高压辊磨机的未来.docx

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高压辊磨机的未来

高压辊磨机的未来

背景

据统计，全世界5%左右的能耗用于矿物的选别，而选矿中80%左右的能耗用于对原物料的粉碎川。

经济的高速发展导致了能源的大量消耗，选矿处理的原矿由于“贫细杂”等更加难选。

矿石品位的降低，有用矿物嵌布粒度减小等现象更增加了选矿能量的消耗。

同时，由于粉碎方式的改变，改善矿石粉碎过程中矿物之间的解离状态，提高选矿回收率，最终提高我国矿产资源的利用效率。

因此研究新型粉碎技术与设备具有重要的经济、社会和环境效益。

我国金属矿石资源种类繁多，但大多数矿种品质属贫、杂、细。

国内金属矿山企业为了解决自身在矿业开发上存在的经济、技术和环保等方面面临的突出问题，积极引进、消化、吸收国外新型、高效的矿山生产工艺设备。

高压辊磨机就是在这样的市场背景下，首先得到研究、论证，并开始在国内金属矿山企业应用的高效粉碎设备，也是国内矿业界当下最为关注的矿山生产设备。

高压辊磨机作为一种超细碎设备具有单位破碎能耗低、单位钢耗低、单位处理能力大、破碎产品粒度均匀、占地面积少、设备作业率高等特点，受到国内外专家和学者的关注，成为多碎少磨技术的发展趋势。

1应用概况

20世纪70年代末，德国Kausthal技术大学的K.schonert教授提出了料层粉碎原理，并设计出高压辊磨机。

1977年KtnppPolgsnts公司从K.schonert教授处获准制造高压辊磨机，并于1985年生产出第一台产品，1986年用于Lenuen水泥厂，随即在水泥行业得到迅速推广应用，取得了节能降耗的效果，但同时也暴露出了一些问题。

20世纪90年代以来经过不断的研究改进，解决了辊而磨损和主轴承损坏问题，并采用高效打散分级机与高压辊磨机配套，使高压辊磨机的应用开始向金属矿山粉碎领域发展。

2高压辊磨机结构及工作原理

2.1高压辊磨机结构

高压辊磨机的结构主要由机架、压辊、轴承、驱动装置、喂料装置、液压、润滑和控制等系统组成。

电机通过万向联轴器、减速机与安装在机架水平滑辊上的辊子系统（轴承和安装在轴承上的辊子）连接。

挤压力的形成是通过两个直径相等、转速相同且相向旋转的辊子压力和物料自重压力构成的。

两个压辊，一个为定辊，一个为可以前后小幅度水平移动的动辊。

压力则通过高压油缸加载到动辊两端的轴承座上。

其机构示意图如图1。

图1高压辊磨机机构示意图

两个辊子中，一个是支承在轴承上的固定辊，另一个是运动的辊子，通过动辊对物料层施加磨矿力F;两个辊子以相同的速度相向旋转。

辊子两端密封装置（心形片）防止物料在高压作用下从辊子横向间隙中排出。

2.2高压辊磨机工作原理

高压辊磨机的工作原理如图2所示，物料在磨矿力F的作用下,以拉入角α（物料拉入处与两辊子中心连线之间的夹角）连续通过间隙最窄的部位;压缩过程中，物料中的空气通过边缘逃逸，物料拉入时的空隙率为40%～50%，处于两辊间最小间隙区的物料空隙率为15%～20%。

由于高压辊磨机独特的工作原理，因此，适用于粉碎硬、中硬、软等各种不同硬度的脆性物料。

高压辊磨机的主要工艺参数包括：

辊子尺寸、磨矿力、辊子间隙宽度、辊子线速度以及最大给料粒度等。

高压辊磨机可用于水泥生料和熟料、高炉炉渣、石灰石、煤以及其他脆性物料的粉碎，亦可用于硬度较高的铁矿石、锰矿石、铅锌矿石及多金属矿石的粉碎。

德国AlPine公司制造的高压辊磨机与ATP涡式超细分级机构成闭路，可用于石灰石、白云石、菱镁矿、锆英砂等的细粉碎及超细粉碎加工。

物料由给料装置（重力或预压螺旋给料机）给入，在相向旋转的两个辊子之间，颗粒因相互挤压而被粉碎。

在50MPa以上的压应力作用下，大多数被粉碎的物料通过两辊子间的最小间隙S后结成小块。

饼状产品须经分散后才能得到细粒产品。

高压辊磨机的粉碎过程大致可以分为3个阶段。

图2高压辊磨机工作原理示意图

（1）.加速区:

最上端A区域为加速区，物料在这个区域受到了颗粒自身的重量、颗粒与颗粒之间的摩擦力和颗粒与挤压辊之间的摩擦力，使得物料加速下降，逐渐加速到或者接近于挤压辊的辊面速度。

大部分较大的颗粒先被粉碎，并重新排列，颗粒间被细粒填充。

（2）.压缩区:

中间B区域为压缩区，在挤压辊轴平面的倾角区域，压缩区内的物料受到较高的挤压力，每个颗粒都受到周边颗粒的挤压，挤压力在该区域达到峰值。

（3）.释放区:

最下端C区域，在挤压力达到峰值以后，迅速下降为0并进入该区域。

压缩区和释放区存在一个临界挤压角。

高压辊磨机与辊式破碎机类似，但是和辊式破碎机在本质上有所区别:

●高压辊磨机采用的是准静压粉碎;

●高压辊磨机实施的是层压粉碎。

这两种方式相对于其他传统辊式破碎机，可以使物料内部相互粉碎，粉碎更彻底，从而粉碎效率更高，设备磨损更少.

层压粉碎在高压辊磨机上实现有两个前提:

●液压系统提供的压力足够大，并且物料的入料粒度小于两辊间的间隙;

●高压辊磨机需要保证讨饱和喂料，如果物料太少，就不能形成连续的料饼，挤压的效果将变差。

3高压辊磨机优缺点

3.1高压辊磨机与传统的破碎粉磨机械相比，主要有以下几个优点

（1）.粉碎效率高，能耗低。

相比圆锥破碎机、棒磨机和球磨机，能耗降低约低20～50%。

生产量高达1000吨/小时，可使整个系统提产30%～40%。

高压辊磨机粉碎物料的单位能耗约1.0～3.0kWh/t，比一般的破碎粉磨设各单位能耗低20%～50%。

能更好的节能减排，并产生较大的经济效益。

（2）.耐磨性好。

由于采用了耐一磨硬质合金挤压辊，耐磨性好。

这样高压辊磨机不仅能够适用于粉碎水泥等较软物料，而且也开始适用于粉碎铁矿石等较硬物料，使得其应用领域很广。

同时也使得工作寿命大大提高。

（3）.可处理含水量较高的物料，这样有利于形成较坚固的自生式料垫，改善辊磨机的工况和辊面使用寿命。

如磨碎铁矿石制备球团给料一时，其水分可高达10%。

（4）.高压辊磨机结构紧凑、体积小、重量轻，方便对系统改造，而且操作、维修方便，易实现高压辊磨机的自动工作和监控。

（5）.生产环境良好。

由于高压辊磨机采用层压粉碎原理，物料被封闭在挤压辊和给料装置中，依靠静压粉碎，这样不会产生很大的物料冲击和飞溅。

使得振动和噪声较低。

（6）.破碎比大，可以在碎矿、磨矿流程中，代替现有的粗破、细破和磨矿作业，能够将30～60mm的块矿粉碎到3mm以下，从而可以实现在磨矿前大量抛尾，是系统的磨矿、选矿能力得以大幅度的提高。

（7）.对于铁矿石矿上的贫矿、极贫矿、表外矿，经过高压辊磨处理后，可以在磨前抛去50%以上的尾矿，入磨矿石的品位得以大幅度提高。

原有的磨矿选矿能力提高100%以上，粉磨的电耗大幅度降低，选矿成本大幅度降低。

（8）.采用高压辊磨机实现磨前抛尾后，可将抛出的尾矿进行分级，较粗颗粒的尾矿可以作为建筑石料或代替河砂，也可直接送入废石堆场，降低了运输成本，同时减少了细粒尾矿含量，延长了尾矿库的寿命。

3.2高压辊磨机还存在的一些问题

（1）边缘效应

理论上压力在辊面宽度方向上是均匀分布的。

但是挤压辊工作时受其结构特征及两侧挡料板磨损的影响，许多未经破碎的颗粒伴随挤压形成的料饼运出。

从侧边逃逸的物料使挤压辊线压力呈现不均匀分布。

试验证明，线压力的分布是中间大、两头小。

边缘效应会造成挤压辊两侧边的物料粉磨不足。

同时，物料从挤压辊两侧边逃逸，与辊面产生相对滑动，不仅加剧了挤压辊两侧边的磨损，而且使挤压辊中部的物料所受压力相对增大，造成过粉磨。

边缘效应在高压辊磨机宽径比（挤压辊宽度与直径的比值）较小的情况下尤为突出。

（2）振动与闷车

进入辊隙的料层内存在空隙，且空隙率大约为体积密度的40%。

而未经打碎的料饼内部也存在着空气，约为体积密度的15%～20%。

物料在受挤压时，其间的气体或间隙会得到释放和填充，这样会产生间歇性冲击振动。

若入料粒度特别小而且干燥，那么造成的影响更为突出。

此外，给料不均匀、给料粒度分布太宽也是造成挤压辊振动的主要原因。

给料太多同时会产生闷车现象，因此高压辊磨机的液压系统要具有很好的动态响应。

（3）挤压辊磨损与修复

通常情况下，挤压辊辊面采用堆焊制造而成，该种结构在运行中常常会出现辊面发生裂纹及脱落现象，更为严重的会出现断轴事故。

这主要是由频繁焊接产生的局部应力集中造成的。

故要求制造过程中对锻件质量、热处理工艺、机体孔与柱钉的装配进行严格规范。

（4）轴承寿命

高压辊磨机破碎物料所需的力山液压系统提供，此破碎力可达数十万牛顿，辊压机工作时，如此大的破碎力会使得滚动轴承出现点蚀或疲劳破坏。

4国内外研究现状

近些年来，越来越多的研究证实高压辊磨机中不仅存在单颗粒粉碎，而且还存在层压粉碎。

自从高压辊磨机产生以后，由于其粉碎理论的缺乏，导致物料粉碎过程中存在不可控性和不可预料性，而对其粉碎行为研究大部分集中在单颗粒粉碎，对层压粉碎行为的研究还不是很深入。

同时很多针对颗粒粉碎的力学理论都是在连续、均匀、静态情况下进行分析，并没有考虑物料颗粒的非连续性、非均匀性和动态变形，这样会使得结果与实际有所偏差。

破碎粉磨，根据其物料入料形式的不同，可以分为层压粉碎和单颗粒粉碎，层压粉碎又可称为颗粒群粉碎、料层粉碎。

多年来，人们采用各种手段不断的从各个角度和视野来研究单颗粒粉碎和层压粉碎，取得了一定的研究成果。

破碎粉磨行为研究的中心任务是对造成散体物料粉碎的产品粒度粒形、能量、力和裂缝的形成与扩展进行探索。

由于高压辊磨机中存在单颗粒粉碎和层压粉碎两种形式，那么研究高压辊磨机的粉碎行为，势必就要对这两种形式进行研究。

如下图：

（1）单颗粒粉碎研究

（2）层压粉碎研究

5研究高压辊磨机的意义

5.1研究高压辊磨机粉碎行为具有非常重要的理论和现实意义:

（1）.对如何正确预测和控制物料破裂和运动提供理论依据;

（2）.为工厂工艺过程的控制和优化提供理论支持，进而有利于在粉碎中合理利用能源，响应国家节能减排政策;

（3）.为开发研制高效、环保、新型、节能的破碎粉磨设备提供重要的现实意义。

5.2碎磨工艺流程的改进

矿石的粉碎作业一般包括矿石的破碎与磨碎两个环节，而磨矿作业是让矿物达到单体解离，使其粒度满足选别要求的最终作业，磨矿是一项耗能高效率低的作业，而破碎作业的功耗仅占磨矿作业的8%～12%，因此改进碎磨工艺过程是实现高效低耗、增加经济效益的有效途径。

5.2.1多碎少磨工艺

物料的破碎主要靠设备对矿物的挤压及冲击作用来实现，而磨矿主要是靠设备对其冲击、研磨和磨剥作用来实现，破碎作业的能量利用效率远远高于磨矿作业，可以将碎矿与磨矿作为一个整体来考虑，确定合理的破碎产品粒度，发挥破碎能耗低的长处，实行多碎少磨，实现最佳经济效益。

为了有效实现多碎少磨，一般来说:

1）可以采用高效细碎型破碎机。

如A.C公司生产的底部单缸液压圆锥破碎机，Nordberg公司生产的HP系列圆锥破碎，小型选厂采用国产JC56,JC4060领式破碎机、SX系列双动领破碎机，这些细碎型破碎机在闭路碎矿时可以得到10

mm以下的破碎产品。

2）改进破碎工艺流程。

根据选厂的规模、矿石的性质、给矿粒度、产品粒度等，选择合适的破碎工艺流程。

例如山东省蚕庄金矿在两段一闭路破碎流程的基础上，改造为两段半破碎流程，解决了二段破碎设备生产能力和破碎比之间的合理匹配问题，在生产中取得了明显的经济效益.

5.2.2阶段磨矿阶段选别流程

选矿原则是“能收早收、能抛早抛”，阶段磨矿阶段选别可以及时抛去脉石矿物，不仅可以减轻磨矿作业负担，而且还可以降低选别作业成本，现己广泛应用于生产实践。

齐大山选矿厂由原来连续磨矿，弱磁一强磁工艺流程，改为阶段磨矿，重一磁一浮工艺流程，经过多年实践，现己达到精矿品位63.50%，金回收率72%的生产水平，己达到金矿选矿技术的先进水平。

5.2.3推广常规细破碎，取代常规磨矿

由于选矿厂的粉碎作业效率很低，而粉碎作业的85%左右又消耗在了磨矿作业中，所以可以采用圆锥破碎机生产细产品来取代常规磨机作业，虽然有关用圆锥破碎机湿式破碎岩石的工艺知识尚存在许多空白领域，但在硬岩粉碎方面，水冲式圆锥破碎机可以逐步替代常规筒式磨矿机.

5.2.4改造老厂原有工艺流程

一些原有选厂，设计规模庞大，但由于多种原因，生产规模只有其原设计的一半左右，随着矿产资源的逐渐减少，对这些老厂进行大规模的设备改造己经没有经济效益，适宜方法就是进行节能增效改进，完善其碎矿工艺流程，在节能增效同时保证其破碎粒度，实现节能增效。

汤丹公司选厂建厂完成后，由于种种原因基本处于半停产状态，企业每年亏损达一千多万元，经过对其破碎工艺技术改

造，完善后形成三段闭路双回路碎矿流程，处理能力提高30%，每年节省电资140.35万元，综合经济效益498.09万元。

湖南新龙矿业有限公司对其破碎系统进行了改造扩建，使处理能力从150t/d提高到800t/d，为企业节省5000多万元，创造了良好的经济效益.

5.3新型碎磨理论的提出与应用

5.3.1微波助磨

在目前的矿业生产中，矿料的粉碎方式以机械粉碎为主，但是机械破碎有着能耗高、材料消耗高、产品粒度不好等缺点，为了降低碎磨作业的钢材消耗，提高能源的利用效率，矿业工作者研发出了新的破碎方法，其中微波预处理是一种比较有前景的破碎方式。

5.3.2选择性磨矿

所谓选择性磨矿就是利用矿物的选择性解离以及选择性磨碎所进行的磨矿，其目的就是造成磨矿作业具有某种选择性。

碎磨作业的主要目的不是使矿石粒度减小，而是让有用矿物从脉石矿物中解离出来，因此磨矿作业的最终发展目标是利用最小的能量输入，获得最高的单体解离度。

选择性磨矿在金属矿、非金属矿以及煤矿等矿业生产中均得到广泛应用，尤其是在铝土矿的生产实践中，发挥重要作用。

5.3.3微阶段化磨矿

因不同粒度的矿石物料对磨矿的粉碎形式有不同的要求:

粗粒级物料适合以冲击粉碎为主的磨碎方式，而对细物料由于其表面积远远大于粗物料，应采用以磨剥粉碎为主的磨碎形式，这样才能获得较高的磨矿效率。

所谓微阶段化磨矿就是沿球磨机筒体的轴线方向安装具有不同表面形状的筒体衬板，在球磨机的进料端安装表面不平滑衬板，形成较高的钢球抛落高度，产生冲击粉碎;在球磨机的排料端安装表面较平滑的筒体衬板，形成较低的钢球抛落高度，产生磨剥粉碎;从进料端到排料端，粉碎形式逐渐从冲击粉碎向磨剥粉碎过渡使磨碎形式沿球磨机轴线方向发生变化，在一台球磨机内实现阶段磨矿。

这样可以更好的满足矿石物料在磨矿过程中的不同阶段、不同粒度组成状态下对磨碎形式的不同需要，符合矿石粉碎规律，因而可以提高磨矿效率。

实施微阶段化磨矿技术，仅需对部分筒体衬板的表面进行改造，简单易行。

铜陵有色金属公司金岭铜矿碎磨流程经改造后，采用微阶段化磨矿，一段磨矿台时处理能力提高了16%以上，节电79.6万kWh，节省电费支出41万余元。

5.3.4超细磨

采用常规磨矿技术对矿石进行解离时，磨矿耗能费用是相当高的，即使磨矿粒度可以使有用矿物达到单体解离，但也会发生过磨现象，使许多有用矿物损失在矿泥中，经过矿业人士不懈努力专研，超细磨技术应运而生，并广泛应用于化工、冶金、矿业、建材、日化、食品、医药、农业、环保、航空航天等领域，微米级或亚微米级的粉体加工技术日趋成熟。

经过几年不断发展，磨粉机超细磨粉技术己成为重要工业矿物及其原材料深加工技术之一，对现代高新技术产业发展具有重要意义。

6发展前景

金属矿选矿厂以降低生产成本为核心，实施节能降耗技术，以提高企业的竞争力。

据不完全统计，全世界每年碎磨能耗占全世界发电总量的3%一4%，而其中磨矿能耗约占85%左右。

随着世界能源日趋紧缺，降低磨矿能耗越来越引起选矿企业的关注。

经过多年研究与生产实践，多碎少磨、降低入磨粒度是有效的措施已取得共识。

目前国内外开发出的各类超细粉碎设备中高压辊磨机在金属矿山选矿厂具有明显的应用优势。

国内外生产实践表明，高压辊磨机具有较好的选择性粉碎效果，不仅产品中细粒级含量高，而且颗粒中易产生微裂纹，尤以粗粒级更加明显，高出常规破碎机的5倍;能量损失小，有效利用率高，且可大大改善可磨性;大量矿物实现初步解离，具备较好的分选条件，可实现多碎少磨，预选抛废，能抛早抛;设备适用能力强，在工艺流程中既可进行细碎，又可在三段破碎后进行加段超细碎;既可全开路破碎，也可在开路条件下进行粗粒返回破碎，并可以在自磨流程中破碎高硬度顽石，显著提高自磨机的磨矿效率和处理能力;工艺流程配置简单，设备结构紧凑，外形尺寸小，占地而积小破碎比大，粉碎效率高，处理能力大，承担碎磨工作量越多，系统流程的长度和后续工艺的配置宽度越小;易磨损的辊而耐磨处理技术先进，研制出粉末冶金耐磨辊而校用寿命达到18，000h）和柱钉自生式辊而校用寿命达到14，600h）;轴承等转动部件规格大，抗压抗磨能力强，使用寿命长;自动控制、自动保护和预警预报系统的设置，使设备进入铁件等异物时不会造成损坏。

因此，高压辊磨机运转平稳，安全，可靠性高，通常作业率达到95%以上，节能降耗显著。

高压辊磨机层压破碎为高效压应力粉碎，其效率明显高于以压应力和剪应力为主的球磨机，因此它比球磨机能耗显著降低，其产品中细粒级含量多，且颗粒又带有微裂纹，作为球磨机给料降低了能耗和钢耗，相当于高压辊磨机承担了一部分由原来球磨机承担的磨矿任务，承担的磨矿任务的比例越高，节省能源潜力越大，是今后的发展方向。

此外，它在相对密闭的系统内运转，除尘点少，易于降尘，生产环境整洁;设备零部件运输安装条件比自磨、半自磨机要求低等。

因此，在碎磨系统中应用可为进一步提升选矿厂碎磨系统的处理能力创造条件，而且能带来显著的节能降耗和降低生产成本的效果，从而使其在金属矿山选矿厂迅速得到推广应用。

7结语

我国是矿产资源大国，资源丰富，品种齐全。

但目前的金属矿山易选的富矿少;贫、细、杂、难磨难选共生矿多。

随着工业化进程的提高，钢铁和有色金属需求量的增加，金属矿产资源供求矛盾日益突出。

在开发贫矿石和难磨难选矿石的选矿实践中，高能耗、低效率、低生产能力的磨矿技术的矿物分离手段，使工艺流程复杂，管理粗放，自动化程度低，严重影响了我国金属矿山选矿厂精矿质量和有用矿物回收率的提高，制约了金属矿山选矿技术的发展。

为此，马钢集团南山矿业公司凹山选矿厂，金堆城铂业公司选矿厂等率先引进高压辊磨机进行超细碎作业，已取得了产能提升、降本增效、提高精矿质量和金属回收率的良好效果。

随后司家营矿业公司，山东黄金集团三山岛金矿，马钢集团高村铁矿、和尚桥铁矿和霍邱张庄铁矿相继采用高压辊磨机，充分发挥了其生产能力大、能量转化率高、充分选择性破碎、大破碎比、产品粒度细和颗粒产生微裂纹多的优点，尽可能多地承担磨机作业工作量，为磨矿作业创造良好条件，从而实现了节能降耗，预选抛废，简化工艺流程，降低生产成本，增加生产能力，提高经济效益。

高压辊磨机在我国金属矿山的应用将有更加广阔的发展前景。

我相信，在未来的某一天，高压辊磨机将能够代替大部分的粉碎设备，在矿业设备界独占鳌头！