世界和中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，對資源和能源的依賴性更強，礦山選礦技術顯得尤為重要，由于礦山物料種類繁多，物料性質(zhì)差異性大，如成分、抗壓強度、密度、水分等諸多影響因素，對工藝流程和設備提出了多樣性的要求，最重要的是高效和節(jié)能。自磨（AG）和半自磨（SAG）以其工藝流程簡單、適應性廣、可靠性高等特點，非常適應水分高、含泥量大以及黏性大的物料，節(jié)省了傳統(tǒng)的洗礦設備，成為大型金屬選礦的主要工藝流程。
如凌鋼保國鐵礦Φ8.0m×2.8m 自磨+頑石破碎+球磨、中國黃金集團烏努格吐銅礦Φ8.8m×4.8m 半自磨+球磨、江西銅業(yè)集團Φ10.37m×5.19m 半自磨+球磨都以得到成功應用。美卓、山特維克、蒂森克虜伯等公司的高效能破碎機在大中型金屬礦山的引進，系統(tǒng)的處理能力得到提高、增加了礦石破碎后的粉礦率、碎礦工藝系統(tǒng)循環(huán)負荷顯著下降、入磨物料的粒度得到有效控制， 從-25 mm 降至-15 mm，有的可以到-8 mm 以下，“多碎少磨”的期望得以實現(xiàn)，球磨機的處理能力提高10％ 以上，如江西銅業(yè)集團的MP800 圓錐破碎機和欒川洛鉬集團的H7800 圓錐破碎機以及國內(nèi)大量使用的HP500 圓錐破碎機等，傳統(tǒng)的3CB 工藝流程仍是工藝選型和應用的優(yōu)選方案之一，繼續(xù)發(fā)揮其重要作用。
隨著我國產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整和對行業(yè)“節(jié)能、減排”要求的力度加大，節(jié)能、高效的破碎設備在礦山行業(yè)應用得到廣泛的重視，新技術、新產(chǎn)品、新工藝得到了大力推廣和使用。高壓輥磨在馬鞍山鋼鐵集團南山選廠成功應用，金屬礦山破碎領域開始新一輪的技術發(fā)展。高壓輥磨機將入磨粒度從-8mm降低到-3 mm，有的甚至更低，同時被粉碎物料顆粒內(nèi)部產(chǎn)生了微裂痕，提高礦石的深度還原效率。我國礦石存在貧、細、雜的特點，礦物組分最復雜、礦石最難磨、磨礦粒度最細、工藝流程最復雜，在我國應用有著特殊意義。
原聯(lián)邦德國科勞斯特爾大學選礦冶煉工學院K.遜納特（Schonert）教授針對高壓料層粉碎機理進行了深入的研究，1977 年遜納特教授申報了專利，國外知名公司為此開發(fā)了高壓輥磨機，并于1985年投入商業(yè)應用，在破碎粉磨領域引起革命性突破，該項技術經(jīng)過20 多年發(fā)展，無論設備規(guī)格、結(jié)構(gòu)、處理能力以及流程工藝合理性、設備可靠性等都得到大幅度提高， 應用范圍快速拓展。至今3 000 多臺輥壓機成功應用于建材、礦山、冶金等行業(yè)。
高壓輥磨機設計和制造技術在20 多年前引進到國內(nèi)，成功應用到水泥行業(yè)的粉磨流程，已成為其粉磨系統(tǒng)的首選設備。國內(nèi)開發(fā)研制的1m 直徑的高壓輥磨機于1998 年和2000 年在唐山棒磨山和馬鞍山鋼鐵集團姑山鐵礦破碎流程中得到應用，取得了一定的效果。2003 年我國首臺應用于非水泥行業(yè)的進口德國KHD 公司RP120-50 高壓輥磨機在武鋼集團程潮鐵礦球團廠得到成功應用，國內(nèi)球團行業(yè)開始了新技術的推廣應用，如武鋼鄂州球團廠RP140-140 高壓輥磨機、邯鄲鋼鐵集團140-80高壓輥磨機和柳鋼集團的140-100 高壓輥磨機等。
2005 年國產(chǎn)首臺球團行業(yè)用高壓輥磨機在長治鋼鐵集團球團制備流程中成功應用，鐵精粉經(jīng)擠壓處理后增加了其比表面積，提高了鐵精粉的成球性能，國產(chǎn)高壓輥磨機在天津榮程鋼鐵集團、冷水江鋼廠、冷水江博大鋼鐵有限公司、攀枝花鋼企米易白馬集團等球團制備流程中得到應用。
高壓輥磨機優(yōu)異的性能在國內(nèi)逐漸得到業(yè)內(nèi)的認識和重視，高壓輥磨機工藝適應性強，大幅度提高入磨物料的粉礦率和可磨性，還可滿足粗粒高效拋尾、提高后續(xù)流程礦石品位，明顯減少磨礦量，實現(xiàn)降本增效的根本目標。高壓輥磨在馬鞍山鋼鐵集團南山選廠成功應用具有標志性的意義，拉開了高壓輥磨機在我國金屬礦山應用的序幕。唐鋼司家營二期采用了德國KHD 公司的RP170-180、山東黃金集團三山島金礦采用了德國KHD 公司的RP140-110，金堆城鉬業(yè)公司采用了德國Koppern公司的150-100 高壓輥磨機，國內(nèi)大中型礦山紛紛設計上馬高壓輥磨機，國內(nèi)相關設備制造公司紛紛加大了高壓輥磨機的研發(fā)與開發(fā)力度。
1 工作原理
高壓輥磨機由兩個相向且同步轉(zhuǎn)動的擠壓輥組成，一個為固定輥、另一個為活動輥（圖1）。物料從兩輥上方給入，被擠壓輥連續(xù)地帶入封閉的輥間，受到足夠大的高壓作用后，形成密實的料餅排出。料餅中含有大量的細粉，許多顆粒產(chǎn)生大量的微裂紋，可顯著降低后續(xù)粉磨的能耗。工作主要過程包括堆實、粉碎和結(jié)餅三個階段。要達到這樣的高壓料層粉碎機理，兩個壓力是必不可少的條件，即連續(xù)喂入的物料形成的料壓和液壓系統(tǒng)提供的擠壓壓力。
 高壓輥磨機的擠壓過程是在密閉容積內(nèi)進行的，能量在顆粒之間相互傳遞，形成的料餅密度可達其物料真密度的85%左右。這是高壓輥磨機比其它同樣采用料層粉碎原理的設備節(jié)能效果高的原因。在礦山粉碎作業(yè)中，應用“多碎少磨”預破碎工藝，給礦山的粉碎過程節(jié)約了大量能源。其實質(zhì)就是由于破碎所消耗的能量遠小于磨碎所消耗的能量，因此盡量將物料破碎到越細再進磨機，可提高磨機的處理能力，降低磨機的單位電耗。
同樣利用高壓料層粉碎機理完美地將偏心距、轉(zhuǎn)速、腔型結(jié)合起來的新一代高性能圓錐破碎機，使入磨粒度得到有效控制而得到推廣使用。圓錐破碎機的緊邊排放口CSS 直接決定了其出料粒度P80 的大小，所以它的出料粒度通常依靠調(diào)整其緊邊排放口CSS來實現(xiàn)。
但同高壓輥磨機相比，在細碎作業(yè)和節(jié)能降耗上還有一定差距。高壓輥磨機在工作過程中擠壓力不僅作用于粗顆粒上，而且作用于各種大小的顆粒上，解決了傳統(tǒng)破碎機作用力只能作用于粗顆粒上的問題，所以高壓輥磨機的出料中的細粒級含量遠遠高于高性能細碎圓錐破碎機，它的破碎比要高于細碎圓錐破碎機，產(chǎn)生的細小顆粒內(nèi)部還產(chǎn)生了微裂紋（見圖2），可以提高物料的易磨性、降低邦德功指數(shù)和提高有用成分的回收率。
 由于礦物種類、性質(zhì)的巨大差異，如抗壓強度、硬度、密度、粒度、邦德功指數(shù)、含泥量及水分等，高壓輥磨機總體來說適合處理硬而脆的物料，為了確定該技術的節(jié)能效果和工藝選型設計等，需要針對性地進行試驗，摸索其運行工藝參數(shù)，包括處理量、能耗、壓力、速度、出料粒度分布、輥面預期壽命等。通常國外一些大的工程和項目還要進行半工業(yè)性試驗，以便準確掌握上述工業(yè)運行的工藝參數(shù)，為工藝流程設計提供準確的設計依據(jù)和數(shù)據(jù)。下面介紹一些設備的關鍵參數(shù)。
2 擠壓力
擠壓力是高壓輥磨機非常重要的設計和運行參數(shù)，高壓輥磨機與傳統(tǒng)的輥式破碎機的其中一個重要的區(qū)別就是要提高足夠大的擠壓力。根據(jù)物料試驗，綜合考慮出料粒度和能耗等因素確定最佳的比壓強P。比壓強用于比較同規(guī)格高壓輥磨的總擠壓力大小或比較不同規(guī)格高壓輥磨的相對壓力高低。P=F/（L × D）式中：P 為輥面承受的比壓強，MPa；F 為液壓系統(tǒng)提供的總壓力，N；L 為擠壓輥輥面寬度，mm；D 為擠壓輥直徑，mm。比壓強過大，節(jié)能效果不明顯，而且加劇輥面磨損甚至柱釘損壞，國外礦山現(xiàn)場運行時就出現(xiàn)壓力過大造成柱釘斷裂。秘魯Cerro Verde 銅金礦用的Ф2.4m×1.7m 高壓輥磨設計比壓強為4.3 MPa。
3 入料粒度
設備的運行效果與入料粒度有很重要的關系，入料粒度太大或太小都會給設備穩(wěn)定運行帶來直接影響，如入料粒度過大，設備會出現(xiàn)頻繁振動，出料粒度也會偏大；入料粒度過小，不能形成理想工作輥縫，高壓輥磨機處理量明顯偏小，有時物料可能沒有經(jīng)過擠壓而排出機外。如果細粉含量偏多，有時因擠壓會產(chǎn)生氣爆現(xiàn)象。同時要求入料能夠保證在輥寬方向上粒度盡量均布，防止離析發(fā)生，否則易引起設備頻繁調(diào)整。
秘魯Cerro Verde 銅金礦Ф2.4m×1.7m 高壓輥磨的最大入料粒度要求為50 mm，實際最大入料粒度控制在65 mm。智利CMH 公司鐵礦石破碎用RP170-180 高壓輥磨最大入料粒度要求為63.5 mm，毛里塔尼亞SNIM 公司鐵礦石破碎用RP170-180 高壓輥磨最大入料粒度要求為20 mm。采用柱釘輥面結(jié)構(gòu)的高壓輥磨機對最大入料粒度有嚴格的要求，否則柱釘容易斷裂。
4 工作輥縫與料餅
圓錐破碎機依靠調(diào)整其緊邊排放口CSS 來控制出料粒度的大小，高壓輥磨機雖然根據(jù)設備規(guī)格、物料性質(zhì)、入料粒度等情況預先設定初始輥縫，但出料粒度與初始輥縫沒有必然關系。設備在帶料運行時，動輥在礦石和液壓系統(tǒng)的作用下，在機架上做一定范圍的移動，由于礦石的性質(zhì)以及輥面結(jié)構(gòu)等不同，設備運行時工作輥縫約為最大入料粒度的1~1.5 倍。此時礦石在壓力作用下不僅破碎而且經(jīng)常會形成料餅。如果采用閉路系統(tǒng)，需要專用設備將料餅打散，有的在高壓輥磨下面安裝破碎棒。由于料餅強度不高，在輸送、轉(zhuǎn)運過程中即可打散，也可在篩分過程中來實現(xiàn)打散，所以很多流程設計中就取消了專用打散設備。馬鞍山鋼鐵集團南山選廠的高壓輥磨機出料皮帶上已看不到擠壓后形成的料餅。工藝系統(tǒng)設計中是否要配置打散設備可根據(jù)工藝流程的要求配置，還可以進行相關的料餅跌落試驗來決定。
金剛石礦石在擠壓過程中要有效控制工作輥縫，達到選擇性破碎的目的，使得金剛石或礦物與脈石的解離，保證金剛石在擠壓過程中不會受到損壞。
5 輥面壽命
在水泥行業(yè)已經(jīng)較成功地解決輥面磨損問題，在礦山行業(yè)輥面壽命是關系到高壓輥磨技術能否有效利用的一個非常重要的因素。國內(nèi)外都已成功推出了柱釘輥面結(jié)構(gòu)形式（見圖3），柱釘為高硬度的硬質(zhì)合金，耐磨性非常優(yōu)異，同時擠壓過程中在輥面形成了密實的料墊，有效地保護輥面母材。柱釘輥面結(jié)構(gòu)的輥面壽命是傳統(tǒng)堆焊輥面的5 倍以上。
但嚴格禁止金屬異物進入兩輥之間。圖4 為Procemin2009 中介紹的智利CMH 公司鐵礦石破碎用RP170-180 高壓輥磨輥面負荷運行10 個月的檢測情況的記錄，完全滿足了高壓輥磨設備在礦業(yè)領域的應用。
 Koppern 公司推出的高溫高壓成型的菱形塊復合輥面HEXADUR（見圖5），菱形塊由冶金粉末制作。與柱釘輥面結(jié)構(gòu)相比最大的優(yōu)勢是承受的比壓強大，不會輕易發(fā)生斷裂問題，HEXADUR 輥面最高承受的比壓強達8 MPa。但由于很難形成料墊來保護輥面，使用壽命受到一定限制，同時由于受到高溫高壓成型設備的限制，制約了HEXADUR 輥面的直徑大型化應用。
為較準確地預測高壓輥磨機在各種礦石條件下的使用壽命，各家公司主要采用失重方法來進行磨耗試驗，如Polysius 公司采用小型試驗機來精確完成物料輥壓磨損試驗（ATWAL），試驗機輥子外圓表面平滑，采取失重的方法測量每一次試驗前后輥子重量的變化，用磨損的重量除以處理礦石的重量表示磨耗指數(shù)ATWI（單位g/t）。在一定的試驗條件下，磨損失重量越小，說明被測試樣耐磨粒磨損性能越好。以此磨耗指數(shù)為依據(jù)來按比例推算高壓磨輥工業(yè)運行輥面壽命。有的公司采用磨粒磨損試驗機（見圖6） 完成磨耗的檢測，磨粒磨損同樣采用被測試樣磨損失重進行評價。馬鋼集團南山礦業(yè)鐵礦石由KHD 公司進行的輥面磨損試驗推測使用壽命可達10 000 h。
 國內(nèi)對高壓輥磨技術的認識和認同的提高，極大影響高壓輥磨在我國的應用和發(fā)展，中信重工機械股份有限公司已成功地在撫順罕王集團和承德建龍礦業(yè)有限公司應用了GM140-60 高壓輥磨，并在澳大利亞鐵礦推出了Ф2m×2m 和Ф1.8m×1.6m 高壓輥磨。無論是設備規(guī)格、能力、節(jié)能還是設備可靠性、輥面壽命，高壓輥磨技術仍有巨大的發(fā)展空間，如國外公司輥面?zhèn)冗呁瞥隽擞操|(zhì)合金結(jié)構(gòu)，保證輥面的均勻磨損，減少邊緣效應的發(fā)生。我們也要看到國內(nèi)目前試驗方法和手段與國外先進的物料試驗中心有著一定差別，特別是在試驗數(shù)據(jù)的應用性、規(guī)范性和可操作性等方面。需要豐富先進的高壓輥磨物料試驗手段和方法，盡快提高物料試驗和分析能力。
國內(nèi)目前已開始在礦山領域推廣應用高壓輥磨技術，同時加強研究在這個領域應用特點，如物料經(jīng)過高壓輥磨機不同壓力、速度等條件下處理后粒度分布、邦德功指數(shù)變化對后續(xù)流程的影響程度，詳細研究各種流程工藝的特點及技術經(jīng)濟，為工程和設備的選型提供可靠的依據(jù)，為礦山行業(yè)進步和發(fā)展提供強有力支撐，使我國由礦山大國向礦山強國轉(zhuǎn)變。
6 結(jié)論
無論是設備規(guī)格、能力、節(jié)能還是設備可靠性與輥面壽命，高壓輥磨技術在國內(nèi)仍有巨大的發(fā)展空間。
作者：張光宇（中信重工機械股份有限公司洛陽礦山機械工程設計研究院，河南洛陽471039）
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