孫小旭，盧世杰，何建成，劉佳鵬

(1北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司，北京 100160；2北京礦冶研究總院，北京 100160)

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GJM型棒式攪拌磨機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用

孫小旭1，2，盧世杰1，2，何建成1，2，劉佳鵬1，2

(1北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司，北京 100160；2北京礦冶研究總院，北京 100160)

摘要：為解決普通球磨機(jī)在石墨再磨流程中存在的效率低、能耗高的問題，在闡述石墨再磨設(shè)備設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，研制了GJM型棒式攪拌磨機(jī)。研發(fā)過程中，以相似放大為基本設(shè)計(jì)原則，明確了高徑比在1∶1～2.5∶1之間的圓柱形筒體結(jié)構(gòu)；確定了攪拌棒在攪拌主軸上呈2～10層、每層1～8根的螺旋上升式布置型式，采用了電機(jī)、減速機(jī)直接傳動(dòng)方式。同時(shí)，運(yùn)用力學(xué)知識分析了磨機(jī)內(nèi)部的受力情況和運(yùn)動(dòng)形態(tài)，通過軸功率的計(jì)算確定了磨機(jī)裝機(jī)功率；分析了特定能量輸入下應(yīng)力強(qiáng)度對產(chǎn)品粒度的影響方式，得到了應(yīng)力強(qiáng)度在(0.1～0.5)×10-4N·m時(shí)容易獲得最優(yōu)產(chǎn)品粒度的結(jié)論。最終，將此磨機(jī)和普通球磨機(jī)同時(shí)應(yīng)用于石墨再磨流程中，取得了較普通球磨機(jī)節(jié)能25%左右的試驗(yàn)結(jié)果，表明其在石墨行業(yè)的應(yīng)用潛力巨大。

關(guān)鍵詞：GJM型棒式攪拌磨機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；應(yīng)力強(qiáng)度；節(jié)能高效；石墨

石墨作為一種重要的戰(zhàn)略資源，其在非金屬礦領(lǐng)域具有十分重要的地位。石墨采選行業(yè)歷史悠久，加之石墨“多磨多選”的工藝流程，再磨設(shè)備在石墨行業(yè)的應(yīng)用十分廣泛。

石墨選礦流程中的再磨設(shè)備主要分為球磨機(jī)和攪拌磨機(jī)兩大類。球磨機(jī)作為典型的磨礦設(shè)備應(yīng)用廣泛，占據(jù)著大部分的磨礦設(shè)備領(lǐng)域，但球磨機(jī)具有功耗高、過粉磨現(xiàn)象嚴(yán)重等顯著缺點(diǎn)，故球磨機(jī)通常應(yīng)用于一、二段再磨中。而攪拌磨機(jī)在石墨再磨流程的后幾段磨礦中具有十分重要的作用，常用的有葉輪式攪拌磨機(jī)，其因功率強(qiáng)度大、攪拌作用劇烈，在實(shí)際石墨再磨流程中也存在不同程度的過粉磨現(xiàn)象[1]。

為了解決再磨作業(yè)流程中普通球磨機(jī)效率低、能耗高等問題[2]，北京礦冶研究總院/北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司自1960年開始研究碎磨理論和設(shè)備，在現(xiàn)有GJM雙槽葉輪式攪拌磨機(jī)、KLM立式螺旋攪拌磨機(jī)、磁性襯板等多種設(shè)備和系列產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，近年來成功研發(fā)了GJM型棒式攪拌磨機(jī)，該設(shè)備現(xiàn)已成功應(yīng)用于石墨礦的再磨流程中。

1石墨再磨設(shè)備的基本設(shè)計(jì)要求

根據(jù)再磨工藝流程要求及石墨等礦物的鱗片狀結(jié)構(gòu)、“多磨多選”的基本工藝[3]，在石墨再磨領(lǐng)域應(yīng)用的磨機(jī)，必須滿足以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)要求。

1)再磨效果顯著：在盡量減少過粉磨的情況下，充分粉磨礦物，盡可能磨掉礦物表面殘留的雜質(zhì)和藥劑使其暴露出新鮮表面，以便于下一階段的分選。

2)攪拌速度適中：攪拌轉(zhuǎn)速過高容易造成有用礦物的過粉磨，轉(zhuǎn)速過低不能達(dá)到對有用礦物再磨的效果。

3)帶負(fù)載停車和啟動(dòng)。

4)磨礦參數(shù)便于調(diào)節(jié)：通過調(diào)節(jié)研磨介質(zhì)參數(shù)、添加量，給礦量等，可迅速使磨機(jī)處于最佳工作狀態(tài)。

除上述要求外，還應(yīng)具備諸如結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、易損件壽命長、操作簡單、維護(hù)簡單、維修方便等特點(diǎn)。

2棒式攪拌磨機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

GJM型棒式攪拌磨機(jī)是一款流化立式攪拌磨機(jī)，其利用攪拌棒的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，使磨礦腔室中的研磨介質(zhì)和料漿混合物產(chǎn)生高能運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生介質(zhì)與顆粒間、顆粒與顆粒間的剪切、擠壓和摩擦力，形成再磨的理想環(huán)境。

GJM型棒式攪拌磨機(jī)筒體為圓柱體，研磨室的高度與直徑比約為1∶1～2.5∶1；多層棒式的攪拌裝置支撐于筒體上，且在攪拌主軸上呈多種方式排列。工作時(shí)，磨機(jī)筒體固定不動(dòng)，筒體內(nèi)裝有研磨介質(zhì)(鋯球、陶瓷球、卵石、砂石等)，介質(zhì)直徑和添加量需要根據(jù)實(shí)際工況確定；棒式攪拌裝置在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下中高速旋轉(zhuǎn)，攪拌棒末端線速度可達(dá)3～11m/s左右。

GJM型棒式攪拌磨機(jī)由電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、減速機(jī)支架、筒體部件、攪拌裝置等部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　GJM型棒式攪拌磨機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

GJM型棒式攪拌磨機(jī)與普通球磨機(jī)或其他類型的攪拌磨機(jī)相比，主要特點(diǎn)如下所述。

1)采用立式布置，完全利用磨機(jī)本體結(jié)構(gòu)支撐動(dòng)力和傳動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)備占地面積更小、基礎(chǔ)更加簡單，同時(shí)，節(jié)省料漿密封裝置。

2)攪拌裝置采用層級布置，降低再磨設(shè)備的功率輸入強(qiáng)度，增加設(shè)備內(nèi)部的層級流動(dòng)效果，提升對石墨鱗片結(jié)構(gòu)的保護(hù)作用。

3)節(jié)能高效，與球磨機(jī)對比節(jié)能20%～40%左右，磨礦介質(zhì)消耗低，實(shí)用性強(qiáng)。

4)操作安全，易于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制，工作穩(wěn)定可靠。

3棒式攪拌磨機(jī)關(guān)鍵參數(shù)研究

棒式攪拌磨機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)主要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)兩部分：關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)主要有攪拌棒結(jié)構(gòu)分析、筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)方式的選取等；關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)主要有裝機(jī)功率、攪拌棒末端速度、研磨介質(zhì)參數(shù)的確定和選取等。

3.1關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)研究

3.1.1攪拌棒結(jié)構(gòu)分析

攪拌棒的結(jié)構(gòu)分析主要包括攪拌棒的數(shù)量以及在攪拌主軸上的布置型式。

根據(jù)筒體體積、筒體高徑比、溢流口高度、筒體有效容積、研磨介質(zhì)運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)，最終可確定攪拌棒在攪拌主軸上分2～10層布置，每層1～8根。

在攪拌棒的數(shù)量不變的前提下，其在攪拌主軸上的布置型式主要有2種：十字交叉式、螺旋式。見圖2。

圖2　攪拌棒布置型式簡圖

參考不同攪拌棒的布置型式對再磨效果的影響情況[4]，考慮到介質(zhì)間、顆粒間的層級再磨效果、螺旋式布置對研磨介質(zhì)、礦漿的提升作用等因素，綜合考慮攪拌棒布置型式確定為螺旋式。

3.1.2筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[5]

筒體結(jié)構(gòu)型式直接影響筒體內(nèi)礦漿和研磨介質(zhì)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮加工、制造的難易程度。在充分考慮再磨原理及效果的基礎(chǔ)上，棒式攪拌磨機(jī)采用圓柱式筒體結(jié)構(gòu)。筒體上設(shè)有給礦口、溢流口、介質(zhì)添加口與放空裝置等。

筒體的高徑比是一個(gè)非常重要的參數(shù)，其直接影響磨礦介質(zhì)的表面壓力和啟動(dòng)負(fù)荷等相關(guān)參數(shù)，其選取時(shí)需要考慮研磨介質(zhì)應(yīng)力強(qiáng)度、攪拌主軸轉(zhuǎn)速、磨礦時(shí)間等相關(guān)因素。棒式攪拌磨機(jī)的高徑比通常在1∶1～2.5∶1之間。

3.1.3傳動(dòng)方式的選取

棒式攪拌磨機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速較低，須采取一定的方式降速，典型傳動(dòng)方式可分為一級皮帶+減速機(jī)傳動(dòng)和電機(jī)+減速機(jī)直連傳動(dòng)兩種。但考慮到皮帶傳動(dòng)所需布置空間大、傳遞效率低、不利于設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行等，故棒式攪拌磨機(jī)采用電機(jī)+減速機(jī)直連傳動(dòng)。

3.2關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)研究

3.2.1裝機(jī)功率的確定

對于攪拌裝置的攪拌軸功率一般按通用公式(1)進(jìn)行計(jì)算[6]。

P=NpρnaDb

(1)

式中：P為攪拌軸功率，kW；Np為攪拌功率準(zhǔn)數(shù)，與液體雷諾數(shù)、攪拌結(jié)構(gòu)型式等有關(guān)；ρ為液體密度，kg/m3；n為葉輪轉(zhuǎn)速，r/min；D為葉輪直徑，m。其中a取值為1.5～3；b取值3～5；a和b的取值與攪拌棒的直徑、布置方式、截面形狀有關(guān)。

除式(1)軸功率外，研磨介質(zhì)的大小、添加量也直接影響磨機(jī)的裝機(jī)功率。因此，實(shí)際確定設(shè)備裝機(jī)功率時(shí)需要綜合考慮多方面的因素，因此通常需通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)來確定設(shè)備的具體裝機(jī)功率。

3.2.2研磨介質(zhì)應(yīng)力強(qiáng)度

棒式攪拌磨機(jī)在研磨過程中能量消耗的計(jì)算方式和影響關(guān)系分析如下[7]所述。

1)攪拌棒附近顆粒被加速的能量計(jì)算見式(2)、式(3)。

(2)

(3)

式中：Dd為攪拌器直徑，m；Dm為研磨介質(zhì)直徑，m；ρm為研磨介質(zhì)密度，kg/m3；ρ為礦漿密度，kg/m3；Vm為研磨介質(zhì)體積，m3；ac為介質(zhì)離心加速度，m/s2；vt為攪拌器末端速度，m/s；Vp為顆粒體積，m3；SIm為研磨介質(zhì)應(yīng)力強(qiáng)度，N·m。

2)攪拌棒與筒體側(cè)壁之間部分，平均研磨壓力(離心力)計(jì)算見式(4)。

(4)

式中：Fc為離心力，N；Ap為顆粒橫截面積，m2；其他參數(shù)與之前所述相同。

3)對于棒式攪拌磨機(jī)，除上述作用力外還有重力作用，詳見式(5)、式(6)。

(5)

(6)

式中：Fg為重力，N；h為研磨介質(zhì)高度，m；g為重力加速度常數(shù)，m/s2；SIgm為研磨介質(zhì)的重力應(yīng)力強(qiáng)度，N·m；其他參數(shù)與之前所述相同。

綜上所述，研磨介質(zhì)應(yīng)力強(qiáng)度是一個(gè)能綜合反映研磨介質(zhì)尺寸、密度、礦漿密度、攪拌棒末端線速度等因素對磨機(jī)能耗影響的參數(shù)。其反映的是磨機(jī)內(nèi)能量用于粉磨的程度，輸入能量過低粉磨沒有效率，輸入能量過高會(huì)造成能量浪費(fèi)，故對于能量輸入有一個(gè)合理的最優(yōu)值。實(shí)際分析中，棒式攪拌磨機(jī)總的研磨介質(zhì)應(yīng)力強(qiáng)度為上述SIm和SIgm的和值。

不同的能量輸入下均有較為理想的研磨介質(zhì)應(yīng)力強(qiáng)度值，其分布曲線見圖 3[8]。

因此，對于特定能量輸入的情況下，研磨介質(zhì)應(yīng)力強(qiáng)度概念對于磨機(jī)選型、性能優(yōu)化具有至關(guān)重要的作用，故需在進(jìn)行磨機(jī)設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化等工作時(shí)詳加考慮。

4棒式攪拌磨機(jī)的應(yīng)用

目前，GJM型棒式攪拌磨機(jī)已在某石墨礦的再磨流程中獲得成功應(yīng)用，其主要應(yīng)用于浮選過后的再磨作業(yè)中。在石墨選礦再磨3流程段下，GJM型棒式攪拌磨機(jī)與普通球磨機(jī)在運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)上對比效果明顯，如表1所示。

圖3　典型礦物下研磨介質(zhì)應(yīng)力強(qiáng)度與產(chǎn)品粒度之間的關(guān)系

基本參數(shù)技術(shù)指標(biāo)棒式攪拌磨機(jī)普通球磨機(jī)裝機(jī)功率/kW18.530生產(chǎn)能力/(t/h)2～42～4研磨介質(zhì)類型陶瓷型鋼球介質(zhì)添加量/t0.6～1.01.7介質(zhì)規(guī)格/mm6～1215給礦粒度F80/μm約300約300排礦粒度P80/μm約285約280礦漿濃度/%20～3020～30產(chǎn)品純度/%95～9795～97

石墨屬于鱗片狀礦物，且其鱗片的大小直接與產(chǎn)品質(zhì)量等級、經(jīng)濟(jì)效益等息息相關(guān)。如表1所示，棒式攪拌磨機(jī)與普通球磨機(jī)對比可知，其可在盡可能保護(hù)大鱗片的前提下，使礦物充分裸露出新鮮表面，進(jìn)而充分提高石墨的純度和回收率，故棒式攪拌磨機(jī)是石墨“多磨多選”流程中不可或缺的再磨設(shè)備。

5結(jié)論

在再磨設(shè)備設(shè)計(jì)要求、設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)研究的基礎(chǔ)上，研發(fā)出了GJM型棒式攪拌磨機(jī)，并在石墨礦中取得了成功應(yīng)用，其基本效果如下所述。

1)攪拌棒的螺旋式布置，提升了磨機(jī)內(nèi)礦漿的層流，在同樣產(chǎn)品純度、給礦粒度的情況下，排礦粒度提高，側(cè)面反映了磨機(jī)對鱗片結(jié)構(gòu)有保護(hù)作用。

2)節(jié)能高效，在同樣的條件下與球磨機(jī)對比，可節(jié)能25%左右。

3)結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，立式結(jié)構(gòu)布置，省掉礦漿密封裝置。

4)設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲低，安全可靠。

綜上，GJM型棒式攪拌磨機(jī)在鱗片狀礦物的再磨流程中具有較高的適用性，應(yīng)用潛力較大。

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礦業(yè)縱橫

收稿日期：2015-12-04

作者簡介：孫小旭(1989-)，男，河北易縣人，工程師，主要從事粉磨設(shè)備研發(fā)與推廣工作。E-mail：sunxiaoxu@bgrimm.com。

中圖分類號：TD353

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)07-0130-04

Research and application of GJM bar type stirred mill

SUN Xiao-xu1，2，LU Shi-jie1，2，HE Jian-cheng1，2，LIU Jia-peng1，2

(1.BGRIMM Machinery & Automation Technology Co.，Ltd.，Beijing 100160，China；2.Beijing General Research Institute of Mining & Metallurgy，Beijing 100160，China)

Abstract:In order to solve the problem of high energy consuming and low efficiency of ordinary ball mill in graphite regrinding process，under the premise of stating the design requirements of regrinding equipment，developing the GJM bar type stirred mill.During the researching and developing，considering similar amplification as basic design principle，determining the cylinder tank with height-diameter ratio is 1∶1～2.5∶1，confirming the 2～10 layers-each layer 1～8 stirring arms spiral-up layout style on the stirring shaft，using the motor and reducer box direct transmission way.Meanwhile，we apply the knowledge of mechanics to analyze the force status and movement form，and using the calculation of shaft power to confirm the installed power of mill.We analyze the influence way to the product size of stress intensity under the specific energy input，obtaining the conclusion of stress intensity in the (0.1～0.5)×10-4N·m can gain the best product size easily.In the end，we put the mill and ball mill in the graphite regrinding process，gaining about 25% energy saving than ordinary ball mill，demonstrating the huge potential application in the graphite industry.

Key words：GJM bar type stirred mill；structure design；stress intensity；energy saving and high efficiency；graphite