粉磨工艺及设备 水泥粉磨工艺与设备问答的目 录
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除处理某些砂矿以外的所有选矿厂，几乎都有磨矿作业。在选矿工业中，当有用矿物在矿石中呈细粒嵌布时，为了能把脉石从矿石中除去，并把各种有用矿物相互分开，必须将矿石磨细至 0. 1 ～0. 3 mm，甚至有时磨至 0. 05 ～0. 074 mm 以下。磨矿细度与选矿指标有着密切的关系。在一定程度上，有用矿物的回收率随着磨矿细度的减小而增加。因此，适当减小矿石的磨碎细度能提高有用矿物的回收率和产量。磨矿所消耗的动力占选矿厂动力总消耗的 30%以上。因此，磨矿作业在选矿工艺流程中占有很重要的地位。
磨矿的目的主要有三个: 一是满足后续选矿提纯作业对矿物解离度的要求; 二是直接加工满足塑料、橡胶、陶瓷、玻璃、耐火材料、油漆涂料等相关应用领域细度要求的非金属矿粉体产品; 三是为下述超细粉碎和精细分级作业提供满足其给料粒度要求的粉体原料。
根据作业方式磨矿可分为干法和湿法两种，一般以有用矿物单体解离为目的的磨矿作业大多采用湿法; 而以直接加工粉体产品为目的的磨矿作业大多采用干法，这种作业也常常称之为磨粉。
一、粉磨的工艺流程
粉磨的工艺分为开路粉磨工艺和闭路粉磨工艺。
开路系统的特点是: 流程简单，设备少，投资省，操作维护方便; 缺点是易产生过粉碎和粉包球，效率低，产量低，电耗高，粒度分布较宽。
闭路系统的特点是: 不易过粉碎，效率高，电耗较低，分级方便，粒度易控制，粒度分布较窄，颗粒均匀; 缺点是流程较复杂，投资大，操作维护较复杂。
二、粉磨设备
常用的粉磨设备主要有球磨机、自磨机、棒磨机、砾磨机、立式磨机等类型。
( 一) 球磨机
1. 类型
按长径比: L ∶ D =2 以下为短磨，3 左右为中长磨，4 以上为长磨 ( 管磨) 。
按卸料方式: 尾卸式; 中卸式。
按传动方式: 中心传动式; 边缘传动式。
其他: 干式; 湿式; 间歇式; 连续式。
球磨机类型见图 1 －21。
图 1 －21 球磨机的种类
图 1 －22 磨矿介质的运动轨迹
2. 基本结构
筒体，衬板，进料装置，出料装置，电机及传动机构。
3. 工作原理
在磨矿过程中，磨矿机以一定转速旋转，处在筒体内的研磨介质由于旋转时产生离心力，致使它与简体之间产生一定摩擦力。摩擦力使研磨介质随着筒体旋转，并到达一定的高度。当研磨介质的自身重力 ( 实际上是重力的向心分力) 大于离心力时，研磨介质就脱离筒体抛射下落，从而击碎矿石。同时，在磨矿机转动过程中，研磨介质还会有滑动现象，对矿石产生研磨作用。所以，矿石在研磨介质产生的冲击力和研磨力联合作用下得到粉碎。磨矿介质的运动轨迹见图 1 －22。
4. 特点
对物料适应性强，能连续生产，生产能力大; 粉碎比大，能达 300 以上; 粒度易调整，结构简单，坚固，可靠，密封性好。
缺点是: 工作效率低，电能利用率低;体型笨重，可达几百吨; 钢铁消耗量大 ( 1000 g/t) ; 噪声大。
研磨介质填充系数: 中长磨的填充系数为 25% ～ 35%，长磨的填充系数为 30% ～35% ，短磨的填充系数为 35% ～ 45% 。具体由实验确定。
级配: 两头小中间大，采用 3 ～5 种球径配合。通过实验确定最佳级配。球料比过小，研磨效率低; 球料比过大，增加研磨介质损耗，降低研磨效率。
( 二) 自磨机
自磨机的工作原理与球磨机的工作原理基本相同，不同的仅是它不另外采用研磨介质( 有时为提高其处理能力，也加入少量的钢球，通常只占自磨机有效容积的 2% ～ 3% 左右) ，而是利用矿石本身在筒体内连续不断地相互冲击和磨剥作用来达到粉碎矿石的目的。在破碎和磨碎的同时，空气流以一定的速度通入自磨机中，将粉碎了的矿物从自磨机内吹出，并进行分级，这种磨矿方法的主要优点是粉碎比非常大，能使直径1 m 以上的矿块，在一次磨碎过程中排矿粒度小于 0. 074 mm ( －200 目) 。因此，采用自磨机可以简化破碎流程，并降低选矿厂基本建设的设备投资及其日常维护和管理费用。由于自磨机的过磨现象少，处理后的矿物表面干净，因而能提高精矿品位和回收率。
LM 离心自磨机是一种新型的立轴、锤破、旋风式离心自磨机，这种磨矿机具有粉碎比大 ( 给料粒度 200 mm，产品平均粒度 10 ～30 μm) 、产量高、单位粉体产品能耗较低、操作维护方便等特点。
LM 离心自磨 机 现有 两 种 规 格: LM65 和 LM120，主 机 装 机 容 量 分 别 为 55 kW 和200kW，产量分别为 1 ～ 4. 5 t / h 及 10 ～ 14 t / h。这种磨机适合于中等硬度以下的脆性矿物，如滑石、方解石、高岭土等的粉碎加工。湿式自磨机的结构见图 1 －23。
图 1 －23 5500 ×1800 湿式自磨机
图 1 －24 棒磨过程
( 三) 棒磨机
棒磨机是采用圆棒作为研磨介质，而不像球磨机采用钢球作为研磨介质。棒的直径通常为 40 ～100 mm，棒的长度一般比筒体长度短 25 ～50 mm。棒磨机主要是利用棒滚动时产生磨碎和压碎的作用将矿石破碎的。棒磨过程见图 1 －24。
当棒磨机转动时，棒只是在筒体内互相转移位置。棒磨机不只是用棒的某一点来打碎矿石，而是以棒的全长来压碎矿石。因此，在较大块矿石没有被破碎前，细粒矿石很少受到棒的冲击，矿石过粉碎的可能性小，可以得到粒度比较均匀的磨碎产品。由于棒磨机具有以上工作特性，通常取其转速比球磨机的低一些，约为临界转速的 60% ～ 70%; 充填率一般为 30% ～40%; 给矿粒度不宜大于 25 mm。棒磨机一般在第一段开路磨矿中用于矿石的细碎和粗磨。在钨、锡或其他稀有金属的重选厂或磁选厂，为了防止矿石过粉碎，常采用棒磨机。棒磨机用于开路磨矿，可以代替短头圆锥破碎机作细碎。
( 四) 砾磨机
砾磨机是古老的磨矿设备之一，砾磨机是一种用砾石或卵石作研磨介质的磨矿设备。由于磨矿机的生产率与研磨介质的密度成正比，因此，砾磨机的筒体尺寸 ( D × L) 要比相同生产率的球磨机筒体尺寸大。同时，其衬板一般要求能够夹住研磨介质，形成 “自衬”，以减少衬板磨损，加强提升物料的能力和矿物间的粉碎作用。因此，常采用网状衬板或梯形衬板，或者两者的组合。
砾磨机具有能耗小、生产费用低、节省金属材料 ( 如研磨介质) 、避免金属对被磨碎物料的污染等特点，特别适用于对物料有某些特殊要求的场合。国外将砾磨机用于处理金、银、重晶石等金属和非金属矿石。砾磨机工作时，转速一般比球磨机略高，常为临界转速的 85% ～90%，矿浆浓度一般比球磨机低 5% ～10%。
( 五) 立式磨机类
立式磨机类又可分为盘磨机、旋磨机等。
特点: 入磨物料较大 ( 50 ～ 80 mm) ; 自带选粉装置，物料在磨内停留时间短( 3 min ± ) ，过粉磨现象少; 粉磨效率高，电耗低 ( 为球磨的 40% ～ 60% ) ; 产品粒度易调整，粒度均匀; 结构紧凑，占地小; 噪声小，粉尘少。
缺点: 只适于粉磨中等硬度的物料，制造要求较高，操作要求严格。
1. 盘磨机
盘磨机是利用辊子在圆盘上的快速转动来对物料进行粉碎的磨机。一种是圆盘固定型，即圆盘固定不动而安装辊子的梅花架快速转动的悬辊式盘磨机，又称雷蒙磨 ( Ray-mond Mill) ，按辊数分为 3R 和 4R 两类。另一种是圆盘转动型，即辊子部件不绕机架中心轴转动而是圆盘快速转动。雷蒙磨的结构见图 1 －25。
2. 旋磨机
旋磨机粉碎比大，可直接将 100 mm 左右的给料粉碎到 10 μm 左右; 产品粒度调节范围宽，调整分级参数可生产出 500 ～1250 目 ( 10 μm) ，既可用于细磨，也可以用于超细磨。生产能力 1 ～30 t/h。旋磨机的结构见图 1 －26。
3. 涡轮式粉碎机
这种涡轮式粉碎机主要由加料斗、转子、叶片、筛网、磨块、机壳、主轴、传动装置等组成。工作时，由电动机通过皮带传动，带动主轴及紧固在主轴上的涡轮 ( 转子) 高速旋转。涡轮与筛网圈上的磨块，组成合理、紧凑的结构，使进入机内的物料在旋转气流中受到紧密的摩擦、剪切和强烈的冲击作用而被磨碎。在高速旋转过程中，涡轮吸进大量的空气，起到了冷却机器、传送细粉的目的。产品粒度受筛孔形状、尺寸以及物料通过量控制。
图 1 －25 雷蒙磨结构及外形图
图 1 －26 CLM －2 多级旋磨机
这种粉碎机的特点是结构紧凑，操作维护简单，投资较少，作业灵活、方便，适用于中等硬度以下非金属矿物、化工原料等的粉碎加工。涡轮式粉碎机结构见图 1 －27。
4. 冲击磨
立式冲击磨的外形图见图 1 －28。物料由加料仓加入转盘的上方，直接落入高速旋转的转盘，在离心力的作用下与转盘外周边打击轨道的靶材产生高速度的碰撞，物料相互碰撞实现粉碎。粉碎后的物料经上升气流带入涡轮分级机进行分级，合格的物料被分选出来; 不合格的物料被抛掷到边壁经二次风冲洗后落入转盘中间，继续进行粉碎。其特点是: 无需压缩空气或者磨矿介质，物料相互碰撞实现粉碎，消除了设备的磨损和铁质污染。适用于莫氏硬度 5 以上如碳化硅、刚玉、锆英砂、磨料、耐火材料等高硬度物料的加工。
图 1 －27 涡轮式粉碎机
图 1 －28 立式冲击磨外形图
三、影响粉磨的诸因素
1. 易磨系数
干法开路粉磨时，以一定量物料被磨到一定细度时所需的时间表示。
湿法开路粉磨时，以一定量物料被磨到一定细度时试验磨机的千转数表示。
干法闭路粉磨时，以系统达到平衡时，磨机转一圈能磨得细度合格的产品的质量表示。
2. 易磨性
绝对易磨性: 用工作指数表示，即 907 kg 物料从理论无限大磨碎到 80% 能通过100 μm 方孔筛所消耗的功 ( kW·h) 表示。常见物料的易磨性见表 1 － 2。
表 1 －2 一些物料的易磨性 单位: kW·h
在矿物加工上习惯用普氏硬度系数作为矿石坚固性的标准，普氏硬度系数为抗压强度的百分之一，用符号 f 表示。
非金属矿产加工与开发利用
式中:σp———抗压强度。
也常用“可碎(磨)性系数”来衡量矿石粉碎的难易程度，可碎(磨)性系数的表示如下:
非金属矿产加工与开发利用
实践中常以石英作为标准的中硬矿石，将其可碎性系数定为1，硬矿石的可碎性系数都小于1，而软矿石则大于1。
在矿物加工实践中，常按普氏硬度将岩石分为五个等级，以此来表示岩石破碎的难易程度。详见表1－3。
表1－3 岩石破碎难易程度分类
3.入磨及出磨物料粒度
磨机产量随入磨物料粒度的减小而增加，随出磨物料粒度的减小而减小。
4.粉磨设备
设备的大型化有利于提高劳动生产率和粉磨效率，节约能源。
5.入料的均匀性、入料的温度与水分
入料的均匀性影响出料的均匀性;易磨性随温度的升高而降低，故影响磨机效率。温度越高，研磨能量消耗越大，如入磨物料温度超过50℃，磨机产量将受影响，超过80℃，磨机产量降低10%～15%。
如入磨物料水分过高，使产量降低，甚至黏堵，增加能耗;适量的水分，可以降低磨温，减少静电效应，提高粉磨效率。
6.助磨剂
在粉碎作业中，能够显著提高粉碎效率或降低能耗的化学物质称为助磨剂。按助磨剂添加时的物质状态可分为固体、液体和气体助磨剂;根据物理化学性质可分为有机助磨剂和无机助磨剂。
1)固体助磨剂:如硬脂酸盐类、胶体二氧化硅、碳黑、氧化镁粉、胶体石墨等。
2)液体助磨剂:包括各种表面活性剂、分散剂等。如用于水泥熟料、方解石、石灰石等的三乙醇胺;用于石英等的烷基油酸(钠);用于滑石的聚羧酸盐;用于硅灰石的六偏磷酸钠等。
3)气体助磨剂:如蒸气状态的极性物质(丙酮、硝基甲烷、甲醇、水蒸气)以及非极性物质(四氯化碳等)。
常用助磨剂见表1－4。
表1－4 常用助磨剂
任何一种有助于化学键破裂和阻止表面重新结合并防止微颗粒团聚的药剂都有助于超细粉碎过程。
在非金属矿的湿式超细粉碎中，常用的助磨剂通常是表面活性剂。如:①碱性聚合无机盐，在这类表面活性剂中，除了用于硅酸盐矿物的磨矿外，一般多聚磷酸盐优于多聚硅酸盐;②碱性聚合有机盐，在这类中，最合适的是丙烯酸酯，它受pH的影响最小;③偶极=偶极有机化合物，如烷烃醇胺等。
四、分级设备
分级设备包括机械分级机、细筛、水力分级机和风力分级机等。细筛已在破碎与筛分一节中做了介绍。
1.机械分级机
螺旋分级机
螺旋分级机按分级液面的高低，分为高堰式、低堰式和沉没式三种;根据螺旋数目，又可分为单螺旋和双螺旋分级机。
螺旋分级机有一个倾斜的半圆柱形槽子，槽中装有一个或两个螺旋，它的作用是搅拌矿浆并把沉砂运向斜槽的上端。螺旋叶片与空心轴相连，空心轴支承在上下两端的轴承内。传动装置安在槽子的上端，电动机经伞齿轮使螺旋传动。下端轴承装在提升机构的底部，可转动提升机构使它上升或下降。提升机构由电动机经减速器和一对伞齿轮带动丝杆，使螺旋下端升降。停车时，可将螺旋提起以免沉砂压住螺旋，使开车时不至于过负荷。2400浸入式双螺旋分级机结构及原理见图1－29。
高堰式螺旋分级机的溢流堰比下端轴承高，但低于下端螺旋的上边缘。它适合于分离出0.15～0.20mm的粒级，通常用在第一段磨矿，与磨矿机相配合。沉没式的下端螺旋有4～5圈全部浸在矿浆中，分级面积大，利于分出小于0.15mm的粒级，常用在第二段磨矿与磨机构成机组。低堰式的溢流堰低于下端轴承的中心，液面很小，受搅动作用大，主要用于含泥矿石的洗矿。
图1－29 Ф2400浸入式双螺旋分级机(据胡岳华等，2006)单位:mm
螺旋分级机构造简单，工作平稳，操作方便，返砂含水量低，易于与球磨机自流联结，因此常被采用。它的缺点是，下端轴承易磨损和占地面积大等，因此有被水力旋流器取代的趋势。
2.水力分级机
(1)水力旋流器
水力旋流器其上部是一个中空的圆柱体，下部是一个与圆柱体相通的倒锥体，二者组成水力旋流器的工作筒体。圆柱形筒体上端切向装有给矿管，顶部装有溢流管及溢流导管。在圆锥形筒体底部有沉砂口。各部分之间用法兰盘及螺钉连接。给矿口、筒体和沉砂口通常衬有橡胶、聚氨酯或辉绿岩铸石，以便减少磨损并在磨损后更换。其结构见图1－30。沉砂口还可以制成可调的，根据需要调节其大小。小型水力旋流器还可完全由聚氨酯制成。矿浆以49～245kPa的压力，5～12m/s的高速从给矿管按切线方向进入圆柱形筒体，随即绕轴线高速旋转，产生很大的离心力，形成一个旋涡。矿浆中粒度和密度不同的颗粒，由于受到的离心力不同，所以它们在旋流器中的运动速度、加速度及方向也各不相同，粗而重的颗粒受的离心力大，被抛向筒壁，按螺旋线轨迹下旋到底部，作为沉砂从沉砂口排出。细而轻的颗粒受的离心力小，被带到中心，在锥形筒体中心形成内螺旋矿流向上运动，作为溢流从溢流管排出。水力旋流器的分离粒度范围一般为0.3～0.01mm。
图1－30 水力旋流器结构示意图
与水力旋流器有关的参数很多，而且往往相互关联，相互制约，不易调整和控制，这也是它在我国难以广泛应用的重要原因。
水力旋流器可用作高岭土、石英、长石等非金属矿的分级或脱泥，用作分级设备时，主要用来与磨机组成磨矿－分级系统。
水力旋流器的优点是:构造简单，没有运动部件;设备费用低，维护方便，占地面积小、基建费用少;单位容积处理能力大;分级粒度细，最终可达10μm以下;分级效率较高，最高可达80%左右;矿浆在旋流器中滞留的量和时间少，停机时容易处理。其缺点是:给矿砂泵的动力消耗大且磨损快;给料口和沉砂口容易磨损;给矿浓度、粒度、黏度和压力的微小波动对工作指标有很大影响。
(2)槽形分级机
槽形分级机根据沉降条件不同分为自由沉降和干涉沉降两种。
自由沉降槽形水力分级机俗称分级箱，早在50年代就已在我国各锡矿选厂得到广泛应用。其结构主要由倾斜的箱体，阻砂条和底阀组成。其工作过程是:矿浆由箱体上部矩形溜槽一端给入，细粒物料从溜槽另一端溢出，粗粒物料则经阻砂条沉入角锥形分级室，由底阀的排矿口排出。高压水从底阀进水口给入，形成起分级作用的上升水流。排矿口直径可根据沉砂粒度大小制成不同的尺寸，排矿量可用手轮调节。优点是:构造简单、工作可靠、维修方便、无动力消耗;缺点是:分级效率低，一般为25%～50%。它适用于处理粒度较小和含泥量较多的物料，适宜分级粒度为2～0.074mm，小于0.074mm的物料则分级效果差，给矿浓度宜为18%～25%。
干涉沉降槽形水力分级机结构见图1－31。主要由一个梯形槽，4个角锥形箱体及带有叶片的搅拌器、传动装置以及分级排矿装置组成。4个箱体从给矿端到溢流端逐个增大，呈阶梯形配置。各箱体底部的分级装置包括搅拌室、分级室和压力水室。在分级装置下部有接收分级产品的受料器。各室箱内的垂直空心轴下部装有叶片搅拌器。由涡轮传动空心轴，使搅拌器以约1.5r/min的速度回转，防止产生旋涡和矿砂沉积。
图1－31 干涉沉降水力分级机结构示意图
空心轴内有杆穿过，杆的下端固定有锥形阀，杆的上端悬挂在涡轮上侧的凸轮机构上。当涡轮转动时，与其相连的凸轮机构带动杆上下运动，以启闭锥形阀进行定期排矿，由此保证排出较浓的产品，降低水耗，防止堵塞。砂先集中在受料器中，然后经卸料口排出。通过调节卸料口的大小及气门可控制排矿量。
这种分级机通常有2～5个分级箱，给料粒度一般为2～3mm，最大超过6mm，溢流粒度约为0.25～1mm。给矿浓度约为25%，溢流浓度约10%～15%，沉砂浓度可达50%。平均处理能力为10～25t/h。
这种分级机的特点是分级带内矿浆的固体浓度较高，矿粒在干涉沉降条件下进行分级。其优点是处理能力大、耗水量少、产品浓度大和机体容积较小。
图1－32 圆锥水力分级机
(3)圆锥形分级机
圆锥形分级机外形为倒立的圆锥体。结构见图1－32。主要用于脱泥(分离0.15mm以下的矿粒)。在液面中心设有给矿圆筒，圆筒底部处于液面以下一定深度。矿浆沿切线方向给入中心圆筒，经缓冲后由底部流出。流出的矿浆呈放射状向周边溢流堰流去。在此过程中，沉降速度大于上升分速度的粗颗粒便沉在槽内，并经底部沉砂口排出。细粒随表层矿浆进入溢流槽，作为溢流排出。给料粒度一般小于2mm，分级粒度为74μm以下。
脱泥斗的特点是结构简单、操作方便。缺点是分级效率较低。脱泥斗已在石英砂等非金属矿物的脱泥和分级中得到应用。
3.风力分级机
(1)循环气流及旋风器式分级机
循环气流及旋风器式分级机结构见图1－33。物料经给料部和给料管送至旋转的分散盘上，在离心力作用下甩至分级区。鼓风机将气流送至洒落区，使夹杂于粗粒级中的细粒级有机会随气流向上排至分级区。气流夹带细粒级经排风部排至旋风器。若干个(最多8个)旋风器布置在分级区的圆形机体周围。在分级区，物料在离心力和上升旋转气流作用下分为粗粒级和细粒级。粗粒级经下部机体和粗粒级密闭排出口排出，细粒级随气流向上运动，排至旋流器，自旋流器下部的密闭排料口经输送溜槽最后排出。
图1－33 循环气流旋风器式分级机结构示意图
在旋风器内脱除了细粒级物料的空气，经风管返回鼓风机。鼓风机的风量可由节流阀或叶片调节器通过转动装置调节。这种风力分级机的气流不是由分级机内部的叶轮产生，而是由单独的鼓风机所产生。由于循环气流已经在旋风器内将细粒级分出，从而物料不与鼓风机接触，使鼓风机叶片的磨损大为减轻。鼓风机和节流装置在机座，是通向集尘器的管子接头。
图1－34 叶轮式分级机
分级粒度可通过调节气流量和旋转叶轮转速进行调节，调节范围为2500～7000cm2/g。这种分级机分级效果好，产量大，还可以向机内导入新鲜空气使物料冷却，或导入热气流使物料干燥，操作较灵活。旋风器、排风部、下部机体的内壁有玄武岩铸石衬里，叶轮及周围的机体用硬镍铸铁制造，抗磨损性能很好。
(2)叶轮式分级机
叶轮式分级机结构见图1－34。主要由鼓风叶轮、甩料盘、辅助叶轮、给料管、内筒、叶片、锥体、外筒、排料口等组成。其垂直轴上装有鼓风叶轮、甩料盘，叶轮使气流在内筒和外筒之间的空间循环流动。由于叶片的角度及叶轮的转动，气流呈螺旋形轨迹在内筒上升，甩料盘排出的物料随气流一边旋转、一边向上运动。粗颗粒经排料口排出;细粒物料随气流上升，在经过叶轮和叶片较大及急剧改变运动方向的离心力的作用下与气流分离，经外筒的内壁从细粒物料排出口排出，气流则在机内循环使用。这种分级机可以单独设置，也可与粉碎机设在一起，该分级系统可与各类干式磨粉机，如雷蒙磨、立式磨等组合生产细粉及超细粉产品。
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