高壓輥磨機在有色金屬礦山的應用進展與展望

袁 滿，盧冀偉，張俊飛，袁致濤，徐 瑞

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.遼寧五寰特種材料與智能裝備產業技術研究院有限公司，遼寧 沈陽 113122)

在各類選礦廠的實際生產中，碎磨階段產生的費用占總生產費用的40%以上，與此同時，在選礦廠的前期投資建設中，碎磨階段的建設成本也占總成本的60%以上。由此可見，礦山企業若想要提高選礦廠的處理能力、降低破碎粉磨系統的能源消耗，首先要做的就是控制碎磨系統的建設成本與生產成本。在此背景下，高壓輥磨機作為一種新型的粉碎設備，越來越多地應用于選礦廠的生產實踐[1-3]。

對有色金屬礦山企業而言，原礦品位逐漸下降、有用礦物的嵌布粒度較細、難選有色金屬礦石逐漸增加、礦石硬度增加、粉碎成本增加等問題一直是制約企業發展的關鍵所在。因此，合理利用高壓輥磨機在碎磨階段的優勢，是有色金屬礦山企業降本擴能、提高經濟效益的重要途徑。但是，高壓輥磨機應用于有色金屬礦石加工領域仍處于起步階段，其知識體系尚未完善。所以，本文結合高壓輥磨機的結構原理和應用實例，綜合評述高壓輥磨機在有色金屬礦物加工領域的研究現狀以及發展趨勢。

1 高壓輥磨機的發展歷程

1980年，高壓輥磨機技術誕生于德國，是一種高效的破碎技術，最初主要應用于水泥行業，后續開始逐步應用于礦物加工領域。但是受限于輥面磨損嚴重等問題，高壓輥磨技術在選礦工作中的應用進展非常緩慢。近年來，隨著輥面磨損問題被不斷攻克，高壓輥磨機作為一種實現“多碎少磨”的重要設備，開始較為廣泛的應用于金剛石和鐵礦石加工領域。中國寶武鋼鐵集團有限公司馬鋼凹山選礦廠是我國第一家將高壓輥磨機技術應用于鐵礦石加工領域的礦山企業，與原流程相比，使用高壓輥磨機后選礦廠的鋼球消耗大大降低，金屬回收率提升了3%，同時選礦廠的年處理能力增加了約250萬t[2]。現階段，高壓輥磨機在鐵礦石加工領域的應用已經比較成熟，體現了其可以降低能源消耗、增強選擇性破碎、提高選廠處理能力的優點，隨著對其重視程度的不斷提升，一些有色金屬礦山企業也開始引進高壓輥磨機。陜西金堆城鉬業集團有限公司(以下簡稱“金鉬集團”)是我國第一家將高壓輥磨機用作于超細碎設備的有色金屬礦山企業，在常規的“三段一閉路”破碎作業后加入高壓輥磨超細碎作業，成功降低了后續磨礦作業的能源消耗，提升了球磨機的處理能力，運行成本降低了44.4萬元，充分體現了“多碎少磨”的理念[4]。目前，高壓輥磨機已經從鐵礦山開始向有色金屬礦山等多個礦種領域拓展，并作為一種超細碎設備應用于實際生產中，取得了不錯的效果[5-7]。

2 高壓輥磨機在有色金屬礦應用的優勢

現階段，有色金屬礦山企業較多采用半自磨工藝[8]，如冬瓜山銅礦、大寶山銅硫選廠、德興銅礦大山選礦廠等。半自磨工藝的回路簡單，投資成本和整體運行成本較低，可以有效處理濕、黏和富含黏土的有色金屬礦石。但是，隨著開采的不斷深入，易處理礦石的逐漸耗盡，更硬、更難磨的有色金屬礦石漸漸成為處理的主要目標。雖然采用半自磨技術也可以處理這類有色金屬礦石，但是礦石從粗粒級降低到合格粒級的能量利用將變得更加低效。而高壓輥磨機相比于半自磨機更適合處理硬度較大、性質變化大的有色金屬礦石，對礦石硬度或密度變化適應性更強，且其產品與半自磨機產品相比通常差別很小。同時，高壓輥磨工藝相較于半自磨工藝能耗更低、綜合運行成本更低[9]。因此，采用哪種碎磨流程，需要根據礦石性質，進行詳盡的技術經濟方案比較后方可確定，如Salolo銅礦[10]最初選擇半自磨碎磨流程，但是經過進一步研究發現，所處理礦石的硬度和密度變化非常大，所以經過比較，最后決定選擇高壓輥磨工藝。

有色金屬礦石的特點之一是礦石構成比較復雜[11]，很少有單一礦種的有色金屬礦產資源，大部分是多種礦種共生或伴生，加之多數有用礦物的嵌布粒度較細，所以分選這類礦石時，礦石需粉磨至非常細的粒度。這就導致在有色金屬礦石加工領域，碎磨作業的能量消耗十分巨大。而使用高壓輥磨機粉碎有色金屬礦石，物料在通過定輥與動輥之間的縫隙時[12]，會同時受到與相向運轉的輥子直接接觸產生的壓力和由物料自身重力所產生的壓力的作用。與此同時，充滿破碎腔的礦物顆粒之間也會產生互相的擠壓力。在這三種力的共同作用下，縫隙間的物料被逐漸壓實，物料隨即產生粒群粉碎或粒間粉碎、層壓粉碎[13]。相較于常規破碎機械的單顆粒粉碎方式，高壓輥磨機的層壓粉碎是在壓力作用下使物料形成料層，同時在巨大的壓力下，礦物顆粒之間相互擠壓，直至顆粒的主要部分破碎、斷裂，產生裂紋或劈碎[14]。因此，使用高壓輥磨機粉碎有色金屬礦石，可以使粉碎產品的粒度分布變寬，細粒級含量增多，解離程度變大，同時可以有效減少粉碎過程中顆粒摩擦和細粒級造團現象的發生，提升破碎效率，降低能源消耗。

大多數有色金屬礦產資源的有價元素品位較低，同時由于開采中涉及的礦物種類較多，每一種礦產資源的開采條件也不盡相同。許多受限于當時經濟技術條件，難以進行加工利用的有色金屬礦產資源，隨著先進技術的不斷融入，回收利用價值不斷提升，這也使得有色金屬礦產資源的回采率提高，根據相關資料，現階段平均三年的有色金屬礦山資源的回采率高達90.7%[11]。而將高壓輥磨技術引入有色金屬選礦行業，正是促進低品位有色金屬礦石回收利用和提高有色金屬礦石利用率的重要舉措。利用高壓輥磨機粉碎有色金屬礦石時，料層會受到擠壓，各個顆粒之間也由于受到巨大的相互擠壓力沿著晶界產生破碎或形變，所以選擇性破碎效果較好，并且粉碎產品內部的微裂紋發育更加豐富，有利于后續磨礦的選擇性解離。正是高壓輥磨機的這種粉碎特性，會對低品位有色金屬礦石后續的分選作業產生有利影響，即較好的選擇破碎性與發育更充分的微裂紋可以優化某些有色金屬礦石中有用礦物的浮選效果或浸出效果，提高金屬回收率和精礦品位。

綜上所述，高壓輥磨工藝相較于半自磨工藝，有著更適合處理硬質、難磨有色金屬礦石，對礦石性質變化適應性更強，能耗、綜合運行成本更低的優勢，具體選擇哪種粉磨工藝，需依據礦石性質而決定。同時，針對有色金屬礦石構成比較復雜、嵌布粒度較細、有價元素品位較低和回采率較高等特點，結合高壓輥磨機結構與工作原理，將高壓輥磨機合理應用到有色金屬礦石的加工中還具有粉碎產品細粒級含量增多、碎磨作業效率提升、能耗降低、選擇破碎性增強、產品內部微裂紋發育更充分等優勢，有助于提高選別作業分選效果[15-17]，進而促進低品位有色金屬礦產資源的回收利用。

3 高壓輥磨在有色金屬礦中的應用與研究

我國有色金屬礦石資源種類繁多，但大多數礦種品質屬貧、雜、細。為此，自20世紀90年代開始，國內許多金屬礦山企業開始引進國外新型、高效的礦山生產工藝設備，以解決自身在經濟、技術和環保等方面面臨的突出問題。高壓輥磨機作為一種超細碎設備開始進入有色金屬礦物加工領域，利用高壓輥磨機生產能力大、破碎比大、選擇性破碎充分和顆粒內部微裂紋豐富等優勢[18]，使其盡可能多地承擔球磨機的工作量、簡化磨礦流程，實現“多碎少磨”，降低能源消耗，減少生產成本，并對后續分選作業產生積極作用，可提高后續分選的指標，提高精礦產品質量。

3.1 “多碎少磨”

金堆城鉬業集團有限公司是我國首家引進高壓輥磨機用于破碎作業的有色金屬礦山企業[4]。金鉬集團選用魁珀恩公司規格為500/15-1000的高壓輥磨機進行超細碎作業，在給礦粒度為0～25 mm的條件下，破碎產品中粒度為0～5 mm所占比例由53%增長到75%，而目前硫化礦浮選的粒度上限0.20～0.25 mm部分所占比例由破碎前的7.09%提高到了22.00%。研究結果表明，有色金屬礦石經高壓輥磨機粉碎后，產品中細粒級物料的含量大大提高，球磨機的產能提升約15%，充分體現了“多碎少磨”理念。

河南省欒川縣某有色金屬選礦廠[19]處理的礦石是典型的矽卡巖型礦石，其中主要的有用礦物為輝鉬礦和白鎢礦，同時回收伴生的銅、螢石等。選礦廠原始的破碎流程為經典的“三段一閉路”破碎流程，為滿足提高產能、降低成本、增加效益的迫切需求，在原有的流程基礎上，增加高壓輥磨機超細碎作業。通過試驗研究發現，經過高壓輥磨機粉碎后，破碎產品中細粒級的含量顯著增加，而用于粉碎礦石的能量消耗卻有所降低，可見高壓輥磨機超細碎效果顯著。由此，選定GM160-140型高壓輥磨機作為超細碎設備進行工業應用。改造后，進入球磨機的物料粒度相較于原流程有了大幅下降，物料在球磨機內停留時間較少，由此選礦廠的處理能力相較于改造前提升了67%，達到了24 000 t/d。

山東黃金礦業(萊州)有限公司三山島金礦新立選礦廠[20]建設之初就秉持著“多碎少磨”的理念，采用了大量的新技術、新設備與新材料。選礦廠粉磨流程為“高壓輥磨機+大型球磨機”聯合粉磨系統，使用高壓輥磨機代替傳統的細碎設備，實現“多碎少磨”，不僅可以獲得較高的能量轉換率，還能簡化選礦廠碎磨作業流程，提高處理能力。黑龍江某鉛鋅礦[21]選廠使用高壓輥磨機直接生產-1 mm的粉碎產品，并用塔磨機取代傳統的球磨機，縮短了碎磨流程，提升了選廠的處理能力。

3.2 節能降耗

金堆城鉬業集團有限公司的有色金屬礦石經過高壓輥磨機處理后，粉碎產品中細粒級的占比變大，同時由于高壓輥磨機的粉碎特性，產品中粗粒內部的裂紋發育更加豐富，可以有效地降低磨礦作業的能源消耗。研究結果表明，“三段一閉路破碎+高壓輥磨機+磨礦”相較于常規的“三段一閉路破碎+磨礦”工藝流程可減少建設成本248.9萬元，降低運行成本44.4萬元，成功地實現了節能降耗的目標[4]。

河南省欒川縣某有色金屬選礦廠引進高壓輥磨機使處理能力提升的同時，碎磨系統的能源消耗也有所下降，通過邦德球磨功指數試驗發現，經高壓輥磨機處理過的礦石磨功指數由未處理前的13.78 kW·h/t，降低到了11.81 kW·h/t，降幅達到14.08%[19]，同時球磨機內部襯板的使用壽命也從11個月提高至14個月，成功降低了碎磨系統的能源消耗。

山東黃金礦業(萊州)有限公司三山島金礦新立選礦廠在投產后，選礦廠重點研究了輥磨機與大型球磨機的配套設計及應用技術。研究結果表明，高壓輥磨機與大型球磨機的性能匹配對選礦成本和精礦品質有著巨大的影響。投產后，隨著系統的不斷優化，選礦廠耗電量由24.65 kW·h/t降至19.31 kW·h/t，鋼球單耗由平均1.05 kg/t降至0.91 kg/t，降幅達到15.75%，大型管路及大型旋流器等耐磨構件的壽命增加了15%～20%，精礦品位較常規流程提高了20%～25%。研究結果表明，合理有效地利用高壓輥磨機，可以極大改善選礦廠能耗結構，優化生產指標，降低選礦成本[20]。

國內某大型銅選礦廠[22]為實現節能降耗、擴能增效的目標，決定在常規的“三段一閉路”破碎路程后加入高壓輥磨機超細碎作業，并進行了工業試驗。研究結果表明，改造后一段球磨機的處理能力大幅上升，由63.92 t/h增長到86.58 t/h，同時鋼球的單耗從0.902 kg/t降低到0.699 kg/t；隨著進入磨機的物料粒度的下降，磨礦耗電也從12.90 kW·h/t降低到9.15 kW·h/t，降幅達到了29.07%。

3.3 提質增效

高壓輥磨機應用于有色金屬礦山除了具有節能降耗的優點外，在提高選礦廠的技術指標方面也有著巨大的優勢。高壓輥磨機可以對輥子之間的物料進行層壓粉碎，大大提高了物料的粉碎程度，增加了礦物的有效解離程度并產生了更多的微裂紋[23]，進而會對后續的選別作業產生影響。為此，國內外許多專家學者進行了高壓輥磨技術對有色金屬礦后續浮選和浸出作業影響的研究。

馬英強等[24]以某含金銅礦石為研究對象，采用“高壓輥磨機+球磨機”與“顎式破碎機+球磨機”兩種碎磨方案對其進行處理，以此來考察不同粉碎方式對該有色金屬礦石浮選效果的影響。研究結果表明，在磨礦細度為-74 μm為75%的條件下，高壓輥-球磨機產品的銅礦物平均單體解離度為90.93%，比顎式破碎機-球磨機產品中銅礦物的平均單體解離度提高了10.89%，由此可見在加入高壓輥磨機后，物料得到了更充分的解離；在后續的浮選試驗中，高壓輥-球磨機產品的浮選精礦比顎式破碎機-球磨機產品的浮選精礦產率高0.14%，金品位提高了0.64 g/t，金回收率提高了2.80%，同時銅的品位與回收率也分別提高了0.73%和6.19%。由此可見，使用高壓輥磨機可以使該礦石浮選效果增強，技術指標得到全面提升。

BAUM等[25]對高壓輥磨技術對銅礦石浸出的影響進行了研究。目前，銅礦石加工領域的難度在持續增大，銅礦石的品位越來越低，冶金難度越來越大，對銅礦石浸出作業的要求也越來越高。將常規破碎的銅礦石與經過高壓輥磨的銅礦石，在相同條件下，進行浸出試驗，通過對比發現，得益于顆粒內部發育更好的微裂紋，高壓輥磨產品在100 d后的浸出率比常規破碎產品增加了2%～5%。同時，經過高壓輥磨機破碎后的產品浸出速率也更快，在相同條件下，常規破碎產品浸出60%的銅需要50～55 d，而高壓輥磨產品僅需要25～30 d。

侯英等[26]探究了高壓輥磨對邦輔鉬銅礦石的選擇性破碎作用及機制，并對比了高壓輥磨粉碎方式與鄂式破碎方式對該礦石后續浮選的影響。經試驗發現，在粗粒級中高壓輥磨產品的Mo和Cu品位與分布率都比鄂式破碎產品低；在細粒級中，高壓輥磨產品中的Mo和Cu的品位與分布率都不同程度上比鄂式破碎產品高，這表明銅礦石在高壓輥磨機內發生了選擇性破碎。在此基礎上，對高壓輥磨機粉碎產品與鄂式破碎機破碎產品分別進行了浮選研究，研究結果表明，兩種產品經球磨機粉磨后在各自最佳的浮選條件下進行試驗，高壓輥磨機產品的浮選效果要優于顎式破碎機產品的浮選效果，鉬粗精礦中鉬品位提高了0.83%，鉬回收率提高了1.05%；銅粗精礦中銅品位提高了0.23%，銅回收率提高了2.66%。

TANG等[27]對比了高壓輥磨技術與鄂式破碎技術對金礦堆浸效果的影響。通過研究發現，與顎式破碎機相比，高壓輥磨機產品中細粒級較多，且在中等壓力下，高壓輥磨產品可以產生更多的微裂紋，更多的裂縫可以為浸出溶液提供更優的路徑，使液體能夠更高程度地自發滲透到顆粒內，這增加了試劑與金顆粒接觸的可能性，從而減少了氰化物的消耗。在實驗室中，使用高壓輥磨機進行破碎，可使金回收率提高9.04%～11.82%。

根據上述應用實例與研究可知，將高壓輥磨機應用于有色金屬礦石的粉磨作業中有諸多優勢。高壓輥磨機可以有效提高粉碎產品中細粒級的含量，減輕球磨機的工作量，貼合“多碎少磨”理念，同時得益于其層壓粉碎的粉碎方式，碎磨作業的能量損耗率降低、轉化率提高，產品微裂紋更豐富，所以可以有效降低選礦廠的能量消耗，提升選廠處理能力，優化分選作業效果，提升精礦品質。

4 有色金屬礦山的高壓輥磨機適用工藝

高壓輥磨機是一種高效節能的粉碎設備，在有色金屬選礦廠中主要的流程工藝有開路粉碎工藝、邊料返回半閉路粉碎工藝和篩分全閉路工藝[21]。高壓輥磨機實際應用流程的確定需考慮礦石硬度、干式或濕式分級和輔助設備等方面因素[28]，同時應兼顧到投資成本與運行成本的影響。

4.1 開路粉碎工藝

只對物料進行一次粉碎就得到產品的粉碎工藝為開路粉碎工藝，開路粉碎工藝具有工藝簡單、沒有循環負荷、處理能力強的優點，但是其產品中細粒級含量較低。高壓輥磨機開路粉碎流程沒有篩分作業，所以十分適合處理含泥或含水量大的礦石，同時可以簡化粉碎流程，減少建設成本。因此，高壓輥磨機開路粉碎工藝十分適用于場地空間狹小、產品粒度要求不嚴格、建設成本較低的選礦廠。

Anglo鉑族Northam UG2選礦廠[29]于2008年引進高壓輥磨機，對選礦廠進行技術改造。這是首次將高壓輥磨機應用于鉑族金屬的選別中，改造過后選礦廠的產能從107 t/h增加到148 t/h的同時，鉑族金屬的回收率也提升了6%。

4.2 邊料返回半閉路粉碎工藝

為了解決高壓輥磨機開路粉碎過程中粒度范圍太大、粗細分布不均的問題，常常使用邊料返回半閉路破碎工藝，在高壓輥磨機排料端設置分礦擋板，將粉碎產品分為中料和邊料，從輥子邊緣落下的相對較粗的邊料產品返回至高壓輥磨機進行再破碎，返回量可根據實際情況在0%～50%之間波動。半閉路粉碎工藝相較于全閉路工藝，流程相對簡單、輔助設備較少、運行成本和維護成本也較低，其粉碎效果雖不如全閉路粉碎工藝，但卻優于開路粉碎工藝和常規破碎工藝。所以，高壓輥磨機邊料返回半閉路粉碎工藝適合處理含水率較高、礦石硬度較小、產品不利于進行篩分的物料。

哈薩克斯坦Vasikovsky金礦[30]使用高壓輥磨機作為第三段破碎機，為保證粉碎效果，采用邊料返回半閉路破碎工藝，物料經過粉碎后，中間部分的產品進入料倉等待下一步作業，邊緣部分的產品通過皮帶返回再次進入高壓輥磨機進行粉碎，邊料的返回量可達912 t/h。

4.3 篩分全閉路工藝

篩分全閉路工藝是將高壓輥磨機與篩分設備聯合使用，可以篩分出符合粒度要求的產品，不符合要求的產品返回高壓輥磨機再次粉碎，由此達到嚴格控制粉碎產品粒度的目的。有時有用礦物呈微細嵌布或被其他礦物包裹，簡單的開路和半閉路粉碎工藝難以達到選別的粒度要求，這時使用高壓輥磨機篩分全閉路粉碎工藝，利用高壓輥磨機對礦石進行超細碎作業，可以使有用礦物充分單體解離，從而得到較好的回收率。

澳大利亞的Bendigo金礦是全球最早將高壓輥磨機應用于黃金礦山細碎階段的企業之一。Bendigo金礦為嚴格控制排出物料的粒度，使用篩分全閉路工藝流程，篩上物料返回高壓輥磨機再次粉碎，篩下產品將進入磨礦作業。采用高壓輥磨機篩分全閉路粉碎工藝，Bendigo金礦選礦廠的年處理量可達到100萬t。

綜上所述，開路粉碎工藝中沒有篩分作業，同時破碎流程十分簡單，所以適用于礦石含泥量和含水量較高、場地空間受限、投資成本有限的有色金屬礦山；邊料返回半閉路粉碎工藝雖然也沒有篩分環節，但是邊緣物料會返回高壓輥磨機再次粉碎，相較于開路粉碎工藝，粉碎產品的粒度會有所下降，同時工藝配置相對簡單，所以邊料返回半閉路粉碎工藝適用于礦石富含軟巖礦物、黏土礦物、含水率較高、對粉碎產品粒度有一定要求的有色金屬礦山企業；而篩分全閉路粉碎工藝中包含篩分環節，可以嚴格控制排出物料的粒度，所以篩分全閉路粉碎工藝適用于礦石嵌布粒度細、需要進行超細碎作業的有色金屬礦山企業。

5 結論與展望

1) 根據礦石性質，選擇不同的粉磨工藝。半自磨工藝處理濕、黏、富含黏土的有色金屬礦石是很理想的工藝，具有回路簡單、投資和運行成本低等優點，而高壓輥磨工藝更適合處理硬質、難磨，硬度和密度變化大有色金屬礦石。同時，高壓輥磨工藝與半自磨工藝產品的差別很小，但高壓輥磨機的能耗、綜合運行成本更低。

2) 高壓輥磨機應用于有色金屬礦產資源的開發利用中，可以顯著提高產品細粒級含量，增強選擇性破碎，降低能源消耗和生產成本，提升選廠處理能力和效率，貼合“多碎少磨”的技術理念，同時使礦物顆粒內部微裂紋發育更充分，優化分選效果，促進低品位有色金屬礦產資源的回收利用。

3) 高壓輥磨機有三種粉碎工藝流程：開路粉碎工藝、邊料返回半閉路粉碎工藝和全閉路粉碎工藝。各有優劣，可根據不同的情況選擇不同的粉碎工藝。目前，大多數有色金屬礦山，為嚴格控制粉碎產品粒度，多采用全閉路粉碎工藝。

4) 借鑒高壓輥磨機超細碎-鐵礦石預選工藝在低品位鐵礦石資源中的應用以及高壓輥磨工藝對秘魯某金銅鐵多金屬礦進行預富集的研究，提出高壓輥磨機與粗粒拋尾技術聯合使用處理低品位有色金屬礦石的構想。有色金屬礦石經高壓輥磨機處理后，產品粒度能滿足常規粗磨后提前拋尾作業對物料粒度、解離度等特性的要求，之后借助有用礦物與脈石礦物之間的密度或磁性差異，經重選、磁選等粗粒拋尾技術處理后，可以拋出部分脈石礦物，降低球磨機能源消耗，減輕脈石礦物對選別作業的影響。如硫化銅鎳礦中鎳黃鐵礦具有磁性，經高壓輥磨機粉磨后，可借助磁選分離部分脈石礦物。由此可以預見，高壓輥磨與粗粒拋尾技術聯合使用，將有效推動我國有色金屬礦企業的節能降耗與增產增效建設進程。

5) 高壓輥磨機作為一種高效粉碎設備，與磁選預選工藝聯合使用在鐵礦石選礦中得到廣泛應用，然而隨著其他預選技術如光電選技術、重介質旋流預選技術以及重磁拉設備的研制等粗粒預選技術的進步，使得有色金屬礦石選礦采用高壓輥磨與預選技術的結合使用成為可能，從而對提前拋出部分脈石、降低后續入磨量、提高磨礦效率以及減輕脈石對選別作業的影響具有重要意義，受到從事有色金礦選礦工作者的關注，擁有廣泛的應用前景，可以有效推動我國有色金屬礦企業的節能降耗與增產增效建設進程。