盧世杰，孫小旭，何建成，姚建超

1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京100160; 2.北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司，北京100160

引 言

近年來，隨著難處理、低品位、泥沙含量高、嵌布粒度細(xì)的礦產(chǎn)資源進(jìn)入選別領(lǐng)域，對礦物細(xì)磨、超細(xì)磨的要求越來越高，人們更加注重細(xì)嵌布粒度、強共生性礦物的高效解離。最早，國內(nèi)外礦山主要利用臥式球磨機(jī)作為細(xì)磨裝備，但因其筒體旋轉(zhuǎn)，能量耗散大，作用效率低，作為細(xì)磨裝備的弊病較為明顯。在此背景下，攪拌細(xì)磨技術(shù)和裝備應(yīng)運而生，并逐漸進(jìn)入人們視野[1-2]。

與普通臥式球磨機(jī)不同的是，濕式攪拌細(xì)磨裝備的筒體是靜止的，通過攪拌裝置的旋轉(zhuǎn)帶動筒體內(nèi)研磨介質(zhì)和礦物相互作用，從而達(dá)到細(xì)磨目的，近些年被廣泛應(yīng)用于細(xì)磨、再磨和超細(xì)磨領(lǐng)域[3]。研究及應(yīng)用實踐表明，在礦物粒度小于100 μm時，攪拌細(xì)磨裝備的細(xì)磨效率遠(yuǎn)高于普通臥式球磨機(jī)，主要因為其允許研磨介質(zhì)更小，筒體靜止，攪拌裝置線速度可以更高，使得能量盡可能耗散在細(xì)磨礦物中，使產(chǎn)品達(dá)到更細(xì)粒度[4]；同時，其細(xì)磨物料的主要方式為研磨，單位容積能量密度高[5]，在相同處理量下其規(guī)格較小且更具優(yōu)勢，如圖1所示[6]。

圖1 不同磨礦階段的球磨機(jī)和攪拌細(xì)磨裝備能耗對比Fig.1 Comparison of energy consumption between stirring mill and ball mill in different grinding stages

攪拌細(xì)磨技術(shù)與裝備依據(jù)攪拌裝置類型、布置方式的不同而有多種類型，但在研究及應(yīng)用實踐中，主要有螺旋式、棒式、盤式這3種類型研究及應(yīng)用最為廣泛，本文著重介紹上述三種類型攪拌細(xì)磨技術(shù)與裝備的主要技術(shù)研究和應(yīng)用進(jìn)展。

1 技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 理論性技術(shù)分析

Klaus Schonert[7]是較早提出了攪拌細(xì)磨理論研究的人之一，隨后Schwedes、Stehr、Kwade等人[8-9]在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了豐富和完善，初步形成了基于攪拌細(xì)磨效果關(guān)鍵評價因子的細(xì)磨基礎(chǔ)理論，為后續(xù)攪拌細(xì)磨技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

Kwade等人[10-11]認(rèn)為，礦物顆粒與研磨介質(zhì)碰撞的總次數(shù)(Stress Number,SN)和碰撞過程中傳遞的應(yīng)力強度(Stress Intensity,SI)是影響濕式攪拌細(xì)磨效果的關(guān)鍵影響和評價因子。

據(jù)研究和分析，對于單一顆粒與研磨介質(zhì)碰撞的總次數(shù)SN的影響關(guān)系如式(1)所示[12]：

(1)

式中，ΦGM代表研磨介質(zhì)充填率，%；t代表指定細(xì)磨時間，min；CV代表礦漿固體濃度，%；dGM代表研磨介質(zhì)直徑，mm；n代表攪拌裝置轉(zhuǎn)速，rpm；ε代表研磨介質(zhì)層孔隙率，%。

碰撞過程中傳遞的應(yīng)力強度SI與研磨介質(zhì)的動能成正比，其基本關(guān)系如式(2)所示[13]：

(2)

式中，dGM代表研磨介質(zhì)直徑，mm；vt代表攪拌裝置末端線速度，m/s；ρGM代表研磨介質(zhì)密度，kg/m3。

由上述分析知，SI和SN共同決定細(xì)磨效果(即一定時間內(nèi)礦物產(chǎn)品細(xì)度)，且攪拌細(xì)磨裝備內(nèi)部在一定時間內(nèi)輸入的功率或總能量也可以由兩者共同決定或描述，很顯然這是連接細(xì)磨效果微觀和宏觀的重要關(guān)系紐帶。

圖2 產(chǎn)品粒度與應(yīng)力強度以及輸入能量的關(guān)系Fig.2 Relationship between product particle sizes,stress intensity and input energy

例如，Becker[13]等人在研究輸入能量與礦物產(chǎn)品細(xì)度關(guān)系時將SIGM描述為評價研磨介質(zhì)密度、直徑及攪拌裝置轉(zhuǎn)速的一個綜合指標(biāo)，研究結(jié)果如圖2所示。研究表明：在相同條件下，隨能量輸入或耗散的提升，礦物細(xì)度會朝更細(xì)的方向偏移，隨之最優(yōu)的應(yīng)力強度也會降低。

國內(nèi)針對攪拌細(xì)磨技術(shù)的理論研究工作起步較晚，相關(guān)報道較少，主要有盧世杰[14]、何建成[15]等人各自采用結(jié)構(gòu)分析、數(shù)值計算的方法進(jìn)行過一些理論研究分析探索，取得了初步結(jié)果。

攪拌細(xì)磨技術(shù)基礎(chǔ)理論研究初步揭示了裝備內(nèi)部各區(qū)域細(xì)磨效果的好壞和作用強度的高低，明確反映了內(nèi)部能量的分布方式，為攪拌細(xì)磨裝備的模擬仿真、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等奠定了理論基礎(chǔ)。

1.2 模擬仿真技術(shù)研究

經(jīng)過國內(nèi)外多年仿真技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，濕式攪拌細(xì)磨技術(shù)和裝備的仿真分析方式主要集中在CFD(Computational Fluid Dynamics，計算機(jī)流體動力學(xué))、DEM(Discrete Element Method，離散單元法)和PEPT(Positron Emission Particle Tracking，正電子發(fā)射顆粒跟蹤技術(shù))等幾種，主要聚焦于攪拌細(xì)磨裝備內(nèi)部流體、研磨介質(zhì)運動狀態(tài)和在兩者共同作用下的內(nèi)部能量耗散情況。

Jayasundara[16-18]等人利用DEM、CFD等手段對攪拌細(xì)磨裝備內(nèi)部礦漿和介質(zhì)的運動狀態(tài)進(jìn)行了分析，如圖3、圖4所示。其先后了解了濃度、攪拌裝置轉(zhuǎn)速、介質(zhì)充填率和尺度參數(shù)對細(xì)磨效果的影響規(guī)律。研究表明，礦漿濃度和黏度的提升均會提升細(xì)磨強度，提高能耗；介質(zhì)充填率的提高會使細(xì)磨強度提升，但超過70%后細(xì)磨效果降低；攪拌裝置轉(zhuǎn)速的提升會增大細(xì)磨強度和能耗，且能耗增長速率更快；介質(zhì)尺寸對細(xì)磨強度無顯著影響，但小介質(zhì)有利于高效超細(xì)磨。

圖3 攪拌細(xì)磨裝備內(nèi)礦漿運動狀態(tài)分布情況Fig.3 Distribution of pulp motion state in stirring grinding equipment

圖4 攪拌細(xì)磨裝備內(nèi)部介質(zhì)運動狀態(tài)分布情況Fig.4 Distribution of media motion state in stirring grinding equipment

Cleary,Sinnott等人[19-20]利用三維離散元法模擬分析了立式螺旋、棒式攪拌細(xì)磨裝備內(nèi)部研磨介質(zhì)流態(tài)及能量傳遞和分布情況，闡明了內(nèi)部介質(zhì)運動規(guī)律和碰撞環(huán)境，對運行關(guān)鍵過程參數(shù)作了一個較為全面的展示，如圖5所示。研究結(jié)果表明：介質(zhì)的運動在切向上均是在頂端部位速度最大并向兩側(cè)遞減；介質(zhì)在攪拌棒的附近進(jìn)行上下振蕩式運動；能量耗散隨著介質(zhì)深度的增加而顯著增加，其中上部區(qū)域的能量耗散較弱，最底部區(qū)域附近的能量強度最大。

圖5 立式細(xì)磨裝備介質(zhì)速度分布情況Fig.5 Distribution of media velocity state of vertical grinding equipment

傳統(tǒng)仿真模擬手段針對立式攪拌細(xì)磨裝備的研究較少關(guān)注礦漿與研磨介質(zhì)對細(xì)磨效果的交互影響，Sinnott[21-22]、Baker[23-24]等人借助DEM和PEPT的仿真手段進(jìn)行了探索，如圖6所示。研究結(jié)果表明：礦漿黏度會強烈影響立式攪拌細(xì)磨裝備中礦漿流態(tài)及物料傳輸，影響物料在內(nèi)部的停留時間進(jìn)而影響細(xì)磨效果；采用非球形研磨介質(zhì)會對細(xì)磨效果產(chǎn)生負(fù)面影響，其核心原因在于非球形介質(zhì)在內(nèi)部的傳輸受到阻礙，介質(zhì)相對運動減少，細(xì)磨強度降低。

圖6 PEPT研究立式攪拌細(xì)磨裝備中介質(zhì)運動狀態(tài)Fig.6 Media state in vertical stirring grinding equipment using PEPT

國內(nèi)針對攪拌細(xì)磨裝備中介質(zhì)運動規(guī)律的研究起步較晚，但也取得了一定的成果。母福生[25]、王鑫[26]、何建成[27]等人采用CFD、DEM仿真方法，對內(nèi)部介質(zhì)的運動規(guī)律、能量分布進(jìn)行了模擬計算，取得了較好結(jié)果。

攪拌細(xì)磨裝備仿真技術(shù)進(jìn)展初步明確了裝備內(nèi)部礦漿、研磨介質(zhì)與細(xì)磨效果間的關(guān)系，揭示了工藝、結(jié)構(gòu)參數(shù)對細(xì)磨效果的影響方式，為裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化、工藝參數(shù)配置等奠定了基礎(chǔ)。

2 應(yīng)用研究進(jìn)展

在濕式攪拌細(xì)磨、超細(xì)磨技術(shù)的支持下，螺旋式、棒式、盤式這3種類型的攪拌細(xì)磨裝備逐漸取得礦山行業(yè)的認(rèn)可，在國內(nèi)外重點大型礦山領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。其中，螺旋式攪拌磨機(jī)主要以立式螺旋式攪拌磨機(jī)(塔磨機(jī)或立磨機(jī))為代表，主要用于有色、黑色金屬礦物的再磨作業(yè)流程。盤式攪拌磨機(jī)分為立式和臥式攪拌磨機(jī)2種，臥式攪拌磨機(jī)主要用于有色金屬礦物的超細(xì)磨領(lǐng)域；立式攪拌磨機(jī)主要用于非金屬礦物、化工行業(yè)等領(lǐng)域的超細(xì)磨流程。棒式攪拌磨機(jī)主要為立式棒式攪拌磨機(jī)，可用于有色金屬、非金屬礦物的超細(xì)磨、再磨擦洗流程中。

2.1 螺旋攪拌磨機(jī)

立式螺旋攪拌磨機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如圖7所示，其由立式筒體組件、電機(jī)、減速機(jī)、螺旋式攪拌裝置等組成。

立式螺旋攪拌磨機(jī)主要靠研磨介質(zhì)重力和螺旋攪拌帶來的摩擦力來實現(xiàn)細(xì)磨或再磨，其通常采用高鉻球、陶瓷球等作為研磨介質(zhì)，介質(zhì)直徑為12～30 mm，工作時攪拌裝置以2.5～4.0 m/s左右。因其轉(zhuǎn)速較低、研磨介質(zhì)直徑較大，故其一般適用于給礦粒度F80=74 μm左右的有色金屬礦物細(xì)磨或再磨，產(chǎn)品粒度不低于P80=20 μm[28]。

圖7 立式螺旋攪拌磨機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.7 Schematic diagram structure of vertical screw stirring mill

國外研究立式螺旋攪拌裝備的典型代表公司有芬蘭METSO公司和日本EIRIRCH公司，其中METSO公司研制VTM立磨機(jī)，其最大裝機(jī)功率已達(dá)4 500 HP(約3 350 kW)，是目前已見報道應(yīng)用的裝機(jī)功率最大的立式螺旋攪拌磨機(jī)，其用于哈薩克斯坦某銅礦的再磨流程，如圖8所示[29]。

圖8 VTM-4500 立磨機(jī)Fig.8 VTM-4500 tower mill

國內(nèi)從事立式螺旋攪拌磨機(jī)研究的公司較多，其中較早的有北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司和長沙礦冶研究院有限公司等，其中北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司研制的KLM-630立磨機(jī)在國內(nèi)取得應(yīng)用時是當(dāng)時國內(nèi)自主研發(fā)的裝機(jī)功率最大的立磨機(jī)，現(xiàn)KLM立磨機(jī)的最大裝機(jī)功率已達(dá)1 250 kW以上，其可實現(xiàn)全帶載荷啟動和無人值守，節(jié)能高效，如圖9為其在新疆某鐵礦的應(yīng)用。

圖9 KLM-630立磨機(jī)Fig.9 KLM-630 vertical mill

2.2 盤式攪拌磨機(jī)

盤式攪拌磨機(jī)主要由電機(jī)、軸承體、筒體組件和攪拌裝置等組成，兩者的主要區(qū)別在于筒體和攪拌裝置的安裝固定方式。

圖10 M10000 艾莎磨機(jī)Fig.10 M10000 Isa mill

盤式攪拌磨機(jī)的攪拌外圓線速度達(dá)19～22 m/s左右，內(nèi)部的能量密度可高達(dá)350 kW/m3，研磨介質(zhì)主要為高密度的氧化鋯陶瓷球，介質(zhì)直徑一般較小在2～6 mm左右，故其主要利用極高的研剝力和能量密度來實現(xiàn)超細(xì)磨。一般用于有色、非金屬礦物或化工、顏料行業(yè)的超細(xì)磨，適用于給礦粒度F80=38 μm左右，產(chǎn)品粒度一般小于P80=10 μm[30-32]。

臥式攪拌磨機(jī)的典型代表為Isamill，由德國Netzsch公司和澳大利亞的Mont Isa鉛鋅礦共同開發(fā)，磨機(jī)由臥式筒體與水平盤式攪拌裝置組成。如圖10所示是M10000臥式攪拌磨機(jī)在南非某珀金礦的應(yīng)用。

立式盤磨機(jī)主要結(jié)構(gòu)與臥式攪拌磨機(jī)類似，國外主要以FLSmith公司為代表，如圖11為某立式盤磨機(jī)在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用[33]。

國內(nèi)盤式攪拌磨機(jī)的研究機(jī)構(gòu)較多，如北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司等，但關(guān)于該類設(shè)備的研究基本主要集中在小規(guī)格上，一般裝機(jī)功率不超過300 kW，容積不超過5.0 m3，在一些非金屬礦、顏料、化工行業(yè)取得了廣泛應(yīng)用。

圖11 立式盤磨機(jī)應(yīng)用Fig.11 Application of vertical disc mill

2.3 棒式攪拌磨機(jī)

立式棒式攪拌磨機(jī)，一般由電機(jī)、減速機(jī)、棒式攪拌裝置、筒體組件等組成。

立式棒式攪拌磨機(jī)可以使用氧化鋯、氧化鋁等陶瓷介質(zhì)或玻璃球、石子等作為研磨介質(zhì)，介質(zhì)直徑在2～20 mm之間，攪拌裝置線速度一般為6～13 m/s。由于介質(zhì)種類多、轉(zhuǎn)速范圍大，故其既可以適用于某些有色礦物細(xì)磨作業(yè)也可適用于某些非金屬礦物再磨和擦洗作業(yè)，一般適用于給礦粒度F80=150 μm左右，產(chǎn)品粒度在P80=20 μm左右。

國外研究的典型代表為METSO公司的攪拌介質(zhì)細(xì)碎機(jī)[34]，應(yīng)用于金屬礦山的超細(xì)磨作業(yè)，如圖12為其在南非某礦的應(yīng)用。

圖12 SMD的應(yīng)用Fig.12 Application of SMD

國內(nèi)研究的典型代表為北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司，但其技術(shù)和裝備與國外產(chǎn)品有顯著不同，主要集中在攪拌裝置布置形式、槽體型式、作用機(jī)理和應(yīng)用場合等方面，目前已應(yīng)用的GJM大型棒式攪拌磨機(jī)，主要針對再磨和擦洗流程，一般應(yīng)用氧化鋁陶瓷球作為研磨介質(zhì)，介質(zhì)直徑在8～16 mm之間，如圖13為GJM-30-D棒式攪拌磨機(jī)在再磨行業(yè)的應(yīng)用[35-36]。

圖13 GJM-30-D棒式攪拌磨機(jī)Fig.13 GJM-30-D rod stirring mill

3 結(jié) 語

伴隨著濕式攪拌細(xì)磨技術(shù)、裝備的發(fā)展和在國內(nèi)外眾多礦山選廠應(yīng)用，一些技術(shù)問題也逐漸暴露出來，諸如：選型方法不完善，單位容積裝機(jī)功率較大，浪費明顯；易損件磨損較快，運行維護(hù)成本較高；適用性較差，某種裝備只能應(yīng)用于某些特殊場合等等。這些問題均需在今后的研發(fā)設(shè)計中重點考慮，力爭避免。

隨著礦物加工行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，濕式攪拌細(xì)磨技術(shù)和裝備會逐漸朝著產(chǎn)品粒度更細(xì)、匹配性更好、適用性更廣、更節(jié)能、更高效等方面發(fā)展，為實現(xiàn)上述功能，行業(yè)內(nèi)需要著重關(guān)注節(jié)能高效超細(xì)磨機(jī)理、系統(tǒng)完善的選型方法、易損件自檢測技術(shù)、智能控制系統(tǒng)等方向的研究，爭取能在關(guān)鍵技術(shù)和方向上取得突破，盡快實現(xiàn)更節(jié)能高效、更細(xì)產(chǎn)品粒度的超細(xì)磨。