GJM型棒式攪拌磨機的研發與應用

孫小旭，盧世杰，何建成，劉佳鵬

(1北礦機電科技有限責任公司，北京 100160；2北京礦冶研究總院，北京 100160)

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GJM型棒式攪拌磨機的研發與應用

孫小旭1，2，盧世杰1，2，何建成1，2，劉佳鵬1，2

(1北礦機電科技有限責任公司，北京 100160；2北京礦冶研究總院，北京 100160)

摘要：為解決普通球磨機在石墨再磨流程中存在的效率低、能耗高的問題，在闡述石墨再磨設備設計要求的基礎上，研制了GJM型棒式攪拌磨機。研發過程中，以相似放大為基本設計原則，明確了高徑比在1∶1～2.5∶1之間的圓柱形筒體結構；確定了攪拌棒在攪拌主軸上呈2～10層、每層1～8根的螺旋上升式布置型式，采用了電機、減速機直接傳動方式。同時，運用力學知識分析了磨機內部的受力情況和運動形態，通過軸功率的計算確定了磨機裝機功率；分析了特定能量輸入下應力強度對產品粒度的影響方式，得到了應力強度在(0.1～0.5)×10-4N·m時容易獲得最優產品粒度的結論。最終，將此磨機和普通球磨機同時應用于石墨再磨流程中，取得了較普通球磨機節能25%左右的試驗結果，表明其在石墨行業的應用潛力巨大。

關鍵詞：GJM型棒式攪拌磨機；結構設計；應力強度；節能高效；石墨

石墨作為一種重要的戰略資源，其在非金屬礦領域具有十分重要的地位。石墨采選行業歷史悠久，加之石墨“多磨多選”的工藝流程，再磨設備在石墨行業的應用十分廣泛。

石墨選礦流程中的再磨設備主要分為球磨機和攪拌磨機兩大類。球磨機作為典型的磨礦設備應用廣泛，占據著大部分的磨礦設備領域，但球磨機具有功耗高、過粉磨現象嚴重等顯著缺點，故球磨機通常應用于一、二段再磨中。而攪拌磨機在石墨再磨流程的后幾段磨礦中具有十分重要的作用，常用的有葉輪式攪拌磨機，其因功率強度大、攪拌作用劇烈，在實際石墨再磨流程中也存在不同程度的過粉磨現象[1]。

為了解決再磨作業流程中普通球磨機效率低、能耗高等問題[2]，北京礦冶研究總院/北礦機電科技有限責任公司自1960年開始研究碎磨理論和設備，在現有GJM雙槽葉輪式攪拌磨機、KLM立式螺旋攪拌磨機、磁性襯板等多種設備和系列產品的基礎上，近年來成功研發了GJM型棒式攪拌磨機，該設備現已成功應用于石墨礦的再磨流程中。

1石墨再磨設備的基本設計要求

根據再磨工藝流程要求及石墨等礦物的鱗片狀結構、“多磨多選”的基本工藝[3]，在石墨再磨領域應用的磨機，必須滿足以下幾點設計要求。

1)再磨效果顯著：在盡量減少過粉磨的情況下，充分粉磨礦物，盡可能磨掉礦物表面殘留的雜質和藥劑使其暴露出新鮮表面，以便于下一階段的分選。

2)攪拌速度適中：攪拌轉速過高容易造成有用礦物的過粉磨，轉速過低不能達到對有用礦物再磨的效果。

3)帶負載停車和啟動。

4)磨礦參數便于調節：通過調節研磨介質參數、添加量，給礦量等，可迅速使磨機處于最佳工作狀態。

除上述要求外，還應具備諸如結構簡單、功耗低、易損件壽命長、操作簡單、維護簡單、維修方便等特點。

2棒式攪拌磨機的工作原理、結構和特點

GJM型棒式攪拌磨機是一款流化立式攪拌磨機，其利用攪拌棒的旋轉動能，使磨礦腔室中的研磨介質和料漿混合物產生高能運動，進而產生介質與顆粒間、顆粒與顆粒間的剪切、擠壓和摩擦力，形成再磨的理想環境。

GJM型棒式攪拌磨機筒體為圓柱體，研磨室的高度與直徑比約為1∶1～2.5∶1；多層棒式的攪拌裝置支撐于筒體上，且在攪拌主軸上呈多種方式排列。工作時，磨機筒體固定不動，筒體內裝有研磨介質(鋯球、陶瓷球、卵石、砂石等)，介質直徑和添加量需要根據實際工況確定；棒式攪拌裝置在電機的驅動下中高速旋轉，攪拌棒末端線速度可達3～11m/s左右。

GJM型棒式攪拌磨機由電動機、減速機、減速機支架、筒體部件、攪拌裝置等部分組成，其基本結構如圖1所示。

圖1　GJM型棒式攪拌磨機結構簡圖

GJM型棒式攪拌磨機與普通球磨機或其他類型的攪拌磨機相比，主要特點如下所述。

1)采用立式布置，完全利用磨機本體結構支撐動力和傳動系統，設備占地面積更小、基礎更加簡單，同時，節省料漿密封裝置。

2)攪拌裝置采用層級布置，降低再磨設備的功率輸入強度，增加設備內部的層級流動效果，提升對石墨鱗片結構的保護作用。

3)節能高效，與球磨機對比節能20%～40%左右，磨礦介質消耗低，實用性強。

4)操作安全，易于實現優化控制，工作穩定可靠。

3棒式攪拌磨機關鍵參數研究

棒式攪拌磨機的關鍵參數主要包括結構設計參數和運行參數兩部分：關鍵結構設計參數主要有攪拌棒結構分析、筒體結構設計、傳動方式的選取等；關鍵運行參數主要有裝機功率、攪拌棒末端速度、研磨介質參數的確定和選取等。

3.1關鍵結構設計參數研究

3.1.1攪拌棒結構分析

攪拌棒的結構分析主要包括攪拌棒的數量以及在攪拌主軸上的布置型式。

根據筒體體積、筒體高徑比、溢流口高度、筒體有效容積、研磨介質運行狀態等參數，最終可確定攪拌棒在攪拌主軸上分2～10層布置，每層1～8根。

在攪拌棒的數量不變的前提下，其在攪拌主軸上的布置型式主要有2種：十字交叉式、螺旋式。見圖2。

圖2　攪拌棒布置型式簡圖

參考不同攪拌棒的布置型式對再磨效果的影響情況[4]，考慮到介質間、顆粒間的層級再磨效果、螺旋式布置對研磨介質、礦漿的提升作用等因素，綜合考慮攪拌棒布置型式確定為螺旋式。

3.1.2筒體結構設計[5]

筒體結構型式直接影響筒體內礦漿和研磨介質的運行狀態，同時在設計時需要考慮加工、制造的難易程度。在充分考慮再磨原理及效果的基礎上，棒式攪拌磨機采用圓柱式筒體結構。筒體上設有給礦口、溢流口、介質添加口與放空裝置等。

筒體的高徑比是一個非常重要的參數，其直接影響磨礦介質的表面壓力和啟動負荷等相關參數，其選取時需要考慮研磨介質應力強度、攪拌主軸轉速、磨礦時間等相關因素。棒式攪拌磨機的高徑比通常在1∶1～2.5∶1之間。

3.1.3傳動方式的選取

棒式攪拌磨機的運行轉速較低，須采取一定的方式降速，典型傳動方式可分為一級皮帶+減速機傳動和電機+減速機直連傳動兩種。但考慮到皮帶傳動所需布置空間大、傳遞效率低、不利于設備穩定運行等，故棒式攪拌磨機采用電機+減速機直連傳動。

3.2關鍵運行參數研究

3.2.1裝機功率的確定

對于攪拌裝置的攪拌軸功率一般按通用公式(1)進行計算[6]。

P=NpρnaDb

(1)

式中：P為攪拌軸功率，kW；Np為攪拌功率準數，與液體雷諾數、攪拌結構型式等有關；ρ為液體密度，kg/m3；n為葉輪轉速，r/min；D為葉輪直徑，m。其中a取值為1.5～3；b取值3～5；a和b的取值與攪拌棒的直徑、布置方式、截面形狀有關。

除式(1)軸功率外，研磨介質的大小、添加量也直接影響磨機的裝機功率。因此，實際確定設備裝機功率時需要綜合考慮多方面的因素，因此通常需通過實驗室實驗來確定設備的具體裝機功率。

3.2.2研磨介質應力強度

棒式攪拌磨機在研磨過程中能量消耗的計算方式和影響關系分析如下[7]所述。

1)攪拌棒附近顆粒被加速的能量計算見式(2)、式(3)。

(2)

(3)

式中：Dd為攪拌器直徑，m；Dm為研磨介質直徑，m；ρm為研磨介質密度，kg/m3；ρ為礦漿密度，kg/m3；Vm為研磨介質體積，m3；ac為介質離心加速度，m/s2；vt為攪拌器末端速度，m/s；Vp為顆粒體積，m3；SIm為研磨介質應力強度，N·m。

2)攪拌棒與筒體側壁之間部分，平均研磨壓力(離心力)計算見式(4)。

(4)

式中：Fc為離心力，N；Ap為顆粒橫截面積，m2；其他參數與之前所述相同。

3)對于棒式攪拌磨機，除上述作用力外還有重力作用，詳見式(5)、式(6)。

(5)

(6)

式中：Fg為重力，N；h為研磨介質高度，m；g為重力加速度常數，m/s2；SIgm為研磨介質的重力應力強度，N·m；其他參數與之前所述相同。

綜上所述，研磨介質應力強度是一個能綜合反映研磨介質尺寸、密度、礦漿密度、攪拌棒末端線速度等因素對磨機能耗影響的參數。其反映的是磨機內能量用于粉磨的程度，輸入能量過低粉磨沒有效率，輸入能量過高會造成能量浪費，故對于能量輸入有一個合理的最優值。實際分析中，棒式攪拌磨機總的研磨介質應力強度為上述SIm和SIgm的和值。

不同的能量輸入下均有較為理想的研磨介質應力強度值，其分布曲線見圖 3[8]。

因此，對于特定能量輸入的情況下，研磨介質應力強度概念對于磨機選型、性能優化具有至關重要的作用，故需在進行磨機設計、性能優化等工作時詳加考慮。

4棒式攪拌磨機的應用

目前，GJM型棒式攪拌磨機已在某石墨礦的再磨流程中獲得成功應用，其主要應用于浮選過后的再磨作業中。在石墨選礦再磨3流程段下，GJM型棒式攪拌磨機與普通球磨機在運行技術指標上對比效果明顯，如表1所示。

圖3　典型礦物下研磨介質應力強度與產品粒度之間的關系

基本參數技術指標棒式攪拌磨機普通球磨機裝機功率/kW18.530生產能力/(t/h)2～42～4研磨介質類型陶瓷型鋼球介質添加量/t0.6～1.01.7介質規格/mm6～1215給礦粒度F80/μm約300約300排礦粒度P80/μm約285約280礦漿濃度/%20～3020～30產品純度/%95～9795～97

石墨屬于鱗片狀礦物，且其鱗片的大小直接與產品質量等級、經濟效益等息息相關。如表1所示，棒式攪拌磨機與普通球磨機對比可知，其可在盡可能保護大鱗片的前提下，使礦物充分裸露出新鮮表面，進而充分提高石墨的純度和回收率，故棒式攪拌磨機是石墨“多磨多選”流程中不可或缺的再磨設備。

5結論

在再磨設備設計要求、設備關鍵參數研究的基礎上，研發出了GJM型棒式攪拌磨機，并在石墨礦中取得了成功應用，其基本效果如下所述。

1)攪拌棒的螺旋式布置，提升了磨機內礦漿的層流，在同樣產品純度、給礦粒度的情況下，排礦粒度提高，側面反映了磨機對鱗片結構有保護作用。

2)節能高效，在同樣的條件下與球磨機對比，可節能25%左右。

3)結構簡單，占地面積小，立式結構布置，省掉礦漿密封裝置。

4)設備運行平穩，噪聲低，安全可靠。

綜上，GJM型棒式攪拌磨機在鱗片狀礦物的再磨流程中具有較高的適用性，應用潛力較大。

參考文獻

[1]劉之能.典型石墨再磨設備的應用進展[J].現代礦業.2015(6)：173-175.

[2]Jankovic A，Valery W，La Rosa D.Fine grinding in the Australian mining industry [C].Metso Minerals Process Technology Australia and Asia-Pacific，2008：7-8.

[3]白麗麗，張凌燕，彭偉軍，等.某難選石墨礦選礦試驗研究[J].非金屬礦，2014，37(3)：54-56.

[4]Radziszewski P.Assessing the stirred mill design space[J].Minerals Engineering.2013(41)：9-16.

[5]成大先.機械設計手冊：第1卷[M].第五版.北京：化學工業出版社，2007.

[6]《化工設備設計全書》編輯委員會.攪拌設備[M].北京：化學工業出版社，2003：57-60.

[7]Jankovic A.Media stress intensity analysis for vertical stirred mills[J].Minerals Engineering，2001 (10)：1177-1186.

[8]Jankovic A.Variables affecting the fine grinding of minerals using stirred mills[J].Minerals Engineering，2003 (4)：337-345.

礦業縱橫

收稿日期：2015-12-04

作者簡介：孫小旭(1989-)，男，河北易縣人，工程師，主要從事粉磨設備研發與推廣工作。E-mail：sunxiaoxu@bgrimm.com。

中圖分類號：TD353

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)07-0130-04

Research and application of GJM bar type stirred mill

SUN Xiao-xu1，2，LU Shi-jie1，2，HE Jian-cheng1，2，LIU Jia-peng1，2

(1.BGRIMM Machinery & Automation Technology Co.，Ltd.，Beijing 100160，China；2.Beijing General Research Institute of Mining & Metallurgy，Beijing 100160，China)

Abstract:In order to solve the problem of high energy consuming and low efficiency of ordinary ball mill in graphite regrinding process，under the premise of stating the design requirements of regrinding equipment，developing the GJM bar type stirred mill.During the researching and developing，considering similar amplification as basic design principle，determining the cylinder tank with height-diameter ratio is 1∶1～2.5∶1，confirming the 2～10 layers-each layer 1～8 stirring arms spiral-up layout style on the stirring shaft，using the motor and reducer box direct transmission way.Meanwhile，we apply the knowledge of mechanics to analyze the force status and movement form，and using the calculation of shaft power to confirm the installed power of mill.We analyze the influence way to the product size of stress intensity under the specific energy input，obtaining the conclusion of stress intensity in the (0.1～0.5)×10-4N·m can gain the best product size easily.In the end，we put the mill and ball mill in the graphite regrinding process，gaining about 25% energy saving than ordinary ball mill，demonstrating the huge potential application in the graphite industry.

Key words：GJM bar type stirred mill；structure design；stress intensity；energy saving and high efficiency；graphite