礦物碎磨作為選礦工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其“高能耗、低效率”一直是礦業(yè)領(lǐng)域的痛點(diǎn)問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)碎磨作業(yè)的“高效、節(jié)能、綠色”，是全球礦業(yè)共同關(guān)注的焦點(diǎn)。在此背景下，東北大學(xué)李麗匣教授團(tuán)隊(duì)對(duì)新型碎磨技術(shù)與裝備的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了系統(tǒng)性梳理，從預(yù)處理技術(shù)到高效節(jié)能碎磨設(shè)備，一系列創(chuàng)新正推動(dòng)礦物加工向低耗、智能與綠色方向發(fā)展。

預(yù)處理技術(shù)：

強(qiáng)化碎磨過(guò)程的選擇性解離效果

超臨界CO?粉碎技術(shù)：干法綠色預(yù)處理新路徑

超臨界CO?粉碎技術(shù)依托超臨界流體獨(dú)特的物理化學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)了礦石粉碎方式的創(chuàng)新突破。當(dāng)CO?處于溫度高于31.05℃、壓力超過(guò)7.38MPa的超臨界狀態(tài)時(shí)，兼具氣體的低黏度與高擴(kuò)散性以及液體的高密度特征，能夠高效滲透至礦石的微孔隙及裂紋尖端。隨后，通過(guò)快速降壓誘發(fā)瞬時(shí)氣化膨脹，在礦石內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)烈拉應(yīng)力，利用巖石抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度的力學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)選擇性破碎與礦物解離，其技術(shù)原理如圖1所示。作為一種全干法技術(shù)，該方法不僅實(shí)現(xiàn)了水資源的零消耗，還依托CO?的可循環(huán)利用特點(diǎn)，與全球碳捕獲與封存（CCS）戰(zhàn)略高度契合，可構(gòu)建綠色、閉環(huán)的生產(chǎn)系統(tǒng)。目前，該技術(shù)已在超貧磁鐵礦及其他鐵礦石的加工試驗(yàn)中得到驗(yàn)證，為干旱及缺水地區(qū)復(fù)雜脈石礦物的高效處理提供了全新的技術(shù)路徑。

圖1 CO在不同條件下的氣液界面圖例

高壓漿料沖蝕粉碎技術(shù)：無(wú)介質(zhì)選擇性解離方案

高壓漿料沖蝕粉碎技術(shù)（HPSA）基于獨(dú)特的流體動(dòng)力學(xué)機(jī)制實(shí)現(xiàn)礦物高效解離。其核心原理是利用高壓泵將礦漿加壓，經(jīng)特制噴嘴形成對(duì)噴式高速射流，使礦物顆粒在碰撞腔內(nèi)發(fā)生劇烈碰撞與剪切，促使礦物沿晶界產(chǎn)生選擇性斷裂，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)礦物的高效解離，如圖2所示。相較于傳統(tǒng)磨礦工藝，該技術(shù)無(wú)需研磨介質(zhì)，僅通過(guò)調(diào)控噴嘴流速、漿料固體濃度及循環(huán)次數(shù)等參數(shù)，即可在較粗入料粒度下實(shí)現(xiàn)高效解離。目前，HPSA技術(shù)已在鋰礦、鋅礦、鈾礦等多種礦物加工中完成試驗(yàn)驗(yàn)證，展現(xiàn)出解離效率高和運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)的綜合優(yōu)勢(shì)。

圖2 HPSA碰撞腔

微波輔助粉碎技術(shù)：介電差異驅(qū)動(dòng)的節(jié)能預(yù)處理手段

微波輔助粉碎技術(shù)以礦物介電特性差異為核心創(chuàng)新點(diǎn)，通過(guò)高功率微波實(shí)現(xiàn)選擇性加熱預(yù)處理。由于礦石中不同礦物組分的介電常數(shù)和損耗因子存在差異，高功率微波加熱過(guò)程中，礦石內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生非均勻溫度場(chǎng)，從而誘發(fā)熱應(yīng)力集中并形成微裂紋網(wǎng)絡(luò)。這種預(yù)裂作用顯著改善了后續(xù)碎磨過(guò)程的能耗與解離效率。當(dāng)前，有研究者已建立基于礦石微波敏感性的分類體系，開(kāi)發(fā)出中試規(guī)模的微波處理系統(tǒng)，并在銅礦、鎳礦加工中實(shí)現(xiàn)了磨礦能耗降低與金屬回收率提升的協(xié)同效應(yīng)，為預(yù)處理技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

高壓電脈沖粉碎技術(shù)：電性差異導(dǎo)向的粗粒解離技術(shù)

如圖3所示，高壓電脈沖粉碎技術(shù)借助礦物間的電性差異實(shí)現(xiàn)選擇性粉碎突破。該技術(shù)在液體介質(zhì)中施加高壓電脈沖，瞬時(shí)產(chǎn)生沖擊波或等離子體膨脹效應(yīng)。由于不同礦物間存在電導(dǎo)率和介電強(qiáng)度差異，放電優(yōu)先沿礦物晶界或弱結(jié)合界面擴(kuò)展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)選擇性粉碎，使有用礦物在粗粒階段即可高效解離，降低后續(xù)磨礦負(fù)荷。與傳統(tǒng)機(jī)械粉碎相比，其在能耗控制與產(chǎn)物粒度分布優(yōu)化方面優(yōu)勢(shì)顯著，目前已在銅金礦、磷灰石-霞石正長(zhǎng)巖等礦物加工中開(kāi)展試驗(yàn)，為粗粒級(jí)礦物預(yù)富集提供了極具潛力的技術(shù)方案。

圖3 高壓電脈沖設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

高效破碎設(shè)備：

突破傳統(tǒng)機(jī)制的碎磨核心升級(jí)

VeRo Liberator：湍流場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的高效沖擊破碎設(shè)備

如圖4所示，VeRo Liberator通過(guò)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新構(gòu)建高效沖擊破碎機(jī)制，其核心設(shè)計(jì)為垂直中軸系統(tǒng)配備多層級(jí)沖擊鋼錘。工作時(shí)，鋼錘以高速順時(shí)針與逆時(shí)針相對(duì)旋轉(zhuǎn)，形成高度湍流的氣固兩相流場(chǎng)，借助高效動(dòng)量傳遞，沖擊能量?jī)?yōu)先作用于礦物晶界區(qū)域。利用不同礦物間的硬度與脆性差異實(shí)現(xiàn)選擇性破碎，有效避免過(guò)粉碎問(wèn)題。設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)處理量需求調(diào)整錘擊層數(shù)與旋轉(zhuǎn)速度，具備優(yōu)異的工藝適應(yīng)性。目前，VeRo Liberator 已在南非礦山實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，在鎢-錫-鉬復(fù)合礦石及多金屬礦等復(fù)雜礦物加工中，展現(xiàn)出較粗粒度下高效解離的優(yōu)異性能。

圖4 VeRo Liberator沖擊破碎過(guò)程示意圖

共軛砧錘式破碎技術(shù)（CAHM）：復(fù)合破碎機(jī)制的節(jié)能設(shè)備

如圖5所示，共軛砧錘式破碎機(jī)融合了沖擊破碎與層壓粉碎雙重優(yōu)勢(shì)，其核心結(jié)構(gòu)由帶凹槽的外環(huán)（砧環(huán)）與裝有錘頭的內(nèi)環(huán)組成，兩者同步旋轉(zhuǎn)形成復(fù)合受力場(chǎng)，優(yōu)化了作用力傳遞路徑，使物料在復(fù)合作用力下實(shí)現(xiàn)高效破碎。原型機(jī)在Agnico Eagle中硬礦石的中試試驗(yàn)中展現(xiàn)超設(shè)計(jì)產(chǎn)能 120% 的處理能力，比能耗低于高壓輥磨機(jī)基準(zhǔn)值，且產(chǎn)品粒度分布呈現(xiàn)出“粗粒級(jí)更細(xì)、細(xì)粒級(jí)更粗”的理想特征。目前CAHM已被加拿大礦業(yè)創(chuàng)新委員會(huì)認(rèn)定為新型節(jié)能破碎設(shè)備，有望替代傳統(tǒng)高能耗破碎機(jī)及半自磨機(jī)，具有推動(dòng)破碎環(huán)節(jié)能效升級(jí)的潛力。

圖5 CAHM錘頭-砧板嚙合結(jié)構(gòu)示意圖

高壓輥磨機(jī)（HPGR）：層壓粉碎理論的工業(yè)化應(yīng)用典范

高壓輥磨機(jī)（HPGR）以層壓粉碎理論為核心，是現(xiàn)代破碎技術(shù)成熟化發(fā)展的代表裝備。如圖6所示，其核心結(jié)構(gòu)包括一對(duì)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的破碎輥（動(dòng)輥與定輥），物料進(jìn)入兩輥間隙后，動(dòng)輥在液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下施加高壓，使物料形成緊密顆粒床。物料在擠壓與剪切應(yīng)力的共同作用下發(fā)生選擇性破碎。自1977年問(wèn)世以來(lái)，HPGR應(yīng)用范圍從水泥行業(yè)逐步拓展至鐵礦石、金伯利巖、金礦等高硬度礦石。當(dāng)前，HPGR已從單一設(shè)備應(yīng)用邁向流程化與系統(tǒng)化階段，與塔磨機(jī)、攪拌磨機(jī)等設(shè)備協(xié)同組合流程的工藝已實(shí)現(xiàn)工業(yè)驗(yàn)證，在銅-鉬-金礦、含鉑族元素（PGE）的鉻鐵礦加工中，展現(xiàn)出能耗降低、介質(zhì)消耗減少、分選效果優(yōu)化的綜合價(jià)值。

圖6 高壓輥磨機(jī)示意圖

旋回輥式破碎機(jī)（GRolls）：多力協(xié)同的新型破碎技術(shù)

如圖7所示，旋回輥式破碎機(jī)（GRolls）通過(guò)輥系結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，引入“V”形主旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)輥與對(duì)置回轉(zhuǎn)輥嚙合的核心設(shè)計(jì)，主輥提供基礎(chǔ)破碎動(dòng)力，回轉(zhuǎn)輥的偏心運(yùn)動(dòng)則產(chǎn)生高頻脈沖力，兩者協(xié)同形成“脈沖-剪切”復(fù)合作用場(chǎng)。該機(jī)制可同時(shí)觸發(fā)沖擊破碎、顆粒間壓縮、誘導(dǎo)拉伸斷裂及顆粒剪切等多重效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)物料高效破碎。目前，GRolls已完成實(shí)驗(yàn)室性能驗(yàn)證并進(jìn)入中試階段，為碎磨系統(tǒng)節(jié)能降耗提供了新的技術(shù)路徑。

圖7 GRolls輥系結(jié)構(gòu)示意圖

EDS多軸破碎設(shè)備：高頻碰撞驅(qū)動(dòng)的低耗破碎方案

如圖8所示，EDS多軸破碎設(shè)備以多軸沖擊結(jié)構(gòu)為核心，通過(guò)多組水平旋轉(zhuǎn)軸與拋料裝置構(gòu)建復(fù)合高速?zèng)_擊系統(tǒng)。該系統(tǒng)依托高頻、多方向碰撞實(shí)現(xiàn)物料高效低耗破碎。針對(duì)UG2礦石的中試結(jié)果顯示，該設(shè)備具有破碎比大、單位能耗低的突出優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)品粒度分布合理—粗粒級(jí)占比減少而細(xì)粒級(jí)不過(guò)度生成，兼具節(jié)能降耗與產(chǎn)物質(zhì)量控制的雙重優(yōu)勢(shì)。EDS技術(shù)為礦物破碎環(huán)節(jié)突破高耗瓶頸、提升經(jīng)濟(jì)性提供了可靠的工程化方向。

圖8 EDS 多軸破碎設(shè)備、工作原理和破碎設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

新型磨礦設(shè)備：

結(jié)構(gòu)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)應(yīng)用邊界拓展

• 立式輥磨機(jī)（VRM）：集成化粉磨的能效升級(jí)設(shè)備

立式輥磨機(jī)（VRM）作為集粉磨與分級(jí)于一體的集成化技術(shù)裝備，可以顯著優(yōu)化磨礦流程（圖9）。其工作機(jī)制遵循“精準(zhǔn)粉磨+高效分級(jí)”原則：物料經(jīng)中央入口進(jìn)入旋轉(zhuǎn)磨盤(pán)，在離心力作用下向外運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入磨輥與磨盤(pán)之間的粉磨區(qū)，通過(guò)擠壓與剪切實(shí)現(xiàn)高效粉磨；粉磨后的物料隨氣流進(jìn)入分級(jí)區(qū)，細(xì)顆粒作為合格產(chǎn)品被分離收集，粗顆粒返回磨盤(pán)循環(huán)粉磨。VRM最初應(yīng)用于水泥原料制備，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于黃銅礦、磁鐵礦等金屬礦物加工領(lǐng)域，展現(xiàn)出高解離效率、低能耗與較低設(shè)備磨損的優(yōu)勢(shì)，為解決傳統(tǒng)磨礦能耗高的問(wèn)題提供了可行的節(jié)能解決方案。

圖9 Loesche立式輥磨機(jī)示意圖

• 立式攪拌磨機(jī)（HIG mill）：寬粒度適配的磨礦創(chuàng)新設(shè)備

立式攪拌磨機(jī)憑借核心結(jié)構(gòu)革新，突破傳統(tǒng)攪拌磨機(jī)的應(yīng)用局限，形成HIG mill 與 VPM?兩大產(chǎn)品系列，覆蓋細(xì)磨、超細(xì)磨與粗磨領(lǐng)域，其工作原理如圖10所示。其中，HIG mill針對(duì)細(xì)磨與超細(xì)磨需求設(shè)計(jì)，采用分置式進(jìn)出料布局，定子環(huán)與旋轉(zhuǎn)研磨轉(zhuǎn)子共同構(gòu)成多級(jí)研磨區(qū)，驅(qū)動(dòng)礦漿形成活塞流運(yùn)動(dòng)，消除短路與死區(qū)效應(yīng)，離心分區(qū)作用使粗細(xì)顆粒分區(qū)研磨，減少過(guò)磨并提升能量利用率。目前，HIG mill研磨腔容積已達(dá)50000 L，驅(qū)動(dòng)功率最高7150 kW，是行業(yè)內(nèi)首個(gè)安裝功率超 6500 kW 的細(xì)磨設(shè)備，滿足大規(guī)模連續(xù)細(xì)磨需求。聚焦粗粒級(jí)物料磨礦需求，在HIG Mill基礎(chǔ)上，通過(guò)增大研磨轉(zhuǎn)子、襯板與定子環(huán)間距，構(gòu)建寬體腔室結(jié)構(gòu)，形成適用于粗磨應(yīng)用領(lǐng)域的VPM?。目前，首臺(tái)大型工業(yè)VPM?磨機(jī)已啟動(dòng)調(diào)試，為粗磨工藝與HPGR等節(jié)能設(shè)備的組合應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

圖10 立式攪拌磨機(jī)工作原理圖

碎磨技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)：

從單點(diǎn)創(chuàng)新邁向系統(tǒng)優(yōu)化

當(dāng)前新型碎磨技術(shù)在節(jié)能降耗與礦物解離優(yōu)化方面已取得顯著進(jìn)展，但面對(duì)低品位、復(fù)雜嵌布礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)需求，仍需突破技術(shù)成熟度與流程協(xié)同等瓶頸。未來(lái)，碎磨技術(shù)將朝著定制化、耦合化與系統(tǒng)化方向發(fā)展：

? 定制化流程設(shè)計(jì)：基于“數(shù)字礦石”模型庫(kù)，構(gòu)建礦石特性—工藝參數(shù)匹配體系，實(shí)現(xiàn)碎磨過(guò)程定制化設(shè)計(jì)；

? 工藝深度耦合：推動(dòng)“粉碎-分選”一體化優(yōu)化，如在破碎回路中引入粗粒浮選以降低無(wú)效能耗；

? 多維度效益評(píng)價(jià)：建立涵蓋能耗、成本、回收率與環(huán)境影響的全生命周期評(píng)價(jià)體系，為設(shè)備選型與流程優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

本文成果來(lái)源

李麗匣,李楠,劉飛飛,等.新型碎磨技術(shù)與裝備的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J/OL].金屬礦山,1-20.

作者簡(jiǎn)介

李麗匣

東北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師

主要從事復(fù)雜難選金屬礦選礦理論及技術(shù)、選礦廠設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的教學(xué)研究工作。加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)訪問(wèn)學(xué)者，冶金礦山行業(yè)專家委員會(huì)委員、國(guó)際礦物加工論壇 (土耳其)專家委員會(huì)委員。兼任遼寧省礦石高效碎磨工程中心主任、遼寧省磁選設(shè)備專業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心主任、《金屬礦山》編委、《International Journal of Mining Science and Technology》青年編委、《Minerals》特刊“Recent Advances in Ore Comminution”主編。

主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目4項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目子課題3項(xiàng)、省部級(jí)項(xiàng)目12項(xiàng)、企業(yè)委托項(xiàng)目41項(xiàng)，授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利21項(xiàng)、美國(guó)專利1項(xiàng)、軟件著作權(quán)4項(xiàng)。4項(xiàng)科技成果達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，8項(xiàng)科技成果獲得省部級(jí)科技進(jìn)步一等/二等獎(jiǎng)。出版學(xué)術(shù)專著6部、發(fā)表SCI檢索論文81篇，中文核心期刊論文49篇。與加拿大、美國(guó)、巴西、土耳其、蒙古國(guó)等國(guó)著名礦業(yè)高校及研究機(jī)構(gòu)具有長(zhǎng)期穩(wěn)定的合作關(guān)系，在國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上作大會(huì)邀請(qǐng)報(bào)告4次、分會(huì)場(chǎng)報(bào)告8次，擔(dān)任分會(huì)場(chǎng)主席8次。

《金屬礦山》簡(jiǎn)介

《金屬礦山》由中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國(guó)金屬學(xué)會(huì)主辦，主編為中國(guó)工程院王運(yùn)敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊（中國(guó)科技核心期刊）、中國(guó)精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來(lái)源期刊）、中國(guó)百?gòu)?qiáng)報(bào)刊、RCCSE中國(guó)核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國(guó)期刊方陣雙百期刊、國(guó)家百種重點(diǎn)期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國(guó)化學(xué)文摘（CA）、美國(guó)劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫(kù)收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機(jī)電與自動(dòng)化、安全環(huán)保、礦山測(cè)量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價(jià)值或工程推廣價(jià)值的研究成果，優(yōu)先報(bào)道受到國(guó)家重大科研項(xiàng)目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國(guó)科技信息研究所發(fā)布的《2024中國(guó)科技期刊引證報(bào)告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國(guó)知網(wǎng)發(fā)布的《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊影響因子年報(bào)》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

供稿：楊 婷

編排：余思晨

審核：王小兵

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