高壓輥磨機技術在金屬礦山工程設計中的應用

周宏波

(中冶京誠(秦皇島)工程技術有限公司)

隨著金屬礦山企業經濟效益的提高，國家對高耗能企業“節能減排”方針政策落實的逐步加大，以及礦山企業面臨礦石日益“貧、細、雜”，多元素共生礦較多，嵌布粒度較細，所含組分復雜等現狀，高壓輥磨機做為21世紀一種高效的節能粉碎設備，正在被越來越多的國內大、中型金屬礦山企業認可［1-2］。

1 高壓輥磨機的粉碎原理和結構特點

1.1 高壓輥磨機的粉碎原理

高壓輥磨機是基于“集合體粉碎”原理的高效粉碎設備，實施的是料層(或料床)準靜壓粉碎，它利用層壓破碎原理使物料在被擠壓過程中顆粒表面和顆粒內部產生大量微裂紋、坍散、疏松，使輥磨產品的邦德功指數可大幅降低，提高物料的可磨性。高壓輥磨機工作原理見圖1，粉碎作用機制見圖2。

圖1 高壓輥磨機工作原理示意

1.2 高壓輥磨機的特點

高壓輥磨機做為金屬礦山行業內破碎設備的“新寵”，在各種類型的礦石破碎及其工藝應用中，其突出的特點越來越被人們所公認。

圖2 高壓輥磨機粉碎原理作用機制

1.2.1 高壓輥磨機的結構特點

(1)新型輥套取代整體磨輥，可更換的鑲套式結構，降低了維護成本，可針對不同性質的礦石，選擇合適的耐磨輥面形式和花紋形式(可選擇堆焊輥面的一字型花紋、菱形硬質點花紋、柱釘形式的輥面等)。

(2)液壓系統設計采用“恒壓力”柔性操作，替代了以前“恒輥縫”剛性操作模式。在提供強大壓力的同時，具有很強的緩沖能力，在意外通過異物或鐵塊時，可有效地保護高壓輥磨機不受損傷。

(3)輥套及減速機、萬向節等主要傳動裝置的維護操作簡單、方便。

(4)主要配套件已經國產化，解除了用戶配套件供應的后顧之憂，又滿足了工藝性能及設備可靠性的要求。

1.2.2 高壓輥磨機的應用特點

(1)高壓輥磨機做為一種成熟、高效的破碎設備得到了有效快速的推廣，設備作業率高且設備運行平穩，工程設計中可以采用與球磨機一樣的作業率，設備適應性強，對于處理粒級范圍較寬的礦石及含水含泥較高的礦石，都能進行有效的處理加工。

(2)做為一種新型節能設備，很好的體現了“多碎少磨、能丟早丟”原則;可改善礦石的邦德功指數，提高礦石的可磨性，使后續各段工序的指標得到明顯改善。

(3)從工程設計的角度上看，高壓輥磨機的參與，使得工藝流程趨于簡單、完善，在工藝流程中承擔的角色更多，可以做為第3段細碎設備取代破碎比較小的細碎破碎機，也可以做為第4段超細碎設備承擔磨礦部分角色，減少磨礦能耗。

(4)高壓輥磨機是一種環境友好型設備，設備運行在相對封閉的系統，設備數量少，防塵點少，除塵簡單。

2 高壓輥磨機的設備選型

2.1 高壓輥磨機的能力計算

高壓輥磨機的設備選擇，應該由設計單位在試驗的基礎上進行選擇，試驗單位在報告中應該對物料粉碎試驗中各項內容進行試驗及探索，包括顆粒床壓載粉碎試驗、輥面磨損試驗 、壓餅強度試驗、產物的球磨功指數試驗(或其他形式的磨礦試驗)及產物的后續選礦試驗等相關內容。

不同的礦山，礦石類型等基礎數據也不盡相同，需要綜合考慮各種給礦條件下的高壓輥磨機通過量的影響因素，主要包括礦石的給礦粒度、礦石硬度、礦石的密度及產品的粒度要求。

高壓輥磨機通過量的經驗計算公式為:

式中，Q為高壓輥磨機通過量，t/h;r為擠壓料餅的容重，一般按礦石密度的85%計，t/m3;s為擠壓料餅的厚度，m;B為高壓輥磨機輥子寬度，m;V為高壓輥磨機輥面的線速度，m/s。

2.2 高壓輥磨機的電機功率計算

設計中，一般由單位功耗值來進行計算，而單位功耗值也是由試驗進行確定的，高壓輥磨機單臺電機功率計算公式為:

式中，P為選擇的高壓輥磨機單臺電機功率，kW;P為高壓輥磨機計算處理能力，t/h;q為高壓輥磨機單機功耗，kWh/t。

2.3 設備選型中需要注意的問題

高壓輥磨機在進行設備選型時，除按上述公式計算確定能力和功率外，還應從工藝設計影響因素考慮設備的選型和修正，確保設備選型與生產能力相匹配［3］。

(1)高壓輥磨機的給料粒度一般應該為輥磨機直徑的2.8% ～3%;但是國內現行的大多數選礦廠來看，較成熟的做法是將高壓輥磨機做為第4段超細碎代替部分4段磨礦，建議給料粒度控制在20～35 mm，從而確保料層的有效擠壓，實現最優的破碎效果。

(2)根據高壓輥磨機的技術特點，金屬礦山所使用的輥面為碳化物－鑄釘結構，為使鑄釘間形成有效墊層以保護鑄釘，應該設計全粒級級別給礦。

(3)使用高壓輥磨工藝需要考慮邊料效應的影響，輥子長度越小，邊緣效應越大，建議選型考慮寬徑比較大的輥磨機

(4)高壓輥磨機的磨損件為輥體，輥面線速度為重要影響因素之一，國內一般不超過1.6 m/s，設備選型時可考慮變頻電機來調整輥面線速度，保持穩定生產。

3 高壓輥磨工藝在烏海德晟千里山設計中的應用

烏海德晟千里山冶金爐料有限公司隸屬內蒙古德晟實業集團，是自治區列為“雙百億工程”重點培育的大型骨干企業，設計的千里山選礦廠為鋼鐵配套的選礦廠。礦山開采方式為露天開采，供礦能力為400萬t/a。礦石經汽車運至選礦廠并直接卸入粗碎給礦倉內。

3.1 礦石性質分析

礦石化學多元素分析結果見表1，礦石鐵物相分析結果見表2。

表1 原礦化學多元素分析結果 %

由表1可知，礦石屬酸性貧鐵礦石，需要選礦排除的造渣組分主要是SiO2，其次是Al2O3，并含有一定量的CaO、MgO;礦樣中有害雜質硫較低，磷含量略高。

表2 原礦鐵物相分析結果 %

由表2可知，該礦石中磁性鐵含量占全鐵的59.70%，赤、褐鐵礦含量為25.97%;選礦須剔除的不溶鐵(主要為硅酸鐵)含量為1.72%，占全鐵的9.67%;同時還有部分菱鐵礦和硫化鐵。

3.2 選礦工藝試驗研究

3.2.1 選礦試驗

千里山選礦廠試驗推薦的選別流程為階段碎礦—階段干式拋尾—階段磨礦—階段選別—粗精再磨再選，其全流程試驗結果見表3。

表3 全流程試驗結果 %

由表3可知，采用階段碎礦—階段干式拋尾—階段磨礦—階段選別—粗精再磨再選流程，可獲得鐵品位為64.12%，鐵回收率為36.64%的鐵精礦。

3.2.2 高壓輥磨試驗

高壓輥在不同給礦粒度下，循環負荷不同。進行給料粒度分別為20～0 mm、15～0 mm和產品粒度分別為3～0 mm、2～0 mm和1～0 mm的高壓輥磨閉路試驗［4］，試驗結果見表4。

表4 不同給礦粒度和不同排礦粒度的高壓輥磨閉路試驗結果

由表4可知，當給礦粒度為20～0 mm，產品粒度為2～0 mm時，循環負荷為104.60%，可以作為設計的基礎數據。

3.3 設計流程的確定

根據高壓輥磨試驗結果，設計確定采用3段1閉路破碎—高壓輥磨—濕式篩分—濕式預磁選工藝。

3.3.1 破碎流程的確定

根據采出礦石粒度和入選粒度要求，設計采用3段1閉路破碎篩分、篩下產品干選流程。最終破碎系統工藝流程見圖3。

3.3.2 磨選流程的確定

根據千里山鐵礦礦石性質，依據試驗室小型試驗及高壓輥磨選礦試驗結果，設計推薦的磨選流程為高壓輥磨—濕式閉路篩分、篩下產品濕式預磁選—2段磨礦的階段磨礦、階段選別流程。最終磨選工藝流程見圖4。

圖3 千里山選廠破碎系統工藝流程

圖4 千里山選廠磨選工藝流程

3.4 設計工藝主要技術指標

設計工藝主要技術指標見表5。

表5 設計工藝主要技術指標

3.5 高壓輥磨及在工藝流程配置中的特點

千里山工程選用1臺CLM200-120型高壓輥磨機，為成都利君實業股份有限公司的設備。

(1)高壓輥磨機的工藝流程應通過高壓輥磨試驗和選礦工藝試驗相結合來確定，千里山工程礦石為典型的超貧磁鐵礦，采用3段1閉路破碎—高壓輥磨—濕式篩分—濕式預磁選工藝流程可大量的進行磨前拋尾，降低磨礦成本，達到節能降耗的目的。

(2)選取高壓輥磨機的工作制度與球磨機一樣，在輥磨機前后均設有緩沖礦倉，緩沖時間可根據具體的工藝布置進行選擇，該工程設計高壓輥磨前倉儲礦時間為12 h，高壓輥磨后倉儲礦時間為24 h，緩沖礦倉有高架式和地面式兩種，該工程設計為地面式。

(3)高壓輥磨機的恒壓穩流倉是設備為擠滿、穩定給礦而設置的，設計中應考慮儲料時間、倉的安裝及檢修更換等問題，穩壓倉與高壓輥磨機連接處應設有閥門裝置且為軟連接。

(4)根據處理礦石的性質(主要是礦石的硬度及含水率)，應考慮高壓輥磨機物料排礦打散的問題，以便后續作業能正常生產。

(5)高壓輥磨機的設備檢修應該考慮更換輥套時的最大重量，國內的高壓輥磨機都為新型的鑲套式結構，更換簡單，節省時間，可降低維護成本。

(6)當設計中選用2臺及2臺以上高壓輥磨設備時，需要考慮與之前后配套給礦設備的選型及配置，保證高壓輥磨機的正常、獨立工作，確保流程中處理量的平均分配，從而最大限度的發揮高壓輥磨機的作用。

4 結語

高壓輥磨機以其合理的粉碎原理、高效節能的的粉碎性能、良好的粉碎效果及在結構、材料和性能上的不斷改進，應用范圍不斷擴展。高壓輥磨工藝已經成為新建或改擴建金屬礦山選礦廠的重要考慮方案。千里山選礦廠的建設對我國多達數百億噸超貧磁鐵礦資源的開發利用具有一定的示范作用。

［1］羅主平，劉建華.高壓輥磨機在我國金屬礦山的應用與前景展望［J］.現代礦業，2009(3):14-18.

［2］葛新建.高壓輥磨工藝在我國冶金礦山的應用現狀［J］.現代礦業，2009(9):1-5.

［3］王世標.高壓輥磨機在金屬礦山的應用與設備選型［J］.現代礦業，2014(8):37-39.

［4］熊焰來，張永龍，許瑞超，等.高壓輥磨機技術及其在鐵礦的應用［C］∥2011年中國礦業科技大會論文集.馬鞍山:金屬礦山雜志社，2011(6):380-383.