塔磨机在我国金属矿磨矿中的应用

赵福刚 徐海阳 杨书春 李向军

（1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；2.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司；3.中国冶金矿山企业协会矿山技术委员会；4.中钢天源安徽智能装备股份有限公司；5.马鞍山市天工科技股份有限公司；6.沈阳盛世五寰科技有限公司）

我国金属矿产资源丰富，但普遍存在赋存条件复杂、多金属共伴生、有用矿物嵌布粒度微细等特点，要实现此类矿石资源中有价成分的高效回收，有用矿物充分单体解离是前提，而有用矿物的充分解离需要通过磨矿工艺来实现。

相关研究表明，作为选厂的主要组成部分，磨矿作业的基建和设备投资普遍占到金属矿选厂总投资的60%左右，能耗等生产成本也占到选厂总量的60%左右。此外，磨矿效果的好坏、有用矿物与脉石矿物解离程度的高低对后续选别起着重要的前置性作用，是影响产品品质和回收率的关键因素。

从碳排放的角度看，由于磨矿作业是高能耗、高钢耗作业，因而该作业也是矿产资源开发过程中的高排碳工序，降低磨矿作业的能耗和钢耗就成为矿山企业减少碳排放的重要途径。

综上所述，开展磨矿工艺及设备的优化研究与改造对矿山企业降本增效、提高产品指标、创造更显著的社会效益具有重要意义。在这样的背景下，我国相关科技工作者加大了对磨矿工艺及设备研究、引进、消化、吸收与创新的力度，取得了一系列重要成果，塔磨机的研发、制造与推广应用具有较强的代表性［1-8］，开启了我国细磨工艺与设备研发与应用的新局面。

1 塔磨机的工作原理及结构

由于卧式磨机难以满足微细粒嵌布的物料充分、低成本解离的要求，20世纪50年代研究人员将卧式球磨旋转到垂直方向，通过增加螺旋搅拌系统来给研磨介质传送能量，以实现矿物的细磨。根据该理念，日本首先研制出塔磨机（Tower Mill），并将该设备应用于金属矿磨矿；随后瑞典、美国、加拿大、前苏联等国也研发出类似产品，并成功应用到矿物的细磨领域。我国于20世纪80年代开始塔磨机的研制:80年代中期原冶金部冀东黑色矿山设计院研制了MQL-500型湿式塔磨机，原冶金部长沙矿冶研究院研制了JM系列塔磨机［9］。

国内有文献记载的、最早开展塔磨机工业应用试验的金属矿选矿厂是首钢的大石河选厂，1987—1989年的工业应用试验取得了较好的效果［10］。受限于我国当时的制造技术水平，以及国外塔磨设备高昂的价格和紧俏的外汇，国内金属矿并没有及时推广应用该设备。近年来，随着国内金属材料技术的进步以及配套电气设备的完善，国内具有塔磨机生产制造能力的企业越来越多，在国内金属矿的应用效果也得到了普遍认可。

1.1 塔磨机的工作原理

塔磨机施力以摩擦研磨为主，并伴有剪切和冲击，同时充分利用了重力、搅拌力，减少了研磨介质对筒体的无用功。矿浆给入塔磨机筒体后，筒体内低速旋转的螺旋搅拌器带动物料及研磨介质运动，物料受到挤压力、摩擦力、剪切力、冲击力、离心力、重力、浮力等的联合作用，被挤压、磨剥、分级、分离，实现粗颗粒的解离。物料在内衬和螺旋外缘间沉降，粗颗粒沉降到筒底后在螺旋搅拌的提升作用下再进行循环运动，细颗粒在矿浆搅拌以及给料和循环水的联合作用下随料浆流上升，并从溢流口排出。塔磨机的突出特征是粗重物料颗粒更易下沉到研磨力最大的研磨室底部，研磨介质与物料接触密实，能量利用率高，研磨介质与塔磨机内壁碰撞接触少，塔磨机支撑系统和轴承受力小，工作能耗低；塔磨机在磨矿的同时，螺旋搅拌器的外围区域发挥着分级功能，合格粒度的物料难以沉降，因而过粉碎现象大大减少。塔磨机的工作原理见图1［11］。

塔磨机一般与水力旋流器组成磨矿分级闭路系统，国外某品牌塔磨机+水力旋流器闭路系统见图2（来源：爱立许）。系统给料先进入调浆罐，与塔磨机产品混合后通过给料泵给入水力旋流器组进行分级，溢流进入下道工序，沉砂通过循环泵给入塔磨机进行磨矿。研磨过程中随着研磨介质的消耗，需要定时、定量补充研磨介质。

1.2 塔磨机的结构

塔磨机的结构紧凑，主要由驱动电机、减速机、螺旋搅拌器、研磨室、机架和润滑系统等组成。国内塔磨机的结构基本类似，区别主要在于进矿口位置。一般来说，粗粒物料可从研磨室上端给入，细粒物料宜从研磨室下端给入。国内某品牌塔磨机的结构示意见图3［12］。

1.3 塔磨机的关键部件

1.3.1 螺旋搅拌器

螺旋搅拌器是塔磨机的重要部件，是层压研磨的能量提供者和磨细颗粒上升的主要动力来源，其结构直接影响塔磨机的作业效果。螺旋搅拌器主要由主轴、螺旋托板、螺旋衬板、铲靴、衬板螺栓等组成，某品牌塔磨机螺旋搅拌器的结构见图4［13］。螺旋搅拌器配置需要考虑的关键因素包括搅拌器的螺旋半径、螺旋倾角、搅拌器转速、搅拌器的耐磨性，这些因素的确定取决于给料粒度和浓度、泵送量、装球量与研磨介质大小等。一般情况下，螺旋搅拌器的半径越大，其离心磨矿作用越强，同时对筒壁的磨损也越大。螺旋搅拌器半径的确定原则为在保证不卡球的前提下，与筒体内径之比尽可能大，使研磨介质具有较大的动能，以提高其冲击能力。搅拌器螺旋的倾角一般根据磨矿物料的性质并结合介质所需的径向和切向速度来确定。螺旋的倾角过大，研磨介质和物料沿螺旋上升的速度过快，矿浆的轴向循环速度也过快，循环流量也过大，在驱动电机功率不变的情况下，剪切量会越小，不能获得好的磨矿效果。适当降低螺旋的倾角，矿浆的循环流量减小，在驱动电机功率不变的情况下，剪切量增大，研磨作用增强；同时，在研磨室尺寸不变的情况下，较小的螺旋倾角对应较多的螺旋圈数，有效磨矿区域变大，可以提高磨矿效率。搅拌器的转速必须与物料的入料粒度、硬度和目标粒度要求相适应，过低的转速达不到研磨作用，但过高的转速不仅会增大研磨介质的无效磨损，还会导致研磨室内的颗粒离心力过大，物料、研磨介质在离心力的作用下分层，大颗粒被甩向筒壁，研磨介质对物料的挤压、研磨作用减弱，同时过高的转速会导致轴心位置产生空心区，影响系统的研磨效率。螺旋搅拌器还必须具有较高的耐磨性，一般通过增强螺旋衬板的耐磨性来实现，进而提高系统的作业率和研磨指标的稳定。螺旋衬板通过螺栓与焊接在螺旋主轴上的螺旋托板连接，可以方便地更换螺旋衬板。在螺旋衬板上设置倾斜槽有助于矿浆作上向运动，提高矿浆的流动性，减少过磨，降低研磨能耗。

1.3.2 研磨室筒壁衬板

研磨室是研磨物料的场所，其筒壁衬板的耐磨性直接关系到塔磨机的检修周期，因此，加强对研磨室筒壁耐磨衬板材质的研究很重要。目前研究和应用主要围绕橡胶磁性衬板［14］和栅格形衬板展开，栅格形衬板可选材料包括碳钢、耐酸合金钢等。橡胶磁性衬板壳体的材质是弹性耐磨橡胶或聚氨酯，衬板内的高矫顽力永磁磁块按N、S极交替排列，衬板表面的强大磁场使衬板的一面牢固地吸附在铁质研磨室筒体内侧，另一面吸附磁性矿物和小钢球，对衬板表面形成保护作用。栅格形衬板的耐磨原理是在研磨室内壁安装网格状栅格，在研磨物料的过程中，栅格中挤满研磨介质和物料，从而对研磨室的内壁形成保护；同时对物料流来说，栅格的阻尼作用可以提高物料的研磨效率，延长栅格形衬板的使用寿命。

1.3.3 研磨介质

塔磨机的研磨介质主要有耐磨高铬钢球或纳米陶瓷球，通常需与设备的装机功率、容积及结构相匹配。高铬钢球是塔磨机的传统研磨介质，具有硬度高、耐磨的特点。纳米陶瓷球的密度约为钢球的一半，因而相同充填率的纳米陶瓷球对物料研磨的挤压力、剪切力、擦洗力和冲击力不及钢球，但可以通过提高纳米陶瓷球的充填率来获得相同的研磨能力和产品细度。与钢球相比，纳米陶瓷球具有不易碎、不易失圆、对研磨室内的磨蚀力弱、不产生影响后续浮选的金属离子、生产成本低等特点［15］。在研磨介质的工艺参数中，充填率是重要指标，适当提高充填率可以提高磨机的研磨动能，强化研磨能力，但过大的充填率会使搅拌器承受过大的转矩，增大系统的负荷和搅拌器的磨损。

1.3.4 电控系统

塔磨机的集成控制系统的主要功能是实时监控、反馈和调整塔磨机的运行状态，并对塔磨机进行保护。塔磨机的集成控制系统主要包括信号采集系统和反馈输出控制系统。信号采集系统主要获取电机转速、电机电流（反映螺旋衬板的磨损情况）、电机轴承温度、电机绕组温度、减速机轴承温度、油流信号、减速机主轴振动信号、塔磨机传动轴承和铜瓦温度等信息，并将采集到的上述信息通过数据采集终端送入现场的DCS系统和服务器中，DCS系统和服务器通过程序控制，采用“黑箱”控制原理，与其匹配的控制中枢将其转化为通用电传信号，确保塔磨机的安全、稳定生产。

1.4 塔磨机的技术特点

（1）占用空间小，基建投资低。塔磨机设备紧凑，立式安装，无外部旋转件和辅助系统，因而节省空间；塔磨机内部宏观受力平衡，基础承重仅相当于塔磨机正常工作状态下的质量，因而设备基础要求低；可以露天安装和使用，厂房投资省。

（2）功效高、能耗低。塔磨机筒体不运转，没有研磨介质的无效抛落；研磨介质与物料接触紧密，且研磨室越往下物料总体粒度越粗、研磨强度也越大；螺旋轴低速转动；塔磨机具有自分级功能。因而塔磨机的磨矿效率高，无效功耗低，产品粒度细，可以有效减少物料的过磨。有研究表明，在给料和研磨介质相同、产品细度均为-0.05 mm80%的情况下，塔磨机的功耗只有球磨机的57%，且磨矿产品粒度越细，塔磨机的节能优势越明显。

（3）安装维修方便。塔磨机采用模块化组装，安装、维保方便；塔磨机低速运转，滚动或滑动研磨，研磨介质与衬板磨蚀速度慢，因而设备可靠性高，维检工作量小。

（4）作业率高，运行成本低，噪音污染小。塔磨机筒体衬板和螺旋衬板设计、安装巧妙，搅拌器搅拌强度低，小径研磨球碎球率低，研磨室内的研磨与球磨相比呈现出柔性特征，因而磨损件使用寿命长，筒体衬板消耗不到球磨机十分之一，搅拌器通常只需更换铲靴和下部衬板。较小的磨蚀和较高的电力转化效率决定了系统具有显著的高作业率、低成本、低噪音特征。

2 塔磨机的应用实践

我国金属矿资源禀赋差，有用金属矿物普遍嵌布粒度微细，采用传统的球磨机磨矿不仅能耗高，而且常呈现过磨与解离不充分严重并存局面，因此，选用高效、节能的细磨设备至关重要。塔磨技术作为一项细磨技术，目前已相当成熟，国内外涌现了众多塔磨机制造企业和应用矿山。国外代表性品牌有爱立许、美卓奥图泰、蒂森克虏伯等，国内代表性企业有中钢天源安徽智能装备股份有限公司、马鞍山市天工科技股份有限公司、沈阳盛世五寰科技有限公司、长沙矿冶研究院有限责任公司、北矿机电科技有限责任公司等。代表性的应用企业有玉溪大红山矿业有限公司、云南华联锌铟股份有限公司、云南黄金矿业集团股份有限公司等。

2.1 铁矿山的应用

我国铁矿石资源的日益贫、细、杂化和铁精矿精料方针的重大现实意义使细磨深选工艺应运而生，20世纪90年代前后铁矿石选厂开始出现两阶段磨选—精矿细筛—筛上中矿再磨再选流程，2000年以后标准的3阶段磨选流程面世。这两类流程的生产实践表明，后段作业的磨机生产率明显低于前段，突出表现为二段后的中矿再磨和三段磨矿的磨机生产率大幅度低于二段，这充分暴露出球磨机作为细磨设备的局限性。因此，业界开始尝试采用新型磨矿设备用于细磨，在解决了一系列设备和工艺、技术问题后，开启了塔磨机在铁矿山的应用历史。大红山铁矿石中的磁铁矿嵌布粒度粗细不均匀，选矿厂原磨矿全部使用球磨机，不仅电耗及钢耗较大，而且存在明显的过磨现象。细磨系统替换为爱立许ETM-1500型塔磨机+旋流器后，最终磨矿细度由-0.045 mm72.25%提高至-0.045 mm81.24%（磁铁矿的单体解离度提高到82.66%），磨矿电耗由12.89 kWh/t下降到8.02 kWh/t，钢耗由0.40 kg/t下降到0.25 kg/t，铁精矿品位从58%%提高到60.46%，硅含量由9.56%下降到9.16%［16-18］。庙沟铁矿原矿石中磁铁矿呈细粒不均匀嵌布，三段磨矿产品中存在大量结晶粒度很细的贫连生体，通过将原二、三段磨矿的各1台MQY3254型球磨机改造为并列的2台二段球磨机，并用美卓的Vetilmill型塔磨机对新二段磨矿产品的磁选精矿进行细磨，再选铁精矿综合铁品位由65.2%提高到66.0%以上，SiO2含量由7.8%降低到6.5%以下［19］。湖南尚卿矿业公司采用2台天工科技的TGTM-630型塔磨机作为处理祁东磁赤铁矿石的二、三段磨矿设备，精矿品位从62%提高到65%以上。白草钒钛磁铁矿选厂采用TGTM-710型塔磨机将-200目80%的给料细磨到-400目95%，铁精矿品位从55%提高到59%［20］。攀枝花中禾采用盛世五寰WTM710塔磨机将-200目65%磨至-325目90%，铁精矿品位从56%提高到60%。霍邱某磁铁矿采用中钢天源的TM系列塔磨机进行细磨，产品细度从-0.074 mm67.84%提高到-0.045 mm95%，精矿铁品位从66.74%提高到68%以上［21］。塔磨机在国内铁矿山取得成功应用的矿山还有攀钢白马铁矿、八一钢铁帕尔岗铁矿、山东东田矿业、攀枝花安宁铁钛矿、岚县田野铁矿、山西鑫大鑫铁矿等。

2.2 有色金属矿山的应用

在我国，塔磨机应用于有色金属矿山的历史要早于铁矿山，这一方面是因为有色金属矿山的规模和矿石的品位普遍不及铁矿，后段磨矿量更是显著小于铁矿山，因而所需要的细磨设备规格就小得多，在塔磨技术尚不很成熟的背景下，不难理解设备厂家会先从生产小规格的设备入手来积累经验，从而推动塔磨技术的成熟；另一方面，拟入磨有色金属矿的矿浆浓度、矿浆密度和矿物颗粒总体的磨蚀性会普遍低于铁矿，因而前者所对应的螺旋搅拌器和研磨室所承受的压力和运动阻力会小得多，且前者的磨蚀性更小，对螺旋搅拌器和研磨室内壁的材质和耐磨要求也就更低，为塔磨机前期发展提供了重要的实践机会。云南大屯选矿分公司所处理的锡铜多金属硫化矿石中主要铜矿物黄铜矿呈不均匀粒度（2 mm～0.5μm）嵌布，且与黄铁矿、磁黄铁矿紧密共生，铜粗精矿再磨设备由2台φ1 500 mm×2 400 mm型溢流型球磨机替换为1台爱立许ETM-1000型塔磨机后，溢流粒度提高至-0.037 mm87%左右，过磨现象反而显著减轻，铜回收率明显提高，单位电耗下降了69%，单位球耗下降了70%，磨矿效率达球磨机的2.6倍，磨机的工作噪声降低了20 dB［22］。云锡老厂分公司为解决硫化矿选厂单铜系统产能达不到设计值问题，用中信重工的CSM-250型塔磨机替换原现场球磨机后，不仅处理能力从1 150 t/d左右提高至1 500 t/d左右，磨矿产品-0.037 mm含量从83%左右提高到95%左右，铜精矿品位和回收率均得到不同程度的提高，砷含量由0.371%降至0.308%［23］。广东某伴生有钨、铋、钼、金、银等多种稀贵金属的微细粒嵌布的铜硫矿，3次精选铜精矿铜品位仅18%左右、回收率65%左右，采用中钢天源的TM系列塔磨机对铜粗选精矿进行细磨后再精选，铜精矿铜品位超过了20%、回收率超过了80%［24］。金堆城百花岭选厂增设塔磨机对柱浮选粗精矿进行擦洗，以去除辉钼矿表面吸附的杂质及药剂，结果钼精矿品位和回收率均得到了提高［25］。南京银茂铅锌矿使用中钢天源的TM1500-132塔磨机对细粒铅锌中间精矿进行再磨，粒度从-200目80%提高至-400目95%以上，精矿品位和回收率均得到有效的提高。华联锌铟新田选厂选用美卓VTM250、VTM125和盛世五寰WTM-500塔磨机用于铜、锌精矿的再磨，粒度均从-200目占80%提高至-400目70%以上。塔磨机在国内有色金属矿山取得成功应用的矿山企业众多，在洛钼集团、金川集团、江西铜业等所属矿山均有成功应用。

2.3 稀贵金属矿山的应用

从文献上看，作为稀贵金属矿山的代表，乳山金矿是我国最早应用塔磨机的金属矿山，这一方面反映了矿山对新技术的强烈渴求，另一方面也与矿石性质和矿山规模等因素有关。山东乳山金矿选矿厂就用φ1 000 mm型塔磨机代替原φ1 200 mm×2 400 mm球磨机进行细磨，磨矿产品-43μm含量提高了8.3个百分点，金氰化浸出率提高了4.88个百分点，金总回收率提高了0.66个百分点，单位电耗降低了51.66%，单位球耗降低了22.66%。北衙金矿选厂为更好地从现场磁铁精矿与浮硫精矿中浮选分离出金，先进行了微细粒金矿物的高效解离工艺改造，用爱立许1台ETM1250型塔磨机和1台ETM650型塔磨机分别对磁铁精矿与浮选硫精矿进行再磨，使硫精矿细度从-0.074 mm88%提高到-0.037 mm92%、磁铁精矿细度从-0.074 mm85%提高到-0.037 mm92%，低成本、高效地实现了金矿物的解离［26］。塔磨机在稀贵金属矿山的成功应用还包括焦家金矿等［27］。

3 应用前景展望

塔磨机作为微细粒嵌布的金属矿的高效、低成本磨矿设备，已经得到了业界的广泛认可，成为大规模开发利用微细粒嵌布的金属矿石的首选细磨设备，目前半自磨+塔磨、常规破碎+高压辊磨+塔磨［28］、球磨+塔磨工艺均为成熟工艺。

随着国产塔磨机的结构和性能的不断完善，目前已占据我国金属矿山，尤其是铁矿山细磨市场的很高份额，但在设备大型化以及配套驱动电机、减速机、联轴器、润滑油添加系统等方面，与国外设备相比还有一定差距，还没有真正打入国际市场。具体来说，在设备大型化方面，蒂森克虏伯生产的VX-6000型塔磨机驱动电机最大功率高达4 474 kW、电机转速达1 200 r/min，而国产塔磨机驱动电机功率虽然已经突破2 000 kW，但与国外产品还有明显差距。在研磨室内结构件的耐磨蚀性方面，由于一些有色金属矿浆中需要添加一些对研磨室内金属结构件有腐蚀性的药剂，会明显加快螺旋衬板，尤其是铲靴和底部衬板的磨蚀，在这些结构件的耐磨性方面，国内生产的塔磨机与国外产品相比还有一定的提升空间。在智能控制方面，国产塔磨机的智能控制水平与国外塔磨机相比也有一定差距，一些关键部位信号的监测故障率较高，监控作用效果难以发挥。在设备性能稳定性方面，国外产品还有一定的优势，主要表现在筒体强度、配套电机与减速机性能、产品结构的合理性和先进性、检修的便捷程度等方面。这些都是国产塔磨机设计厂家需要努力的方向。

今后，相关科技工作者还需要针对塔磨机的研磨机理、设备性能的提高、大型化的推进、应用新工艺与适用范围的拓展、智能控制系统的开发等积极开展研究工作。具体来说，国内相关科技工作者更重视设备的推广应用，但对研磨介质的运动规律、介质与物料的受力、碎磨方式、能量的转移、不同层级物料的运行速度、动能分布、碰撞几率、能量转换等机理研究不够重视，只有更清晰地了解这些机理，才能更科学合理地进行塔磨机的优化，做到有的放矢。利用飞速发展的计算机信息技术、人工智能技术、虚拟现实技术等开展塔磨机本体的科学设计及其控制系统的完善等工作。在进行产品结构设计方面，应尽可能结合给料性质和研磨产品工艺要求开展针对性的设计，尽可能使研磨介质充填率、料球比、磨矿浓度、塔磨机转速、螺旋倾角等设备与工艺技术参数更加合理，实现塔磨机品质的飞跃。