世界和中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，對資源和能源的依賴(lài)性更強，礦山選礦技術(shù)顯得尤為重要，由于礦山物料種類(lèi)繁多，物料性質(zhì)差異性大，如成分、抗壓強度、密度、水分等諸多影響因素，對工藝流程和設備提出了多樣性的要求，最重要的是高效和節能。自磨（AG）和半自磨（SAG）以其工藝流程簡(jiǎn)單、適應性廣、可靠性高等特點(diǎn)，非常適應水分高、含泥量大以及黏性大的物料，節省了傳統的洗礦設備，成為大型金屬選礦的主要工藝流程。
如凌鋼保國鐵礦Φ8.0m×2.8m 自磨+頑石破碎+球磨、中國黃金集團烏努格吐銅礦Φ8.8m×4.8m 半自磨+球磨、江西銅業(yè)集團Φ10.37m×5.19m 半自磨+球磨都以得到成功應用。美卓、山特維克、蒂森克虜伯等公司的高效能破碎機在大中型金屬礦山的引進(jìn)，系統的處理能力得到提高、增加了礦石破碎后的粉礦率、碎礦工藝系統循環(huán)負荷顯著(zhù)下降、入磨物料的粒度得到有效控制， 從-25 mm 降至-15 mm，有的可以到-8 mm 以下，“多碎少磨”的期望得以實(shí)現，球磨機的處理能力提高10％ 以上，如江西銅業(yè)集團的MP800 圓錐破碎機和欒川洛鉬集團的H7800 圓錐破碎機以及國內大量使用的HP500 圓錐破碎機等，傳統的3CB 工藝流程仍是工藝選型和應用的優(yōu)選方案之一，繼續發(fā)揮其重要作用。
隨著(zhù)我國產(chǎn)業(yè)政策調整和對行業(yè)“節能、減排”要求的力度加大，節能、高效的破碎設備在礦山行業(yè)應用得到廣泛的重視，新技術(shù)、新產(chǎn)品、新工藝得到了大力推廣和使用。高壓輥磨在馬鞍山鋼鐵集團南山選廠(chǎng)成功應用，金屬礦山破碎領(lǐng)域開(kāi)始新一輪的技術(shù)發(fā)展。高壓輥磨機將入磨粒度從-8mm降低到-3 mm，有的甚至更低，同時(shí)被粉碎物料顆粒內部產(chǎn)生了微裂痕，提高礦石的深度還原效率。我國礦石存在貧、細、雜的特點(diǎn)，礦物組分最復雜、礦石最難磨、磨礦粒度最細、工藝流程最復雜，在我國應用有著(zhù)特殊意義。
原聯(lián)邦德國科勞斯特爾大學(xué)選礦冶煉工學(xué)院K.遜納特（Schonert）教授針對高壓料層粉碎機理進(jìn)行了深入的研究，1977 年遜納特教授申報了專(zhuān)利，國外知名公司為此開(kāi)發(fā)了高壓輥磨機，并于1985年投入商業(yè)應用，在破碎粉磨領(lǐng)域引起革命性突破，該項技術(shù)經(jīng)過(guò)20 多年發(fā)展，無(wú)論設備規格、結構、處理能力以及流程工藝合理性、設備可靠性等都得到大幅度提高， 應用范圍快速拓展。至今3 000 多臺輥壓機成功應用于建材、礦山、冶金等行業(yè)。
高壓輥磨機設計和制造技術(shù)在20 多年前引進(jìn)到國內，成功應用到水泥行業(yè)的粉磨流程，已成為其粉磨系統的首選設備。國內開(kāi)發(fā)研制的1m 直徑的高壓輥磨機于1998 年和2000 年在唐山棒磨山和馬鞍山鋼鐵集團姑山鐵礦破碎流程中得到應用，取得了一定的效果。2003 年我國首臺應用于非水泥行業(yè)的進(jìn)口德國KHD 公司RP120-50 高壓輥磨機在武鋼集團程潮鐵礦球團廠(chǎng)得到成功應用，國內球團行業(yè)開(kāi)始了新技術(shù)的推廣應用，如武鋼鄂州球團廠(chǎng)RP140-140 高壓輥磨機、邯鄲鋼鐵集團140-80高壓輥磨機和柳鋼集團的140-100 高壓輥磨機等。
2005 年國產(chǎn)首臺球團行業(yè)用高壓輥磨機在長(cháng)治鋼鐵集團球團制備流程中成功應用，鐵精粉經(jīng)擠壓處理后增加了其比表面積，提高了鐵精粉的成球性能，國產(chǎn)高壓輥磨機在天津榮程鋼鐵集團、冷水江鋼廠(chǎng)、冷水江博大鋼鐵有限公司、攀枝花鋼企米易白馬集團等球團制備流程中得到應用。
高壓輥磨機優(yōu)異的性能在國內逐漸得到業(yè)內的認識和重視，高壓輥磨機工藝適應性強，大幅度提高入磨物料的粉礦率和可磨性，還可滿(mǎn)足粗粒高效拋尾、提高后續流程礦石品位，明顯減少磨礦量，實(shí)現降本增效的根本目標。高壓輥磨在馬鞍山鋼鐵集團南山選廠(chǎng)成功應用具有標志性的意義，拉開(kāi)了高壓輥磨機在我國金屬礦山應用的序幕。唐鋼司家營(yíng)二期采用了德國KHD 公司的RP170-180、山東黃金集團三山島金礦采用了德國KHD 公司的RP140-110，金堆城鉬業(yè)公司采用了德國Koppern公司的150-100 高壓輥磨機，國內大中型礦山紛紛設計上馬高壓輥磨機，國內相關(guān)設備制造公司紛紛加大了高壓輥磨機的研發(fā)與開(kāi)發(fā)力度。
1 工作原理
高壓輥磨機由兩個(gè)相向且同步轉動(dòng)的擠壓輥組成，一個(gè)為固定輥、另一個(gè)為活動(dòng)輥（圖1）。物料從兩輥上方給入，被擠壓輥連續地帶入封閉的輥間，受到足夠大的高壓作用后，形成密實(shí)的料餅排出。料餅中含有大量的細粉，許多顆粒產(chǎn)生大量的微裂紋，可顯著(zhù)降低后續粉磨的能耗。工作主要過(guò)程包括堆實(shí)、粉碎和結餅三個(gè)階段。要達到這樣的高壓料層粉碎機理，兩個(gè)壓力是必不可少的條件，即連續喂入的物料形成的料壓和液壓系統提供的擠壓壓力。
 高壓輥磨機的擠壓過(guò)程是在密閉容積內進(jìn)行的，能量在顆粒之間相互傳遞，形成的料餅密度可達其物料真密度的85%左右。這是高壓輥磨機比其它同樣采用料層粉碎原理的設備節能效果高的原因。在礦山粉碎作業(yè)中，應用“多碎少磨”預破碎工藝，給礦山的粉碎過(guò)程節約了大量能源。其實(shí)質(zhì)就是由于破碎所消耗的能量遠小于磨碎所消耗的能量，因此盡量將物料破碎到越細再進(jìn)磨機，可提高磨機的處理能力，降低磨機的單位電耗。
同樣利用高壓料層粉碎機理完美地將偏心距、轉速、腔型結合起來(lái)的新一代高性能圓錐破碎機，使入磨粒度得到有效控制而得到推廣使用。圓錐破碎機的緊邊排放口CSS 直接決定了其出料粒度P80 的大小，所以它的出料粒度通常依靠調整其緊邊排放口CSS來(lái)實(shí)現。
但同高壓輥磨機相比，在細碎作業(yè)和節能降耗上還有一定差距。高壓輥磨機在工作過(guò)程中擠壓力不僅作用于粗顆粒上，而且作用于各種大小的顆粒上，解決了傳統破碎機作用力只能作用于粗顆粒上的問(wèn)題，所以高壓輥磨機的出料中的細粒級含量遠遠高于高性能細碎圓錐破碎機，它的破碎比要高于細碎圓錐破碎機，產(chǎn)生的細小顆粒內部還產(chǎn)生了微裂紋（見(jiàn)圖2），可以提高物料的易磨性、降低邦德功指數和提高有用成分的回收率。
 由于礦物種類(lèi)、性質(zhì)的巨大差異，如抗壓強度、硬度、密度、粒度、邦德功指數、含泥量及水分等，高壓輥磨機總體來(lái)說(shuō)適合處理硬而脆的物料，為了確定該技術(shù)的節能效果和工藝選型設計等，需要針對性地進(jìn)行試驗，摸索其運行工藝參數，包括處理量、能耗、壓力、速度、出料粒度分布、輥面預期壽命等。通常國外一些大的工程和項目還要進(jìn)行半工業(yè)性試驗，以便準確掌握上述工業(yè)運行的工藝參數，為工藝流程設計提供準確的設計依據和數據。下面介紹一些設備的關(guān)鍵參數。
2 擠壓力
擠壓力是高壓輥磨機非常重要的設計和運行參數，高壓輥磨機與傳統的輥式破碎機的其中一個(gè)重要的區別就是要提高足夠大的擠壓力。根據物料試驗，綜合考慮出料粒度和能耗等因素確定最佳的比壓強P。比壓強用于比較同規格高壓輥磨的總擠壓力大小或比較不同規格高壓輥磨的相對壓力高低。P=F/（L × D）式中：P 為輥面承受的比壓強，MPa；F 為液壓系統提供的總壓力，N；L 為擠壓輥輥面寬度，mm；D 為擠壓輥直徑，mm。比壓強過(guò)大，節能效果不明顯，而且加劇輥面磨損甚至柱釘損壞，國外礦山現場(chǎng)運行時(shí)就出現壓力過(guò)大造成柱釘斷裂。秘魯Cerro Verde 銅金礦用的Ф2.4m×1.7m 高壓輥磨設計比壓強為4.3 MPa。
3 入料粒度
設備的運行效果與入料粒度有很重要的關(guān)系，入料粒度太大或太小都會(huì )給設備穩定運行帶來(lái)直接影響，如入料粒度過(guò)大，設備會(huì )出現頻繁振動(dòng)，出料粒度也會(huì )偏大；入料粒度過(guò)小，不能形成理想工作輥縫，高壓輥磨機處理量明顯偏小，有時(shí)物料可能沒(méi)有經(jīng)過(guò)擠壓而排出機外。如果細粉含量偏多，有時(shí)因擠壓會(huì )產(chǎn)生氣爆現象。同時(shí)要求入料能夠保證在輥寬方向上粒度盡量均布，防止離析發(fā)生，否則易引起設備頻繁調整。
秘魯Cerro Verde 銅金礦Ф2.4m×1.7m 高壓輥磨的最大入料粒度要求為50 mm，實(shí)際最大入料粒度控制在65 mm。智利CMH 公司鐵礦石破碎用RP170-180 高壓輥磨最大入料粒度要求為63.5 mm，毛里塔尼亞SNIM 公司鐵礦石破碎用RP170-180 高壓輥磨最大入料粒度要求為20 mm。采用柱釘輥面結構的高壓輥磨機對最大入料粒度有嚴格的要求，否則柱釘容易斷裂。
4 工作輥縫與料餅
圓錐破碎機依靠調整其緊邊排放口CSS 來(lái)控制出料粒度的大小，高壓輥磨機雖然根據設備規格、物料性質(zhì)、入料粒度等情況預先設定初始輥縫，但出料粒度與初始輥縫沒(méi)有必然關(guān)系。設備在帶料運行時(shí)，動(dòng)輥在礦石和液壓系統的作用下，在機架上做一定范圍的移動(dòng)，由于礦石的性質(zhì)以及輥面結構等不同，設備運行時(shí)工作輥縫約為最大入料粒度的1~1.5 倍。此時(shí)礦石在壓力作用下不僅破碎而且經(jīng)常會(huì )形成料餅。如果采用閉路系統，需要專(zhuān)用設備將料餅打散，有的在高壓輥磨下面安裝破碎棒。由于料餅強度不高，在輸送、轉運過(guò)程中即可打散，也可在篩分過(guò)程中來(lái)實(shí)現打散，所以很多流程設計中就取消了專(zhuān)用打散設備。馬鞍山鋼鐵集團南山選廠(chǎng)的高壓輥磨機出料皮帶上已看不到擠壓后形成的料餅。工藝系統設計中是否要配置打散設備可根據工藝流程的要求配置，還可以進(jìn)行相關(guān)的料餅跌落試驗來(lái)決定。
金剛石礦石在擠壓過(guò)程中要有效控制工作輥縫，達到選擇性破碎的目的，使得金剛石或礦物與脈石的解離，保證金剛石在擠壓過(guò)程中不會(huì )受到損壞。
5 輥面壽命
在水泥行業(yè)已經(jīng)較成功地解決輥面磨損問(wèn)題，在礦山行業(yè)輥面壽命是關(guān)系到高壓輥磨技術(shù)能否有效利用的一個(gè)非常重要的因素。國內外都已成功推出了柱釘輥面結構形式（見(jiàn)圖3），柱釘為高硬度的硬質(zhì)合金，耐磨性非常優(yōu)異，同時(shí)擠壓過(guò)程中在輥面形成了密實(shí)的料墊，有效地保護輥面母材。柱釘輥面結構的輥面壽命是傳統堆焊輥面的5 倍以上。
但嚴格禁止金屬異物進(jìn)入兩輥之間。圖4 為Procemin2009 中介紹的智利CMH 公司鐵礦石破碎用RP170-180 高壓輥磨輥面負荷運行10 個(gè)月的檢測情況的記錄，完全滿(mǎn)足了高壓輥磨設備在礦業(yè)領(lǐng)域的應用。
 Koppern 公司推出的高溫高壓成型的菱形塊復合輥面HEXADUR（見(jiàn)圖5），菱形塊由冶金粉末制作。與柱釘輥面結構相比最大的優(yōu)勢是承受的比壓強大，不會(huì )輕易發(fā)生斷裂問(wèn)題，HEXADUR 輥面最高承受的比壓強達8 MPa。但由于很難形成料墊來(lái)保護輥面，使用壽命受到一定限制，同時(shí)由于受到高溫高壓成型設備的限制，制約了HEXADUR 輥面的直徑大型化應用。
為較準確地預測高壓輥磨機在各種礦石條件下的使用壽命，各家公司主要采用失重方法來(lái)進(jìn)行磨耗試驗，如Polysius 公司采用小型試驗機來(lái)精確完成物料輥壓磨損試驗（ATWAL），試驗機輥子外圓表面平滑，采取失重的方法測量每一次試驗前后輥子重量的變化，用磨損的重量除以處理礦石的重量表示磨耗指數ATWI（單位g/t）。在一定的試驗條件下，磨損失重量越小，說(shuō)明被測試樣耐磨粒磨損性能越好。以此磨耗指數為依據來(lái)按比例推算高壓磨輥工業(yè)運行輥面壽命。有的公司采用磨粒磨損試驗機（見(jiàn)圖6） 完成磨耗的檢測，磨粒磨損同樣采用被測試樣磨損失重進(jìn)行評價(jià)。馬鋼集團南山礦業(yè)鐵礦石由KHD 公司進(jìn)行的輥面磨損試驗推測使用壽命可達10 000 h。
 國內對高壓輥磨技術(shù)的認識和認同的提高，極大影響高壓輥磨在我國的應用和發(fā)展，中信重工機械股份有限公司已成功地在撫順罕王集團和承德建龍礦業(yè)有限公司應用了GM140-60 高壓輥磨，并在澳大利亞鐵礦推出了Ф2m×2m 和Ф1.8m×1.6m 高壓輥磨。無(wú)論是設備規格、能力、節能還是設備可靠性、輥面壽命，高壓輥磨技術(shù)仍有巨大的發(fā)展空間，如國外公司輥面側邊推出了硬質(zhì)合金結構，保證輥面的均勻磨損，減少邊緣效應的發(fā)生。我們也要看到國內目前試驗方法和手段與國外先進(jìn)的物料試驗中心有著(zhù)一定差別，特別是在試驗數據的應用性、規范性和可操作性等方面。需要豐富先進(jìn)的高壓輥磨物料試驗手段和方法，盡快提高物料試驗和分析能力。
國內目前已開(kāi)始在礦山領(lǐng)域推廣應用高壓輥磨技術(shù)，同時(shí)加強研究在這個(gè)領(lǐng)域應用特點(diǎn)，如物料經(jīng)過(guò)高壓輥磨機不同壓力、速度等條件下處理后粒度分布、邦德功指數變化對后續流程的影響程度，詳細研究各種流程工藝的特點(diǎn)及技術(shù)經(jīng)濟，為工程和設備的選型提供可靠的依據，為礦山行業(yè)進(jìn)步和發(fā)展提供強有力支撐，使我國由礦山大國向礦山強國轉變。
6 結論
無(wú)論是設備規格、能力、節能還是設備可靠性與輥面壽命，高壓輥磨技術(shù)在國內仍有巨大的發(fā)展空間。
作者：張光宇（中信重工機械股份有限公司洛陽(yáng)礦山機械工程設計研究院，河南洛陽(yáng)471039）
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