我国矿产资源自身禀赋偏差且日趋“贫、细、杂”，矿物单体解离对细度要求越来越高。传统球磨机磨矿以冲击作用为主，在再磨及细磨领域应用过程中存在着能耗高、效率低等缺点。根据矿物再磨及细磨特点，其磨矿应以研磨作用为主，效率更高、能耗更低[1-3]。北京矿冶研究总院成功研制了以研磨作用为主的KLM系列立磨机，在金属非金属矿的细磨及再磨领域取得了广泛应用[4]。
1 立磨机发展现状及工作原理
1.1 发展现状
目前，细磨及再磨领域应用磨机主要为搅拌磨机，其筒体固定，搅拌机构旋转，可以最大程度的发挥研磨作用。如图1所示，根据搅拌机构结构形式及安装方式的区别，目前常用搅拌磨机有立式盘式搅拌磨机、立式棒式搅拌磨机、立式螺旋搅拌磨机(文中简称立磨机)、双叶轮搅拌球磨机以及卧式搅拌磨机[5]。
图1 常见搅拌磨机
立磨机于1952年由日本的河端重胜博士发明，最早主要应用于非金属矿的研磨，因磨矿效率较高，近几年得到了快速发展，于20世纪80年代中后期开始应用于有色金属矿的粉磨。国际上，主要有日本EIRICH公司研制的ETM系列立磨机和芬兰Metso公司研制的VTM系列立磨机，其最大安装功率分别达到2250HP和4500HP[3]。国内20世纪70-80年代开始对立磨机进行研究，主要以长沙院JM系列立磨机和北京矿冶研究总院GJ系列搅拌磨机为代表。北京矿冶研究总院于2011年成功开发了当时国内安装功率最大的KLM-630立磨机，安装功率达到630kW，此后逐步实现了KLM型立磨机的系列化，目前开发设备最大装机功率达到1250kW，最小装机功率3 kW。
1.2 立磨机工作原理
如图2所示，立磨机螺旋轴低速旋转时，离心力、重力、摩擦力的共同作用使磨矿介质与物料间产生有序的运动循环和宏观上的受力基本平衡。在螺旋叶片表面，磨矿介质螺旋式上升;在筒体内衬与螺旋叶片外缘间，磨矿介质螺旋式下降。在微观上，矿粒和磨矿介质受力的不均匀性形成动态的运动速差和受力变化，造成物料被强力挤压、研磨以及物料之间的受力折断、微剪切、劈碎等综合作用，从而实现矿物颗粒的高效粉磨[6-7]。
立磨机工作时，磨矿介质与物料之间的充实度高，球与球、球与立磨机衬板及螺旋轴的碰撞很少，整个运动部件在宏观上受力平衡，从而使得基础受力很小;合格的物料总是较未合格的物料先到达溢流口附近而实现粉碎过程的内部分级，过粉碎现象大为减少。与外部的旋流器构成闭路，通过控制旋流器的沉砂即可控制磨机的返砂量，从而调节磨机的处理量，大大增加了磨机的磨矿粒度范围。
图2 立磨机工作原理示意图
2 KLM型立磨机特点及关键技术
2.1 立磨机基本结构
立磨机结构如图3所示，其主要包括：电机装置、减速机、减速机支架、轴承座、上部轴组件、筒体部件、下部轴组件和衬板。其中，电机装置、减速机和上下部轴组成立磨机传动系统;减速机支架、轴承座、筒体部件组成其辅助支撑系统，下部轴组件即螺旋搅拌机构是整机中的关键部件，螺旋衬板是整机易损件。
图3 立式磨机结构示意图
2.2 KLM型立磨机关键技术
北京矿冶研究总院在立磨机研究设计方法、实验室试验、设备结构、重载启动方法、关键部位防护等多项技术领域均取得了重要突破，形成了一套完整的技术方法。
研究设计方法方面，北京矿冶研究总院采用ANSYS等有限元软件对主轴等重要结构的强度进行优化分析[8];采用CFD流体动力学软件模拟分析立磨机内流场的分布状态[9];采用EDEM离散单元法分析磨矿介质在磨机内部的运动规律及矿物破碎程度，方法先进，结果可靠直观，有效保证了KLM型立磨机的可靠性。
图4 计算机仿真分析方法
实验室试验方面，北京矿冶研究总院建立了图5所示的实验室试验系统，探索了一套切实有效的选型试验方法，对新疆某铁矿石、云南大红山铜尾矿、青海某钾盐矿、铝土矿、萤石矿及镍矿等多种矿石开展过选型试验研究，设备选型结果准确可靠，指导性强。
筒体防护方面，通过对立磨机的介质运动形态和筒壁磨损方式进行了动态模拟和分析，针对介质与筒壁的运动形态和磨损方式，北京矿冶研究总院分别开发了针对磁性矿物或介质的橡胶磁性衬板及针对非磁性矿物的格子衬板，针对性强，应用范围广，寿命长。
自动控制方面，北京矿冶研究总院专门针对立磨机应用开发了一套立磨机控制系统，主要包括主电机控制、稀油站控制、主轴/滑动轴承自动润滑控制以及关键部位状态监测等，该系统充分利用了北京矿冶研究总院在矿山领域的丰富行业知识，自动化集成程度高，可靠性强。
此外，北京矿冶研究总院在螺旋衬板材质与寿命、螺旋衬板防松连接结构、设备重载启动等领域也取得了重要突破。
2.3 KLM型立磨机主要参数
北京矿冶研究总院研发的KLM系列立磨机主要参数如表1所示。
表1 KLM系列立磨机主要参数
3 KLM型立磨机在金属及非金属领域的应用
自从当时国产安装功率最大的KLM-630研发成功以来，KLM型立磨机在多种金属及非金属领域均实现了成功应用。
3.1 KLM-160在铜镍矿中的应用
吉林某铜镍矿选厂初建于20世纪80年代，主要回收矿物是镍矿和铜矿，原设计采用二段碎矿、二段磨矿、混合浮选和分离浮选的工艺流程。经过近三十年的采选，矿石中铜和镍的品位略有降低且嵌布粒度越来越细，不易分离。
2014年，该选厂采用一台KLM-160型立磨机用于混合浮选精矿的研磨，铜镍分离的给矿粒度由原来的−38 μm占65.25%(−74 μm占90%)提高到91.33%，矿石单体解离度进一步提高，为铜镍高效分离提供了良好的浮选环境。在原矿中铜品位仅提高0.001%的条件下，铜精矿产品中铜品位提高1.683%，铜理论回收率提高1.08%，而铜精矿产品中镍品位降低0.583%，降幅高达27.87 %，较好地实现了铜镍分离的目的;而在原矿中镍品位减小0. 02%的情况下，镍精矿产品中镍品位降低0.122%，镍理论回收率提高0.14%。图6为KLM-160立式螺旋搅拌磨机在使用现场。
图6 KLM-160立磨机在使用现场
3.2 KLM-630在铁精矿再磨中的应用
新疆某矿业公司为了进一步提高铁精矿品位，需要磁性铁具有较高的单体解离度，对磨矿细度有着较高要求。根据选型试验，该公司选用一台KLM-630用于铁精矿再磨，在原矿细度-200目>90%时，旋流器溢流产品细度-400目>94%，铁精矿品位由57%提高到64%。图为KLM-630立磨机在使用现场。
图7 KLM-630立磨机在使用现场
3.3 KLM-75在萤石细磨领域的应用
包钢某稀土公司利用稀土尾矿选别萤石矿，采用立磨机之前，其稀土尾矿即萤石矿细度-200目85%左右，浮选精矿品位只能达到50%。2015年，该公司选用一台KLM-75立磨机，将矿石细度提高到-400目含量90%以上，萤石矿单体解离度进一步提高，浮选精矿品位提高到90%，经济效益增加明显。图为KLM-75立磨机在使用现场。
图8 KLM-75立磨机在使用现场
4 结论
立磨机用于二段磨矿或再磨作业，与传统卧式球磨机相比占地面积小、动载荷低、振动小、噪音低，节能30%左右。同时，矿物颗粒在自身重力和离心力的作用下在研磨介质层之上进行自然分级，有效减少了过磨。
国外生产立磨机，尤其是大功率立磨机价格昂贵，国产KLM系列大型立磨机的研制成功为国内矿山难处理矿物实现充分单体解离提供了技术保证，推动了我国细粒级难选金属及非金属矿的进步，降低成本，增加收益。
参考文献：
[1]卢世杰，孙小旭.大型立式螺旋搅拌磨机应用现状[J].铜业工程, 2014，(2):38-42.
[2]卢世杰，韩登峰，周宏喜，等.立式螺旋磨矿技术在选矿中的发展与应用[J].有色金属(选矿部分), 2011，(增刊): 90-95.
[3] Anonymous. Vertical Mills Gain Size While Drives Get Simpler [J].Engineering and Mining Journal,2010(5)：56.
[4]卢世杰，周宏喜，何建成，等.KLM型立式螺旋搅拌磨机的研究与应用 [J].有色金属工程，2014，(2)：69-72.
[5]袁树礼，卢世杰，何建成，等.几种典型搅拌磨机在金属矿山的应用进展[J].矿山机械，2014，(7)：3-4.
[6]万小金，周 强. 立式搅拌超细磨矿机的研究与应用[J].云南冶金，2012，(4)：12-21,26.
[7]周宏喜，卢世杰,何建成.立磨机磨矿机理研究[J].中国矿业, 2014，(5)：146-153.
[8]何建成，卢世杰，周宏喜，等.基于ANSYS立磨机螺旋搅拌机构的分析与优化 [J].有色金属(选矿部分),2014，(3)：72-75.
[9]卢世杰，周宏喜，何建成，等.大型立式螺旋搅拌磨机研究及CFD数值模拟分析[C].2014年全国选矿新工艺、新技术、新装备集成创新交流成果会论文集，2014：3-8.
声明：
“KLM型立磨机的研制与应用” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：北京矿冶研究总院，北矿机电科技有限责任公司
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