高压辊磨机在有色金属矿山的应用进展与展望

袁 满，卢冀伟，张俊飞，袁致涛，徐 瑞

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.辽宁五寰特种材料与智能装备产业技术研究院有限公司，辽宁 沈阳 113122)

在各类选矿厂的实际生产中，碎磨阶段产生的费用占总生产费用的40%以上，与此同时，在选矿厂的前期投资建设中，碎磨阶段的建设成本也占总成本的60%以上。由此可见，矿山企业若想要提高选矿厂的处理能力、降低破碎粉磨系统的能源消耗，首先要做的就是控制碎磨系统的建设成本与生产成本。在此背景下，高压辊磨机作为一种新型的粉碎设备，越来越多地应用于选矿厂的生产实践[1-3]。

对有色金属矿山企业而言，原矿品位逐渐下降、有用矿物的嵌布粒度较细、难选有色金属矿石逐渐增加、矿石硬度增加、粉碎成本增加等问题一直是制约企业发展的关键所在。因此，合理利用高压辊磨机在碎磨阶段的优势，是有色金属矿山企业降本扩能、提高经济效益的重要途径。但是，高压辊磨机应用于有色金属矿石加工领域仍处于起步阶段，其知识体系尚未完善。所以，本文结合高压辊磨机的结构原理和应用实例，综合评述高压辊磨机在有色金属矿物加工领域的研究现状以及发展趋势。

1 高压辊磨机的发展历程

1980年，高压辊磨机技术诞生于德国，是一种高效的破碎技术，最初主要应用于水泥行业，后续开始逐步应用于矿物加工领域。但是受限于辊面磨损严重等问题，高压辊磨技术在选矿工作中的应用进展非常缓慢。近年来，随着辊面磨损问题被不断攻克，高压辊磨机作为一种实现“多碎少磨”的重要设备，开始较为广泛的应用于金刚石和铁矿石加工领域。中国宝武钢铁集团有限公司马钢凹山选矿厂是我国第一家将高压辊磨机技术应用于铁矿石加工领域的矿山企业，与原流程相比，使用高压辊磨机后选矿厂的钢球消耗大大降低，金属回收率提升了3%，同时选矿厂的年处理能力增加了约250万t[2]。现阶段，高压辊磨机在铁矿石加工领域的应用已经比较成熟，体现了其可以降低能源消耗、增强选择性破碎、提高选厂处理能力的优点，随着对其重视程度的不断提升，一些有色金属矿山企业也开始引进高压辊磨机。陕西金堆城钼业集团有限公司(以下简称“金钼集团”)是我国第一家将高压辊磨机用作于超细碎设备的有色金属矿山企业，在常规的“三段一闭路”破碎作业后加入高压辊磨超细碎作业，成功降低了后续磨矿作业的能源消耗，提升了球磨机的处理能力，运行成本降低了44.4万元，充分体现了“多碎少磨”的理念[4]。目前，高压辊磨机已经从铁矿山开始向有色金属矿山等多个矿种领域拓展，并作为一种超细碎设备应用于实际生产中，取得了不错的效果[5-7]。

2 高压辊磨机在有色金属矿应用的优势

现阶段，有色金属矿山企业较多采用半自磨工艺[8]，如冬瓜山铜矿、大宝山铜硫选厂、德兴铜矿大山选矿厂等。半自磨工艺的回路简单，投资成本和整体运行成本较低，可以有效处理湿、黏和富含黏土的有色金属矿石。但是，随着开采的不断深入，易处理矿石的逐渐耗尽，更硬、更难磨的有色金属矿石渐渐成为处理的主要目标。虽然采用半自磨技术也可以处理这类有色金属矿石，但是矿石从粗粒级降低到合格粒级的能量利用将变得更加低效。而高压辊磨机相比于半自磨机更适合处理硬度较大、性质变化大的有色金属矿石，对矿石硬度或密度变化适应性更强，且其产品与半自磨机产品相比通常差别很小。同时，高压辊磨工艺相较于半自磨工艺能耗更低、综合运行成本更低[9]。因此，采用哪种碎磨流程，需要根据矿石性质，进行详尽的技术经济方案比较后方可确定，如Salolo铜矿[10]最初选择半自磨碎磨流程，但是经过进一步研究发现，所处理矿石的硬度和密度变化非常大，所以经过比较，最后决定选择高压辊磨工艺。

有色金属矿石的特点之一是矿石构成比较复杂[11]，很少有单一矿种的有色金属矿产资源，大部分是多种矿种共生或伴生，加之多数有用矿物的嵌布粒度较细，所以分选这类矿石时，矿石需粉磨至非常细的粒度。这就导致在有色金属矿石加工领域，碎磨作业的能量消耗十分巨大。而使用高压辊磨机粉碎有色金属矿石，物料在通过定辊与动辊之间的缝隙时[12]，会同时受到与相向运转的辊子直接接触产生的压力和由物料自身重力所产生的压力的作用。与此同时，充满破碎腔的矿物颗粒之间也会产生互相的挤压力。在这三种力的共同作用下，缝隙间的物料被逐渐压实，物料随即产生粒群粉碎或粒间粉碎、层压粉碎[13]。相较于常规破碎机械的单颗粒粉碎方式，高压辊磨机的层压粉碎是在压力作用下使物料形成料层，同时在巨大的压力下，矿物颗粒之间相互挤压，直至颗粒的主要部分破碎、断裂，产生裂纹或劈碎[14]。因此，使用高压辊磨机粉碎有色金属矿石，可以使粉碎产品的粒度分布变宽，细粒级含量增多，解离程度变大，同时可以有效减少粉碎过程中颗粒摩擦和细粒级造团现象的发生，提升破碎效率，降低能源消耗。

大多数有色金属矿产资源的有价元素品位较低，同时由于开采中涉及的矿物种类较多，每一种矿产资源的开采条件也不尽相同。许多受限于当时经济技术条件，难以进行加工利用的有色金属矿产资源，随着先进技术的不断融入，回收利用价值不断提升，这也使得有色金属矿产资源的回采率提高，根据相关资料，现阶段平均三年的有色金属矿山资源的回采率高达90.7%[11]。而将高压辊磨技术引入有色金属选矿行业，正是促进低品位有色金属矿石回收利用和提高有色金属矿石利用率的重要举措。利用高压辊磨机粉碎有色金属矿石时，料层会受到挤压，各个颗粒之间也由于受到巨大的相互挤压力沿着晶界产生破碎或形变，所以选择性破碎效果较好，并且粉碎产品内部的微裂纹发育更加丰富，有利于后续磨矿的选择性解离。正是高压辊磨机的这种粉碎特性，会对低品位有色金属矿石后续的分选作业产生有利影响，即较好的选择破碎性与发育更充分的微裂纹可以优化某些有色金属矿石中有用矿物的浮选效果或浸出效果，提高金属回收率和精矿品位。

综上所述，高压辊磨工艺相较于半自磨工艺，有着更适合处理硬质、难磨有色金属矿石，对矿石性质变化适应性更强，能耗、综合运行成本更低的优势，具体选择哪种粉磨工艺，需依据矿石性质而决定。同时，针对有色金属矿石构成比较复杂、嵌布粒度较细、有价元素品位较低和回采率较高等特点，结合高压辊磨机结构与工作原理，将高压辊磨机合理应用到有色金属矿石的加工中还具有粉碎产品细粒级含量增多、碎磨作业效率提升、能耗降低、选择破碎性增强、产品内部微裂纹发育更充分等优势，有助于提高选别作业分选效果[15-17]，进而促进低品位有色金属矿产资源的回收利用。

3 高压辊磨在有色金属矿中的应用与研究

我国有色金属矿石资源种类繁多，但大多数矿种品质属贫、杂、细。为此，自20世纪90年代开始，国内许多金属矿山企业开始引进国外新型、高效的矿山生产工艺设备，以解决自身在经济、技术和环保等方面面临的突出问题。高压辊磨机作为一种超细碎设备开始进入有色金属矿物加工领域，利用高压辊磨机生产能力大、破碎比大、选择性破碎充分和颗粒内部微裂纹丰富等优势[18]，使其尽可能多地承担球磨机的工作量、简化磨矿流程，实现“多碎少磨”，降低能源消耗，减少生产成本，并对后续分选作业产生积极作用，可提高后续分选的指标，提高精矿产品质量。

3.1 “多碎少磨”

金堆城钼业集团有限公司是我国首家引进高压辊磨机用于破碎作业的有色金属矿山企业[4]。金钼集团选用魁珀恩公司规格为500/15-1000的高压辊磨机进行超细碎作业，在给矿粒度为0～25 mm的条件下，破碎产品中粒度为0～5 mm所占比例由53%增长到75%，而目前硫化矿浮选的粒度上限0.20～0.25 mm部分所占比例由破碎前的7.09%提高到了22.00%。研究结果表明，有色金属矿石经高压辊磨机粉碎后，产品中细粒级物料的含量大大提高，球磨机的产能提升约15%，充分体现了“多碎少磨”理念。

河南省栾川县某有色金属选矿厂[19]处理的矿石是典型的矽卡岩型矿石，其中主要的有用矿物为辉钼矿和白钨矿，同时回收伴生的铜、萤石等。选矿厂原始的破碎流程为经典的“三段一闭路”破碎流程，为满足提高产能、降低成本、增加效益的迫切需求，在原有的流程基础上，增加高压辊磨机超细碎作业。通过试验研究发现，经过高压辊磨机粉碎后，破碎产品中细粒级的含量显著增加，而用于粉碎矿石的能量消耗却有所降低，可见高压辊磨机超细碎效果显著。由此，选定GM160-140型高压辊磨机作为超细碎设备进行工业应用。改造后，进入球磨机的物料粒度相较于原流程有了大幅下降，物料在球磨机内停留时间较少，由此选矿厂的处理能力相较于改造前提升了67%，达到了24 000 t/d。

山东黄金矿业(莱州)有限公司三山岛金矿新立选矿厂[20]建设之初就秉持着“多碎少磨”的理念，采用了大量的新技术、新设备与新材料。选矿厂粉磨流程为“高压辊磨机+大型球磨机”联合粉磨系统，使用高压辊磨机代替传统的细碎设备，实现“多碎少磨”，不仅可以获得较高的能量转换率，还能简化选矿厂碎磨作业流程，提高处理能力。黑龙江某铅锌矿[21]选厂使用高压辊磨机直接生产-1 mm的粉碎产品，并用塔磨机取代传统的球磨机，缩短了碎磨流程，提升了选厂的处理能力。

3.2 节能降耗

金堆城钼业集团有限公司的有色金属矿石经过高压辊磨机处理后，粉碎产品中细粒级的占比变大，同时由于高压辊磨机的粉碎特性，产品中粗粒内部的裂纹发育更加丰富，可以有效地降低磨矿作业的能源消耗。研究结果表明，“三段一闭路破碎+高压辊磨机+磨矿”相较于常规的“三段一闭路破碎+磨矿”工艺流程可减少建设成本248.9万元，降低运行成本44.4万元，成功地实现了节能降耗的目标[4]。

河南省栾川县某有色金属选矿厂引进高压辊磨机使处理能力提升的同时，碎磨系统的能源消耗也有所下降，通过邦德球磨功指数试验发现，经高压辊磨机处理过的矿石磨功指数由未处理前的13.78 kW·h/t，降低到了11.81 kW·h/t，降幅达到14.08%[19]，同时球磨机内部衬板的使用寿命也从11个月提高至14个月，成功降低了碎磨系统的能源消耗。

山东黄金矿业(莱州)有限公司三山岛金矿新立选矿厂在投产后，选矿厂重点研究了辊磨机与大型球磨机的配套设计及应用技术。研究结果表明，高压辊磨机与大型球磨机的性能匹配对选矿成本和精矿品质有着巨大的影响。投产后，随着系统的不断优化，选矿厂耗电量由24.65 kW·h/t降至19.31 kW·h/t，钢球单耗由平均1.05 kg/t降至0.91 kg/t，降幅达到15.75%，大型管路及大型旋流器等耐磨构件的寿命增加了15%～20%，精矿品位较常规流程提高了20%～25%。研究结果表明，合理有效地利用高压辊磨机，可以极大改善选矿厂能耗结构，优化生产指标，降低选矿成本[20]。

国内某大型铜选矿厂[22]为实现节能降耗、扩能增效的目标，决定在常规的“三段一闭路”破碎路程后加入高压辊磨机超细碎作业，并进行了工业试验。研究结果表明，改造后一段球磨机的处理能力大幅上升，由63.92 t/h增长到86.58 t/h，同时钢球的单耗从0.902 kg/t降低到0.699 kg/t；随着进入磨机的物料粒度的下降，磨矿耗电也从12.90 kW·h/t降低到9.15 kW·h/t，降幅达到了29.07%。

3.3 提质增效

高压辊磨机应用于有色金属矿山除了具有节能降耗的优点外，在提高选矿厂的技术指标方面也有着巨大的优势。高压辊磨机可以对辊子之间的物料进行层压粉碎，大大提高了物料的粉碎程度，增加了矿物的有效解离程度并产生了更多的微裂纹[23]，进而会对后续的选别作业产生影响。为此，国内外许多专家学者进行了高压辊磨技术对有色金属矿后续浮选和浸出作业影响的研究。

马英强等[24]以某含金铜矿石为研究对象，采用“高压辊磨机+球磨机”与“颚式破碎机+球磨机”两种碎磨方案对其进行处理，以此来考察不同粉碎方式对该有色金属矿石浮选效果的影响。研究结果表明，在磨矿细度为-74 μm为75%的条件下，高压辊-球磨机产品的铜矿物平均单体解离度为90.93%，比颚式破碎机-球磨机产品中铜矿物的平均单体解离度提高了10.89%，由此可见在加入高压辊磨机后，物料得到了更充分的解离；在后续的浮选试验中，高压辊-球磨机产品的浮选精矿比颚式破碎机-球磨机产品的浮选精矿产率高0.14%，金品位提高了0.64 g/t，金回收率提高了2.80%，同时铜的品位与回收率也分别提高了0.73%和6.19%。由此可见，使用高压辊磨机可以使该矿石浮选效果增强，技术指标得到全面提升。

BAUM等[25]对高压辊磨技术对铜矿石浸出的影响进行了研究。目前，铜矿石加工领域的难度在持续增大，铜矿石的品位越来越低，冶金难度越来越大，对铜矿石浸出作业的要求也越来越高。将常规破碎的铜矿石与经过高压辊磨的铜矿石，在相同条件下，进行浸出试验，通过对比发现，得益于颗粒内部发育更好的微裂纹，高压辊磨产品在100 d后的浸出率比常规破碎产品增加了2%～5%。同时，经过高压辊磨机破碎后的产品浸出速率也更快，在相同条件下，常规破碎产品浸出60%的铜需要50～55 d，而高压辊磨产品仅需要25～30 d。

侯英等[26]探究了高压辊磨对邦辅钼铜矿石的选择性破碎作用及机制，并对比了高压辊磨粉碎方式与鄂式破碎方式对该矿石后续浮选的影响。经试验发现，在粗粒级中高压辊磨产品的Mo和Cu品位与分布率都比鄂式破碎产品低；在细粒级中，高压辊磨产品中的Mo和Cu的品位与分布率都不同程度上比鄂式破碎产品高，这表明铜矿石在高压辊磨机内发生了选择性破碎。在此基础上，对高压辊磨机粉碎产品与鄂式破碎机破碎产品分别进行了浮选研究，研究结果表明，两种产品经球磨机粉磨后在各自最佳的浮选条件下进行试验，高压辊磨机产品的浮选效果要优于颚式破碎机产品的浮选效果，钼粗精矿中钼品位提高了0.83%，钼回收率提高了1.05%；铜粗精矿中铜品位提高了0.23%，铜回收率提高了2.66%。

TANG等[27]对比了高压辊磨技术与鄂式破碎技术对金矿堆浸效果的影响。通过研究发现，与颚式破碎机相比，高压辊磨机产品中细粒级较多，且在中等压力下，高压辊磨产品可以产生更多的微裂纹，更多的裂缝可以为浸出溶液提供更优的路径，使液体能够更高程度地自发渗透到颗粒内，这增加了试剂与金颗粒接触的可能性，从而减少了氰化物的消耗。在实验室中，使用高压辊磨机进行破碎，可使金回收率提高9.04%～11.82%。

根据上述应用实例与研究可知，将高压辊磨机应用于有色金属矿石的粉磨作业中有诸多优势。高压辊磨机可以有效提高粉碎产品中细粒级的含量，减轻球磨机的工作量，贴合“多碎少磨”理念，同时得益于其层压粉碎的粉碎方式，碎磨作业的能量损耗率降低、转化率提高，产品微裂纹更丰富，所以可以有效降低选矿厂的能量消耗，提升选厂处理能力，优化分选作业效果，提升精矿品质。

4 有色金属矿山的高压辊磨机适用工艺

高压辊磨机是一种高效节能的粉碎设备，在有色金属选矿厂中主要的流程工艺有开路粉碎工艺、边料返回半闭路粉碎工艺和筛分全闭路工艺[21]。高压辊磨机实际应用流程的确定需考虑矿石硬度、干式或湿式分级和辅助设备等方面因素[28]，同时应兼顾到投资成本与运行成本的影响。

4.1 开路粉碎工艺

只对物料进行一次粉碎就得到产品的粉碎工艺为开路粉碎工艺，开路粉碎工艺具有工艺简单、没有循环负荷、处理能力强的优点，但是其产品中细粒级含量较低。高压辊磨机开路粉碎流程没有筛分作业，所以十分适合处理含泥或含水量大的矿石，同时可以简化粉碎流程，减少建设成本。因此，高压辊磨机开路粉碎工艺十分适用于场地空间狭小、产品粒度要求不严格、建设成本较低的选矿厂。

Anglo铂族Northam UG2选矿厂[29]于2008年引进高压辊磨机，对选矿厂进行技术改造。这是首次将高压辊磨机应用于铂族金属的选别中，改造过后选矿厂的产能从107 t/h增加到148 t/h的同时，铂族金属的回收率也提升了6%。

4.2 边料返回半闭路粉碎工艺

为了解决高压辊磨机开路粉碎过程中粒度范围太大、粗细分布不均的问题，常常使用边料返回半闭路破碎工艺，在高压辊磨机排料端设置分矿挡板，将粉碎产品分为中料和边料，从辊子边缘落下的相对较粗的边料产品返回至高压辊磨机进行再破碎，返回量可根据实际情况在0%～50%之间波动。半闭路粉碎工艺相较于全闭路工艺，流程相对简单、辅助设备较少、运行成本和维护成本也较低，其粉碎效果虽不如全闭路粉碎工艺，但却优于开路粉碎工艺和常规破碎工艺。所以，高压辊磨机边料返回半闭路粉碎工艺适合处理含水率较高、矿石硬度较小、产品不利于进行筛分的物料。

哈萨克斯坦Vasikovsky金矿[30]使用高压辊磨机作为第三段破碎机，为保证粉碎效果，采用边料返回半闭路破碎工艺，物料经过粉碎后，中间部分的产品进入料仓等待下一步作业，边缘部分的产品通过皮带返回再次进入高压辊磨机进行粉碎，边料的返回量可达912 t/h。

4.3 筛分全闭路工艺

筛分全闭路工艺是将高压辊磨机与筛分设备联合使用，可以筛分出符合粒度要求的产品，不符合要求的产品返回高压辊磨机再次粉碎，由此达到严格控制粉碎产品粒度的目的。有时有用矿物呈微细嵌布或被其他矿物包裹，简单的开路和半闭路粉碎工艺难以达到选别的粒度要求，这时使用高压辊磨机筛分全闭路粉碎工艺，利用高压辊磨机对矿石进行超细碎作业，可以使有用矿物充分单体解离，从而得到较好的回收率。

澳大利亚的Bendigo金矿是全球最早将高压辊磨机应用于黄金矿山细碎阶段的企业之一。Bendigo金矿为严格控制排出物料的粒度，使用筛分全闭路工艺流程，筛上物料返回高压辊磨机再次粉碎，筛下产品将进入磨矿作业。采用高压辊磨机筛分全闭路粉碎工艺，Bendigo金矿选矿厂的年处理量可达到100万t。

综上所述，开路粉碎工艺中没有筛分作业，同时破碎流程十分简单，所以适用于矿石含泥量和含水量较高、场地空间受限、投资成本有限的有色金属矿山；边料返回半闭路粉碎工艺虽然也没有筛分环节，但是边缘物料会返回高压辊磨机再次粉碎，相较于开路粉碎工艺，粉碎产品的粒度会有所下降，同时工艺配置相对简单，所以边料返回半闭路粉碎工艺适用于矿石富含软岩矿物、黏土矿物、含水率较高、对粉碎产品粒度有一定要求的有色金属矿山企业；而筛分全闭路粉碎工艺中包含筛分环节，可以严格控制排出物料的粒度，所以筛分全闭路粉碎工艺适用于矿石嵌布粒度细、需要进行超细碎作业的有色金属矿山企业。

5 结论与展望

1) 根据矿石性质，选择不同的粉磨工艺。半自磨工艺处理湿、黏、富含黏土的有色金属矿石是很理想的工艺，具有回路简单、投资和运行成本低等优点，而高压辊磨工艺更适合处理硬质、难磨，硬度和密度变化大有色金属矿石。同时，高压辊磨工艺与半自磨工艺产品的差别很小，但高压辊磨机的能耗、综合运行成本更低。

2) 高压辊磨机应用于有色金属矿产资源的开发利用中，可以显著提高产品细粒级含量，增强选择性破碎，降低能源消耗和生产成本，提升选厂处理能力和效率，贴合“多碎少磨”的技术理念，同时使矿物颗粒内部微裂纹发育更充分，优化分选效果，促进低品位有色金属矿产资源的回收利用。

3) 高压辊磨机有三种粉碎工艺流程：开路粉碎工艺、边料返回半闭路粉碎工艺和全闭路粉碎工艺。各有优劣，可根据不同的情况选择不同的粉碎工艺。目前，大多数有色金属矿山，为严格控制粉碎产品粒度，多采用全闭路粉碎工艺。

4) 借鉴高压辊磨机超细碎-铁矿石预选工艺在低品位铁矿石资源中的应用以及高压辊磨工艺对秘鲁某金铜铁多金属矿进行预富集的研究，提出高压辊磨机与粗粒抛尾技术联合使用处理低品位有色金属矿石的构想。有色金属矿石经高压辊磨机处理后，产品粒度能满足常规粗磨后提前抛尾作业对物料粒度、解离度等特性的要求，之后借助有用矿物与脉石矿物之间的密度或磁性差异，经重选、磁选等粗粒抛尾技术处理后，可以抛出部分脉石矿物，降低球磨机能源消耗，减轻脉石矿物对选别作业的影响。如硫化铜镍矿中镍黄铁矿具有磁性，经高压辊磨机粉磨后，可借助磁选分离部分脉石矿物。由此可以预见，高压辊磨与粗粒抛尾技术联合使用，将有效推动我国有色金属矿企业的节能降耗与增产增效建设进程。

5) 高压辊磨机作为一种高效粉碎设备，与磁选预选工艺联合使用在铁矿石选矿中得到广泛应用，然而随着其他预选技术如光电选技术、重介质旋流预选技术以及重磁拉设备的研制等粗粒预选技术的进步，使得有色金属矿石选矿采用高压辊磨与预选技术的结合使用成为可能，从而对提前抛出部分脉石、降低后续入磨量、提高磨矿效率以及减轻脉石对选别作业的影响具有重要意义，受到从事有色金矿选矿工作者的关注，拥有广泛的应用前景，可以有效推动我国有色金属矿企业的节能降耗与增产增效建设进程。