從20世紀(jì)40年代國外就開始了超細(xì)粉碎技的研究，到 60 年代該技術(shù)已取得迅速發(fā)展。目前日、美、德等國具備較高水平的超細(xì)粉碎技術(shù)和設(shè)備，可以加工細(xì)度為0.5～l0 m窄級別的超細(xì)粉體。相對而言，國內(nèi)對超細(xì)粉碎技術(shù)的研究起步較晚。但經(jīng)過近年來的努力，我國已能生產(chǎn)各種類型的超細(xì)粉碎設(shè)備，基本上能滿足我 國非金屬礦實(shí)際生產(chǎn)中的需要。隨著富礦、易選礦石資源的不斷消耗，難選礦石的比重越來越大，國內(nèi)現(xiàn)有大量金礦、弱磁性鐵礦、錳礦、磷礦、鋁土礦等因?yàn)槟康牡V物及伴生礦物嵌布粒度太細(xì)而無法有效分選，礦產(chǎn)資源的礦物之間微細(xì)嵌布特性決定了必須對礦石進(jìn)行超細(xì)磨，使其單體解離，方能實(shí)現(xiàn)礦物的有效分選。在礦石細(xì)磨或超細(xì)磨作業(yè)中，當(dāng)采用常規(guī)磨礦技術(shù)(如球磨機(jī))單體解離礦石中的礦物時(shí)，磨礦能耗及生產(chǎn)成本是相當(dāng)高的。即使磨礦細(xì)度能夠使礦物得到單體解離，但產(chǎn)品過磨現(xiàn)象嚴(yán)重，使得許多有用礦物損失到礦泥中。超細(xì)磨技術(shù) 已在化妝品和工業(yè)礦物等領(lǐng)域中應(yīng)用了幾十年，立式攪拌磨因適應(yīng)大處理量的金屬礦石超細(xì)磨礦作業(yè)要求而得到了廣泛應(yīng)用，立式攪拌磨礦技術(shù)的研究與應(yīng)用為企業(yè)和國家?guī)砹孙@著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，其市場前景廣闊。本文就幾種最典型且具代表性立式攪拌超細(xì)磨機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、技術(shù)性能和工業(yè)應(yīng)用情況進(jìn)行了綜述，以提供工作中參考與借鑒。
1 立式螺旋攪拌磨機(jī)
1.1 Vertimill磨機(jī)
1.1.1 結(jié)構(gòu)和工作原理
1928年Klein和Szegvari 最先提出了攪拌磨機(jī)概念，1952 年河端重勝博士發(fā)明塔磨機(jī)(Tower Mill即立式螺旋磨礦機(jī))。第一臺在礦物加工應(yīng)用 的立式螺旋磨礦機(jī)是由日本 Kubota 公司制造的。Metso 礦物公司于1979年取得該項(xiàng)技術(shù)，生產(chǎn)的磨機(jī)叫作 Vertimill磨機(jī)。磨機(jī)由垂直筒體、螺旋攪拌葉片、分級設(shè)備和驅(qū)動(dòng)裝置等部分組成。濕式Vertimill磨機(jī)及閉路生產(chǎn)系統(tǒng)圖見圖1。磨機(jī)垂直簡體內(nèi)的主(豎)軸上裝有螺旋攪拌葉片(或攪拌器)，由電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)它作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以此強(qiáng)迫攪拌簡體內(nèi)的研磨介質(zhì)和被磨物料旋轉(zhuǎn)，使物料受到研磨作用而粉碎。經(jīng)過研磨的細(xì)粒產(chǎn)品上升至磨機(jī)簡體上部自流溢出，粉碎產(chǎn)品由磨機(jī)流人分級機(jī)，再經(jīng)水力旋流器進(jìn)行分級，溢流即為磨礦產(chǎn)品，粗粒通過管道返回磨機(jī)再磨。
 1.1.2 技術(shù)性能與應(yīng)用
Vertimill磨機(jī)的基本磨碎作用是由磨剝而不是沖擊過程實(shí)現(xiàn)的，因此其給料粒度不能太大，一般為小于3mm。磨礦筒體垂直安裝主要基于下述考慮：(1)介質(zhì)在攪拌器作用下作多維連續(xù)循環(huán)旋轉(zhuǎn)，而不是象臥式磨礦機(jī)內(nèi)那種在垂直方向作用及拋物線運(yùn)動(dòng)，這樣研磨介質(zhì)不克服重力作功，從而節(jié)省能量；(2)Vertimill磨機(jī)筒體直徑小、高度大，從而增加了研磨介質(zhì)問的壓力，當(dāng)磨礦介質(zhì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就增加了對物料的研磨力。因此，這種設(shè)備適合于物料 的細(xì)磨及超細(xì)磨。研磨介質(zhì)的壓力有一適宜范圍，在此范圍內(nèi)磨礦效率高而功耗低；當(dāng)超出此范圍時(shí)，磨礦效率就不再提高；因此，這種磨機(jī)的高徑比(H/D)有一適宜值；(3)磨機(jī)主要通過磨剝作用來實(shí)現(xiàn)細(xì)磨工作，該磨機(jī)螺旋外緣圓周速度為 3m/s左右，介質(zhì)為12～30 mm的鋼球，作為超細(xì)磨時(shí)，研磨介質(zhì)尺寸還應(yīng)小些。允許的給料粒度較粗，產(chǎn)品粒度常在10～20 m，多用于選礦再磨回路中。
實(shí)踐證明，Vertimill磨機(jī)是一種用途廣泛的磨礦設(shè)備，可處理粒度小于6mm的礦石，主要用于粗磨、二段磨、再磨和細(xì)磨作業(yè)中，處理硬度較低的物料時(shí)，可研磨至小于20m 的產(chǎn)品。Vertimill磨機(jī)規(guī)格從11kW到2240kW，新近開發(fā)最大功率2240 kW的磨機(jī)其最大處理量可達(dá)2000 t/h。磨機(jī)優(yōu)點(diǎn)是能效高，一般提高 30％～35％，有報(bào)告稱節(jié)能超過50％。同時(shí)介質(zhì)消耗低，維護(hù)保養(yǎng)要求低，使用壽命長，作業(yè)率高達(dá)98％；設(shè)備基礎(chǔ)簡單、安裝期短和安裝成本低，占地面積??；噪音通常低于85db。自1979年推向市場以來，已在世界各地銷售了300多臺 Vertimill立式磨機(jī)。
1.2 JM 螺旋攪拌磨機(jī)
1.2.1 結(jié)構(gòu)和工作原理
JM立式螺旋攪拌磨機(jī)是上世紀(jì)八十年末長沙礦冶研究院研發(fā)的一種最具代表性 的立式攪拌超細(xì)磨機(jī)。磨機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。由傳動(dòng)裝置、簡體、螺旋攪拌器和機(jī)架等組成，磨機(jī)簡體徑高比為 1:5~1:6。傳動(dòng)裝置采用三角皮帶和減速機(jī)減速；簡體內(nèi)襯材質(zhì)有合金耐磨鋼、不銹鋼、聚氨酯或工程陶瓷；螺旋攪拌器采用合金耐磨鋼、不銹鋼、聚氨酯制作。工作時(shí)，物料調(diào)漿后從簡體下部用泵打人，對較粗的物料或干磨物料從簡體上部給人。電機(jī)經(jīng)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋攪拌器旋轉(zhuǎn)，磨礦介質(zhì)和物料在簡體內(nèi)作多維循環(huán)運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，介質(zhì)和物料在簡體內(nèi)上下、里外相互交換，在磨礦介質(zhì)壓力和螺旋回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的擠壓力下利用摩擦、少量的沖擊和剪切粉磨物料。磨機(jī)常與水力旋流器構(gòu)成閉路磨礦分級作業(yè)。
 1.2.2 技術(shù)性能與應(yīng)用
由于JM立式螺旋攪拌磨機(jī)具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，具有如下顯著特點(diǎn)。(1)磨剝離特性。粉磨作用以磨剝離為主。少量的沖擊和剪切作用。摩擦研磨磨礦是細(xì)磨和超細(xì)磨礦作業(yè)中最有效的粉磨方式。充分利用能量有效研磨物料。(2)分層研磨特性。在磨礦區(qū)域內(nèi)介 質(zhì)表面壓力是由介質(zhì)重量壓力和離心運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的擠壓力組成。介質(zhì)表面壓力從磨機(jī)筒體上部到下部逐漸增大，在介質(zhì)充填的最底層磨礦作用最強(qiáng)烈。粗顆粒由于沉降在磨機(jī)簡體下部而得到有效磨礦。(3)內(nèi)部分級磨礦特性。濕法磨礦時(shí)，在介質(zhì)充填的簡體上部是攪拌分級區(qū)域，物料按自然沉降和離心沉降分級，減少了過粉磨。(4)高能效特性。磨機(jī)內(nèi)獨(dú)特的介質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即介質(zhì)的多維運(yùn)動(dòng)和 自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能夠均衡地將螺旋器的能量彌散到各個(gè)部位 ，實(shí)現(xiàn)能量高效利用。
JM立式螺旋攪拌磨機(jī)自研制以來，已成功地在黃金、磁材、錳業(yè)、化工、稀土和無機(jī)非金屬等行業(yè)和領(lǐng)域的細(xì)磨作業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，應(yīng)用數(shù)量達(dá) 260多套臺。(1)由于礦山行業(yè)的再磨作業(yè)用于金銀礦、銅精礦、鉛鋅礦、鉬礦、鎳礦鐵礦再磨作業(yè)或者潔凈煤的水煤漿制備、煙氣脫 硫(FGD)生產(chǎn)石灰石漿等細(xì)磨作業(yè)，產(chǎn)品細(xì)度—400目大于95％或更細(xì)，設(shè)備生產(chǎn)具有節(jié)能、占地面積小及噪音低等優(yōu)點(diǎn)。(2)用于電解錳的超細(xì)磨礦。濕磨電解錳片制造四氧化三錳，貴州松桃錳礦、湖南特種金屬材料廠等單位氧化錳廠用 JM 立式螺旋攪拌磨機(jī)細(xì)磨電解錳片，給料粒度3mm，產(chǎn)品細(xì)度—500目大于95％。(3)稀土礦的超細(xì)磨礦。益陽稀土總廠、樂山普而美、上海君太公司和株洲硬質(zhì)合金廠鉭鈮分廠獨(dú)居石和稀土礦的細(xì)磨生產(chǎn)，給料粒度為80目，產(chǎn)品細(xì)度—400目大于95％的要求。
經(jīng)過十多年的改良工作，該院在綜合吸收塔式磨(JM立式螺旋攪拌磨)、攪拌磨、砂磨機(jī)和環(huán)隙磨等設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用這些年來從事超細(xì)粉碎設(shè)備的研究成果、經(jīng)驗(yàn)和工藝技術(shù)繼而研制成功 了新型高效 LXM大型棒式(或盤式)攪拌超細(xì)磨機(jī)。新設(shè)備已應(yīng)用在重鈣、高嶺土、碳化硅、石榴子石等非金屬礦行業(yè)領(lǐng)域超細(xì)粉碎作業(yè)ll。用于國內(nèi)多家紙業(yè)企業(yè)的研磨重質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)線的磨礦生產(chǎn)，年產(chǎn)量 2萬t至l0萬t，給料—325目≥97％，產(chǎn)品—2m含量≥90％～95％。取得了重質(zhì)碳酸鈣濕法研磨設(shè)備大型化生產(chǎn)的突破，促進(jìn)濕法研磨重鈣的品質(zhì)提高和生產(chǎn)成本的降低。
2 Detritor立式攪拌磨機(jī)
2.1 結(jié)構(gòu)和工作原理
由Metso礦物公司制造的Detritor立式攪拌磨機(jī)，是英國陶瓷黏土公司為高嶺土磨礦而研制的一種立式棒式攪拌磨機(jī)(見圖3)。該機(jī)由簡體、棒式攪拌器、傳動(dòng)裝置和機(jī)架等組成磨機(jī)有一個(gè)八邊體外殼，用來支撐安裝在磨機(jī)中心軸上的多層長棒攪拌器，磨礦簡體的高度與直徑比大致為1:1。工作時(shí)，Detritor磨機(jī)筒體固定不動(dòng)，筒內(nèi)充滿一定介質(zhì)球(鋼球，鋯球，剛玉球等)，棒式攪拌器在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下以中高速度旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速達(dá)550r/min，其棒梢速度可達(dá)11m/s。磨機(jī)攪拌器采用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)式，利用棒式攪拌器旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，帶動(dòng)筒體內(nèi)介質(zhì)球與料漿作多維循環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使介質(zhì)與料漿混合物近似流態(tài)化，物料在介質(zhì)球間受到強(qiáng)大的沖擊力和剪切力的作用下而被有效地粉磨。在精確控制給礦礦漿流量作業(yè)參數(shù)下，物料經(jīng) 過充分磨碎、自然沉降分級和離心力分級過程后，上升到磨機(jī)上端的細(xì)粒料漿，通過磨機(jī)上部備有的一套篩孔尺寸為300 μm的篩網(wǎng)后，溢流出成為合格產(chǎn)品，球介質(zhì)不能通過篩 網(wǎng)而留在磨機(jī)中。
 2.2 技術(shù)性能與應(yīng)用
Detritor立式攪拌磨機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，攪拌磨工作的過程參數(shù)控制非常重要。在磨機(jī)高功率強(qiáng)度輸出條件下，為使磨機(jī)內(nèi)的介質(zhì)與高濃度礦漿完全混合，實(shí)現(xiàn)高效磨礦、有限磨損以及磨礦時(shí)所產(chǎn)生的熱量迅速消散，得到所要求粒度的磨礦產(chǎn)品，磨機(jī)的處理量最大，及其能耗最小，磨礦過程參數(shù)需要優(yōu)化。磨礦產(chǎn)品粒度與效果取決于介質(zhì)粒度、磨機(jī) 的轉(zhuǎn)速、介質(zhì)的裝載體積、制造介質(zhì)的材質(zhì)和礦漿濃度等主要參數(shù)的優(yōu)化與操控。工作時(shí)主要通過補(bǔ)充介質(zhì)方式，以保持磨機(jī)所要求的功耗，從而達(dá)到所要求的處理量和產(chǎn)品粒度。依據(jù)工藝要求，可以串聯(lián)布置多級磨機(jī)生產(chǎn)流程，以保證最終產(chǎn) 品的粒度及粒度分布。
Detritor 立式攪拌磨機(jī)采用立式布置的優(yōu)點(diǎn)在于，完全利用磨機(jī)本體來支撐動(dòng)力和傳動(dòng)系統(tǒng)，使設(shè)備占地面積小、基礎(chǔ)更加簡單。此外，采用立式布置，還可節(jié)省料漿密封裝置或降低給料口壓力。Detritor 磨機(jī)規(guī)格從 7.5 kW 到1100 kW不等，據(jù)統(tǒng)計(jì)全球現(xiàn)有149 臺在運(yùn)行，總安裝功率4.5萬kW。其中355kW的Detritor 磨機(jī)是目前最成熟、市場應(yīng)用最廣泛的，其處理量約20t/h。Detritor磨機(jī)在澳大利亞的應(yīng)用情況如表 1所示。
3 立式盤式砂磨機(jī)
3.1 結(jié)構(gòu)與工作原理
砂磨機(jī)是一種高速攪拌磨機(jī)，根據(jù)使用性能大體可分為立式砂磨機(jī)、臥式砂磨機(jī)、籃式 砂磨機(jī)。根據(jù)攪拌器結(jié)構(gòu)形式可分為盤式和棒式砂磨機(jī)等。其中立式砂磨機(jī)主要用于礦石和陶瓷的研磨與加工。立式砂磨機(jī)裝置見圖 4，主要由機(jī)體、磨筒、盤式攪拌器、底閥、電機(jī)、送料泵和冷卻系統(tǒng)組成。工作時(shí)，筒內(nèi)裝有一定數(shù)量的研磨介質(zhì)一玻璃球或陶瓷珠，物料由送料泵吸料，經(jīng)研磨筒底部送入研磨筒內(nèi)，主電機(jī)通過主軸帶動(dòng)盤式攪拌器高速旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速可達(dá)1600~2200 r/min。研磨介質(zhì)、物料經(jīng)由盤式攪拌器的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，賦予研磨媒體以足夠的動(dòng)能，與被研磨的顆粒發(fā)生強(qiáng)烈的沖擊、剪切、擠壓和摩擦作用，對物料進(jìn)行粉碎和研磨。經(jīng)磨碎產(chǎn)生合格粒度的物料，通過簡體上部的介質(zhì)分離裝置與研磨介質(zhì)分離，從出料口排出。由于采連續(xù)進(jìn)料一研磨一出料，整個(gè)生產(chǎn)過程都是連續(xù)進(jìn)行的。
 3.2 技術(shù)性能與應(yīng)用
立式砂磨機(jī)采用攪拌器的高速回轉(zhuǎn)使研磨介質(zhì)和物料在整個(gè)簡體內(nèi)不規(guī)則地翻滾運(yùn)動(dòng)，使研磨介質(zhì)之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切、沖擊和研磨作用，使物料得到很好的磨細(xì)效果。通過合理選擇研磨片的轉(zhuǎn)速，提高設(shè)備的研磨和分散效率以及防止選擇過高的轉(zhuǎn)速使能耗增加，造成浪費(fèi)；設(shè)計(jì)新穎的盤式攪拌器結(jié)構(gòu)，在靠近軸心部位開設(shè)通流面積較大的通槽，使磨礦介質(zhì)和物料能夠較為順暢地作軸向流動(dòng)以補(bǔ)充軸心部位的真空，使物料在磨腔中央?yún)^(qū)域能得以磨細(xì)，提高磨機(jī)容積與能量利用率；合理確定研磨筒的長徑比為 3.5～4，提高磨礦介質(zhì)的壓強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)高的磨細(xì)效率；加強(qiáng)對磨礦介質(zhì)系統(tǒng)的研究以適應(yīng)產(chǎn)品細(xì)度不斷提高的要求。因此立式砂磨機(jī)具有生產(chǎn)效率高，砂磨產(chǎn)品細(xì)度高，連續(xù)性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)；磨機(jī)操作簡單，運(yùn)行平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)合理，易于維護(hù)保養(yǎng)，適應(yīng)連續(xù)生產(chǎn)。由于圓盤攪拌器高速旋轉(zhuǎn)，筒壁磨損嚴(yán)重，發(fā)熱大，外殼須設(shè)冷卻夾套。立式砂磨機(jī)已廣泛應(yīng)用于油漆、化妝品、食品、油墨、藥品、磁鐵氧體等工業(yè)領(lǐng)域的高效研磨工作中。工作時(shí)，根據(jù)物料產(chǎn)品細(xì)度要求選取0.2～3mm磨礦介質(zhì)，研磨介質(zhì)與物料相互以10～16 m/s的剪切速度運(yùn)動(dòng)，可將200μm的物料研磨至1～2μm。隨著科研工作者對砂磨機(jī)的基礎(chǔ)理論、設(shè)備結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)優(yōu)化研究，使腔體內(nèi)的研磨能量密度更加均勻，可以獲得產(chǎn)品粒度更細(xì)、粒度分布更窄和單位產(chǎn)品能耗更低的研磨效果。
4 結(jié)語
1)立式攪拌超細(xì)磨機(jī)在微細(xì)礦物解離方面，不僅具有能效優(yōu)勢，而且能夠提高目的礦物的單體解離度，將成為微細(xì)礦物再磨關(guān)鍵設(shè)備。與普通球磨機(jī)相比，它能夠通過攪拌器及提升器輸能，使磨機(jī)內(nèi)有極高的功率密度，從而保證供給小球 以足夠的能量，研磨時(shí)間大大縮短。產(chǎn)品粒度細(xì)且粒度分布較窄，磨礦效率高，其能耗比普通磨礦機(jī)降低40％～60％ 以上 。
2)各類超細(xì)磨機(jī)技術(shù)性能表明，不同的磨機(jī)具有不同的適用場合和應(yīng)用范圍。立式螺旋磨礦機(jī)屬中低速運(yùn)轉(zhuǎn)，具有較高的介質(zhì)充填率，螺旋攪拌器在細(xì)磨時(shí)能量利用率高。立式螺旋磨礦機(jī)可將給料磨至 P80= 20～40m左右。但要進(jìn)行超細(xì)磨時(shí)，應(yīng)選用如Detritor 磨機(jī)和Isa等砂磨機(jī)，磨機(jī)采用較小的磨礦介質(zhì)可以將物料磨得更細(xì)，高速攪拌磨比立式螺旋磨能耗更低，更具有優(yōu)勢。細(xì)分磨機(jī)適用領(lǐng)域，不斷強(qiáng)化其功能特性，將更有利于實(shí)現(xiàn)礦石粉磨過程的高效與節(jié)能。
3)加強(qiáng)攪拌磨粉碎過程的基礎(chǔ)理論研究，開展以適用不同礦物集合體細(xì)粒物料的力學(xué)性能與磨碎機(jī)械結(jié)構(gòu)、作用力方式研；簡體內(nèi)腔、攪拌裝置以及磨礦介質(zhì)等易損件的新材料研究；開展以降低礦石粒子內(nèi)部(表面)結(jié)合能和消除細(xì)粒 間團(tuán)聚影響研究；改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)、完善設(shè)備生產(chǎn)工藝，提高單機(jī)處理能力，細(xì)磨產(chǎn)品粒度更細(xì)，粒度分布特性更窄、更合理 。
作者：萬小金，周強(qiáng)；云南冶金集團(tuán)有限公司
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