1、前言
降低入磨粒度，是礦石粉體工程節(jié)能降耗的有效手段，也是提高磨機處理能力的有效方法。礦石的超細破碎是降低入磨粒度最直接、最徹底的方法，所以超細破碎的理論和設(shè)備是目前國內(nèi)外研究的熱門課題之一。本文結(jié)合近期國內(nèi)外超細破碎研究的文獻，較詳細地評述了高壓輥磨機、慣性
圓錐破碎機、沖擊式破碎機等礦山用超細破碎機的研究、開發(fā)及應(yīng)用狀況。
2、超細破碎機
2.1高壓輥磨機
高壓輥磨機是80年代問世，具有新的碎礦理論支撐的一種高效率超細粉碎設(shè)備。它采用高壓料層粉碎理論，顯著的二次破碎獲得很高的能量利用率，被稱為超細粉碎設(shè)備的一場革命。自1985年第一臺高壓輥磨機在水泥行業(yè)應(yīng)用以來，國內(nèi)外已有數(shù)百臺成功地應(yīng)用于生產(chǎn)之中。由于設(shè)備工作壓力極高，輥面的磨損成為一個重要問題，近年來，研究者和生產(chǎn)廠家為了將其推廣到金屬礦山，也開展了大量的試驗研究。
在碎礦理論方面，1988年Humbololt Wedag公司的I．B Klymowsky和J．Lirl在研究高壓輥磨機的粉碎模型時提出，高壓輥磨機模型的核心是描述在具體考慮每個粒級之間能量分布的情況下，料層粉碎中離散粒級群的平衡。認為料層中粒度分布對粉碎的影響是用近似的方法定量的。除了料層粉碎之外，還考慮了輥端的邊緣效應(yīng)以及大于工作間隙的物料的預(yù)粉碎。通過研究給出了邊緣產(chǎn)品的能量數(shù)及粒度分布的評估方法和輥中央與邊緣區(qū)域之間能量分布的評估方法。1992年姚踐謙等人綜合散體力學(xué)，有限元和破碎理論等多方面的知識，按全新的思路和方法研究了礦巖層壓破碎機理，用散體力學(xué)建立了破碎腔內(nèi)料層的散體等效模型，求得了粒間接觸力大小和分布以及破碎規(guī)律，在新設(shè)計的層壓破碎試驗臺上，實驗驗證了新建力學(xué)模型的可行性，揭示了層壓破碎的一些新的特性和規(guī)律。
1998年王介強、宋守志概述了料層粉碎理論的發(fā)展情況，包括粉碎的能耗規(guī)律和粉碎的力學(xué)理論，提出可采用統(tǒng)計細觀損傷力學(xué)來研究料層粉碎的動力學(xué)過程。
1999年S．摩爾等介紹了高壓輥磨機(HP-GR)的特性模型。該模型可描述給定規(guī)格、輥速和典型礦樣時，高壓輥磨機的通過能力，粒度范圍和驅(qū)動功率。它只需由簡單的試驗室破碎試驗和有限的試驗室規(guī)模高壓輥磨機試驗工作程序獲得輸入數(shù)據(jù)。模型使用這些數(shù)據(jù)是為了標(biāo)定的目的，然后能夠按比例放大到理論上任何規(guī)模的設(shè)備。該研究明確地描述了所謂的邊緣效應(yīng)，并指出高壓輥磨機的幾何尺寸和工作壓力與工作間隙有關(guān)，從工作間隙可預(yù)計驅(qū)動功率，通過量和產(chǎn)品粒度分布。
在實際應(yīng)用方面，1993年吳建明[2]在介紹粉碎節(jié)能理論的基礎(chǔ)上，較詳細的討論了德國KruppPolgsius公司的輥壓機，德國KHD Humboldt wedag公司的輥壓機，美國Fuller公司的輥壓機和國內(nèi)有代表性的合肥水泥研究設(shè)計院的輥壓機。
1995年徐秉權(quán)等人研究了GGT-2型∮500×120高壓輥磨機的結(jié)構(gòu)及工作原理，該設(shè)備用于處理石灰石時，排礦粒度達到了-4mm80%以上的技術(shù)指標(biāo)，節(jié)能效果顯著。
1995年俞美、宋宏斌研究了輥壓機的粉碎流程及影響輥壓機工作可靠性的因素。1997年段玉霞、王素玲等人也研究了輥壓機粉碎流程，同時提出了輥壓機系統(tǒng)中存在的問題并提出了改造辦法。1998年馮國俊等研究了輥壓機在氧化鋁生產(chǎn)中的應(yīng)用，礦石的預(yù)粉磨，使原料料漿產(chǎn)量有較大提高，解決了因料漿不足影響氧化鋁產(chǎn)量的問題，同時對節(jié)能、降耗起到了很好的作用。
將輥壓機用于粉碎堅硬物料（金屬礦石等）的粉碎，也進行了有價值的嘗試。1996年東北大學(xué)的楊曉明等人研制了∮600×200型巖礦用輥壓機，進行了中試和工業(yè)試驗，結(jié)果表明輥壓機對鐵礦石等堅硬物料的粉碎體現(xiàn)出增產(chǎn)節(jié)能的效果。
1997年的第20屆國際選礦會議上，德國的N．帕德澤爾特等介紹了高壓輥磨機在銅金礦山的第一次應(yīng)用，結(jié)果表明輥壓機作為礦石粉碎的一種新型設(shè)備，可以取代第三段和部分取代第二段破碎；降低動力消耗；明顯減少磨礦成本；提高金屬收率。
降低入磨粒度，多碎少磨，甚至以碎代磨是礦石破碎的發(fā)展方向，輥壓機無疑是一種非常有前途的設(shè)備，其顯著的節(jié)能效果和大幅度的增產(chǎn)將對金屬礦山的礦石破碎帶來革命的進展。但是這種設(shè)備壓力極高導(dǎo)致的一系列問題，還需要開展深入而廣泛的研究，才有可能實現(xiàn)在金屬礦山的廣泛應(yīng)用。
2.2慣性圓錐破碎機
慣性圓錐破碎機是前蘇聯(lián)彼得堡“米哈諾布爾”研制成功的一種超細破碎設(shè)備，我國北京礦冶研究總院與該公司合作，引進該設(shè)備與技術(shù)，并結(jié)合我國的實際，使其得到了很大的發(fā)展。該設(shè)備以其破碎比大，產(chǎn)品粒度細，單位功耗低，應(yīng)用范圍廣，可破碎十分堅硬的脆性物料等諸多優(yōu)點，引起同行業(yè)的注意。其結(jié)構(gòu)同其它圓錐破碎機一樣，也包括定錐和動錐，均附著耐磨襯板，但它們在破碎原理上與一般的圓錐破碎機大不相同，特別是在破碎力的產(chǎn)生方面，由于離心力的引入，使礦石的破碎更為有效。慣性圓錐破碎機的機體安裝于彈性支撐上，破碎錐與電機之間采用無剛性聯(lián)接，當(dāng)破碎腔內(nèi)沒有被粉碎的物料時，激振器產(chǎn)生的離心力將迫使破碎錐沿定錐的內(nèi)表面無間隙地滾動，當(dāng)破碎腔內(nèi)有物料時，破碎錐通過物料層滾動。破碎錐的擺動頻率遠大于偏心圓錐破碎機破碎錐的擺動頻率，在破碎過程中，物料在破碎腔內(nèi)被破碎的次數(shù)達幾十次，遠大于普通的圓錐破碎機。由于附加激振器產(chǎn)生的離心力和強烈的脈沖振動加強了破碎作用。
慣性圓錐破碎機中的物料在破碎機動錐強烈慣性振動條件下，受到預(yù)先調(diào)定的破碎力作用，可以使料層適當(dāng)?shù)貕簩崳刮锪铣惺苋轿坏臄D壓，實現(xiàn)“料層粉碎”。
慣性圓錐破碎機中物料形成了壓實狀態(tài)的料層，當(dāng)物料含水含泥重時，會出現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象目前尚無有效的方式加以避免，導(dǎo)致該設(shè)備在金屬礦山的應(yīng)用受到限制。
1997年劉子河、唐威等人對慣性圓錐破碎機的工作原理進行介紹，并從理論和實踐上闡述了工作參數(shù)對破碎機性能指標(biāo)的影響，為指導(dǎo)慣性圓錐破碎機的調(diào)試與應(yīng)用提供了可靠的依據(jù)。1998年唐威、劉子河等人又介紹了GYP - 600慣性圓錐破碎機在有色金屬礦山的工業(yè)應(yīng)用情況，該設(shè)備的產(chǎn)品粒度-5 mm占95%，使用后可使破碎系統(tǒng)能耗下降20%，入磨粒度下降40%，產(chǎn)量提高28%。1998年唐威簡述了KHⅡ-1750慣性圓錐破碎機的結(jié)構(gòu)原理，介紹了其在杰茲卡茲干金屬礦的生產(chǎn)試驗情況，并提出了在我國中型選礦廠合理應(yīng)用該設(shè)備的幾種方案，其中往破碎腔中加水進行濕式破碎的方案，可以提高生產(chǎn)能力，減少破碎過程的單位能耗，有助于排礦通暢。1999年北京礦冶研究總院羅秀建，詳細闡述了慣性圓錐破碎機的結(jié)構(gòu)特點，運動狀態(tài)，破碎力，破碎原理，研究了排料間隙和偏心靜止動量對單位礦石破碎功耗的影響，對產(chǎn)品粒度的影響，同時還介紹了這種設(shè)備的應(yīng)用情況。
慣性圓錐破碎機由于離心力和振動的引入，大大提高了礦石的細碎效果，對于脆性物料的干式破碎，是一種適用性很強的超細破碎設(shè)備，但對于含水含泥量大的金屬礦山的礦石，必須解決排礦堵塞的問題，才能使設(shè)備正常運行，而這一問題的解決方法目前仍處于研究之中。
2.3沖擊式破碎機
(1)立式?jīng)_擊式破碎機
立式?jīng)_擊式破碎機的結(jié)構(gòu)比較簡單，主要由轉(zhuǎn)盤、定子、傳動機構(gòu)和機架構(gòu)成。轉(zhuǎn)盤在電機的帶動下高速轉(zhuǎn)動，礦石給到轉(zhuǎn)盤上，靠轉(zhuǎn)盤表面摩擦力和導(dǎo)向板等的作用，隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，同時受離心力的作用向外拋射，當(dāng)離開轉(zhuǎn)盤時幾乎達到了轉(zhuǎn)盤邊緣的線速度，礦石以此速度沖擊于定子上發(fā)生粉碎。這種粉碎機粉碎過程強烈，粉碎效率較高，當(dāng)定子設(shè)計合適時，自襯覆蓋率高，金屬磨損減小，選擇性破碎能力強，過金屬能力強，受水份的影響小，排礦不堵塞。
1980年德國柏林大學(xué)的Brauer教授提出，礦塊在轉(zhuǎn)子內(nèi)二次加速，可使能量最多節(jié)省50010，IHC公司和Vander Zanden公司合作根據(jù)這- Brauer原理研制了二次加速立式?jīng)_擊式破碎機-同步破碎機。該破碎機1998年制造完成并進行了試驗，結(jié)果節(jié)能50%左右，破碎比大，產(chǎn)品形狀好。
北京礦冶研究院設(shè)備研究所與沈陽新光動力機械公司共同研制開發(fā)的LCP5立式?jīng)_擊式破碎機處理能力達15~ 25 t/h，當(dāng)給礦粒度-35 mm時，排礦（閉路）可達-4 mm，這種設(shè)備的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速高達3 446 n/min，轉(zhuǎn)盤直徑為550 mm。
1994年王建義、徐兵等人研制的PL立式?jīng)_擊破碎機，其立軸上裝有空心圓錐體葉輪，當(dāng)立軸高速旋轉(zhuǎn)時，物料進入葉輪，在離心力的作用下拋射出去，可獲得極高的沖擊速度，且設(shè)計有一個較大的環(huán)形渦動破碎腔，自襯里作用較強。該設(shè)備應(yīng)用于鋼渣、水泥熟料、人工制砂的破碎，取得了較好的效果。
1994年房德鴻等介紹了一種LPM立式破磨機，該設(shè)備內(nèi)部設(shè)計有兩級破碎腔，兩級破碎可使100。250 mm的物料破碎至-4 mm達90%以上，這種物料進入磨機時，可降低磨礦能耗，提高磨機的處理能力，IPM立式破磨機主要作為水泥生料和熟料制備的預(yù)粉碎設(shè)備。
俞良中于1997年和1998年對立軸錐盤離心磨機的開發(fā)與研究和主機設(shè)計進行了詳細介紹。認為大多數(shù)的立軸離心式粉碎機采用高速旋轉(zhuǎn)的平面圓盤為基本元件，對單層平面盤來說，粉碎是一次性的，因此這種設(shè)備多用于中、細碎作業(yè)，而立軸錐盤心磨機可實現(xiàn)多次破碎，排礦粒度可達到很細的程度。通過主機設(shè)計研究，由相似模擬推導(dǎo)的理論計算公式計算所得的主要參數(shù)值與實際試驗的值十分相近，說明利用散體力學(xué)和動力學(xué)基本方程推導(dǎo)出的一組相似指標(biāo)式及相應(yīng)的計算公式是可靠的，從而使復(fù)雜的設(shè)計工作變得簡單。
1994年曾洪茂、周恩蒲提出了沖擊式破碎機通用的沖擊速度理論計算公式，并對最大破碎力和平均破碎力之間的關(guān)系和沖擊時間進行了研究。指出沖擊破碎機沖擊速度選擇應(yīng)根據(jù)破碎機的類型選擇不同的沖擊速度計算公式。破碎時間小于萬分之二秒。最大破碎力是平均破碎力的1.8倍。
(2)其它沖擊式破碎機
立軸復(fù)合式破碎機與IPM立式破磨機很相似，破碎機為主軸簡體式，分上下兩層分級破碎，上層為中破碎，下層為細破碎，破碎區(qū)是立軸的轉(zhuǎn)輥外圓與筒壁齒板之間構(gòu)成的圓環(huán)破碎腔。上轉(zhuǎn)輥固定有打擊板，分布較密，形成較小的破碎腔，以控制被破碎物料達到細破的粒度要求。1996年彭齊偉在介紹設(shè)備結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上，研究了其結(jié)構(gòu)參數(shù)與工藝要求的關(guān)系，列出了該設(shè)備破碎石灰石和水泥熟料的實測數(shù)據(jù)。
反擊式破碎機也是沖擊式破碎機的一種，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于非金屬礦山和化工礦山，由于其擊錘頭和反擊板的磨損問題嚴重，在大處理量的金屬礦山?jīng)]有得到廣泛應(yīng)用。1998年潘仁和研究該設(shè)備的磨損情況，從分析板錘磨耗的主要因素入毛，提出了降低板錘磨耗的對策。1998年王靜娟進行了低轉(zhuǎn)速多腔型沖擊式破碎機的研制和應(yīng)用研究，通過腔型設(shè)計、轉(zhuǎn)速選擇，優(yōu)化了該設(shè)備的結(jié)構(gòu)，且對其應(yīng)用提出了許多工藝方面的要求。
1998年朱瀛波，應(yīng)東風(fēng)介紹了高速沖擊式超細粉碎及分級設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工原理，列舉了該成套設(shè)備的應(yīng)用實例及優(yōu)缺點，該成套設(shè)備是我國近年來引進消化吸收國外先進技術(shù)的一個例子，可以一定程度地滿足國內(nèi)非金屬礦超細粉碎工藝的要求。
沖擊式破碎機的共同特點是使礦石具有高的沖擊速度或破碎機破碎部件具有高的打擊速度，礦石在高的速度下沖擊固定壁而破碎或破碎部件以高的打擊速度打擊礦石而使礦石發(fā)生破碎，這一特點帶來的一個共同的缺點就是固定壁或打擊板磨損嚴重，對于脆性的非金屬礦石如化工原料、水泥生熟料等，基本上可以承受這一磨損問題，而對于硬度大，韌性強的金屬礦石，這一磨損是難以承受的，因此，這類設(shè)備要在金屬礦山廣泛推廣，必須要解決的問題是磨損。立式?jīng)_擊式破碎機采用自襯里的方式大大降低了磨損，使其在金屬礦山的使用變得有望，但高的轉(zhuǎn)子或轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速使設(shè)備設(shè)計和制作的精度要求高，設(shè)備的大型化變得困難，這又成為該類設(shè)備在金屬礦山應(yīng)用的另一個難題。
2.4 WF-水沖圓錐破碎機
WF-水沖圓錐破碎機是美國Nordberg公司研制成功的大型超細破碎設(shè)備，該設(shè)備目前在國外已有廠家工業(yè)應(yīng)用，獲得了好的效果。該設(shè)備用了金屬礦山的礦石破碎時，最終排粒度可達8 mm，且因加水破碎消除了細粒級的“襯墊作用”，大大降低了破碎能耗。我國的云南錫業(yè)公司和攀鋼集團公司均對這種設(shè)備進行過廣泛的調(diào)研，但認為該設(shè)備原理與普通的圓錐破碎機相似，只在加水破碎方面和設(shè)備的大型化方面作了改進，細的排礦粒度是由設(shè)備的精密制造實現(xiàn)的。該設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，目前在國內(nèi)尚未見到成功應(yīng)用的例子。
2.5其它超細破碎設(shè)備
1994年范西省介紹了前蘇聯(lián)全蘇水泥機械研究所于1990年研制成功的《Bakmac》型環(huán)形干燥輥磨機。這種磨機的工作機構(gòu)是兩個作反向旋轉(zhuǎn)的水平磨輥，礦石在兩磨輥間受高壓而破碎，在磨輥的上部裝有百葉格柵的三角形料斗作為給料裝置，磨輥和給料裝置安裝在一個有提升葉片的環(huán)形提升圓筒的內(nèi)部，經(jīng)破碎的礦石落入提升圓筒內(nèi)被緩慢提升到磨輥上部倒人給料斗，再從給料斗中進入兩磨輥間進行二次破碎，同樣被破碎后的礦石再返回受第三、四次的破碎，從而實現(xiàn)了多次破碎，直至達到要求的粒度后被氣體帶出成為最終的破碎產(chǎn)品。這種磨機與立式圓盤輥磨機相比，單位能耗低25%~40%，單位金屬耗量低25%。該設(shè)備適合于水泥行業(yè)和非金屬建材行業(yè)的超細粉碎。
1994年宋希敏介紹了一種顎輥破碎機，該設(shè)備是將顎式破碎機和對輥破碎機結(jié)合在一起而形成的。上部為顎式破碎機，下部為對輥機，采用單電機驅(qū)動。該設(shè)備破碎比大，高效節(jié)能，體積小，重量輕，可作為小型企業(yè)的超細破碎設(shè)備。
1997年郭東江對BGJ型擺式輥壓機進行了設(shè)計研究，其意圖是在不降低或少降低使用性能的前提下，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化、采用低成本和適用制造工藝技術(shù)等措施，大幅度降低高壓輥磨機的造價。通過對傳動系統(tǒng)、工作裝置、加壓裝置、進料斗及側(cè)擋板、彈簧的設(shè)計，達到了好的技術(shù)效果，BGJ630×200型擺式輥壓機產(chǎn)量可達20。25 t/h，裝機功率為2×30 kW。
1998年郭東江、李永君又研制了一種PBZ系列擺輥式振動破碎機。該設(shè)備在雙腔回轉(zhuǎn)破碎機的基礎(chǔ)上使破碎輥子發(fā)生振動，從而提高了破碎效果。PBZ系列擺輥式破碎機生產(chǎn)能力可達55 t/h，出料粒度3～10 mm可調(diào)，適用于水泥行業(yè)的礦石破碎，對于金屬礦山堅硬而大量的礦石，同樣需要進一步解決輥子的磨損問題。
1998年西安環(huán)太公司技術(shù)部介紹了美國JCI公司生產(chǎn)的JCI圓錐破碎機。該設(shè)備采用全滾動軸承結(jié)構(gòu)，取代傳統(tǒng)的偏心軸與滑動支撐，采用迷宮式密封取代水封結(jié)構(gòu)，提高了機械可靠性及運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，降低了運轉(zhuǎn)的動力消耗。由于滾動軸承的間隙遠小于滑動軸承，故破碎機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，排礦口的設(shè)定值更加精確，使產(chǎn)品粒度下降，當(dāng)閉合邊排礦口調(diào)到7.94mm時，產(chǎn)品粒度可達-10mm90%以上，而且設(shè)備的處理能力大，適合于金屬礦山細碎和超細碎作業(yè)。
1998年孫成林介紹了雙腔回轉(zhuǎn)破碎機的設(shè)備原理、特點及在金屬礦、非金屬礦與高鋁礬士耐火材料方面的應(yīng)用。該設(shè)備由一個安裝于偏心軸上的旋轉(zhuǎn)工作輥與輥子兩邊兩個彎曲的破碎腔組成。給入腔中的物料在偏心回轉(zhuǎn)輥的旋轉(zhuǎn)擺動過程中產(chǎn)生壓縮、磨剝、劈裂等綜合作用而破碎。1998年劉省秋也對回轉(zhuǎn)式破碎機靜態(tài)嚙角進行了分析�；剞D(zhuǎn)式破碎機處于靜止?fàn)顟B(tài)時，分析其嚙角的變化特性，建立數(shù)學(xué)模型，分析最大嚙角和最小嚙角產(chǎn)生的條件，得出了計算公式，這對回轉(zhuǎn)式破碎機的研制與設(shè)計具有理論價值。
1996年張鐵華等介紹了1993年由法國FCB公司和意大利布茲(Buzzi)水泥公司聯(lián)合研制的筒輥磨。該設(shè)備的工作部件主要是大簡體和小輥筒，兩輥筒相同方向轉(zhuǎn)動，物料從臥式安裝的大簡體給礦端給入，在大簡體內(nèi)表面和小輥筒外表面間被壓碎，壓碎后的物料靠離心力的作用隨大筒體內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)，受物料導(dǎo)向板的作用向排礦端移動一段距離后進入破碎區(qū)受第二次破碎，如此循環(huán)下去，礦石受多次破碎后從排礦端排出成為產(chǎn)品。1994年和1996年文書明等研制的自循環(huán)超細粉碎機原理上與法國FCB公司的筒輥磨相似，但在筒體的支承方式上作了大的改進，加大了筒體的長度，礦石循環(huán)破碎的次數(shù)增加，壓力進一步下降，從而使得自循環(huán)超細粉碎機適合于國內(nèi)的加工制造水平，設(shè)備成本大幅度下降。該設(shè)備排礦粒度可達-4mm80%以上，當(dāng)與篩分分級設(shè)備閉路碎礦時，最終排礦可達-1mm90%以上．具有取代一段棒磨機的潛力。
3、結(jié)語
近年來，超細破碎設(shè)備得到了快速發(fā)展，高壓輥磨機、慣性圓錐破碎機、WF -水沖破碎機、立式?jīng)_擊式破碎機等在不同的礦山開始工業(yè)化應(yīng)用，但各種設(shè)備均存在各自的局限性，離成為一種通用的超細破碎設(shè)備還有一段艱難的歷程。國內(nèi)的超細破碎設(shè)備研究，多以引進消化為主，還不能完全適應(yīng)國內(nèi)礦山的實際需要。結(jié)合我國礦石特點和機械加工水平，開發(fā)原理先進，結(jié)構(gòu)簡單，制造水平要求不高的新型設(shè)備，將是今后我國超細破碎設(shè)備研究的發(fā)展方向。
