我國礦產(chǎn)資源自身稟賦偏差且日趨“貧、細(xì)、雜”，礦物單體解離對細(xì)度要求越來越高。傳統(tǒng)球磨機(jī)磨礦以沖擊作用為主，在再磨及細(xì)磨領(lǐng)域應(yīng)用過程中存在著能耗高、效率低等缺點(diǎn)。根據(jù)礦物再磨及細(xì)磨特點(diǎn)，其磨礦應(yīng)以研磨作用為主，效率更高、能耗更低[1-3]。北京礦冶研究總院成功研制了以研磨作用為主的KLM系列立磨機(jī)，在金屬非金屬礦的細(xì)磨及再磨領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用[4]。
1 立磨機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及工作原理
1.1 發(fā)展現(xiàn)狀
目前，細(xì)磨及再磨領(lǐng)域應(yīng)用磨機(jī)主要為攪拌磨機(jī)，其筒體固定，攪拌機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，可以最大程度的發(fā)揮研磨作用。如圖1所示，根據(jù)攪拌機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式及安裝方式的區(qū)別，目前常用攪拌磨機(jī)有立式盤式攪拌磨機(jī)、立式棒式攪拌磨機(jī)、立式螺旋攪拌磨機(jī)(文中簡稱立磨機(jī))、雙葉輪攪拌球磨機(jī)以及臥式攪拌磨機(jī)[5]。
圖1 常見攪拌磨機(jī)
立磨機(jī)于1952年由日本的河端重勝博士發(fā)明，最早主要應(yīng)用于非金屬礦的研磨，因磨礦效率較高，近幾年得到了快速發(fā)展，于20世紀(jì)80年代中后期開始應(yīng)用于有色金屬礦的粉磨。國際上，主要有日本EIRICH公司研制的ETM系列立磨機(jī)和芬蘭Metso公司研制的VTM系列立磨機(jī)，其最大安裝功率分別達(dá)到2250HP和4500HP[3]。國內(nèi)20世紀(jì)70-80年代開始對立磨機(jī)進(jìn)行研究，主要以長沙院JM系列立磨機(jī)和北京礦冶研究總院GJ系列攪拌磨機(jī)為代表。北京礦冶研究總院于2011年成功開發(fā)了當(dāng)時國內(nèi)安裝功率最大的KLM-630立磨機(jī)，安裝功率達(dá)到630kW，此后逐步實(shí)現(xiàn)了KLM型立磨機(jī)的系列化，目前開發(fā)設(shè)備最大裝機(jī)功率達(dá)到1250kW，最小裝機(jī)功率3 kW。
1.2 立磨機(jī)工作原理
如圖2所示，立磨機(jī)螺旋軸低速旋轉(zhuǎn)時，離心力、重力、摩擦力的共同作用使磨礦介質(zhì)與物料間產(chǎn)生有序的運(yùn)動循環(huán)和宏觀上的受力基本平衡。在螺旋葉片表面，磨礦介質(zhì)螺旋式上升;在筒體內(nèi)襯與螺旋葉片外緣間，磨礦介質(zhì)螺旋式下降。在微觀上，礦粒和磨礦介質(zhì)受力的不均勻性形成動態(tài)的運(yùn)動速差和受力變化，造成物料被強(qiáng)力擠壓、研磨以及物料之間的受力折斷、微剪切、劈碎等綜合作用，從而實(shí)現(xiàn)礦物顆粒的高效粉磨[6-7]。
立磨機(jī)工作時，磨礦介質(zhì)與物料之間的充實(shí)度高，球與球、球與立磨機(jī)襯板及螺旋軸的碰撞很少，整個運(yùn)動部件在宏觀上受力平衡，從而使得基礎(chǔ)受力很小;合格的物料總是較未合格的物料先到達(dá)溢流口附近而實(shí)現(xiàn)粉碎過程的內(nèi)部分級，過粉碎現(xiàn)象大為減少。與外部的旋流器構(gòu)成閉路，通過控制旋流器的沉砂即可控制磨機(jī)的返砂量，從而調(diào)節(jié)磨機(jī)的處理量，大大增加了磨機(jī)的磨礦粒度范圍。
圖2 立磨機(jī)工作原理示意圖
2 KLM型立磨機(jī)特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)
2.1 立磨機(jī)基本結(jié)構(gòu)
立磨機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示，其主要包括：電機(jī)裝置、減速機(jī)、減速機(jī)支架、軸承座、上部軸組件、筒體部件、下部軸組件和襯板。其中，電機(jī)裝置、減速機(jī)和上下部軸組成立磨機(jī)傳動系統(tǒng);減速機(jī)支架、軸承座、筒體部件組成其輔助支撐系統(tǒng)，下部軸組件即螺旋攪拌機(jī)構(gòu)是整機(jī)中的關(guān)鍵部件，螺旋襯板是整機(jī)易損件。
圖3 立式磨機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
2.2 KLM型立磨機(jī)關(guān)鍵技術(shù)
北京礦冶研究總院在立磨機(jī)研究設(shè)計方法、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、設(shè)備結(jié)構(gòu)、重載啟動方法、關(guān)鍵部位防護(hù)等多項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域均取得了重要突破，形成了一套完整的技術(shù)方法。
研究設(shè)計方法方面，北京礦冶研究總院采用ANSYS等有限元軟件對主軸等重要結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化分析[8];采用CFD流體動力學(xué)軟件模擬分析立磨機(jī)內(nèi)流場的分布狀態(tài)[9];采用EDEM離散單元法分析磨礦介質(zhì)在磨機(jī)內(nèi)部的運(yùn)動規(guī)律及礦物破碎程度，方法先進(jìn)，結(jié)果可靠直觀，有效保證了KLM型立磨機(jī)的可靠性。
圖4 計算機(jī)仿真分析方法
實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方面，北京礦冶研究總院建立了圖5所示的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)系統(tǒng)，探索了一套切實(shí)有效的選型試驗(yàn)方法，對新疆某鐵礦石、云南大紅山銅尾礦、青海某鉀鹽礦、鋁土礦、螢石礦及鎳礦等多種礦石開展過選型試驗(yàn)研究，設(shè)備選型結(jié)果準(zhǔn)確可靠，指導(dǎo)性強(qiáng)。
筒體防護(hù)方面，通過對立磨機(jī)的介質(zhì)運(yùn)動形態(tài)和筒壁磨損方式進(jìn)行了動態(tài)模擬和分析，針對介質(zhì)與筒壁的運(yùn)動形態(tài)和磨損方式，北京礦冶研究總院分別開發(fā)了針對磁性礦物或介質(zhì)的橡膠磁性襯板及針對非磁性礦物的格子襯板，針對性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣，壽命長。
自動控制方面，北京礦冶研究總院專門針對立磨機(jī)應(yīng)用開發(fā)了一套立磨機(jī)控制系統(tǒng)，主要包括主電機(jī)控制、稀油站控制、主軸/滑動軸承自動潤滑控制以及關(guān)鍵部位狀態(tài)監(jiān)測等，該系統(tǒng)充分利用了北京礦冶研究總院在礦山領(lǐng)域的豐富行業(yè)知識，自動化集成程度高，可靠性強(qiáng)。
此外，北京礦冶研究總院在螺旋襯板材質(zhì)與壽命、螺旋襯板防松連接結(jié)構(gòu)、設(shè)備重載啟動等領(lǐng)域也取得了重要突破。
2.3 KLM型立磨機(jī)主要參數(shù)
北京礦冶研究總院研發(fā)的KLM系列立磨機(jī)主要參數(shù)如表1所示。
表1 KLM系列立磨機(jī)主要參數(shù)
3 KLM型立磨機(jī)在金屬及非金屬領(lǐng)域的應(yīng)用
自從當(dāng)時國產(chǎn)安裝功率最大的KLM-630研發(fā)成功以來，KLM型立磨機(jī)在多種金屬及非金屬領(lǐng)域均實(shí)現(xiàn)了成功應(yīng)用。
3.1 KLM-160在銅鎳礦中的應(yīng)用
吉林某銅鎳礦選廠初建于20世紀(jì)80年代，主要回收礦物是鎳礦和銅礦，原設(shè)計采用二段碎礦、二段磨礦、混合浮選和分離浮選的工藝流程。經(jīng)過近三十年的采選，礦石中銅和鎳的品位略有降低且嵌布粒度越來越細(xì)，不易分離。
2014年，該選廠采用一臺KLM-160型立磨機(jī)用于混合浮選精礦的研磨，銅鎳分離的給礦粒度由原來的?38 μm占65.25%(?74 μm占90%)提高到91.33%，礦石單體解離度進(jìn)一步提高，為銅鎳高效分離提供了良好的浮選環(huán)境。在原礦中銅品位僅提高0.001%的條件下，銅精礦產(chǎn)品中銅品位提高1.683%，銅理論回收率提高1.08%，而銅精礦產(chǎn)品中鎳品位降低0.583%，降幅高達(dá)27.87 %，較好地實(shí)現(xiàn)了銅鎳分離的目的;而在原礦中鎳品位減小0. 02%的情況下，鎳精礦產(chǎn)品中鎳品位降低0.122%，鎳?yán)碚摶厥章侍岣?.14%。圖6為KLM-160立式螺旋攪拌磨機(jī)在使用現(xiàn)場。
圖6 KLM-160立磨機(jī)在使用現(xiàn)場
3.2 KLM-630在鐵精礦再磨中的應(yīng)用
新疆某礦業(yè)公司為了進(jìn)一步提高鐵精礦品位，需要磁性鐵具有較高的單體解離度，對磨礦細(xì)度有著較高要求。根據(jù)選型試驗(yàn)，該公司選用一臺KLM-630用于鐵精礦再磨，在原礦細(xì)度-200目>90%時，旋流器溢流產(chǎn)品細(xì)度-400目>94%，鐵精礦品位由57%提高到64%。圖為KLM-630立磨機(jī)在使用現(xiàn)場。
圖7 KLM-630立磨機(jī)在使用現(xiàn)場
3.3 KLM-75在螢石細(xì)磨領(lǐng)域的應(yīng)用
包鋼某稀土公司利用稀土尾礦選別螢石礦，采用立磨機(jī)之前，其稀土尾礦即螢石礦細(xì)度-200目85%左右，浮選精礦品位只能達(dá)到50%。2015年，該公司選用一臺KLM-75立磨機(jī)，將礦石細(xì)度提高到-400目含量90%以上，螢石礦單體解離度進(jìn)一步提高，浮選精礦品位提高到90%，經(jīng)濟(jì)效益增加明顯。圖為KLM-75立磨機(jī)在使用現(xiàn)場。
圖8 KLM-75立磨機(jī)在使用現(xiàn)場
4 結(jié)論
立磨機(jī)用于二段磨礦或再磨作業(yè)，與傳統(tǒng)臥式球磨機(jī)相比占地面積小、動載荷低、振動小、噪音低，節(jié)能30%左右。同時，礦物顆粒在自身重力和離心力的作用下在研磨介質(zhì)層之上進(jìn)行自然分級，有效減少了過磨。
國外生產(chǎn)立磨機(jī)，尤其是大功率立磨機(jī)價格昂貴，國產(chǎn)KLM系列大型立磨機(jī)的研制成功為國內(nèi)礦山難處理礦物實(shí)現(xiàn)充分單體解離提供了技術(shù)保證，推動了我國細(xì)粒級難選金屬及非金屬礦的進(jìn)步，降低成本，增加收益。
參考文獻(xiàn)：
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聲明：
“KLM型立磨機(jī)的研制與應(yīng)用” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：北京礦冶研究總院，北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司
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