礦物碎磨作為選礦工藝中的關鍵環節，其“高能耗、低效率”一直是礦業領域的痛點問題。實現碎磨作業的“高效、節能、綠色”，是全球礦業共同關注的焦點。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狀與發展趨勢進行了系統性梳理，從預處理技術到高效節能碎磨設備，一系列創新正推動礦物加工向低耗、智能與綠色方向發展。

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，實現了礦石粉碎方式的創新突破。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，通過快速降壓誘發瞬時氣化膨脹，在礦石內部產生強烈拉應力，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，該方法不僅實現了水資源的零消耗，還依托CO?的可循環利用特點，與全球碳捕獲與封存（CCS）戰略高度契合，可構建綠色、閉環的生產系統。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礦物高效解離。其核心原理是利用高壓泵將礦漿加壓，經特制噴嘴形成對噴式高速射流，使礦物顆粒在碰撞腔內發生劇烈碰撞與剪切，促使礦物沿晶界產生選擇性斷裂，從而實現目標礦物的高效解離，如圖2所示。相較于傳統磨礦工藝，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次數等參數，即可在較粗入料粒度下實現高效解離。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，展現出解離效率高和運行穩定性強的綜合優勢。

圖2 HPSA碰撞腔

微波輔助粉碎技術：介電差異驅動的節能預處理手段

微波輔助粉碎技術以礦物介電特性差異為核心創新點，通過高功率微波實現選擇性加熱預處理。由于礦石中不同礦物組分的介電常數和損耗因子存在差異，高功率微波加熱過程中，礦石內部會產生非均勻溫度場，從而誘發熱應力集中并形成微裂紋網絡。這種預裂作用顯著改善了后續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，開發出中試規模的微波處理系統，并在銅礦、鎳礦加工中實現了磨礦能耗降低與金屬回收率提升的協同效應，為預處理技術的工業化應用奠定了基礎。

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，放電優先沿礦物晶界或弱結合界面擴展，進而實現選擇性粉碎，使有用礦物在粗粒階段即可高效解離，降低后續磨礦負荷。與傳統機械粉碎相比，其在能耗控制與產物粒度分布優化方面優勢顯著，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通過結構創新構建高效沖擊破碎機制，其核心設計為垂直中軸系統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，沖擊能量優先作用于礦物晶界區域。利用不同礦物間的硬度與脆性差異實現選擇性破碎，有效避免過粉碎問題。設備采用模塊化設計，可根據處理量需求調整錘擊層數與旋轉速度，具備優異的工藝適應性。目前，VeRo Liberator 已在南非礦山實現工業化應用，在鎢-錫-鉬復合礦石及多金屬礦等復雜礦物加工中，展現出較粗粒度下高效解離的優異性能。

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勢，其核心結構由帶凹槽的外環（砧環）與裝有錘頭的內環組成，兩者同步旋轉形成復合受力場，優化了作用力傳遞路徑，使物料在復合作用力下實現高效破碎。原型機在Agnico Eagle中硬礦石的中試試驗中展現超設計產能 120% 的處理能力，比能耗低于高壓輥磨機基準值，且產品粒度分布呈現出“粗粒級更細、細粒級更粗”的理想特征。目前CAHM已被加拿大礦業創新委員會認定為新型節能破碎設備，有望替代傳統高能耗破碎機及半自磨機，具有推動破碎環節能效升級的潛力。

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化應用典范

高壓輥磨機（HPGR）以層壓粉碎理論為核心，是現代破碎技術成熟化發展的代表裝備。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生選擇性破碎。自1977年問世以來，HPGR應用范圍從水泥行業逐步拓展至鐵礦石、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化階段，與塔磨機、攪拌磨機等設備協同組合流程的工藝已實現工業驗證，在銅-鉬-金礦、含鉑族元素（PGE）的鉻鐵礦加工中，展現出能耗降低、介質消耗減少、分選效果優化的綜合價值。

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生高頻脈沖力，兩者協同形成“脈沖-剪切”復合作用場。該機制可同時觸發沖擊破碎、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，為碎磨系統節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。該系統依托高頻、多方向碰撞實現物料高效低耗破碎。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勢，產品粒度分布合理—粗粒級占比減少而細粒級不過度生成，兼具節能降耗與產物質量控制的雙重優勢。EDS技術為礦物破碎環節突破高耗瓶頸、提升經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，通過擠壓與剪切實現高效粉磨；粉磨后的物料隨氣流進入分級區，細顆粒作為合格產品被分離收集，粗顆粒返回磨盤循環粉磨。VRM最初應用于水泥原料制備，現已廣泛應用于黃銅礦、磁鐵礦等金屬礦物加工領域，展現出高解離效率、低能耗與較低設備磨損的優勢，為解決傳統磨礦能耗高的問題提供了可行的節能解決方案。

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新設備

立式攪拌磨機憑借核心結構革新，突破傳統攪拌磨機的應用局限，形成HIG mill 與 VPM?兩大產品系列，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，定子環與旋轉研磨轉子共同構成多級研磨區，驅動礦漿形成活塞流運動，消除短路與死區效應，離心分區作用使粗細顆粒分區研磨，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，是行業內首個安裝功率超 6500 kW 的細磨設備，滿足大規模連續細磨需求。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VPM?磨機已啟動調試，為粗磨工藝與HPGR等節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

碎磨技術發展趨勢：

從單點創新邁向系統優化

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

? 定制化流程設計：基于“數字礦石”模型庫，構建礦石特性—工藝參數匹配體系，實現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、回收率與環境影響的全生命周期評價體系，為設備選型與流程優化提供科學依據。

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狀與發展趨勢[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技術創新中心主任、《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、國家重點研發計劃項目子課題3項、省部級項目12項、企業委托項目41項，授權中國發明專利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高校及研究機構具有長期穩定的合作關系，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，現為北大中文核心期刊、中國科技論文統計源期刊（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、華東地區優秀期刊，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據庫（JST）等世界著名數據庫收錄。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。根據科技部中國科技信息研究所發布的《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種礦業工程技術學科核心期刊第1位；根據中國知網發布的《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種礦業期刊第9位。

供稿：楊 婷

編排：余思晨

審核：王小兵

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