大型單槽高強度攪拌磨機的研制及在石墨行業(yè)的應用

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，超細粉碎技術獲得了飛速的發(fā)展，實現(xiàn)物料超細粉碎的加工設備也層出不窮，而攪拌磨因其具有高效率、高細度、低能耗、低污染等優(yōu)點成為細磨和超細磨的標準設備，廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)、高新技術產業(yè)和新材料產業(yè)等相關領域，如高嶺土、云母、硅灰石、氧化鐵紅、磁性材料、氧化鋁、重質碳酸鈣、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、風能、硬質材料制造等重要行業(yè)。我國是天然石墨資源大國，儲量、產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計達到3000萬t，呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。但由于技術開發(fā)投入不夠，目前仍以原料生產及加工鱗片石墨為主，特種石墨市場處于嚴重的供給不足狀態(tài)，每年需大量進口高質量、超細粒度的石墨，其中約80%來自日本、20%來自歐美，而進口產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。因此在石墨超細粉碎工業(yè)中，提高石墨的超細程度，降低生產成本是一個急待解決的問題。攪拌磨技術的快速發(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用于石墨超細磨，可提高石墨細磨效率，降低生產成本，提高經濟效益。

2 國內外攪拌磨機研究與發(fā)展狀況

2.1 國外狀況

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

20世紀70～80年代，出現(xiàn)了采用盤式攪拌器為元件的攪拌磨機，特點是多個圓盤串聯(lián)構成撐拌器。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攪拌磨機有3種，即盤式攪拌元件的I s a 磨機、螺旋型攪拌器的塔磨機(VertiMill)和棒形攪拌元件的(Detritor)磨機[2]。這幾種磨機已成功應用于國內外金屬礦山的項目中。

2.2 國內狀況

我國在攪拌磨技術方面的研究起步較晚，最早的攪拌磨機是重慶化工機械廠在20世紀60年代制造的。到80年代后期，通過不斷引進國外技術和自主研發(fā)，國內攪拌磨機有了較快速的發(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。

(1)SJ-90型攪拌磨機和ZJM型攪拌磨機。

該種攪拌磨機主要特點是：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，設備運行時轉速較低，粉磨強度不高，只適用于小規(guī)模批量生產。

(2)BP(MB)系列攪拌磨機(剝片機)和GSDM-400型攪拌磨機。

該類攪拌磨機(剝片機)一般采用圓斷面筒體，筒體內襯剛玉、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(剝片機)的攪拌器外襯聚氨酯彈性體，GSDM-400型攪拌磨機的攪拌器外襯航空橡膠，兩種磨機可以多臺串聯(lián)工作，處理能力更強，產品粒度更細。

(3)螺旋攪拌磨機。

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

(4)LXJM-3600攪拌磨機和CYM-5000攪拌磨機。

兩種設備都屬于大高徑比的攪拌磨機，且設備規(guī)格較大，具有較高的攪拌磨強度和生產能力。LXJM-3600攪拌磨機采用棒形攪拌器，容積為3600L，整機的安裝功率為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 大型單槽高強度攪拌磨機的研制

為滿足市場和超細磨設備發(fā)展的需要，北京礦冶研究總院自20世紀90年代末起開始開發(fā)GJ5×2大型雙槽高強度攪拌磨機。該設備充分吸收了國內外攪拌球磨的優(yōu)點，摒棄球磨設備存在的不足，產生了多項國內攪拌球磨機的創(chuàng)新性技術，目前該設備已經在多個領域獲得成功應用，以其高效節(jié)能、工作可靠、安裝維修方便等優(yōu)點獲得用戶的一致認可。

以GJ5×2大型雙槽高強度攪拌磨機的技術為基礎，又開發(fā)了新型單槽高強度攪拌磨機，該設備槽體容積更大，在石墨行業(yè)的細磨和超細磨作業(yè)中獲得成功應用。

3.1 設備結構及工作原理

圖1 GJM2-75大型單槽高強度攪拌磨機結構

大型單槽高強度攪拌磨機的結構如圖1所示，由槽體、攪拌機構、電機、皮帶傳動裝置、減速器5個主要部分組成，攪拌機構是主要的工作部件，安裝有上、下兩個攪拌器。設備的槽體內裝有一定量的研磨介質，如氧化鋯球、氧化鋁球、玻璃球、鉻球等，目前應用比較多的是氧化鋁球，因為從磨耗值進行對比，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，實際工作中磨礦效果良好。攪拌機構工作時，攪拌器高速旋轉，具有較高的外圓線速度，帶動物料和磨礦介質在槽體內做整體的多循環(huán)運動和自轉運動，利用磨礦介質的重力和擠壓力產生的摩擦、沖擊和剪切作用，使物料被有效的粉碎[3]。

3.2 仿真模擬

采用計算機仿真模擬的方法可以驗證設備的設計效果，優(yōu)化設備的結構參數(shù)，既能保證設備的可靠性又能最大限度地發(fā)揮設備性能。

如圖2所示是主軸轉速為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，在攪拌器上下兩側附近的狹窄區(qū)域內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和下葉輪的下側速度梯度也比較大，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，靠近側壁的位置形成漩渦，速度梯度也較大，說明物料對側壁有很強的撞擊和摩擦作用。由此可以判斷：在攪拌磨機中，起研磨破碎效果的擠壓和剪切力主要發(fā)生在攪拌盤兩側附近以及攪拌器外側與筒壁之間的區(qū)域內。

圖2 旋轉軸截面速度等值線圖

圖3 旋轉軸截面速度矢量圖

4 大型單槽高強度攪拌磨機的應用

目前，大型單槽高強度攪拌磨機已經在石墨行業(yè)獲得了成功應用，該設備的總裝機功率達到1000kW以上。設備的技術指標如右表所示。

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

石墨屬于片狀礦物，超細磨礦過程中，磨礦細度越高，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生靜電吸附，同時礦物微粒之間容易疊加，所以石墨超細磨礦過程中礦漿分散性比較差[4]。單槽攪拌磨機在現(xiàn)場的給料來自浮選機的浮選精礦，石墨礦漿的濃度為25%～30%，在此濃度范圍內攪拌球磨機的磨礦效率較高，適當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成絮團，不利于磨礦。

大型單槽高強度攪拌機主要技術指標

5 結論

大型單槽高強度攪拌磨機的研制解決了石墨超細粉磨的難題，可生產純度為95%～97%的優(yōu)質石墨，單臺設備的處理量達到2～3 t/h。

該設備的優(yōu)勢：①具有生產能力強、超細磨效率高、產品粒度細、可連續(xù)生產、節(jié)約能耗等優(yōu)點；②應用上減少了設備數(shù)量，簡化了流程，節(jié)省了基建投資；③設備具有人性化的結構設計和外形尺寸，便于安裝、操作、維修，生產現(xiàn)場的人員數(shù)量減少，人員的工作強度大大降低；④設備規(guī)格大，是目前國內領先的超細磨設備之一，充分發(fā)揮了大型設備在大規(guī)模生產中的優(yōu)越性。

[1]吳建明,曹永新.GJ 5×2大型雙槽高強度攪拌磨機的開發(fā)與應用[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.石墨超細粉碎探索性研究[J].中國非金屬礦工業(yè)導刊,2004(3):24-25.