高壓輥磨機與大型立磨機聯合碎磨工藝研究分析

高 壓輥磨機與球磨機的聯合碎磨工藝已廣泛應用于礦物加工生產中，該工藝技術成熟、運行可靠，特別是在水泥行業仍然起著舉足輕重的作用。隨著礦石性質貧、細、雜、難等問題日益嚴重，對礦石粉磨產品粒度的要求也越來越精細。選礦廠二段磨礦或粗精礦再磨已應用立式螺旋攪拌磨機 (以下簡稱“立磨機”) 取代球磨機，而且出現了高壓輥磨機與立磨機組成聯合碎磨工藝流程，從而大幅降低了生產系統能耗，提高了精礦品位，有著較大的市場應用前景。

1 碎磨工藝發展歷程

高壓輥磨機自 1980 年問世以來，以其獨特的粉碎原理和高效節能的技術特點，迅速應用于水泥行業。隨著高壓輥磨機在美國亞利桑那州銅礦的成功應用，引起了業界極大的關注，隨后在世界各地金屬礦山不斷得到推廣應用。國內金屬礦山應用高壓輥磨機起步較晚。2006 年，高壓輥磨機首次在馬鋼凹山選礦廠用于礦石破碎，而后在唐鋼司家營鐵礦等礦山選廠得到應用。金堆城鉬業為國內首個使用高壓輥磨機的有色金屬礦山。

為了解決球磨機效率低、能耗大等問題，開始采用高壓輥磨機和球磨機聯合碎磨工藝流程。高壓輥磨機預細碎處理礦石，有效控制球磨機的進料粒度。經過高壓輥磨機擠壓處理的礦石產生微裂紋，降低了物料的邦德功指數，從而大大降低了系統能耗，同時，易磨碎的礦石減輕了球磨機的磨損，降低了礦山企業選礦作業的生產成本。高壓輥磨機與球磨機聯合碎磨工藝在處理硬巖方面具有巨大的節能潛力以及成本優勢，特別是在處理磁鐵礦時，該工藝有效提高了拋尾率，實現了“能拋早拋”，提高了磨礦設備能量利用率，大大降低球磨機相關易損件的磨耗，目前已成為金屬礦山非常重要的工藝流程。

2 高壓輥磨機的工作原理及優勢

高壓輥磨機由機架、進料系統、傳動系統、擠壓輥裝配、液壓系統、潤滑系統等組成，依靠安裝在機架水平滑軌上的2個平行排列且相向轉動的擠壓輥工作，每個輥由電動機通過萬向聯軸器與減速器驅動，其中定輥位置固定不變，動輥可在水平滑道上移動，通過液壓系統將動輥推向固定輥。液壓系統通過動輥施加在物料上的壓力高達 300 MPa。

高壓輥磨機的工作原理為料層粉碎，工作時物料由進料口進入動輥與定輥之間的破碎腔，借助一對連續作業的高壓輥及物料自重，物料被強行擠入不斷壓縮的破碎腔中并被壓實，壓實擠滿的物料在巨大的壓力下被破碎，最終礦石物料形成緊實、布滿裂縫的料餅排出，高壓輥磨機層壓粉碎原理如圖1所示。

圖1 高壓輥磨機粉碎原理

高壓輥磨機工作時，液壓系統提供足夠大的擠壓力，使得礦石得到破碎，并產生了大量的微裂紋，使物料可磨性大為改善，在后續工序的磨機內易于磨碎，節省大量能耗。礦物經過高壓輥磨機處理后，不但有較好的選擇性破碎效果，而且形成大量的細粒和微細粒產品，礦物完成了初步解離，具備了較好的分選條件，從而實現了“多碎少磨”。高壓輥磨機不僅節能高效，且占地面積小、處理能力大，因此引起了礦山企業的極大重視，開始將高壓輥磨機組合到碎磨工藝流程內，進一步發揮其巨大的優勢。

3 立磨機的工作原理及優勢

1952年，日本的河端重勝發明了世界上第一臺立磨機 (日本稱塔磨機)。立磨機主要由機架、筒體、螺旋攪拌器及驅動裝置等組成，其中機架主要起支撐其他部件的作用，螺旋攪拌器負責對礦石物料進行攪拌細磨。驅動裝置主要由電動機、減速器、聯軸器等組成，負責給螺旋攪拌器提供動力。

立磨機的工作原理是在螺旋攪拌器旋轉和重力作用下，磨礦物料與介質球摩擦進行表面磨剝。工作時，筒體內有一定量的磨礦介質 (一般為鋼球或陶瓷球)。電動機通過減速器驅動螺旋攪拌器旋轉，從而帶動磨礦介質和物料在筒體內作多維旋轉運動，物料和磨礦介質在擠壓力作用下產生摩擦、剪切和沖擊擠壓等作用，從而使物料被有效地粉磨。在磨料自身重力及螺旋攪拌器的攪拌下，研磨主要發生在筒體的下半部分，合格的礦物顆粒從筒體上半部分的溢流口流出，不合格的顆粒進入筒體下半部分繼續研磨，從而減少了物料發生過粉磨，其工作原理如圖2所示。

圖2 立磨機工作原理

立磨機工作時主要依靠介質球與礦石的摩擦而粉碎磨礦，而球磨機依靠筒體自身的旋轉，帶動磨礦介質與礦物沖擊碰撞磨礦。當產品粒度較粗時，球磨機磨礦效果較好，而當產品粒度較細時，球磨機的能耗會大幅增加。利用沖擊粉磨細顆粒礦石時效率較低，而表面摩擦方法更加有效。因此，當研磨粒度更細時，立磨機顯現出了巨大的節能優勢。此外，由于立磨機攪拌強度低，相比球磨機有效地減少了構件的磨蝕損耗。采用高密度磨礦介質球，半徑小且不易破碎，進一步提高了礦石顆粒細度，實現內部循環控制磨礦，提高了選礦回收率。立磨機在難選礦物細磨分選上具有巨大的優勢，國內許多企業積極推出了該項技術和產品，并得到市場認可，使得立磨機得到了廣泛的應用。

隨著高壓輥磨技術不斷進步，其排料粒度逐漸變細，目前德國洪堡 (MBE) 公司已經做到 P80=1 mm，完全可以滿足大型立磨機給料要求。此外，高壓輥磨機輥面磨損問題目前也得到解決，加上立磨機的啟動、螺旋葉片的快速磨損等問題已解決，理論上已經完全具備高壓輥磨機與立磨機高效低能耗聯合碎磨工藝流程的條件。

4 典型工藝流程

4.1 現有高壓輥磨機碎磨流程

由于高壓輥磨機破碎比大、生產效率高、工藝流程配置簡單，不但能夠完成基本的礦石破碎，而且也簡化了后續磨礦作業。目前多采用高壓輥磨機與球磨機聯合粉磨的工藝，一般由高壓輥磨機開路破碎后，直接進入球磨機，具有流程簡單、投資少的特點。

圖3所示為高壓輥磨邊料返回的輥磨-分級球磨工藝流程，邊料返回的礦石再次進行輥磨處理后，減少了擠壓過程中邊緣效應對磨機來料的影響。該工藝流程占地面積小，運行效率高，適應性廣泛，易于實現。

圖3 高壓輥磨邊料返回的輥磨-球磨流程

圖4 高壓輥磨閉路的輥磨-球磨流程

圖4所示為典型的高壓輥磨機閉路工藝流程。篩上大顆粒物料重新返回高壓輥磨機處理，篩下物料進入球磨，可有效控制入磨粒度，選礦系統節能效果更加明顯。該流程實現了對給礦各粒級的高效破碎，最終碎礦產品粒度范圍更窄，后續磨礦更容易，有利于改善精礦品位和有用礦物回收率。

4.2 現有立磨機工藝流程

在選礦工藝中，立磨機一般用于二段或三段精礦再磨回路中，采用立磨機與小直徑旋流器組成閉路。當給料足夠細時，可生產出細/超細粒級的產品。

圖5所示為立磨分級-磁選工藝流程。二段磁選精礦進入旋流器預先分級，溢流進行磁選，而沉砂進入立磨機再磨，立磨機排礦再進入旋流器分級。該工藝流程細磨效率高、粒度指標好、粒級分布范圍窄，對精礦的“提質降雜”有良好效果。

圖5 帶旋流器分級的三段立磨工藝流程

4.3 高壓輥磨機與立磨機聯合碎磨工藝流程研究進展

近年來，隨著礦產資源的不斷消耗，礦山企業均面臨著低品位細粒級礦產資源開發利用的問題。為了進一步縮短磨礦流程，充分發揮高壓輥磨機和立磨機的優勢，選礦行業開始逐步探索采用高壓輥磨機和立磨機組成聯合碎磨工藝流程來降低能耗和提升工藝品質。但是，高壓輥磨機處理后的礦石粒度較粗，并不能直接進入立磨機，必須制定一個合適的工藝流程，從而實現通過高壓輥磨機后的礦石達到立磨機加工尺寸要求。目前，高壓輥磨機和立磨機聯合碎磨工藝屬于新型工藝流程，國內外許多研究機構和大型礦業公司開始試驗、研究和模擬分析。

Norgate和Weller 等人對金礦進行了試驗研究，以測試高壓輥磨機在較低的壓力下多階段工作是否比在較高的壓力下單階段工作的方式更節能，結果顯示，金礦通過4次高壓輥磨機之后，能量消耗開始變平緩，第1次和第2次之間下降的幅度最大為 31%，因此得出，多個串聯的高壓輥磨機聯合工作會減小礦石粒度尺寸，從而達到立磨機可接受的給料范圍。Daniel 等人對中試型高壓輥磨機進行了試驗研究，分析多段串聯的高壓輥磨機破碎效率變化情況，最終發現，前2次通過高壓輥磨機的礦石尺寸減小最明顯，隨后效率變得較低，得出2次通過高壓輥磨機是有效粉碎礦石的最佳選擇。Rule 等人對實驗室型高壓輥磨機進行了試驗研究，通過改變第2階段高壓輥磨機的壓力，以分析二段高壓輥磨機粉碎礦石的效果。研究結果表明，第1階段磨礦產品的粒度組成較好，但是在第2階段增加的壓力并沒有使礦石粒度尺寸顯著減小，因此認為，為了優化二段高壓輥磨流程的能量消耗，沒有必要增加第2階段的壓力。Wang Y.等人使用實驗室型的設備在高壓輥磨機與臥式攪拌磨機組合上進行了測試，將重質碳酸鈣多次通過實驗室型高壓輥磨機，然后通過臥式攪拌磨機進行處理，研究結果表明，增加礦石通過高壓輥磨機的次數可提高臥式攪拌磨機的產量。

Valery和Jankovic于2002 年首次提出了將高壓輥磨機和立磨機組合成一個新型碎磨工藝流程的概念，如圖6所示，該工藝流程采用二段高壓輥磨破碎和立磨機細磨，從而替代傳統的破碎-球磨機工藝流程。仿真結果表明，該工藝流程降低了將近 45%的能耗，但并沒有進行試驗測試。為了進一步驗證高壓輥磨機與立磨機聯合碎磨工藝的可行性，Drozdiak等人針對某銅礦，在同等條件下，對比分析不同工藝流程的粉碎能耗、總工藝能耗、運行費用、項目投資等，有力地證明了新型高壓輥磨機-立磨機工藝流程較傳統的破碎-球磨機工藝流程和高壓輥磨機-球磨機工藝流程具有更大的優勢。北京科技大學的王成鐵等人選取銅礦中的粗礦樣品，分別采用自磨/半自磨-球磨機、高壓輥磨機-球磨機、高壓輥磨機-立磨機進行磨礦試驗，并進行工藝流程建模和仿真，仿真試驗結果表明，高壓輥磨-球磨機工藝流程與高壓輥磨機-立磨機工藝流程都具有較高的能效，但高壓輥磨機-立磨機工藝流程具有更好的研磨細度。

圖6 高壓輥磨-立磨機工藝流程

高壓輥磨機與立磨機聯合碎磨工藝流程對節能降耗、成本優化、簡化流程、提高礦物回收率、降低尾礦品位等方面具有積極影響。當前礦業面臨著從復雜金屬礦石中提取高純度金屬的問題，高壓輥磨機與立磨機聯合碎磨工藝流程凸顯出巨大的潛力，有著廣闊的市場應用前景。

5 結語

高壓輥磨機與立磨機聯合碎磨工藝適應性強、優勢明顯，已經成為選礦廠下一代碎磨工藝發展方向。目前來說，國內大部分企業逐步認識到立磨機作為二、三段細磨凸顯的優勢。隨著高壓輥磨機漸漸取代傳統的破碎機作為碎礦設備以及國內外部分選廠開始采用立磨機取代球磨機作二、三段細磨，為進一步采用高壓輥磨機和立磨機聯合碎磨工藝流程打下了良好的基礎。高壓輥磨與立磨機的聯合碎磨工藝目前尚在試驗階段，需要在以下幾個方面進一步深入研究分析。

(1) 從整體上看，高壓輥磨機與立磨機聯合粉磨工藝實際應用較少，需要進一步拓展應用。由于不同礦物的作用效果不同，需要進行充分的選礦試驗工作，從而保證碎磨流程對礦石物料的有效粉磨，實現效率最大化。

(2) 合理的工藝設計是保證該流程高效運轉的必要條件。工業生產過程包括碎磨流程的確定、生產工藝的配置及設備選型等，諸多因素都需要充分考慮，進一步挖掘其節能降耗的潛力

(3) 高壓輥磨機與立磨機聯合碎磨工藝流程的操作參數較多 (給排料粒度、工作壓力、破碎輥轉速、輥間隙、含水量等)，為了達到最佳性能，需要優化其操作參數?？紤]到實際生產中的問題，需要調整高壓輥磨與立磨的粒級分配，從而達到更好的工藝效果。

高壓輥磨機和立磨機都是節能、高效碎磨設備，應充分發揮各自技術特點、能力和優勢，有效解決流程簡化過程中出現的問題，使得兩種技術有效結合，形成獨特的礦山行業高效節能的先進粉磨工藝技術，推動行業的技術進步。

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