国内外球磨机的研究状况

国内外球磨机的研究状况何亮昆明理工大学机电工程学院，昆明（650093）E-mail:fengmoxiaozi1982@摘 要：根据国内外近年来发表的文献，对球磨机的研究、开发及应用情况进行了较详细的分析和评述。

关键词：球磨机 研究开发 综述1. 引言由于球磨机在物料粉碎中的一些优点，使得球磨机自1893年以来，已在金属矿及非金属矿选矿厂、冶金、建材、化工及电力部门等若干基础行业的物料粉碎中得到广泛的应用，而且在今后相当长的时间内仍将是物料粉碎的主要设备。

近10年来，磨矿设备仍然广泛应用普通卧式简型球磨机，但是围绕提高磨矿效率、降低能耗钢耗方面国内外的研究者作了大量工作。

本文结合近年来国内外有关球磨机的文献，评述了一些理论成果和超临速球磨机，圆锥球磨机等球磨机的开发和应用情况。

2. 理论研究2.1 研磨介质研究球磨机是靠介质对物料的冲击和研磨作用来完成对物料的破碎作用的，在介质对物料的这一破碎力学过程中，介质作为能量的媒介体将外界能量转变为对物料的破碎功而对物料实施破碎作用。

可见，介质的尺寸大小决定着介质携带能量的大小，也就决定着对物料实施破碎力的大小，最终决定粉磨效率以及产品的质量特性，影响粉磨的电耗和介质消耗。

因此，介质尺寸的大小是一个牵动粉磨全盘的关键因素，介质尺寸选择以及介质运动状态恰当与否对粉磨过程的影响都很大。

就介质尺寸而论:介质尺寸大，介质对物料的冲击力会大，一定程度上是有利于物料破碎的，但冲击力过大会产生过大的破碎力使物料发生贯穿破碎，不利于物料的品质特性。

另外在介质填充率一定的条件下，选择大尺寸的介质会使介质数目减少，导致单位时间内介质有效冲击物料的次数少，同时研磨面积小，研磨能力小，对细物料粉磨作用会很小。

但是介质尺寸过小，破碎能量又不足，一次实现不了破碎时的物料接受的弹性变性能又作弹性恢复而使能量损失。

只有当介质直径和物料粒度相适应时，破碎力作用精确，使物料正好在结合力弱的晶界面上破裂，才能有效的节省能量[1]。

由于介质尺寸对物料粉磨的影响至关重要，因此长期以来粉碎工作者在如何精确的确定介质的尺寸方面做了大量研究。

同济大学的戴少生在总结国内外试验和生产应用得出结论：形状、尺寸和级配合理的新型研磨体——柱球(段球)（如图1），对于提高粉磨效益、降低球耗是适宜的研磨介质[2]。

并对石英砂粉磨进行生产试验，达到了较好的试验结果，对国内若干新型轻质“砂加气”混凝土制品砌块、板材厂的球磨机，粉磨坚硬矿石的干法球磨机及水泥行业均有一定价值。

图1 柱（棒或段）球[2]2.2 介质运动规律理论研究磨机转动时，带动介质群运动，在运动过程中，介质会与邻接的其它介质以及磨机内壁之间发生碰撞，这些碰撞将决定介质在磨机内的运动规律。

由于粉磨过程的复杂性，以及运动过程中与邻接介质相互作用的复杂性，使得充分了解这些碰撞特性非常困难，也就导致介质运动研究的困难。

随着DEM(Discrete Element Method)在工程领域中的应用，现已被广泛应用于粉磨过程中的介质运动建模。

目前二维DEM和三维DEM在介质运动研究中己经被逐步推广应用[3]。

3. 高效节能球磨机3.1 中心传动球磨机[9～10]衡阳有色冶金机械总厂生产的中心传动球磨机，其传动是通过电机带动行星齿轮减速器直接驱动筒体，电机、减速器传动系统和筒体位于同一中心轴线上，筒体由调心滚子轴承支承，磨机中空轴径与主轴承间为滚动摩擦,阻力减小，实现了节能。

液力耦合器传动可吸收和隔离扭振，从而实现缓和冲击、平稳启动，减少了对电网的冲击。

双级行星齿轮减速器，传动比大，效率高，重量轻，降低制造成本。

3.2 静动压轴承球磨机[8]衡阳有色冶金机械总厂、沈阳重型机械厂和上海重型机械厂均生产这种球磨机。

该机采用静动压轴承，在启动时采用高压液压系统润滑，用高压油将球磨机筒体顶起，待启动后采用低压液压系统润滑，保证了球磨机中空轴径始终处于良好的润滑状态，摩擦阻力小，启动电流低，降低了磨矿功耗。

电机轴和小齿轮轴间采用气动离合器，实现分段启动，降低了启动电流和功率，减少了对电网的冲击。

齿轮采用喷雾润滑，定时定量将润滑剂喷射到齿轮工作表面以改善润滑，减少机械损失，降低运转能耗；采用圆角方型衬板，提高磨机处理能力和磨矿效率，显著降低磨矿电耗和钢耗。

3.3 圆锥形球磨机[11～13]山东招远黄金机械厂生产的圆锥形球磨机，主轴承为调心滚子轴承，摩擦阻力小，降低了能耗。

在出料端增加了一段圆锥形筒体，增加了磨机生产能力，磨矿介质布置合理，充分发挥了各类钢球的作用，磨矿产品粒度小。

大齿轮装于直筒体与锥体连接处，减小筒体扭曲应力，使轮直径减少，磨机自重减轻30%，降低了制造成本。

圆锥形球磨机特有的锥形结构能自然分离粉磨介质(钢球)，大球位于筒体最大直径段，即给料端；小球位于圆锥段，即排料端。

较粗的物料在给料端大球的作用下获得大的冲击能量，完成粗碎作业；小球位于排料圆锥端，以获得更多的表面积进行细磨。

圆锥形球磨机的特点是相当于在球磨机筒体内安装有永久性分级机，物料依粒度不同排列在筒体内，越细越靠近出料口，不会产生过磨，增加了有用功，降低了无用功，从而达到节能降耗的目的。

3.4 超临速球磨机[15～20]在磨矿生产过程中，磨机的生产能力随磨机转速的增加而增加，提高磨机转速，可显著地提高磨机生产能力，但是当常规磨机的转速达到或超过某一值时，其中的矿石和磨矿介质将发生离心运动，磨矿能力不但不随转速的进一步增加而增加，反而出现几乎不能磨矿的现象，这时磨机的转速就是临界转速。

如果能突破这一临界转速，使磨机的生产能力在临界转速以上仍然随磨机转速的增加而增加，这样就能达到磨机小型化、生产能力大型化的发展目标，对于矿物加工、化工和建材等传统行业的磨矿发展都将起到十分重要的作用。

由昆明理工大学文书明等发明研制的超临速球磨机克服了常规球磨机不能在临界转速以上有效磨矿的不足。

超临速球磨机筒体内采用矿石和介质流导向机构改变了常规球磨机内被重力和离心力控制的介质和矿石流的运动轨迹，使矿石受到高速的和最大限度的冲击和磨剥，很好地解决了常规球磨机在临界转速以上不能有效磨矿的问题，使球磨机在临界转速以上的情况下仍然能够有效地进行磨矿，磨矿效率和磨矿速度得到提高。

3.5 细磨和超细磨设备随着现代工业对超细物料的需求量日益增大，品质要求不断提高，新的超细粉磨设备及新型粉磨工艺不断出现。

当前，在许多工业部门中，往往需要将固体矿料粉磨到几十微米，甚至要求达到几个微米。

这样极细和超微细的产品粒度，采用常规的圆筒形球磨机作为矿料的超细磨矿设备，不仅磨矿过程的能耗、钢耗高，而且磨矿效率也低，这显然是很不适合的和极不经济的。

3.5.1 高速冲击粉碎机[21～24]高速冲击粉碎机是指围绕水平或垂直高速旋转的回转体(转子、锤子、叶片)给物料以强烈冲击的一种冲击式粉碎设备。

日本细川—密特朗公司生产的CM高速冲击式超细粉磨机是一种先进的设备，已广泛地应用在非金属超细粉碎，可将8mm以下物料一次粉碎成-10μm占70％以上，配上分级设备，－10μm可以达到95％。

国内咸阳非金属矿研究所、瓦房店化工机械厂均生产该类设备。

该设备可应用于滑石、粘土、重晶石、碳酸钙、云母、石墨等非金属的超细粉碎。

3.5.2 行星式球磨机[25～28]常规行星式球磨机中的球磨罐是被立式装在一水平平面放置的大盘上作行星运动，在运动过程中，磨球和磨料受公转和自转两个水平方向离心力的作用，相互碰撞，研磨产品，在这种龚姚腾等研制的微型双筒行星式球磨机，由于磨简自转和公转产生的离心力及磨筒与筒壁间摩擦力等的作用，使磨球与物料在简内产生互相冲击、摩擦和上下翻滚等，这些作用即起到了磨碎物料的作用。

张克仁等研制的TCMJ-1型超细球磨机也是一种行星式球磨机，它是以搓揉方式为主的平动式超细粉碎方法。

试验表明，该机具有效率高、节能效果明显和超细磨矿的良好性能。

由陈世柱等研制的行星式高能球磨机由于磨球对粉体频繁强烈地撞击、碾压及搓揉等作用，具有较大的惯性力，因而对粉体能产生强烈的撞击，其撞击力随着转速的提高成平方增加。

3.5.3 振动磨[29]振动磨是利用研磨介质(球或棒)在作高频振动的筒体内对物料进行冲击、磨擦、剪切等作用而使料物粉碎的细磨或超细磨设备。

国外主要有西德KHD Humboldt Wedag生产的Palla型振动磨、美国SWECO公司立式旋振动磨。

国内主要有温州矿山机械厂、江阴机器厂及青岛矿山机械厂。

其中青岛矿山机械厂的ZMF内分式旋振磨是一种很有发展前途的设备，有望拓宽振动磨的应用领域。

振动磨主要应用在耐火材料、磁性材料、化工等领域。

3.5.4 其它超细粉碎设备[29～40]主要有Lurgio离心磨机、高强度离心磨机、搅拌磨、气流磨、胶体磨等。

为了经济地生产超细粉体，国内外一些专家对球磨机、雷蒙磨等进行了改进，配上高效干法微细分级机，生产出了合格超细产品。

例如球磨介质球，增大充填率，可应用于超细粉碎。

雷蒙磨配上分级机能生产-10μm的粉体产品。

因此超细粉碎设备是与工艺联系在一起。

工艺参数的调整至关重要。

4. 结语近年来高效节能、超细粉磨设备得到了快速发展,但各种设备均存在各自的局限性，离成为一种通用的磨矿设备还有一段距离[41]。

结合我国矿石特点和机械加工水平，开发原理先进，结构简单，制造水平不高的新型设备，将是今后我国磨矿设备研究的发展方向。

参考文献[1] 段希祥、曹亦俊．球磨机介质工作理论与实践[M]．北京：冶金工业出版社，1999[2] 戴少生，王旦容，陆洁．研磨体的形状、材质对粉磨效率的影响．水泥工程，2005(2)：66-68[3] 欧阳秀兰．球磨机介质运动分析与应用研究：[硕士学位论文]．广州：华南理工大学，2003[4] 姜华，吴春香.实施技术改造，提高磨矿效率.甘肃冶金，2006，28(2)：41-43[5] 李启衡.碎矿与磨矿[M].北京：冶金工业出版社，2002[6] F·史.圆锥柱形介质与球形磨矿介质的比较.国外金属矿选矿，2005，42(8)：18-25[7] 杜天文．提高球磨机的磨矿效率探讨．梅山科技，2005(1)：22-23[9] 周祥辉.提高磨矿效率的途径综述.金川科技，2005(3)：11-13[10] 汪超群.采用ZQM型节能球磨机技术对传统式磨矿机的改造.金属矿山，1997(3):41-41,49[11] 王东明，邹声勇.高效节能锥形球磨机.矿山机械，1995(10):29-30[12] 王东明等．高效节能锥形球磨机．矿山机械,1995(10):29-30[13] J.哈得威等．大型球磨机的设计思想．国外金属矿选矿，2000(4)：6-10[14] 吴照银，唐新民．球磨机超临界转速工况的研究．铜陵学院学报，2003(4)：84-87[15] 文书明等.超临速球磨机发明专利说明书[P].北京：中华人们共和国国际知识产权局，2002[16] 叶贤东.超临速磨矿理论研究:[博士学位论文].昆明：昆明理工大学，2002[17] 董为民，文书明，等.超临速球磨机磨矿介质运动学规律研究.有色金属(选矿部分)，2006(4)：33-35[18] 文书明，叶贤东.超临速磨机的工作原理和结构特点.有色金属(选矿部分)，2002(6)：19-22[19] 董为民，文书明，刘道玉，等．超临速球磨机磨矿介质运动学规律研究.有色金属(选矿部分)，2006(2)：33-35[20] 叶贤东，文书明，张文彬.超临速磨机磨矿动力学研究.有色金属，2004，56(1)：83-85[21] 行业资讯.中国粉体工业，2005(6)：41[22] 张凯.选矿科技的发展规律—综合创新[M].冶金工业出版社，1998[23] 王月.节能降耗 提高磨矿分级技术水平.电大理工，2001(4)：39[24] 赖春山.降低碎矿粒度与磨矿节能降耗.有色金属(选矿部分)，2005(1):31-32[25] 李瑞涛等.立式行星磨系统动力学分析.金属矿山，2000(9):37-38[26] 李瑞涛等.基于虚拟样机的立式行星磨仿真的研究.矿山机械，2001(1): 25-26[27] 俞良中.立轴锥盘离心磨机的开发与研究.有色金属(选矿部分)，1997(2):24-33[28] 陈世柱等.行星式高能球磨机工作原理研究.矿冶工程，1997(12):62-65[29] 张克仁等.TCNJ-1型超细球磨机的研制与应用煤炭科学技术，1997(8):43-45[30] 侯潜修等.立式离心磨矿机的研究.矿山机械，1997(1):4-6[31] 俞良中.立轴锥盘离心磨机主机设计. 有色金属(选矿部分)，1998(1):29-32[32] V·G·科什列夫，曹松腾，魏明安，等.自磨和半自磨技术的研究进展.国外金属矿选矿，2005，42(4)：8-14[33] J.Hadaway,et al. Design Aspects of Large Ball Mill, Mining Magzine,1999,181(4):230-236[34] R.乌斯纳姆.白色矿物的细磨技术与设备.国外金属矿选矿，1997(2):40-43[35] 朱瀛波，应东风.高速冲击式超细粉碎机及分级设备的应用. 有色金属(选矿部分)，1998(2):27-30[36] 俞良中．旋流态离心自磨机粉碎机理及主要参数设计研究．矿冶工程，1997(6):26-30[37] 段希祥 周平.强化针对性磨矿——当代磨矿领域中的重要原则.昆明理工大学学报，2004，29(4)：57-61[38] 吴照银，唐新民.节能型球磨机节能的探讨.矿山机械，2006，34(4)：54-55,56[39] 孙春宝等.Szego磨的工作原理及其特点.矿山机械，1998(7):18-20[40] 张国旺.破碎粉磨设备的现状及发展.粉体技术，1998，4(3):37-42[41] 文书明，郭杰，王继光.国内外超细破碎机的研究状况.云南冶金，2002，31(3):52-56at Home and AbroadHE LiangFaculty of Mechanical and Electrical Engineering, KMUST, Kunming, PRC (650093)AbstractBased on published information at home and abroad, the research, development and application of tumbling ball mill is analyzed and discussed.Key words: a tumbling ball mill; research and development; summary作者简介：何亮（1982-），男，2004级硕士研究生，从事机电一体化应用研究工作。