陳來保 王子揚 韓呈 侯英

摘 要：塔磨機是一種高效、節(jié)能的細磨和超細磨設(shè)備，在礦山行業(yè)中，被廣泛應(yīng)用于非金屬礦山和金屬礦山的細磨礦和精礦再磨作業(yè)中，研究塔磨機的磨礦機理，分析塔磨機的影響因素有著重要意義。本文介紹了塔磨機的發(fā)展歷史，從微觀和宏觀上敘述了塔磨機的工作原理，分析了操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對塔磨機磨礦效率的影響，同時在優(yōu)化操作參數(shù)時提供了多種科學(xué)的數(shù)值分析方法。為選礦廠優(yōu)化塔磨機操作參數(shù)提供了新思路，并為塔磨機磨礦效果優(yōu)化工作提供理論支撐及技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：塔磨機;磨礦機理;磨礦效率

中圖分類號：TD921

文獻標志碼：A

高效的磨礦技術(shù)是高效選別的前提，由于我國礦產(chǎn)資源“貧、細、雜”的品質(zhì)特點，為了滿足后續(xù)工藝的選別要求，必需要將嵌布粒度細的礦石磨到細粒級或者超細粒級，以有效解離連生體［1］。在進行細磨和超細磨時，傳統(tǒng)的球磨機耗能高、效率低，還容易產(chǎn)生過粉碎情況，不能高效地進行磨礦［2］。因而，需要一種高效磨礦設(shè)備來取代球磨機進行細磨作業(yè)。塔磨機是一種高效、節(jié)能的粉磨設(shè)備，發(fā)展至今，在礦山行業(yè)中，塔磨機主要應(yīng)用在金屬礦山和非金屬礦山的第二段磨礦、第三段磨礦和精礦再磨作業(yè)中［3］。為充分了解塔磨機磨礦機理，提高其磨礦效率，本文總結(jié)了塔磨機的工作原理和關(guān)鍵影響因素對磨礦效率的影響，為塔磨機的操作參數(shù)選取優(yōu)化提供借鑒。

1 塔磨機的發(fā)展歷史

1928年，Szegvari和Klein提出攪拌磨的概念［4］，同時創(chuàng)建了UP公司用來研究并推廣攪拌磨技術(shù)。20世紀30年代，日本引進并開始研發(fā)塔磨機，在1948年成功研制出了高速攪拌球磨機，在高速攪拌球磨機的基礎(chǔ)上，1952年，日本的和端重勝博士發(fā)明了塔磨機，也叫立式螺旋攪拌機［5］。20世紀60年代，各種各樣的攪拌磨機開始被研發(fā)出來，到了20世紀80年代，攪拌磨技術(shù)引起了國際礦業(yè)的重視?，F(xiàn)在國外有很多制造塔磨機的著名公司，其中，知名的主要有兩家，分別是芬蘭的美卓公司和德國的愛立許公司［6］。

我國20世紀70年代開始了對立式攪拌磨機的研究，從開始研究到現(xiàn)在，立式攪拌磨礦設(shè)備有了較大的發(fā)展，從剛開始的油漆、顏料磨機向著大型金屬和非金屬礦磨礦機發(fā)展［7］。長沙礦冶研究院在國內(nèi)最早開始了立式螺旋攪拌磨機的研究，設(shè)備研制從70年代末開始，到了80年代時，大型塔磨機被成功地研制出來，并且獲得了國家發(fā)明專利，之后鄭州的山川重工引進其技術(shù)，JM系列的立式螺旋攪拌磨機被設(shè)計出來。2012 年，隨著美卓塔磨機VTM-800在江西德興銅礦銀山礦業(yè)順利投產(chǎn)，塔磨機展現(xiàn)出了優(yōu)越的性能、簡捷的日常維護和超高的運轉(zhuǎn)率吸引了許多國內(nèi)的礦山用戶，各個科研院所和磨機制造廠家都前去調(diào)研，一批塔磨機的生產(chǎn)廠家就此誕生，主要有北京礦冶研究總院的KLM系列塔磨機；洛陽大華重工科技股份有限公司的HMT系列塔磨機；中鋼天源安徽智能裝備股份有限公司的TM系列塔磨機；中信重工機械股份有限公司的CSM系列立式攪拌磨機等［8-11］。

2 塔磨機工作原理

塔磨機作為一種節(jié)能、高效、超細的粉磨設(shè)備，雖然該設(shè)備有著各種各樣的型號，但是基本組成結(jié)構(gòu)都是類似的，塔磨機的主要組成部件有電動機、減速機、主軸、支架、筒體和螺旋攪拌器［12］。圖1為TM系列立磨機結(jié)構(gòu)簡圖。由于塔磨機具有高效、節(jié)能及超細的摩擦研磨方式，在細磨和超細磨領(lǐng)域之中比傳統(tǒng)的球磨機有更突出的優(yōu)點，開啟了高效節(jié)能的磨礦時代，塔磨機的工作原理也不同于其它磨機［13］。

第一，從宏觀角度來分析塔磨機磨礦時物料在流體域內(nèi)的循環(huán)運動和磨礦過程中物料在筒體內(nèi)的分級研磨情況［14-15］。從磨礦方式來理解，螺旋攪拌器帶動物料和磨礦介質(zhì)在筒體內(nèi)做上下循環(huán)運動和圓周運動。筒體內(nèi)物料進行高效的粉磨是以物料與磨礦介質(zhì)在攪拌葉片上發(fā)生的摩擦為主，并結(jié)合物料與物料、磨礦介質(zhì)之間以及磨礦介質(zhì)與內(nèi)部襯板之間的綜合作用。同時物料在重力作用下發(fā)生內(nèi)部分級，不合格的物料下沉繼續(xù)進行研磨，合格的物料上浮進入分級區(qū)域后溢流出磨機。從物料運動方式理解，螺旋攪拌器作為能量輸出，磨礦介質(zhì)與物料在離心力、重力、摩擦力以及沖擊力的綜合作用下實現(xiàn)了有序的運動循環(huán)，在攪拌葉片上部為小于提升速度的螺旋式上升，在內(nèi)部襯板與攪拌葉片外緣之間為螺旋式下降。合格的物料隨著螺旋葉片不斷上升，并通過內(nèi)部分級區(qū)域后溢流出磨機［4］；不合格的物料隨著螺旋葉片上升，在某個高度運動到內(nèi)部襯板與攪拌葉片外緣之間開始螺旋下降。

第二，從微觀角度來分析物料與磨礦介質(zhì)之間的作用關(guān)系。螺旋攪拌器工作中對磨礦介質(zhì)產(chǎn)生了以下幾個方面的影響：（1）磨礦介質(zhì)隨著攪拌器葉片軸向上升；（2）磨礦介質(zhì)之間的相互碰撞；（3）磨礦介質(zhì)沖擊內(nèi)部襯板。由上可知，在螺旋攪拌器提供能量和運動傳遞的作用下，產(chǎn)生了磨礦介質(zhì)的不規(guī)則運動，從而對物料施加剪切力、擠壓力和撞擊力，進而對物料進行了細磨和超細粉磨［4］。摩擦研磨是塔磨機效率最高的粉磨方式［16］，塔磨機的高徑比決定了磨礦方式主要是摩擦研磨，并且磨礦介質(zhì)也為摩擦研磨提供了強大的正應(yīng)力，增強了摩擦研磨的效果。塔磨機磨礦時，筒體內(nèi)物料發(fā)生沉降從而進行分層磨礦，物料的沉降速度對磨礦效率有著直接的影響。筒體深度越大，介質(zhì)受到的表面壓力就越大，所以深度越大的筒體摩擦研磨效果就越好。不合格的物料越快運動到筒體底部，二次研磨就可以在短時間內(nèi)進行，磨礦效率就越高。沉降方式主要由重力沉降和離心沉降組成，從實際沉降效果來看，離心沉降的效果遠遠好于重力沉降，物料的高效沉降有助于物料粒級的分離，這也為塔磨機高效磨礦提供了理論依據(jù)。

3 塔磨機磨礦效率的影響因素分析

為了發(fā)揮塔磨機優(yōu)良的磨礦性能，關(guān)鍵參數(shù)的合理選取是重要的一環(huán)。磨礦效率的影響因素主要分為操作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)及物料特性。每種物料都有不同的特性，即使同一種物料，由于塔磨機應(yīng)用在選礦工藝流程中也不同，以下從塔磨機的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)兩方面來分析磨礦效率的影響因素。

3.1 塔磨機結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

塔磨機在制造前所有的結(jié)構(gòu)參數(shù)都已經(jīng)確定了，根據(jù)不同要求制造成不同的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)參數(shù)中的筒體和攪拌器是影響磨礦效率最大的兩個部件。

塔磨機筒體是物料發(fā)生粉碎的空間，由圓柱形筒體、襯板和底板三部分組成。一般筒體底板上表面安裝有橡膠復(fù)合襯板，圓柱形筒體內(nèi)表面裝有耐磨襯板和耐磨橡膠等?，F(xiàn)在的筒體還帶有檢修筒體門，方便進行塔磨機內(nèi)部檢修。磨機內(nèi)部筒體的高度直接影響研磨介質(zhì)對物料顆粒作用的正壓力，介質(zhì)正壓力是塔磨機能否快速有效研磨的重要條件，所以筒體高度對塔磨機的磨礦性能有決定性作用［17］。塔磨機是低中速攪拌磨機的一個分支，筒體需要可以承受足夠大的應(yīng)力強度，且筒徑應(yīng)該合適，假如保持螺旋葉片外徑線速度不變，直徑越長轉(zhuǎn)速越小，軸心處的線速度就會減小，這樣會導(dǎo)致軸心處磨礦效果減弱，增大了無效磨礦區(qū)域。筒體內(nèi)還分為粉碎區(qū)和分級區(qū)，所以在設(shè)計該設(shè)備時，通常需要探討高徑比，一般為3 ∶1～4 ∶1。

塔磨機攪拌器是塔磨機內(nèi)發(fā)生研磨的主要區(qū)域，其結(jié)構(gòu)設(shè)計直接影響了磨礦效果。當前，螺旋攪拌器分為單螺旋攪拌器和雙螺旋攪拌器，單螺旋攪拌器主要應(yīng)用在一些易磨的物料中，雙螺旋攪拌器主要應(yīng)用在一些難磨的物料中。螺旋攪拌器還是能量傳動的重要部件，攪拌器葉片的升角影響了物料和磨礦介質(zhì)的運動狀態(tài)，需要保證磨礦介質(zhì)和物料沿攪拌器葉片產(chǎn)生無規(guī)律的旋轉(zhuǎn)運動，從而實現(xiàn)高效粉磨。螺旋葉片外徑與筒體內(nèi)徑必須留有一定的間隙，滿足磨礦介質(zhì)不發(fā)生卡塞［18］。

3.2 塔磨機操作參數(shù)分析

塔磨機磨礦過程的影響因素眾多，但是像給礦原料性質(zhì)、磨機結(jié)構(gòu)、螺旋攪拌器的升角等諸多因素難以改變，操作因素中影響磨礦效果的主要因素有磨礦濃度、螺旋攪拌器轉(zhuǎn)速、介質(zhì)充填率、料球比和磨礦介質(zhì)選材與尺寸等。

磨礦濃度是指礦漿中所含固體質(zhì)量的多少。磨礦濃度影響礦漿的黏度和礦漿在筒體中的流動性，合適的磨礦濃度使顆粒附著在磨礦介質(zhì)表面的概率也越大，受研磨的概率也越大，能量的利用率也越高［19］。磨機工作時筒體中充滿了礦漿，從下方進料的磨機還要考慮到礦漿的壓強。由于工業(yè)中種種因素，導(dǎo)致工業(yè)中的磨礦濃度達不到實驗室中試驗得到的最佳濃度。在實驗室探究磨礦濃度對磨礦效果影響時還需緊扣工業(yè)中的實際情況。

螺旋攪拌器轉(zhuǎn)速是塔磨機的一個重要參數(shù)，最直觀的是影響到螺旋葉片的線速度，進而影響到筒體內(nèi)料漿和磨礦介質(zhì)的線速度。轉(zhuǎn)速的高低影響了葉片徑向速度的梯度大小，梯度越大葉片上摩擦、剪切效果越顯著［20-22］。攪拌器轉(zhuǎn)速過小時，物料之間的線速度差小，磨礦介質(zhì)流動比較差，磨礦效果變差。攪拌器轉(zhuǎn)速過大時，磨礦介質(zhì)受到較高的離心力，物料與磨礦介質(zhì)之間發(fā)生分層或分離，部分磨礦介質(zhì)在筒體內(nèi)不能循環(huán)而失去研磨效果，降低了磨礦介質(zhì)與物料之間摩擦、剪切的概率。合適的攪拌器轉(zhuǎn)速對塔磨機磨礦效果有著重要影響。

介質(zhì)充填率是指筒體內(nèi)充填介質(zhì)及其空隙所占體積與筒體有效容積的百分比。在塔磨機內(nèi)，物料想要發(fā)生粉碎就需要進入到有效研磨區(qū)域，被磨礦介質(zhì)捕獲才得以實現(xiàn)［23-24］。介質(zhì)充填率低導(dǎo)致磨機內(nèi)的有效研磨區(qū)域減少，進而導(dǎo)致了磨礦介質(zhì)對物料顆粒研磨頻率的降低；介質(zhì)充填率高會導(dǎo)致一些磨礦介質(zhì)無法與物料產(chǎn)生接觸，還增加了輸入能量，從而導(dǎo)致能量利用率下降。合適的介質(zhì)充填率可以使有效碰撞的比例上升，增加能量的利用率。

料球比是指磨機內(nèi)物料與研磨體質(zhì)量之比。控制合適的料球比是磨機粉碎的一個重要參數(shù)，合適的料球比不僅會保持磨機的高效研磨，還能將磨機的處理量發(fā)揮到最大作用［25］。球料比過小意味著磨機中物料較少，導(dǎo)致磨礦介質(zhì)之間的碰撞概率變大，與物料發(fā)生有效碰撞的概率減小，導(dǎo)致了磨機能量流失增加，同時磨機內(nèi)的物料處理量也變小。球料比過大意味著磨機中物料較多，這樣會影響磨礦介質(zhì)和物料的正常運動，導(dǎo)致磨機內(nèi)部不能進行有效的循環(huán)運動，能量利用率低，同時也降低了磨機的處理量。

在磨礦作業(yè)中，磨礦介質(zhì)的選材不僅需要考慮磨礦環(huán)境，還要參考物料的可磨性和粒度［26］。最常用的材料有不銹鋼、硬質(zhì)合金和鉻鋼等，特殊情況下還選用氮化硅、陶瓷等其它材料。常見的磨礦介質(zhì)都是球體，磨球直徑的大小會影響到磨礦產(chǎn)品的粒度組成。在球磨機選磨礦介質(zhì)時，可以采用段氏球徑半理論公式計算；在塔磨機選取磨礦介質(zhì)時，沒有科學(xué)的理論依據(jù)，只能靠經(jīng)驗來估計球徑的大小，一般根據(jù)螺旋葉片外徑與筒體內(nèi)部的距離和螺旋葉片的螺距決定，保持磨礦介質(zhì)在磨機內(nèi)可以正常運動，不出現(xiàn)卡球的現(xiàn)象。介質(zhì)配比方面也沒有科學(xué)的理論指導(dǎo)，還需要依靠科學(xué)的方法進行探索。

高效合理的操作參數(shù)是改善磨礦效果的關(guān)鍵［27-28］，磨礦過程中操作參數(shù)一般采用單因素試驗方法確定，單因素優(yōu)化方法不能解釋各試驗參數(shù)之間的相互影響，因而各因素之間的相互影響很容易被忽略，從而導(dǎo)致試驗結(jié)果的精確性下降。為了更好地進行磨礦效果優(yōu)化，越來越多的分析方法逐步被應(yīng)用到優(yōu)化磨礦產(chǎn)品的研究中［29-33］。可以使用單因素優(yōu)化法、正交實驗法、離散元方法、響應(yīng)曲面法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對磨機影響因素進行分析，由于各種分析方法特點不同，可以多種方法組合起來應(yīng)用分析，取得更好工作參數(shù)。

3.3 塔磨機影響因素分析方法的應(yīng)用

隨著計算機的發(fā)展，許多仿真和數(shù)值分析軟件被開發(fā)和應(yīng)用，對物體間相互作用的模擬計算逐漸應(yīng)用在了塔磨機的研究中。通過對塔磨機的模擬，可以直觀的獲得塔磨機運動過程中的一些參數(shù)，也可以分析各因素之間對塔磨磨礦效果的影響。

BARLEY等［22］借助離散元仿真軟件EDEM，根據(jù)受力相等放大的原則和綜合放大的原則將JM-260立式螺旋攪拌器轉(zhuǎn)化為簡易模型。以攪拌器轉(zhuǎn)速和介質(zhì)充填率為試驗因素，采用全因子分組的方法進行試驗。結(jié)果表明，攪拌器轉(zhuǎn)速和介質(zhì)充填率對介質(zhì)磨球之間碰撞頻率有著顯著的影響，很大程度上決定著磨礦效果。

黃胤淇［26］借助Eviews軟件，以攪拌器轉(zhuǎn)速、磨礦時間、磨礦濃度及磨礦產(chǎn)品中間粒級含量展開研究，建立多元線性回歸方程。結(jié)果表明，由回歸方程模擬結(jié)果得出的磨礦條件進行磨礦，與試驗結(jié)果基本相符，并能通過回歸方程找到更好的磨礦條件。

李國峰等［34］借助離散元仿真軟件EDEM，將實驗室塔磨機轉(zhuǎn)化為簡易模型，并分析塔磨機機內(nèi)的磨礦介質(zhì)碰撞特征，考察了介質(zhì)配比、充填率、攪拌器轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)對攪拌磨機內(nèi)介質(zhì)運動速度和介質(zhì)間碰撞次數(shù)、碰撞力、碰撞能的影響。結(jié)果表明，Φ5 mm和Φ3 mm介質(zhì)配比越大，介質(zhì)運動速度、碰撞最大法向力、碰撞能越大，介質(zhì)間碰撞次數(shù)越少；隨著充填率的增加，介質(zhì)間碰撞次數(shù)逐漸增加，介質(zhì)運動速度、碰撞最大法向力、碰撞能逐漸減小；隨著攪拌器轉(zhuǎn)速的增加，介質(zhì)運動速度、碰撞次數(shù)、碰撞最大法向力、碰撞能均呈增加趨勢。研究結(jié)果揭示了攪拌磨機內(nèi)介質(zhì)的運動狀態(tài)，對適宜磨礦工藝參數(shù)的選取有一定的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

筒體和攪拌器是塔磨機結(jié)構(gòu)參數(shù)的主要影響因素，筒體的高徑比直接影響了攪拌器的尺寸，攪拌器的結(jié)構(gòu)影響了物料和磨礦介質(zhì)的運動狀態(tài)。磨礦濃度、螺旋攪拌器轉(zhuǎn)速、介質(zhì)充填率、料球比和磨礦介質(zhì)選材與尺寸是塔磨機操作參數(shù)的主要影響因素，磨礦濃度主要影響顆粒附著在磨礦介質(zhì)表面的概率，螺旋攪拌器轉(zhuǎn)速的高低主要影響了葉片徑向速度的梯度大小，介質(zhì)充填率主要影響磨機內(nèi)的有效研磨區(qū)域大小，料球比主要影響礦物和磨礦介質(zhì)之間的碰撞概率，磨礦介質(zhì)選材與尺寸主要影響磨礦產(chǎn)品的粒度組成。

塔磨機的操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對磨礦效率有重要影響，合理運用數(shù)值分析方法，通過比較，選擇最合適的方法，對操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，科學(xué)合理的分析方法對磨礦效率的提升有著重要的意義。

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（責(zé)任編輯：于慧梅）

Analysis of Influencing Factors of Grinding Efficiency of Tower Mill

CHEN Laibao1， WANG Ziyang2， HAN Cheng1， HOU Ying*2

（1.Sinosteel NMC Intelligent Equipment Co.， Ltd.， Maanshan 243003， China;

2.School of Mining Engineering， University of Science and Technology Liaoning， Anshan 114051， China）

Abstract：

The tower mill is an efficient and energy-saving fine grinding and ultra-fine grinding equipment. In the mining industry， it is widely used in the second grinding， third grinding and concentrate regrinding operations of metal mines and non-metallic mines. Therefore， it is of great significance to study the grinding mechanism of the tower mill and analyze the influencing factors of the tower mill. This paper introduces the development history of tower mill， describes the working principle of tower mill from the micro and macro aspects， analyzes the influence of structural parameters and operating parameters on the grinding efficiency of tower mill， and provides a variety of scientific numerical analysis methods for optimizing operating parameters. It affords a new idea for optimizing the operation parameters of the tower mill， and provides theoretical support and technical guidance for the optimization of the grinding effect of the tower mill.

Key words：

tower mill; grinding mechanism; grinding efficiency