高压辊磨机粉碎工艺国外应用进展与发展趋势

魏 波 张宪伟 李丽匣 马廷斌 张 强 袁致涛

（1.辽宁五寰特种材料与智能装备产业技术研究院有限公司,辽宁 沈阳 113122;2.东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819;3.本溪钢铁（集团）矿业辽阳贾家堡铁矿有限责任公司,辽宁 辽阳 111219）

在金属矿选厂,粉碎作业是使矿石粒度减小及形状变化的过程[1],其最终目的是将有用矿物与脉石矿物解离[2]。粉碎工艺决定着下游工艺的作业效率[3],但多数粉碎工艺是典型的高能耗、低效率作业,占选矿厂总能耗可高达80%,粉碎能效却低至1%～2%[4-6]。研究表明[6],采用高效节能的粉碎设备和粉碎工艺,可将粉碎作业直接能耗降低30%。因此,在当前能源成本日益增长的情况下,选择节能高效的粉碎设备与粉碎工艺意义重大[7]。

高压辊磨机由SCHÖNERT基于层压粉碎理论研发,是一种高效节能的粉碎设备[8]。高压辊磨机碎磨工艺比传统碎磨工艺可节省10%～50%的能耗[9],其粉碎产品细粒级含量高、微裂纹发育,有利于后续磨矿、选别或浸出作业[10-12]。此外,高压辊磨机还具有处理量大、适应性强、占地面积小、易于维护等特性[13-14]。在冶金矿山领域,高压辊磨机首先应用于金刚石与围岩解离,随后应用于铁矿球团原料预处理。随着辊面抗磨损技术的不断发展及对坚硬、磨蚀性物料适应性的增强,高压辊磨机逐渐应用于坚硬、低可磨性、高磨蚀性的金属矿粉碎[15-16]。

本文分析了开路粉碎工艺、边料返回半闭路粉碎工艺和筛分（包括干法筛分和湿法筛分）全闭路粉碎工艺3种粉碎工艺的选择依据,并结合国外矿山典型应用案例,系统地分析了高压辊磨机在金刚石解离、铁矿球团原料预处理、（半）自磨工艺顽石破碎和金属矿磨前粉碎领域所采用的工艺流程、设备型号、操作参数和应用效果,并展望了高压辊磨机粉碎工艺的发展趋势,旨在为高压辊磨机工艺设计与矿山碎磨流程改造提供参考。

1 高压辊磨机粉碎工艺流程

高压辊磨机的节能效果与粉碎工艺布置、干式或湿式分级、矿石硬度和辅助设备的数量等有关[9],成本节约需要考虑投资成本和运行成本[17]。高压辊磨机粉碎工艺通常可分为开路粉碎工艺、边料返回半闭路粉碎工艺和筛分全闭路粉碎工艺[18-20],如图1所示。

图1 高压辊磨机粉碎工艺流程Fig.1 HPGR-based comminution configurations

开路粉碎工艺对物料进行一次粉碎即可得到粉碎产品,工艺简单,处理量大,没有循环负荷,但粉碎产品细粒级含量低。闭路粉碎工艺包括边料返回半闭路粉碎和筛分全闭路粉碎工艺,通过检查分级作业将粗颗粒重新返回高压辊磨机进行再次粉碎,可增加粉碎产品中细粒级物料的含量。边料返回半闭路粉碎工艺,又称为边料循环闭路粉碎工艺,指在高压辊磨机排料端设置分矿挡板,将粉碎产品分为中料和边料,相对较粗的边料产品返回高压辊磨机进行再粉碎,相对较细的中料作为高压辊磨机最终粉碎产品。筛分全闭路粉碎工艺通过控制筛孔尺寸将粗颗粒返回高压辊磨机继续粉碎,筛下产品作为高压辊磨机的最终粉碎产品。

1.1 开路粉碎工艺

高压辊磨机开路粉碎产品粒度分布较宽,P80可能略小于常规破碎产品,但粉碎产品中细粒级含量明显高于常规破碎产品[21]。此外,开路粉碎工艺没有筛分环节,对含水和含泥量高的矿石适应性强,还可简化粉碎车间的设备配置,节省基建投资。因此,开路粉碎工艺适合对粉碎产品粒度要求不严格、场地空间受限、粉碎产品分级困难或需要压缩投资成本的选矿厂。

Anglo铂矿Northam UG2选矿厂为了增加产能、降低生产费用、提高铂族金属回收率、减少精矿中铬含量,首次将高压辊磨机应用于铂族金属矿选矿厂技术改造,于2008年引进Polycom®09/06-0型高压辊磨机。高压辊磨机采用开路粉碎工艺,给矿粒度-6 mm占80%,排矿粒度-1.5 mm占80%。通过碎磨与选别作业升级改造,选厂产能由107 t/h增加至148 t/h,铂族矿物回收率增加了6个百分点,精矿中Cr2O3平均含量由4.00%降低至2.15%[22-23]。

1.2 边料返回半闭路粉碎工艺

检查筛分是控制粉碎产品粒度的有效途径,但物料经高压辊磨机粉碎后常以料饼的形式排出。随着料饼含量和硬度的增加,筛分效率降低,循环负荷增加,粉碎指标恶化,需增加更多的筛分设备与打散装置减弱或避免料饼对筛分闭路粉碎作业产生的不利影响,但投资成本与维护成本也随之增加[21]。

边料返回半闭路粉碎工艺省去了筛分及相关辅助设备,工艺配置相对简单,投资与运行成本也较低,其粉碎效果与筛分全闭路粉碎工艺相比尚有差距,但优于开路粉碎工艺与常规粉碎工艺。边料返回半闭路粉碎工艺尤其适合处理富含软岩矿物、黏土矿物、水分较高或粉碎产品粒度较细等不利于筛分的物料[20-21]。

哈萨克斯坦Vasilkovsky金矿安装了2台KHD Humboldt Wedag RPS 16-170/180型高压辊磨机作为第三段破碎机。2台高压辊磨机均采用边料返回半闭路粉碎工艺,给料粒度-50 mm、球磨邦德功指数16.5 kWh/t、水分含量2%～5%,粉碎产品中-5 mm粒级占比80%,矿石通过量1 500 t/h,粉碎比能耗1.5～2.1 kWh/t,循环负荷180%。粉碎产品中料饼含量10%～20%,但料饼在进入旋流器之前已被磨机打散,因此不需要安装打散装置[20]。

1.3 筛分全闭路粉碎工艺

筛分全闭路粉碎工艺通过检查筛分提高破碎效率并控制产品粒度,检查筛分方法包括干法筛分与湿法筛分。湿法筛分筛分效率高、产品粒度更细、扬尘少、对给料水分含量不敏感,可处理含绢云母、黏土类的难筛物料[24]。西澳Boddington金矿高压辊磨机磨前细碎工艺、墨西哥Penasquito多金属矿高压辊磨机顽石破碎工艺以及南澳Whyalla磁铁矿高压辊磨机磨前预选工艺均采用湿法筛分,筛下产品粒度分别为-11 mm、-6 mm和-3 mm[25-27]。

KOCK[28]针对西澳Tropicana金矿高压辊磨机磨前预选项目分析了不同筛分方式的优劣:湿法筛分筛上返回物料水分高,会引起高压辊磨机辊面磨损、通过率降低,但筛分效率高,可将高压辊磨机粉碎产品粒度控制在6 mm以下,实现全流程节能效果最大化;干法筛分可通过配置大型料仓将高压辊磨机与球磨系统分开,便于设备定期维护,工艺配置简单,但筛分效率低。2013年,西澳Tropicana金矿引进高压辊磨机,最终选择湿法筛分,筛下产品粒度为-4 mm。

干法筛分在缺水地区应用广泛。南非Anglo铂矿PPRust North选厂扩建项目高压辊磨机磨前细碎工艺采用干法筛分,筛下产品粒度-10 mm[29]。西非毛里利塔尼亚SNIM铁矿Guelb Ⅱ项目对高压辊磨机粉碎产品通过干法筛分分为+10 mm、10～1.6 mm及-1.6 mm 3个粒级。将+10mm粒级产品返回高压辊磨机继续粉碎;对10～1.6 mm粒级产品利用干式弱磁选机分选,精矿返回高压辊磨机,尾矿作为干选尾矿;对-1.6 mm粒级产品依次进行粗、精、扫三段选别,精选精矿给入磨机,粗选尾矿和扫选尾矿进入干选尾矿。

文献[24]对比了干法与湿法筛分的适用条件,指出干法筛分通常只在铁矿石干式磁选、金矿堆浸等需要制备干燥原料时选用。但随着筛分技术的不断发展,干法筛分效率明显提高,扬尘污染也能得到有效控制,应用会更加广泛。

1.4 带预先分级的粉碎工艺

VAN DER MEER等[20]指出若将高压辊磨机给料中的细粒级物料筛去,会导致料床空隙增大、堆密度减小、通过率降低、比能耗提高,还可能增加辊面磨损速度。MORLEY[30]则认为高压辊磨机通常不适合处理高度风化或细粒级含量高的矿石,因为这两类物料会缓冲辊面挤压作用,降低粗颗粒的粉碎效率。因此,当给料中细粒级含量高时,有必要设置预先筛分作业。

Cullinan金刚石矿与Argyle金刚石矿均在高压辊磨机前配置了预先分级作业,以防止过粉碎。南非Khumani铁矿在高压辊磨机前后分别设置了预先筛分和检查筛分,以提高碎磨工艺处理量、减小给料水分、降低粉碎比能耗和粉碎成本[24]。某大型低品位铜金矿原采用半自磨工艺,但所处理物料为软硬混合型矿石,硬度变化很大,导致碎磨指标不稳定。针对该问题,Persio Rosario等提出将半自磨机改为自磨机,并在自磨机之后、球磨机之前增加带预先分级的高压辊磨机开路粉碎工艺。结果表明,该工艺对富含黏土矿物的矿石适应性强,钢耗小、能耗低[31]。

2 高压辊磨机典型应用案例

1987年,高压辊磨机应用于Premier金刚石矿。1994年,Malmberget球团厂利用高压辊磨机预处理铁矿球团原料铁精矿。1997年,Empire铁矿成功引进高压辊磨机作为顽石破碎机。1998年,智利Los Colorados铁矿将高压辊磨机成功应用于铁矿细碎。2006年、2008年、2009年,高压辊磨机分别应用于秘鲁Cerro Verde铜矿、南非Mogalakwena North铂矿[22]和西澳Boddington金矿[5,32]。

2.1 金刚石与围岩解离

基于层压粉碎原理,高压辊磨机具有选择性粉碎特性,可对围岩产生优先破坏,有助于金刚石晶体与围岩解离,并保护较大颗粒的金刚石晶体不被破坏[33]。高压辊磨机与圆锥破碎机对金刚石解离性能的差异如图2所示[34],根据矿石中金刚石颗粒的最大尺寸调节高压辊磨机两辊间距,可优化解离与回收指标[30]。

图2 金刚石解离与保护原理[34]Fig.2 Principles of liberating and preserving diamond crystals

1987年,南非Cullinan（旧称Premier）金刚石矿首次将高压辊磨机成功应用于金刚石与围岩解离[35]。Cullinan新选厂通过自磨机、颚式破碎机和高压辊磨机组合应用降低生产成本、减少金刚石破损、提高全粒级金刚石颗粒的回收率。该项目于2017年完成建设与调试,工艺流程如图3所示。所用Polys-ius高压辊磨机辊径2.8 m,辊宽 0.5 m,通过量750 t/h,辊面线速度2.8 m/s。为了防止金刚石晶体被破坏,辊间隙设置为55 mm。

图3 高压辊磨机在New Cullinan金刚石选厂的应用[36]Fig.3 New Cullinan flow sheet around HPGR

Argyle金刚石矿通过一系列技术改造实践[25,33]充分体现了高压辊磨机产能高、选择性粉碎、粉碎指标稳定、投资成本低等特性。选厂运行初期处理中等风化矿石（球磨邦德功指数10 kWh/t,磨蚀指数0.22）,实际处理量超过4.0 Mt/a。随着开采深度增加,坚硬、磨蚀性的煌斑岩（球磨邦德功指数18 kWh/t,磨蚀指数0.60）频繁出现,使选厂产能降低。Argyle原计划通过增加设备数量以适应矿石性质波动,并提高选厂产能,但该方案因成本过高而被放弃。

Argyle金刚石矿1990年引入第1台高压辊磨机,使选厂产能由4.5 Mt/a增加至6.4 Mt/a。1993年,安装了第2台高压辊磨机并增加了分选设备,选厂产能超过了8.6 Mt/a,超过了预期提产指标。2台Polysius高压辊磨机均安装于圆锥破碎机之后,辊系规格相同,辊径2.2 m,辊宽1.0 m,电机功率分别为2×1 000 kW 和 2×1 200 kW,前者为定速电机,后者为变速电机。2002年,Argyle金刚石矿安装了第3台高压辊磨机,用于粉碎重介质预选作业的溢流产品,旨在增加金刚石解离度与回收率。第3台高压辊磨机采用柱钉辊面,设备型号KHD HPGR170/140,电机功率2×950 kW,给料粒度-25 mm,粉碎产品粒度-8 mm占比80%,-1.18 mm含量高达36%,最高辊速下产能超过750 t/h。

2.2 铁矿球团原料预处理

高压辊磨机用于铁矿球团原料铁精矿预处理时,与球磨机或润磨机相比,具有处理量大、比能耗低、耗水量小、工艺简单等特点,并能更高效地降低铁精矿粒度,提高铁精矿比表面积,调控铁精矿水分含量,进而降低膨润土的添加量,改善铁精矿的成球形能和生球质量[37]。

高压辊磨机与球磨机配合使用或代替球磨机细磨铁精矿时,通常采用开路粉碎工艺,也可采用边料返回半闭路粉碎工艺[21]。将高压辊磨机设置于球磨机之前或之后可以降低铁精矿在球磨机内的停留时间,增加球磨机处理量,减少磨矿介质消耗,降低脱水或过滤作业的运行成本及全流程能耗。利用高压辊磨机完全取代球磨机几乎能消除铁矿球团原料预处理工艺中的所有浓缩、过滤等脱水作业[37-39]。

瑞典LKAB公司于1994年和1995年引进高压辊磨机,分别安装于Malmberget与Kiruna球团厂,用于铁精矿滤饼细磨作业[38,40]。巴西淡水河谷公司在3个球团厂均安装了高压辊磨机[38,40]。其中,Tubarão球团厂的高压辊磨机与球磨机配合使用;Vitõria球团厂证明了高压辊磨机替代球磨机,省去浓缩、脱水作业的可行性;São Luis球团厂则直接采用高压辊磨机完全替代了球磨机。

2.3 （半）自磨顽石破碎

顽石会恶化（半）自磨机的磨矿效果,加入顽石破碎机可使（半）自磨机产能提高15%～50%,比能耗降低25%[41]。高压辊磨机作为顽石破碎机不但能产生更多的细粒级物料,还可通过改变辊子转速调节产能,以适应（半）自磨机给料的不均匀性,提高（半）自磨作业的稳定性[26]。

1997年,美国Empire铁矿首次将高压辊磨机应用于自磨机顽石破碎。顽石经圆锥破碎机破碎后给入KHD HPGR 7-140/80型高压辊磨机,粉碎产品返回至自磨机。高压辊磨机给料粒度-63.5 mm、水分3%,排料中-2.5 mm粒级占50%,高压辊磨机通过量400 t/h、粉碎比能耗1.7 kWh/t。通过配置高压辊磨机,自磨机产能平均提高了20%以上,磨矿能耗也有所降低[26]。墨西哥Penasquito多金属矿所用Polycom 24/17型高压辊磨机同时处理-50 mm粒级粗碎产品和顽石破碎产品。对高压辊磨机粉碎产品进行湿式筛分,+6 mm粒级筛上产品返回圆锥破碎机,-6 mm粒级筛下产品直接给入磨矿分级作业[26]。

2.4 金属矿磨前粉碎

高压辊磨机应用于金属矿磨前粉碎的主要目的是降低磨机的给矿粒度或通过磨前预选减少磨矿量,以提高磨机处理能力,降低磨矿成本,改善分选指标。与圆锥破碎机相比,高压辊磨机处理中细碎产品时能量利用率高、破碎比大,粉碎产品粒度分布相对稳定、细粒级含量高、球磨邦德功指数低[42-43]。因此,高压辊磨机常作为磨前（超）细碎设备应用于第三段粉碎,或应用于第四段粉碎对传统三段破碎工艺进行技术升级[43]。

2.4.1 磨前预选给料粉碎

对于贫铁矿等可进行磨前预选的物料,利用高压辊磨机降低预选给料粒度,可增加有用矿物与围岩的解离度,有助于提高磨前预选指标,符合“多碎少磨、能抛早抛”的选矿原则。

1998年,智利Los Colorados铁矿采用1台KHD HPGR Type RP 16-170/180型高压辊磨机代替传统第三段和第四段破碎机进行细碎作业,细碎产品给入干式磁选机,磁选精矿给入球磨机。高压辊磨机给料粒度-65 mm、球磨邦德功指数9～14 kWh/t、石英含量15%～30%、水分0～1%,粉碎产品中-6.35 mm粒级占55%～70%,粉碎比能耗为0.8～1.2 kWh/t[20]。利用高压辊磨机升级原有工艺后,细碎产品中-0.15 mm粒级含量增加了2倍,磨前干式磁选指标得到改善,磨机给料球磨邦德功指数由11 kWh/t降低至8～9 kWh/t,磨机产能增加约27%～44%[20,44]。

澳大利亚Bendigo金矿呈粗粒结晶,结晶粒度0.1～10 mm,是典型的易选矿石,金重选回收率超过75%。因此,提高磨前重选回收率,不但可以降低选矿成本,还可以避免有价金属因“过磨”而流失。2006年,Bendigo金矿引入 1台 Koeppern 1.0 m×0.5 m型高压辊磨机,以碎代磨,降低了破碎粒度与分选成本,同时提高了金重选及全流程回收率。该选厂最初设置检查筛分方式为-2 mm湿法筛分,但由于筛上产品中水分过高,导致辊面磨损严重,最终更改为-4 mm湿法筛分[25]。

2.4.2 “标准”粉碎工艺

当高压辊磨机成功应用于Los Colorados铁矿时,仅有14台高压辊磨机应用于矿山领域[20]。随着辊面材料和结构的持续改进,高压辊磨机在矿山领域的安装数量快速增长,已经成功应用于有色金属、贵金属等领域[16],并形成了集成高压辊磨机的三段两闭路“标准”粉碎工艺[31,45],如图4所示。该“标准”粉碎工艺继承了传统三段破碎工艺适应性强的优势,并可通过检查筛分严格控制后续磨选作业的粒度上限,使磨机给料粒度减小,碎磨能量前移,符合“多碎少磨”原则,在众多高压辊磨机粉碎工艺中被期望获得最大能源效率[31]。Cerro Verde铜矿、Boddington金矿和Mogalakwena铂矿是采用上述“标准”粉碎工艺的典范,为Salobo、Mt.Karara、Cristalino等选矿厂高压辊磨机工艺设计提供了参考[24]。

图4 高压辊磨机“标准”粉碎工艺Fig.4 “Standard”HPGR comminution circuit

Cerro Verde铜矿和Boddington金矿均属于大型选矿厂,设计处理量分别为108 000 t/d、96 000 t/d,均安装了4台POLYCOM 24/17型高压辊磨机,单台处理量可达3 000 t/h,检查筛分方式为湿法筛分。Cerro Verde铜矿球磨邦德功指数为15.3 kWh/t,Boddington金矿处理2种矿石,球磨邦德功指数分别为15.1 kWh/t与16.6 kWh/t。对比研究发现,Cerro Verde铜矿半自磨工艺碎磨吨功耗20.1 kWh/t,运行成本1.70美元/t,而高压辊磨机粉碎工艺吨功耗和运行成本分别只有15.9 kWh/t和1.33美元/t。Boddington金矿高压辊磨机粉碎工艺与SABC（即半自磨+球磨+顽石破碎）工艺相比,虽然投资成本提高了7%,但运营成本降低了12%[25,45]。

Anglo Mogalakwena North铂矿原粉碎工艺为SABC粉碎流程。研究发现高压辊磨机粉碎产品粒度细,可降低粉碎能耗,提高磨机产能,改善后续选矿指标,且针对矿石性质不稳定情况较半自磨工艺有更好的适应性。基于此,Anglo Mogalakwena North铂矿新粉碎工艺用高压辊磨粉碎工艺代替了SABC工艺。所用高压辊磨机型号Polycom®22/16-8,处理矿量2 160 t/h[24],当给料粒度-65 mm,排矿粒度-8 mm时,粉碎产品中-1 mm约占50%[22,29]。

2.4.3 应用于第四段粉碎

给矿粒度越粗,将其磨到规定粒度所需要的磨矿时间越长,功耗也越大,磨机产能越低。因此,尽量缩小磨机给料粒度,是降低磨矿能耗,提高磨机产能的一个有效途径。将高压辊磨机应用于第四段粉碎,以破代磨,处理细碎产品,可获得更细的磨机给料。2006年,PTFI Grasberg铜金矿首次将高压辊磨机应用于第四段粉碎[24],使选厂产能提高了20%。矿石首先经传统三段一闭路破碎工艺破碎至-15 mm,-15 mm破碎产品给入2台POLYCOM 20/15型高压辊磨机,高压辊磨机开路粉碎产品进入磨矿选别系统。2台高压辊磨机单台处理量1 200 t/h,如果采用闭路粉碎,实际通过量可达2 000 t/h以上。

对于贫铁矿等可进行磨前预选的物料,降低预选给料粒度,有助于粗粒嵌布矿物初步解离,通常可提高磨前预选抛尾量和入磨品位。因此,“粗碎—中碎—细碎+高压辊磨机超细碎”工艺在贫铁矿选矿领域得到广泛应用。对于选厂技术改造工程,将高压辊磨机应用于第四段粉碎可充分利用原有三段破碎和筛分系统,达到在改造工程量较小的情况下升级碎磨回路的效果。因此,高压辊磨机作为第四段粉碎设备,常用于旧选厂技术改造,以降低磨矿能耗,增加碎磨系统整体产能[43]。

3 高压辊磨机粉碎工艺发展趋势

通过工艺优化,不断提高粉碎效率、降低粉碎成本仍是高压辊磨机粉碎工艺的发展方向。近年来,2台高压辊磨机串联配置、高压辊磨机与风力分级设备配置和高压辊磨机与搅拌磨机配置等新工艺受到广泛关注。

3.1 2台高压辊磨机串联配置

根据现有技术,高压辊磨机闭路粉碎产品粒度通常不小于-3 mm。继续降低粉碎产品粒度,会导致循环负荷显著增加,需要配备更大规格（或更多）的粉碎、分级和运输设备[17]或配置多系列粉碎回路以解决产能问题。而两台高压辊磨机串联配置与单台高压辊磨机配置相比,粉碎产品粒度细,循环负荷低,还能节约物料分级与运输成本。由于粉碎产品粒度细,两台高压辊磨机串联配置工艺也可集成于“高压辊磨机与风力分级设备配置”工艺或“高压辊磨机与搅拌磨机直接配置”工艺[46]。

2007年,哈萨克斯坦Nurkazgan铜矿采用2台高压辊磨机串联配置工艺,将2台高压辊磨机分别用于第三段和第四段粉碎。2台KHD Humboldt Wedag RP 13-170/140型高压辊磨机电机功率分别为2×1 150 kW 和 2×1 750 kW,处理量850～950 t/h,均采用边料返回半闭路粉碎工艺,循环负荷约为75%～125%。第三段粉碎高压辊磨机给料粒度-35 mm、含水率3%～5%、球磨邦德功指数16.5 kWh/t,粉碎产品中-5 mm粒级占80%,粉碎比能耗1.2～2.0 kWh/t。第四段粉碎高压辊磨机产品中-1 mm粒级含量高达80%,粉碎比能耗1.2～2.2 kWh/t[20]。

巴西Serra Azul铁矿拟采用2台高压辊磨机串联配置工艺处理其特殊的铁英岩。两段高压辊磨机分别用于第四段粉碎和第五段粉碎,分别采用开路粉碎工艺和湿法筛分全闭路粉碎工艺。研究结果表明[38],若控制筛下产品粒度为-1 mm,控制辊面压力为4 N/mm2时,第五段粉碎产品P80为0.38 mm。由于采用-1 mm湿法筛分,第五段粉碎高压辊磨机给料水分可能高达9%。

3.2 高压辊磨机与风力分级设备配置

风力分级是利用气流作为分级介质,将颗粒按照形状、大小、密度分为2个或多个组分的过程,已经被广泛应用于处理水泥、食品、煤炭、钢渣微粉等需要避免与水介质作用的物料[47]。该工艺应用于冶金矿山领域有望代替传统湿式磨矿工艺,为水资源缺乏、能量供给困难的地区提供可行的磨矿分级解决方案[48]。

JANKOVIC等[49]以-10 mm玄武岩为粉碎物料,对方案A（高压辊磨机+风力分级）和方案B（高压辊磨机+干法筛分（2.36 mm）+球磨机）进行了实验室规模的对比试验研究。结果表明,对于方案A,当粉碎产品P80为0.05 mm时,粉碎比能耗为14.0±2.2 kWh/t,其中高压辊磨机粉碎比能耗为 7.9±1.0 kWh/t,风力分级比能耗为6.1±1.2 kWh/t,循环负荷高达700%。方案B控制磨矿产品粒度P80为0.057 mm时,高压辊磨机循环负荷150%,粉碎比能耗为2.8±0.4 kWh/t,球磨机磨矿比能耗为 17.1±1.8 kWh/t,合计 19.9±2.3 kWh/t。 相比之下,方案A更加节能。

VAN DER MEER等[48]针对北美某磁铁矿,对方案A（两段高压辊磨机+空气分级机）和方案B（两段高压辊磨机+球磨机+旋流器）进行了模拟对比研究。2种方案第一段高压辊磨机给料粒度均为-50 mm,采用干法筛分全闭路粉碎工艺,筛下产品-7 mm粒级占比70%～80%。方案A第二段高压辊磨机与风力分级设备组成粉碎分级系统,循环负荷380%。方案B第二段高压辊磨机采用湿法筛分全闭路粉碎,筛下产品-1 mm占比55%,筛下产品给入球磨机与旋流器组成的闭路磨矿分级系统。方案A与方案B最终粉碎产品P80均小于-0.09 mm。对比结果表明,方案A较方案B可节能约45%。

尽管上述试验结果表明,高压辊磨机+风力分级工艺节能效果明显,但该工艺仍存在某些实际问题亟需解决。与旋流器分级相比,风力分级设备粉碎产品中粗粒级颗粒含量更难控制,粉碎产品粒度不均匀,且容易过磨。与此同时,高压辊磨机+风力分级工艺破碎比大,会导致循环负荷增加,选厂产能降低[9]。此外,如果铁矿采用高压辊磨机+风力分级工艺,粉碎产品常采用干式磁选,而干式磁选精矿品位通常较湿式磁选精矿品位低。

3.3 高压辊磨机与搅拌磨机直接配置

高压辊磨机粉碎产品通常给入球磨机,但球磨机的实际磨矿粒度极限为40～45μm,当粉碎产品中-0.075 mm含量占比超过70%时,球磨机磨矿效率迅速下降[50]。搅拌磨机采用小球作为磨矿介质,能量传递效率高,更适合细磨作业[46]。代表性的搅拌磨机有塔磨机（Tower Mill）、立磨机（Vertimill）和艾萨磨机（IsaMill）等[50]。

随着粉碎技术的不断发展,高压辊磨机可为磨矿作业提供更细粒级的给料,甚至可以代替粗磨作业[51],这为高压辊磨机和搅拌磨机的直接配置提供了可能。VALERY等[46]采用高压辊磨机与搅拌磨机直接配置工艺对某金属矿进行碎磨试验研究。基于试验结果,Valery等指出,当高压辊磨机粉碎产品粒度P80为1.5 mm时可直接作为搅拌磨机给料。

Julius Kruttschnitt矿物中心SHI等[50]以球磨邦德功指数分别为11.9、15.4和15.9 kWh/t的2种铅锌矿和1种硅酸盐金矿为研究对象,对比研究了标准邦德功指数球磨机和研磨腔为3L的立磨机的磨矿能效。结果表明,当球磨机磨矿产品P80分别为0.084、0.083和0.049 mm,立磨机磨矿产品 P80分别为0.073、0.078 和 0.052 mm时,立磨机可分别节约能耗25%、37%和27%。

FARBER等[52]认为将高压辊磨机与艾萨磨机直接配置可降低磨矿能耗与维护成本。Farber通过研究磨矿介质对艾萨磨磨矿效率和介质消耗的影响发现,大尺寸、高密度介质有助于艾萨磨机处理粗粒级物料。WANG等[4]以Huckleberry选矿厂铜钼矿为粉碎物料,采用JK SimMet软件模拟、中试试验等方法进行了不同粉碎工艺的对比研究。结果表明,当粉碎产品P80为0.075mm时,两段高压辊磨机+艾萨磨机工艺与半自磨+球磨工艺相比可节约能耗34%。SHI等[50]研究了艾萨磨机与球磨机对粗粒物料的磨矿效率,结果表明,当粉碎产品粒度P80小于0.04 mm时,艾萨磨具有节能优势。

近年来,随着国内大型装备技术水平和耐磨材料技术的进步,国内高压辊磨机粉碎工艺发展迅速。沈阳盛世五寰科技有限公司对黑龙江某选厂采用高压辊磨机与搅拌磨机直接配置工艺进行了技术改造。通过新型拱形架体高压辊磨机与弛张筛组成的粉碎分级系统直接生产-1 mm粉碎产品,并将-1 mm粉碎产品直接给入塔磨机与旋流器组成的磨矿分级系统,最终获得-0.074 mm粒级占85%的磨矿产品。通过技术升级,淘汰了传统球磨机,缩短了碎磨工艺流程,提高了选厂产能,降低了噪音污染。

4 结 论

（1）高压辊磨机由Schönert基于层压粉碎理论研发,是一种高效节能的粉碎设备。根据粉碎产品的返回方式,高压辊磨机粉碎工艺通常包括开路粉碎工艺、边料返回半闭路粉碎工艺和筛分全闭路粉碎工艺。这3种工艺的粉碎效果、基建投资、维护成本依次增加。筛分全闭路粉碎工艺中检查筛分的目的是提高粉碎效率和控制产品粒度,筛分方式包括干法筛分和湿法筛分。干法筛分工艺简单,湿法筛分筛分效率高。随着筛分技术的发展,干法筛分筛分效率显著提高,扬尘污染减小,优势逐渐明显,具有更大的发展前景。

（2）基于层压粉碎原理,高压辊磨机粉碎效率高,其粉碎产品粒度细、微裂纹发育、球磨邦德功指数低。高压辊磨机应用于冶金球团领域,取代或部分取代润磨机和球磨机预处理球团原料铁精矿,能够改善铁精矿的成球性能,降低球团成本,提高生球质量。在（半）自磨工艺中,高压辊磨机作为顽石破碎机,能改善（半）自磨机的磨矿性能,提高碎磨回路产能和稳定性。利用高压辊磨机代替传统破碎流程中的第三段或第四段破碎设备,进行细碎或超细碎作业,可降低磨机给料粒度,提高磨矿效率,节约磨矿能耗。

（3）基于晶界粉碎机理,物料经高压辊磨机粉碎后会沿解理面破碎,有助于粗粒嵌布矿物的初步解离,便于采用磨前预选等方法进行分选。金刚石矿采用高压辊磨机旨在提高金刚石与围岩解离度,并减少金刚石破损,回收全粒级金刚石颗粒。对于贫铁矿等可进行磨前预选的物料,将高压辊磨机配置于磨前预选作业之前,有利于促进矿物初步单体解离,增加磨前预选抛尾量,进一步提高入磨品位、降低入磨量、节约磨矿成本。

（4）粉碎能耗、产能与产品特性始终是高压辊磨机粉碎工艺研发过程中关注的焦点。两台高压辊磨机串联配置、高压辊磨机与风力分级设备配置、高压辊磨机与搅拌磨直接配置等新型高压辊磨机粉碎工艺虽然发展不够成熟,但节能降耗优势明显,有望为冶金矿山物料高效粉碎提供新的解决方案。目前,“高压辊磨机与塔磨机直接配置”碎磨工艺已在铅锌矿、磁铁矿选矿领域实现了工业应用。