适用于陶瓷研磨介质的立磨机优化设计及应用.pdf

有色金属（选矿部分）２０２０年第５期收稿日期２０２０ - ０２ - ２８基金项目国家自然科学基金资助项目（５１６７４０３３，５１６０４０２７）作者简介姚建超（１９８９－），男，硕士，工程师，主要从事粉磨设备的设计与优化等工作。Ｅ - ｍａｉｌｙａｏｊｉａｎｃｈａｏ＠１２６．ｃｏｍ通信作者卢世杰（１９７２－），男，硕士，教授级高工，主要从事粉磨及浮选设备的设计与优化等工作。Ｅ - ｍａｉｌｌｕｓｊ＠ｂｇｒｉｍｍ．ｃｏｍ d o i1 0 . 3 9 6 9／j . i s s n . 1 6 7 1 - 9 4 9 2 . 2 0 2 0 . 0 5 . 0 1 8 适用于陶瓷研磨介质的立磨机优化设计及应用姚建超１，２，卢世杰１，２，孙小旭１，２，何建成１，２，郎平振１，２，周宏喜１，２（１．矿冶科技集团有限公司，北京１００１６０；２．北矿机电科技有限责任公司，北京１００１６０）摘要常规立磨机均采用高铬钢球作为研磨介质，设备的功率、容积及结构均与钢球相匹配，近年来随着纳米陶瓷研磨介质的成功开发应用，因其具有比重小、硬度高、节能且磨耗低的显著优势，在矿物细磨领域应用越来越多。为适应新型的陶瓷研磨介质，对传统立磨机进行了优化设计，开发了新型的ＫＬＭ - Ｌ型立磨机并在云南某多金属矿取得应用，应用结果表明该立磨机具有介质消耗低、能耗低、衬板使用寿命长等优势。关键词陶瓷介质；立磨机；优化设计；节能降耗中图分类号ＴＤ４５３文献标志码Ａ文章编号１６７１ - ９４９２（２０２０）０５ - ００９８ - ０４ O p t i m u mD e s i g na n dA p p l i c a t i o no fV e r t i c a l M i l lw i t hC e r a m i cG r i n d i n gM e d i u m ＹＡＯＪ i a n c h a o 1，2，ＬＵＳ h i j i e 1，2，ＳＵＮＸ i a o x u 1，2，ＨＥＪ i a n c h e n g 1，2，ＬＡＮＧＰ i n g z h e n 1，2，ＺＨＯＵＨ o n g x i 1，2 （ 1.ＢＧＲＩＭＭＴ e c h n o l o g yＧ r o u p，Ｂ e i j i n g1 ００ 1 ６０，Ｃ h i n a； 2.ＢＧＲＩＭＭＭ a c h i n e r ya n dＡ u t o m a t i o nＴ e c h n o l o g yＣ o ．，Ｌ t d ．，Ｂ e i j i n g1 ００ 1 ６０，Ｃ h i n a） A b s t r a c tＴｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｖｅｒｔｉｃａｌｍｉｌｌａｄｏｐｔｓｈｉｇｈ - ｃｈｒｏｍｉｕｍｓｔｅｅｌｂａｌｌａｓｔｈｅｇｒｉｎｄｉｎｇｍｅｄｉｕｍ，ａｎｄｔｈｅｉｎｐｕｔｐｏｗｅｒ，ｖｏｌｕｍｅａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｍａｔｃｈｗｉｔｈｔｈｅｓｔｅｅｌｂａｌｌ．Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｎａｎｏｍｅｔｅｒｃｅｒａｍｉｃｇｒｉｎｄｉｎｇｍｅｄｉｕｍ，ｗｈｉｃｈｈａｓｔｈｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔａｄｖａｎｔａｇｅｓｓｕｃｈａｓｓｍａｌｌｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ，ｈｉｇｈｈａｒｄｎｅｓｓ，ｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇａｎｄｌｏｗａｂｒａｓｉｏｎ，ｔｈｅｇｒｉｎｄｉｎｇｍｅｄｉｕｍｈａｓｂｅｅｎｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｍｉｎｅｒａｌｆｉｎｅｇｒｉｎｄｉｎｇ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｄａｐｔｔｏｔｈｅｎｅｗｃｅｒａｍｉｃｇｒｉｎｄｉｎｇｍｅｄｉｕｍ，ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｖｅｒｔｉｃａｌｇｒｉｎｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｗａｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄ，ａｎｄａｎｅｗＫＬＭ - ＬｖｅｒｔｉｃａｌｇｒｉｎｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｎｄａｐｐｌｉｅｄｉｎａｐｏｌｙｍｅｔａｌｌｉｃｍｉｎｅｉｎＹｕｎｎａｎｐｒｏｖｉｎｃｅ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｍｉｌｌｈａｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｌｏｗｍｅｄｉｕｍｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｌｏｗｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎａｎｄｌｏｎｇｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅｏｆｌｉｎｅｒ． K e yw o r d sｃｅｒａｍｉｃｍｅｄｉｕｍｖｅｒｔｉｃａｌｍｉｌｌｏｐｔｉｍｕｍｄｅｓｉｇｎｌｏｗｅｎｅｒｇｙａｎｄｍｅｄｉｕｍｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ我国的矿石资源品位低，嵌布粒度细，故需要细磨的居多，立磨机因其节能高效的特点在近年来越来越多的应用到有色金属行业［１］。目前大多选厂选用常规的立磨机作为细磨装备，但是常规的立磨机在使用中多采用高铬钢球作为研磨介质，同时设备的装机功率、磨矿容积及设备结构均与钢球相匹配。有研究表明选厂运行中的磨矿作业电耗可以占到全厂电耗的６０％以上［２］，而作为研磨介质的高铬钢球消耗成本与电耗成本相当，故相关厂家开发了新型的纳米陶瓷研磨介质，表１为高铬钢球与纳米陶瓷球的参数对比，该新型纳米陶瓷研磨介质的硬度高于传统高铬钢球，且密度仅为高铬钢球的１／２，球体内外质地及硬度较为均匀，具有节能、磨耗较低且无铁介质污染等诸多优点［３］，逐渐在非金属矿细磨、超细磨行业取得应用且逐步向有色金属行业推广，并在近几年得到越来越多的客户认可，适用于陶瓷研 89 万方数据２０２０年第５期姚建超，等适用于陶瓷研磨介质的立磨机优化设计及应用磨介质的新型立磨机应用前景十分广阔。因此针对新型陶瓷研磨介质的应用要求，亟需开发适用于陶瓷研磨介质的新型立磨机。表１高铬钢球与纳米陶瓷球参数对比Ｔａｂｌｅ１Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆａｌｕｍｉｎａｃｅｒａｍｉｃｂａｌｌａｎｄｈｉｇｈ - ｃｈｒｏｍｉｕｍｓｔｅｅｌｂａｌｌｉｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ纳米陶瓷球高铬钢球化学成分Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃ、Ｍｎ真密度／（ｔｍ－３）３．７７．８堆密度／（ｔｍ－３）２．３４．９洛氏硬度／ＨＲＣ ≥７０ ≥５８１ＫＬＭ - Ｌ型立磨机优化设计适用于陶瓷研磨介质的新型立磨机在单位容积装机功率、筒体衬板结构形式、工艺参数等方面均与常规高铬钢球研磨介质有较大区别，对上述参数进行了针对性研究，使新型立磨机的结构和工艺参数更贴合于陶瓷研磨介质的工况，提升了设备的再磨效率，降低了现场的劳动强度，提升了备品备件的使用寿命，主要从以下几个方面进行了优化设计１）系统进行了陶瓷研磨介质下立磨机细磨机理探索，为陶瓷介质下立磨机选型技术方法及优化奠定了基础。通过文献资料学习、大量的计算机仿真（图１）、实验室试验分析，对陶瓷研磨介质下的立磨机细磨机理进行了许多有益的探索，明确了陶瓷研磨介质对立磨机的装机功率、容积、筒体衬板形式、工艺参数的影响关系，得到筒体的功率容积比、调整了搅拌装置的螺旋直径及螺旋升角，为适用于陶瓷研磨介质的立磨机选型、优化奠定了基础。图１ＣＦＤ及ＤＥＭ仿真Ｆｉｇ．１ＣＦＤａｎｄＤＥＭｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ２）研制低功率容积比的新型立磨机筒体结构，更加贴合于陶瓷研磨介质的技术特性，提高细磨效率同时降低设备能耗。陶瓷研磨介质的比重是高铬钢球的５０％左右，为达到较好的再磨及细磨效果，一般其充填率比钢球要高１０％以上，故对新型立磨机的筒体容积要求要更大；但由于其整体充填重量降低，其对辅助提升介质的功率需求会降低，对重载启动的要求也会降低。在此基础上，为更加贴合于陶瓷研磨介质的工况，对常规立磨机进行了重新调整和优化，提升了其筒体容积并优化了其分布结构，降低了设备装机功率并优化了配套的上部轴结构，降低了单位功率容积比，提升了搅拌装置的外缘线速度，提高了陶瓷研磨介质下的立磨机的使用效率，降低了整体能耗。３）优化螺旋搅拌装置的直径及螺旋升角来提升陶瓷球研磨介质下的细磨和再磨效率。立磨机中的螺旋搅拌装置主要用来提升研磨介质，强化矿物与介质、介质与介质间的细磨和再磨作用，高铬钢球密度大、直径大，现有螺旋升角及螺旋直径均适用于钢球。因陶瓷研磨介质的密度小、直径小，原有的搅拌装置难以发挥最佳细磨效果，在实验室试验及计算机仿真的基础上开发了大直径、小升角的新型螺旋搅拌装置，如图２所示，可以使陶瓷研磨介质处于最佳的提升及抛落速度、轨迹，提高细磨效率，降低能耗。图２新型搅拌装置Ｆｉｇ．２Ｎｅｗ - ｔｙｐｅａｇｉｔａｔｏｒ３）研发了适用于陶瓷研磨介质的自固定式耐磨筒体聚氨酯衬板（图３），其寿命更长、噪音更低、工人劳动强度更小。在基金项目的支持下，为适应陶瓷研磨介质条件，解决原有筒体的钢格栅衬板需要螺 99 万方数据有色金属（选矿部分）２０２０年第５期栓固定且不适合陶瓷球的工况，提出了寿命长、自固定式的筒体聚氨酯衬板结构和固定方式。该聚氨酯衬板无紧固件连接，单块衬板可单独更换，安装快捷方便，提高立磨机作业率；降低衬板厚度，筒体直径增大３０～７０ｍｍ，提高筒体内有效磨矿容积；相比于传统的金属格子衬板，使用寿命更久，更换劳动强度低，设备噪音小，显著降低了易损件的使用成本，提高矿山选厂的经济效益［４］。图３聚氨酯衬板Ｆｉｇ．３Ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅｌｉｎｅｒ４）优化了主轴抗摆动自稳定技术和结构，最大程度降低其摆动对其他结构损坏的前提下减低了加工制造成本，提升了产品的性价比。优化了立磨机自润滑轴承的调节固定装置，该装置使自润滑轴承易于安装和调整，实现了主轴径向有效支撑，避免了主轴过量摆动。但因高铬钢球的比重大、直径大、冲击大，摆动量大，因此对抗摆装置的要求较大，研磨介质变更为陶瓷球后，此部分结构的冗余度较大，结构浪费现象较明显，故对此部分结构进行了优化，在最大程度减小了冲击对自润滑轴承的损害并保证了设备稳定性和可靠性的前提下，尽最大程度降低了加工制造成本，提高了产品的性价比，提高了市场竞争力。２ＫＬＭ - Ｌ型立磨机的应用云南某多金属矿所在的矿区含有锌、锡、铜、铟、银、铁、硫等多种矿物，其中锡金属储量超过２０万ｔ，矿物嵌布粒度很细，－３７μｍ粒级含量达７０％以上，该公司多年来采用摇床选锡流程，金属锡的综合回收率仅为４５％左右，主要是－３７μｍ粒级以下的锡矿石回收效果很差，该粒级的回收率仅为１０％～２０％，因此亟需将矿物细磨至－３７μｍ含量７０％以上并提高细粒级矿物的回收率［５］。图４工艺流程简图Ｆｉｇ．４Ｐｒｏｃｅｓｓｄｉａｇｒａｍ为了实现金属锡矿的充分解离，该公司先后选用了５台ＫＬＭ - Ｌ系列立磨机用于锡矿次精矿、中矿及精矿再磨。该矿山选厂的工艺流程简图如图４所示，选厂经过拓产及改造后，锡精矿分级后再磨机选用一台套ＫＬＭ - ２８０立磨机用于取代原有的Φ２．４ｍ３．２ｍ的球磨机，铜、锌浮选粗精矿再磨分别选用ＫＬＭ - ７５及ＫＬＭ - ４５立磨机各一台套，锡矿重选过程中的中矿及次精矿再磨分别选用ＫＬＭ - ７５及ＫＬＭ - ４５立磨机各一台套。表２所示为设备的应用参数表，图５及图６为设备现场应用图。该立磨机全部使用新型的聚氨酯衬板，有效避免了铁介质污染并提高了产品纯度。表３为ＫＬＭ - ２８０立磨机与原有的Φ２．４ｍ３．２ｍ球磨机应用数据对比，工艺流程经过改造后，原矿处理量较改造前增加１３％，给矿粒度－７４μｍ含量由原来的７３％提高至８０％，而运行功率却由原来的２２５ｋＷ降低至１７０ｋＷ，相比原有流程节能２５％左右，另外介质消耗量由原来的０．０２２ｋｇ／ｔ降低至０．００４ｋｇ／ｔ，现有介质消耗量仅为原来的１／５，显著降低了选厂的运行成本。表２设备应用参数表Ｔａｂｌｅ２Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｄａｔａｓｈｅｅｔｏｆｅｑｕｉｐｍｅｎｔ设备规格数量装机功率／ｋＷ处理量／（ｔｈ－１）进料粒度－７５μｍ排矿粒度－７５μｍＫＬＭ - ２８０１２８０４８６５％８５％ＫＬＭ - ７５２７５１２６５％８５％ＫＬＭ - ４５２４５７６５％８５％ 001 万方数据２０２０年第５期姚建超，等适用于陶瓷研磨介质的立磨机优化设计及应用表３ＫＬＭ - ２８０立磨机与球磨机应用数据对比Ｔａｂｌｅ３ＴｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｄａｔａｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＫＬＭ - ２８０ＶｅｒｔｉｃａｌＭｉｌｌａｎｄＢａｌｌＭｉｌｌ项目立磨机球磨机磨机型号ＫＬＭ - ２８０Φ２．４ｍ３．２ｍ原矿处理量／（ｔｄ－１）８４００９５００磨机给矿－７４μｍ含量／％６５左右６５左右磨机给矿浓度／％５５５５磨机给矿量／（ｔｈ－１）３５４０波动系数１．２１．２磨机给矿量／（ｔｈ－１）４２４８磨机排矿粒度－７４μｍ含量／％７３左右≥８０介质消耗量／（ｋｇｔ－１）０．０２２０．００３９运行电流／Ａ１６１２运行功率／ｋＷ２２５１７０额定功率／ｋＷ３１５２８０图５ＫＬＭ - ２８０立磨机Ｆｉｇ．５ＫＬＭ - ２８０ＶｅｒｔｉｃａｌＭｉｌｌ图６ＫＬＭ - ７５及ＫＬＭ - ４５立磨机Ｆｉｇ．６ＫＬＭ - ７５ａｎｄＫＬＭ - ４５ＶｅｒｔｉｃａｌＭｉｌｌ３结论伴随着矿山节能降耗的需求，纳米陶瓷介质的应用范围越来越广泛，经优化设计的ＫＬＭ - Ｌ型立磨机可以有效适用于陶瓷研磨介质，其具有能耗低、球耗少、筒体衬板易于安装维护且使用寿命长等诸多优势，因此适用于陶瓷研磨介质的ＫＬＭ - Ｌ型立磨机在各种有色金属矿山及非金属矿业的应用前景十分广泛。参考文献［１］卢世杰，周宏喜，何建成，等．ＫＬＭ型立式螺旋搅拌磨机的研究与应用［Ｊ］．有色金属工程，２０１４，４（２）６９ - ７２．ＬＵＳｈｉｊｉｅ，ＺＨＯＵＨｏｎｇｘｉ，ＨＥＪｉａｎｃｈｅｎｇ，ｅｔａｌ．ＳｔｕｄｙａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＫＬＭｖｅｒｔｉｃａｌｍｉｌｌ［Ｊ］．ＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１４，４（２）６９ - ７２．［２］夏晓鸥，沈政昌，史帅星，等．选矿装备［Ｍ］．北京冶金工业出版社，２０１９１ - ２．ＸＩＡＸｉａｏｏｕ，ＳＨＥＮＺｈｅｎｇｃｈａｎｇ，ＳＨＩＳｈｕａｉｘｉｎｇ，ｅｔａｌ．Ｍｉｎｅｒａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔ［Ｍ］．ＢｅｉｊｉｎｇＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ，２０１９１ - ２．［３］胡国辉，张延龙，宋现洲，等．新型陶瓷球在大型立式搅拌磨上的应用初探［Ｊ］．矿山机械，２０１８，４６（１０）３０ - ３２．ＨＵＧｕｏｈｕｉ，ＺＨＡＮＧＴｉｎｇｌｏｎｇ，ＳＯＮＧＸｉａｎｚｈｏｕ，ｅｔａｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｎｅｗ - ｔｙｐｅｃｅｒａｍｉｃｂａｌｌｉｎｌａｒｇｅｖｅｒｔｉｃａｌｓｔｉｒｒｉｎｇｍｉｌｌ［Ｊ］．Ｍｉｎｉｎｇ＆ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，２０１８，４６（１０）３０ - ３２．［４］姚建超，卢世杰，何建成，等．适用于陶瓷介质的立磨机用聚氨酯衬板研制及应用［Ｊ］．有色金属（选矿部分），２０２０（２）８４ - ８８．ＹＡＯＪｉａｎｃｈａｏ，ＬＵＳｈｉｊｉｅ，ＨＥＪｉａｎｃｈｅｎｇ，ｅｔａｌ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅｌｉｎｅｒｆｏｒｖｅｒｔｉｃａｌｍｉｌｌｗｉｔｈｃｅｒａｍｉｃｇｒｉｎｄｉｎｇｍｅｄｉｕｍ［Ｊ］．ＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓ（ＭｉｎｅｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＳｅｃｔｉｏｎ），２０２０（２）８４ - ８８．［５］莫峰，韩彬．都龙矿区锡石资源综合高效回收的生产实践［Ｊ］．矿产综合利用，２０１８（１）１１９ - １２２．ＭＯＦｅｎｇ，ＨＡＮＢｉｎ．ＰｒｕｄｕｃｔｉｏｎｐｒａｃｔｉｃｅｏｆｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｒｅｃｏｖｅｒｙｏｆｃａｓｓｉｔｅｒｉｔｅｒｅｓｏｕｒｃｅｓｉｎＤｕｌｏｎｇＭｉｎｅ［Ｊ］．ＭｕｌｔｉｐｕｒｐｏｓｅＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＭｉｎｅｒａｌＲｅｓｏｕｒｃｅｓ，２０１８（１）１１９ - １２２． 101 万方数据

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