导读
随着国内外矿业市场对大型磨机需求的增加和国内研发设计水平的提高,国产大型矿用磨机的大型化趋势成为必然。文章从资源开采、建设投资、节能降耗、理论水平、设计水平和制造能力等方面分析了磨机大型化的原因,同时论述了磨机大型化所带来的好处;展望国产大型和超大型矿用磨机的发展趋势,并提出了发展目标。
中信重工生产的Φ8.8m×4.8 m半自麿机
改革开放初期，我国矿业亟待发展。20 世纪 80年代国产磨机制造水平仍然很低，国家标准中最大规格的球磨机为 φ3.6 m，φ4.57 m 球磨机还需进口。20 世纪 80 年代末，我国出口澳大利亚 1 台 φ4.0 m×6.0 m 球磨机，是当时国内生产的最大规格球磨机。20 世纪 90 年代初期，洛阳矿山机械厂 (中信重工的前身) 与国外公司合作，为江铜德兴铜矿大山选厂提供了 4 台 φ5.5 m×8.5 m 球磨机。同期，我国成功中标巴基斯坦山达克铜金矿项目，这是我国在国外总承包的第 1 个大型矿山建设项目，于 1991 年底开工，其中 3 台 φ5.03 m×6.40 m 球磨机由洛阳矿山机械厂设计制造，但当时仍处于有条件的自主研发阶段。
1 矿用磨机大型化的趋势
进入 21 世纪，随着国内外矿业市场需求猛增和国内设计研发水平的不断提高，以及重型装备制造业的迅速发展，国内矿业领域的各大设计研究院坚持自主创新，以中信重工为代表的磨矿设备制造厂家极大地推动了我国磨矿设备的发展。自 2003 年至今，中信重工实现了跨越式发展，研发出具有完全自主知识产权的矿用磨机，设计制造水平均已达到了国际先进水平，中信重工制造的部分大型矿用磨机如表 1 所列。
表 1 中信重工制造的部分大型矿用磨机Tab. 1 Partial large-scale m ine-used m ills m ade by CITICHIC
国内相关资料将 φ6 m 以上的自磨机/半自磨机和 φ4 m 以上的球磨机称为大型矿用磨机。目前，国内最大的半自磨机直径已达到了 11.0 m，球磨机直径达到了 7.9 m。对于特大型矿用磨机，尚没有明确的界定，笔者认为自磨机/半自磨机 φ9 m 以上、球磨机 φ6 m 以上、装机功率在 6 000 kW 以上、单机处理能力在 1.5 万 t/d 以上的矿用磨机，均可称为特大型矿用磨机。
随着能源开采费用的增长和矿山品位的下降，降低建设投资和生产费用是世界各矿山面临的一个重要课题，大型高效磨矿设备已成为近代选矿厂建设中的主流设备，环形电动机的出现使得限制磨机规格的因素越来越少。目前，世界最大的自磨机/半自磨机直径达到了 12.8 m，球磨机直径达到了 8.53 m。
截止到 2012 年，世界上各种类型的最大磨机如表 2 所列，有的正在安装，有的已经投入运行。半自磨机和自磨机的装机功率均达到 28 MW，规格分别为 φ12.8 m×7.62 m 和 φ12.2 m×11.0 m；球磨机的装机功率已达到 22 MW，规格为 φ8.53 m×13.6 m。笔者认为，未来半自磨机的装机功率可达到 36 MW，直径也将达到 13.4 m 或 13.7 m；球磨机的装机功率也将达到 25～30 MW，直径达到 9 m 以上。
2 矿用磨机大型化的原因
矿用磨机大型化的主要原因可以从资源开采、建设投资、节能降耗、理论水平、设计水平和制造能力等方面进行阐述。
2.1 资源开采
(1) 经过多年开发，矿产资源贫化现象越来越严重。以铜矿为例，早期经济品位约为 0.8%，目前约为 0.4%～0.5%，甚至更低。目前全球选矿品位在逐年下降，过去国外铁矿山多为富矿，而目前多为贫矿。近几年我国在国外投资开发的矿产项目也多为贫矿。
(2) 多金属杂矿越来越多，为了提高经济效益，大型化的磨矿设备是首选。
(3) 矿产资源的嵌布粒度越来越细，要求的单位产量磨矿能耗越来越大，为了简化系统，设备大型化是必然趋势。
2.2 建设投资
磨机大型化可以节省初期投资，给用户带来直接利益。矿产资源开发商为了取得规模效益，要求设备大型化。
以 φ7.32 m×9.60 m 球磨机为例，该磨机装机功率达 10 000 kW，相当于 8 台 φ3.6 m×6.0 m 球磨机，然而其建筑面积仅为后者的 40%，大大减少了厂房建筑面积，降低了厂房建筑投资。其次，随磨机配套的自动化设施投资也节省 50%，且由于磨机数量的减少，较容易实现自动化。
粉磨设备大型化还可以优化工艺流程，推动整个选厂设备的技术进步。如采用大型半自磨系统，可避免采用多段多系列破碎系统，简化设备流程，降低劳动力成本和运行成本。
表 2 截至 2012 年世界最大的矿用自磨机/半自磨机和球磨机Tab. 2 The biggest m ine-used AG/SAG m ill and ball m ill up to 2012
据国外资料统计，粉磨设备大型化大大减少了厂房的建筑面积，按照球磨机单位装机功率、使用面积计算，可以节约建筑面积 50%～75%；减少钢材的使用，按照球磨机单位装机功率计算，可以节约钢材22%～35%，节约衬板装入量 15%～41%。如果衬板的报废厚度执行相同标准，则小型球磨机的报废率是大型球磨机的 0.4～1.7 倍。综上分析，设备大型化节省经营成本约 20%，节省初期投资约 40%。
2.3 节能降耗
粉磨设备是整个矿物处理系统中的关键环节，也是能耗较多的环节。选矿生产中，磨矿作业设备投资、生产费用、电能消耗和钢材消耗所占比例最大。通常，设备费占 60%，生产费占 40%～60%，电能消耗占 50%～65%，钢材消耗占 50%。据统计，世界能源 10% 以上消耗在碎矿和磨矿中。一个典型的粉碎成本分析显示，爆破仅占总成本的 1%，粗碎占 2%，细碎占 20%，而磨碎占 77%。
据国外媒体报道，φ6.7 m 以上大型球磨机与小规格磨机相比，单位处理能力电耗可降低 22.7%，球耗降低 14%，耐磨材料单耗降低 33%；因此，磨矿设备的大型化是选矿厂节能降耗的要求。
2.4 理论水平
(1) 从磨机大型化的基本关系分析，磨机的容积V、设备总质量 G 均与磨机直径 D2成正比，即
磨机的支取功率 P 与磨机直径 D2.5成正比，处理能力 Q 与功率 P 成正比；因此，Q 也与磨机直径 D2.5成正比，即
式 (2) 除以式 (1) 可得，磨机单位容积、单位设备质量、支取功率和处理能力，均与磨机直径 D0.5成正比，即
随着磨机直径 D 增加，这些参数值均相应增加，它们之间的关系如表 3 和图 1 所示。
表 3 磨机各参数与磨机直径的关系Tab. 3 Relationship between various parameters and m ill diameter
由式 (3) 可知，与中小型磨机相比，相同总容积和设备总质量，大型磨机具有更大的总支取功率和总处理能力；反之，相同总支取功率和总处理能力，大型磨机需要较小的总容积和设备总质量。这是磨机大型化可以减少设备总质量、降低投资、节约能耗的理论依据。
图 1 磨机直径与单位比值的关系Fig. 1 Relationship between m ill diam eter and ratio
(2) 从磨机选型的实例看，20 世纪 80 年代美国曾对某选厂做过评估，系统处理能力为 453.6 t/h，总功率为 4 476 kW，各方案对比如表 4 所列。
表 4 国外某选矿厂投资方案的对比Tab. 4 Contrast of investment schemes in a foreign concentrator
选矿厂的总投资包括磨机设备费、基础和安装运输费。表 4 中为较早的评估，如今矿用磨机规格不断增大，磨机大型化的优点将更为突出。
2.5 设计水平
(1) 对大型磨机的核心技术进行研究，自主开发相应的计算软件，如磨矿工艺流程的研究与模拟、磨机规格的选择和电动机功率的计算、磨机最佳传动形式的选择、磨机和基础系统的模态分析、传动系统的扭振分析、开式齿轮的强度计算、磨机关键件有限元分析、大型铸件计算机模拟和质量控制、高强度螺栓的强度计算、主轴承形式的选择和参数计算、主轴承油膜有限元分析、进出料装置 (给料小车和出料筒筛)的研究、衬板材料的研究及几何形状的计算机模拟等。
作为磨机核心技术之首，磨矿工艺流程的研究与模拟、磨机规格的选择和电动机功率的计算均需对磨机的实际运转状态建立合适的数学模型。1961 年，邦德利用工业数据和实验室数据建立了 1 个球磨机半经验公式，至今已有半个多世纪，仍被世界广泛应用，实践证明该公式适用于直径小于等于 5 m 的球磨机。其他许多公式都有其相应的数学模型，被世界上许多公司应用，但由于模型与实际差别较大，计算结果往往偏大。1993 年，澳大利亚 Stephen M orrell 博士发表建立在试验基础上的数学模型，指出物料和钢球在磨机中运动呈腰花形，而不是以往的半月形；其偏转角是转速和充填率的函数，而不是假定值；考虑动能、势能及矿浆的影响；考虑磨机空载的功耗；与世界上 82 台磨机 (功率 10～10 000 kW) 的工业数据对比，平方根误差 σ = 5%，置信度 95% 时误差仅为±10%。
(2) 选择最佳的磨机传动对项目的经济状况和工厂的成功运行非常重要，合理地选择磨机的驱动系统对降低电耗意义重大。以前受齿轮加工技术的制约，催生了大功率无齿轮传动技术 (GMD)，它具有不受功率限制、传动系统简单、效率较高等特点。从操作和维护观点来看，其机械结构相对简单，可以节省空间、简化系统；但也存在初期投资大、安装精度高、维护费用高和备品备件贵等缺点。随着现代制造业的发展，齿轮驱动功率的界限不断被改写。目前世界上齿轮驱动最大的功率为 17 000 kW，应用于中信重工为中国黄金集团乌努格吐山铜钼矿二期制造的 φ7.9 m×13.6 m 双驱溢流型球磨机。
(3) 有限元分析方法已广泛应用于磨机设计中，对筒体 (含中空轴、筒体、端盖以及多处连结螺栓)、主轴承结构与油膜、大小齿轮、齿轮罩、顶起托架及基础进行全方位有限元分析，经过现代设计手段的分析优化，减少设备质量，提高可靠性，更加符合绿色低碳的环保理念。超大型磨机作为回转运动设备，由于设备和地基基础具有相近的固有频率，且回转运动的载荷较大，在设计时必须对设备与基础是否产生共振和较大的强迫振动进行检验。对磨机与地基基础的联合结构进行动力学仿真，利用先进的三维软件建立基础与磨机的有限元模型，采用有限元分析软件对其进行模态分析及瞬态响应分析，在基础设计初期即给出合理的建议和意见，保证传动系统运行的稳定性，从而提高设备的运行寿命。此外，DEM 模型和流体模型的耦合，也越来越多地应用于矿磨设备内部结构的计算机模拟，不仅可以模拟不同充填率下物料 (包括钢球) 在磨机内部的运行轨迹，还可以模拟矿磨设备在不同的驱动功率下内部物质的运动状态，甚至反映衬板的磨损情况。
(4) 大型和超大型矿用磨机的自动化水平和配套设施日益提高和完善。随着自动化水平的提高，在线监测设备得到了进一步发展，如在线粒度和浓度监测更加智能化；半自磨机衬板内安装传感器来检测钢球的落点位置，与磨机转速调整实现互动，通过转速的调整控制钢球的落点，提高衬板寿命；振动监测系统可以实时在线监控小齿轮轴承和电动机轴承的振动情况；油膜测厚传感器可以实时监测主轴瓦与中空轴之间的油膜厚度；红外测温装置可以实时在线监控小齿轮齿面温度，当齿面温度温差过大时会报警甚至停机，有效保护大小齿轮等。现代在线设备状态监测手段的使用，提高了磨机故障的预见性和磨机的可靠性。通过优化磨矿控制系统，可以提产降耗，稳定生产。
2.6 制造能力
以前受制造能力的制约，大直径磨机的齿轮和端盖等很多零部件无法加工。近年来，随着国内外制造能力的提升，庞大的铸锻能力和加工能力为磨机大型化提供了硬件条件。
以中信重工为例，近年来该公司耗资近 6 亿美元扩大其生产能力，目前拥有 8～10 条平行生产线：80 t 电弧炉、150 t 钢包精炼炉和 150 t VD/VOD 炉，使其单件浇铸能力最大可达 900 t；1 台 18 500 t 锻造装置可以锻造 400 t 单件铸件；7 m×16 m、9 m×12 m 热处理炉满足大型零部件的热处理需求；大型卷板机冷卷钢板厚度为 160 mm，热卷钢板厚度达 250 mm；φ14 m×10 m 自动焊接操作中心为磨机筒体提供高质量焊缝；φ16 m 数控立式车床让大直径端盖和筒体的加工变为现实；φ16 m 高精度 CNC 滚齿机使得齿轮直径最大可达 16 m，模数达到 45，精度达到AGMA10 级；轨高 26 m、起吊能力 550 t 天车满足大体积、大质量零部件的起吊和出厂试车要求。先进制造设备为大型磨机的关键件 (筒体、端盖和大齿轮等)提供优质铸钢件和高精度加工手段，并为出厂试车提供了条件。
3 结语
近年来，世界范围的机械产业转移和中国企业到国外发展矿业，为矿用磨机提供了最好的发展时机。国内外矿山的发展，用户和设计院对国产装备业的认可和支持，为国产磨机提供了广阔的发展平台。以中信重工为代表的重型矿山设备制造企业，通过自身的不断革新，大力加强硬件和软件的建设，促进国内磨矿业得到迅猛发展。
(1) 在磨矿技术方面，国内技术有了大幅提高，技术创新让国产磨机大型化发展具有良好前景。目前矿用磨机技术发展趋势是流程最佳化、规格大型化、结构多样化、操作自动化，根据矿石性质、产品粒度和处理能力选择合理的工艺流程，可以节省投资，提高产量；对于特定的磨机规格，磨机的产能和回路的能源效率、运行成本是相互制约的，磨矿设备大型化可使整个选矿厂的效益最大化；多种传动形式和多种轴承形式丰富了磨机的结构配置；愈加先进和完善的DCS 系统，实现工艺最佳化闭环控制。
(2) 据国外资料统计，截至 2010 年，按全世界自磨机/半磨机总量计算，国外公司制造的磨机占总功率的 94.2%，而国产磨机不到 6%。由此可见，国产磨机设计制造水平与国外相比仍存在较大的差距。如大型化程度低，国内绝大部分企业不具备大型装备的设计制造水平；设备与工艺参数研究不足，缺少试验条件和研究手段；自动化水平低；创新能力明显不足等。
(3) 国产大型和超大型矿用磨机未来的发展目标是：工艺流程和结构创新，成为节能节材的绿色产业；造就一支国际化的技术、营销、服务团队；建设强大的数据库和有自主知识产权的理论计算体系，使国产大型矿用磨机在国内外占领更广阔的市场。
作者简介：姬建钢，男，1963 年生，教授级高级工程师，主要从事矿石破碎粉磨工艺及设备的研究工作。
引文格式：
[1]姬建钢， 潘劲军， 王春红， 周航.国产矿用磨机大型化趋势、原因及展望
.[J].矿山机械,2015,43(8):1-5.
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