袁樹禮，吳建明，楊俊平

（北京礦冶研究總院，北京 100160）

1 概述

近年來，伴隨著對礦物和物料性能要求的日益提高，超細(xì)粉碎技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)物料超細(xì)粉碎的加工設(shè)備也層出不窮，而攪拌磨因其具有高效率、高細(xì)度、低能耗、低污染等優(yōu)點(diǎn)成為細(xì)磨和超細(xì)磨的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和新材料產(chǎn)業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域，如高嶺土、云母、硅灰石、氧化鐵紅、磁性材料、氧化鋁、重質(zhì)碳酸鈣、滑石、石英、鋯英砂、碳化硅、地開石、伊利石、瓷石、膨潤土等物料的加工。

石墨是一種重要的非金屬礦物原料，而特種石墨、碳纖維、炭/炭復(fù)合材料等炭素材料更素有“黑金子”的美稱，廣泛用于航空航天、核能、風(fēng)能、硬質(zhì)材料制造等重要行業(yè)。我國是天然石墨資源大國，儲量、產(chǎn)量及出口量均居世界首位，2012年我國石墨及碳素制品總量預(yù)計達(dá)到3000萬t，呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。但由于技術(shù)開發(fā)投入不夠，目前仍以原料生產(chǎn)及加工鱗片石墨為主，特種石墨市場處于嚴(yán)重的供給不足狀態(tài)，每年需大量進(jìn)口高質(zhì)量、超細(xì)粒度的石墨，其中約80%來自日本、20%來自歐美，而進(jìn)口產(chǎn)品中有些是以我國石墨為原料的制品，但價格卻是我國石墨出口價格的幾倍甚至幾十倍。因此在石墨超細(xì)粉碎工業(yè)中，提高石墨的超細(xì)程度，降低生產(chǎn)成本是一個急待解決的問題。攪拌磨技術(shù)的快速發(fā)展與石墨的深加工有著密切的聯(lián)系，研制新型高效大型攪拌磨機(jī)用于石墨超細(xì)磨，可提高石墨細(xì)磨效率，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2 國內(nèi)外攪拌磨機(jī)研究與發(fā)展?fàn)顩r

2.1 國外狀況

攪拌磨最早于1928年產(chǎn)生于美國，隨后美國研發(fā)出USBM立式攪拌磨機(jī)，至20世紀(jì)60～70年代，攪拌磨機(jī)的排礦裝置得到改進(jìn)，攪拌器轉(zhuǎn)速不斷提高。

20世紀(jì)70～80年代，出現(xiàn)了采用盤式攪拌器為元件的攪拌磨機(jī)，特點(diǎn)是多個圓盤串聯(lián)構(gòu)成撐拌器。這種攪拌器不僅具有攪拌功能，還能研磨物料，外圓線速度接近10m/s，能量輸入密度較高[1]。

目前國際上代表性的先進(jìn)攪拌磨機(jī)有3種，即盤式攪拌元件的I s a 磨機(jī)、螺旋型攪拌器的塔磨機(jī)(VertiMill)和棒形攪拌元件的(Detritor)磨機(jī)[2]。這幾種磨機(jī)已成功應(yīng)用于國內(nèi)外金屬礦山的項(xiàng)目中。

2.2 國內(nèi)狀況

我國在攪拌磨技術(shù)方面的研究起步較晚，最早的攪拌磨機(jī)是重慶化工機(jī)械廠在20世紀(jì)60年代制造的。到80年代后期，通過不斷引進(jìn)國外技術(shù)和自主研發(fā)，國內(nèi)攪拌磨機(jī)有了較快速的發(fā)展。出現(xiàn)了棒式、盤式、螺旋式和葉輪式攪拌器，分批式、連續(xù)式、立式和臥式等多種類型的攪拌磨機(jī)。

(1)SJ-90型攪拌磨機(jī)和ZJM型攪拌磨機(jī)。

該種攪拌磨機(jī)主要特點(diǎn)是：筒體為圓桶狀，筒體的外部有冷卻夾層，攪拌器采用圓形直棒為攪拌件，設(shè)備運(yùn)行時轉(zhuǎn)速較低，粉磨強(qiáng)度不高，只適用于小規(guī)模批量生產(chǎn)。

(2)BP(MB)系列攪拌磨機(jī)(剝片機(jī))和GSDM-400型攪拌磨機(jī)。

該類攪拌磨機(jī)(剝片機(jī))一般采用圓斷面筒體，筒體內(nèi)襯剛玉、聚氨酯彈性體或航空橡膠，攪拌器上串多個圓形攪拌盤，BP(MB)系列攪拌磨機(jī)(剝片機(jī))的攪拌器外襯聚氨酯彈性體，GSDM-400型攪拌磨機(jī)的攪拌器外襯航空橡膠，兩種磨機(jī)可以多臺串聯(lián)工作，處理能力更強(qiáng)，產(chǎn)品粒度更細(xì)。

(3)螺旋攪拌磨機(jī)。

該類磨機(jī)的筒體高，采用較大的高徑比，攪拌器為螺旋葉片，工作時設(shè)備的攪拌速度較低，主要靠重力作用于介質(zhì)達(dá)到粉碎的目的，適用于細(xì)磨、再磨或超細(xì)磨的較粗階段，濕式或干式作業(yè)。

(4)LXJM-3600攪拌磨機(jī)和CYM-5000攪拌磨機(jī)。

兩種設(shè)備都屬于大高徑比的攪拌磨機(jī)，且設(shè)備規(guī)格較大，具有較高的攪拌磨強(qiáng)度和生產(chǎn)能力。LXJM-3600攪拌磨機(jī)采用棒形攪拌器，容積為3600L，整機(jī)的安裝功率為250kW，外形尺寸(長×寬×高)為2.2m×2.2m×8.5m。CYM-5000攪拌磨機(jī)采用多邊形筒體、盤式攪拌器，容積為5m3，安裝功率為315kW，外形尺寸(長×寬×高)為2m×2m×11m。

3 大型單槽高強(qiáng)度攪拌磨機(jī)的研制

為滿足市場和超細(xì)磨設(shè)備發(fā)展的需要，北京礦冶研究總院自20世紀(jì)90年代末起開始開發(fā)GJ5×2大型雙槽高強(qiáng)度攪拌磨機(jī)。該設(shè)備充分吸收了國內(nèi)外攪拌球磨的優(yōu)點(diǎn)，摒棄球磨設(shè)備存在的不足，產(chǎn)生了多項(xiàng)國內(nèi)攪拌球磨機(jī)的創(chuàng)新性技術(shù)，目前該設(shè)備已經(jīng)在多個領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用，以其高效節(jié)能、工作可靠、安裝維修方便等優(yōu)點(diǎn)獲得用戶的一致認(rèn)可。

以GJ5×2大型雙槽高強(qiáng)度攪拌磨機(jī)的技術(shù)為基礎(chǔ)，又開發(fā)了新型單槽高強(qiáng)度攪拌磨機(jī)，該設(shè)備槽體容積更大，在石墨行業(yè)的細(xì)磨和超細(xì)磨作業(yè)中獲得成功應(yīng)用。

3.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1 GJM2-75大型單槽高強(qiáng)度攪拌磨機(jī)結(jié)構(gòu)

大型單槽高強(qiáng)度攪拌磨機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由槽體、攪拌機(jī)構(gòu)、電機(jī)、皮帶傳動裝置、減速器5個主要部分組成，攪拌機(jī)構(gòu)是主要的工作部件，安裝有上、下兩個攪拌器。設(shè)備的槽體內(nèi)裝有一定量的研磨介質(zhì)，如氧化鋯球、氧化鋁球、玻璃球、鉻球等，目前應(yīng)用比較多的是氧化鋁球，因?yàn)閺哪ズ闹颠M(jìn)行對比，氧化鋁球的磨耗僅次于氧化鋯球，而其價格只約為氧化鋯球的1/10，固通常選用氧化鋁球作為磨礦介質(zhì)，實(shí)際工作中磨礦效果良好。攪拌機(jī)構(gòu)工作時，攪拌器高速旋轉(zhuǎn)，具有較高的外圓線速度，帶動物料和磨礦介質(zhì)在槽體內(nèi)做整體的多循環(huán)運(yùn)動和自轉(zhuǎn)運(yùn)動，利用磨礦介質(zhì)的重力和擠壓力產(chǎn)生的摩擦、沖擊和剪切作用，使物料被有效的粉碎[3]。

3.2 仿真模擬

采用計算機(jī)仿真模擬的方法可以驗(yàn)證設(shè)備的設(shè)計效果，優(yōu)化設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)，既能保證設(shè)備的可靠性又能最大限度地發(fā)揮設(shè)備性能。

如圖2所示是主軸轉(zhuǎn)速為150r/min時縱截面的速度等值圖?？梢钥吹剿俣鹊戎稻€在流場中分布很不均勻，在攪拌器上下兩側(cè)附近的狹窄區(qū)域內(nèi)等值線分布非常稠密，即速度梯度很大。除此之外在上葉輪的上側(cè)和下葉輪的下側(cè)速度梯度也比較大，其余的流場部分速度梯度較小。

如圖3所示主軸轉(zhuǎn)速為150r/min時縱截面的速度矢量圖，可以看出在上攪拌器的上方及下攪拌器的下方，靠近側(cè)壁的位置形成漩渦，速度梯度也較大，說明物料對側(cè)壁有很強(qiáng)的撞擊和摩擦作用。由此可以判斷：在攪拌磨機(jī)中，起研磨破碎效果的擠壓和剪切力主要發(fā)生在攪拌盤兩側(cè)附近以及攪拌器外側(cè)與筒壁之間的區(qū)域內(nèi)。

圖2 旋轉(zhuǎn)軸截面速度等值線圖

圖3 旋轉(zhuǎn)軸截面速度矢量圖

4 大型單槽高強(qiáng)度攪拌磨機(jī)的應(yīng)用

目前，大型單槽高強(qiáng)度攪拌磨機(jī)已經(jīng)在石墨行業(yè)獲得了成功應(yīng)用，該設(shè)備的總裝機(jī)功率達(dá)到1000kW以上。設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)如右表所示。

該設(shè)備在生產(chǎn)中，采用氧化鋁球作為磨礦介質(zhì)，單機(jī)磨礦介質(zhì)用量約為4t，介質(zhì)的球徑在1.5～2.5mm之間，不同直徑的介質(zhì)按照一定的配比添加，增加介質(zhì)的添加量對提高石墨粉磨的細(xì)度有促進(jìn)作用。由于石墨具有潤滑的作用，該設(shè)備在使用時不存在電動機(jī)難啟動的問題，省去了壓縮空氣。

石墨屬于片狀礦物，超細(xì)磨礦過程中，磨礦細(xì)度越高，石墨礦物的表面能越大，不規(guī)則礦物的片狀邊緣之間容易產(chǎn)生靜電吸附，同時礦物微粒之間容易疊加，所以石墨超細(xì)磨礦過程中礦漿分散性比較差[4]。單槽攪拌磨機(jī)在現(xiàn)場的給料來自浮選機(jī)的浮選精礦，石墨礦漿的濃度為25%～30%，在此濃度范圍內(nèi)攪拌球磨機(jī)的磨礦效率較高，適當(dāng)提高石墨的礦漿濃度可以提高粉磨的效率，但過高的濃度容易造成石墨結(jié)成絮團(tuán)，不利于磨礦。

大型單槽高強(qiáng)度攪拌機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

5 結(jié)論

大型單槽高強(qiáng)度攪拌磨機(jī)的研制解決了石墨超細(xì)粉磨的難題，可生產(chǎn)純度為95%～97%的優(yōu)質(zhì)石墨，單臺設(shè)備的處理量達(dá)到2～3 t/h。

該設(shè)備的優(yōu)勢：①具有生產(chǎn)能力強(qiáng)、超細(xì)磨效率高、產(chǎn)品粒度細(xì)、可連續(xù)生產(chǎn)、節(jié)約能耗等優(yōu)點(diǎn)；②應(yīng)用上減少了設(shè)備數(shù)量，簡化了流程，節(jié)省了基建投資；③設(shè)備具有人性化的結(jié)構(gòu)設(shè)計和外形尺寸，便于安裝、操作、維修，生產(chǎn)現(xiàn)場的人員數(shù)量減少，人員的工作強(qiáng)度大大降低；④設(shè)備規(guī)格大，是目前國內(nèi)領(lǐng)先的超細(xì)磨設(shè)備之一，充分發(fā)揮了大型設(shè)備在大規(guī)模生產(chǎn)中的優(yōu)越性。

[1]吳建明,曹永新.GJ 5×2大型雙槽高強(qiáng)度攪拌磨機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用[J].有色金屬(選礦),2009(3):46-51.

[2]GAO M,HOLMES R,PEASE J.The latest developments in fine and ultrafine grinding technologies[A].Processing of the ⅩⅩⅢ international Mineral Processing Congress( Volume 1)[C].Istanbul:Promed Advertising Agency,2006:30-37.

[3]包士雷,孫永升,程仁舉.攪拌磨在選礦中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè),2010(7):43-45.

[4]田敏,李洪潮,郭保萬.石墨超細(xì)粉碎探索性研究[J].中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊,2004(3):24-25.