塔磨機(jī)技術(shù)綜述

（洛陽大華重工科技股份有限公司,河南 洛陽 471023）

選礦生產(chǎn)線通常由破碎和篩分流程、磨礦和分級、浮選以及脫水流程等依次組成。其中，磨礦作業(yè)指采用自磨機(jī)、半自磨機(jī)、球磨機(jī)、棒磨機(jī)和礫石磨機(jī)等粉磨設(shè)備[1]，把物料由入料粒度粉磨到各自的出料細(xì)度，分級作業(yè)指采用螺旋分級機(jī)、水力旋流器和水力分級機(jī)等把磨礦作業(yè)的物料進(jìn)行分級，合格的物料作為產(chǎn)品進(jìn)入后續(xù)選別流程中，不合格物料返回到磨礦作業(yè)繼續(xù)粉磨[2]。

根據(jù)多年來的行業(yè)研究和應(yīng)用實踐發(fā)現(xiàn)，磨礦細(xì)度是后續(xù)浮選流程的重要工藝條件，磨礦細(xì)度必須足夠細(xì)，通常80%通過率粒徑為10～ 53 μm 時，達(dá)到有用金屬礦物基本單體分離的要求，才能使有用礦物與脈石礦物有效解離[3]。在磨礦和分級作業(yè)段中，傳統(tǒng)的棒磨機(jī)、球磨機(jī)等設(shè)備由于研磨介質(zhì)的尺寸較大，研磨機(jī)理以單顆粒破碎為主，對80%通過率粒徑為45～ 100 μm 的較粗粒度產(chǎn)品的制備有效，當(dāng)粉磨更細(xì)的粒度時，譬如80%通過率粒徑為10～ 53 μm 時，能量費用快速增加，或者是磨礦處理量急劇下降[4]，所以球磨機(jī)并不適應(yīng)細(xì)粒級物料的研磨，因此以制備細(xì)粉和超細(xì)粉為主的新型塔磨機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

1 國內(nèi)外塔磨機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀

塔磨機(jī)起源于20 世紀(jì)30 年代美國UP 公司生產(chǎn)的超細(xì)攪拌磨機(jī)，因其在細(xì)粉體制備方面的優(yōu)越性能而得到迅速普及。在此基礎(chǔ)上，1952 年日本河端重勝博士發(fā)明了塔磨機(jī)，在金屬礦業(yè)、冶煉和化工行業(yè)得到了廣泛使用[5-6]。目前，國外已有多家專業(yè)制造塔磨機(jī)的生產(chǎn)廠家，其中知名的企業(yè)及產(chǎn)品包括日本愛立許機(jī)電公司（Eirich）生產(chǎn)的ETM 塔磨機(jī)，芬蘭美卓礦機(jī)公司（Metso）生產(chǎn)的VTM 立磨機(jī)，日本久保田公司（Kubota）生產(chǎn)的KW 塔磨機(jī)，丹麥?zhǔn)访芩构荆‵.L.Smidth）生產(chǎn)的VXP 立磨和芬蘭奧圖泰公司（Outotec）生產(chǎn)的HIG 塔磨機(jī)。其中前三種塔磨機(jī)的研磨結(jié)構(gòu)為雙頭螺旋式，后兩種塔磨機(jī)的研磨結(jié)構(gòu)為水平圓盤式。目前世界上最大的塔磨機(jī)是由美卓礦機(jī)生產(chǎn)的VTM-4500-C 立磨機(jī)，應(yīng)用于哈薩克斯坦的Altay Polimetally 公司新建的金銅礦石的二段磨礦，該磨機(jī)筒體直徑為5900 mm，有效容積已達(dá)到145 m3，電機(jī)功率已達(dá)到3360 kW。

中國的塔磨機(jī)研制開始于上世紀(jì)70 年代，在充分借鑒上述國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，重慶化工機(jī)械廠研制了國產(chǎn)第一臺塔磨機(jī)，上世紀(jì)80 年代，長沙礦冶研究院和秦皇島黑色冶金設(shè)計研究院也陸續(xù)開發(fā)出螺旋式塔磨機(jī)。隨著2012 年美卓礦機(jī)的VTM-800 立磨機(jī)在江西德興銅礦銀山礦業(yè)順利投產(chǎn)以來，塔磨機(jī)以其優(yōu)越的性能表現(xiàn)、日常維護(hù)的簡捷便利和超高的運(yùn)轉(zhuǎn)率吸引國內(nèi)眾多的礦山用戶，磨機(jī)制造廠家和科研院所前去調(diào)研，誕生了一批塔磨機(jī)生產(chǎn)廠家，包括上海龍金實業(yè)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的DSOM 攪拌磨，北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的KLM 立磨機(jī)，中信重工機(jī)械股份有限公司生產(chǎn)的CSM 立式攪拌磨，北方重工集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的MLL 立式螺旋磨機(jī)，沈陽五寰科技有限公司生產(chǎn)的WTM 塔式磨機(jī)，馬鞍山市天工科技股份有限公司生產(chǎn)的TGTM 塔磨機(jī)，洛陽大華重工科技股份有限公司生產(chǎn)的HMT 塔磨機(jī)。國內(nèi)塔磨機(jī)的結(jié)構(gòu)普遍為雙頭螺旋式，但規(guī)格相對較小，目前國內(nèi)最大的塔磨機(jī)是中信重工生產(chǎn)的用于智利國家銅業(yè)丘基卡馬塔銅礦的CSM-1200 立式攪拌磨和北方重工生產(chǎn)的用于本溪東方三家子的MLL-1200 立式攪拌磨，這兩種磨機(jī)的筒體直徑為4190 mm，筒體有效容積為65.8 m3，電機(jī)功率為1200 kW。

2 塔磨機(jī)工作原理

塔磨機(jī)筒體豎直固定在混凝土基礎(chǔ)上，筒體內(nèi)充填有一定數(shù)量的研磨介質(zhì)。來自水力旋流器（主分級設(shè)備）沉砂口處的料漿從塔磨機(jī)上進(jìn)料口喂入到塔磨機(jī)內(nèi)部，來自粗粉分離罐（輔分級設(shè)備）下排料口處的料漿從塔磨機(jī)下進(jìn)料口喂入到塔磨機(jī)內(nèi)部，來自總水槽的料漿濃度調(diào)節(jié)水自下進(jìn)料口四通管處送入磨內(nèi)，來自加球槽的研磨介質(zhì)從加球口喂入到塔磨機(jī)內(nèi)部。當(dāng)電機(jī)經(jīng)減速機(jī)和傳動軸帶動雙頭螺旋攪拌器做低速轉(zhuǎn)動時，帶動研磨介質(zhì)和物料進(jìn)行運(yùn)動，研磨介質(zhì)與物料受到正壓力、離心力、摩擦力和重力的聯(lián)合作用，形成壓縮旋轉(zhuǎn)介質(zhì)層，從而在物料顆粒之間，以及物料和研磨介質(zhì)之間產(chǎn)生局部剪切力、擠壓力和磨剝、擦洗等[7-10]的綜合作用而達(dá)到大顆粒變細(xì)、顆粒團(tuán)解離的效果。

在塔磨機(jī)筒體內(nèi)部，由于新的料漿和工藝水源源不斷的進(jìn)入塔磨機(jī)，塔磨機(jī)內(nèi)部的物料會以較小的流速連續(xù)的溢出磨外，因此筒體內(nèi)部存在重力分級現(xiàn)象。研磨后的小于切割粒徑的較細(xì)物料，因具有較小的顆粒沉降末速度，隨料漿流上升，從塔磨機(jī)溢流口排出；大于切割粒徑的較粗物料，因具有較大的顆粒沉降末速度，循環(huán)回磨機(jī)底部進(jìn)行新一輪的研磨，實現(xiàn)了塔磨機(jī)內(nèi)部分級的現(xiàn)象。過粉碎現(xiàn)象和顆粒的團(tuán)聚效應(yīng)都大為減少。較細(xì)的物料以料漿的形式溢流口排出進(jìn)入到粗粉分離罐，稍粗的物料經(jīng)循環(huán)泵返回到磨機(jī)的下進(jìn)料口，稍細(xì)的物料從粗粉分離罐上出口進(jìn)入泵池，同時，塔磨機(jī)系統(tǒng)的新喂料也喂入到泵池中，根據(jù)水力旋流器對料漿濃度的要求，泵池中也會連續(xù)加入一定量的工藝水。泵池內(nèi)的料漿充分混合后，再經(jīng)渣漿泵提升到水力旋流器進(jìn)行分級，滿足工藝要求的細(xì)粒級物料從水力旋流器溢流口排出，作為本段磨礦設(shè)備的產(chǎn)品，不滿足要求的較粗物料返回到塔磨機(jī)內(nèi)部進(jìn)行新一輪的磨礦。

3 塔磨機(jī)結(jié)構(gòu)

目前，國內(nèi)外生產(chǎn)塔磨機(jī)的廠家比較多，不同的廠家塔磨機(jī)的結(jié)構(gòu)也各有不同，即使同一個廠家，不同型號、不同項目上塔磨機(jī)的結(jié)構(gòu)也不完全一樣，這里主要介紹螺旋式塔磨機(jī)。單就其基本結(jié)構(gòu)而言，都是由磨機(jī)筒體、磨門、傳動支架、攪拌裝置、傳動主軸、驅(qū)動裝置、粗粉分離罐裝置、襯板裝置和安裝檢修工具等部件組成[11-12]。

塔磨機(jī)筒體是料漿和研磨介質(zhì)貯存和流動的容器，是物料得以粉磨的空間，是其它部件安裝固定的基礎(chǔ)，能夠使整機(jī)設(shè)備的重量和傳動裝置的扭矩等負(fù)荷通過筒體轉(zhuǎn)移到混凝土基礎(chǔ)上。

塔磨機(jī)筒體由圓柱形筒體、底板和襯板三部分組成，筒體底板下表面通過地腳螺栓固定在混凝土基礎(chǔ)上，筒體底板上表面安裝有橡膠復(fù)合襯板。圓柱形筒體下部焊接在筒體底板上，圓柱形筒體上部通過螺栓把合的形式與傳動支架連接，圓柱形筒體內(nèi)表面裝有耐磨襯板和耐磨橡膠等。

其中，圓柱形筒體有兩種形式，第一種是不帶磨門的整體筒體，早期的國產(chǎn)塔磨機(jī)就是這種形式，第二種是帶有磨門的分體筒體，國外的塔磨機(jī)和國內(nèi)在2012 年之后生產(chǎn)的塔磨機(jī)都帶有磨門，筒體和磨門均為整體焊接結(jié)構(gòu)，磨門為大開門結(jié)構(gòu)設(shè)計。筒體和磨門之間采用樞軸連接，工作時，筒體和磨門之間采用螺栓把合的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行連接；安裝和檢修時，可以在135°范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)動，以方便攪拌器的整體拆裝和攪拌器襯板的更換；筒體的側(cè)面布置有進(jìn)料口，磨門設(shè)置有排渣口。

筒體襯板一般有四種形式[13]，第一種是早期國產(chǎn)塔磨機(jī)使用的高錳鋼襯板，這種襯板采用螺栓把合的形式固定在磨機(jī)筒體上，筒體上需要鉆制一定數(shù)量的螺栓孔，經(jīng)常會出現(xiàn)筒體裂紋、筒體滲漏等現(xiàn)象。第二種是橡膠磁性襯板或金屬磁性襯板，這種襯板可以直接吸附在磨機(jī)筒體上，現(xiàn)在的塔磨機(jī)大部分是這種結(jié)構(gòu)，尤其是研磨介質(zhì)為鋼球時，磁性襯板可以把鋼球吸附在襯板內(nèi)表面形成約30～ 50 mm 的鋼球保護(hù)層，具有很高的可靠性和很長的使用壽命[14]。第三種是格柵襯板，格柵襯板通過螺栓固定在筒體內(nèi)表面的鋼板條上，研磨介質(zhì)和料漿填充在格柵單元中，有效保護(hù)了格柵襯板和磨機(jī)筒體，所以使用壽命非常長，運(yùn)行成本較低，并且格柵襯板對研磨介質(zhì)沒有選擇性，可以是鋼球，也可以是陶瓷球。第四種是聚氨酯襯板，這是一種專門為陶瓷球作為研磨介質(zhì)的新型耐磨襯板，采用在小磁極吸附的形式直接吸附在磨機(jī)筒體上，同前三種襯板相比具有密度小、耐磨蝕、安裝方便、價格低的特點。

3.2 攪拌器

攪拌器是塔磨機(jī)中最核心的部分，該結(jié)構(gòu)能夠使研磨介質(zhì)作一定規(guī)律的運(yùn)動，從而實現(xiàn)物料的粉磨。因此攪拌器的結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)性能和幾何尺寸等對物料的粉磨效果、襯板壽命和單位電耗等都有影響。

攪拌器包括攪拌器支架、襯板和耐磨橡膠三部分組成。攪拌器支架的整個外表面粘貼有耐磨橡膠，下部與襯板采用螺栓把合的形式固定，上端通過端面鍵和螺栓緊固件把合在傳動軸上。其中，攪拌器支架由主軸和托板焊接而成[15]，主軸由實心軸和空心軸兩種，主軸的端頭和主軸之間有整體鍛造和焊接兩種形式。

襯板是最主要的耐磨件，襯板的截面形狀對物料的粉磨效果和襯板的使用壽命具有顯著的影響，截止到目前，襯板的形狀主要有水平盤型、葉輪型、棒柱型和螺旋型四種[16]。水平盤型攪拌器是通過研磨介質(zhì)在圓盤上的徑向運(yùn)動、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動以及料漿在圓盤開孔中的軸向運(yùn)動，兩者的交叉相互作用實現(xiàn)物料的粉磨，史密斯的VXP 立磨和奧圖泰的HIG 塔磨機(jī)就屬于這種類型；葉輪型攪拌器是通過葉輪與研磨介質(zhì)和料漿之間的粘附力來施加能量；棒柱型攪拌器是攪拌器的棒與筒壁的棒交錯運(yùn)動，以鋼球作為研磨介質(zhì)，用于高黏度物料的研磨；螺旋型攪拌器是通過料漿與鋼球之間的擠壓、剪切和磨剝等作用實現(xiàn)物料的研磨，是目前最為常見的攪拌器結(jié)構(gòu)，日本愛立許機(jī)電的ETM 塔磨機(jī)、芬蘭美卓礦機(jī)的VTM 立磨機(jī)和洛陽大華的HMT 塔磨機(jī)就屬于這種類型。

3.3 傳動支架和傳動主軸

傳動支架和傳動軸的組合體對整個驅(qū)動裝置起支撐作用，同時把攪拌器在工作時產(chǎn)生的軸向載荷和扭矩載荷經(jīng)磨機(jī)筒體傳到混凝土基礎(chǔ)上，而且傳動主軸中的鎖緊盤對電機(jī)和減速機(jī)起到過載保護(hù)的作用。

傳動支架的下部通過螺栓把合的形式固定在磨機(jī)筒體上，上部通過螺栓把合的形式與減速機(jī)連接。傳動主軸的下部通過螺栓把合的形式與攪拌器連接，上部通過螺栓把合的形式與彈性聯(lián)軸器連接。傳動支架和傳動軸之間通過滾動軸承座和滑動軸承座的止口定位和精致螺栓進(jìn)行連接。傳動軸采用三軸承四密封結(jié)構(gòu)和雙線干油潤滑系統(tǒng)的組合形式，該結(jié)構(gòu)能夠傳遞大的扭矩和軸向載荷，還具有防止粉塵進(jìn)入軸承腔體、減少廢棄潤滑脂排放的效果。

3.4 驅(qū)動裝置

驅(qū)動裝置的作用是為塔磨機(jī)的正常工作提供適宜的轉(zhuǎn)速和扭矩，并且通過電機(jī)電流的變化檢測磨機(jī)的工作狀態(tài)和物料的性能指標(biāo)，并以此確定磨機(jī)內(nèi)是否需要添加研磨介質(zhì)，是否需要更換螺旋襯板等。

塔磨機(jī)的驅(qū)動裝置自上而下依次包括主電機(jī)、彈性柱銷聯(lián)軸器、減速機(jī)和彈性塊聯(lián)軸器等四部分。電機(jī)的輸出軸與減速機(jī)的輸入軸之間是彈性柱銷聯(lián)軸器，有時也采用蛇簧聯(lián)軸器；減速機(jī)的輸出軸與傳動軸的主軸之間是彈性塊聯(lián)軸器，有時也采用鼓形齒聯(lián)軸器。

主電機(jī)是特制鼠籠電機(jī)，該電機(jī)可以是變頻電機(jī)也可以是定頻電機(jī)，但要求具有較大的啟動轉(zhuǎn)矩和較低的啟動電流。行星齒輪減速機(jī)要求傳遞扭矩大，采用稀油潤滑方式，并配有冷卻裝置。彈性塊聯(lián)軸器要求具備良好的彈性吸振、對中補(bǔ)償和軸向偏轉(zhuǎn)能力。

3.5 粗粉分離罐

粗粉分離罐的作用是對來自塔磨機(jī)粉磨后的料漿流進(jìn)行輔助分級，在塔磨機(jī)處于備用停機(jī)狀態(tài)時或緊急停機(jī)狀態(tài)時，進(jìn)行磨內(nèi)料漿的循環(huán)，以減少研磨介質(zhì)的板結(jié)。

粗粉分離罐包括分離罐、梭子閥、循環(huán)泵和連接管路等四部分。分離罐的進(jìn)料口與塔磨機(jī)的溢流口一經(jīng)管道連接，分離罐的下出料口經(jīng)管道、循環(huán)泵與塔磨機(jī)下進(jìn)料口連接，分離罐內(nèi)上、下兩個腔體安裝有梭子閥。分離罐內(nèi)表面均粘貼有耐磨橡膠。該部件是個選配件，可根據(jù)工藝情況和物料類型予以確定是否采用。

4 工藝流程

4.1 選礦廠的物料粉磨

根據(jù)塔磨機(jī)在整個選礦廠磨礦系統(tǒng)中所起的作用不同，塔磨機(jī)可用于二段磨礦、三段磨礦和再磨磨礦，其各自的工藝參數(shù)見表1，工藝流程見圖1。

表1 塔磨機(jī)四種粉磨系統(tǒng)工藝參數(shù)Table 1 Process parameter of four grinding systems of tower mill

圖1 選礦廠常見碎磨工藝流程Fig.1 Common flow chart of crushing and grinding process

從圖1 可以看出，除了一段磨之外，二段磨、三段磨和再磨都可以采用塔磨機(jī)系統(tǒng)。其中，塔磨機(jī)系統(tǒng)的選擇形式比較多，塔磨機(jī)本體可以包含粗粉分離罐形成輔助分級，也可以不帶粗粉分離罐。工藝系統(tǒng)可以是開路系統(tǒng)，也可以是塔磨機(jī)與水力旋流器組成閉路系統(tǒng)。水力旋流器可以是中預(yù)先分級和檢查分級合二為一的分級功能，也可以是只作為檢查分級?？傊?，根據(jù)礦石性質(zhì)的特點和浮選流程的要求，可以進(jìn)行各種組合。

另外，根據(jù)最新的工藝，美卓礦機(jī)已嘗試在國外項目上采用高壓輥磨機(jī)替代半自磨作為細(xì)碎設(shè)備，采用塔磨機(jī)替代球磨機(jī)作為一段磨礦設(shè)備，并且取得了預(yù)期的效果。初步開啟了選礦系統(tǒng)碎磨車間“無球磨機(jī)化”的新局面。

4.2 煙氣脫硫的石灰石漿料制備

燃料燃燒過程中產(chǎn)生的污染物種類較多，其中對人類環(huán)境威脅較大的是煙塵、SOx、NOx、COx和CmHn等[17]。隨著世界范圍內(nèi)環(huán)保法規(guī)的逐漸嚴(yán)苛，污染物的排放受到越來越嚴(yán)格的限制，而煙氣脫硫是減少污染物排放，實現(xiàn)潔凈燃燒的一項重要措施。

傳統(tǒng)的煙氣脫硫系統(tǒng)是采用球磨機(jī)進(jìn)行石灰石研磨，考慮到石灰石微粉的產(chǎn)品細(xì)度達(dá)到-31 μm通過率為60%～ 95%，而且產(chǎn)品是以料漿的形式存在，所以塔磨機(jī)是一個有效的替代設(shè)備，可以節(jié)省多達(dá)30%～ 50%的能源成本、降低安裝和運(yùn)營成本、降低噪音和減少占地面積，并且已在國外美卓礦機(jī)的項目上得到應(yīng)用。

圖2 煙氣脫硫系統(tǒng)中石灰石漿料制備的工藝流程Fig.2 Process flow diagram of limestone slurry preparation in flue gas desulfurization system

由圖2 可知，該系統(tǒng)由塔磨機(jī)與水力旋流器形成閉路磨礦系統(tǒng)，由塔磨機(jī)進(jìn)行物料的細(xì)磨，由水力旋流器控制產(chǎn)品的細(xì)度，區(qū)別在于右圖中粗粉分離罐起到輔助分級的作用，有效降低了水力旋流器的循環(huán)負(fù)荷率，提高了塔磨機(jī)的磨礦效率、水力旋流器的分級效率和分級精度[16]。

5 結(jié) 論

⑴ 國外塔磨機(jī)廠家因為起步較早，應(yīng)用案例較多，塔磨機(jī)水平相對較高；國內(nèi)塔磨機(jī)廠家盡管起步較晚，但是已經(jīng)基本掌握了粉磨機(jī)理、磨機(jī)結(jié)構(gòu)、材料選擇、選型計算和智能制造等核心技術(shù)，并依托國家產(chǎn)業(yè)政策的支持，塔磨機(jī)技術(shù)得到快速發(fā)展，已經(jīng)接近國外先進(jìn)水平，并在局部實現(xiàn)了國際領(lǐng)先。

⑵ 塔磨機(jī)不但有粗磨所需的沖擊性破碎，還有細(xì)磨和超細(xì)磨所需的剪切、磨剝和擦洗等粉磨機(jī)理，并且研磨強(qiáng)度要數(shù)倍于傳統(tǒng)的球磨機(jī)，所以在細(xì)磨和超細(xì)磨方面比球磨機(jī)具有明顯的優(yōu)勢。

⑶ 不同廠家制造的塔磨機(jī)的結(jié)構(gòu)也各有不同，尤其是攪拌器的結(jié)構(gòu)類型，即使同一個廠家，不同型號的塔磨機(jī)結(jié)構(gòu)也不完全一樣。

⑷ 塔磨機(jī)作為一種細(xì)磨設(shè)備，在選礦廠碎磨車間、非金屬礦和煙氣脫硫等行業(yè)得到了應(yīng)用。