攪拌磨設(shè)備的發(fā)展及應(yīng)用

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，礦產(chǎn)資源的需求越來越高，但簡單地使用礦產(chǎn)資源和粗粒度礦產(chǎn)資源的好采生產(chǎn)源越來越少。在這種情況下,以往人們認(rèn)為選別價值低的低品位復(fù)雜難選礦石也逐漸進(jìn)入了人們的視線,處理復(fù)雜礦物成為了選礦、冶煉行業(yè)的挑戰(zhàn)。礦物選別的前提條件是有用礦物與脈石礦物的解離,為了達(dá)到復(fù)雜組成礦物中有用礦物的解離粒度,磨礦作業(yè)被要求生產(chǎn)出越來越細(xì)的磨礦產(chǎn)品。國外以澳大利亞為例,20世紀(jì)70年代選礦標(biāo)準(zhǔn)為給礦粒度P磨礦是一個能耗巨大的過程,據(jù)統(tǒng)計,全世界每年因為礦石磨細(xì)所消耗的電能占總發(fā)電量的3%~5%1超細(xì)攪拌研磨的特點多年來世界各國已開發(fā)出多種超細(xì)粉磨設(shè)備,如振動磨、膠體磨、離心磨、氣流磨及攪拌磨等。在上述超細(xì)粉磨設(shè)備中,攪拌磨具有能量密度高,占用空間小,粉磨效率高,工藝簡單和產(chǎn)品粒度分布均勻等特點,因此越來越受到重視并得到了發(fā)展。攪拌磨由充填了研磨介質(zhì)的研磨筒和一個旋轉(zhuǎn)的攪拌器構(gòu)成。旋轉(zhuǎn)的攪拌器帶動研磨介質(zhì)運動,研磨介質(zhì)產(chǎn)生沖擊、剪切和摩擦作用,使物料被超細(xì)粉碎、混合與分散。一般情況下,攪拌器的邊緣線速度可達(dá)4~20m/s圖1為Metso公司的球磨機(jī)與攪拌磨能耗分析對比,可以看出,使用傳統(tǒng)球磨機(jī)在粗磨階段(P2立式攪拌磨機(jī)國外攪拌磨的研制工作從20世紀(jì)40年開始,到60年代攪拌磨技術(shù)得到了迅速發(fā)展。國外立式攪拌磨機(jī)的代表機(jī)型有UnionProcess公司的Attritor磨機(jī),Netzsch公司的砂磨機(jī),Metso公司的Verti磨機(jī)及StirredMediaDetritor(SMD)磨機(jī);臥式磨機(jī)的代表機(jī)型為Xstrata公司的Isa磨機(jī)。2.1smd磨機(jī)Metso公司生產(chǎn)的StirredMediaDetritor(SMD)是一種立式攪拌磨,如圖2所示,磨機(jī)筒體為八面體形,研磨室的高度與直徑比為1∶1SMD磨機(jī)目前已廣泛應(yīng)用于包括鉛、鋅、銅、鉑族等金屬礦的磨礦作業(yè)中。如澳大利亞ZinifexCentury礦山安裝了21臺SMD磨機(jī),單臺裝機(jī)功率為335kW,6臺用于再磨,15臺用于細(xì)磨。在細(xì)磨回路,SMD磨機(jī)與直徑為2in的旋流器組成閉路。給礦粒度為F澳大利亞Tasmania銅礦選用SMD磨機(jī)(355kW)對掃選精礦和精選尾礦進(jìn)行再磨,將F2.2在再磨中的應(yīng)用Verti磨機(jī)由Metso公司提供,為一種立式攪拌磨,使用螺旋式攪拌器對垂直安裝于磨腔內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)行攪拌,攪拌器邊緣線速度約為3m/s,研磨介質(zhì)一般為標(biāo)準(zhǔn)的12mm鋼球。使用Verti磨機(jī)處理粗顆粒礦石時,介質(zhì)的最大直徑可達(dá)30mm。礦漿從磨機(jī)下部給入,經(jīng)筒體內(nèi)介質(zhì)研磨后,磨礦產(chǎn)品從磨機(jī)的頂部溢出Verti磨機(jī)多用于二段磨礦、再磨、超細(xì)磨等作業(yè),可接受粗至6mm的給礦粒度,磨礦產(chǎn)品可達(dá)到20uf06dm以下。Verti磨機(jī)在礦山中的應(yīng)用主要集中在再磨領(lǐng)域,當(dāng)塔磨機(jī)與小直徑的旋流器組成閉路,給料足夠細(xì)時,塔磨-旋流器系統(tǒng)可用來生產(chǎn)更細(xì)的磨礦產(chǎn)品。如澳大利亞某鉛鋅選廠使用塔磨與150mm旋流器組成閉路系統(tǒng),系統(tǒng)給料為F截至目前,已有300多臺Verti磨機(jī)在世界范圍內(nèi)投入運行,Metso公司最大的Verti磨機(jī)功率已達(dá)2240kW,2010年已安裝在澳大利亞新南威爾士州的CadiaValley金礦的第三段磨礦中。國內(nèi)也有5臺Verti磨機(jī)訂貨,最大的是金川集團(tuán)訂購的VTM1250,將應(yīng)用在廣西銅渣項目中,裝機(jī)功率為1250kW,目前還沒有運行。2.3isa磨機(jī)Isa磨機(jī)是由MountIsa礦山與德國Netzsch公司共同研制的,它是由顏料工業(yè)所用的Netzsch攪拌磨按比例放大改進(jìn)過來的。第一臺Isa磨機(jī)M500型于1992年在澳大利亞MountIsa的Hilton鉛鋅選廠投入運行Isa磨機(jī)最早應(yīng)用于澳大利亞的MountIsa礦山。在鋅粗精礦再磨流程中,利用Isa磨機(jī)將塔磨與旋流器回路的溢流產(chǎn)品(F截至目前,Isa磨機(jī)已在世界范圍內(nèi)安裝了100余臺,總安裝功率已超過16萬kW。Xstrata公司目前生產(chǎn)的最大的Isa磨機(jī)為M50000型,裝機(jī)功率達(dá)8000kW,總?cè)莘e50m3國內(nèi)研磨磨法的應(yīng)用我國超細(xì)攪拌磨機(jī)的研制始于20世紀(jì)70年代初,到目前為止,已有40年的發(fā)展歷程,取得了較大的進(jìn)步。3.1細(xì)磨或再磨作用國內(nèi)立式攪拌磨機(jī)的代表機(jī)型有長沙礦冶研究院研制的JM系列立式螺旋攪拌磨機(jī),如圖5所示,已廣泛應(yīng)用于金礦、鉬礦、銅礦、鉛鋅礦、錳礦、鐵礦和鎳礦等選廠的細(xì)磨或再磨作業(yè)中。例如該攪拌磨機(jī)在金礦邊磨邊浸過程中,磨礦介質(zhì)與礦料之間強(qiáng)烈的剝磨作用,破壞了物料顆粒表面的擴(kuò)散界面層,從而加快了化學(xué)反應(yīng)速度,提高了浸出率。應(yīng)用于黃金等礦山,給料粒度-74uf06dm≥60%,產(chǎn)品細(xì)度-38uf06dm≥95%。該攪拌磨機(jī)專利產(chǎn)品已在金川、德興、金堆城、洛鉬集團(tuán)、柿竹園多金屬礦、中國黃金、山東黃金、招遠(yuǎn)黃金、福建紫金和云南銅業(yè)等大型礦山應(yīng)用400多臺。3.2gj5。2.大型雙槽高強(qiáng)度混凝土磨機(jī)國內(nèi)最大容積的攪拌磨機(jī)是由北京礦冶研究總院研發(fā)的GJ5×2大型雙槽高強(qiáng)度攪拌磨機(jī),容積為10m3.3大型超細(xì)攪拌磨機(jī)大型超細(xì)攪拌磨機(jī)有長沙礦冶研究院聯(lián)合專業(yè)機(jī)械廠研制的非礦專用型LXJM系列、江蘇BP系列和湖南超牌化工有限公司CYM系列等大型超細(xì)攪拌磨機(jī),主要應(yīng)用于超細(xì)重鈣、滑石、螢石、高嶺土和水煤漿等非金屬礦的生產(chǎn)加工中。其中CYM-5000型攪拌磨機(jī)采用了多邊形筒體和盤式攪拌器,磨腔高徑比較大,容積為5m4應(yīng)力強(qiáng)度與單位能耗的關(guān)系早期對于攪拌磨的研究主要集中在使用不同類型的攪拌磨對各種材料進(jìn)行粉碎研磨試驗研究,而對攪拌磨超細(xì)粉碎的運動特性、動力學(xué)模型等的基礎(chǔ)理論研究的較少。這主要是由于攪拌磨內(nèi)磨礦介質(zhì)的運動情況較復(fù)雜,故難以對介質(zhì)運動受力等情況進(jìn)行有效具體的分析。隨著計算機(jī)的發(fā)展,使用計算流體力學(xué)(CFD)、離散單元法(DEM)等分析手段進(jìn)行數(shù)值模擬,已成功應(yīng)用到了攪拌磨的粉磨理論研究中。張國旺使用計算流體力學(xué)軟件CFX對超細(xì)攪拌磨的流場進(jìn)行了模擬。通過對螺旋式攪拌器、棒式攪拌器和盤式攪拌器的模擬流場進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)圓盤攪拌磨在圓周方向上的流場具有完全的周期對稱性,不存在任何速度梯度;而棒式和螺旋式攪拌磨內(nèi)的流場不具有圓周方向完全的周期性,棒式攪拌磨在圓周方向上具有最明顯的速度梯度。從剪切率的角度分析,盤式攪拌磨內(nèi)流場剪切率大的體積分?jǐn)?shù)最小,螺旋攪拌磨內(nèi)流場剪切率大的體積分?jǐn)?shù)最大,但分布均勻性較棒形攪拌磨低郝靜如等人用有限元流體動力學(xué)分析軟件對其研制的鼠籠式攪拌磨內(nèi)漿液流體場進(jìn)行了計算。結(jié)果表明,在攪拌器轉(zhuǎn)子所在位置沿半徑方向內(nèi)、外各存在一個具有高速度梯度的環(huán)形區(qū)域,該區(qū)域是磨礦效果顯著的主要工作區(qū)域M.Becker等人通過在攪拌磨內(nèi)研磨石灰石和電熔剛玉,研究了相同磨礦粒度條件下,攪拌器轉(zhuǎn)速、介質(zhì)密度及大小、介質(zhì)與被研磨物料的楊氏模量對單位磨礦能耗的影響。試驗結(jié)果顯示,在達(dá)到指定的磨礦粒度條件下,攪拌器轉(zhuǎn)速、介質(zhì)密度及大小對單位磨礦能耗有明顯的影響。此外,在研磨電熔剛玉的試驗中還發(fā)現(xiàn),磨礦介質(zhì)與被研磨顆粒的楊氏模量對磨礦能耗也有影響,表現(xiàn)在每次應(yīng)力事件中,對于具有高楊氏模量的被研磨物料,介質(zhì)傳遞給被研磨顆粒的能量大小取決于介質(zhì)的楊氏模量;而對于低楊氏模量的被研磨物料,傳遞能量的大小幾乎與磨礦介質(zhì)的楊氏模量無關(guān)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),可以將攪拌器轉(zhuǎn)速、介質(zhì)密度及大小、介質(zhì)楊氏模量對磨礦能耗的影響概括為應(yīng)力強(qiáng)度的影響,并且應(yīng)力強(qiáng)度與應(yīng)力事件中介質(zhì)傳遞到被研磨物料上的能量成正比。對于一定的應(yīng)力強(qiáng)度,磨礦產(chǎn)品粒度與能量輸入是存在一定關(guān)系的。所以,可以將應(yīng)力強(qiáng)度與單位能耗看作是攪拌磨中影響粉磨效果的綜合參數(shù)ArnoKwade等人對攪拌磨內(nèi)應(yīng)力強(qiáng)度與應(yīng)力事件在不同物料上的粉碎特性進(jìn)行了研究。應(yīng)力事件發(fā)生的概率與介質(zhì)間的碰撞次數(shù)、介質(zhì)捕獲被研磨顆粒的概率及被研磨顆粒的數(shù)量有關(guān),并提出介質(zhì)捕獲被研磨顆粒的概率與介質(zhì)間有效空間的概念A(yù).Jankovic等利用不同結(jié)構(gòu)的攪拌磨機(jī)研究了攪拌器轉(zhuǎn)速、介質(zhì)類型及大小、磨礦濃度、給礦及產(chǎn)品的粒度等參數(shù)變化對磨礦性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),介質(zhì)特性、礦漿特性及攪拌器轉(zhuǎn)速對磨礦效率都有明顯的影響,而且選用的磨礦介質(zhì)與被研磨顆粒的大小之比對磨礦效果有重要影響。作者還采用應(yīng)力強(qiáng)度的概念綜合了這些參數(shù)變化,并通過應(yīng)力強(qiáng)度分析發(fā)現(xiàn),在最佳的應(yīng)力強(qiáng)度范圍內(nèi),磨礦效率是最高的,即在一定的能量輸入下能獲得更細(xì)的產(chǎn)品粒度MattSinnott等人通過DEM的方法對中試規(guī)模的具有螺旋攪拌器與棒形攪拌器的立式磨機(jī)進(jìn)行了研究。對介質(zhì)流態(tài)、能量吸收率及分布、設(shè)備磨損、相關(guān)流動結(jié)構(gòu)、混合及輸送效率進(jìn)行了分析。模擬結(jié)果顯示,在有螺旋攪拌器的立式磨機(jī)內(nèi),介質(zhì)在螺旋軸周圍形成了明顯的強(qiáng)回旋流,并沿著螺旋軸方向形成了軸向循環(huán),介質(zhì)在與螺旋葉片外緣直徑相當(dāng)?shù)囊粋€圓柱體范圍內(nèi)被提升,在葉片外緣與筒體內(nèi)壁的環(huán)形區(qū)域內(nèi)緩慢向下運動,這種介質(zhì)的運動方式在磨機(jī)內(nèi)是柱對稱的,并且與介質(zhì)所在的高度無關(guān)。螺旋葉輪外緣處有最大的速度、壓力及介質(zhì)能量吸收率(磨礦行為的能量來源),這種特征隨著半徑的變化而減小,這種徑向上的速度與能量分布能改善混合作用并提高磨礦性能。吸收的能量主要耗散在剪切、磨剝作用上,同時,剪切作用也是磨機(jī)桶壁及攪拌器磨損的主要原因。螺旋立式攪拌磨機(jī)內(nèi)絕大多數(shù)的介質(zhì)都參與磨礦,擁有高的介質(zhì)磨礦參與率;在棒形攪拌器的立式磨機(jī)內(nèi),高壓帶產(chǎn)生在棒周圍的介質(zhì)區(qū)及主軸附近的區(qū)域,介質(zhì)在磨機(jī)中部及上部區(qū)域都做圓周運動,僅伴隨著很小的豎直方向的隨機(jī)運動,磨機(jī)內(nèi)的混合作用不如螺旋攪拌磨。隨著磨機(jī)內(nèi)高度的上升,介質(zhì)的能量吸收率明顯下降,并且大的介質(zhì)能量吸收率主要集中在棒的附近,最大的能量吸收率是在離磨機(jī)底部很近的兩根棒周圍,大多數(shù)的磨礦行為都來自于該區(qū)域,介質(zhì)的磨礦參與率不高,大部分介質(zhì)并沒有參與磨礦C.T.Jayasundara等人用DEM的數(shù)值模擬方法對一個簡化了的只充填介質(zhì)的臥式攪拌磨進(jìn)行了不同特性介質(zhì)在磨機(jī)內(nèi)的流動狀態(tài)研究。這些介質(zhì)特性包括介質(zhì)間的滑動摩擦系數(shù)、介質(zhì)間的彈性恢復(fù)系數(shù)、介質(zhì)密度及大小。從介質(zhì)的速度分布、空間分布、碰撞頻率、碰撞強(qiáng)度及驅(qū)動介質(zhì)運動的能量消耗方面分析了介質(zhì)在磨機(jī)內(nèi)的流動狀態(tài)。研究表明,通過降低介質(zhì)間的滑動摩擦系數(shù),可以提高介質(zhì)的活躍程度;高彈性恢復(fù)系數(shù)有助于介質(zhì)間的高碰撞頻率及碰撞強(qiáng)度,更有利于磨礦作用;密度較大的介質(zhì)也有高碰撞頻率及碰撞強(qiáng)度,但需要更多的能量消耗;在一定的介質(zhì)充填率下,小介質(zhì)擁有更高的碰撞頻率,大介質(zhì)有更高的碰撞強(qiáng)度MattSinnott等人近期還用DEM模擬的方法對螺旋立式攪拌磨內(nèi)介質(zhì)形狀對介質(zhì)流態(tài)及能量利用率的影響進(jìn)行了研究。在使用不同形狀介質(zhì)(球形與塊形介質(zhì))進(jìn)行模擬的情況下,得到了攪拌磨內(nèi)介質(zhì)輸送、應(yīng)力分布、能量耗散及磨損等方面的區(qū)別。模擬結(jié)果顯示,非球形的磨礦介質(zhì)導(dǎo)致了磨礦有效空間的減少、介質(zhì)間碰撞強(qiáng)度的減弱和磨機(jī)整體能耗的降低;此外,不規(guī)則的介質(zhì)容易在磨機(jī)內(nèi)桶壁附近形成緊實的近似固體層,影響介質(zhì)的輸送及混合,增大了螺旋葉片的磨損。非球形的磨礦介質(zhì)將惡化磨礦效果5超細(xì)攪拌磨機(jī)(1)解離復(fù)雜礦物要求更細(xì)的磨礦粒度,攪拌磨因其具有能量密度高、占用空間小、磨礦能耗低和產(chǎn)品粒度分布均勻等特點而越來越受到重視與發(fā)展。(2)國外以Metso公司的Verti磨機(jī)及Stirred