GJM型石墨用搅拌磨机的研制与应用.pdf

2 0 1 9 年第2 期 有色金属 选矿部分 7 1 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 9 4 9 2 ．2 0 1 9 ．0 2 ．0 1 4 G J M 型石墨用搅拌磨机的研制与应用 周宏喜，何建成，孙小旭，姚建超 北矿机电科技有限责任公司，北京1 0 0 1 6 0 摘要介绍了G J M 型搅拌磨机基本结构和工作原理，分析了设计中的主要因素，如搅拌装置、槽体结构和耐磨材料等； 针对大鳞片石墨的特性开发了G J M 型石墨专用搅拌磨机，着重介绍其在国内外石墨选厂的工业应用情况。结果表明，G J M 型石墨用搅拌磨机可显著提高石墨产品的质量等级，为生产企业创造了巨大经济效益。 关键词G J M ；石墨；搅拌磨机；擦洗；C F D 中图分类号T D 4 5 3 ．9文献标志码A文章编号16 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 9 0 2 0 0 7 10 5 D e v e l o p m e n ta n dA p p l i c a t i o no fG J MG r a p h i t eS p e c i a lA g i t a t i n gM i Z H O UH o n g x i ，H EJi a n c h e n g ，S U NX i a o x u ，y A 0Ji a n c h a o B G R I M MM a c h i n e r y A u t o m a t i o nT e c h n o l o g yC o ．，L t d ．，B e i j i n g 】0 0 1 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cs t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fG J Mt y p ea g i t a t i n gm i l l ， a n a l y z e st h em a i nd e s i g nf a c t o r s ，s u c ha sa g i t a t i n gd e v i c e ，t a n k s t r u c t u r ea n dw e a r r e s i s t a n tm a t e r i a l ； a c c o r d i n gt Ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a r g ef l a k eg r a p h i t eB G R I M Md e v e l o p e dG J Mt y p eg r a p h i t es p e c i a l a g i t a t i n gm i l l ，a n dt h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o n i nd o m e s t i ca n da b r o a dg r a p h i t ep l a n ti se m p h a t i c a l l y i n t r o d u c e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tG jMt y p eg r a p h i t es p e c i a la g i t a t i n gm i l lc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h e q u a l i t yl e v e lo fg r a p h i t ep r o d u c t s ，c r e a t eh u g ee c o n o m i cb e n e f i t sf o rt h ep r o d u c t i o ne n t e r p r i s e ． K e yw o r d s G J M ；g r a p h i t e ；a g i t a t i n gm i l l ；s c r u b ；C F D 北京矿冶科技集团北矿机电科技有限责任公司 在2 0 世纪9 0 年代成功研制G J M 型叶轮式搅拌磨 机] ，其结构简单、能量利用率高、细磨效率高、产品 粒级分布窄，广泛应用于高岭土、云母、滑石等非金 属矿物的超细磨中。 石墨具有优良的耐高温性、导电、导热及润滑性 能，广泛应用于国防、冶金、机械等重要领域。我国 是世界上石墨资源储量最丰富的国家之一，已探明 矿石储量约为2 0 亿t 以上，占世界石墨储量的7 2 ％ 左右[ 2 _ 3 ] 。近些年由于新能源汽车的快速发展和推 广，动力电池行业得到迅猛发展，作为电池负极材料 的石墨需求量急剧增加，尤其是大鳞片石墨的商业 价值更大。针对石墨片状结构的特点，北矿机电对 传统的G J M 型叶轮式搅拌磨机的关键结构进行改 进设计，开发了G J M 型石墨专用搅拌磨机。 1 G J M 型搅拌磨机基本结构和工作 原理 最初研制的G J M 型双叶轮式搅拌磨机为单槽 体结构 如图1 所示 ，主要包括电机、减速机、槽体、 搅拌装置等，其中搅拌装置是直接作用于介质和矿 物的核心部件，而槽体不仅是整个设备的支撑机构， 其结构形式和参数也直接影响内部介质与矿浆的运 动状态，设有人观察孑L 、给料口、排料口及卸球口等 附属装置。除此之外，各种规格的磨机槽体底部均 设有冲洗水和压缩空气人口，疏松磨矿介质和矿物， 降低启动阻力。单槽搅拌磨通常从底部给矿，一般 为高位自流给矿或者通过渣浆泵压力给矿，以克服 槽体中磨矿介质和矿浆产生的阻力。 收稿日期2 0 1 8 - 0 90 5 修回日期2 0 1 9 - 0 20 9 作者简介周宏喜 1 9 8 5 一 ，男，河南光山人，硕士，高级工程师，从事细磨技术与装备研究。 万方数据 7 2 有色金属 选矿部分2 0 1 9 年第2 期 2 图1G J M 型单槽搅拌磨机 F i g ．1S i n g l eb o d yG J Ma g i t a t i n gm i l l 1 一主电机；2 一减速机；3 一检修孔；4 一槽体； 5 一搅拌装置；6 一给料／卸球口；7 一排料口 为了改善底部给矿的工作难度，开发了双槽体 搅拌磨机，如图2 所示，其基本结构与单槽类似，但 给矿方式为顶部给矿，运行过程中无需压力给矿，大 大降低了附属装置配置要求。 图2G J M 型双槽搅拌磨机 F i g ．2 D u a lb o d yG J Ma g i t a t i n gm i l l 1 一主电机；2 一减速机；3 一搅拌装置；4 一排料筛；5 一排料口； 6 一冲洗水口／高压空气人口；7 一卸球口；8 一槽体； 9 一检修孔；1 0 一给料口 1 ．1 搅拌装置 搅拌装置是影响研磨介质和矿浆运动状态的核 心部件，常见的搅拌器的形状有盘式、棒式、螺旋式 和叶轮式等，根据不同搅拌器的功能特点和矿物细 磨、超细磨以及擦洗需求，G J M 型搅拌磨机采用的 是上下叶轮作用方向相反的双叶轮式搅拌结构，基 于C F D 技术的矿浆运动状态仿真效果如图3 所示。 鲞主鐾 冀一喾 a 速度等值图 攀 麓 图3C F D 模拟仿真结果 F i g ．3C F DS i m u l a t i o nr e s u l t s 图3 a 为中心截面的速度等值图，其疏密表示流 场速度变化梯度，分布越稠密表示速度梯度越大，分 布越稀疏表示速度梯度越小，由仿真结果可知流场 梯度分布很不均匀，在搅拌器上叶轮下表面、下叶轮 上表面的周围狭窄区域内速度梯度相对较大，而其 余区域梯度相对较小，顶部区域梯度基本没有；图 3 b 为纵截面的速度矢量图，结果表明搅拌器附近尤 其是靠近侧壁的位置形成漩涡，说明该区域物料对 侧壁有很强的撞击和摩擦作用，表明搅拌器上下两 侧附近以及搅拌器外侧与筒壁问的区域是双叶轮搅 拌磨机中高效磨矿、擦洗区。 搅拌磨机确定叶轮结构后，叶轮直径D 是影响 搅拌性能最主要的参数之一，叶轮直径按公式 1 计算‘引 D 式中Q 为叶轮排量，m 3 ／s ；d 。／D 为轮毂比，取 值范围0 ．3 ～0 ．6 ；C m 为轴面流速，m ／s ；C 。 o ．0 6 ～0 ．0 8 3 ／国2 ，咒为叶轮转速，r ／m i n ；铂为 容积效率，一般为0 ．9 ～o ．9 5 。 叶轮直径确定之后，搅拌轴功率P 计算公式 2 如下 P N p p n 3 D 5 2 式中N ，为搅拌功率准数；I D 为液体密度， k g ／m 3 ；咒为叶轮转速，r ／m i n ；D 为叶轮直径，m 。 针对石墨大鳞片的物理特性，开发了G J M 型石 墨专用搅拌磨机，其搅拌装置的技术特点是 1 改变叶轮的螺径比、增加盘面比 促进矿浆、介质在内部运动和交换，有助于大片 石墨上浮，强化了搅拌装置的擦洗作用，降低了大鳞 片石墨的损失率。 万方数据 2 0 1 9 年第2 期周宏喜等G J M 型石墨用搅拌磨机的研制与应用 7 3 2 降低搅拌器的圆周速度 通过适当降低搅拌器的圆周速度减少物料和介 质问碰撞概率，降低研磨强度，保护大鳞片。 1 ．2 槽体 槽体的结构直接影响内部介质和矿浆的运动状 态，其横断面形状和高径比是影响内部流场状态的 两个关键参数。槽体横断面形状对内部料浆、研磨 介质的运动状态影响较大，进而影响研磨效率，在再 磨和细磨作业中希望槽体内尽可能处于紊流状态。 典型槽体截面形状有圆形、四边形、六边形、／＼边形 等，鉴于圆形横断面内紊流作用较弱，多边形槽体内 紊流作用虽较强但制造成本较高，故G J M 双叶轮式 搅拌磨机的槽体横断面形式设计为四边形。 根据物料细磨需求，通过大量的实验室试验和 仿真分析，确定G J M 双叶轮式搅拌磨机的高径比范 围是 1 ．2 ～1 ．7 1E 1 | 。 针对石墨大鳞片的物料特性，G J M 型石墨专用 搅拌磨机的槽体具有以下特点 1 适当弱化槽内紊流状态 G J M 型石墨专用搅拌磨机需要强化擦洗作用， 降低研磨效果，槽体截面形状总体上仍是四边形，通 过在槽体四边直角处增设过渡板可适当弱化槽内的 紊流作用。 2 降低高径比 为了使擦洗后的大片石墨及时排出，可缩短石墨在 槽体中的运动路径，减小石墨在槽内的驻留时间，适当降 低槽体的高径比至 1 ～1 ．4 1 。 3 增大排料装置的开口率 传统G J M 型搅拌磨机的搅拌作用强，介质在槽 内提升高度大，为了避免介质随同浆料溢出，排料装 置的筛条缝隙小，筛面开口率低。而石墨专用擦洗 机的搅拌强度弱，介质提升高度小，而且石墨呈现片 状结构，G J M 型石墨专用擦洗机增加了排料装置筛 面筛条缝隙，增加开口率，增大石墨的流通面积，提 高石墨的通过速率，促进大片石墨及时排出。 4 增加双槽隔板流通面积 对于双槽结构的G J M 型石墨专用擦洗机，通过 增大相邻槽体间隔板的流通面积，促进大片石墨快 速通过，减少在前一槽体内的停留时间，降低大片的 损失概率。 1 ．3 耐磨材料 采用耐磨材料可提高零部件的抗磨损能力，延 长使用寿命，同时防止其它材料对矿物的污染，耐磨 材料的选择一般需考虑如下几个方面[ 1 ] 1 耐磨性能好，使用寿命长。 2 硬度适中，具有较好的附着性、再加工性。 3 热稳定性好且化学性质稳定，在浆料温度升 高时或含有酸碱化学试剂时不变形、不发生化学 反应。 4 根据不同区域和位置选用不同材质或厚度的 耐磨材料，使耐磨材料寿命相近。 2G J M 型搅拌磨机在石墨矿中的 应用 石墨具有良好的天然可浮性，目前普遍采用的 是多擦多选的工艺，原矿经粗、扫选后获得粗精矿， 粗精矿一般经6 ～1 2 次擦洗再选得到最终产品[ s _ 6 ] ， 有效保护了大鳞片石墨，并在工业应用中取得了良 好效果，国内石墨矿常规流程如图4 所示。 2 ．1 莫桑比克某石墨矿选厂 莫桑比克拥有比较丰富的鳞片石墨储量，而其 境内的巴拉马石墨矿已被证实是全球最大的石墨矿 藏。2 0 1 6 年该矿新建一条生产线，原矿处理量 50 0 0t ／d ，原矿品位2 0 ％。主要工艺流程为原矿碎 磨后进入1 次粗选作业，粗精矿再经过2 次再磨2 次精选后得到最终精矿，品位达9 5 ％。2 0 1 7 年选厂 进行改造，采购北矿机电研制的G J M l 0 1 8 0 、 G J M l 5 - 2 6 4 、G J M 3 0 3 7 0 搅拌磨机各1 台套，用于石 墨矿擦洗和再磨作业 图5 。2 0 1 8 年将精矿用 1 5 0 肛m 筛子筛分，其中 1 5 0 肛m 石墨经过1 次擦洗 和1 次精选得到精矿，品位可达9 7 ％～9 8 ％； 一1 5 0 扯m 石墨经过2 次再磨和2 次精选后得到精 矿，品位可达9 7 ％～9 8 ％。 2 ．2 鸡西某石墨矿选厂 鸡西某石墨矿选厂现有生产线两条，总处理原 矿量42 0 0t ／d ，原矿品位4 ％左右，自2 0 1 1 年以来 陆续使用北矿机电近2 0 台套G J M 型石墨专用搅拌 磨机，用于石墨精矿再磨擦洗作业，替代原球磨设 备，现场在用的擦洗机有G J M 5 5 5 、G J M l 0 1 1 0 两 种。与原流程相比有效地提升了石墨精矿品位，从 8 5 ％提升至9 6 ％以上；有效地降低了设备及选厂能 耗，与原流程相比功耗整体降低2 5 ％左右；有效提升 了精矿中大鳞片 1 5 0g m 石墨产率，较球磨机提 升5 ％以上。G J M 石墨专用搅拌磨机在该厂投人使 用后有效地提高了该厂精矿产品质量等级，尤其是 大鳞片石墨产率得到大幅提升 图6 。 万方数据 7 4 有色金属 选矿部分2 0 1 9 年第2 期 原矿 精矿 图4 石墨矿典型擦洗选矿流程 F i g ．4T y p i c a ls c r u ba n df l o t a t i o np r o c e s si ng r a p h i t em i n e 图5G J M 型双槽搅拌磨机用于莫桑比克石墨矿 F i g ．5 D u a lb o d yG J Ma g i t a t i n gm i l li ng r a p h i t em i n ei nM o z a m b i q u e 图6G J M 5 单槽搅拌磨机用于鸡西某石墨矿 F i g ．6G J M5s i n g l eb o d ya g i t a t i n gm i l li ng r a p h i t em i n ei nJ i x i 万方数据 2 0 1 9 年第2 期周宏喜等G J M 型石墨用搅拌磨机的研制与应用 7 5 2 ．3 甘肃某石墨矿选厂 甘肃某石墨矿选厂用8 台G J M 7 ．5 单槽搅拌磨 机和6 台G J M 5 单槽搅拌磨机，原矿处理量 20 0 0t ／d ，品位约为6 ％～8 ％，原矿经2 段破碎1 段 球磨后进入粗选作业，粗精矿经过8 段擦洗1 0 次精 选，最终精矿品位达到9 4 ％～9 6 ％ 图7 。 图7G J M 5 ／7 ．5 单槽搅拌磨机用于甘肃某石墨矿 F i g ．7 G JM5 ／7 ．5s i n g l eb o d ya g i t a t i n gm i l li n g r a p h i t em i n ei nG a n s u 3结论 1 G J M 石墨专用搅拌磨机具有变螺径比、大盘 面比的螺旋叶片，强化了擦洗作用，实现大鳞片石墨 保护与再磨解离平衡，有效保护了大鳞片石墨。 2 在石墨精矿的再磨、擦洗工艺流程，G J M 石 墨专用搅拌磨机替代原有卧式球磨机，将石墨精矿 品位提升1 0 个百分点，大鳞片石墨产率提升5 ％，能 耗节约2 5 ％。 3 G J M 石墨专用搅拌磨机广泛应用于国内外 的石墨选矿厂，可显著提高石墨产品的质量等级，为 生产企业创造了巨大经济效益，具有良好的经济效 益和社会效益。 参考文献 [ 1 ] 吴建明．G J 5 X 2 双槽剥片机及其在高岭土剥片中的 应用口] ．中国粉体技术，2 0 0 3 ，9 2 4 1 4 3 ． [ 2 ] 中国市场网．中国石墨行业发展现状分析与市场前景预 测报告 2 0 1 5 2 0 2 1 年 [ R ] ．2 0 1 5 ． [ 3 ] 刘之能．典型石墨再磨设备的应用进展[ J ] ．现代矿业， 2 0 1 5 ，3 1 6 1 7 3 - 1 7 S ． [ 4 3 孙小旭，杨俊平，周宏喜．G J 5 X 2 大型双槽高强度搅拌磨 机在云母剥片中的应用[ J ] ．有色金属 选矿部分 ， 2 0 1 4 2 7 0 7 2 ，8 1 ． [ 5 3 劳德平，申士富，李崇德，等．鳞片石墨矿阶段磨浮一预 先分目工艺流程研究[ J ] ．中国非金属矿工业导刊， 2 0 1 4 6 3 23 5 ． E 6 3 何建成，孙小旭，姚建超，等．石墨高效再磨擦洗技术及 工业试验研究[ J ] ，有色金属 选矿部分 ，2 0 1 8 3 8 4 ～8 7 ． 万方数据