效果，可通过增大矿浆浓度和减小磨机单位时间处理量来实现。

4 搅拌磨机粉磨性能与仿真模拟研究现状

搅拌磨机粉磨过程是在磨腔内搅拌器、研磨介质、筒体内壁和矿石颗粒之间的共同作用下完成的，国内外相关工作者围绕搅拌磨机的粉磨机理开展了大量基础性研究工作。而在实际粉磨过程中，磨腔内各部分之间的作用较为复杂，难以进行实测分析，故研究初期的工作主要集中在磨机运行过程的电流、搅拌器扭矩、粉磨产品粒度组成及矿物单体解离度等宏观测量方面。随着仿真技术的发展及其在磨矿领域的应用，搅拌磨机内部的微观作用才逐渐得到剖析。

4.1 搅拌磨机粉磨性能研究现状

崔政伟等[11]通过试验分析，认为挤压力和剪切力是搅拌磨内主要的粉碎力，并且认为物料颗粒能被两个研磨介质所钳住以及被粉碎物料内部产生大于疲劳强度极限的应力是脆性物料在搅拌磨机内被有效粉碎的两个必要条件；在脆性物料满足以上两个必要条件的情况下，搅拌磨应尽量选取小尺寸研磨介质、较高的搅拌器转速。

肖骁等[12]针对国内矿产资源嵌布粒度微细的特点，采用搅拌磨机对微细嵌布难选矿石（难选金矿、钼矿、铁矿）进行细磨。实例表明，搅拌磨机既可提高目标矿物的单体离解度，达到提高精矿品位和回收率的目的，还可为矿山带来资源和费用的节约。

王洋等[13]通过弓长岭选矿厂对一选车间进行陶瓷球搅拌磨机替代球磨机的工业试验表明，搅拌磨机磨矿粒度更细，排矿中-0.043 mm含量比球磨机提高7.21%；磨机电耗成本下降50.26%；介质球添加量下降93.6%，介质成本下降55.61%；单系列搅拌磨机比球磨机年节省磨矿成本180.21万元。

李艳军等[14]对球磨和搅拌磨磨矿产品的粒度特性进行了研究，结果表明，球磨磨矿产品中微细粒和粗颗粒的相对含量较高，搅拌磨磨矿产品粒度较为均匀；对球磨和搅拌磨在磨矿过程中的比生产率及能耗情况进行了拟合比对，结果表明，随着入磨粒度逐渐变细,球磨和搅拌磨的比生产率均有所下降，但球磨下降较搅拌磨明显；能量消耗方面，球磨的磨矿能耗较高，且随着颗粒粒度降低，搅拌磨的耗能增长速度远小于球磨耗能的增长速度。在细磨和超细粉磨方面，搅拌磨较球磨更具有显著优势。

丁浩等[15]以煅烧高岭土为原料，选用工业湿式搅拌磨机对其研磨，研究了研磨介质各性质（尺寸配比、种类、料球比等）对矿物粉体湿法超细粉磨的影响。试验结果表明，在初始磨矿阶段使用刚玉球介质获得相对显著的粉碎效果，后期刚玉球介质与玻璃球介质效果相近；不同规格混合介质球的磨矿效果优于单一规格介质球的磨矿效果；介质料球比为5时，磨矿达到最佳效果。

4.2 搅拌磨机仿真模拟研究现状

张国旺[16]利用计算流体力学方法（CFD法）仿真模拟了搅拌磨机的流场，并选用不同类型搅拌磨机进行对比试验。结果发现，棒式搅拌磨机较其他类型搅拌磨机研磨效果好，此结论与流场数值模拟结果相吻合，验证了模型的建立和模拟分析的正确性和可靠性。

C.T.Jayasundara等采用DEM的数值模拟方法，研究了单填料卧式搅拌磨机内不同特性介质的运动状态。介质性质主要包括介质间的弹性恢复系数、介质间的滑动摩擦系数、介质密度和介质大小。研究表明，降低介质间的滑动摩擦系数可提高介质的活跃程度；弹性恢复系数越高，介质间的碰撞频率和碰撞强度越高，有利于增强研磨效果；密度较大的介质消耗更多能量后也具有高碰撞频率及碰撞强度；一定的介质充填率下，小尺寸介质碰撞频率较高，大尺寸介质有的碰撞强度更强。当引入矿浆流后，介质的运动将发生明显的变化。

Cleary等借助离散元仿真（EDEM）技术，系统分析了螺旋式和棒销式搅拌磨机的介质运动、能量传输与耗散、应力分布以及物料的研磨和排料情况，发现螺旋式搅拌磨机磨矿效率高、能量耗散低且有利于粉磨产品及时排出、减少过粉磨。

Sinnott等考察了搅拌磨机的介质形状对粉磨效果的影响，认为与球形介质相比，非球形介质层松散、体积密度低，导致有效容积和碰撞能降低；此外，非球形介质会在筒体内壁处形成堆积，恶化磨矿效果，增加螺旋叶片的磨损。Sinnott等还通过EDEM与光滑质点流体动力学耦合模拟的方法研究了螺旋搅拌磨机中矿浆的流动特性，发现矿浆粘度对流体压力分布影响显著。低粘度时流体压力呈流体静力学分布；高粘度时流体压力较低且呈非流体静力学分布。

Arno Kwade等研究了搅拌磨内应力强度与应力事件在不同物料上的粉碎特性。研究发现，应力事件发生的概率与被研磨颗粒的数量、介质捕获被研磨颗粒的概率及介质间的碰撞次数有关；提出介质捕获被研磨颗粒的概率与介质间有效空间的概念。

5 搅拌磨在选矿中的应用

5.1 搅拌磨在国外选矿中的应用

40年代起国外便开始了搅拌磨机的研制工作,60年代搅拌磨技术得到了迅速发展。目前 国外已有多家专业制造厂家生产成套超细搅拌磨机[17]。

英美铂金公司在南非投产的M3000磨机，主要用于回收Western Limb选矿厂尾矿中的铂族元素。该磨机容积为10 m3，装机功率2600 kW。该搅拌磨的投产使用使得金属回收率由原来的45% ～50%提升到55% ～ 60%。整个浮选流程中铂、钯、铑三个铂族元素的回收率提高3%以上。

塔斯马尼亚铜矿(CMT)年开采量约280万t，主要铜矿为黄铜矿。矿石经破碎、磨矿、浮选工艺可获得铜品位27.5%，回收率92%的铜精矿。该选矿厂采用SMD搅拌磨机对铜的扫选精矿和精选尾矿进行再磨，结合浮选流程优化，精矿铜品位提高2.3%，铜回收率提高1%。

澳大利亚昆士兰州的塞兰加铜矿安装一台185 KW的SMD搅拌磨机，对粗选和扫选精矿进行再磨，磨机进料粒度约为d 80=0.06 mm，产品粒度约为d 80=0.04 mm。生产实践显示，降低磨矿产品粒度，提高有用矿物的单体解离度后，铜精矿品位提高了1.7%，回收率提高了1.5%；浮选回路的循环负荷降低,使得选矿厂处理量从90 t/h上升至120 t/h。

瑞士矿务集团Xstrata技术公司芒特艾萨锌选矿厂使用3台M 3000型搅拌磨机进行细磨,获得 d 80=0.012 mm磨矿产品，分选后得到铅品位60%，回收率80%的铅精矿。与普通球磨机磨矿相比，铅精矿的品位和回收率均提高了5%，降低了闪锌矿的损失，并减少了药剂用量。

5.2 搅拌磨在国内选矿中的应用

我国搅拌磨机的研发工作始于20世纪70年代重庆化工机械厂生产的国内第一台砂磨机，目前已开发了多种类型的搅拌磨机，并在金属矿、非金属矿和粉末冶金等行业得到了工业化应用。例如，张国旺等[18]研制了用于生产超细重质碳酸钙的3600 L立式超细搅拌磨机，吴建明等[19]研制了GJ5×2大型双槽高强度搅拌磨机。

鞍钢齐大山选矿厂从浮选尾矿中回收赤铁矿，需要满足-0.044 mm含量大于90%的粒度要求，选用球磨机研磨时，生产能力较低，成本较高；选用立式搅拌磨机研磨时，磨矿产品-0.037 mm 90% ，且较球磨机节能50%以上。该选矿厂浮选尾矿经弱磁、强磁选别获得的粗精矿适宜的磨矿细度为-0.044 mm粒级含量占95%，在此磨矿细度下的粗精矿再经弱磁-强磁-反浮选选别, 获得了铁品位64.04%、回收率43.86%的精矿[20]。

包钢集团选矿厂反浮选尾矿铁品位28.1%、FeO含量9.6%, 铁主要存在形式为磁铁矿, 分布率33.53%, 其次为赤铁矿, 分布率3.31%；细度为-0.074 mm和-0.040 mm分别占90%、60%；铁矿物单体解离度60.00% ～ 70.00%。采用弱磁预选—搅拌磨细磨—弱磁选流程对其进行选别，在细磨粒度为-0.037 mm 94.5%时，磁铁矿单体解离度由细磨前的59.6%提高至86.2%，获得了精矿铁品位66.18%、回收率63.18%的优良指标，显著提高了资源利用率和经济效益[21]。

乳山金矿选矿厂用Φ1000 mm搅拌磨机取代了Φ1200 mm×2400 mm球磨机，磨矿产品中-0.043 mm粒级含量提高8.3%。同时，电能消耗下降51.66%，磨球消耗下降22.66%，氰化浸出率提高4.88%，金属总回收率提高0.66%。搅拌磨具有以下优点：能经济地磨矿至-0.040 mm粒级含量大于90%，较卧式球磨机节能50%；适用于二次磨矿和需要细磨的尾矿，矿石可超细磨至-0.01 mm粒级含量≥80%；结合边磨边浸等工艺，一些含硫和砷的难处理金矿石可进行预处理[22]。

河北钢铁集团矿业有限公司庙沟铁矿采用Verti磨机替换原有的2台三段球磨机，磨矿细度-0.045 mm从71% ～ 73%提高到88% ～ 90%，铁精矿品位从65%提升到66%，平均回收率从87%提升至89%以上，二氧化硅含量降低1%，在85%的运行负荷下，日产能2300 t，电能节约30%，钢球消耗降低60%，开机作业率高达98%。并且衬板使用寿命增加，日常维护成本减少。

多宝山铜矿二期选矿厂引用大型立式搅拌磨机CSM-1120用于铜粗精矿再磨，经再磨后产品粒度P80达0.025 mm，再磨后3次精选获得了铜精矿铜品位22.83%、铜回收率89.44%的选矿指标，铜精矿铜品位提高6.31%，回收率提高0.73%。立式搅拌磨机的工业应用使得含铜连生体矿物充分解离，实现了铜与脉石矿物的分离，减少了脉石矿物在浮选流程中的恶性循环[23]。

6 结 论

（1）搅拌磨机作为一种较球磨机更适合细磨和超细磨设备受到了相关工作者的关注，目前已成功研发出多种类型搅拌磨机，并应用于不同领域。

（2）影响搅拌磨机磨矿效果的关键工艺参数包括搅拌器转速、矿浆浓度、料球比、介质属性和滞留时间，与球磨机相比，搅拌磨机磨矿有利于降低磨矿能耗、缩窄产品粒度分布、增加有用矿物的单体解离度。

（3）随着计算流体力学和离散单元法等模拟分析技术在磨矿中的应用，搅拌磨机磨矿过程中的流场状态、介质间的碰撞作用、搅拌器结果参数对磨矿效果的影响等作用机制逐渐得到解析。