礦物碎磨作為選礦工藝中的關鍵環(huán)節(jié)，其“高能耗、低效率”一直是礦業(yè)領域的痛點問題。實現(xiàn)碎磨作業(yè)的“高效、節(jié)能、綠色”，是全球礦業(yè)共同關注的焦點。在此背景下，東北大學李麗匣教授團隊對新型碎磨技術與裝備的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢進行了系統(tǒng)性梳理，從預處理技術到高效節(jié)能碎磨設備，一系列創(chuàng)新正推動礦物加工向低耗、智能與綠色方向發(fā)展。

預處理技術：

強化碎磨過程的選擇性解離效果

超臨界CO?粉碎技術：干法綠色預處理新路徑

超臨界CO?粉碎技術依托超臨界流體獨特的物理化學特性，實現(xiàn)了礦石粉碎方式的創(chuàng)新突破。當CO?處于溫度高于31.05℃、壓力超過7.38MPa的超臨界狀態(tài)時，兼具氣體的低黏度與高擴散性以及液體的高密度特征，能夠高效滲透至礦石的微孔隙及裂紋尖端。隨后，通過快速降壓誘發(fā)瞬時氣化膨脹，在礦石內部產(chǎn)生強烈拉應力，利用巖石抗拉強度遠低于抗壓強度的力學特性，實現(xiàn)選擇性破碎與礦物解離，其技術原理如圖1所示。作為一種全干法技術，該方法不僅實現(xiàn)了水資源的零消耗，還依托CO?的可循環(huán)利用特點，與全球碳捕獲與封存（CCS）戰(zhàn)略高度契合，可構建綠色、閉環(huán)的生產(chǎn)系統(tǒng)。目前，該技術已在超貧磁鐵礦及其他鐵礦石的加工試驗中得到驗證，為干旱及缺水地區(qū)復雜脈石礦物的高效處理提供了全新的技術路徑。

圖1 CO在不同條件下的氣液界面圖例

高壓漿料沖蝕粉碎技術：無介質選擇性解離方案

高壓漿料沖蝕粉碎技術（HPSA）基于獨特的流體動力學機制實現(xiàn)礦物高效解離。其核心原理是利用高壓泵將礦漿加壓，經(jīng)特制噴嘴形成對噴式高速射流，使礦物顆粒在碰撞腔內發(fā)生劇烈碰撞與剪切，促使礦物沿晶界產(chǎn)生選擇性斷裂，從而實現(xiàn)目標礦物的高效解離，如圖2所示。相較于傳統(tǒng)磨礦工藝，該技術無需研磨介質，僅通過調控噴嘴流速、漿料固體濃度及循環(huán)次數(shù)等參數(shù)，即可在較粗入料粒度下實現(xiàn)高效解離。目前，HPSA技術已在鋰礦、鋅礦、鈾礦等多種礦物加工中完成試驗驗證，展現(xiàn)出解離效率高和運行穩(wěn)定性強的綜合優(yōu)勢。

圖2 HPSA碰撞腔

微波輔助粉碎技術：介電差異驅動的節(jié)能預處理手段

微波輔助粉碎技術以礦物介電特性差異為核心創(chuàng)新點，通過高功率微波實現(xiàn)選擇性加熱預處理。由于礦石中不同礦物組分的介電常數(shù)和損耗因子存在差異，高功率微波加熱過程中，礦石內部會產(chǎn)生非均勻溫度場，從而誘發(fā)熱應力集中并形成微裂紋網(wǎng)絡。這種預裂作用顯著改善了后續(xù)碎磨過程的能耗與解離效率。當前，有研究者已建立基于礦石微波敏感性的分類體系，開發(fā)出中試規(guī)模的微波處理系統(tǒng)，并在銅礦、鎳礦加工中實現(xiàn)了磨礦能耗降低與金屬回收率提升的協(xié)同效應，為預處理技術的工業(yè)化應用奠定了基礎。

高壓電脈沖粉碎技術：電性差異導向的粗粒解離技術

如圖3所示，高壓電脈沖粉碎技術借助礦物間的電性差異實現(xiàn)選擇性粉碎突破。該技術在液體介質中施加高壓電脈沖，瞬時產(chǎn)生沖擊波或等離子體膨脹效應。由于不同礦物間存在電導率和介電強度差異，放電優(yōu)先沿礦物晶界或弱結合界面擴展，進而實現(xiàn)選擇性粉碎，使有用礦物在粗粒階段即可高效解離，降低后續(xù)磨礦負荷。與傳統(tǒng)機械粉碎相比，其在能耗控制與產(chǎn)物粒度分布優(yōu)化方面優(yōu)勢顯著，目前已在銅金礦、磷灰石-霞石正長巖等礦物加工中開展試驗，為粗粒級礦物預富集提供了極具潛力的技術方案。

圖3 高壓電脈沖設備結構示意圖

高效破碎設備：

突破傳統(tǒng)機制的碎磨核心升級

VeRo Liberator：湍流場驅動的高效沖擊破碎設備

如圖4所示，VeRo Liberator通過結構創(chuàng)新構建高效沖擊破碎機制，其核心設計為垂直中軸系統(tǒng)配備多層級沖擊鋼錘。工作時，鋼錘以高速順時針與逆時針相對旋轉，形成高度湍流的氣固兩相流場，借助高效動量傳遞，沖擊能量優(yōu)先作用于礦物晶界區(qū)域。利用不同礦物間的硬度與脆性差異實現(xiàn)選擇性破碎，有效避免過粉碎問題。設備采用模塊化設計，可根據(jù)處理量需求調整錘擊層數(shù)與旋轉速度，具備優(yōu)異的工藝適應性。目前，VeRo Liberator 已在南非礦山實現(xiàn)工業(yè)化應用，在鎢-錫-鉬復合礦石及多金屬礦等復雜礦物加工中，展現(xiàn)出較粗粒度下高效解離的優(yōu)異性能。

圖4 VeRo Liberator沖擊破碎過程示意圖

共軛砧錘式破碎技術（CAHM）：復合破碎機制的節(jié)能設備

如圖5所示，共軛砧錘式破碎機融合了沖擊破碎與層壓粉碎雙重優(yōu)勢，其核心結構由帶凹槽的外環(huán)（砧環(huán)）與裝有錘頭的內環(huán)組成，兩者同步旋轉形成復合受力場，優(yōu)化了作用力傳遞路徑，使物料在復合作用力下實現(xiàn)高效破碎。原型機在Agnico Eagle中硬礦石的中試試驗中展現(xiàn)超設計產(chǎn)能 120% 的處理能力，比能耗低于高壓輥磨機基準值，且產(chǎn)品粒度分布呈現(xiàn)出“粗粒級更細、細粒級更粗”的理想特征。目前CAHM已被加拿大礦業(yè)創(chuàng)新委員會認定為新型節(jié)能破碎設備，有望替代傳統(tǒng)高能耗破碎機及半自磨機，具有推動破碎環(huán)節(jié)能效升級的潛力。

圖5 CAHM錘頭-砧板嚙合結構示意圖

高壓輥磨機（HPGR）：層壓粉碎理論的工業(yè)化應用典范

高壓輥磨機（HPGR）以層壓粉碎理論為核心，是現(xiàn)代破碎技術成熟化發(fā)展的代表裝備。如圖6所示，其核心結構包括一對相對旋轉的破碎輥（動輥與定輥），物料進入兩輥間隙后，動輥在液壓系統(tǒng)驅動下施加高壓，使物料形成緊密顆粒床。物料在擠壓與剪切應力的共同作用下發(fā)生選擇性破碎。自1977年問世以來，HPGR應用范圍從水泥行業(yè)逐步拓展至鐵礦石、金伯利巖、金礦等高硬度礦石。當前，HPGR已從單一設備應用邁向流程化與系統(tǒng)化階段，與塔磨機、攪拌磨機等設備協(xié)同組合流程的工藝已實現(xiàn)工業(yè)驗證，在銅-鉬-金礦、含鉑族元素（PGE）的鉻鐵礦加工中，展現(xiàn)出能耗降低、介質消耗減少、分選效果優(yōu)化的綜合價值。

圖6 高壓輥磨機示意圖

旋回輥式破碎機（GRolls）：多力協(xié)同的新型破碎技術

如圖7所示，旋回輥式破碎機（GRolls）通過輥系結構創(chuàng)新，引入“V”形主旋轉驅動輥與對置回轉輥嚙合的核心設計，主輥提供基礎破碎動力，回轉輥的偏心運動則產(chǎn)生高頻脈沖力，兩者協(xié)同形成“脈沖-剪切”復合作用場。該機制可同時觸發(fā)沖擊破碎、顆粒間壓縮、誘導拉伸斷裂及顆粒剪切等多重效應，從而實現(xiàn)物料高效破碎。目前，GRolls已完成實驗室性能驗證并進入中試階段，為碎磨系統(tǒng)節(jié)能降耗提供了新的技術路徑。

圖7 GRolls輥系結構示意圖

EDS多軸破碎設備：高頻碰撞驅動的低耗破碎方案

如圖8所示，EDS多軸破碎設備以多軸沖擊結構為核心，通過多組水平旋轉軸與拋料裝置構建復合高速沖擊系統(tǒng)。該系統(tǒng)依托高頻、多方向碰撞實現(xiàn)物料高效低耗破碎。針對UG2礦石的中試結果顯示，該設備具有破碎比大、單位能耗低的突出優(yōu)勢，產(chǎn)品粒度分布合理—粗粒級占比減少而細粒級不過度生成，兼具節(jié)能降耗與產(chǎn)物質量控制的雙重優(yōu)勢。EDS技術為礦物破碎環(huán)節(jié)突破高耗瓶頸、提升經(jīng)濟性提供了可靠的工程化方向。

圖8 EDS 多軸破碎設備、工作原理和破碎設備內部結構示意圖

新型磨礦設備：

結構創(chuàng)新驅動應用邊界拓展

• 立式輥磨機（VRM）：集成化粉磨的能效升級設備

立式輥磨機（VRM）作為集粉磨與分級于一體的集成化技術裝備，可以顯著優(yōu)化磨礦流程（圖9）。其工作機制遵循“精準粉磨+高效分級”原則：物料經(jīng)中央入口進入旋轉磨盤，在離心力作用下向外運動，進入磨輥與磨盤之間的粉磨區(qū)，通過擠壓與剪切實現(xiàn)高效粉磨；粉磨后的物料隨氣流進入分級區(qū)，細顆粒作為合格產(chǎn)品被分離收集，粗顆粒返回磨盤循環(huán)粉磨。VRM最初應用于水泥原料制備，現(xiàn)已廣泛應用于黃銅礦、磁鐵礦等金屬礦物加工領域，展現(xiàn)出高解離效率、低能耗與較低設備磨損的優(yōu)勢，為解決傳統(tǒng)磨礦能耗高的問題提供了可行的節(jié)能解決方案。

圖9 Loesche立式輥磨機示意圖

• 立式攪拌磨機（HIG mill）：寬粒度適配的磨礦創(chuàng)新設備

立式攪拌磨機憑借核心結構革新，突破傳統(tǒng)攪拌磨機的應用局限，形成HIG mill 與 VPM?兩大產(chǎn)品系列，覆蓋細磨、超細磨與粗磨領域，其工作原理如圖10所示。其中，HIG mill針對細磨與超細磨需求設計，采用分置式進出料布局，定子環(huán)與旋轉研磨轉子共同構成多級研磨區(qū)，驅動礦漿形成活塞流運動，消除短路與死區(qū)效應，離心分區(qū)作用使粗細顆粒分區(qū)研磨，減少過磨并提升能量利用率。目前，HIG mill研磨腔容積已達50000 L，驅動功率最高7150 kW，是行業(yè)內首個安裝功率超 6500 kW 的細磨設備，滿足大規(guī)模連續(xù)細磨需求。聚焦粗粒級物料磨礦需求，在HIG Mill基礎上，通過增大研磨轉子、襯板與定子環(huán)間距，構建寬體腔室結構，形成適用于粗磨應用領域的VPM?。目前，首臺大型工業(yè)VPM?磨機已啟動調試，為粗磨工藝與HPGR等節(jié)能設備的組合應用提供了技術支撐。

圖10 立式攪拌磨機工作原理圖

碎磨技術發(fā)展趨勢：

從單點創(chuàng)新邁向系統(tǒng)優(yōu)化

當前新型碎磨技術在節(jié)能降耗與礦物解離優(yōu)化方面已取得顯著進展，但面對低品位、復雜嵌布礦產(chǎn)資源的開發(fā)需求，仍需突破技術成熟度與流程協(xié)同等瓶頸。未來，碎磨技術將朝著定制化、耦合化與系統(tǒng)化方向發(fā)展：

? 定制化流程設計：基于“數(shù)字礦石”模型庫，構建礦石特性—工藝參數(shù)匹配體系，實現(xiàn)碎磨過程定制化設計；

? 工藝深度耦合：推動“粉碎-分選”一體化優(yōu)化，如在破碎回路中引入粗粒浮選以降低無效能耗；

? 多維度效益評價：建立涵蓋能耗、成本、回收率與環(huán)境影響的全生命周期評價體系，為設備選型與流程優(yōu)化提供科學依據(jù)。

本文成果來源

李麗匣,李楠,劉飛飛,等.新型碎磨技術與裝備的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J/OL].金屬礦山,1-20.

作者簡介

李麗匣

東北大學教授，博士生導師

主要從事復雜難選金屬礦選礦理論及技術、選礦廠設計等領域的教學研究工作。加拿大英屬哥倫比亞大學訪問學者，冶金礦山行業(yè)專家委員會委員、國際礦物加工論壇 (土耳其)專家委員會委員。兼任遼寧省礦石高效碎磨工程中心主任、遼寧省磁選設備專業(yè)技術創(chuàng)新中心主任、《金屬礦山》編委、《International Journal of Mining Science and Technology》青年編委、《Minerals》特刊“Recent Advances in Ore Comminution”主編。

主持國家自然科學基金項目4項、國家重點研發(fā)計劃項目子課題3項、省部級項目12項、企業(yè)委托項目41項，授權中國發(fā)明專利21項、美國專利1項、軟件著作權4項。4項科技成果達到國際領先水平，8項科技成果獲得省部級科技進步一等/二等獎。出版學術專著6部、發(fā)表SCI檢索論文81篇，中文核心期刊論文49篇。與加拿大、美國、巴西、土耳其、蒙古國等國著名礦業(yè)高校及研究機構具有長期穩(wěn)定的合作關系，在國際學術會議上作大會邀請報告4次、分會場報告8次，擔任分會場主席8次。

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學會主辦，主編為中國工程院王運敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學術論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學術期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學文摘（CA）、美國劍橋科學文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學技術振興機構數(shù)據(jù)庫（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質勘探等領域具有重大學術價值或工程推廣價值的研究成果，優(yōu)先報道受到國家重大科研項目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國科技信息研究所發(fā)布的《2024中國科技期刊引證報告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術學科核心期刊第1位；根據(jù)中國知網(wǎng)發(fā)布的《中國學術期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

供稿：楊 婷

編排：余思晨

審核：王小兵

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