微细粒矿用搅拌磨机的研究和发展.pdf

第3 2 卷 2 0 1 2 年0 8 月 矿冶 工 程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 2 A u g u s t2 0 1 2 微细粒矿用搅拌磨机的研究和发展① 张国旺，赵湘，肖骁，肖守孝，黄礼龙，李自强，石立，龙 渊 长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南长沙4 1 0 0 1 2 摘要详细介绍了国内外矿用搅拌磨机的结构特点及应用，综述了矿山细磨设备的研究情况，评述了搅拌磨机的发展和应用前 景。超细搅拌磨机具有能量密度高、细磨效率高、产品粒度分布均匀和选择性磨矿等特点，其推广应用将有效促进矿山金属资源的 综合利用和节能降耗。 关键词搅拌磨机；超细磨；微细粒矿；应用；金属矿山 中图分类号T D 4 5 3 文献标识码B 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 8 0 0 3 7 0 5 “贫、细、杂”是我国金属矿产资源的共同特点，无 论是我国紧缺的铁、锰、铜、铅、锌等大宗矿产资源还是 我国丰富的钨、钼、黄金等稀贵金属矿。以铁矿为例， 复杂难选铁矿占我国铁矿资源储量的2 0 ％～2 5 ％，如 山西太钢袁家村铁矿、云南惠民铁矿、湖南祁东铁矿和 洞口铁矿嵌布粒度达到一3 8p ．m 粒级占9 5 ％或更细。 国外中信泰富西澳矿和鞍钢卡拉拉矿开发澳大利亚的 铁矿嵌布粒度达到一2 0I x m 粒级占8 0 ％。而待开发 的高磷赤铁矿，嵌布粒度达到了平均1 0 m 。有色金 属行业铜、铅、锌、钼等的解离粒度也在下降，如广东凡 口铅锌矿铅粗精矿再磨的磨矿细度达到了一4 0 m 粒 级占9 5 ％。我国著名的钼精矿生产基地金堆城钼矿 和栾川地区矿，其辉钼矿的解离度在一3 8 m 粒级占 9 5 ％或更细，金川镍尾矿镍的嵌布粒度一3 8I x m 粒级 达到9 8 ％。 该类矿石结构复杂，矿物嵌布粒度微细，选矿难度 极大，大量试验研究结果表明，无论采用何种选矿工艺 流程，细磨甚至超细磨使矿物充分解离是成功分选矿 物的前提与关键。 另外，选矿厂的磨矿产品要求越来越细，细磨需要 消耗大量能量，细磨磨矿已经成为选矿成本上升的直接 原因，如何节能降耗已成为科研生产人员的重要任务。 1 传统球磨机的改进及优化 在矿物加工领域，常规普通卧式球磨机应用于矿 物的细磨或超细磨，但其能量利用率低，磨矿能耗费 用高，因此科研工作者首先是对传动球磨机改进及优 化，如衬板优化，介质球优化和传动系统优化，取得了 一定效果。 我国昆明理工大学段希祥教授等围绕传统卧式球 磨机设备改进及其磨矿工艺优化开展了一系列粗粒级 选择陛磨矿理论及技术研究，旨在利用矿物破碎速率 差异，使目标矿物在某些粒级范围富集，从而提高矿物 的技术指标，并取得了一系列成果。 通过对介质球配比、直径、材质、形状、磨机转速和 进出料结构等参数进行了优化控制，有效地提高了选 厂的技术指标。提出了球径半理论公式，并进行不断 修正，使得球径半理论公式在粗磨、中磨、细磨作业中 都能精确地计算球径，为选厂选择钢球尺寸提供了依 据；通过完善精确的装补球方法，改善了磨矿及选别过 程，磨机生产率显著提高，磨矿电耗及球耗显著下降， 有用矿物单体解离度明显提高 5 ％一6 ％ ，特别是精 矿品位及回收率双双提高。用铸铁段代替钢球，减少 矿物过粉碎，使产品粒度分布均匀。 其他研究者针对钼矿、铜矿、锡矿蒯土矿、铁矿等 金属矿产开展了一系列的选择性磨矿研究工作，在粗 粒选矿中取得了一定成果。但由于受传统卧式球磨机 结构限制，只适合粗粒矿物的解离。在磨矿设备中，球 磨机选择性破碎／解离作用较差。因此，在球磨机选择 性磨矿／解离基础上，采用新型细磨／超细磨磨矿设备 强化细粒矿物的解离至关重要。 加长型球磨机 管磨机 通过三四段磨矿，添加小 介质 3 0m m 球或柱 细磨铁矿石，配合小旋流器分 级，可达到磨矿产品一3 8I s m 粒级占9 5 ％。但要更细 则有难度，需要更节能的新型细磨设备。 2 矿用搅拌磨机的研制及优缺点 最近矿业的高速发展，常规普通卧式球磨机由于 采用冲击粉磨方式进行磨矿，应用于矿物的细磨或超 ①收稿日期2 0 1 2 - 0 6 - 2 7 作者简介张国旺 1 9 6 3 一 ，男，湖南宁乡人，博士，教授，研究方向为细磨技术和装备／超细搅拌磨机的研究及优化。 万方数据 矿冶工程 第3 2 卷 细磨，能量利用率低，磨矿能耗费用是相当高的。而搅 拌球磨机采用摩擦研磨施力为主的磨矿，而摩擦研磨 是细磨或超细磨矿最有效的粉磨方式，能量利用率高， 如图1 是传统卧式球磨机与搅拌磨机的能耗对比，可 以看出，使用传统卧式球磨机在粗磨阶段 P ∞为7 4 I x m ，球磨机的单位能耗与搅拌磨机基本相当，但随着 磨矿细度的降低，球磨机与搅拌磨机的单位能耗差距 随着细度变细而变大。例如将矿物磨到P 舳为一4 0 I x m 时，球磨机的单位能耗约为6 0k W h ／t ，而使用搅拌 磨机单位能耗约为3 0k W h ／t ，球磨机的能耗比搅拌磨 机要多1 倍。随着磨矿粒度的进一步变小，其能耗差 别就更大。在细磨或超细磨矿，搅拌磨机与传统卧式 球磨机比较具有磨矿效率高和能量利用率高的优势。 p ■ 号 ≥ 邑 ＼ 寝 箍 I ∞ l1 01 0 01 0 1 1 0 P 蛐／u m 图1 球磨机与搅拌磨机的能耗对比 m e t s o 搅拌磨机是一种高效率的超细粉磨设备，已在油 漆、油墨、颜料、造纸涂料、陶瓷釉料、磁性材料、塑料填 料和功能材料等行业中应用。①砂磨机 剥片机 ，又 称为高速搅拌磨机，该种设备在油漆行业得到了广泛 应用。但是，速度高，在筒体内能量密度分布不均匀； 由于采用盘式搅拌器，玻璃珠或陶瓷珠在圆盘上受力 是摩擦施力，能量损失大，比棒式搅拌器能量利用率 低；高速旋转，圆盘，筒壁磨损严重，发热大，外壳须设 冷却夹套。优点就是筒体高度适宜，总机重量轻，维护 和检修方便。②棒式搅拌磨机或称周期式搅拌磨机， 在精细陶瓷、电子材料、粉末冶金等行业得到广泛应 用。由于采用棒式搅拌结构，磨矿效率较高；随着简体 直径增大，磨矿中心和搅拌棒顶端处的速度相差太大， 因而传输给介质的能量是不相等的，在筒体内能量分 布不均匀；另外，搅拌棒的数量太少，这样传递给介质 的能量频率低。该机优点是结构简单，维护方便。配 合外部循环泵的使用，能将物料磨至几微米。③环隙 式搅拌磨，解决了能量密度不均匀问题，能量利用率 高，其产品粒度均匀。但是有效容积变小，设备大型化 困难，仅限于一些精细陶瓷、磨料和特种油墨和涂料等 精加工行业中应用。而工业矿物加工领域，需要处理 量大，设备可靠，易损件寿命长及与具体选冶工艺相 适应大型的超细搅拌磨机。 3 国内外矿用搅拌磨机的现状和发展 近年来，国外细磨／超细磨装备及技术取得了极大 发展，在金属矿业应用取得了一系列突破性进展。塔 磨机 T o w e r m i l l ／V e r t i m i l l ／J Mm i l l 、艾萨磨机 I s a m i t l 及搅拌介质磨机 S t i r r e dM e d i aD e t r i t o r ，S M D 的成功 推广应用使一些微细粒嵌布矿产资源得到有效利用， 表1 列出了这几种磨机的性能及其应用情况。 表1微细粒矿用搅拌磨机性能比较 磨机类型 塔篙糍囊葬豁式 艾萨磨机搅拌介质磨机 3 ．1 塔磨机 立式螺旋搅拌磨机或立磨机 国外塔磨机主要由美卓矿业公司 M e t s oM i n e r a l s L t d 提供的V e r t i m i l l 和日本爱立许公司 N i p p o n ． E i r i c h 提供的T o w e r M i l l ，美卓矿业已经在全球安装超 过3 0 0 套V e r t i m i l l 塔磨机，总装机功率1 6 0M W ，日前 最大型号为V T M 一3 0 0 0 一W B 电机功率22 5 0k W 已在 澳大利亚卡地亚铜金矿应用。 图2 为美卓矿业生产的V e r t i m i l l 塔磨机示意图， 有一个立式固定的磨矿室，其中装有一个螺旋搅拌器， 用于搅动直径为1 2 ～2 5m m 的钢球磨矿介质。螺旋 搅拌器以梢速度3 ～5m ／s 旋转，属于低速搅拌磨。矿 浆从磨机的顶部或中底部给人，利用重力进行磨矿，磨 矿产品从磨机顶部溢流排出进入下道工序。 塔磨机于在2 0 世纪8 0 年代已应用于金属矿山， 主要用于获得P ∞为2 0 ～4 0 “m 的矿物再磨回路，处 理的矿物包括铜、铅、锌、镍、金、铂族金属等有色、稀贵 金属矿物。第一台V T M - 3 0 0 0 ．W B 的V e r t i m i l l 也是应 万方数据 2 0 1 2 年0 8 月 张国旺等微细粒矿用搅拌磨机的研究和发展 用于澳大利亚纽克雷斯特矿业公司 N e w c r e s tM i n i n g L t d 卡地亚瓦利运营公司 C a d i aV a l l e yO p e r a t i o n s 澳大利亚最大的黄金生产商 金- 铜矿的三段再磨 作业。 、 低述联轴器i 推力轴承心 驱动轴、 粥惑 愉信门F 筒蛾0 一上。．． 饭 带”螺旋体 图2V e r t i m i l l 塔磨机 尽管塔磨机在有色金属矿已成功推广应用近3 0 年，但在铁矿中的应用则起步。2 0 0 9 年，日本爱立许 公司为澳大利亚金达必金属公司 G i n d a l b i eM e t a l s L t d 与中国鞍钢股份有限公司合资的R 拉拉矿业公司 K a r a r aM i n i n gL i m i t e d 提供了5 套K W ．1 5 0 0 型塔磨 机 电机安装功率为1 ．1 2M W ，用来将磁铁矿细磨至 P 帅 3 5l a , m ，塔磨机及其它精选设备将于2 0 1 2 年1 月 安装完毕，并将于2 0 1 2 年6 月前产出铁精矿。瑞典诺 斯兰资源公司与荚卓公司签订协议，由美卓提供位于瑞 典北部诺斯兰的考尼斯瓦拉铁矿的包括7 台V T M 一 3 0 0 0 ．W B 塔磨机在内的两条加工线的设备和服务。 在相同的进料及使用相同尺寸球磨介质情况下， 在较粗粒级 P 蚰 7 5 ～4 5 斗m 时搅拌磨 塔磨机 能 耗较球磨 普通球磨机 高3 0 ％，而在较细粒级时 P 。。 4 5 ～1 5 斗m ，搅拌磨能效较球磨要高5 0 ％。加拿大 N e s s e t e c h 公司在对非铁金属矿塔磨、艾萨磨等四种细 磨设备能耗比较研究中指出，当P 。。 5 0 斗m 时，塔磨 的功耗刚只是其它磨机的5 7 ％，为能效最高的磨矿设 备。当磨矿粒度为P 8 0 2 0 4 0 斗m 时，塔磨机 立式 螺旋搅拌磨机 为最适宜的磨矿设备。实际上，塔磨 机的适宜粒度范围可以为P 帅为2 0 ～6 5 斗m 。 国内，长沙矿冶研究院开发了具有自主知识产权 的立式螺旋搅拌磨机 塔磨机 如图3 ，并实现了系列 化、大型化，形成了搅拌磨细磨关键技术，目前，该技术 已成为国内钼矿选矿行业粗精矿再磨的关键技术，并 已推广至铅锌、铜、铜钼、黄金、铁矿等选矿领域应用， 已应用4 0 0 多台，最大单台应用的型号力2 8 0k W ，正 在开发8 0 0k W 大型塔式搅拌磨机。2 0 0 5 年，K 沙矿 冶研究院开发的搅拌细磨技术应用于湖南省郴州柿竹 园有色金属公司野鸡尾选矿厂铁矿选矿流程，磨矿粒 度一3 8I ．L m 达到9 5 ．1 0 ％，铁精矿品位达到6 5 ．2 0 ％． 解决了以前球磨机磨不细 磨矿粒度一4 3 肛肌占6 0 ％ ， 铁品位低 5 3 ％～5 5 ％ 的技术难题，取得显著的经济 效益，并开创了塔磨技术应用于铁矿选矿的先例。 2 0 0 8 年，湖南郴州柿竹园有色金属公司多金属选厂铁 矿选矿流程中再次采用3 台大型塔磨取代管磨机进行 粗精矿再磨。 图3 立式螺旋搅拌磨机 但由于国内金属矿山企业对搅拌磨的认知和接受 需要一个过程，市场需求受到一定限制，因而在设备大 型化方面跟国外还存在一些差距，但在已推广的立式 搅拌磨技术的示范作用下，大型化的进程会逐步加快。 而且微细粒铁矿的处理量大，对设备大型化提出更高 的要求，应加大设备大型化的力度。 3 ．2 搅拌介质磨机 S M DJ S M D 磨机是英国陶瓷黏土公司为高岭主磨矿而 研制的一种立式搅拌磨机，如图4 。 图4S M D 磨机的应用 ～羞参日量童～ ”融鞠∥7-_歹旧 撤㈨／／“W穆、川 帆箍嗍”增蒜鬟惫醺 万方数据 矿冶工程 第3 2 卷 S M D 磨机现在由M e tS OM i n e r a l s 公司制造，同样 在矿业领域得到广泛应用，处理的矿物包括铜、金、镍、 铂族金属等矿石。S M D 磨机有一个八边体外壳，用来 支撑内部的多臂叶轮。矿浆通过机器顶部的喷嘴进 入，磨矿介质通过位于腔体上部的聚亚胺酯的筛子隔 住，并保持在磨机中，磨矿产品通过这些筛子进入接矿 槽中。其叶轮的速度由与大气相通的圆柱体中涡流的 形成所决定，其梢速度大致为8m ／s 。目前最大的 S M D 磨机功率已达11 0 0k W 。 S M D 磨机目前被广泛地应用于包括铅、锌、铜，铂 族金属等矿石的磨矿作业中。如澳大利亚Z i n i f e x C e n t u r y 矿山安装了2 l 台S M D 磨机，单台装机功率为 3 3 5k W ，6 台用于再磨，1 5 台用于细磨。在细磨回路 的S M D 磨机与直径为2 英寸的旋流器组组成闭路。 给矿粒度为F s o 3 4 斗m ，回路产品粒度为P s o 6 ．6 斗m ，磨矿单位能耗为3 4 ～3 7k W h ／t 。 澳大利亚T a s m a n i a 铜矿选用S M D 磨机 3 5 5k W 对扫选精矿和精选尾矿进行再磨，将，加为1 5 0 m 的 给矿磨至P 帅为7 0 斗m 。该磨机于2 0 0 1 年底正式投入 运行后采用的是6m m 卵石作为磨矿介质，使用这种 惰性介质磨矿改善了浮选的电化学条件，降低了捕收 剂用量。通过磨矿与浮选流程的优化后，最终精矿铜 品位从2 7 ．5 ％提高到2 9 ．8 ％，铜回收率从9 2 ％提高 到9 3 ％。 S M D 磨机相比塔磨机和艾萨磨机，应用数量 较少。 3 ．3 艾萨磨机 I s a M i l l 艾萨磨机于2 0 世纪9 0 年代由蒙特艾萨矿业公司 M o u n tI s aM i n e sL t d 与耐弛粉磨技术公司 N e t s z c h ． F e i n m a h h e c h n i kG m b H 共同开发。它是由颜料工业所 用的N e t z s c h 搅拌磨改进过来的，目前，艾萨磨机由澳 大利亚超达公司 X s t r a t a 提供。迄今已装机9 0 多台， 目前磨机最大功率为3 ．0M W 。 图5 为艾萨磨机结构示意图，搅拌器是由7 8 个 橡胶盘组成，由中一L i f t , 固定在一端空悬的传动轴上，这 些圆盘以梢速度为1 5 ～2 0 ∥s 高速旋转，使介质与物 料呈流态化运动。艾萨磨机应用位于排料端的介质和 图5 艾萨磨机结构示意 磨矿产品分离器排放磨矿产品，这种分离器可产生很 高的离心力，使介质保存在磨机中，而让最终磨矿产品 通过。通过磨盘之间的分段研磨及排列料端的的离心 分离器，实现产品的内分级功能，因此艾萨磨为开路磨 矿，且产品粒度分布较窄。 工业艾萨磨机自1 9 9 4 年在澳大利亚蒙特艾萨矿 山首次应用成功，1 9 9 5 年，澳大利亚的麦卡瑟河 M c A r t h u rM i n i n gL t d 铅锌矿开工，采用了5 台艾萨 磨机。该矿山于2 0 世纪4 0 年代就已发现，铅锌综合 品位2 0 ％以上，金属储量达几百万吨。但为了将有害 硅石与含铅锌矿物分开，原矿要磨到平均粒度3 m 以下。艾萨磨机的使用不但低成本的产出了微米粒级 的磨矿产品，并成功地使用了l ～3m m 的原矿矿石作 为惰性磨矿介质，大大提高了后续浮选作业的选择性， 取得了世界首创的微米浮选商业成功的业绩。艾萨磨 机现已推广至铜、钼、金、铂族金属等矿石细磨，并于 2 0 1 0 年 电机功率3 ．0M W 应用于超达铜公司 X s t r a t aC o p p e r 的欧内斯特亨利 E r n e s tH e n r y 项目 进行磁铁矿再磨。 3 ．4 非金属矿用搅拌磨机 随着国内重质碳酸钙、高岭土等非金属矿行业的 发展和需求，北京矿冶研究院开发了高岭土专用型双 槽大型搅拌磨机，苏州非金属矿工业设计研究院联合 江苏一些制造厂家研制了B P 8 0 型、B l r 3 0 0 型、B P 5 0 0 型、B P l 0 0 0 剥片机 高速盘式搅拌磨机 ，成功地用于 高岭土、重钙、膨润土等行业。长沙矿冶研究院、北京 矿冶研究总院、昆山密友和湖南超牌化工等单位开发 了非金属矿专用型大型超细搅拌磨机，已有t 0 0 0 L 、 2 0 0 0 L 和3 6 0 0 L 和5 6 0 0 L 几种型号，电机装机功率达 3 5 5k W 。如图6 所示为非金属矿大型搅拌磨机。 3 6 0 0 1 1 2 5 0kH，12001J160H 图6 非金属矿用大型搅拌磨机 万方数据 2 0 1 2 年0 8 月 张国旺等微细粒矿用搅拌磨机的研究和发展 4 1 4 结语 1 搅拌磨机将会受到金属矿山矿物加工领域更 多的关注，也将会越来越多的得到重视。搅拌磨机对 金属矿特别是有色金属矿具有选择性细磨解离，能够 提高目标矿物的单体解离度，将成为微细粒矿物再磨 关键设备技术，在铝土矿、微细粒铁矿、铜、钼、铅、锌和 石墨等矿产领域中得到广泛应用。 2 搅拌磨机的大型化研制和在金属矿山的应用 需要设备研制者和工艺人员密切配合，共同攻关，细磨 技术和装备在金属矿山资源综合利用和节能降耗中大 有用武之地。 参考文献 [ 2 ] 余永富．我国铁矿山发展动向、选矿技术发展现状及存在的问题 [ J ] ．矿冶工程，2 0 0 6 ，2 6 4 2 1 2 5 ． 余永富，张汉泉．我国钢铁发展对铁矿石选矿科技发展的影响 [ J ] ．武汉理工大学学报，2 0 0 7 ，2 9 1 1 6 ． [ 3 ] D a v e y ，G r a h a m ．F i n ec o p p e rg i n d i n gu s i n gM e t s o ’8s t i r r e dM e d i a D e t r i t o r [ J ] ．M i n i n gE n g i n e e r i n g ，2 0 0 4 4 3 3 3 5 ． [ 4 ] G a oM ，Y o u n gM ，A l l u mP ．I s a M i l lF i n eG r i n d i n gT e c h f i o l o g ya n dI t s I n d u s t r i a lA p p l i c a t i o n sa tM o u n tI s aM i n e s [ C ] ／／3 4 t hA n n u mM e e t i n g o ft h eC a n a d i a nM i n e r a lP r o c e s s o r s ．C a n a d i a nI n s t i t u t eo fM i n i n gM e t a l l u r g ya n dP e t r o l e u m ，M o n t r e a l ，1 7 1 1 8 8 ． [ 5 ]J a n k o v i cA ．V a r i a b l e sa f f e c t i n gt h ef i n e 静n d i n go fm i n e r a l su s i n g s t i r r e dm i l l s [ J ] ．M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 1 6 3 3 7 3 4 5 ． [ 6 ]包士雷，孙永升，程仁举．搅拌磨在选矿中的应用[ J ] ．现代矿 业，2 0 1 0 7 4 3 4 5 ，6 0 ． [ 7 ]吴建明．G J 5 2 大型双槽剥片机及其在高岭土剥片中的应用 [ J ] ．中国粉体技术，2 0 0 3 ，9 2 4 1 4 3 ，4 8 ． [ 8 ] 张国旺．超细粉碎设备及其应用[ M ] ．北京冶金工业出版社， 2 0 0 5 ． [ 9 ] S t i e fDE ．T o w e rm i l la n di t sa p p l i c a t i o nt of i n e 珈n d i n g [ J ] ．M i n e ’ a l sa n dM e t a l l u r g i c a lP r o c e s s i n g ，1 9 8 7 4 4 5 5 0 ． [ 1 0 ] 张国旺，杨剑波，石德俊，等．立式螺旋搅拌磨矿机的研制及其 在钼矿再磨擦洗作业中的应用[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 0 9 1 2 3 2 7 ． [ 1 1 ] 张国旺，李自强，李晓东，等．立式螺旋搅拌磨矿机在铁精矿再 磨中的应用[ J ] ．金属矿山，2 0 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