立式搅拌超细磨机的研究与应用

    随着富矿、易选矿石资源的不断消耗，难选矿石的比重越来越大，国内现有大量金矿、弱磁性铁矿、锰矿、磷矿、铝土矿等因为目的矿物及伴生矿物嵌布粒度太细而无法有效分选，矿产资源的矿物之间微细嵌布特性决定了必须对矿石进行超细磨，使其单体解离，方能实现矿物的有效分选。

      在矿石细磨或超细磨作业中，当采用常规磨矿技术(如球磨机)单体解离矿石中的矿物时，磨矿能耗及生产成本是相当高的。即使磨矿细度能够使矿物得到单体解离，但产品过磨现象严重，使得许多有用矿物损失到矿泥中。超细磨技术 已在化妆品和工业矿物等领域中应用了几十年，立式搅拌磨因适应大处理量的金属矿石超细磨矿作业要求而得到了广泛应用，立式搅拌磨矿技术的研究与应用为企业和国家带来了显著的经济效益和社会效益，其市场前景广阔。本文就几种最典型且具代表性立式搅拌超细磨机的结构特点、工作原理、技术性能和工业应用情况进行了综述，以提供工作中参考与借鉴。

1 立式螺旋搅拌磨机
1.1 Vertimill磨机
1.1.1 结构和工作原理
        1928年Klein和Szegvari 最先提出了搅拌磨机概念，1952 年河端重胜博士发明塔磨机(Tower Mill即立式螺旋磨矿机)。第一台在矿物加工应用 的立式螺旋磨矿机是由日本 Kubota 公司制造的。Metso 矿物公司于1979年取得该项技术，生产的磨机叫作 Vertimill磨机。磨机由垂直筒体、螺旋搅拌叶片、分级设备和驱动装置等部分组成。湿式Vertimill磨机及闭路生产系统图见图1。磨机垂直简体内的主(竖)轴上装有螺旋搅拌叶片(或搅拌器)，由电动机的驱动装置带动它作旋转运动，以此强迫搅拌简体内的研磨介质和被磨物料旋转，使物料受到研磨作用而粉碎。经过研磨的细粒产品上升至磨机简体上部自流溢出，粉碎产品由磨机流人分级机，再经水力旋流器进行分级，溢流即为磨矿产品，粗粒通过管道返回磨机再磨。

1.1.2 技术性能与应用
         Vertimill磨机的基本磨碎作用是由磨剥而不是冲击过程实现的，因此其给料粒度不能太大，一般为小于3mm。磨矿筒体垂直安装主要基于下述考虑：(1)介质在搅拌器作用下作多维连续循环旋转，而不是象卧式磨矿机内那种在垂直方向作用及抛物线运动，这样研磨介质不克服重力作功，从而节省能量；(2)Vertimill磨机筒体直径小、高度大，从而增加了研磨介质问的压力，当磨矿介质转动时就增加了对物料的研磨力。因此，这种设备适合于物料 的细磨及超细磨。研磨介质的压力有一适宜范围，在此范围内磨矿效率高而功耗低；当超出此范围时，磨矿效率就不再提高；因此，这种磨机的高径比(H/D)有一适宜值；(3)磨机主要通过磨剥作用来实现细磨工作，该磨机螺旋外缘圆周速度为 3m/s左右，介质为12～30 mm的钢球，作为超细磨时，研磨介质尺寸还应小些。允许的给料粒度较粗，产品粒度常在10～20 m，多用于选矿再磨回路中。

    实践证明，Vertimill磨机是一种用途广泛的磨矿设备，可处理粒度小于6mm的矿石，主要用于粗磨、二段磨、再磨和细磨作业中，处理硬度较低的物料时，可研磨至小于20m 的产品。Vertimill磨机规格从11kW到2240kW，新近开发最大功率2240 kW的磨机其最大处理量可达2000 t/h。磨机优点是能效高，一般提高 30％～35％，有报告称节能超过50％。同时介质消耗低，维护保养要求低，使用寿命长，作业率高达98％；设备基础简单、安装期短和安装成本低，占地面积小；噪音通常低于85db。自1979年推向市场以来，已在世界各地销售了300多台 Vertimill立式磨机。

1.2 JM 螺旋搅拌磨机
1.2.1 结构和工作原理
    JM立式螺旋搅拌磨机是上世纪八十年末长沙矿冶研究院研发的一种最具代表性 的立式搅拌超细磨机。磨机结构如图2所示。由传动装置、简体、螺旋搅拌器和机架等组成，磨机简体径高比为 1:5~1:6。传动装置采用三角皮带和减速机减速；简体内衬材质有合金耐磨钢、不锈钢、聚氨酯或工程陶瓷；螺旋搅拌器采用合金耐磨钢、不锈钢、聚氨酯制作。工作时，物料调浆后从简体下部用泵打人，对较粗的物料或干磨物料从简体上部给人。电机经减速机驱动螺旋搅拌器旋转，磨矿介质和物料在简体内作多维循环运动和自转运动，介质和物料在简体内上下、里外相互交换，在磨矿介质压力和螺旋回转产生的挤压力下利用摩擦、少量的冲击和剪切粉磨物料。磨机常与水力旋流器构成闭路磨矿分级作业。

1.2.2 技术性能与应用
    由于JM立式螺旋搅拌磨机具有独特的结构和工作参数，具有如下显著特点。(1)磨剥离特性。粉磨作用以磨剥离为主。少量的冲击和剪切作用。摩擦研磨磨矿是细磨和超细磨矿作业中最有效的粉磨方式。充分利用能量有效研磨物料。(2)分层研磨特性。在磨矿区域内介 质表面压力是由介质重量压力和离心运动产生的挤压力组成。介质表面压力从磨机筒体上部到下部逐渐增大，在介质充填的最底层磨矿作用最强烈。粗颗粒由于沉降在磨机简体下部而得到有效磨矿。(3)内部分级磨矿特性。湿法磨矿时，在介质充填的简体上部是搅拌分级区域，物料按自然沉降和离心沉降分级，减少了过粉磨。(4)高能效特性。磨机内独特的介质运动规律，即介质的多维运动和 自转运动能够均衡地将螺旋器的能量弥散到各个部位 ，实现能量高效利用。

        JM立式螺旋搅拌磨机自研制以来，已成功地在黄金、磁材、锰业、化工、稀土和无机非金属等行业和领域的细磨作业中得到了广泛应用，应用数量达 260多套台。(1)由于矿山行业的再磨作业用于金银矿、铜精矿、铅锌矿、钼矿、镍矿铁矿再磨作业或者洁净煤的水煤浆制备、烟气脱 硫(FGD)生产石灰石浆等细磨作业，产品细度—400目大于95％或更细，设备生产具有节能、占地面积小及噪音低等优点。(2)用于电解锰的超细磨矿。湿磨电解锰片制造四氧化三锰，贵州松桃锰矿、湖南特种金属材料厂等单位氧化锰厂用 JM 立式螺旋搅拌磨机细磨电解锰片，给料粒度3mm，产品细度—500目大于95％。(3)稀土矿的超细磨矿。益阳稀土总厂、乐山普而美、上海君太公司和株洲硬质合金厂钽铌分厂独居石和稀土矿的细磨生产，给料粒度为80目，产品细度—400目大于95％的要求。

    经过十多年的改良工作，该院在综合吸收塔式磨(JM立式螺旋搅拌磨)、搅拌磨、砂磨机和环隙磨等设备结构特点，利用这些年来从事超细粉碎设备的研究成果、经验和工艺技术继而研制成功 了新型高效 LXM大型棒式(或盘式)搅拌超细磨机。新设备已应用在重钙、高岭土、碳化硅、石榴子石等非金属矿行业领域超细粉碎作业ll。用于国内多家纸业企业的研磨重质碳酸钙生产线的磨矿生产，年产量 2万t至l0万t，给料—325目≥97％，产品—2m含量≥90％～95％。取得了重质碳酸钙湿法研磨设备大型化生产的突破，促进湿法研磨重钙的品质提高和生产成本的降低。

2 Detritor立式搅拌磨机
2.1 结构和工作原理
    由Metso矿物公司制造的Detritor立式搅拌磨机，是英国陶瓷黏土公司为高岭土磨矿而研制的一种立式棒式搅拌磨机(见图3)。该机由简体、棒式搅拌器、传动装置和机架等组成磨机有一个八边体外壳，用来支撑安装在磨机中心轴上的多层长棒搅拌器，磨矿简体的高度与直径比大致为1:1。工作时，Detritor磨机筒体固定不动，筒内充满一定介质球(钢球，锆球，刚玉球等)，棒式搅拌器在电机驱动下以中高速度旋转，转速达550r/min，其棒梢速度可达11m/s。磨机搅拌器采用旋转运动式，利用棒式搅拌器旋转动能，带动筒体内介质球与料浆作多维循环转运动，使介质与料浆混合物近似流态化，物料在介质球间受到强大的冲击力和剪切力的作用下而被有效地粉磨。在精确控制给矿矿浆流量作业参数下，物料经 过充分磨碎、自然沉降分级和离心力分级过程后，上升到磨机上端的细粒料浆，通过磨机上部备有的一套筛孔尺寸为300 μm的筛网后，溢流出成为合格产品，球介质不能通过筛 网而留在磨机中。
 

2.2 技术性能与应用
        Detritor立式搅拌磨机在实际运行中，搅拌磨工作的过程参数控制非常重要。在磨机高功率强度输出条件下，为使磨机内的介质与高浓度矿浆完全混合，实现高效磨矿、有限磨损以及磨矿时所产生的热量迅速消散，得到所要求粒度的磨矿产品，磨机的处理量最大，及其能耗最小，磨矿过程参数需要优化。磨矿产品粒度与效果取决于介质粒度、磨机 的转速、介质的装载体积、制造介质的材质和矿浆浓度等主要参数的优化与操控。工作时主要通过补充介质方式，以保持磨机所要求的功耗，从而达到所要求的处理量和产品粒度。依据工艺要求，可以串联布置多级磨机生产流程，以保证最终产 品的粒度及粒度分布。

        Detritor 立式搅拌磨机采用立式布置的优点在于，完全利用磨机本体来支撑动力和传动系统，使设备占地面积小、基础更加简单。此外，采用立式布置，还可节省料浆密封装置或降低给料口压力。Detritor 磨机规格从 7.5 kW 到1100 kW不等，据统计全球现有149 台在运行，总安装功率4.5万kW。其中355kW的Detritor 磨机是目前最成熟、市场应用最广泛的，其处理量约20t/h。Detritor磨机在澳大利亚的应用情况如表 1所示。
 

3 立式盘式砂磨机
3.1 结构与工作原理
    砂磨机是一种高速搅拌磨机，根据使用性能大体可分为立式砂磨机、卧式砂磨机、篮式 砂磨机。根据搅拌器结构形式可分为盘式和棒式砂磨机等。其中立式砂磨机主要用于矿石和陶瓷的研磨与加工。立式砂磨机装置见图 4，主要由机体、磨筒、盘式搅拌器、底阀、电机、送料泵和冷却系统组成。工作时，筒内装有一定数量的研磨介质一玻璃球或陶瓷珠，物料由送料泵吸料，经研磨筒底部送入研磨筒内，主电机通过主轴带动盘式搅拌器高速旋转，其转速可达1600~2200 r/min。研磨介质、物料经由盘式搅拌器的高速转动，赋予研磨媒体以足够的动能，与被研磨的颗粒发生强烈的冲击、剪切、挤压和摩擦作用，对物料进行粉碎和研磨。经磨碎产生合格粒度的物料，通过简体上部的介质分离装置与研磨介质分离，从出料口排出。由于采连续进料一研磨一出料，整个生产过程都是连续进行的。

3.2 技术性能与应用
    立式砂磨机采用搅拌器的高速回转使研磨介质和物料在整个简体内不规则地翻滚运动，使研磨介质之间产生强烈的剪切、冲击和研磨作用，使物料得到很好的磨细效果。通过合理选择研磨片的转速，提高设备的研磨和分散效率以及防止选择过高的转速使能耗增加，造成浪费；设计新颖的盘式搅拌器结构，在靠近轴心部位开设通流面积较大的通槽，使磨矿介质和物料能够较为顺畅地作轴向流动以补充轴心部位的真空，使物料在磨腔中央区域能得以磨细，提高磨机容积与能量利用率；合理确定研磨筒的长径比为 3.5～4，提高磨矿介质的压强，实现高的磨细效率；加强对磨矿介质系统的研究以适应产品细度不断提高的要求。因此立式砂磨机具有生产效率高，砂磨产品细度高，连续性强、成本低等优点；磨机操作简单，运行平稳，结构合理，易于维护保养，适应连续生产。由于圆盘搅拌器高速旋转，筒壁磨损严重，发热大，外壳须设冷却夹套。立式砂磨机已广泛应用于油漆、化妆品、食品、油墨、药品、磁铁氧体等工业领域的高效研磨工作中。工作时，根据物料产品细度要求选取0.2～3mm磨矿介质，研磨介质与物料相互以10～16 m/s的剪切速度运动，可将200μm的物料研磨至1～2μm。随着科研工作者对砂磨机的基础理论、设备结构的系统优化研究，使腔体内的研磨能量密度更加均匀，可以获得产品粒度更细、粒度分布更窄和单位产品能耗更低的研磨效果。

4 结语
         1)立式搅拌超细磨机在微细矿物解离方面，不仅具有能效优势，而且能够提高目的矿物的单体解离度，将成为微细矿物再磨关键设备。与普通球磨机相比，它能够通过搅拌器及提升器输能，使磨机内有极高的功率密度，从而保证供给小球 以足够的能量，研磨时间大大缩短。产品粒度细且粒度分布较窄，磨矿效率高，其能耗比普通磨矿机降低40％～60％ 以上 。

        2)各类超细磨机技术性能表明，不同的磨机具有不同的适用场合和应用范围。立式螺旋磨矿机属中低速运转，具有较高的介质充填率，螺旋搅拌器在细磨时能量利用率高。立式螺旋磨矿机可将给料磨至 P₈₀= 20～40m左右。但要进行超细磨时，应选用如Detritor 磨机和Isa等砂磨机，磨机采用较小的磨矿介质可以将物料磨得更细，高速搅拌磨比立式螺旋磨能耗更低，更具有优势。细分磨机适用领域，不断强化其功能特性，将更有利于实现矿石粉磨过程的高效与节能。

        3)加强搅拌磨粉碎过程的基础理论研究，开展以适用不同矿物集合体细粒物料的力学性能与磨碎机械结构、作用力方式研；简体内腔、搅拌装置以及磨矿介质等易损件的新材料研究；开展以降低矿石粒子内部(表面)结合能和消除细粒 间团聚影响研究；改进设备结构、完善设备生产工艺，提高单机处理能力，细磨产品粒度更细，粒度分布特性更窄、更合理 。

作者：万小金，周强；云南冶金集团有限公司