立式螺旋磨礦機(jī)塔磨機(jī)的應(yīng)用

立式螺旋磨礦機(jī)塔磨機(jī)的應(yīng)用

隨著富礦和易采資源的消耗，難以開采的比例增加。特別是在中國(guó)，我們必須解決一些共生關(guān)系復(fù)雜、包容粒度小的礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用問題，精細(xì)粒分類已成為一個(gè)緊迫的解決方案。我國(guó)有大量金礦、弱磁性鐵礦、錳礦、磷礦、鋁土礦等因?yàn)榈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)資源的微細(xì)嵌布決定了必須對(duì)礦石細(xì)磨,使其單體解離,方能實(shí)現(xiàn)礦物的有效分選。有文獻(xiàn)指出選礦廠破碎—磨礦作業(yè)的電耗占全廠總電耗的70%左右,其中磨礦約占60%以上。我國(guó)有色金屬行業(yè)規(guī)模以上企業(yè)超過6800家,能耗約占全國(guó)能源消費(fèi)量的3.5%。特別是碎磨作業(yè)的能耗比國(guó)外高30%~50%,效率低30%~40%。我國(guó)許多礦產(chǎn)資源復(fù)雜難選、有用礦物嵌布粒度粗細(xì)差別較大,一段磨礦很難達(dá)到多金屬礦物充分解離,難以滿足分選的要求,且造成磨礦能耗大幅度提高。為了實(shí)現(xiàn)資源的綜合回收,宜優(yōu)先采用階段磨礦、階段選別技術(shù)。對(duì)于礦石的再磨和細(xì)磨傳統(tǒng)的球磨機(jī)已不再滿足要求,由此人們開始了各種新型節(jié)能高效細(xì)磨粉碎設(shè)備的研制和完善。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)。立式螺旋磨礦機(jī)已經(jīng)被用來(lái)滿足金屬礦的高處理量需求,作為一種立式低速攪拌磨,它采用螺旋狀的攪拌器來(lái)攪動(dòng)磨礦介質(zhì),這種磨礦機(jī)多應(yīng)用于磨至P80(80%的顆粒通過粒度)為15~30μm的再磨回路中。立式螺旋磨礦機(jī)與普通球磨機(jī)相比能耗可降低40%~60%,這是因?yàn)槭褂玫哪サV介質(zhì)間的應(yīng)力是重力的30~33倍,并且最終所需產(chǎn)品可以迅速地排出機(jī)體。同時(shí),立式螺旋磨礦機(jī)噪音小、振動(dòng)小,降低了額外的除噪設(shè)施費(fèi)用,還可大大減少維護(hù)和修理費(fèi)用。目前,我國(guó)僅有部分廠家、科研單位可以生產(chǎn)干、濕式立式螺旋磨礦機(jī),并在黃金、冶金、化工等行業(yè)得到一定應(yīng)用。我國(guó)第一臺(tái)自制的MQL-500型立式(塔式)磨礦機(jī)就是在20世紀(jì)80年代初期由冶金部秦皇島黑色冶金礦山設(shè)計(jì)院與地質(zhì)礦產(chǎn)部南昌化驗(yàn)制樣機(jī)廠聯(lián)合設(shè)計(jì)制造的。然而,國(guó)內(nèi)的立式螺旋磨礦機(jī)品種少、規(guī)格小,在結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、磨礦介質(zhì)等許多方面還有待改進(jìn),基礎(chǔ)理論研究也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后國(guó)外,需要進(jìn)一步加強(qiáng)。1立式螺旋磨礦機(jī)立式螺旋磨礦機(jī)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示,由筒體、機(jī)架、傳動(dòng)裝置和螺旋攪拌器等組成,它是一種垂直安裝帶有螺旋攪拌裝置的細(xì)磨設(shè)備。筒體內(nèi)部裝有一定量的磨礦介質(zhì),如鋼球、礫石及瓷球等。物料可由磨機(jī)上部或下部給入,在經(jīng)減速后的螺旋攪拌器的帶動(dòng)下,物料和磨礦介質(zhì)在磨機(jī)內(nèi)部作整體的多循環(huán)運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。利用磨礦介質(zhì)重力和擠壓力產(chǎn)生的摩擦、沖擊和剪切作用力,物料能夠被有效地粉碎。濕式塔式磨粉碎后的物料由機(jī)體溢流進(jìn)入水力分級(jí)機(jī),在分級(jí)機(jī)作用下,粗粒沉向下方,通過管道被泥漿泵吸入并返回機(jī)體再磨,水力分級(jí)機(jī)的溢流即為細(xì)粒級(jí)產(chǎn)品。立式螺旋磨礦機(jī)除了有濕式機(jī)型外,還有干式機(jī)型,其結(jié)構(gòu)與濕式磨基本相同,只是用旋風(fēng)分離器代替了水力分級(jí)機(jī),用鼓風(fēng)機(jī)代替了泥漿泵。立式螺旋磨礦機(jī)屬中低速運(yùn)轉(zhuǎn),具有較高的介質(zhì)充填高度,能量利用率高,但是該機(jī)筒體太高,維護(hù)和檢修不太方便。2設(shè)備安裝節(jié)能低由于立式螺旋磨礦技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中具有許多優(yōu)點(diǎn),如投資成本低,占地面積小,設(shè)備基礎(chǔ)簡(jiǎn)單、尺寸小,安裝更加快捷;操作成本低,節(jié)能高效磨礦,磨礦介質(zhì)消耗低,維護(hù)保養(yǎng)要求低;還有運(yùn)行安靜,適用性高,操作安全,易于實(shí)現(xiàn)常規(guī)和優(yōu)化控制等,受到礦石選冶行業(yè)的越來(lái)越多的重視,并不斷地研究與完善。2.1表面磨剝的特點(diǎn)由于立式螺旋磨礦機(jī)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù),具有如下顯著特性:1)磨剝離特性。在細(xì)磨和超細(xì)磨時(shí),粉磨作用以磨剝離為主,如圖2,并伴有少量的剪切和沖擊作用。這樣可以在充分利用能量有效研磨物料的同時(shí)保持物料原有晶格形狀。物料隨著粒度直徑減小,裂縫較少,利用沖擊方法粉磨物料粒度越細(xì)越難,而利用表面磨剝方法是最有效的方法。與臥式球磨機(jī)相比,節(jié)能40%~60%。2)分層研磨特性。由于攪拌提升的葉輪轉(zhuǎn)速較低,離心運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的擠壓力可以忽略。則在磨礦區(qū)域的介質(zhì)表面壓力可近似為介質(zhì)重量壓力。介質(zhì)表面壓力由上至下逐級(jí)遞增,物料粒度也逐級(jí)增大,磨礦作用不斷增強(qiáng),從而能夠使不同粒級(jí)礦物得到有效研磨。3)內(nèi)部分級(jí)特性。由于磨機(jī)筒體較高,磨機(jī)下部為“磨礦區(qū)域”,磨機(jī)上部為“分級(jí)區(qū)域”。細(xì)粒利用液體(濕磨)和空氣(干磨)上升帶出,粗粒留在磨機(jī)筒體內(nèi)再磨,減少了過粉磨。該結(jié)構(gòu)可以連續(xù)大量生產(chǎn)均勻合格的超細(xì)產(chǎn)品。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。因?yàn)榱⒛C(jī)是低速型攪拌磨礦機(jī),主要利用摩擦磨礦,而且筒體固定不動(dòng)。與振動(dòng)磨、臥式球磨機(jī)、高速?zèng)_擊磨、砂磨機(jī)相比振動(dòng)小,噪音低。2.2高溫?zé)煔庋心シ⑹铰菪サV機(jī)的細(xì)磨作用是通過螺旋攪拌器把動(dòng)力直接施加于研磨介質(zhì)上實(shí)現(xiàn)的。對(duì)小于40μm的物料,立式螺旋磨礦機(jī)比球磨機(jī)更為有效,主要在于它們通常都使用更小的磨球,并以更慢的速度運(yùn)轉(zhuǎn),而摩擦研磨比沖擊破碎更為有效。立式螺旋磨礦機(jī)只能使物料磨至大約20μm,如果要超細(xì)磨至小于20μm,其能效則低于新型的高強(qiáng)度攪拌磨機(jī)(如Isa磨)或研碎機(jī)。因?yàn)樗鼈兡苁褂煤芗?xì)的磨礦介質(zhì)和達(dá)到很高的強(qiáng)度,這兩個(gè)特點(diǎn)都會(huì)大大地促進(jìn)摩擦作用。為了使磨礦產(chǎn)品達(dá)到所需粒度,就需要對(duì)磨礦過程中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,使其在能耗最小的條件下獲得最大處理量。由于磨機(jī)中介質(zhì)顆粒要與高濃度礦漿完全混合,需要施加較高的功率強(qiáng)度。運(yùn)行過程中有很多過程控制參數(shù),如磨機(jī)轉(zhuǎn)速、礦漿濃度、介質(zhì)裝載量、介質(zhì)材質(zhì)等。2.3立式螺旋磨礦機(jī)的研磨振動(dòng)分析J.帕里在TeckCominco’s公司的紅狗礦山中進(jìn)行了磨礦試驗(yàn),以對(duì)比高速攪拌磨機(jī)和立式螺旋磨礦機(jī)的磨礦效果。發(fā)現(xiàn)不同磨機(jī)導(dǎo)致的礦物解離之間的差別與應(yīng)力強(qiáng)度變化有關(guān),從而導(dǎo)致了碎裂機(jī)理的不同。A.JANKOVIC對(duì)立式磨機(jī)的介質(zhì)應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行了分析研究,研究指出對(duì)于一個(gè)給定的能量輸入,存在著一個(gè)最佳應(yīng)力強(qiáng)度范圍來(lái)獲得細(xì)粒產(chǎn)品,并通過試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)指出攪拌速度、介質(zhì)尺寸和礦漿濃度都會(huì)影響到能量消耗。高速攪拌磨機(jī)主要通過摩擦起作用,而立式螺旋磨礦機(jī)通過摩擦和碰撞聯(lián)合起作用。通過摩擦而進(jìn)行的磨礦能夠提高復(fù)雜的細(xì)粒嵌布的礦物或精礦的單體解離。對(duì)于P80為22~23μm的磨礦粒度而言,立式螺旋磨礦機(jī)溢流產(chǎn)品與其它磨機(jī)的磨礦產(chǎn)品相比,具有較窄的粒度分布。用于計(jì)算立式螺旋磨礦機(jī)破碎率的連續(xù)破碎分布函數(shù)最早由Kelsall等人提出,并由Austin和Weller給出完整方程。常用的平衡方程表述為:其中G為固體物料流量,H為磨機(jī)內(nèi)部固體物料量,fi為給入磨機(jī)中粒度i的質(zhì)量,Wi為磨機(jī)內(nèi)粒度i的質(zhì)量,Ki為粒度i物料的粉碎量,bi-j為函數(shù),Pi排礦中粒度i的質(zhì)量,下標(biāo)A,B,C為三個(gè)理想攪拌器中物料停留時(shí)間分布。除了研究磨機(jī)內(nèi)的磨礦粒度分布外,邦德功指數(shù)也在國(guó)內(nèi)外被廣泛用于碎磨設(shè)備的選擇、計(jì)算、碎磨過程的效率評(píng)價(jià),以及磨礦介質(zhì)、功耗及鋼耗的估算等方面。但是由于邦德功指數(shù)的測(cè)定、計(jì)算及按其功指數(shù)值對(duì)工業(yè)磨機(jī)的選擇、計(jì)算均按根據(jù)試驗(yàn)而建立的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行,其偏差較大。國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究,試圖改進(jìn)邦德功指數(shù)的測(cè)定方法。SachihitoNitta等人對(duì)立式螺旋磨礦機(jī)磨礦動(dòng)力學(xué)中的邦德功指數(shù)(Wi)和均勻常數(shù)(n)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,在相關(guān)系數(shù)為0.885時(shí)得出下列關(guān)系式:并在22組試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。礦石的易磨性是確定磨機(jī)規(guī)格的主要參數(shù),邦德功指數(shù)體現(xiàn)了磨機(jī)內(nèi)礦石的易磨性,而通過小型磨機(jī)試驗(yàn)獲得的同樣能夠體現(xiàn)易磨性的參數(shù)n能夠很大程度上幫助磨機(jī)的設(shè)計(jì)者確定立式螺旋磨礦機(jī)的實(shí)際參數(shù)。隨著現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,人們開始將計(jì)算機(jī)流場(chǎng)數(shù)值模擬技術(shù)與傳統(tǒng)分析相結(jié)合進(jìn)行立式螺旋磨礦機(jī)的放大設(shè)計(jì)研究。張國(guó)旺等人根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度,能量輸入放大原則等理論分析,從攪拌器結(jié)構(gòu),攪拌器軸功率和所需研磨滯留時(shí)間出發(fā),數(shù)值模擬出了立式螺旋磨礦機(jī)內(nèi)的流場(chǎng)速度分布,速度梯度等相關(guān)信息。MattSinnott等人對(duì)立式螺旋磨礦機(jī)及棒磨機(jī)兩類立式磨機(jī)的研磨介質(zhì)流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室3D離散元模型計(jì)算機(jī)模擬,同時(shí)對(duì)介質(zhì)流態(tài)、能量消耗率及分布、黏性流體結(jié)構(gòu)、設(shè)備磨損和混合以及傳輸效率等進(jìn)行了分析。研究表明立式螺旋磨礦機(jī)能夠在螺旋軸周圍產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流和介質(zhì)的軸向運(yùn)動(dòng),這使得所有的流動(dòng)和研磨行為呈圓柱對(duì)稱。螺旋外邊緣具有最大的線速度、壓力和介質(zhì)能量消耗率,并隨半徑大小的變化而變化。研究還發(fā)現(xiàn)立式螺旋磨礦機(jī)內(nèi)介質(zhì)之間滑動(dòng)產(chǎn)生的剪切力是物料粒徑減小的主要機(jī)理。不規(guī)則形狀的介質(zhì)與球形介質(zhì)運(yùn)動(dòng)行為有明顯的不同,如未經(jīng)處理的砂子或礦渣。而對(duì)礦漿流變學(xué)的研究表明,礦漿的高黏度將減緩介質(zhì)的運(yùn)動(dòng),但可以幫助介質(zhì)球體間顆粒的捕獲。低黏度時(shí),流體會(huì)潤(rùn)滑介質(zhì)從而降低研磨效率。而高濃度適宜于進(jìn)行細(xì)磨,低濃度更適合于粗粒給礦的研磨。人們除了在理論和實(shí)踐上對(duì)立式螺旋磨礦技術(shù)進(jìn)行不斷地改進(jìn)和完善外,伴隨著現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,還開始了利用計(jì)算機(jī)對(duì)立式螺旋磨礦技術(shù)進(jìn)行模擬仿真的研究,并取得了一定的成果。然而,無(wú)論是理論分析還是模擬仿真都是建立在一個(gè)理想條件之下,而實(shí)際情況復(fù)雜多變,要實(shí)現(xiàn)立磨技術(shù)的變革與發(fā)展,就需要更加全面地考慮各個(gè)影響因素并對(duì)理論進(jìn)行不斷的修正,同時(shí)還要善于利用現(xiàn)代科技手段來(lái)發(fā)展磨礦技術(shù)。2.4兩種磨機(jī)的對(duì)比研究表明,立式螺旋磨礦機(jī)無(wú)論是在單位質(zhì)量還是單位體積上都能提供更好的功率強(qiáng)度。立式螺旋磨礦機(jī)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。立式螺旋磨礦機(jī)磨礦效率高,粒度分布較窄,具有磨細(xì)和擦洗功能,能夠?qū)崿F(xiàn)磨礦細(xì)度,提高精礦品位。而普通球磨機(jī)不能保證供給小球以足夠的能量,磨礦效率較低,達(dá)不到細(xì)磨和擦洗的要求,且粒度分布較寬。普通球磨機(jī)處理物料的粒度是立式螺旋磨礦機(jī)的兩倍,它更適合處理粒度不均勻的給料,但能耗幾乎比立式螺旋磨礦機(jī)高了一倍。與攪拌磨機(jī)相比,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。由于使用直徑12mm的標(biāo)準(zhǔn)磨礦介質(zhì),立式螺旋磨礦機(jī)可將給料磨至P80=20μm左右。但要進(jìn)行超細(xì)磨時(shí),由于采用螺旋攪拌器,難以提高速度,要將磨礦產(chǎn)品的粒度再減小就比較困難了。應(yīng)用較小的磨礦介質(zhì)可以將物料磨得更細(xì),同時(shí)可以節(jié)能,但直徑小于12mm的鋼球的立式螺旋磨礦機(jī)經(jīng)常遇到鋼球從磨機(jī)中溢出的問題。要在節(jié)省能量的前提下將礦粒磨至-20μm,就需要用到攪拌磨,如Isa磨機(jī)和Detritor磨機(jī)。在超細(xì)磨礦技術(shù)應(yīng)用中,高速攪拌磨比立式螺旋磨能耗更低,更具有優(yōu)勢(shì)。通過技術(shù)比較可以發(fā)現(xiàn),不同的磨機(jī)具有不同的適用場(chǎng)合和應(yīng)用范圍。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垂直螺旋磨礦技術(shù)在礦山中的應(yīng)用3.1立式螺旋磨礦機(jī)在南非一鎳礦中為了保障最終精礦內(nèi)的硅石低于10%~12%,利用VertiMill立磨機(jī)對(duì)粗選精礦進(jìn)行了再磨,細(xì)度達(dá)到-38μm占80%,立磨再磨減少了金屬之間、金屬與脈石之間的連生狀態(tài),從而使硫化礦物與硅酸鹽充分解離。Isa礦業(yè)公司的Hilton選礦廠裝有一套閉路立式螺旋攪拌磨礦系統(tǒng),它能將給料從100μm磨至15μm,而需要獲取27μm左右的產(chǎn)品,其功耗僅為22kW·h/t。鉛鋅回收率增加了3%。墨西哥的一個(gè)選礦廠使用立式螺旋磨后,由于消除了球撞球或球撞襯板的不經(jīng)濟(jì)沖擊破碎方式,破球量大幅降低,且磨機(jī)內(nèi)的磨礦介質(zhì)可保持其形狀和有效性,介質(zhì)消耗量從原來(lái)的821g/t降低至429g/t,即減少了48%。所消耗的磨礦能量減少,磨礦介質(zhì)消耗量也相應(yīng)降低。多臺(tái)大型立式螺旋磨礦機(jī)安裝、使用已成為現(xiàn)實(shí)。美卓礦機(jī)在國(guó)外某個(gè)項(xiàng)目的二段磨礦中,安裝了16臺(tái)VTM-1500-WBs。較常規(guī)球磨機(jī),預(yù)計(jì)在礦山有效開采期內(nèi)僅能源和磨礦介質(zhì)降耗兩項(xiàng)就超過一億美元。目前,國(guó)外最大的立式螺旋磨礦機(jī)安裝功率2238kW,處理能力超過2kt/h。3.2立式螺旋磨礦機(jī)在選礦中立式螺旋磨礦機(jī)主要用在再磨回路中。當(dāng)磨機(jī)與小直徑旋流器成閉路和給料足夠細(xì)時(shí),立式螺旋磨礦機(jī)回路可產(chǎn)出很細(xì)的產(chǎn)品。洛鉬集團(tuán)一選礦廠于2003年用立式螺旋磨礦機(jī)替代傳統(tǒng)的溢流型再磨球磨機(jī),并與水力旋流器形成閉路作業(yè)。改造后各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)如表1所示。由表1可以看出,再磨設(shè)備的更新改造提高了礦物的單體解離度,加上其擦洗作用,使得改造后精礦品位及回收率都有顯著提高。乳山金礦選礦廠用Φ1m立式螺旋磨代替原有Φ1200mm×2400mm球磨機(jī),磨礦細(xì)度-43μm含量提高了8.3%。氰化浸出率提高4.88%,金屬總回收率提高0.66%。按原礦計(jì),電耗降低51.66%,球耗降低22.66%,經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。立式螺旋磨礦機(jī)現(xiàn)已應(yīng)用在湖南、陜西、吉林、山東等地金礦,結(jié)合邊磨邊浸等工藝,可對(duì)某些含硫、含砷難處理金礦石進(jìn)行預(yù)處理。提金的關(guān)鍵是破壞黃鐵礦包裹,使金充分解離。Metprotech公司在南非用超細(xì)磨法處理毒砂和黃鐵礦浮選精礦經(jīng)二段沸騰焙燒后的焙砂。國(guó)內(nèi)也做了大量工作,證明低速攪拌磨特別是立式螺旋磨礦機(jī)作