如何选择最合适的非金属矿超细粉磨设备?

1 引言

对于非金属矿行业，突出的特点是矿产品种具有多样性，同一矿产的超细粉品种要求各不相同。同时就造成了目前的超细粉碎设备单机多，主机多，设备成套性差，制造厂家以小厂为主的局面。由于工艺的要求，超细粉碎机械各具特色，各厂家及其科研人员已经付出了很大的心血和代价，为我国的超细粉制造设备的崛起做出很大的贡献。但从根本上讲，技术力量薄弱，引进的没能力消化;消化的不透，难以吸收，无力改进;具有独立研制开发能力的厂家，更是寥寥无几。有的设备吃软不吃硬，有的产量很低，能耗很大等等。

面对上述问题，本文试图通过产品性能要求与设备选择、投资总额与设备选择、比能耗与设备选择、加工杂质的去除问题等讨论，以期妥善处理非金属矿物的超细粉加工过程中，加工设备、产品品质、成本、矿产利用率诸方面的问题。这里，产品性能对设备的选择约束是最基本的，也就是说破磨的基本原理是设备选择时要特别分析的。同时也为制造商的设备改进提供有益的借鉴。

2 超细粉产品性能要求与设备选择

众所周知，在矿物的加工过程中，超细粉产品性能与采用的加工工艺过程、使用的加工设备、制定的操作规程等密不可分。采用的工艺过程、使用的加工设备、制定的操作规程不同，便会得到不同的矿产利用率、不同的生产成本、不同的产品品质，不同的经济效益。

非金属矿产品基本上全是最终产品，虽然其加工工艺的目的，也要求将有用的非金属颗粒与其它杂质解离，但它更注意直接加工出的最终产品的品质特性。因此，应该针对具体的原矿矿物的产地、形成、组份、结构、产品要求等，慎重研究工艺过程、选择设备、制定操作规程等。对这个问题的松懈，必将导致投资不小、效益甚微、失去机会、品牌和市场。有的还是损失惨重，这一方面的实例已有不少。

根据产品品质、加工工艺参数、设备的基本工作原理，加工设备的选择原则主要有：非金属颗粒在加工机械中被破碎的方式、加工机械使用的动力源、制造加工机械使用的主要材料等。为此，简单论及几种设备的特性，以便比对。

气流磨(圆盘式、对喷式、硫化床式、⋯)的基本工作原理是利用高压气体携带被加工矿物颗粒在粉碎腔内剧烈碰撞、摩擦等达到粉碎的目的, 参见图1(a)。工作原理决定了入料粒度、物料硬度、气流速度、碰撞方式、出料粒度极限等，从而决定了破磨效率和产品品质。由于使用的破磨动力为气体，使得能量利用率大大降低。将自然状态的空气经压缩机压缩，把电能或化学能(发动机)转化为压缩气体的能量，在经过气体的杂质处理(油污、水份等)，进入粉碎腔释放能量做功，此后的气体能量无法循环利用。这些过程造成该设备能量利用率相当低。高压气体携带被加工矿物颗粒在粉碎腔内剧烈碰撞、摩擦等达到粉碎的目的，使得破碎比不可能太大，即使施加极高的气压，效果也不会明显改变。这便造成气流磨入料粒度的前期准备投入很大，污染通常在此产生。气流磨粉碎腔体积不大，可以使用价格贵的非金属材料加工而成，以便避免破碎时对物料产生污染，因此气流磨主机可以加工纯度很高的超细粉产品。气流磨对产品产生的污染来自前期工序。碰撞产生的产品粒形的球形度较差。

搅拌磨(棒、螺旋、球介、⋯)的基本工作原理是利用搅拌棒与磨削介质之间的剪切力、挤压力加工产品。研磨产生的热量极大，通常用于干法磨矿时热敏感矿物难于使用。脆性材料的抗磨能力很大，加之动力是通过搅拌棒传递给研磨介质和被磨物料，用于破磨物料的能量少，主要表现为发热。通常的搅拌磨体积较大，采用的材料多为金属，为了避免污染，必须使用非金属衬板和非金属介质，同时使得物料所经过的通道均不得和金属接触，这一点容易达到。分级时，需另加动力系统和设备。该类机型用于湿法加工效果较好，但干燥粉体所需的成本很大。加工中带入的杂质难以处理。

雷蒙磨(立磨、辊磨、盘磨、...)的基本工作原理是利用碾压作用力，参见图1(b)。无论是碾压滚的安装方式为水平布置、铅直布置、带有倾角布置等，也不管碾压滚辅助以机械或液压形式的压力来提高破碎力，都存在两个问题。一个是碾压滚与支撑盘面之间形成的咬合角度，决定了被破碎物料由摩擦力而被钳咬的入料粒度大小。超过咬合角的入料粒度，无论碾压滚施加多大的压力，不但不能破碎物料，反而会增加滚前的物料堆积波和碾压滚的跳跃造成的碎盘现象。二是随着物料的细化，碾压滚下接触面上物料颗粒的数量增加，单个物料颗粒所承受的破碎力急剧减少，大大降低了设备的加工能力。碾压滚施加过大的压力，给雷蒙磨零部件的材料选择、动力性能的合理运用和能量消耗带来难于逾越的困难。雷蒙磨(立磨、辊磨、盘磨、...)的工作系统材质选择受到工作方式的限制，剔除加工掺入的杂质成为极其困难的事情。由于难以使用大体积的非金属材料制造碾压零件，杂质混入量较大，且难以去除。分级需另加动力系统和设备。

高速冲击磨(锤式、风扇式、...)的基本工作原理是利用设备的高速冲击力击打物料，并通过反击板的二次冲击使物料破碎。用剧烈碰撞、摩擦等达到粉碎的目的，这会随着物料的细化使得破碎能力急剧降低。而且转子与定子间的间隙会因磨损而发生变化，造成破碎粒度放大。转子的速度提高有利于破碎获得更细得物料颗粒，但转子动力学问题给制造和使用带来很大的麻烦，加工硬度大的物料成为困难。冲击碰撞获得得物料球形度和流动性很差。同样，工作系统材质选择受到工作方式的限制，难以使用大体积的非金属材料制造冲击零件，剔除加工掺入的杂质成为极其困难的事情。

振动磨(立式、卧式、⋯)的基本工作原理是利用破磨介质的冲击、研磨、剪切、挤压等多种复杂的施压方式使物料破碎, 参见图1(c)。施压的大小可通过激振系统调节，物料获得的破磨几率可以通过激振频率、筒体几何尺寸、介质配比等的调节而改变。由于机器结构与强度的原因，消耗无用功的机器自重给启动功率和能量利用率带来麻烦，但合理的介质共振应用可以提高效率，确给共振工作点稳定控制带来问题。由于破磨方式多样，破磨结构的材质选择自由，给非金属矿加工带来极大的方便。可加工细粉与超细粉，对物料硬度适应性极强，而且粒型好，粒度分布均匀和可以调节。为了避免污染，使用非金属衬板和非金属介质，同时使得物料所经过的通道均不得和金属接触，这一点容易达到。分级时，需另加动力系统和设备。

通过设备基本工作原理的分析，可以获得适合超细粉产品性能要求的设备选择基调。

3. 投资总额与设备选择

1) 原料硬度，由设备的工作原理可见，原料硬度是设备选择的关键，由此造成设备的主机、辅机、基建投资、运行费诸多方面的投资。若用雷蒙磨加工超细石英粉，需要加压(液压或机械式)系统施加足够的压力是物料粉碎，压力的提高增加了设备的制造成本和运行成本，尤其是魔棍与磨盘的可靠性大大降低，加压系统的故障率增加，设备停机和维修费用急剧上升。

2) 产品粒度与粒形，产品粒度及其分布与产品粒形是非金属矿产品工业应用中最基本、最重要的指标之一，产品粒度分布虽然主要取决于分级设备，但是，破磨设备在加工期间派出的物料颗粒组分会大大制约分级效率与设备生产率，从而使得投资总额发生很大变化。粒形与破磨方式的相关性更加密切，比如：用高速冲击方式加工球形度要求高的超细粉是不可能的，因为球形度高的颗粒是需要研磨加工方式的。因此，气流磨在此方面的能力是相当弱的。低的球形度会造成超细粉体后续加工时，其物料流动性差而造成粉料混合性能低下和均匀度降低。粒度与粒形的控制是通过什么设备，是通过一段磨还是多段磨，每次破磨的破碎比十多大合理等，都极大的影响着投资总额的大小。

3) 杂质特性，杂质特性是非金属矿加工的最大忌讳和困难。处理杂质是投资总额中难以解决的问题。可以将杂质分为两种形式，一种是原生杂质，另一种是加工过程中掺入的外来杂 质。对于前者，可以采用对原矿进行精细挑选等方式尽量提高原生矿的纯度，也就是在第一道工序中，采用对原生矿进行去杂的设备，尽量将杂质排除在后续加工以外，以大大降低后续处理的成本，并获得尽量高的产品品质，从而得到高的销售收入和投资收益。对于后者，则应在设备与物料接触的所有部位，毫不放松地采取严格的隔离措施，隔离方式、设备、使用的隔离材料及其成本不是一个小数目。尤其是装载与运输设备的隔离选择，往往被忽视。

非金属矿物加工所得的产品，最致命的缺陷是杂质及去除问题，从一开始就应该引起极其高度的重视。在矿物开采中带入的杂质，为后续的分离、分拣、加工、去杂带来极高的代价，大大提升了生产成本，这一点一直没有引起加工企业的重视。粗放式的开采方法，不但极大地浪费了一次性资源，而且污染了环境，给最终产品的性能提高带来了无法补救的后患。因此，开采与运输设备的选择都应该特别注意杂质的侵入。

4) 运行成本，运行成本也经常被投资者忽视。应该根据设备的系统组成与工作原理，详细了解易损件、消耗材料、运动部件的实际情况，如：可靠性、寿命、造价、维修时间、更换方式、自动化程度、操作人员的知识要求等等，从而决定设备的选择，计算投资成本。比如：气流磨主机中喷嘴部件和洁净空气供应是要特别列出计算的，洁净气源的一次性使用给运行成本增加不少。

5) 基建成本，基建成本主要有设备的基础特性，如：开挖基础的物料特性、承载基础的施工与管理、占用面积、厂房高度与跨度、建筑材料等等。例如：气流磨的起源供应是由专用设备压缩机供给的，其基础要求成本较高。这些都应使投资者仔细考虑。

4. 能耗与设备选择

关于能耗与设备的选择问题，可以从非金属矿超细粉的成品品性和矿产利用率两方面考虑。涉及到三个方面的因素，矿物性能与破碎比、破碎方式与破碎比、破碎方式与能量利用率。确定这些问题的出发点依然是获得尽可能符合市场要求的高品质超细粉。

矿物性能与破碎比是通过分析矿物受力后的弹性变形能、塑性变形能、破碎强度与断裂强度等方面的因素综合确定的。硬度很大的原材料，若超细粉产品要求多棱体的粒形，则加工中要尽量避免研磨作业。选择可以产生适当的挤压作用与冲击作用的设备，而且经过多段破碎为好。如：粗碎带分级、细碎带分级、多级超细破碎带多次分级等。对于振动磨应选择大振幅、低频率、棒状介质、低填充量磨介、磨仓直径与长度之比要小等。

破碎方式与破碎比是从设备的工作原理来分析和粒的破碎比，使设备达到最佳工作状态，从而获得优良的能量利用率。入料粒度配比对超细粉产品的粒度区间及其成品率影响很大。当一定粒度配比的矿物进入设备加工区以后，小颗粒产生一个铺垫作用，是物料颗粒趋于均一。同等粒度尺寸的、或粒度分布较窄的矿物进入后，颗粒产生的铺垫层，大大减少了单个颗粒所承受的破碎力的作用，从而使破碎效率降低，成品粒度区间加宽。设备选择应该考虑这一方面 的能量消耗，在各级粉磨阶段均应加入分级设备。表面上看是增加了初期投入与能耗，但长期运行以后，通过提高产品品质、提高原料利用率、增加粉磨系统产量等从整体上提高了能量利用率，获得了高回报。关于这一点，在非金属矿加工行业往往未得到高度重视。

破碎方式与能量利用率涉及到粗碎、细碎、超细粉磨等环节。每一个环节都应从物料加工前的物理特性与存在状态来考虑，这是无需质疑的。但是，不同的加工方式、施力方式所能达到的破碎比，是由物料特性、物料颗粒的分布方式、物料颗粒的受力方式等决定的。在超细粉的产品性能要求与设备选型中已经表明了这一点。这里要强调的是，超细粉的加工应特别注意严格控制给料量及其给料的均匀性和连续性。湿式磨矿比干式磨矿效率高，但因烘干作业的投入大而效率低造成能耗加大，同时不容易得到松散性能好的干性粉体。因此，应根据超细粉产品的的实际使用条件采取湿法或干法作业以降低能耗。

结语：

对待实际生产中的非金属矿物超细粉磨问题，应尽量研究和采用经过合理优化过的工艺过程，由优化过的工艺过程提出和确定机械设备的性能要求，在由设备厂家提供能完全满足工艺要求的设备。这种定制的非标设备可是获得最佳的产品性能和经济效益。虽然投资成本略有增加，但总的效益是远远超出设备选型产生的结果。退一步来说，对于厂家定型的设备应该提出符合自身要求的改造要求，而不要轻易改变工艺要求以适应已经定型设备的性能。按照工艺过程优化参数,让厂家提供成套设备是最佳选择，这样可以获得最优工作状态及其高品质产品的收益，应该首先坚持这一点。

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