立式螺旋磨矿机塔磨机的应用

立式螺旋磨矿机塔磨机的应用

随着富矿和易采资源的消耗，难以开采的比例增加。特别是在中国，我们必须解决一些共生关系复杂、包容粒度小的矿产资源的开发利用问题，精细粒分类已成为一个紧迫的解决方案。我国有大量金矿、弱磁性铁矿、锰矿、磷矿、铝土矿等因为矿物及伴生矿物嵌布粒度太细而无法有效分选,矿产资源的微细嵌布决定了必须对矿石细磨,使其单体解离,方能实现矿物的有效分选。有文献指出选矿厂破碎—磨矿作业的电耗占全厂总电耗的70%左右,其中磨矿约占60%以上。我国有色金属行业规模以上企业超过6800家,能耗约占全国能源消费量的3.5%。特别是碎磨作业的能耗比国外高30%~50%,效率低30%~40%。我国许多矿产资源复杂难选、有用矿物嵌布粒度粗细差别较大,一段磨矿很难达到多金属矿物充分解离,难以满足分选的要求,且造成磨矿能耗大幅度提高。为了实现资源的综合回收,宜优先采用阶段磨矿、阶段选别技术。对于矿石的再磨和细磨传统的球磨机已不再满足要求,由此人们开始了各种新型节能高效细磨粉碎设备的研制和完善。1928年Klein和Szegvari最先提出了搅拌磨机概念,1952年河端重胜博士发明塔磨机(TowerMill即立式螺旋磨矿机)。第一台在矿物加工应用的立式螺旋磨矿机是由日本Kubota公司制造的,Metso矿物公司于1979年取得该项技术,生产的磨机叫作VertiMill磨机。立式螺旋磨矿机已经被用来满足金属矿的高处理量需求,作为一种立式低速搅拌磨,它采用螺旋状的搅拌器来搅动磨矿介质,这种磨矿机多应用于磨至P80(80%的颗粒通过粒度)为15~30μm的再磨回路中。立式螺旋磨矿机与普通球磨机相比能耗可降低40%~60%,这是因为使用的磨矿介质间的应力是重力的30~33倍,并且最终所需产品可以迅速地排出机体。同时,立式螺旋磨矿机噪音小、振动小,降低了额外的除噪设施费用,还可大大减少维护和修理费用。目前,我国仅有部分厂家、科研单位可以生产干、湿式立式螺旋磨矿机,并在黄金、冶金、化工等行业得到一定应用。我国第一台自制的MQL-500型立式(塔式)磨矿机就是在20世纪80年代初期由冶金部秦皇岛黑色冶金矿山设计院与地质矿产部南昌化验制样机厂联合设计制造的。然而,国内的立式螺旋磨矿机品种少、规格小,在结构、材质、磨矿介质等许多方面还有待改进,基础理论研究也远远落后国外,需要进一步加强。1立式螺旋磨矿机立式螺旋磨矿机结构原理如图1所示,由筒体、机架、传动装置和螺旋搅拌器等组成,它是一种垂直安装带有螺旋搅拌装置的细磨设备。筒体内部装有一定量的磨矿介质,如钢球、砾石及瓷球等。物料可由磨机上部或下部给入,在经减速后的螺旋搅拌器的带动下,物料和磨矿介质在磨机内部作整体的多循环运动和自转运动。利用磨矿介质重力和挤压力产生的摩擦、冲击和剪切作用力,物料能够被有效地粉碎。湿式塔式磨粉碎后的物料由机体溢流进入水力分级机,在分级机作用下,粗粒沉向下方,通过管道被泥浆泵吸入并返回机体再磨,水力分级机的溢流即为细粒级产品。立式螺旋磨矿机除了有湿式机型外,还有干式机型,其结构与湿式磨基本相同,只是用旋风分离器代替了水力分级机,用鼓风机代替了泥浆泵。立式螺旋磨矿机属中低速运转,具有较高的介质充填高度,能量利用率高,但是该机筒体太高,维护和检修不太方便。2设备安装节能低由于立式螺旋磨矿技术应用于工业生产中具有许多优点,如投资成本低,占地面积小,设备基础简单、尺寸小,安装更加快捷;操作成本低,节能高效磨矿,磨矿介质消耗低,维护保养要求低;还有运行安静,适用性高,操作安全,易于实现常规和优化控制等,受到矿石选冶行业的越来越多的重视,并不断地研究与完善。2.1表面磨剥的特点由于立式螺旋磨矿机独特的结构和工作参数,具有如下显著特性:1)磨剥离特性。在细磨和超细磨时,粉磨作用以磨剥离为主,如图2,并伴有少量的剪切和冲击作用。这样可以在充分利用能量有效研磨物料的同时保持物料原有晶格形状。物料随着粒度直径减小,裂缝较少,利用冲击方法粉磨物料粒度越细越难,而利用表面磨剥方法是最有效的方法。与卧式球磨机相比,节能40%~60%。2)分层研磨特性。由于搅拌提升的叶轮转速较低,离心运动产生的挤压力可以忽略。则在磨矿区域的介质表面压力可近似为介质重量压力。介质表面压力由上至下逐级递增,物料粒度也逐级增大,磨矿作用不断增强,从而能够使不同粒级矿物得到有效研磨。3)内部分级特性。由于磨机筒体较高,磨机下部为“磨矿区域”,磨机上部为“分级区域”。细粒利用液体(湿磨)和空气(干磨)上升带出,粗粒留在磨机筒体内再磨,减少了过粉磨。该结构可以连续大量生产均匀合格的超细产品。4)高能效特性。磨机内独特的介质运动规律,即介质的多维运动和自转运动能够均衡地将螺旋器的能量弥散到各个部位,实现能量高效利用。因为立磨机是低速型搅拌磨矿机,主要利用摩擦磨矿,而且筒体固定不动。与振动磨、卧式球磨机、高速冲击磨、砂磨机相比振动小,噪音低。2.2高温烟气研磨法立式螺旋磨矿机的细磨作用是通过螺旋搅拌器把动力直接施加于研磨介质上实现的。对小于40μm的物料,立式螺旋磨矿机比球磨机更为有效,主要在于它们通常都使用更小的磨球,并以更慢的速度运转,而摩擦研磨比冲击破碎更为有效。立式螺旋磨矿机只能使物料磨至大约20μm,如果要超细磨至小于20μm,其能效则低于新型的高强度搅拌磨机(如Isa磨)或研碎机。因为它们能使用很细的磨矿介质和达到很高的强度,这两个特点都会大大地促进摩擦作用。为了使磨矿产品达到所需粒度,就需要对磨矿过程中的参数进行优化,使其在能耗最小的条件下获得最大处理量。由于磨机中介质颗粒要与高浓度矿浆完全混合,需要施加较高的功率强度。运行过程中有很多过程控制参数,如磨机转速、矿浆浓度、介质装载量、介质材质等。2.3立式螺旋磨矿机的研磨振动分析J.帕里在TeckCominco’s公司的红狗矿山中进行了磨矿试验,以对比高速搅拌磨机和立式螺旋磨矿机的磨矿效果。发现不同磨机导致的矿物解离之间的差别与应力强度变化有关,从而导致了碎裂机理的不同。A.JANKOVIC对立式磨机的介质应力强度进行了分析研究,研究指出对于一个给定的能量输入,存在着一个最佳应力强度范围来获得细粒产品,并通过试验对其进行了验证。同时指出搅拌速度、介质尺寸和矿浆浓度都会影响到能量消耗。高速搅拌磨机主要通过摩擦起作用,而立式螺旋磨矿机通过摩擦和碰撞联合起作用。通过摩擦而进行的磨矿能够提高复杂的细粒嵌布的矿物或精矿的单体解离。对于P80为22~23μm的磨矿粒度而言,立式螺旋磨矿机溢流产品与其它磨机的磨矿产品相比,具有较窄的粒度分布。用于计算立式螺旋磨矿机破碎率的连续破碎分布函数最早由Kelsall等人提出,并由Austin和Weller给出完整方程。常用的平衡方程表述为:其中G为固体物料流量,H为磨机内部固体物料量,fi为给入磨机中粒度i的质量,Wi为磨机内粒度i的质量,Ki为粒度i物料的粉碎量,bi-j为函数,Pi排矿中粒度i的质量,下标A,B,C为三个理想搅拌器中物料停留时间分布。除了研究磨机内的磨矿粒度分布外,邦德功指数也在国内外被广泛用于碎磨设备的选择、计算、碎磨过程的效率评价,以及磨矿介质、功耗及钢耗的估算等方面。但是由于邦德功指数的测定、计算及按其功指数值对工业磨机的选择、计算均按根据试验而建立的经验公式进行,其偏差较大。国内外有很多学者进行大量的试验研究,试图改进邦德功指数的测定方法。SachihitoNitta等人对立式螺旋磨矿机磨矿动力学中的邦德功指数(Wi)和均匀常数(n)之间的关系进行了研究,在相关系数为0.885时得出下列关系式:并在22组试验中得到了验证。矿石的易磨性是确定磨机规格的主要参数,邦德功指数体现了磨机内矿石的易磨性,而通过小型磨机试验获得的同样能够体现易磨性的参数n能够很大程度上帮助磨机的设计者确定立式螺旋磨矿机的实际参数。随着现代计算技术的发展,人们开始将计算机流场数值模拟技术与传统分析相结合进行立式螺旋磨矿机的放大设计研究。张国旺等人根据应力强度,能量输入放大原则等理论分析,从搅拌器结构,搅拌器轴功率和所需研磨滞留时间出发,数值模拟出了立式螺旋磨矿机内的流场速度分布,速度梯度等相关信息。MattSinnott等人对立式螺旋磨矿机及棒磨机两类立式磨机的研磨介质流动特性进行了实验室3D离散元模型计算机模拟,同时对介质流态、能量消耗率及分布、黏性流体结构、设备磨损和混合以及传输效率等进行了分析。研究表明立式螺旋磨矿机能够在螺旋轴周围产生强大的涡流和介质的轴向运动,这使得所有的流动和研磨行为呈圆柱对称。螺旋外边缘具有最大的线速度、压力和介质能量消耗率,并随半径大小的变化而变化。研究还发现立式螺旋磨矿机内介质之间滑动产生的剪切力是物料粒径减小的主要机理。不规则形状的介质与球形介质运动行为有明显的不同,如未经处理的砂子或矿渣。而对矿浆流变学的研究表明,矿浆的高黏度将减缓介质的运动,但可以帮助介质球体间颗粒的捕获。低黏度时,流体会润滑介质从而降低研磨效率。而高浓度适宜于进行细磨,低浓度更适合于粗粒给矿的研磨。人们除了在理论和实践上对立式螺旋磨矿技术进行不断地改进和完善外,伴随着现代计算技术的发展,还开始了利用计算机对立式螺旋磨矿技术进行模拟仿真的研究,并取得了一定的成果。然而,无论是理论分析还是模拟仿真都是建立在一个理想条件之下,而实际情况复杂多变,要实现立磨技术的变革与发展,就需要更加全面地考虑各个影响因素并对理论进行不断的修正,同时还要善于利用现代科技手段来发展磨矿技术。2.4两种磨机的对比研究表明,立式螺旋磨矿机无论是在单位质量还是单位体积上都能提供更好的功率强度。立式螺旋磨矿机与普通球磨机相比,它能够通过搅拌器及提升器输能,使磨机内有极高的功率密度,从而保证供给小球以足够的能量,研磨时间大大缩短。立式螺旋磨矿机磨矿效率高,粒度分布较窄,具有磨细和擦洗功能,能够实现磨矿细度,提高精矿品位。而普通球磨机不能保证供给小球以足够的能量,磨矿效率较低,达不到细磨和擦洗的要求,且粒度分布较宽。普通球磨机处理物料的粒度是立式螺旋磨矿机的两倍,它更适合处理粒度不均匀的给料,但能耗几乎比立式螺旋磨矿机高了一倍。与搅拌磨机相比,立式螺旋磨矿机属中低速运转,具有较高的介质充填率,螺旋搅拌器在细磨时能量利用率高。由于使用直径12mm的标准磨矿介质,立式螺旋磨矿机可将给料磨至P80=20μm左右。但要进行超细磨时,由于采用螺旋搅拌器,难以提高速度,要将磨矿产品的粒度再减小就比较困难了。应用较小的磨矿介质可以将物料磨得更细,同时可以节能,但直径小于12mm的钢球的立式螺旋磨矿机经常遇到钢球从磨机中溢出的问题。要在节省能量的前提下将矿粒磨至-20μm,就需要用到搅拌磨,如Isa磨机和Detritor磨机。在超细磨矿技术应用中,高速搅拌磨比立式螺旋磨能耗更低,更具有优势。通过技术比较可以发现,不同的磨机具有不同的适用场合和应用范围。细分磨机适用领域,不断强化其功能特性,将更有利于实现矿石粉磨过程的高效与节能。3垂直螺旋磨矿技术在矿山中的应用3.1立式螺旋磨矿机在南非一镍矿中为了保障最终精矿内的硅石低于10%~12%,利用VertiMill立磨机对粗选精矿进行了再磨,细度达到-38μm占80%,立磨再磨减少了金属之间、金属与脉石之间的连生状态,从而使硫化矿物与硅酸盐充分解离。Isa矿业公司的Hilton选矿厂装有一套闭路立式螺旋搅拌磨矿系统,它能将给料从100μm磨至15μm,而需要获取27μm左右的产品,其功耗仅为22kW·h/t。铅锌回收率增加了3%。墨西哥的一个选矿厂使用立式螺旋磨后,由于消除了球撞球或球撞衬板的不经济冲击破碎方式,破球量大幅降低,且磨机内的磨矿介质可保持其形状和有效性,介质消耗量从原来的821g/t降低至429g/t,即减少了48%。所消耗的磨矿能量减少,磨矿介质消耗量也相应降低。多台大型立式螺旋磨矿机安装、使用已成为现实。美卓矿机在国外某个项目的二段磨矿中,安装了16台VTM-1500-WBs。较常规球磨机,预计在矿山有效开采期内仅能源和磨矿介质降耗两项就超过一亿美元。目前,国外最大的立式螺旋磨矿机安装功率2238kW,处理能力超过2kt/h。3.2立式螺旋磨矿机在选矿中立式螺旋磨矿机主要用在再磨回路中。当磨机与小直径旋流器成闭路和给料足够细时,立式螺旋磨矿机回路可产出很细的产品。洛钼集团一选矿厂于2003年用立式螺旋磨矿机替代传统的溢流型再磨球磨机,并与水力旋流器形成闭路作业。改造后各项生产指标如表1所示。由表1可以看出,再磨设备的更新改造提高了矿物的单体解离度,加上其擦洗作用,使得改造后精矿品位及回收率都有显著提高。乳山金矿选矿厂用Φ1m立式螺旋磨代替原有Φ1200mm×2400mm球磨机,磨矿细度-43μm含量提高了8.3%。氰化浸出率提高4.88%,金属总回收率提高0.66%。按原矿计,电耗降低51.66%,球耗降低22.66%,经济效益非常可观。立式螺旋磨矿机现已应用在湖南、陕西、吉林、山东等地金矿,结合边磨边浸等工艺,可对某些含硫、含砷难处理金矿石进行预处理。提金的关键是破坏黄铁矿包裹,使金充分解离。Metprotech公司在南非用超细磨法处理毒砂和黄铁矿浮选精矿经二段沸腾焙烧后的焙砂。国内也做了大量工作,证明低速搅拌磨特别是立式螺旋磨矿机作