细碎与粗磨一体化的制砂设备

摘要:经过几十年实戏和总结，粉碎领域正大力提倡“多碎少磨“新工艺流程。通过对粉碎机理和设备类型的分析，指出将制砂设备高效率的方式和简单结构形式与磨矿机不依赖排矿口尺寸大小控制粒度的方式相结合，开发出集细碎与粗磨一体化的、使成品在-3mm或-lmm尤其是-20目~+150目之间的粉碎设备一一中环粉碎机，开创了一种“多碎少磨”新的途径。

一、前言

经过几十年的实践和总结，通过制砂与磨矿的能源消耗与利用、基建成本的差异，以及不同入磨粒度的磨矿成本与效益等不同方面、不同层次进行的制砂与磨矿研究分析比较，粉碎领域正大力提倡“多碎少磨”的新工艺流程，即降低制砂产品最终粒度，增加细粒级在制砂产品中的含量，从而提高磨矿机的处理能力，达到降低制砂、磨矿工序电耗和金属消耗量、减少成本、增加经济效益，提高企业市场竞争力的目的。

制砂和磨矿粒度与单位产品的能耗在图1中曲线表示。曲线1为制砂机单位产品电耗，它随排料粒度减小而增加;曲线2表示为磨矿单位电耗，它随喂料粒度减小而降低;而曲线3表示为综合电耗近似于抛物线。由此可见，在一定的工况条件下，一定有最佳的入磨粒度，此时综合能耗最低。

图1制砂和粉磨粒度与单位产品能耗关系

纵观粉碎领域，合理配置制砂、磨矿作业工艺流程，改进现有制砂机的结构及进行参数优化，提高设备性能，简化和改革制砂工艺流程，已经成为各国实现多碎少磨目标的研究课题。而实现这一目标的最有效、最经济的方法就是设计研制大制砂比、高效、低耗的新型制砂设备。

在相当长时期，各行业都把入磨粒度界定在25~，即制砂机排料小于或等于25~进入磨矿机。这是鉴于当时的制砂机技术而言，随着新理论和新技术的应用，新型制砂设备不断出现，最佳人磨粒度越来越小，碎磨总成本不断降低。但在没有引入新的技术、新的材料等情况下，如果刻意地把入磨粒度降为最小(如10mm)，对难制砂物料将会造成制砂机增加的能耗大于磨机的节能而得不偿失。自从辊压制砂理论在制砂机械上运用之后，入磨粒度的界定值变小成为现实，据国外文献报道，按目前制砂机械可以达到的先进水平，入磨粒度可以控制在6一snnn之间，如若再进一步降低入磨粒度就有一定难度或要在设备设计理念上有所创新。

徐州万和机械制造有限公司杨连国自89年最先开创性设计出立轴复合制砂机专利产品以来，并不断加以改进与完善，在“多碎少磨”领域取得可喜的进步。但在成品达到-3mm或-1mm尤其是-0目~+l50目上仍存在着一定的差距。中环粉碎机专利技术正是以期在结构创新的基础上解决成品在一3~或-1~尤其是-20目~+l50目之间的粉碎设备，开创一种“多碎少磨”新的途径，满足市场需求。

二、粉碎机理和设备类型的分析与探索

2.1粉碎机理

物料制砂是矿物及土石质原料加工必不可少的工艺过程，这个过程是用外力(人力、机械力、电力、化学能、原子能等)施加于被制砂物料上，克服物料分子间的内聚力，使大块物料分裂成若干小块。制砂的目的是:达到合格产品粒度，为下道工序提供原料:使物料中有用成分解离，为选别的除杂提纯创造条件;增加原料的比表面积。

在工业上主要是利用机械力来制砂。机械力制砂的方法有如下几种:压碎、劈碎、折断、磨碎、冲击制砂。压碎是将物料置于2个制砂表面之间，施加压力后，物料因压应力超过其抗压强度极限而制砂。劈碎是用1个平面和1个带有尖棱的工作表面挤压物料时，物料将沿力作用线的方向劈裂。劈裂的原因是由于被劈裂平面上的拉应力达到或超过物料拉伸强度极限，物料的拉伸强度极限比抗压强度极限小很多。折断是物料受弯曲作用而破坏，被制砂的物料就是承受集中载荷的两支点或多支点梁，当物料内的弯曲应力达到物料的弯曲强度极限时，物料即被折断。磨碎是物料与运动的表面之间受一定的压力和剪切力作用后，其剪应力达到物料的剪切强度极限时，物料即被磨碎。磨碎的效率低，能量消耗大。冲击制砂是物料受冲击力而制砂。它的制砂力是瞬时作用的，其制砂效率高，制砂比大，‘能量消耗少。任何一种制砂机都不能只用某一种方法进行制砂，一般都是由两种或两种以上的方法联合起来进行制砂的，例如压碎和折断，冲击和磨碎等。物料的制砂方法主要是根据物料的物理机械性质，被制砂物料的尺寸、形貌和所要求的制砂产品粒度来选择。

物料分为坚硬物料、中等坚硬物料和软物料;也可分为粘性物料和脆性物料。根据物料的物理性质，物料的抗压强度最大，抗弯强度次之，抗磨强度再次之，抗拉强度最小。对于坚硬物料最好采用压碎、劈碎和折断(弯曲)的制砂方法，而对粘性物料则采用压碎和磨碎方法制砂，脆性物料和软物料采用劈碎和冲击制砂的方法为宜。随着耐磨材料质量的提高和使用寿命的增长，对于硬而脆的物料也可以采用冲击制砂的方法。

2.2粉碎机类型

根据机械力制砂作用的方式可以将粉碎机粗略地分为两大类:(l)制砂机;(2)磨矿机。

制砂机一般处理较大块的物料，产品粒度较粗，通常大于8毫米。其构造特征是制砂件之间有一定间隙，不互相接触。制砂机又可分为粗碎机、中碎机和细碎机。一 般来说磨矿机所处理的物料较细，产品粒度是细粒，可达0.074毫米，甚至还要细些。其结构特征是制砂部件(或介质)互相接触，所采用的介质是钢球、钢 棒、砾石或矿块等。但有的机械是同时兼有碎矿与磨矿作用，如自磨机。乡5.5时.8米自磨机处理矿石粒度上限可达350~400毫米，产品细度可达一 200目占40%左右。根据制砂方式、机械的构造特征(动作原理)来划分的，大体上分为六类。

(l)鄂式制砂机(老虎口)。制砂作用是靠可动鄂板周期性地压向固定鄂板，将夹在其中的矿块压碎。

(2)圆锥制砂机。矿块处于内外两圆锥之间，外圆锥固定，内圆锥作偏心摆动，将夹在其中的矿块压碎或折断。

(3)辊式制砂机。矿块在两个相向旋转的圆辊夹缝中，主要受到连续的压碎作用，但也带有磨剥作用，齿形辊面还有劈碎作用。

(4)冲击式制砂机。矿块受到快速回转的运动部件的冲击作用而被击碎。属于这一类的又可分为:锤碎机;笼式制砂机;反击式制砂机。

(5)磨矿机。矿石在旋转的圆筒内受到磨矿介质(钢球、钢棒、砾石或矿块)的冲击与研磨作用而被粉碎。

(6)其他类型的磨矿机

A、辊磨机:借转动的辊子将物料碾碎。

B、盘磨机:利用垂直轴或水平轴的圆盘转动作为制砂部件。

C、离心磨矿机:利用高速旋转部件和介质产生离心力来完成制砂。

D、振动磨矿机:利用转轴产生高频率的振动，使介质与物料相互碰击而完成制砂作用。

各类制砂机有不同的规格、不同的使用范围。例如:选矿行业铁选厂粗碎多用领式破碎机或旋回圆锥制砂机;中碎采用标准型圆锥制砂机;细碎采用短头圆锥制砂机。粗磨用棒磨机、细磨用磨矿机。

2.3分析与探索

制砂机的构造特征是制砂件之间有一定的间隙，不互相接触。其控制排矿物料粒度的基本方式是通过排矿口或蓖缝大小来实现。排矿口或蓖缝大小与产品出料粒度和 生产能力大小呈线性关系，如排矿口或蓖缝大，产品粒度粗，生产能力也大;反之亦然。实践证明，采用传统制砂设备通过控制排矿口或蓖缝大小来追求成品细度， 实现多碎少磨的目标，有的制砂设备是无法实现的;有的虽然能部分实现，但粒度偏粗;有的可以实现，但效率低、消耗大。所以试图依赖传统制砂设备的改造和参 数优化完全达到细碎与粗磨的目的，真正实现“多碎少磨“的目标显然还存在一定的困难。

磨矿机的构造特征是磨矿部件或介质互相接触，其控制排矿物料粒度的基本方式不是通过排矿口大小来实现。磨矿机的主要工作部分为一个回转圆筒，靠圆筒内装入 的钢球、钢锻等研磨介质(或称研磨体)的冲击和研磨作用使物料粉碎、磨细。磨矿机的问世已有180多年的历史，尽管人们进行了多方面的研究和改进，也取得 了一定的成果，使其粉磨效率和使用寿命等在原有基础上都有较大的提高。然而，终未取得突破性的进展，仍未摆脱粉磨效率极为低下的状况。据安赛姆(A卫 schn)的测定，磨矿的效率只有0.6%，大多数学者和专家认为最高也不超过2一9%，大部分电能转变为热能和声响而消失。所以，国内外许多专家从各个 角度进行大量的研究工作，试图寻找改变磨矿机低效率高消耗的途径，可是一直没有得到有效解决。同样利用磨矿机的结构改进和参数优化的方式来提高粉磨效率显 然也是困难的。如何突破传统思维模式，将制砂设备的高效率和简单的结构形式与磨矿机不依赖排矿口尺寸大小控制产品细度的方式有机结合，为“多碎少磨”探索 出一条新的途径。徐州万和机械制造有限公司在这方面做了有益的探索。

三、中环粉碎机的结构和工作原理

中环粉碎机的筒体内矿物以超临界转速贴壁进行运转，在360“的筒壁上均布矿石，形成料层，同时筒内有多个辊轮在中心主轴的带动下360。在料层上规则、 有序辊压，使物料受到反复冲击、研磨、剪切等作用而被磨碎。以层压理论的观点(层压理论的基本观点是物料在每个移动循环中对相邻颗粒相对改变其方向，结果 相互作用力和矢量也不断改变。由此达到被粉碎物料的负载改变方向的目的，同时造成强制性自磨的条件，结构缺陷少的最坚硬的颗粒可制砂相邻那些粒子间键力弱 的颗粒。在等硬度颗粒中剪切与位错滑动力相重合的颗粒被制砂)来达到粉碎的目的。且多辊轮的设计一方面使动力直接传递到辊轮上，无多余消耗，又增加了研磨 介质与物料的有效接触面积，提高了粉磨效果，故其效率高。尤其是料层有效隔开辊轮与衬板之间的金属直接接触以及有效避免了辊轮与辊轮之间的金属接触。金属 材料的磨耗仅在于辊轮与矿物 之间，衬极与矿物之间的接触，所以金属材料消耗小。

中环粉碎广泛应用于可磨性或可碎性物料的粉碎，物料粉碎后的细粉具有流动性(干法或湿法)，只要调整挡料环的高度，而无需通过控制排矿口大小即可实现任意级别的物料细度，满足不同工况的要求。

3.1中环粉碎机技术参数:

备注:1、根据不同工况要求，可作细碎毛≤3lmm，也可作超细碎(20~150目)。

2、技术指标以中等硬度石灰石为标定。

3.2中环粉碎机的应用

中环粉碎机成品细度粗细可调，根据不同工艺要求，调整挡料环的高度和控制矿物在腔体内运行速度可生产出不同粒径的物料。

3.2.1用于制备0.lmm~1.5mm电厂脱硫用石灰石粉:

电厂的干法脱硫用石灰石粉的粒径一般在0.1~一1.snnn，经现场的实际使用，中环粉碎机成品粉粒度组成与锅炉返料系统的返料粒度组成大致吻合(见表2)，大大提高了对石灰石粉的利用率，能获得较佳的脱硫效果。

表2中环粉碎机的粉碎结果

青岛某电厂原采用立式冲击制砂机用于干法脱硫的石灰石制粉作业，锅炉要求产能10一15吨/时，而制砂机只能生产5吨/时左右，远远不能满足脱硫要求。且 制砂机维修量大，基本每周都要维修，浪费大量人力和物力。采用中环粉碎机后系统产能巧吨/时以上，功耗降低50%以上，己使用两年没有进行任何维修，也没 更换任何易损件，为业主带来的可观的效益。

3.2.2用于制备0.1~0.84mm石英砂:

众所周知，浮法玻璃对石英砂的产品粒径要求十分严格(粒径范围为0.1~0.84mm)，陕西某大型浮法玻璃线，其工程配套用石英砂选矿加工系统进 行设备选型时，曾先后在国内几种超细碎设备进行试验对比，通过大量的试验数据对比分析后，中环粉碎机以其制砂效率高、产品粒径分布理想、过粉碎仁 ≤0.lmm)比例小而获得认可(如表3)，已选用多台应用于石英砂选矿粉碎加工。

3.2.3细砂、粗粉制备

江油某矿山主要生产-3~铸造砂、七0砂，原来采用颗式制砂机、辊式制砂机和振动筛闭路循环，每小时产能5吨左右。成品率低、回料量大。现采用GPC高效 锤式制砂机、中环粉碎机和振动筛的闭路循环，每小时产能约18-20吨，产能提高4倍。四川某矿山主要生产-1~的白云石、碳酸钙粉。原来采用领式制砂 机、锤式制砂机和振动筛的闭路循环。由于锤式制砂机的成品率不高，只有30%左右，且返回料中1-3~的再次进入锤式制砂机后基本没有制砂就排出，在闭路 循环下1-3mm的料越积越多，给振动筛增加了负荷，造成振动筛的经常故障。用中环粉碎机替换锤式制砂机后，成品率提到70-80%，且1-3~的也可以 再次粉碎，整条系统基本没有出现故障。

3.2.4冶金行业制粉

山西某钢企下属白云石矿山要求每小时生产一1.511刀n白云石粉10吨，采用领式制砂机、锤式制砂机和振动筛的闭路循环。锤式制砂机的成品率只能达到 25一30%，每小时只能生产5吨左右的白云石粉。采用中环粉碎机替换锤式制砂机后，成品率达到70%左右，每小时生产12吨左右的白云石粉。满足钢厂的 要求。

3.2.5用于铁矿石的细碎

湖北一铁矿原采用颖式制砂机、锤式制砂机和磨矿机的制砂、粉磨方式，锤式制砂机的出料细度一般在10nnn左右，磨矿机入磨粒度仍偏大，造成磨矿机磨矿后 尾矿含量大，效率低。现采用额式制砂机、中环粉碎机和磨矿机的制砂、细碎、粉磨方式，中环粉碎机的出料粒度一般在0一3Irlnl，超细碎后的铁矿石粒度 适合于粗粒抛尾，可在入磨矿机前抛弃大量尾矿，减少粗精矿的入磨量。另一方面降低入磨矿机粗精矿的粒度，提高粗精矿的品位，磨矿机的磨粉效率大幅度提高。

3.3中环粉碎机的特点

3.3.1工作特点

磨矿机、中环粉碎机两者均为卧式旋转筒体，筒体内均有研磨介质或辊轮。而磨矿机的研磨介质是依靠磨机筒体旋转中被动提升、抛落，从能量传递上效率较低，而 且研磨介质的运动轨迹上也不规则。而中环粉碎机为双回转体，筒体旋转，辊轮组与主轴共同旋转，均为主动旋转。从能量传递角度，电动机经减速机直接将能量传 递到筒体和辊轮组上，其能量利用率高;而且其运动轨迹是规则有序的。

磨矿机在工作过程中钢球与物料的接触粉碎是随机的，出现钢球之间接触和钢球、衬板接触的几率较大，噪音也大，金属之间的直接接触会产生较大的能量消耗和材 料消耗。而中环粉碎机在运行过程中料层有效隔开辊轮与衬板之间的金属直接接触以及有效避免了辊轮与辊轮之间的金属接触。金属材料的磨耗仅在于辊轮与矿物之 间，衬板与矿物之间的接触，所以金属材料消耗小。

3.3.2结构特点

结构特点决定了工作特点，同时也决定了设备的操作及维护特点。中环粉碎机结构简单，拆装十分方便，反复拆装也不会影响紧配度。该机转速与压力调整方式简 单、可靠，通过调速器可任意调整主轴(含辊轮)和筒体各自的转速;打开观察口即可调整间隙，方便简捷;整机采用润滑脂润滑，所以维护简单、使用成本低。

四、结束语

中环粉碎机将制砂设备的高效率和简单的结构形式与磨矿机不依赖排矿口尺寸大小控制产品细度的方式有机结合，并以磨矿机为基本参照模式，并将钢球(锻)无序 运动变有序规则运动，将磨矿机钢球(锻)及衬板之间的矿物层不稳定、不确定变成稳定料层，有效克服金属之间直接接触，极大提高能量传递和粉磨效率。随着在 不同工业领域中的推广应用，将获得极大的经济和社会效益。

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