我國礦產資源自身稟賦偏差且日趨“貧、細、雜”，礦物單體解離對細度要求越來越高。傳統球磨機磨礦以沖擊作用為主，在再磨及細磨領域應用過程中存在著能耗高、效率低等缺點。根據礦物再磨及細磨特點，其磨礦應以研磨作用為主，效率更高、能耗更低[1-3]。北京礦冶研究總院成功研制了以研磨作用為主的KLM系列立磨機，在金屬非金屬礦的細磨及再磨領域取得了廣泛應用[4]。
1 立磨機發展現狀及工作原理
1.1 發展現狀
目前，細磨及再磨領域應用磨機主要為攪拌磨機，其筒體固定，攪拌機構旋轉，可以最大程度的發揮研磨作用。如圖1所示，根據攪拌機構結構形式及安裝方式的區別，目前常用攪拌磨機有立式盤式攪拌磨機、立式棒式攪拌磨機、立式螺旋攪拌磨機(文中簡稱立磨機)、雙葉輪攪拌球磨機以及臥式攪拌磨機[5]。
圖1 常見攪拌磨機
立磨機于1952年由日本的河端重勝博士發明，最早主要應用于非金屬礦的研磨，因磨礦效率較高，近幾年得到了快速發展，于20世紀80年代中后期開始應用于有色金屬礦的粉磨。國際上，主要有日本EIRICH公司研制的ETM系列立磨機和芬蘭Metso公司研制的VTM系列立磨機，其最大安裝功率分別達到2250HP和4500HP[3]。國內20世紀70-80年代開始對立磨機進行研究，主要以長沙院JM系列立磨機和北京礦冶研究總院GJ系列攪拌磨機為代表。北京礦冶研究總院于2011年成功開發了當時國內安裝功率最大的KLM-630立磨機，安裝功率達到630kW，此后逐步實現了KLM型立磨機的系列化，目前開發設備最大裝機功率達到1250kW，最小裝機功率3 kW。
1.2 立磨機工作原理
如圖2所示，立磨機螺旋軸低速旋轉時，離心力、重力、摩擦力的共同作用使磨礦介質與物料間產生有序的運動循環和宏觀上的受力基本平衡。在螺旋葉片表面，磨礦介質螺旋式上升;在筒體內襯與螺旋葉片外緣間，磨礦介質螺旋式下降。在微觀上，礦粒和磨礦介質受力的不均勻性形成動態的運動速差和受力變化，造成物料被強力擠壓、研磨以及物料之間的受力折斷、微剪切、劈碎等綜合作用，從而實現礦物顆粒的高效粉磨[6-7]。
立磨機工作時，磨礦介質與物料之間的充實度高，球與球、球與立磨機襯板及螺旋軸的碰撞很少，整個運動部件在宏觀上受力平衡，從而使得基礎受力很小;合格的物料總是較未合格的物料先到達溢流口附近而實現粉碎過程的內部分級，過粉碎現象大為減少。與外部的旋流器構成閉路，通過控制旋流器的沉砂即可控制磨機的返砂量，從而調節磨機的處理量，大大增加了磨機的磨礦粒度范圍。
圖2 立磨機工作原理示意圖
2 KLM型立磨機特點及關鍵技術
2.1 立磨機基本結構
立磨機結構如圖3所示，其主要包括：電機裝置、減速機、減速機支架、軸承座、上部軸組件、筒體部件、下部軸組件和襯板。其中，電機裝置、減速機和上下部軸組成立磨機傳動系統;減速機支架、軸承座、筒體部件組成其輔助支撐系統，下部軸組件即螺旋攪拌機構是整機中的關鍵部件，螺旋襯板是整機易損件。
圖3 立式磨機結構示意圖
2.2 KLM型立磨機關鍵技術
北京礦冶研究總院在立磨機研究設計方法、實驗室試驗、設備結構、重載啟動方法、關鍵部位防護等多項技術領域均取得了重要突破，形成了一套完整的技術方法。
研究設計方法方面，北京礦冶研究總院采用ANSYS等有限元軟件對主軸等重要結構的強度進行優化分析[8];采用CFD流體動力學軟件模擬分析立磨機內流場的分布狀態[9];采用EDEM離散單元法分析磨礦介質在磨機內部的運動規律及礦物破碎程度，方法先進，結果可靠直觀，有效保證了KLM型立磨機的可靠性。
圖4 計算機仿真分析方法
實驗室試驗方面，北京礦冶研究總院建立了圖5所示的實驗室試驗系統，探索了一套切實有效的選型試驗方法，對新疆某鐵礦石、云南大紅山銅尾礦、青海某鉀鹽礦、鋁土礦、螢石礦及鎳礦等多種礦石開展過選型試驗研究，設備選型結果準確可靠，指導性強。
筒體防護方面，通過對立磨機的介質運動形態和筒壁磨損方式進行了動態模擬和分析，針對介質與筒壁的運動形態和磨損方式，北京礦冶研究總院分別開發了針對磁性礦物或介質的橡膠磁性襯板及針對非磁性礦物的格子襯板，針對性強，應用范圍廣，壽命長。
自動控制方面，北京礦冶研究總院專門針對立磨機應用開發了一套立磨機控制系統，主要包括主電機控制、稀油站控制、主軸/滑動軸承自動潤滑控制以及關鍵部位狀態監測等，該系統充分利用了北京礦冶研究總院在礦山領域的豐富行業知識，自動化集成程度高，可靠性強。
此外，北京礦冶研究總院在螺旋襯板材質與壽命、螺旋襯板防松連接結構、設備重載啟動等領域也取得了重要突破。
2.3 KLM型立磨機主要參數
北京礦冶研究總院研發的KLM系列立磨機主要參數如表1所示。
表1 KLM系列立磨機主要參數
3 KLM型立磨機在金屬及非金屬領域的應用
自從當時國產安裝功率最大的KLM-630研發成功以來，KLM型立磨機在多種金屬及非金屬領域均實現了成功應用。
3.1 KLM-160在銅鎳礦中的應用
吉林某銅鎳礦選廠初建于20世紀80年代，主要回收礦物是鎳礦和銅礦，原設計采用二段碎礦、二段磨礦、混合浮選和分離浮選的工藝流程。經過近三十年的采選，礦石中銅和鎳的品位略有降低且嵌布粒度越來越細，不易分離。
2014年，該選廠采用一臺KLM-160型立磨機用于混合浮選精礦的研磨，銅鎳分離的給礦粒度由原來的?38 μm占65.25%(?74 μm占90%)提高到91.33%，礦石單體解離度進一步提高，為銅鎳高效分離提供了良好的浮選環境。在原礦中銅品位僅提高0.001%的條件下，銅精礦產品中銅品位提高1.683%，銅理論回收率提高1.08%，而銅精礦產品中鎳品位降低0.583%，降幅高達27.87 %，較好地實現了銅鎳分離的目的;而在原礦中鎳品位減小0. 02%的情況下，鎳精礦產品中鎳品位降低0.122%，鎳理論回收率提高0.14%。圖6為KLM-160立式螺旋攪拌磨機在使用現場。
圖6 KLM-160立磨機在使用現場
3.2 KLM-630在鐵精礦再磨中的應用
新疆某礦業公司為了進一步提高鐵精礦品位，需要磁性鐵具有較高的單體解離度，對磨礦細度有著較高要求。根據選型試驗，該公司選用一臺KLM-630用于鐵精礦再磨，在原礦細度-200目>90%時，旋流器溢流產品細度-400目>94%，鐵精礦品位由57%提高到64%。圖為KLM-630立磨機在使用現場。
圖7 KLM-630立磨機在使用現場
3.3 KLM-75在螢石細磨領域的應用
包鋼某稀土公司利用稀土尾礦選別螢石礦，采用立磨機之前，其稀土尾礦即螢石礦細度-200目85%左右，浮選精礦品位只能達到50%。2015年，該公司選用一臺KLM-75立磨機，將礦石細度提高到-400目含量90%以上，螢石礦單體解離度進一步提高，浮選精礦品位提高到90%，經濟效益增加明顯。圖為KLM-75立磨機在使用現場。
圖8 KLM-75立磨機在使用現場
4 結論
立磨機用于二段磨礦或再磨作業，與傳統臥式球磨機相比占地面積小、動載荷低、振動小、噪音低，節能30%左右。同時，礦物顆粒在自身重力和離心力的作用下在研磨介質層之上進行自然分級，有效減少了過磨。
國外生產立磨機，尤其是大功率立磨機價格昂貴，國產KLM系列大型立磨機的研制成功為國內礦山難處理礦物實現充分單體解離提供了技術保證，推動了我國細粒級難選金屬及非金屬礦的進步，降低成本，增加收益。
參考文獻：
[1]盧世杰，孫小旭.大型立式螺旋攪拌磨機應用現狀[J].銅業工程, 2014，(2):38-42.
[2]盧世杰，韓登峰，周宏喜，等.立式螺旋磨礦技術在選礦中的發展與應用[J].有色金屬(選礦部分), 2011，(增刊): 90-95.
[3] Anonymous. Vertical Mills Gain Size While Drives Get Simpler [J].Engineering and Mining Journal,2010(5)：56.
[4]盧世杰，周宏喜，何建成，等.KLM型立式螺旋攪拌磨機的研究與應用 [J].有色金屬工程，2014，(2)：69-72.
[5]袁樹禮，盧世杰，何建成，等.幾種典型攪拌磨機在金屬礦山的應用進展[J].礦山機械，2014，(7)：3-4.
[6]萬小金，周 強. 立式攪拌超細磨礦機的研究與應用[J].云南冶金，2012，(4)：12-21,26.
[7]周宏喜，盧世杰,何建成.立磨機磨礦機理研究[J].中國礦業, 2014，(5)：146-153.
[8]何建成，盧世杰，周宏喜，等.基于ANSYS立磨機螺旋攪拌機構的分析與優化 [J].有色金屬(選礦部分),2014，(3)：72-75.
[9]盧世杰，周宏喜，何建成，等.大型立式螺旋攪拌磨機研究及CFD數值模擬分析[C].2014年全國選礦新工藝、新技術、新裝備集成創新交流成果會論文集，2014：3-8.
聲明：
“KLM型立磨機的研制與應用” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業用途，請聯系該技術所有人。
我是此專利(論文)的發明人(作者)
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編輯：吉利娜
來源：北京礦冶研究總院，北礦機電科技有限責任公司
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