典型濕式攪拌細磨技術與應用進展

盧世杰，孫小旭，何建成，姚建超

1.北京礦冶科技集團有限公司，北京100160; 2.北礦機電科技有限責任公司，北京100160

引 言

近年來，隨著難處理、低品位、泥沙含量高、嵌布粒度細的礦產資源進入選別領域，對礦物細磨、超細磨的要求越來越高，人們更加注重細嵌布粒度、強共生性礦物的高效解離。最早，國內外礦山主要利用臥式球磨機作為細磨裝備，但因其筒體旋轉，能量耗散大，作用效率低，作為細磨裝備的弊病較為明顯。在此背景下，攪拌細磨技術和裝備應運而生，并逐漸進入人們視野[1-2]。

與普通臥式球磨機不同的是，濕式攪拌細磨裝備的筒體是靜止的，通過攪拌裝置的旋轉帶動筒體內研磨介質和礦物相互作用，從而達到細磨目的，近些年被廣泛應用于細磨、再磨和超細磨領域[3]。研究及應用實踐表明，在礦物粒度小于100 μm時，攪拌細磨裝備的細磨效率遠高于普通臥式球磨機，主要因為其允許研磨介質更小，筒體靜止，攪拌裝置線速度可以更高，使得能量盡可能耗散在細磨礦物中，使產品達到更細粒度[4]；同時，其細磨物料的主要方式為研磨，單位容積能量密度高[5]，在相同處理量下其規格較小且更具優勢，如圖1所示[6]。

圖1 不同磨礦階段的球磨機和攪拌細磨裝備能耗對比Fig.1 Comparison of energy consumption between stirring mill and ball mill in different grinding stages

攪拌細磨技術與裝備依據攪拌裝置類型、布置方式的不同而有多種類型，但在研究及應用實踐中，主要有螺旋式、棒式、盤式這3種類型研究及應用最為廣泛，本文著重介紹上述三種類型攪拌細磨技術與裝備的主要技術研究和應用進展。

1 技術研究進展

1.1 理論性技術分析

Klaus Schonert[7]是較早提出了攪拌細磨理論研究的人之一，隨后Schwedes、Stehr、Kwade等人[8-9]在其基礎上進行了豐富和完善，初步形成了基于攪拌細磨效果關鍵評價因子的細磨基礎理論，為后續攪拌細磨技術的發展奠定了基礎。

Kwade等人[10-11]認為，礦物顆粒與研磨介質碰撞的總次數(Stress Number,SN)和碰撞過程中傳遞的應力強度(Stress Intensity,SI)是影響濕式攪拌細磨效果的關鍵影響和評價因子。

據研究和分析，對于單一顆粒與研磨介質碰撞的總次數SN的影響關系如式(1)所示[12]：

(1)

式中，ΦGM代表研磨介質充填率，%；t代表指定細磨時間，min；CV代表礦漿固體濃度，%；dGM代表研磨介質直徑，mm；n代表攪拌裝置轉速，rpm；ε代表研磨介質層孔隙率，%。

碰撞過程中傳遞的應力強度SI與研磨介質的動能成正比，其基本關系如式(2)所示[13]：

(2)

式中，dGM代表研磨介質直徑，mm；vt代表攪拌裝置末端線速度，m/s；ρGM代表研磨介質密度，kg/m3。

由上述分析知，SI和SN共同決定細磨效果(即一定時間內礦物產品細度)，且攪拌細磨裝備內部在一定時間內輸入的功率或總能量也可以由兩者共同決定或描述，很顯然這是連接細磨效果微觀和宏觀的重要關系紐帶。

圖2 產品粒度與應力強度以及輸入能量的關系Fig.2 Relationship between product particle sizes,stress intensity and input energy

例如，Becker[13]等人在研究輸入能量與礦物產品細度關系時將SIGM描述為評價研磨介質密度、直徑及攪拌裝置轉速的一個綜合指標，研究結果如圖2所示。研究表明：在相同條件下，隨能量輸入或耗散的提升，礦物細度會朝更細的方向偏移，隨之最優的應力強度也會降低。

國內針對攪拌細磨技術的理論研究工作起步較晚，相關報道較少，主要有盧世杰[14]、何建成[15]等人各自采用結構分析、數值計算的方法進行過一些理論研究分析探索，取得了初步結果。

攪拌細磨技術基礎理論研究初步揭示了裝備內部各區域細磨效果的好壞和作用強度的高低，明確反映了內部能量的分布方式，為攪拌細磨裝備的模擬仿真、結構優化等奠定了理論基礎。

1.2 模擬仿真技術研究

經過國內外多年仿真技術的發展和進步，濕式攪拌細磨技術和裝備的仿真分析方式主要集中在CFD(Computational Fluid Dynamics，計算機流體動力學)、DEM(Discrete Element Method，離散單元法)和PEPT(Positron Emission Particle Tracking，正電子發射顆粒跟蹤技術)等幾種，主要聚焦于攪拌細磨裝備內部流體、研磨介質運動狀態和在兩者共同作用下的內部能量耗散情況。

Jayasundara[16-18]等人利用DEM、CFD等手段對攪拌細磨裝備內部礦漿和介質的運動狀態進行了分析，如圖3、圖4所示。其先后了解了濃度、攪拌裝置轉速、介質充填率和尺度參數對細磨效果的影響規律。研究表明，礦漿濃度和黏度的提升均會提升細磨強度，提高能耗；介質充填率的提高會使細磨強度提升，但超過70%后細磨效果降低；攪拌裝置轉速的提升會增大細磨強度和能耗，且能耗增長速率更快；介質尺寸對細磨強度無顯著影響，但小介質有利于高效超細磨。

圖3 攪拌細磨裝備內礦漿運動狀態分布情況Fig.3 Distribution of pulp motion state in stirring grinding equipment

圖4 攪拌細磨裝備內部介質運動狀態分布情況Fig.4 Distribution of media motion state in stirring grinding equipment

Cleary,Sinnott等人[19-20]利用三維離散元法模擬分析了立式螺旋、棒式攪拌細磨裝備內部研磨介質流態及能量傳遞和分布情況，闡明了內部介質運動規律和碰撞環境，對運行關鍵過程參數作了一個較為全面的展示，如圖5所示。研究結果表明：介質的運動在切向上均是在頂端部位速度最大并向兩側遞減；介質在攪拌棒的附近進行上下振蕩式運動；能量耗散隨著介質深度的增加而顯著增加，其中上部區域的能量耗散較弱，最底部區域附近的能量強度最大。

圖5 立式細磨裝備介質速度分布情況Fig.5 Distribution of media velocity state of vertical grinding equipment

傳統仿真模擬手段針對立式攪拌細磨裝備的研究較少關注礦漿與研磨介質對細磨效果的交互影響，Sinnott[21-22]、Baker[23-24]等人借助DEM和PEPT的仿真手段進行了探索，如圖6所示。研究結果表明：礦漿黏度會強烈影響立式攪拌細磨裝備中礦漿流態及物料傳輸，影響物料在內部的停留時間進而影響細磨效果；采用非球形研磨介質會對細磨效果產生負面影響，其核心原因在于非球形介質在內部的傳輸受到阻礙，介質相對運動減少，細磨強度降低。

圖6 PEPT研究立式攪拌細磨裝備中介質運動狀態Fig.6 Media state in vertical stirring grinding equipment using PEPT

國內針對攪拌細磨裝備中介質運動規律的研究起步較晚，但也取得了一定的成果。母福生[25]、王鑫[26]、何建成[27]等人采用CFD、DEM仿真方法，對內部介質的運動規律、能量分布進行了模擬計算，取得了較好結果。

攪拌細磨裝備仿真技術進展初步明確了裝備內部礦漿、研磨介質與細磨效果間的關系，揭示了工藝、結構參數對細磨效果的影響方式，為裝備的結構設計、優化、工藝參數配置等奠定了基礎。

2 應用研究進展

在濕式攪拌細磨、超細磨技術的支持下，螺旋式、棒式、盤式這3種類型的攪拌細磨裝備逐漸取得礦山行業的認可，在國內外重點大型礦山領域取得了廣泛應用。其中，螺旋式攪拌磨機主要以立式螺旋式攪拌磨機(塔磨機或立磨機)為代表，主要用于有色、黑色金屬礦物的再磨作業流程。盤式攪拌磨機分為立式和臥式攪拌磨機2種，臥式攪拌磨機主要用于有色金屬礦物的超細磨領域；立式攪拌磨機主要用于非金屬礦物、化工行業等領域的超細磨流程。棒式攪拌磨機主要為立式棒式攪拌磨機，可用于有色金屬、非金屬礦物的超細磨、再磨擦洗流程中。

2.1 螺旋攪拌磨機

立式螺旋攪拌磨機的典型結構如圖7所示，其由立式筒體組件、電機、減速機、螺旋式攪拌裝置等組成。

立式螺旋攪拌磨機主要靠研磨介質重力和螺旋攪拌帶來的摩擦力來實現細磨或再磨，其通常采用高鉻球、陶瓷球等作為研磨介質，介質直徑為12～30 mm，工作時攪拌裝置以2.5～4.0 m/s左右。因其轉速較低、研磨介質直徑較大，故其一般適用于給礦粒度F80=74 μm左右的有色金屬礦物細磨或再磨，產品粒度不低于P80=20 μm[28]。

圖7 立式螺旋攪拌磨機結構簡圖Fig.7 Schematic diagram structure of vertical screw stirring mill

國外研究立式螺旋攪拌裝備的典型代表公司有芬蘭METSO公司和日本EIRIRCH公司，其中METSO公司研制VTM立磨機，其最大裝機功率已達4 500 HP(約3 350 kW)，是目前已見報道應用的裝機功率最大的立式螺旋攪拌磨機，其用于哈薩克斯坦某銅礦的再磨流程，如圖8所示[29]。

圖8 VTM-4500 立磨機Fig.8 VTM-4500 tower mill

國內從事立式螺旋攪拌磨機研究的公司較多，其中較早的有北礦機電科技有限責任公司和長沙礦冶研究院有限公司等，其中北礦機電科技有限責任公司研制的KLM-630立磨機在國內取得應用時是當時國內自主研發的裝機功率最大的立磨機，現KLM立磨機的最大裝機功率已達1 250 kW以上，其可實現全帶載荷啟動和無人值守，節能高效，如圖9為其在新疆某鐵礦的應用。

圖9 KLM-630立磨機Fig.9 KLM-630 vertical mill

2.2 盤式攪拌磨機

盤式攪拌磨機主要由電機、軸承體、筒體組件和攪拌裝置等組成，兩者的主要區別在于筒體和攪拌裝置的安裝固定方式。

圖10 M10000 艾莎磨機Fig.10 M10000 Isa mill

盤式攪拌磨機的攪拌外圓線速度達19～22 m/s左右，內部的能量密度可高達350 kW/m3，研磨介質主要為高密度的氧化鋯陶瓷球，介質直徑一般較小在2～6 mm左右，故其主要利用極高的研剝力和能量密度來實現超細磨。一般用于有色、非金屬礦物或化工、顏料行業的超細磨，適用于給礦粒度F80=38 μm左右，產品粒度一般小于P80=10 μm[30-32]。

臥式攪拌磨機的典型代表為Isamill，由德國Netzsch公司和澳大利亞的Mont Isa鉛鋅礦共同開發，磨機由臥式筒體與水平盤式攪拌裝置組成。如圖10所示是M10000臥式攪拌磨機在南非某珀金礦的應用。

立式盤磨機主要結構與臥式攪拌磨機類似，國外主要以FLSmith公司為代表，如圖11為某立式盤磨機在工業現場的應用[33]。

國內盤式攪拌磨機的研究機構較多，如北礦機電科技有限責任公司等，但關于該類設備的研究基本主要集中在小規格上，一般裝機功率不超過300 kW，容積不超過5.0 m3，在一些非金屬礦、顏料、化工行業取得了廣泛應用。

圖11 立式盤磨機應用Fig.11 Application of vertical disc mill

2.3 棒式攪拌磨機

立式棒式攪拌磨機，一般由電機、減速機、棒式攪拌裝置、筒體組件等組成。

立式棒式攪拌磨機可以使用氧化鋯、氧化鋁等陶瓷介質或玻璃球、石子等作為研磨介質，介質直徑在2～20 mm之間，攪拌裝置線速度一般為6～13 m/s。由于介質種類多、轉速范圍大，故其既可以適用于某些有色礦物細磨作業也可適用于某些非金屬礦物再磨和擦洗作業，一般適用于給礦粒度F80=150 μm左右，產品粒度在P80=20 μm左右。

國外研究的典型代表為METSO公司的攪拌介質細碎機[34]，應用于金屬礦山的超細磨作業，如圖12為其在南非某礦的應用。

圖12 SMD的應用Fig.12 Application of SMD

國內研究的典型代表為北礦機電科技有限責任公司，但其技術和裝備與國外產品有顯著不同，主要集中在攪拌裝置布置形式、槽體型式、作用機理和應用場合等方面，目前已應用的GJM大型棒式攪拌磨機，主要針對再磨和擦洗流程，一般應用氧化鋁陶瓷球作為研磨介質，介質直徑在8～16 mm之間，如圖13為GJM-30-D棒式攪拌磨機在再磨行業的應用[35-36]。

圖13 GJM-30-D棒式攪拌磨機Fig.13 GJM-30-D rod stirring mill

3 結 語

伴隨著濕式攪拌細磨技術、裝備的發展和在國內外眾多礦山選廠應用，一些技術問題也逐漸暴露出來，諸如：選型方法不完善，單位容積裝機功率較大，浪費明顯；易損件磨損較快，運行維護成本較高；適用性較差，某種裝備只能應用于某些特殊場合等等。這些問題均需在今后的研發設計中重點考慮，力爭避免。

隨著礦物加工行業的進一步發展，濕式攪拌細磨技術和裝備會逐漸朝著產品粒度更細、匹配性更好、適用性更廣、更節能、更高效等方面發展，為實現上述功能，行業內需要著重關注節能高效超細磨機理、系統完善的選型方法、易損件自檢測技術、智能控制系統等方向的研究，爭取能在關鍵技術和方向上取得突破，盡快實現更節能高效、更細產品粒度的超細磨。