制造世界上最大的高压辊磨机

美卓HRC™3000是新一代的高压辊磨机(HPGR),其消除了传统高压辊磨机的固有缺陷,可使矿山行业的能效提升至一个新高度。

背景介绍

Morenci铜矿Metcalf选矿厂的矿石为斑岩铜矿,功指数11.5 – 19 kWh/t,矿石硬度Axb值45 - 67。Metcalf选矿厂于2014年5月投入运行,平均设计生产能力63,500吨/天,这使Morenci铜矿的总产量提高至113,400吨/天。HRC™ HPGR的给料物料为中碎圆锥破碎机的产品,粒度F80=26 mm、最大粒度50mm。HRC™ HPGR安装在一个闭路回路中,并配备有一台筛孔为8mm的湿筛,其产品喂入两台7.3m (24 ft)球磨机。

迫于矿石品位下降和能源成本提高的经营压力,矿山行业急需获得更高能效的解决方案。Freeport-McMoRan(简称FMI)铜矿也不例外。在建设其位于美国亚利桑那州Morenci铜矿山的Metcalf选矿厂项目中,FMI与美卓合作安装了革命性的碎磨工艺回路。

以最高能效为目标

众所周知,破碎回路的效率高于传统的半自磨回路。然而,对于大型选矿厂而言,破碎回路需要的设备数量更多,使得生产和维修更复杂。从另一方面来说,半自磨回路虽然效率较低,但操作简单、辅助设备数量少。

Metcalf选矿厂的目标是,构建高能效的高压对辊破碎回路,以满足整个选厂的产能需求。此外,这台HPGR不仅要比市场上的现有机型更大,而且还要消除传统HPGR的某些固有缺陷,包括偏移和边缘效应等。

因此,美卓开发了世界上最大的高压辊磨机HRC™3000,其总重量达900吨,辊子直径3m,宽度2m,总装机功率11,400kW。根据不同应用,该设备的总产能可超过5,400吨/小时。

拱形机架消除偏移

在设计HRC™3000之前,美卓设计团队的主要任务是开发出能够满足硬岩加工特定需求的HPGR。经考量后,必须消除诸如辊子偏移、边缘效应和辊子磨损不均等设备固有的技术缺陷,以确保实现美卓的设计理念。

HRC™ HPGR的最初设计理念是设计专利的拱形机架,以吸收不平衡负荷和消除因偏移而导致的生产中断。偏移是由于给料分布不均匀而致使两个辊轴不平行。在HRC™ 类型的高压辊磨机上,拱形机架两侧装入带销机架中。机架顶部的液压油缸施加破碎力。借助枢轴拱形机架的机械优势,液压缸仅施加一半破碎力。如同坚果钳采用机械杠杆原理增加破碎力一样。

除了使用拱形机架消除因偏移而导致的生产中断外,还可使用法兰式辊子实现同样效果。这种设计是,一个辊子栓接于其侧面的一组法兰。法兰可解决传统HPGR固有的边缘效应,即辊子边缘部分的碎磨效率下降。法兰栓接在辊子上,与矿石同方向和同速度转动,可将料层保持在破碎区内。这与安装在辊子边缘附近的传统固定式颊板布置方式截然不同。

法兰使压力分布更均匀

美卓在辊子内装有压力传感器的实验型HPGR上实施了一系列试验。在传统的颊板型HPGR上,辊子边缘的压力远低于中心部位。因此,边缘部分的产品粒度较大。反之,采用法兰替代颊板后,辊子整个宽度上的压力分布更加一致。这意味着充分利用了辊子的整个宽度进行破碎。

破碎矿石时,存在一个给料的最佳破碎力。低于这个最佳破碎力,产量下降;而高于最佳破碎力,则能效下降。所以,在辊子整个宽度上保持一致的压力很重要,可以使最佳压力作用在整个料层上。在采用传统颊板设计的情况下,一般通过提高系统总压力,来增加辊子边缘的碎裂量。但是,这样会使辊子中间部位的压力过高,导致能源浪费并加大中间区域的磨损。此外,选择柱钉硬度和成分时,需要考虑与颊板相关的较高局部压力,以防止柱钉断裂。试验结果坚定了设计团队在中试装置上实施法兰式HPGR试验的信心。

中试试验验证实验结果

安装HRC™3000之前,Morenci选矿厂安装了一套中试装置,以试验HRC™ HPGR。

中试装置包含1台HRC™ HPGR(辊子750 mm x 400 mm)、1台一级湿式振动筛和二级湿式振动筛。两台湿式振动筛的筛上物被喂入HRC™ HPGR,而其筛下物则被转运至下游工艺。中试装置的产能随工艺配置有所不同,但在绝大多数情况下约为50 - 70 tph。喂入HRC™ HPGR的F80差异显著,粒度范围11 mm或+16 mm。

共在中试装置上实施了12次工艺测试,以便更好地了解法兰式辊子对HRC™ HPGR工艺性能的影响。边缘效应试验的测试结果显示,与传统颊板式HPGR相比,在所有条件和压力下,法兰可在辊子整个宽度上实现更多破碎,并提高HRC™ HPGR的产量。平均可降低工艺回路比能耗13.5%和循环负荷24%,并同时提高比通过量19%。

除验证设计外,中试试验的目的还在于更好地了解回路性能,并为操作人员提供操作和维护保养经验。

从解决问题到成功安装

HRC™3000的产能是之前使用的最大型号的HPGR的两倍。设计原型机放大50多倍后,无法预知可能出现的问题。在HRC™3000最终设计确定前,进行了一系列结构分析,以确保拱形机架设计合理。

在消除传统HPGR的某些设计问题的同时,也引入了新的设计理念。例如,需要精心设计枢轴拱形机架与辊子总成和固定式防尘密封罩与给料溜槽之间的连接。开发整体过铁释放系统,从而无需额外增加基础设施。

2013年9月,Metcalf 选矿厂开始安装HRC™3000。美卓提供了安装人员和现场服务监督,以确保设计与安装团队间的密切沟通。

需要考虑安装阶段的大型组件尺寸。必须协调从仓库到选厂车间的重达97吨轴的运输,以适时安排卡车和所需的天车。

需要构筑能够支承HRC™3000这样大型设备的坚固基础。很多情况下,钢结构与设备间的实际尺寸与原设计有所不同。在某些情况下,补救办法并非是简单易行的解决方案。例如,安装液压油缸时,原设计的钢构架间距无法满足液压油缸的安装需要。需要使用不同的吊装设备使油缸就位。此外,必须仔细考虑维护保养需求,以确保大型组件拆装时的安全通道。钢结构塔内设计有20吨天车,以吊装料斗和给料导板。另外,还需使用0.5吨机器人臂来维护边缘护板和分段式法兰。

可喜的成果

HRC™3000是迄今为止已投入运行的最大的HPGR。撰写本文时,其已运行11,000多个小时,破碎46,100,000吨矿石。HPGR回路的总矿石加工量超过30,600,000吨。

HRC™3000法兰式辊子的操作优势远超预测。表1所示为HRC™3000基于中试实验预测值与实际运行结果的比较。超预期的设备产能和破碎量,提高了回路产量和降低了回路比能耗。此外,法兰使辊子整个宽度上的压力分布均匀。这样,可安装硬度更高的柱钉,从而延长辊皮的使用寿命。

表1-运行结果

 

预测*

实际**

辊子间隙 (mm)

99

95 – 125

比通过量(t∙s/m3-hr)

276

310 – 360

循环负荷 (%)

58 – 85

40 - 60

比能耗 (kW∙h/mt)

1.5

1.10 – 1.25

*基于法兰中试实验

**数据以标准工作压力3.0 N/mm2为基础

另外,与传统磨机相比,HRC™3000赋予工艺回路更大的灵活性。开机时改变转速和压力,可以满足下游工艺不断变化的需求。例如,在破碎硬度更高的矿石时,可以提高压力。HRC™3000能够以30%的额定转速运行,从而有效调节产量。在正常操作条件下,单台HRC™ HPGR可为两台7.3m (24 ft)球磨机给料。而在1台球磨机停机的情况下,可降低HRC™ HPGR的产量,只为1台球磨机供料,以保持选矿厂的持续运行。