從20世紀40年代國外就開始了超細粉碎技的研究,到 60 年代該技術已取得迅速發展。目前日、美、德等國具備較高水平的超細粉碎技術和設備,可以加工細度為0.5~l0 m窄級別的超細粉體。相對而言,國內對超細粉碎技術的研究起步較晚。但經過近年來的努力,我國已能生產各種類型的超細粉碎設備,基本上能滿足我 國非金屬礦實際生產中的需要。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,國內現有大量金礦、弱磁性鐵礦、錳礦、磷礦、鋁土礦等因為目的礦物及伴生礦物嵌布粒度太細而無法有效分選,礦產資源的礦物之間微細嵌布特性決定了必須對礦石進行超細磨,使其單體解離,方能實現礦物的有效分選。在礦石細磨或超細磨作業中,當采用常規磨礦技術(如球磨機)單體解離礦石中的礦物時,磨礦能耗及生產成本是相當高的。即使磨礦細度能夠使礦物得到單體解離,但產品過磨現象嚴重,使得許多有用礦物損失到礦泥中。超細磨技術 已在化妝品和工業礦物等領域中應用了幾十年,立式攪拌磨因適應大處理量的金屬礦石超細磨礦作業要求而得到了廣泛應用,立式攪拌磨礦技術的研究與應用為企業和國家帶來了顯著的經濟效益和社會效益,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磨機的結構特點、工作原理、技術性能和工業應用情況進行了綜述,以提供工作中參考與借鑒。
1 立式螺旋攪拌磨機
1.1 Vertimill磨機
1.1.1 結構和工作原理
1928年Klein和Szegvari 最先提出了攪拌磨機概念,1952 年河端重勝博士發明塔磨機(Tower Mill即立式螺旋磨礦機)。第一臺在礦物加工應用 的立式螺旋磨礦機是由日本 Kubota 公司制造的。Metso 礦物公司于1979年取得該項技術,生產的磨機叫作 Vertimill磨機。磨機由垂直筒體、螺旋攪拌葉片、分級設備和驅動裝置等部分組成。濕式Vertimill磨機及閉路生產系統圖見圖1。磨機垂直簡體內的主(豎)軸上裝有螺旋攪拌葉片(或攪拌器),由電動機的驅動裝置帶動它作旋轉運動,以此強迫攪拌簡體內的研磨介質和被磨物料旋轉,使物料受到研磨作用而粉碎。經過研磨的細粒產品上升至磨機簡體上部自流溢出,粉碎產品由磨機流人分級機,再經水力旋流器進行分級,溢流即為磨礦產品,粗粒通過管道返回磨機再磨。
1.1.2 技術性能與應用
Vertimill磨機的基本磨碎作用是由磨剝而不是沖擊過程實現的,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)介質在攪拌器作用下作多維連續循環旋轉,而不是象臥式磨礦機內那種在垂直方向作用及拋物線運動,這樣研磨介質不克服重力作功,從而節省能量;(2)Vertimill磨機筒體直徑小、高度大,從而增加了研磨介質問的壓力,當磨礦介質轉動時就增加了對物料的研磨力。因此,這種設備適合于物料 的細磨及超細磨。研磨介質的壓力有一適宜范圍,在此范圍內磨礦效率高而功耗低;當超出此范圍時,磨礦效率就不再提高;因此,這種磨機的高徑比(H/D)有一適宜值;(3)磨機主要通過磨剝作用來實現細磨工作,該磨機螺旋外緣圓周速度為 3m/s左右,介質為12~30 mm的鋼球,作為超細磨時,研磨介質尺寸還應小些。允許的給料粒度較粗,產品粒度常在10~20 m,多用于選礦再磨回路中。
實踐證明,Vertimill磨機是一種用途廣泛的磨礦設備,可處理粒度小于6mm的礦石,主要用于粗磨、二段磨、再磨和細磨作業中,處理硬度較低的物料時,可研磨至小于20m 的產品。Vertimill磨機規格從11kW到2240kW,新近開發最大功率2240 kW的磨機其最大處理量可達2000 t/h。磨機優點是能效高,一般提高 30%~35%,有報告稱節能超過50%。同時介質消耗低,維護保養要求低,使用壽命長,作業率高達98%;設備基礎簡單、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。
1.2 JM 螺旋攪拌磨機
1.2.1 結構和工作原理
JM立式螺旋攪拌磨機是上世紀八十年末長沙礦冶研究院研發的一種最具代表性 的立式攪拌超細磨機。磨機結構如圖2所示。由傳動裝置、簡體、螺旋攪拌器和機架等組成,磨機簡體徑高比為 1:5~1:6。傳動裝置采用三角皮帶和減速機減速;簡體內襯材質有合金耐磨鋼、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,物料調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。電機經減速機驅動螺旋攪拌器旋轉,磨礦介質和物料在簡體內作多維循環運動和自轉運動,介質和物料在簡體內上下、里外相互交換,在磨礦介質壓力和螺旋回轉產生的擠壓力下利用摩擦、少量的沖擊和剪切粉磨物料。磨機常與水力旋流器構成閉路磨礦分級作業。
1.2.2 技術性能與應用
由于JM立式螺旋攪拌磨機具有獨特的結構和工作參數,具有如下顯著特點。(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。摩擦研磨磨礦是細磨和超細磨礦作業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。在磨礦區域內介 質表面壓力是由介質重量壓力和離心運動產生的擠壓力組成。介質表面壓力從磨機筒體上部到下部逐漸增大,在介質充填的最底層磨礦作用最強烈。粗顆粒由于沉降在磨機簡體下部而得到有效磨礦。(3)內部分級磨礦特性。濕法磨礦時,在介質充填的簡體上部是攪拌分級區域,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。磨機內獨特的介質運動規律,即介質的多維運動和 自轉運動能夠均衡地將螺旋器的能量彌散到各個部位 ,實現能量高效利用。
JM立式螺旋攪拌磨機自研制以來,已成功地在黃金、磁材、錳業、化工、稀土和無機非金屬等行業和領域的細磨作業中得到了廣泛應用,應用數量達 260多套臺。(1)由于礦山行業的再磨作業用于金銀礦、銅精礦、鉛鋅礦、鉬礦、鎳礦鐵礦再磨作業或者潔凈煤的水煤漿制備、煙氣脫 硫(FGD)生產石灰石漿等細磨作業,產品細度—400目大于95%或更細,設備生產具有節能、占地面積小及噪音低等優點。(2)用于電解錳的超細磨礦。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 立式螺旋攪拌磨機細磨電解錳片,給料粒度3mm,產品細度—500目大于95%。(3)稀土礦的超細磨礦。益陽稀土總廠、樂山普而美、上海君太公司和株洲硬質合金廠鉭鈮分廠獨居石和稀土礦的細磨生產,給料粒度為80目,產品細度—400目大于95%的要求。
經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、砂磨機和環隙磨等設備結構特點,利用這些年來從事超細粉碎設備的研究成果、經驗和工藝技術繼而研制成功 了新型高效 LXM大型棒式(或盤式)攪拌超細磨機。新設備已應用在重鈣、高嶺土、碳化硅、石榴子石等非金屬礦行業領域超細粉碎作業ll。用于國內多家紙業企業的研磨重質碳酸鈣生產線的磨礦生產,年產量 2萬t至l0萬t,給料—325目≥97%,產品—2m含量≥90%~95%。取得了重質碳酸鈣濕法研磨設備大型化生產的突破,促進濕法研磨重鈣的品質提高和生產成本的降低。
2 Detritor立式攪拌磨機
2.1 結構和工作原理
由Metso礦物公司制造的Detritor立式攪拌磨機,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(見圖3)。該機由簡體、棒式攪拌器、傳動裝置和機架等組成磨機有一個八邊體外殼,用來支撐安裝在磨機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,Detritor磨機筒體固定不動,筒內充滿一定介質球(鋼球,鋯球,剛玉球等),棒式攪拌器在電機驅動下以中高速度旋轉,轉速達550r/min,其棒梢速度可達11m/s。磨機攪拌器采用旋轉運動式,利用棒式攪拌器旋轉動能,帶動筒體內介質球與料漿作多維循環轉運動,使介質與料漿混合物近似流態化,物料在介質球間受到強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參數下,物料經 過充分磨碎、自然沉降分級和離心力分級過程后,上升到磨機上端的細粒料漿,通過磨機上部備有的一套篩孔尺寸為300 μm的篩網后,溢流出成為合格產品,球介質不能通過篩 網而留在磨機中。
2.2 技術性能與應用
Detritor立式攪拌磨機在實際運行中,攪拌磨工作的過程參數控制非常重要。在磨機高功率強度輸出條件下,為使磨機內的介質與高濃度礦漿完全混合,實現高效磨礦、有限磨損以及磨礦時所產生的熱量迅速消散,得到所要求粒度的磨礦產品,磨機的處理量最大,及其能耗最小,磨礦過程參數需要優化。磨礦產品粒度與效果取決于介質粒度、磨機 的轉速、介質的裝載體積、制造介質的材質和礦漿濃度等主要參數的優化與操控。工作時主要通過補充介質方式,以保持磨機所要求的功耗,從而達到所要求的處理量和產品粒度。依據工藝要求,可以串聯布置多級磨機生產流程,以保證最終產 品的粒度及粒度分布。
Detritor 立式攪拌磨機采用立式布置的優點在于,完全利用磨機本體來支撐動力和傳動系統,使設備占地面積小、基礎更加簡單。此外,采用立式布置,還可節省料漿密封裝置或降低給料口壓力。Detritor 磨機規格從 7.5 kW 到1100 kW不等,據統計全球現有149 臺在運行,總安裝功率4.5萬kW。其中355kW的Detritor 磨機是目前最成熟、市場應用最廣泛的,其處理量約20t/h。Detritor磨機在澳大利亞的應用情況如表 1所示。
3 立式盤式砂磨機
3.1 結構與工作原理
砂磨機是一種高速攪拌磨機,根據使用性能大體可分為立式砂磨機、臥式砂磨機、籃式 砂磨機。根據攪拌器結構形式可分為盤式和棒式砂磨機等。其中立式砂磨機主要用于礦石和陶瓷的研磨與加工。立式砂磨機裝置見圖 4,主要由機體、磨筒、盤式攪拌器、底閥、電機、送料泵和冷卻系統組成。工作時,筒內裝有一定數量的研磨介質一玻璃球或陶瓷珠,物料由送料泵吸料,經研磨筒底部送入研磨筒內,主電機通過主軸帶動盤式攪拌器高速旋轉,其轉速可達1600~2200 r/min。研磨介質、物料經由盤式攪拌器的高速轉動,賦予研磨媒體以足夠的動能,與被研磨的顆粒發生強烈的沖擊、剪切、擠壓和摩擦作用,對物料進行粉碎和研磨。經磨碎產生合格粒度的物料,通過簡體上部的介質分離裝置與研磨介質分離,從出料口排出。由于采連續進料一研磨一出料,整個生產過程都是連續進行的。
3.2 技術性能與應用
立式砂磨機采用攪拌器的高速回轉使研磨介質和物料在整個簡體內不規則地翻滾運動,使研磨介質之間產生強烈的剪切、沖擊和研磨作用,使物料得到很好的磨細效果。通過合理選擇研磨片的轉速,提高設備的研磨和分散效率以及防止選擇過高的轉速使能耗增加,造成浪費;設計新穎的盤式攪拌器結構,在靠近軸心部位開設通流面積較大的通槽,使磨礦介質和物料能夠較為順暢地作軸向流動以補充軸心部位的真空,使物料在磨腔中央區域能得以磨細,提高磨機容積與能量利用率;合理確定研磨筒的長徑比為 3.5~4,提高磨礦介質的壓強,實現高的磨細效率;加強對磨礦介質系統的研究以適應產品細度不斷提高的要求。因此立式砂磨機具有生產效率高,砂磨產品細度高,連續性強、成本低等優點;磨機操作簡單,運行平穩,結構合理,易于維護保養,適應連續生產。由于圓盤攪拌器高速旋轉,筒壁磨損嚴重,發熱大,外殼須設冷卻夾套。立式砂磨機已廣泛應用于油漆、化妝品、食品、油墨、藥品、磁鐵氧體等工業領域的高效研磨工作中。工作時,根據物料產品細度要求選取0.2~3mm磨礦介質,研磨介質與物料相互以10~16 m/s的剪切速度運動,可將200μm的物料研磨至1~2μm。隨著科研工作者對砂磨機的基礎理論、設備結構的系統優化研究,使腔體內的研磨能量密度更加均勻,可以獲得產品粒度更細、粒度分布更窄和單位產品能耗更低的研磨效果。
4 結語
1)立式攪拌超細磨機在微細礦物解離方面,不僅具有能效優勢,而且能夠提高目的礦物的單體解離度,將成為微細礦物再磨關鍵設備。與普通球磨機相比,它能夠通過攪拌器及提升器輸能,使磨機內有極高的功率密度,從而保證供給小球 以足夠的能量,研磨時間大大縮短。產品粒度細且粒度分布較窄,磨礦效率高,其能耗比普通磨礦機降低40%~60% 以上 。
2)各類超細磨機技術性能表明,不同的磨機具有不同的適用場合和應用范圍。立式螺旋磨礦機屬中低速運轉,具有較高的介質充填率,螺旋攪拌器在細磨時能量利用率高。立式螺旋磨礦機可將給料磨至 P80= 20~40m左右。但要進行超細磨時,應選用如Detritor 磨機和Isa等砂磨機,磨機采用較小的磨礦介質可以將物料磨得更細,高速攪拌磨比立式螺旋磨能耗更低,更具有優勢。細分磨機適用領域,不斷強化其功能特性,將更有利于實現礦石粉磨過程的高效與節能。
3)加強攪拌磨粉碎過程的基礎理論研究,開展以適用不同礦物集合體細粒物料的力學性能與磨碎機械結構、作用力方式研;簡體內腔、攪拌裝置以及磨礦介質等易損件的新材料研究;開展以降低礦石粒子內部(表面)結合能和消除細粒 間團聚影響研究;改進設備結構、完善設備生產工藝,提高單機處理能力,細磨產品粒度更細,粒度分布特性更窄、更合理 。
作者:萬小金,周強;云南冶金集團有限公司
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