(洛陽(yáng)大華重工科技股份有限公司,河南 洛陽(yáng) 471023)
選礦生產(chǎn)線通常由破碎和篩分流程、磨礦和分級(jí)、浮選以及脫水流程等依次組成。其中,磨礦作業(yè)指采用自磨機(jī)、半自磨機(jī)、球磨機(jī)、棒磨機(jī)和礫石磨機(jī)等粉磨設(shè)備[1],把物料由入料粒度粉磨到各自的出料細(xì)度,分級(jí)作業(yè)指采用螺旋分級(jí)機(jī)、水力旋流器和水力分級(jí)機(jī)等把磨礦作業(yè)的物料進(jìn)行分級(jí),合格的物料作為產(chǎn)品進(jìn)入后續(xù)選別流程中,不合格物料返回到磨礦作業(yè)繼續(xù)粉磨[2]。
根據(jù)多年來(lái)的行業(yè)研究和應(yīng)用實(shí)踐發(fā)現(xiàn),磨礦細(xì)度是后續(xù)浮選流程的重要工藝條件,磨礦細(xì)度必須足夠細(xì),通常80%通過(guò)率粒徑為10~ 53 μm 時(shí),達(dá)到有用金屬礦物基本單體分離的要求,才能使有用礦物與脈石礦物有效解離[3]。在磨礦和分級(jí)作業(yè)段中,傳統(tǒng)的棒磨機(jī)、球磨機(jī)等設(shè)備由于研磨介質(zhì)的尺寸較大,研磨機(jī)理以單顆粒破碎為主,對(duì)80%通過(guò)率粒徑為45~ 100 μm 的較粗粒度產(chǎn)品的制備有效,當(dāng)粉磨更細(xì)的粒度時(shí),譬如80%通過(guò)率粒徑為10~ 53 μm 時(shí),能量費(fèi)用快速增加,或者是磨礦處理量急劇下降[4],所以球磨機(jī)并不適應(yīng)細(xì)粒級(jí)物料的研磨,因此以制備細(xì)粉和超細(xì)粉為主的新型塔磨機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。
塔磨機(jī)起源于20 世紀(jì)30 年代美國(guó)UP 公司生產(chǎn)的超細(xì)攪拌磨機(jī),因其在細(xì)粉體制備方面的優(yōu)越性能而得到迅速普及。在此基礎(chǔ)上,1952 年日本河端重勝博士發(fā)明了塔磨機(jī),在金屬礦業(yè)、冶煉和化工行業(yè)得到了廣泛使用[5-6]。目前,國(guó)外已有多家專業(yè)制造塔磨機(jī)的生產(chǎn)廠家,其中知名的企業(yè)及產(chǎn)品包括日本愛(ài)立許機(jī)電公司(Eirich)生產(chǎn)的ETM 塔磨機(jī),芬蘭美卓礦機(jī)公司(Metso)生產(chǎn)的VTM 立磨機(jī),日本久保田公司(Kubota)生產(chǎn)的KW 塔磨機(jī),丹麥?zhǔn)访芩构荆‵.L.Smidth)生產(chǎn)的VXP 立磨和芬蘭奧圖泰公司(Outotec)生產(chǎn)的HIG 塔磨機(jī)。其中前三種塔磨機(jī)的研磨結(jié)構(gòu)為雙頭螺旋式,后兩種塔磨機(jī)的研磨結(jié)構(gòu)為水平圓盤(pán)式。目前世界上最大的塔磨機(jī)是由美卓礦機(jī)生產(chǎn)的VTM-4500-C 立磨機(jī),應(yīng)用于哈薩克斯坦的Altay Polimetally 公司新建的金銅礦石的二段磨礦,該磨機(jī)筒體直徑為5900 mm,有效容積已達(dá)到145 m3,電機(jī)功率已達(dá)到3360 kW。
中國(guó)的塔磨機(jī)研制開(kāi)始于上世紀(jì)70 年代,在充分借鑒上述國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,重慶化工機(jī)械廠研制了國(guó)產(chǎn)第一臺(tái)塔磨機(jī),上世紀(jì)80 年代,長(zhǎng)沙礦冶研究院和秦皇島黑色冶金設(shè)計(jì)研究院也陸續(xù)開(kāi)發(fā)出螺旋式塔磨機(jī)。隨著2012 年美卓礦機(jī)的VTM-800 立磨機(jī)在江西德興銅礦銀山礦業(yè)順利投產(chǎn)以來(lái),塔磨機(jī)以其優(yōu)越的性能表現(xiàn)、日常維護(hù)的簡(jiǎn)捷便利和超高的運(yùn)轉(zhuǎn)率吸引國(guó)內(nèi)眾多的礦山用戶,磨機(jī)制造廠家和科研院所前去調(diào)研,誕生了一批塔磨機(jī)生產(chǎn)廠家,包括上海龍金實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的DSOM 攪拌磨,北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的KLM 立磨機(jī),中信重工機(jī)械股份有限公司生產(chǎn)的CSM 立式攪拌磨,北方重工集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的MLL 立式螺旋磨機(jī),沈陽(yáng)五寰科技有限公司生產(chǎn)的WTM 塔式磨機(jī),馬鞍山市天工科技股份有限公司生產(chǎn)的TGTM 塔磨機(jī),洛陽(yáng)大華重工科技股份有限公司生產(chǎn)的HMT 塔磨機(jī)。國(guó)內(nèi)塔磨機(jī)的結(jié)構(gòu)普遍為雙頭螺旋式,但規(guī)格相對(duì)較小,目前國(guó)內(nèi)最大的塔磨機(jī)是中信重工生產(chǎn)的用于智利國(guó)家銅業(yè)丘基卡馬塔銅礦的CSM-1200 立式攪拌磨和北方重工生產(chǎn)的用于本溪東方三家子的MLL-1200 立式攪拌磨,這兩種磨機(jī)的筒體直徑為4190 mm,筒體有效容積為65.8 m3,電機(jī)功率為1200 kW。
塔磨機(jī)筒體豎直固定在混凝土基礎(chǔ)上,筒體內(nèi)充填有一定數(shù)量的研磨介質(zhì)。來(lái)自水力旋流器(主分級(jí)設(shè)備)沉砂口處的料漿從塔磨機(jī)上進(jìn)料口喂入到塔磨機(jī)內(nèi)部,來(lái)自粗粉分離罐(輔分級(jí)設(shè)備)下排料口處的料漿從塔磨機(jī)下進(jìn)料口喂入到塔磨機(jī)內(nèi)部,來(lái)自總水槽的料漿濃度調(diào)節(jié)水自下進(jìn)料口四通管處送入磨內(nèi),來(lái)自加球槽的研磨介質(zhì)從加球口喂入到塔磨機(jī)內(nèi)部。當(dāng)電機(jī)經(jīng)減速機(jī)和傳動(dòng)軸帶動(dòng)雙頭螺旋攪拌器做低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),帶動(dòng)研磨介質(zhì)和物料進(jìn)行運(yùn)動(dòng),研磨介質(zhì)與物料受到正壓力、離心力、摩擦力和重力的聯(lián)合作用,形成壓縮旋轉(zhuǎn)介質(zhì)層,從而在物料顆粒之間,以及物料和研磨介質(zhì)之間產(chǎn)生局部剪切力、擠壓力和磨剝、擦洗等[7-10]的綜合作用而達(dá)到大顆粒變細(xì)、顆粒團(tuán)解離的效果。
在塔磨機(jī)筒體內(nèi)部,由于新的料漿和工藝水源源不斷的進(jìn)入塔磨機(jī),塔磨機(jī)內(nèi)部的物料會(huì)以較小的流速連續(xù)的溢出磨外,因此筒體內(nèi)部存在重力分級(jí)現(xiàn)象。研磨后的小于切割粒徑的較細(xì)物料,因具有較小的顆粒沉降末速度,隨料漿流上升,從塔磨機(jī)溢流口排出;大于切割粒徑的較粗物料,因具有較大的顆粒沉降末速度,循環(huán)回磨機(jī)底部進(jìn)行新一輪的研磨,實(shí)現(xiàn)了塔磨機(jī)內(nèi)部分級(jí)的現(xiàn)象。過(guò)粉碎現(xiàn)象和顆粒的團(tuán)聚效應(yīng)都大為減少。較細(xì)的物料以料漿的形式溢流口排出進(jìn)入到粗粉分離罐,稍粗的物料經(jīng)循環(huán)泵返回到磨機(jī)的下進(jìn)料口,稍細(xì)的物料從粗粉分離罐上出口進(jìn)入泵池,同時(shí),塔磨機(jī)系統(tǒng)的新喂料也喂入到泵池中,根據(jù)水力旋流器對(duì)料漿濃度的要求,泵池中也會(huì)連續(xù)加入一定量的工藝水。泵池內(nèi)的料漿充分混合后,再經(jīng)渣漿泵提升到水力旋流器進(jìn)行分級(jí),滿足工藝要求的細(xì)粒級(jí)物料從水力旋流器溢流口排出,作為本段磨礦設(shè)備的產(chǎn)品,不滿足要求的較粗物料返回到塔磨機(jī)內(nèi)部進(jìn)行新一輪的磨礦。
目前,國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)塔磨機(jī)的廠家比較多,不同的廠家塔磨機(jī)的結(jié)構(gòu)也各有不同,即使同一個(gè)廠家,不同型號(hào)、不同項(xiàng)目上塔磨機(jī)的結(jié)構(gòu)也不完全一樣,這里主要介紹螺旋式塔磨機(jī)。單就其基本結(jié)構(gòu)而言,都是由磨機(jī)筒體、磨門(mén)、傳動(dòng)支架、攪拌裝置、傳動(dòng)主軸、驅(qū)動(dòng)裝置、粗粉分離罐裝置、襯板裝置和安裝檢修工具等部件組成[11-12]。
塔磨機(jī)筒體是料漿和研磨介質(zhì)貯存和流動(dòng)的容器,是物料得以粉磨的空間,是其它部件安裝固定的基礎(chǔ),能夠使整機(jī)設(shè)備的重量和傳動(dòng)裝置的扭矩等負(fù)荷通過(guò)筒體轉(zhuǎn)移到混凝土基礎(chǔ)上。
塔磨機(jī)筒體由圓柱形筒體、底板和襯板三部分組成,筒體底板下表面通過(guò)地腳螺栓固定在混凝土基礎(chǔ)上,筒體底板上表面安裝有橡膠復(fù)合襯板。圓柱形筒體下部焊接在筒體底板上,圓柱形筒體上部通過(guò)螺栓把合的形式與傳動(dòng)支架連接,圓柱形筒體內(nèi)表面裝有耐磨襯板和耐磨橡膠等。
其中,圓柱形筒體有兩種形式,第一種是不帶磨門(mén)的整體筒體,早期的國(guó)產(chǎn)塔磨機(jī)就是這種形式,第二種是帶有磨門(mén)的分體筒體,國(guó)外的塔磨機(jī)和國(guó)內(nèi)在2012 年之后生產(chǎn)的塔磨機(jī)都帶有磨門(mén),筒體和磨門(mén)均為整體焊接結(jié)構(gòu),磨門(mén)為大開(kāi)門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。筒體和磨門(mén)之間采用樞軸連接,工作時(shí),筒體和磨門(mén)之間采用螺栓把合的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行連接;安裝和檢修時(shí),可以在135°范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng),以方便攪拌器的整體拆裝和攪拌器襯板的更換;筒體的側(cè)面布置有進(jìn)料口,磨門(mén)設(shè)置有排渣口。
筒體襯板一般有四種形式[13],第一種是早期國(guó)產(chǎn)塔磨機(jī)使用的高錳鋼襯板,這種襯板采用螺栓把合的形式固定在磨機(jī)筒體上,筒體上需要鉆制一定數(shù)量的螺栓孔,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)筒體裂紋、筒體滲漏等現(xiàn)象。第二種是橡膠磁性襯板或金屬磁性襯板,這種襯板可以直接吸附在磨機(jī)筒體上,現(xiàn)在的塔磨機(jī)大部分是這種結(jié)構(gòu),尤其是研磨介質(zhì)為鋼球時(shí),磁性襯板可以把鋼球吸附在襯板內(nèi)表面形成約30~ 50 mm 的鋼球保護(hù)層,具有很高的可靠性和很長(zhǎng)的使用壽命[14]。第三種是格柵襯板,格柵襯板通過(guò)螺栓固定在筒體內(nèi)表面的鋼板條上,研磨介質(zhì)和料漿填充在格柵單元中,有效保護(hù)了格柵襯板和磨機(jī)筒體,所以使用壽命非常長(zhǎng),運(yùn)行成本較低,并且格柵襯板對(duì)研磨介質(zhì)沒(méi)有選擇性,可以是鋼球,也可以是陶瓷球。第四種是聚氨酯襯板,這是一種專門(mén)為陶瓷球作為研磨介質(zhì)的新型耐磨襯板,采用在小磁極吸附的形式直接吸附在磨機(jī)筒體上,同前三種襯板相比具有密度小、耐磨蝕、安裝方便、價(jià)格低的特點(diǎn)。
攪拌器是塔磨機(jī)中最核心的部分,該結(jié)構(gòu)能夠使研磨介質(zhì)作一定規(guī)律的運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)物料的粉磨。因此攪拌器的結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)性能和幾何尺寸等對(duì)物料的粉磨效果、襯板壽命和單位電耗等都有影響。
攪拌器包括攪拌器支架、襯板和耐磨橡膠三部分組成。攪拌器支架的整個(gè)外表面粘貼有耐磨橡膠,下部與襯板采用螺栓把合的形式固定,上端通過(guò)端面鍵和螺栓緊固件把合在傳動(dòng)軸上。其中,攪拌器支架由主軸和托板焊接而成[15],主軸由實(shí)心軸和空心軸兩種,主軸的端頭和主軸之間有整體鍛造和焊接兩種形式。
襯板是最主要的耐磨件,襯板的截面形狀對(duì)物料的粉磨效果和襯板的使用壽命具有顯著的影響,截止到目前,襯板的形狀主要有水平盤(pán)型、葉輪型、棒柱型和螺旋型四種[16]。水平盤(pán)型攪拌器是通過(guò)研磨介質(zhì)在圓盤(pán)上的徑向運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及料漿在圓盤(pán)開(kāi)孔中的軸向運(yùn)動(dòng),兩者的交叉相互作用實(shí)現(xiàn)物料的粉磨,史密斯的VXP 立磨和奧圖泰的HIG 塔磨機(jī)就屬于這種類型;葉輪型攪拌器是通過(guò)葉輪與研磨介質(zhì)和料漿之間的粘附力來(lái)施加能量;棒柱型攪拌器是攪拌器的棒與筒壁的棒交錯(cuò)運(yùn)動(dòng),以鋼球作為研磨介質(zhì),用于高黏度物料的研磨;螺旋型攪拌器是通過(guò)料漿與鋼球之間的擠壓、剪切和磨剝等作用實(shí)現(xiàn)物料的研磨,是目前最為常見(jiàn)的攪拌器結(jié)構(gòu),日本愛(ài)立許機(jī)電的ETM 塔磨機(jī)、芬蘭美卓礦機(jī)的VTM 立磨機(jī)和洛陽(yáng)大華的HMT 塔磨機(jī)就屬于這種類型。
傳動(dòng)支架和傳動(dòng)軸的組合體對(duì)整個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置起支撐作用,同時(shí)把攪拌器在工作時(shí)產(chǎn)生的軸向載荷和扭矩載荷經(jīng)磨機(jī)筒體傳到混凝土基礎(chǔ)上,而且傳動(dòng)主軸中的鎖緊盤(pán)對(duì)電機(jī)和減速機(jī)起到過(guò)載保護(hù)的作用。
傳動(dòng)支架的下部通過(guò)螺栓把合的形式固定在磨機(jī)筒體上,上部通過(guò)螺栓把合的形式與減速機(jī)連接。傳動(dòng)主軸的下部通過(guò)螺栓把合的形式與攪拌器連接,上部通過(guò)螺栓把合的形式與彈性聯(lián)軸器連接。傳動(dòng)支架和傳動(dòng)軸之間通過(guò)滾動(dòng)軸承座和滑動(dòng)軸承座的止口定位和精致螺栓進(jìn)行連接。傳動(dòng)軸采用三軸承四密封結(jié)構(gòu)和雙線干油潤(rùn)滑系統(tǒng)的組合形式,該結(jié)構(gòu)能夠傳遞大的扭矩和軸向載荷,還具有防止粉塵進(jìn)入軸承腔體、減少?gòu)U棄潤(rùn)滑脂排放的效果。
驅(qū)動(dòng)裝置的作用是為塔磨機(jī)的正常工作提供適宜的轉(zhuǎn)速和扭矩,并且通過(guò)電機(jī)電流的變化檢測(cè)磨機(jī)的工作狀態(tài)和物料的性能指標(biāo),并以此確定磨機(jī)內(nèi)是否需要添加研磨介質(zhì),是否需要更換螺旋襯板等。
塔磨機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置自上而下依次包括主電機(jī)、彈性柱銷聯(lián)軸器、減速機(jī)和彈性塊聯(lián)軸器等四部分。電機(jī)的輸出軸與減速機(jī)的輸入軸之間是彈性柱銷聯(lián)軸器,有時(shí)也采用蛇簧聯(lián)軸器;減速機(jī)的輸出軸與傳動(dòng)軸的主軸之間是彈性塊聯(lián)軸器,有時(shí)也采用鼓形齒聯(lián)軸器。
主電機(jī)是特制鼠籠電機(jī),該電機(jī)可以是變頻電機(jī)也可以是定頻電機(jī),但要求具有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較低的啟動(dòng)電流。行星齒輪減速機(jī)要求傳遞扭矩大,采用稀油潤(rùn)滑方式,并配有冷卻裝置。彈性塊聯(lián)軸器要求具備良好的彈性吸振、對(duì)中補(bǔ)償和軸向偏轉(zhuǎn)能力。
粗粉分離罐的作用是對(duì)來(lái)自塔磨機(jī)粉磨后的料漿流進(jìn)行輔助分級(jí),在塔磨機(jī)處于備用停機(jī)狀態(tài)時(shí)或緊急停機(jī)狀態(tài)時(shí),進(jìn)行磨內(nèi)料漿的循環(huán),以減少研磨介質(zhì)的板結(jié)。
粗粉分離罐包括分離罐、梭子閥、循環(huán)泵和連接管路等四部分。分離罐的進(jìn)料口與塔磨機(jī)的溢流口一經(jīng)管道連接,分離罐的下出料口經(jīng)管道、循環(huán)泵與塔磨機(jī)下進(jìn)料口連接,分離罐內(nèi)上、下兩個(gè)腔體安裝有梭子閥。分離罐內(nèi)表面均粘貼有耐磨橡膠。該部件是個(gè)選配件,可根據(jù)工藝情況和物料類型予以確定是否采用。
根據(jù)塔磨機(jī)在整個(gè)選礦廠磨礦系統(tǒng)中所起的作用不同,塔磨機(jī)可用于二段磨礦、三段磨礦和再磨磨礦,其各自的工藝參數(shù)見(jiàn)表1,工藝流程見(jiàn)圖1。
表1 塔磨機(jī)四種粉磨系統(tǒng)工藝參數(shù)Table 1 Process parameter of four grinding systems of tower mill
圖1 選礦廠常見(jiàn)碎磨工藝流程Fig.1 Common flow chart of crushing and grinding process
從圖1 可以看出,除了一段磨之外,二段磨、三段磨和再磨都可以采用塔磨機(jī)系統(tǒng)。其中,塔磨機(jī)系統(tǒng)的選擇形式比較多,塔磨機(jī)本體可以包含粗粉分離罐形成輔助分級(jí),也可以不帶粗粉分離罐。工藝系統(tǒng)可以是開(kāi)路系統(tǒng),也可以是塔磨機(jī)與水力旋流器組成閉路系統(tǒng)。水力旋流器可以是中預(yù)先分級(jí)和檢查分級(jí)合二為一的分級(jí)功能,也可以是只作為檢查分級(jí)??傊鶕?jù)礦石性質(zhì)的特點(diǎn)和浮選流程的要求,可以進(jìn)行各種組合。
另外,根據(jù)最新的工藝,美卓礦機(jī)已嘗試在國(guó)外項(xiàng)目上采用高壓輥磨機(jī)替代半自磨作為細(xì)碎設(shè)備,采用塔磨機(jī)替代球磨機(jī)作為一段磨礦設(shè)備,并且取得了預(yù)期的效果。初步開(kāi)啟了選礦系統(tǒng)碎磨車間“無(wú)球磨機(jī)化”的新局面。
燃料燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的污染物種類較多,其中對(duì)人類環(huán)境威脅較大的是煙塵、SOx、NOx、COx和CmHn等[17]。隨著世界范圍內(nèi)環(huán)保法規(guī)的逐漸嚴(yán)苛,污染物的排放受到越來(lái)越嚴(yán)格的限制,而煙氣脫硫是減少污染物排放,實(shí)現(xiàn)潔凈燃燒的一項(xiàng)重要措施。
傳統(tǒng)的煙氣脫硫系統(tǒng)是采用球磨機(jī)進(jìn)行石灰石研磨,考慮到石灰石微粉的產(chǎn)品細(xì)度達(dá)到-31 μm通過(guò)率為60%~ 95%,而且產(chǎn)品是以料漿的形式存在,所以塔磨機(jī)是一個(gè)有效的替代設(shè)備,可以節(jié)省多達(dá)30%~ 50%的能源成本、降低安裝和運(yùn)營(yíng)成本、降低噪音和減少占地面積,并且已在國(guó)外美卓礦機(jī)的項(xiàng)目上得到應(yīng)用。
圖2 煙氣脫硫系統(tǒng)中石灰石漿料制備的工藝流程Fig.2 Process flow diagram of limestone slurry preparation in flue gas desulfurization system
由圖2 可知,該系統(tǒng)由塔磨機(jī)與水力旋流器形成閉路磨礦系統(tǒng),由塔磨機(jī)進(jìn)行物料的細(xì)磨,由水力旋流器控制產(chǎn)品的細(xì)度,區(qū)別在于右圖中粗粉分離罐起到輔助分級(jí)的作用,有效降低了水力旋流器的循環(huán)負(fù)荷率,提高了塔磨機(jī)的磨礦效率、水力旋流器的分級(jí)效率和分級(jí)精度[16]。
⑴ 國(guó)外塔磨機(jī)廠家因?yàn)槠鸩捷^早,應(yīng)用案例較多,塔磨機(jī)水平相對(duì)較高;國(guó)內(nèi)塔磨機(jī)廠家盡管起步較晚,但是已經(jīng)基本掌握了粉磨機(jī)理、磨機(jī)結(jié)構(gòu)、材料選擇、選型計(jì)算和智能制造等核心技術(shù),并依托國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的支持,塔磨機(jī)技術(shù)得到快速發(fā)展,已經(jīng)接近國(guó)外先進(jìn)水平,并在局部實(shí)現(xiàn)了國(guó)際領(lǐng)先。
⑵ 塔磨機(jī)不但有粗磨所需的沖擊性破碎,還有細(xì)磨和超細(xì)磨所需的剪切、磨剝和擦洗等粉磨機(jī)理,并且研磨強(qiáng)度要數(shù)倍于傳統(tǒng)的球磨機(jī),所以在細(xì)磨和超細(xì)磨方面比球磨機(jī)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
⑶ 不同廠家制造的塔磨機(jī)的結(jié)構(gòu)也各有不同,尤其是攪拌器的結(jié)構(gòu)類型,即使同一個(gè)廠家,不同型號(hào)的塔磨機(jī)結(jié)構(gòu)也不完全一樣。
⑷ 塔磨機(jī)作為一種細(xì)磨設(shè)備,在選礦廠碎磨車間、非金屬礦和煙氣脫硫等行業(yè)得到了應(yīng)用。