几种典型搅拌磨机在金属矿山的应用进展

　　伴随着矿产资源大规模的开采利用，矿物成分简单、易选别的富矿日益枯竭，矿产资源贫、细、杂的特点日益显现，选别的难度越来越大，选矿成本不断提高。在选矿流程中，碎磨作业的高能耗、高消耗尤其明显，因为矿物的嵌布粒度变细后，必须细磨到完全解离才具备选别条件。以国外某些选矿厂为例，矿物选别的给矿粒度已经由早期的 P80 = 74 μm 减小到 10 μm 以下。在这种前提下，传统的球磨机已经不能满足细磨的要求，更加高效、节能的搅拌磨机逐步取代细磨球磨机在再磨、细磨和超细磨中的地位。

1 搅拌磨机简介

　　搅拌磨机产生于 20 世纪 30 年代，在工业上应用已有 80 多年的历史，现已发展成为一类种类繁多、品种齐全的粉磨设备。

　　搅拌磨机与球磨机的最大区别在于前者内部有一个搅拌装置，磨机在工作时搅拌器转动而筒体固定不动。搅拌磨机通过搅拌器的旋转，带动筒体内部的介质产生绕轴的圆周运动和介质自转运动，从而产生冲击、剪切和摩擦作用，使物料粉碎。通常情况下，搅拌器末梢的圆周线速度约为 3～20 m/s。常见的搅拌器有螺旋叶片、开孔圆盘、辐射状直棒和叶轮等。

2　Isa 磨机

2.1 结构和工作原理

　　Isa 磨机是一种大型卧式搅拌磨机，由澳大利亚Mount Isa 矿山和德国耐弛公司在20 世纪 90 年代合作开发，目前最大规格为50 000 L 的Isa 磨机正在研制中，单机装机功率已经达到 8 MW。Isa 磨机的能量输入密度可达 350  kW/m3，而球磨机的能量输入密度仅为20 kW/m3 左右，所以在同等输入功率的情况下，Isa 磨机的设备体积只相当于球磨机的1/10 左右。

　　Isa 磨机主要用于细磨和超细磨流程中，因使用细小直径的磨矿介质，其能量利用率较高。通常情况下介质直径小于 3 mm，最大的使用介质直径为 6 mm。与球磨机相比，Isa 磨机的磨矿表面积增加数十倍，磨矿效率得到明显提升。

　　Isa 磨机的结构组成包括电动机、减速机、工作部件和筒体等，如图 1 所示。磨机的筒体可以沿轴向平移，检修时能够提高工作效率，操作方便。Isa 磨机的工作部件由主轴和多个并排串在轴上的圆盘组成，工作时圆盘的外圆线速度高达 19～22 m/s，带动筒体内部的磨矿介质绕轴向运动和自转运动，实现对矿物的有效粉碎。在排矿口有产品分离器，不需通过体外分级机而在磨机内自行循环分级，使合格粒级排出，不合格粒级返回磨机内部再次细磨，从而实现了开路磨矿配置。筒体内部的介质充填率为 80%，入磨矿浆浓度一般为 50% 左右，矿浆体积占筒体有效体积的 20%，磨机内腔全部被充满，其给矿压力为 0.1～0.2 MPa。

1.电动机　2.减速机　3.轴承座　4.工作部件

5.筒体　6.进料口　7.排料口

图1  Isa磨机结构示意图

2.2　Isa 磨机的研究进展

　　Westhuizen等人应用正电子辐射颗粒跟踪技术(Positron Emission Particle Tracking) 研究了Isa 磨机内部介质运动的规律。研究表明：磨机在转动时，介质紧贴筒体内壁形成环状分布，介质的运动速度随着转速的增加而提高，但随着介质充填率的增加而降低。在低转速时，介质在上升一侧的速度低于下降侧的速度，介质最高速度在转盘上的开孔处。在同等运行参数下，陶瓷介质的速度要低于玻璃微珠的速度，在搅拌盘上的开孔处产生最高的介质加速度，试验测得玻璃微珠的加速度是陶瓷微珠的 2 倍。

　　Jayasundara 等人把计算流体力学 (CFD) 和离散元 (DEM) 相结合，研究了 Isa 磨机内部颗粒的运动规律，并将模拟的结果与正电子辐射颗粒跟踪技术的测试结果进行了对比。计算机的模拟结果表明：Isa 磨机内部接近盘面的颗粒速度较高，在 40% 充填率时介质主要分布在筒体的两端，而充填率为 80% 时介质分布更加均衡。计算机模拟和正电子辐射颗粒跟踪技术测试结果是相似的，沿着径向介质的速度从主轴到转盘上的开孔位置逐渐变大，然后向筒体内壁逐渐降低。介质的加速度随着转速的增加而增大，随着充填率或者介质密度的增加而减小。

　　Jayasundara 等人还通过试验和数值模拟相结合的方法研究了介质的粒度对搅拌磨磨矿性能的影响，研究表明搅拌磨矿过程遵循一级磨矿动力学。磨矿效率随转速的提高而提高，介质的粒度(2、4、6mm)对磨矿效率并没有明显的影响，差别在 5% 之内，而能量的消耗随着介质粒径的增大明显增加。模拟结果表明，介质的总碰撞能与破碎率成一次幂函数的关系，磨矿效率可以表示为总的碰撞能与输入能量的比值。

　　Boris Y．Farber 等人研究了介质的尺寸和力学性能对磨矿效率和介质消耗的影响。研究表明：选择适合的介质粒径，密度大的介质可以提高磨矿效率近 30%；低摩擦因数的介质会明显降低设备能量的消耗，高密度的介质会明显增加介质自身和搅拌组件的磨耗率；高密度大直径的介质使 Isa 磨机能够处理较粗的给料。

2.3　Isa 磨机的应用进展

　　1992 年，容积为 100 L 的 Isa 磨机试验成功后，容积为3 000 L 的Isa 磨机于 1994 年应用在澳大利亚 Mount Isa 矿山铅锌矿的尾矿再磨作业，单台装机功率为 1 120 kW，将尾矿细磨至 P80 = 7μm，提高了铅锌矿的回收率。1999 年，该矿山又安装了 6 台 M3000  Isa 磨机。

1995 年澳大利亚 McArthur River 矿山安装了 6 台 M3000 Isa 磨机，在生产过程中，将第一段自磨机排料经振动筛筛出 0.8～1.8 mm 粒级的产品作为 Isa 磨机的粉磨介质，将浮选粗精矿从 F80 = 45 μm 开路磨到 P80 = 7 μm，实现了 Isa 磨机自磨作业。2005 年在该矿山的粗磨流程安装使用了 2 台 M3000 Isa 磨机，将给矿 F80 = 247～253 μm 磨到 P80 =36～43 μm，采用了粒度为 5～6 mm 的磨矿介质，这是Isa 磨机首次在粗磨流程中应用，使全厂的生产能力提高 27%。

　　英美铂业集团公司在南非 WLTR 选矿厂于 2003 年安装了世界上第一台 M10000 型 Isa 磨机，装机功率为 2 600 kW，是当时应用的最大规格的 Isa 磨机。使用 Isa 磨机后，金属回收率从 45%～50% 提高到 55%～60%。整个浮选回路的 3 个铂族元素 (铂、钯和铑) 的回收率提高 3%。到 2009 年该矿山已经安装了 22 台 Isa 磨机。

　　Isa 磨机在澳大利亚最大的黄金矿山还被用于将黄金精矿细磨到 10 μm 以下，直接进入氰化浸出，该项技术在黄金工业的应用成功，在世界上首次废除了污染严重、费用高昂的高温焙烧炉作业，对环境保护具有实际意义。

3 立式螺旋搅拌磨机

3.1 结构及工作原理

　　立式螺旋搅拌磨机是以其搅拌器为螺旋叶片命名的，因其外形细高又俗称为塔磨机 (Tower Mill)， 美卓矿物公司生产的立式螺旋搅拌磨机在国内外金属矿山应用广泛，称为 Vertimill。

　　Kubota 公司在 20 世纪 50 年代制造了第一台用于矿物加工的立式螺旋磨矿机 (塔磨机)；20 世纪 80 年代末，美卓矿物公司获得了该项专利技术，并经过不断地改进，发展成为现在的 Vertimill。

　　立式螺旋搅拌磨机多应用于磨至 P80 为 15～30 μm 的再磨回路中，通常情况下给矿粒度 F80 为 74 μm 左右，实际生产中最大的给矿粒度可以达到 6 mm。但有些研究报道表明，当给矿中 -74 μm 的含量过低时，立式螺旋搅拌磨机与球磨机的能耗差别并不大，而产品的粒度在 20 μm 以下节能效果也不明显。

　　立式螺旋搅拌磨机由驱动装置、传动装置、工作部件、筒体和机架 5 部分组成，采用自上到下垂直安装形式，如图 2 所示。筒体内部加入直径约 12～30 mm 的钢球作为磨矿介质，也可采用坚硬的砾石和陶瓷球等作为磨矿介质。

1.电动机　2.联轴器　3.推力轴承　4.传动轴　5.给矿口　6.筒体 

7.检修门　8.减速机　9.减速机座　10.加球口　11.分级机　

12.循环泵　13.排矿口　14.回矿管　15.拍空口　16.螺旋叶　

17.磁性衬板

图2  立式螺旋搅拌磨机结构

　　物料给入磨机后，与介质充分混合，在螺旋搅拌器的带动下做沿轴向的上下循环运动和环轴向的圆周运动，利用介质的重力和挤压力产生冲击、剪切和摩擦作用，物料被有效破碎，并且在重力的作用下自然分级，大颗粒物料向下沉，继续进行研磨，小颗粒物料向上浮，进入到分级装置内，溢流为合格的磨矿产品，沉砂再返回磨机内部，构成闭路磨矿的方式。

3.2 研究进展

　　母福生等采用离散元的方法对立式螺旋搅拌磨机内部介质进行了数值模拟，模拟结果表明：紧贴螺旋叶片的介质获得最大的速度矢量，磨矿作用最强烈，远离螺旋叶片及上层的介质磨矿效果最差；内部介质在运动一定时间后会达到平衡的运动状态，保证了磨矿效果与磨矿时间的对应性；介质运动的动能和克服摩擦力做功是能量耗散的两个方面，磨机工作时，介质的总动能并不恒定，而是在一定数值范围内上下波动。

　　非球形的磨矿介质与球形介质在运动特性上有明显的不同，首先非球形介质比球形介质的碰撞强度弱，筒体内部有效的磨矿体积减小，恶化了磨矿效果；其次，非球形介质运动性差，增加了搅拌叶片和筒体内壁的磨损。

　　对矿浆黏度的研究表明，高黏度的矿浆将减缓介质的运动，但可以帮助介质球体间捕获颗粒。低黏度时，流体会润滑介质从而降低研磨效率。高浓度适合进行细磨，低浓度适合粗粒给矿的研磨。

3.3 应用进展

　　立式螺旋搅拌磨机已经成功用于金矿、钼矿、铁矿、铜矿以及镍矿等金属矿的细磨和再磨流程中，在应用中表明其介质消耗低，维护保养要求低，使用寿命长，设备基础简单，安装期短，安装成本低，占地面积小，工作噪声低。

　　立式螺旋搅拌磨机的规格从 0.4 kW 到 2 240 kW，最大功率2 240 kW 的磨机最大处理量可达 2 000 t/h，该磨机在 2010 年已安装在澳大利亚 Newerest 公司的 CadiaValley 铜金矿。

　　澳大利亚 Hellyer 选矿厂矿物成分复杂，有铜、银、铅和锌 4 种产品，必须细磨到 20 μm 才能全部单体解离。Hellyer 选矿厂选用了立式螺旋搅拌磨机作为细磨设备，在前期的实验室试验选型阶段表明采用塔磨机比细磨球磨机节能 40%。

　　在墨西哥的某选矿厂使用了立式螺旋搅拌磨机，介质消耗由采用球磨机的 821 g/t 降低到 429 g/t，介质消耗量减少 48%，这主要是因为搅拌磨机和球磨机的碎磨机理不同，改变了介质之间的碰撞形式，破球量大幅度减小，保持了磨矿介质的原有形状和磨矿效率。

　　江西铜业集团银山矿业有限公司银山选矿厂引进了 2 台约600 kW 的立式螺旋搅拌磨机，用于粗精矿再磨，产品粒度P80 为45 μm，使用统计表明，该磨机节能比较明显，同等生产情况下比球磨机节能约40%，单位钢球消耗约 0.2 kg/t，在操作成本方面预计每年可节省约 300 万元。

　　山东黄金矿业股份有限公司焦家金矿的精炼厂引进了 1 台功率约 1 000 kW 的塔磨机，磨机的给矿粒度 -74 μm 50%，产品粒度 -38 μm 95%，可处理金矿石量约 1 200 t/a，取得了良好的经济效益。

4　SMD 磨机

4.1 结构及工作原理

　　SMD (Stirred Media Detritor) 磨机是以放射状直棒作为搅拌器的立式搅拌磨机，该磨机最早应用于非金属矿行业，针对颜料等易磨物料的超细磨。美卓矿物公司研制的最大规格的 SMD 磨机已经达到 1 100 kW。该型磨矿粒度比立式螺旋搅拌磨机和 Isa 磨机要更细，其采用的磨矿介质粒度为 1～3 mm，磨机排料 P80 通常在 10μm 以下。

　　该磨机的整体结构与立式螺旋搅拌磨机相似，由驱动装置、传动装置、工作部件以及筒体等组成，如图 3 所示。筒体的横截面为八边形，高径比为 1:1，磨机工作时搅拌器梢速度约为 11 m/s，磨机依靠一套筛孔尺寸为 300 μm 的筛网将砂介质保存在磨机中。

1.电动机　2.驱动装置　3.筒体　4.筒体

图3  SMD磨机结构图

4.2 研究及应用进展

　　澳大利亚 Zinifex Century 锌矿山安装了 21 台装机功率为 355 kW 的 SMD 磨机，其中有 15 台用于超细磨，给矿粒度为F80 = 34 μm，磨矿产品粒度为 P80 = 6.6 μm，另外 6 台用于再磨流程。磨矿的介质是来自美国科罗拉多州斯普林斯的直径为1～2 mm的河沙，磨矿单位能耗为 34～37 (kW·h)/t。

　　澳大利亚的塔斯马尼亚铜矿采矿量约为 280 万t/a，主要产品为黄铜，铜品位为 27. 5%，回收率为 92%。在铜的扫选精矿和精选尾矿选用了 SMD 磨机作再磨设备，使选厂最终精矿品位提高了 2.3%，铜的回收率提高了 1%。

　　澳大利亚昆士兰州的塞兰加铜矿于 2000 年底安装了 1 台功率为 185 kW 的 SMD 磨机，用于最终粗选和扫选精矿的再磨。该磨机的给矿粒度约 F80 = 60 μm，产品粒度为 P80 = 40 μm，最终铜精矿品位提高1.7%，回收率提高 1.5%，选厂的处理能力从 90 t/h 提高到 120 t/h，提高了 1/3。

5 结语

　　搅拌磨机在金属矿山的成功应用需要突破的关键问题是高强度、耐磨性和可靠性。首先，搅拌磨设备需要具备足够大的规格以满足金属矿山的处理能力，以高产量摊低生产成本，提高生产效益；其次，搅拌磨各个工作部件的耐磨性是制约设备寿命的关键因素，球磨机在长期的使用过程中钢耗和球耗都是重要的使用成本，搅拌磨机在工作部件的损耗方面要占据优势还有待提高；再次，金属矿山的恶劣工作环境要求设备具备工作可靠性，在检修维护、备件更换、介质添加等方面尽量减小工作量，缩短操作时间。

　　随着计算机技术的不断进步，以离散元方法为核心对搅拌磨介质运动规律的研究逐步发展，但目前还没有形成权威的粉碎理论揭示搅拌磨的粉碎机理；助磨剂的研究将在一定程度上有助于提高搅拌磨的磨矿效率；球磨机、立式螺旋搅拌磨机、Isa 磨机以及 SMD 磨机在处理不同粒度的矿物方面各有优势，研究不同类型磨机在磨矿流程中的最优入磨粒度对磨矿节能降耗意义深远。