細碎與粗磨一體化的制砂設備

摘要:經過幾十年實戲和總結，粉碎領域正大力提倡“多碎少磨“新工藝流程。通過對粉碎機理和設備類型的分析，指出將制砂設備高效率的方式和簡單結構形式與磨礦機不依賴排礦口尺寸大小控制粒度的方式相結合，開發出集細碎與粗磨一體化的、使成品在-3mm或-lmm尤其是-20目~+150目之間的粉碎設備一一中環粉碎機，開創了一種“多碎少磨”新的途徑。

一、前言

經過幾十年的實踐和總結，通過制砂與磨礦的能源消耗與利用、基建成本的差異，以及不同入磨粒度的磨礦成本與效益等不同方面、不同層次進行的制砂與磨礦研究分析比較，粉碎領域正大力提倡“多碎少磨”的新工藝流程，即降低制砂產品最終粒度，增加細粒級在制砂產品中的含量，從而提高磨礦機的處理能力，達到降低制砂、磨礦工序電耗和金屬消耗量、減少成本、增加經濟效益，提高企業市場競爭力的目的。

制砂和磨礦粒度與單位產品的能耗在圖1中曲線表示。曲線1為制砂機單位產品電耗，它隨排料粒度減小而增加;曲線2表示為磨礦單位電耗，它隨喂料粒度減小而降低;而曲線3表示為綜合電耗近似于拋物線。由此可見，在一定的工況條件下，一定有最佳的入磨粒度，此時綜合能耗最低。

圖1制砂和粉磨粒度與單位產品能耗關系

縱觀粉碎領域，合理配置制砂、磨礦作業工藝流程，改進現有制砂機的結構及進行參數優化，提高設備性能，簡化和改革制砂工藝流程，已經成為各國實現多碎少磨目標的研究課題。而實現這一目標的最有效、最經濟的方法就是設計研制大制砂比、高效、低耗的新型制砂設備。

在相當長時期，各行業都把入磨粒度界定在25~，即制砂機排料小于或等于25~進入磨礦機。這是鑒于當時的制砂機技術而言，隨著新理論和新技術的應用，新型制砂設備不斷出現，最佳人磨粒度越來越小，碎磨總成本不斷降低。但在沒有引入新的技術、新的材料等情況下，如果刻意地把入磨粒度降為最小(如10mm)，對難制砂物料將會造成制砂機增加的能耗大于磨機的節能而得不償失。自從輥壓制砂理論在制砂機械上運用之后，入磨粒度的界定值變小成為現實，據國外文獻報道，按目前制砂機械可以達到的先進水平，入磨粒度可以控制在6一snnn之間，如若再進一步降低入磨粒度就有一定難度或要在設備設計理念上有所創新。

徐州萬和機械制造有限公司楊連國自89年最先開創性設計出立軸復合制砂機專利產品以來，并不斷加以改進與完善，在“多碎少磨”領域取得可喜的進步。但在成品達到-3mm或-1mm尤其是-0目~+l50目上仍存在著一定的差距。中環粉碎機專利技術正是以期在結構創新的基礎上解決成品在一3~或-1~尤其是-20目~+l50目之間的粉碎設備，開創一種“多碎少磨”新的途徑，滿足市場需求。

二、粉碎機理和設備類型的分析與探索

2.1粉碎機理

物料制砂是礦物及土石質原料加工必不可少的工藝過程，這個過程是用外力(人力、機械力、電力、化學能、原子能等)施加于被制砂物料上，克服物料分子間的內聚力，使大塊物料分裂成若干小塊。制砂的目的是:達到合格產品粒度，為下道工序提供原料:使物料中有用成分解離，為選別的除雜提純創造條件;增加原料的比表面積。

在工業上主要是利用機械力來制砂。機械力制砂的方法有如下幾種:壓碎、劈碎、折斷、磨碎、沖擊制砂。壓碎是將物料置于2個制砂表面之間，施加壓力后，物料因壓應力超過其抗壓強度極限而制砂。劈碎是用1個平面和1個帶有尖棱的工作表面擠壓物料時，物料將沿力作用線的方向劈裂。劈裂的原因是由于被劈裂平面上的拉應力達到或超過物料拉伸強度極限，物料的拉伸強度極限比抗壓強度極限小很多。折斷是物料受彎曲作用而破壞，被制砂的物料就是承受集中載荷的兩支點或多支點梁，當物料內的彎曲應力達到物料的彎曲強度極限時，物料即被折斷。磨碎是物料與運動的表面之間受一定的壓力和剪切力作用后，其剪應力達到物料的剪切強度極限時，物料即被磨碎。磨碎的效率低，能量消耗大。沖擊制砂是物料受沖擊力而制砂。它的制砂力是瞬時作用的，其制砂效率高，制砂比大，‘能量消耗少。任何一種制砂機都不能只用某一種方法進行制砂，一般都是由兩種或兩種以上的方法聯合起來進行制砂的，例如壓碎和折斷，沖擊和磨碎等。物料的制砂方法主要是根據物料的物理機械性質，被制砂物料的尺寸、形貌和所要求的制砂產品粒度來選擇。

物料分為堅硬物料、中等堅硬物料和軟物料;也可分為粘性物料和脆性物料。根據物料的物理性質，物料的抗壓強度最大，抗彎強度次之，抗磨強度再次之，抗拉強度最小。對于堅硬物料最好采用壓碎、劈碎和折斷(彎曲)的制砂方法，而對粘性物料則采用壓碎和磨碎方法制砂，脆性物料和軟物料采用劈碎和沖擊制砂的方法為宜。隨著耐磨材料質量的提高和使用壽命的增長，對于硬而脆的物料也可以采用沖擊制砂的方法。

2.2粉碎機類型

根據機械力制砂作用的方式可以將粉碎機粗略地分為兩大類:(l)制砂機;(2)磨礦機。

制砂機一般處理較大塊的物料，產品粒度較粗，通常大于8毫米。其構造特征是制砂件之間有一定間隙，不互相接觸。制砂機又可分為粗碎機、中碎機和細碎機。一 般來說磨礦機所處理的物料較細，產品粒度是細粒，可達0.074毫米，甚至還要細些。其結構特征是制砂部件(或介質)互相接觸，所采用的介質是鋼球、鋼 棒、礫石或礦塊等。但有的機械是同時兼有碎礦與磨礦作用，如自磨機。鄉5.5時.8米自磨機處理礦石粒度上限可達350~400毫米，產品細度可達一 200目占40%左右。根據制砂方式、機械的構造特征(動作原理)來劃分的，大體上分為六類。

(l)鄂式制砂機(老虎口)。制砂作用是靠可動鄂板周期性地壓向固定鄂板，將夾在其中的礦塊壓碎。

(2)圓錐制砂機。礦塊處于內外兩圓錐之間，外圓錐固定，內圓錐作偏心擺動，將夾在其中的礦塊壓碎或折斷。

(3)輥式制砂機。礦塊在兩個相向旋轉的圓輥夾縫中，主要受到連續的壓碎作用，但也帶有磨剝作用，齒形輥面還有劈碎作用。

(4)沖擊式制砂機。礦塊受到快速回轉的運動部件的沖擊作用而被擊碎。屬于這一類的又可分為:錘碎機;籠式制砂機;反擊式制砂機。

(5)磨礦機。礦石在旋轉的圓筒內受到磨礦介質(鋼球、鋼棒、礫石或礦塊)的沖擊與研磨作用而被粉碎。

(6)其他類型的磨礦機

A、輥磨機:借轉動的輥子將物料碾碎。

B、盤磨機:利用垂直軸或水平軸的圓盤轉動作為制砂部件。

C、離心磨礦機:利用高速旋轉部件和介質產生離心力來完成制砂。

D、振動磨礦機:利用轉軸產生高頻率的振動，使介質與物料相互碰擊而完成制砂作用。

各類制砂機有不同的規格、不同的使用范圍。例如:選礦行業鐵選廠粗碎多用領式破碎機或旋回圓錐制砂機;中碎采用標準型圓錐制砂機;細碎采用短頭圓錐制砂機。粗磨用棒磨機、細磨用磨礦機。

2.3分析與探索

制砂機的構造特征是制砂件之間有一定的間隙，不互相接觸。其控制排礦物料粒度的基本方式是通過排礦口或蓖縫大小來實現。排礦口或蓖縫大小與產品出料粒度和 生產能力大小呈線性關系，如排礦口或蓖縫大，產品粒度粗，生產能力也大;反之亦然。實踐證明，采用傳統制砂設備通過控制排礦口或蓖縫大小來追求成品細度， 實現多碎少磨的目標，有的制砂設備是無法實現的;有的雖然能部分實現，但粒度偏粗;有的可以實現，但效率低、消耗大。所以試圖依賴傳統制砂設備的改造和參 數優化完全達到細碎與粗磨的目的，真正實現“多碎少磨“的目標顯然還存在一定的困難。

磨礦機的構造特征是磨礦部件或介質互相接觸，其控制排礦物料粒度的基本方式不是通過排礦口大小來實現。磨礦機的主要工作部分為一個回轉圓筒，靠圓筒內裝入 的鋼球、鋼鍛等研磨介質(或稱研磨體)的沖擊和研磨作用使物料粉碎、磨細。磨礦機的問世已有180多年的歷史，盡管人們進行了多方面的研究和改進，也取得 了一定的成果，使其粉磨效率和使用壽命等在原有基礎上都有較大的提高。然而，終未取得突破性的進展，仍未擺脫粉磨效率極為低下的狀況。據安賽姆(A衛 schn)的測定，磨礦的效率只有0.6%，大多數學者和專家認為最高也不超過2一9%，大部分電能轉變為熱能和聲響而消失。所以，國內外許多專家從各個 角度進行大量的研究工作，試圖尋找改變磨礦機低效率高消耗的途徑，可是一直沒有得到有效解決。同樣利用磨礦機的結構改進和參數優化的方式來提高粉磨效率顯 然也是困難的。如何突破傳統思維模式，將制砂設備的高效率和簡單的結構形式與磨礦機不依賴排礦口尺寸大小控制產品細度的方式有機結合，為“多碎少磨”探索 出一條新的途徑。徐州萬和機械制造有限公司在這方面做了有益的探索。

三、中環粉碎機的結構和工作原理

中環粉碎機的筒體內礦物以超臨界轉速貼壁進行運轉，在360“的筒壁上均布礦石，形成料層，同時筒內有多個輥輪在中心主軸的帶動下360。在料層上規則、 有序輥壓，使物料受到反復沖擊、研磨、剪切等作用而被磨碎。以層壓理論的觀點(層壓理論的基本觀點是物料在每個移動循環中對相鄰顆粒相對改變其方向，結果 相互作用力和矢量也不斷改變。由此達到被粉碎物料的負載改變方向的目的，同時造成強制性自磨的條件，結構缺陷少的最堅硬的顆?？芍粕跋噜從切┝Ｗ娱g鍵力弱 的顆粒。在等硬度顆粒中剪切與位錯滑動力相重合的顆粒被制砂)來達到粉碎的目的。且多輥輪的設計一方面使動力直接傳遞到輥輪上，無多余消耗，又增加了研磨 介質與物料的有效接觸面積，提高了粉磨效果，故其效率高。尤其是料層有效隔開輥輪與襯板之間的金屬直接接觸以及有效避免了輥輪與輥輪之間的金屬接觸。金屬 材料的磨耗僅在于輥輪與礦物 之間，襯極與礦物之間的接觸，所以金屬材料消耗小。

中環粉碎廣泛應用于可磨性或可碎性物料的粉碎，物料粉碎后的細粉具有流動性(干法或濕法)，只要調整擋料環的高度，而無需通過控制排礦口大小即可實現任意級別的物料細度，滿足不同工況的要求。

3.1中環粉碎機技術參數:

備注:1、根據不同工況要求，可作細碎毛≤3lmm，也可作超細碎(20~150目)。

2、技術指標以中等硬度石灰石為標定。

3.2中環粉碎機的應用

中環粉碎機成品細度粗細可調，根據不同工藝要求，調整擋料環的高度和控制礦物在腔體內運行速度可生產出不同粒徑的物料。

3.2.1用于制備0.lmm~1.5mm電廠脫硫用石灰石粉:

電廠的干法脫硫用石灰石粉的粒徑一般在0.1~一1.snnn，經現場的實際使用，中環粉碎機成品粉粒度組成與鍋爐返料系統的返料粒度組成大致吻合(見表2)，大大提高了對石灰石粉的利用率，能獲得較佳的脫硫效果。

表2中環粉碎機的粉碎結果

青島某電廠原采用立式沖擊制砂機用于干法脫硫的石灰石制粉作業，鍋爐要求產能10一15噸/時，而制砂機只能生產5噸/時左右，遠遠不能滿足脫硫要求。且 制砂機維修量大，基本每周都要維修，浪費大量人力和物力。采用中環粉碎機后系統產能巧噸/時以上，功耗降低50%以上，己使用兩年沒有進行任何維修，也沒 更換任何易損件，為業主帶來的可觀的效益。

3.2.2用于制備0.1~0.84mm石英砂:

眾所周知，浮法玻璃對石英砂的產品粒徑要求十分嚴格(粒徑范圍為0.1~0.84mm)，陜西某大型浮法玻璃線，其工程配套用石英砂選礦加工系統進 行設備選型時，曾先后在國內幾種超細碎設備進行試驗對比，通過大量的試驗數據對比分析后，中環粉碎機以其制砂效率高、產品粒徑分布理想、過粉碎仁 ≤0.lmm)比例小而獲得認可(如表3)，已選用多臺應用于石英砂選礦粉碎加工。

3.2.3細砂、粗粉制備

江油某礦山主要生產-3~鑄造砂、七0砂，原來采用顆式制砂機、輥式制砂機和振動篩閉路循環，每小時產能5噸左右。成品率低、回料量大?，F采用GPC高效 錘式制砂機、中環粉碎機和振動篩的閉路循環，每小時產能約18-20噸，產能提高4倍。四川某礦山主要生產-1~的白云石、碳酸鈣粉。原來采用領式制砂 機、錘式制砂機和振動篩的閉路循環。由于錘式制砂機的成品率不高，只有30%左右，且返回料中1-3~的再次進入錘式制砂機后基本沒有制砂就排出，在閉路 循環下1-3mm的料越積越多，給振動篩增加了負荷，造成振動篩的經常故障。用中環粉碎機替換錘式制砂機后，成品率提到70-80%，且1-3~的也可以 再次粉碎，整條系統基本沒有出現故障。

3.2.4冶金行業制粉

山西某鋼企下屬白云石礦山要求每小時生產一1.511刀n白云石粉10噸，采用領式制砂機、錘式制砂機和振動篩的閉路循環。錘式制砂機的成品率只能達到 25一30%，每小時只能生產5噸左右的白云石粉。采用中環粉碎機替換錘式制砂機后，成品率達到70%左右，每小時生產12噸左右的白云石粉。滿足鋼廠的 要求。

3.2.5用于鐵礦石的細碎

湖北一鐵礦原采用穎式制砂機、錘式制砂機和磨礦機的制砂、粉磨方式，錘式制砂機的出料細度一般在10nnn左右，磨礦機入磨粒度仍偏大，造成磨礦機磨礦后 尾礦含量大，效率低?，F采用額式制砂機、中環粉碎機和磨礦機的制砂、細碎、粉磨方式，中環粉碎機的出料粒度一般在0一3Irlnl，超細碎后的鐵礦石粒度 適合于粗粒拋尾，可在入磨礦機前拋棄大量尾礦，減少粗精礦的入磨量。另一方面降低入磨礦機粗精礦的粒度，提高粗精礦的品位，磨礦機的磨粉效率大幅度提高。

3.3中環粉碎機的特點

3.3.1工作特點

磨礦機、中環粉碎機兩者均為臥式旋轉筒體，筒體內均有研磨介質或輥輪。而磨礦機的研磨介質是依靠磨機筒體旋轉中被動提升、拋落，從能量傳遞上效率較低，而 且研磨介質的運動軌跡上也不規則。而中環粉碎機為雙回轉體，筒體旋轉，輥輪組與主軸共同旋轉，均為主動旋轉。從能量傳遞角度，電動機經減速機直接將能量傳 遞到筒體和輥輪組上，其能量利用率高;而且其運動軌跡是規則有序的。

磨礦機在工作過程中鋼球與物料的接觸粉碎是隨機的，出現鋼球之間接觸和鋼球、襯板接觸的幾率較大，噪音也大，金屬之間的直接接觸會產生較大的能量消耗和材 料消耗。而中環粉碎機在運行過程中料層有效隔開輥輪與襯板之間的金屬直接接觸以及有效避免了輥輪與輥輪之間的金屬接觸。金屬材料的磨耗僅在于輥輪與礦物之 間，襯板與礦物之間的接觸，所以金屬材料消耗小。

3.3.2結構特點

結構特點決定了工作特點，同時也決定了設備的操作及維護特點。中環粉碎機結構簡單，拆裝十分方便，反復拆裝也不會影響緊配度。該機轉速與壓力調整方式簡 單、可靠，通過調速器可任意調整主軸(含輥輪)和筒體各自的轉速;打開觀察口即可調整間隙，方便簡捷;整機采用潤滑脂潤滑，所以維護簡單、使用成本低。

四、結束語

中環粉碎機將制砂設備的高效率和簡單的結構形式與磨礦機不依賴排礦口尺寸大小控制產品細度的方式有機結合，并以磨礦機為基本參照模式，并將鋼球(鍛)無序 運動變有序規則運動，將磨礦機鋼球(鍛)及襯板之間的礦物層不穩定、不確定變成穩定料層，有效克服金屬之間直接接觸，極大提高能量傳遞和粉磨效率。隨著在 不同工業領域中的推廣應用，將獲得極大的經濟和社會效益。

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