超細(xì)粉碎技術(shù)的研究與應(yīng)用

超細(xì)粉碎技術(shù)的研究與應(yīng)用

20世紀(jì)40年代，國(guó)外開始研究基于詳細(xì)粉末的技術(shù)，并在20世紀(jì)60年代開始發(fā)展。目前日、美、德等國(guó)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0.5~10μm窄級(jí)別的超細(xì)粉體。相對(duì)而言,國(guó)內(nèi)對(duì)超細(xì)粉碎技術(shù)的研究起步較晚。但經(jīng)過近年來(lái)的努力,我國(guó)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(guó)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(lái)越大,國(guó)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(wú)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(duì)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(guó)家?guī)?lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,其市場(chǎng)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旋轉(zhuǎn)式螺旋磨機(jī)1.1維托機(jī)械1.1.1在metso中的應(yīng)用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)(TowerMill即立式螺旋磨礦機(jī))。第一臺(tái)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(jí)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)垂直筒體內(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)迫攪拌筒體內(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)筒體上部自流溢出,粉碎產(chǎn)品由磨機(jī)流入分級(jí)機(jī),再經(jīng)水力旋流器進(jìn)行分級(jí),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用于粗磨和超細(xì)磨磨機(jī)的主要特點(diǎn)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)間的壓力,當(dāng)磨礦介質(zhì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就增加了對(duì)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(lái)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12~30mm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10~20μm,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20μm的產(chǎn)品。Vertimill磨機(jī)規(guī)格從11kW到2240kW,新近開發(fā)最大功率2240kW的磨機(jī)其最大處理量可達(dá)2000t/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(zhǎng),作業(yè)率高達(dá)98%;設(shè)備基礎(chǔ)簡(jiǎn)單、安裝期短和安裝成本低,占地面積小;噪音通常低于85db。自1979年推向市場(chǎng)以來(lái),已在世界各地銷售了300多臺(tái)Vertimill立式磨機(jī)。1.2jm螺旋磨機(jī)1.2.1傳動(dòng)裝置和襯材質(zhì)JM立式螺旋攪拌磨機(jī)是上世紀(jì)八十年末長(zhǎng)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、筒體、螺旋攪拌器和機(jī)架等組成,磨機(jī)筒體徑高比為1∶5~1∶6。傳動(dòng)裝置采用三角皮帶和減速機(jī)減速;筒體內(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)漿后從筒體下部用泵打入,對(duì)較粗的物料或干磨物料從筒體上部給入。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)和物料在筒體內(nèi)作多維循環(huán)運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),介質(zhì)和物料在筒體內(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(jí)作業(yè)。1.2.2jm立式螺旋攪拌磨機(jī)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)筒體下部而得到有效磨礦。(3)內(nèi)部分級(jí)磨礦特性。濕法磨礦時(shí),在介質(zhì)充填的筒體上部是攪拌分級(jí)區(qū)域,物料按自然沉降和離心沉降分級(jí),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(lái),已成功地在黃金、磁材、錳業(yè)、化工、稀土和無(wú)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(tái)。(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(yáng)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(lái)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)。用于國(guó)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(wàn)t至10萬(wàn)t,給料-325目≥97%,產(chǎn)品-2μm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立攪拌機(jī)配件2.1多層長(zhǎng)棒器磨機(jī)由Metso礦物公司制造的Detritor立式攪拌磨機(jī),是英國(guó)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)由筒體、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(lái)支撐安裝在磨機(jī)中心軸上的多層長(zhǎng)棒攪拌器,磨礦筒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)方式,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(jí)和離心力分級(jí)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300μm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。2.2detroctor磨機(jī)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(jí)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(lái)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(jiǎn)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7.5kW到1100kW不等,據(jù)統(tǒng)計(jì)全球現(xiàn)有149臺(tái)在運(yùn)行,總安裝功率4.5萬(wàn)kW。其中355kW的Detritor磨機(jī)是目前最成熟、市場(chǎng)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砂磨立備3.1研磨介質(zhì)的制備砂磨機(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)—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)1600~2200r/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(duì)物料進(jìn)行粉碎和研磨。經(jīng)磨碎產(chǎn)生合格粒度的物料,通過筒體上部的介質(zhì)分離裝置與研磨介質(zhì)分離,從出料口排出。由于采用連續(xù)進(jìn)料—研磨一出料,整個(gè)生產(chǎn)過程都是連續(xù)進(jìn)行的。3.2砂磨機(jī)的結(jié)構(gòu)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)筒體內(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(zhǎng)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(duì)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(jiǎn)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10~16m/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(duì)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超細(xì)磨機(jī)的應(yīng)用技術(shù)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(shì),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(chǎng)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=20~40μm左右。但要進(jìn)行超