隨著高品位易選礦石資源日漸枯竭，當(dāng)前利用礦石多呈現(xiàn)低品位、細粒嵌布、多金屬共生的復(fù)雜特性。這類礦石中，有價礦物與脈石礦物的嵌布粒度細至微米級，必須通過細磨或超細磨處理，才能實現(xiàn)兩者的有效單體解離。然而，傳統(tǒng)磨礦設(shè)備普遍存在能量利用率低、易發(fā)生過磨等問題，不僅會增加能耗，還會導(dǎo)致有價礦物難以回收，嚴重制約了低品位礦、復(fù)雜共生礦的開發(fā)效率。在此背景下，以摩擦研磨為施力方式的攪拌磨機受到廣泛關(guān)注，其能量利用率顯著優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)備，憑借研磨介質(zhì)填充率高、能量密度大、超細磨礦效果優(yōu)的核心優(yōu)勢，正逐步取代傳統(tǒng)球磨機，在提升礦物解離度、降低單位磨礦能耗方面展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。

更值得關(guān)注的是，當(dāng)選擇性細磨與精準(zhǔn)解離技術(shù)融入礦用攪拌磨機后，這一裝備進一步成為破解低品位礦、復(fù)雜共生礦選冶技術(shù)難題的關(guān)鍵。從發(fā)展歷程來看，礦用攪拌磨機經(jīng)歷了從小型到大型、從單一功能到集成化的迭代升級：立式螺旋攪拌磨機、臥式攪拌磨機、高強度攪拌磨機等不同類型產(chǎn)品，分別在有色金屬、黑色金屬等不同金屬礦的細磨、超細磨或再磨環(huán)節(jié)發(fā)揮獨特優(yōu)勢；每一次機型革新，都對應(yīng)著磨礦效率、能耗控制等核心指標(biāo)的優(yōu)化提升。而不同設(shè)備的結(jié)構(gòu)特性也與應(yīng)用場景高度匹配，如塔磨機的垂直研磨結(jié)構(gòu)、雙槽攪拌磨機的雙腔協(xié)同作業(yè)模式、臥式艾薩磨機的水平布置高強度磨礦設(shè)計，精準(zhǔn)適配了不同礦物加工的實際需求。

“十四五”國家重點研發(fā)計劃項目（編號：2022YFC2904602）、中國五礦集團科技專項（編號：23-C4JM001）的支持下，張國旺團隊礦用攪拌磨機的發(fā)展歷程、創(chuàng)新技術(shù)及主要產(chǎn)品類型進行了系統(tǒng)梳理。通過明晰各類設(shè)備的技術(shù)特點與適用范圍，團隊為選擇性細磨精準(zhǔn)解離技術(shù)設(shè)備的深度融合提供了清晰路徑，能夠有效解決實際生產(chǎn)中礦物解離不充分、磨礦能耗過高等痛點。相關(guān)成果發(fā)表在《金屬礦山》11期“礦物粉碎技術(shù)研究進展”專題。

作者簡介

張國旺

博士，教授級高工

博士生導(dǎo)師

畢業(yè)于中南大學(xué)，享受國務(wù)院特殊津貼專家。曾任長沙礦冶院資源所副所長、礦冶裝備所所長、金磨科技公司總經(jīng)理和長沙礦冶研究院副總工程師。中國顆粒學(xué)會理事，中國金屬學(xué)會選礦學(xué)會理事，中國非金屬礦協(xié)會常務(wù)理事和湖南省機械學(xué)會常務(wù)理事。長期從事超細磨技術(shù)和選礦裝備的研發(fā)及應(yīng)用工作，在超細磨裝備技術(shù)的研制和大型化上發(fā)揮了關(guān)鍵作用，研發(fā)的立式攪拌磨機已在國內(nèi)外金屬礦和非金屬礦應(yīng)用800多臺（套）。在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表超細粉碎相關(guān)論文80余篇，出版《超細粉碎設(shè)備及其應(yīng)用》和《現(xiàn)代選礦技術(shù)手冊破碎篩分磨礦分級》專著2部，編寫《無機鹽工藝學(xué)》（粉碎部分）。獲國家發(fā)明和實用新型專利12項，獲湖南省科學(xué)技術(shù)進步獎二等獎、中國冶金礦山科學(xué)技術(shù)獎二等獎和中國五礦科學(xué)技術(shù)進步獎一等獎等。曾榮獲全國“講理想、比貢獻”科技創(chuàng)新標(biāo)兵，中國五礦勞動模范，中央企業(yè)知識型先進工作者和湖南省優(yōu)秀研究生導(dǎo)師等。

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1 礦用攪拌磨機的發(fā)展歷程

攪拌磨機的發(fā)展依托現(xiàn)代材料科學(xué)技術(shù)的進步,其應(yīng)用最早可追溯至涂料、顏料、油漆等精細化工行業(yè)。1928年,Klein與Szegvari博士率先提出攪拌磨機的工作原理,即在筒體內(nèi)部配置攪拌器與研磨介質(zhì),物料在攪拌器的驅(qū)動下,通過介質(zhì)間的相互作用實現(xiàn)充分研磨與粉碎,這一開創(chuàng)性理論為后續(xù)設(shè)備研發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。1939年,美國礦山局設(shè)計出一款用于浮選前礦物表面清理的設(shè)備,被認為是礦用攪拌磨機早期應(yīng)用的雛形。1946年,Szegvari博士創(chuàng)立UnionProcess公司,深耕攪拌研磨與分散技術(shù),推動攪拌磨機從實驗室階段邁向工業(yè)化應(yīng)用,為行業(yè)超細研磨需求提供解決方案。

20世紀(jì)50年代,美國杜邦公司開發(fā)出以硅砂為介質(zhì)的高速攪拌磨機(砂磨機),憑借高速攪拌帶來的高效研磨性能,迅速在顏料、油墨行業(yè)普及,其粉碎效率與產(chǎn)品細度控制能力不僅推動攪拌磨機在精細化工領(lǐng)域崛起,更引發(fā)礦業(yè)界對其應(yīng)用潛力的關(guān)注。礦用攪拌磨機的研發(fā)正是借鑒砂磨機技術(shù)原理,針對礦石硬度高、成分復(fù)雜的特性優(yōu)化設(shè)備參數(shù)與材質(zhì),重點強化攪拌裝置與研磨介質(zhì)的適配性研究。

20世紀(jì)60至80年代,隨著易選高品位礦石資源減少,低品位、細粒嵌布礦石的處理需求凸顯,傳統(tǒng)球磨機難以實現(xiàn)有效解離,立式攪拌磨機因占地面積小、介質(zhì)填充率高、研磨強度大的優(yōu)勢脫穎而出。20世紀(jì)60年代,澳大利亞礦物加工研究所開展塔磨機的基礎(chǔ)研究,證實其對細粒硫化礦的解離效果優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)備,節(jié)能效率達30%~40%;20世紀(jì)70年代,德國洪堡公司推出首臺工業(yè)級立式攪拌磨機,在南非某金礦實現(xiàn)50 t/h處理量,產(chǎn)物中-38 μm粒級占比達70%;20世紀(jì)80年代,長沙礦冶研究院、秦皇島設(shè)計院等單位啟動立式攪拌磨機試制,針對國內(nèi)鐵礦、銅礦細磨需求完成參數(shù)優(yōu)化,開啟國產(chǎn)化探索進程。

20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初,低品位復(fù)雜多金屬礦石處理需求激增,研磨產(chǎn)物粒度要求降至-38 μm甚至10 μm以下,推動攪拌磨機進入超細研磨技術(shù)突破期。這一階段的研發(fā)呈現(xiàn)兩大方向:一是介質(zhì)體系升級,向多材質(zhì)毫米級微型化發(fā)展,通過介質(zhì)球級配優(yōu)化減少礦物“過粉碎”,實現(xiàn)選擇性解離;二是設(shè)備大型化與連續(xù)化,塔磨機單機處理量提升至200 t/h。1994年,澳大利亞Xstrata公司研發(fā)臥式艾砂磨機,采用1~5 mm的研磨介質(zhì),可將硫化礦石磨至-10 μm占比90%,并在Mount Isa礦實現(xiàn)超細磨工業(yè)化應(yīng)用;1999年,澳大利亞世紀(jì)鋅礦引入21臺美卓SMD355立式攪拌磨機,通過高效摩擦、剪切、研磨,顯著提升鋅精礦再磨流程的效率與金屬回收率,同時降低能耗。

21世紀(jì)以來,高速攪拌磨機成為研發(fā)熱點。2012年,Outotec公司從STMMinerals獲得HIGmill技術(shù)礦業(yè)應(yīng)用授權(quán),將其引入金屬礦再磨領(lǐng)域;2018年,FlSmidth公司推出Vxpmill立式攪拌磨機,主要應(yīng)用于金礦、銅礦等金屬礦的細磨與再磨場景。上述2種設(shè)備通過提升攪拌線速度至20~30 m/s、采用?3~6 mm陶瓷珠介質(zhì)、介質(zhì)填充率達90%以上,可將礦石磨至1~5 μm。其功率密度可達350 kW/以上,是低速設(shè)備的5~10倍,借助15~30 m/s研磨盤線速度形成動態(tài)高壓區(qū),尤其適配嵌布粒度小于10 μm的微細粒硫化礦等難處理礦石。近年來,Isamill、HIGmill、Vxpmill等高速機型已在金、銅、鉬、鉛鋅、鎳礦等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。目前,澳大利亞、美國、德國、加拿大等國家的專業(yè)研究機構(gòu)持續(xù)深耕礦物加工細磨技術(shù),形成Tower mill、Vertimill、Isamill、SMDmill、HIGmill和Vxpmill等系列成熟機型。國內(nèi)攪拌磨行業(yè)發(fā)展迅速,已開發(fā)立式螺旋攪拌磨機(塔磨機)、高速攪拌磨機、臥式砂磨機等多種機型,其中JM系列立式螺旋攪拌磨礦機可將物料磨至1 μm以下,節(jié)能效率較臥式球磨機提升30%以上,已在紫金礦業(yè)、金堆城鉬業(yè)等企業(yè)的金礦、鉬礦、稀土礦加工中規(guī)模化應(yīng)用。設(shè)備不斷向大型化升級,廣泛服務(wù)于礦業(yè)細磨與超細磨場景,成為低品位礦石高效利用的核心裝備

2 礦用攪拌磨機的創(chuàng)新研究

礦用攪拌磨機的創(chuàng)新研究圍繞傳統(tǒng)磨礦設(shè)備在細磨效率、精準(zhǔn)解離、能耗控制及礦物適應(yīng)性等方面的瓶頸展開,通過結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作參數(shù)優(yōu)化、耐磨材料創(chuàng)新應(yīng)用、智能控制、工藝集成創(chuàng)新及選擇性細磨精準(zhǔn)解離技術(shù)等多維度突破,實現(xiàn)對低品位微細粒復(fù)雜礦石的高效處理。

2. 1 結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)創(chuàng)新是提升攪拌磨機性能的核心途徑,通過優(yōu)化攪拌器、筒體襯板及介質(zhì)運動方式,可實現(xiàn)研磨強度與能耗的精準(zhǔn)匹配。

數(shù)值模擬技術(shù)是揭示攪拌磨機內(nèi)部流場、介質(zhì)運動及能量傳遞規(guī)律的核心手段。長沙礦冶研究院采用CFX軟件與離散元法(DEM),對螺旋式、棒式、盤式3種攪拌器的流場與介質(zhì)運動進行模擬,如圖1所示。結(jié)果表明:盤式攪拌器圓周流場具有完全周期對稱性,無速度梯度,但高剪切率區(qū)域體積分數(shù)最小;棒式攪拌器圓周流場速度梯度最顯著;螺旋式攪拌器高剪切率區(qū)域體積分數(shù)最大,但分布均勻性低于棒式。

圖1　三種攪拌器中垂直于轉(zhuǎn)軸截面上的速度的等值線圖

SINNOTT等通過DEM法對中試規(guī)模立式磨機(螺旋攪拌器、棒形攪拌器)的介質(zhì)流態(tài)、能量吸收及磨損特性展開分析。如圖2所示,對于螺旋攪拌器,介質(zhì)圍繞螺旋軸形成強回旋流,沿軸向循環(huán)運動,在“螺旋葉片外緣-筒體內(nèi)壁”環(huán)形區(qū)域緩慢下沉,運動狀態(tài)呈柱對稱性且與高度無關(guān);螺旋葉輪外緣處速度、壓力及介質(zhì)能量吸收率最大,隨半徑增大而遞減,該徑向分布可改善混合效果與磨礦性能,能量主要耗散于剪切、磨剝作用,且介質(zhì)的磨礦參與率極高。對于棒形攪拌器,高壓區(qū)集中于棒體周圍及主軸附近,介質(zhì)在磨機中部及上部以圓周運動為主,軸向隨機運動微弱,混合效果差;能量吸收率隨高度上升顯著下降,高能量吸收區(qū)域僅局限于棒體附近(尤以底部兩根棒體周圍最突出),磨礦行為集中于該區(qū)域,介質(zhì)參與率低。

圖2 攪拌磨螺旋攪拌器和棒形攪拌器的DEM介質(zhì)球運動分析

KWADE等針對攪拌磨機內(nèi)應(yīng)力強度與物料粉碎特性的關(guān)聯(lián)性展開研究,指出應(yīng)力發(fā)生概率與介質(zhì)碰撞次數(shù)、顆粒捕獲概率及顆粒數(shù)量相關(guān),并定義“介質(zhì)捕獲被研磨顆粒的概率”與“介質(zhì)間有效空間”的概念。KEIKKALA等采用DEM法對比HIGmill中平圓盤轉(zhuǎn)子與GrindForceTM轉(zhuǎn)子的性能,如圖3所示。結(jié)果顯示:平圓盤轉(zhuǎn)子表面存在研磨珠打滑現(xiàn)象,而GrindForceTM轉(zhuǎn)子通過圓盤凸齒結(jié)構(gòu)固定研磨珠自生成層,可有效抑制打滑;此外,凸齒結(jié)構(gòu)能將珠間剪切作用從轉(zhuǎn)子附近向研磨珠總體積內(nèi)部傳遞,提升磨機內(nèi)部空間利用率與物料停留時間。在HIGmill中,將葉片間距減小25%,可減少介質(zhì)“死區(qū)”,磨礦效率提升18%。相同功耗條件下,平圓盤轉(zhuǎn)子需維持2~3倍于GrindForceTM轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速;現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)表明,平圓盤轉(zhuǎn)子磨損壽命約1個月,而GrindForceTM轉(zhuǎn)子可達6~8個月。

圖3 HIGmill的攪拌器模擬優(yōu)化

針對高黏度礦漿易出現(xiàn)的“介質(zhì)沉降”問題,采用“上寬下窄”變徑筒體結(jié)構(gòu),配合螺旋導(dǎo)流板引導(dǎo)介質(zhì)沿軸向循環(huán)運動,可避免局部堆積;此外,開發(fā)雙向逆向攪拌技術(shù),通過雙軸反向旋轉(zhuǎn)攪拌器(如SMD立式攪拌磨的“內(nèi)外軸反向葉輪”),使介質(zhì)形成“徑向剪切流+軸向?qū)α鳌钡膹?fù)合流場,強化研磨效果。

2. 2 耐磨材料創(chuàng)新應(yīng)用

磨礦過程中介質(zhì)與筒體的磨損是設(shè)備運維的核心成本,通過耐磨材料研發(fā)與應(yīng)用優(yōu)化,可顯著延長關(guān)鍵部件壽命、降低能耗,相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)耐磨材料的選型與應(yīng)用、復(fù)合耐磨工藝與部件防護、襯板材料的場景化優(yōu)化及非金屬耐磨介質(zhì)的拓展應(yīng)用等方面。

(1)基礎(chǔ)耐磨材料的選型與應(yīng)用。通過選用高硬度、高韌性耐磨材料,直接提升筒體、襯板等部件的抗磨損能力。常規(guī)耐磨材料包括高鉻鉬合金、微晶陶瓷、硬質(zhì)合金及橡膠聚氨酯等,應(yīng)用此類材料可延長筒體壽命并降低設(shè)備能耗,適用于中低磨損強度的磨礦場景。針對高磨損工況(如高硬度礦石超細磨),開發(fā)外層高硬度耐磨層(如WC-Co合金涂層)、內(nèi)層高韌性基體(如低合金鋼)的梯度功能耐磨材料,可同時兼顧耐磨性與抗沖擊性,解決單一材料“耐磨則脆、韌性則易磨”的矛盾,進一步延長立磨機螺旋葉片的耐磨壽命。

(2)復(fù)合耐磨工藝與部件防護。通過特殊鑄造工藝或局部防護設(shè)計,強化關(guān)鍵部件的耐磨性能。某廠采用高鉻鑄鐵陶瓷復(fù)合鑄造工藝生產(chǎn)攪拌磨機葉片,即在高鉻鑄鐵材料表面熔鑄陶瓷顆粒形成陶瓷金屬復(fù)合層。該復(fù)合層的耐磨性能可達純高鉻材料的3~4倍,且復(fù)合層厚度僅為原備件厚度的1/3,可根據(jù)部件原磨損曲線針對性制作,在保證高耐磨性的同時兼具抗沖擊性;應(yīng)用結(jié)果顯示,陶瓷復(fù)合鑄造襯板葉片的使用壽命是傳統(tǒng)高鉻產(chǎn)品的2倍以上。部件防護方面,立磨機螺旋主軸下部螺旋面與主軸焊接面為磨損高發(fā)區(qū)域,大紅山礦業(yè)通過自主制作安裝陶瓷管、陶瓷片耐磨保護套,直接對磨損部位進行防護,有效延長設(shè)備使用壽命并提升作業(yè)率。

(3)襯板材料的場景化優(yōu)化。根據(jù)不同礦種、礦漿特性,選擇適配的襯板材料,同時優(yōu)化安裝方式以降低運維成本。攪拌磨機筒體襯板可根據(jù)工況選用合金鋼襯板、網(wǎng)格襯板、橡膠磁性襯板、陶瓷襯板及橡膠聚氨酯襯板等。例如,華聯(lián)鋅銦選廠為解決鋅粗精礦再磨塔磨機筒體襯板“壽命短、拆裝難”的問題,將原有襯板更換為橡膠磁性襯板。橡膠磁性襯板由耐磨橡膠與永磁體組成,通過磁性吸附安裝,無需螺栓固定,安裝過程僅需2 d完成,且具有不漏礦漿、工作環(huán)境清潔的優(yōu)勢,大幅降低維修人員勞動強度;應(yīng)用后,塔磨機筒體襯板使用壽命延長5倍以上,設(shè)備開機率顯著提升,同時簡化了拆裝流程,減少一線作業(yè)人員工作量。

(4)非金屬耐磨介質(zhì)的拓展應(yīng)用。非金屬耐磨介質(zhì)球的研發(fā)與應(yīng)用,不僅拓展了攪拌磨機選擇性細磨技術(shù)的發(fā)展空間,還可避免金屬介質(zhì)對某些礦物的污染。景德鎮(zhèn)百特威爾新材料有限公司研發(fā)的耐磨微晶瓷球,適用于礦山二段磨礦及二段后的超細磨場景。該瓷球通過控制漿料細度與粉體煅燒溫度獲得亞納米氧化鋁粉體,在原料粒級控制基礎(chǔ)上添加氧化物及特殊稀土材料,形成高韌性復(fù)合材料,既保證成型過程中材質(zhì)的均一性,又使介質(zhì)球具備高強度、高耐磨性。目前已在艾薩磨機和立磨機中成功應(yīng)用,為低品位、易污染礦物的精準(zhǔn)細磨提供了新方案。

2. 3 智能化與自適應(yīng)控制

通過傳感器集成、算法優(yōu)化與數(shù)字孿生技術(shù)的融合應(yīng)用,構(gòu)建磨礦過程“感知-決策-執(zhí)行”閉環(huán)控制系統(tǒng),實現(xiàn)對礦石性質(zhì)波動的動態(tài)適配,降低人工干預(yù)成本并提升運行穩(wěn)定性,相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新涵蓋多參數(shù)監(jiān)測、AI算法控制、數(shù)字孿生建模及智能介質(zhì)管理等方面。

(1)多參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)。通過在關(guān)鍵部位集成多類型傳感器,實現(xiàn)研磨環(huán)境與設(shè)備狀態(tài)的全面感知,為后續(xù)控制決策提供數(shù)據(jù)支撐。在筒體、攪拌軸等核心部件安裝振動、溫度、功率傳感器,同步配置激光粒度儀、近紅外光譜儀等,實時采集磨礦過程中的設(shè)備運行參數(shù)與物料特性數(shù)據(jù)。例如,在立磨機驅(qū)動軸上安裝溫度在線監(jiān)測系統(tǒng),可通過溫度變化趨勢反映磨機內(nèi)部襯板磨損、潤滑系統(tǒng)供油不足等潛在故障,幫助運維人員實時掌握設(shè)備健康狀態(tài)。美卓新一代VGX立式磨機已集成AI預(yù)測性維護功能,通過振動傳感器持續(xù)采集設(shè)備振動信號,結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法對數(shù)據(jù)進行分析,可提前7~14 d預(yù)警軸承磨損、襯板失效等故障。

(2)AI自適應(yīng)控制算法。基于礦石特性與磨礦參數(shù)的關(guān)聯(lián)模型,通過機器學(xué)習(xí)實現(xiàn)研磨參數(shù)的動態(tài)優(yōu)化,適配原礦性質(zhì)波動。以礦石硬度、嵌布粒度、原礦品位等實時數(shù)據(jù)為輸入,通過訓(xùn)練后的機器學(xué)習(xí)模型預(yù)測最優(yōu)研磨參數(shù),并自動下發(fā)至執(zhí)行機構(gòu)調(diào)整。系統(tǒng)通過傳感器和AI算法實時采集攪拌磨機的運行數(shù)據(jù)(如漿料濃度、設(shè)備溫度等),結(jié)合三維建模技術(shù)生成虛擬鏡像,可提前預(yù)警設(shè)備異常(如軸承過熱或攪拌效率下降),減少停機風(fēng)險。該方面中信重工做了大量創(chuàng)新工作。

(3)數(shù)字孿生磨礦系統(tǒng)。構(gòu)建與物理設(shè)備1∶1映射的虛擬模型,通過仿真模擬優(yōu)化運行參數(shù),實現(xiàn)“虛擬調(diào)試-實體應(yīng)用”的高效迭代。數(shù)字孿生模型實時接收物理設(shè)備的運行數(shù)據(jù),動態(tài)映射設(shè)備運行狀態(tài),可模擬不同給料量、攪拌速度下的能耗變化與礦物解離效果,為參數(shù)優(yōu)化提供虛擬驗證環(huán)境。構(gòu)建攪拌磨機的數(shù)字孿生模型,可支持虛擬調(diào)試不同工況,優(yōu)化攪拌時間和能耗分配。“數(shù)字孿生系統(tǒng)”在江銅集團德興銅礦大山廠磨浮工段7號球磨機上成功應(yīng)用,“孿生兄弟”可以在計算機里不分晝夜地監(jiān)測球磨機的運轉(zhuǎn)情況,一旦礦石性質(zhì)改變或磨礦系數(shù)不佳時,啟動自動判斷、決策,全自動控制率達98%以上,大幅減少了磨機功率、泵池液位等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的波動,實現(xiàn)智能調(diào)節(jié),穩(wěn)定磨礦流程。東北大學(xué)和中信重工正在開展在立磨機上的應(yīng)用研究工作。

(4)介質(zhì)控制系統(tǒng)。針對攪拌磨機介質(zhì)更換與補充過程中的高耗時、高風(fēng)險問題,開發(fā)自動化介質(zhì)處理系統(tǒng),提升運維效率與安全性。針對HIGmill的維護需求,Metso開發(fā)了介質(zhì)泵送系統(tǒng)(MPS)和裝填系統(tǒng)(MCS),將停機時間從10 h縮短至3 h,并減少80%的手動操作風(fēng)險。介質(zhì)泵送系統(tǒng)(MPS)適用于陶瓷介質(zhì)研磨設(shè)備(如HIGmillTM和介質(zhì)攪拌式磨機),用于停機檢查或維護前后的介質(zhì)轉(zhuǎn)移與存儲;典型配置包含介質(zhì)輸送泵組、漿料過濾篩以及用于存儲的料斗/倉體,可避免人工接觸陶瓷介質(zhì)導(dǎo)致的劃傷風(fēng)險。介質(zhì)裝填系統(tǒng)(MCS)適用于Vertimill?立磨機等鋼質(zhì)介質(zhì)設(shè)備,可自動化完成停機后的介質(zhì)卸出與維護后的介質(zhì)裝填,替代傳統(tǒng)人工鏟運方式。Met so開發(fā)的介質(zhì)提升系統(tǒng)(MLS)由裝載溜槽、專用罐籠、卸料倉及可選單軌起重機組成,主要用于大噸位鋼質(zhì)介質(zhì)的垂直轉(zhuǎn)運,適配大型立磨機的介質(zhì)補給需求。印度Odisha鐵礦項目,應(yīng)用了多臺Vertimill立磨機,其介質(zhì)球提升系統(tǒng)與MD礦漿泵、MHC旋流器組合,顯著優(yōu)化了磨礦回路。

2. 4 工藝集成創(chuàng)新

突破攪拌磨機單一磨礦定位,通過與選礦核心工藝(如浸出、磁選、浮選)及其他碎磨設(shè)備的深度集成,構(gòu)建“磨礦—分選”一體化或梯級化流程,實現(xiàn)流程縮短、能耗降低與資源回收率提升,工藝集成創(chuàng)新主要包括邊磨邊浸一體化、磨浮聯(lián)動、梯級碎磨聯(lián)合三種模式。

(1)邊磨邊浸一體化工藝系統(tǒng)。針對包裹體金、硫化礦包裹銀等難浸礦物,將攪拌磨機的細磨解離功能與浸出反應(yīng)過程同步融合,在研磨過程中實時實現(xiàn)目標(biāo)礦物暴露與浸出劑反應(yīng),避免傳統(tǒng)“先磨后浸”流程中礦物二次包裹或浸出不充分的問題。攪拌磨機筒體內(nèi)同時加入礦石、研磨介質(zhì)與浸出劑,在攪拌器驅(qū)動下,介質(zhì)通過剪切、磨剝作用破碎礦石,使包裹在脈石中的金粒(或其他目標(biāo)礦物)即時暴露,同步與浸出劑接觸并發(fā)生反應(yīng),生成可溶性金屬離子;通過實時控制研磨強度與浸出劑濃度,平衡解離效率與反應(yīng)速率。某難浸金礦[26]應(yīng)用該工藝后,金浸出率較傳統(tǒng)“磨礦—浸出”流程提高了0.49個百分點,氰化鈉和堿石灰用量分別降低了1 kg/t、1.47 kg/t,浸渣含金量降低了0.21 g/t,經(jīng)濟效益顯著

(2)攪拌磨-浮選柱/浮選機聯(lián)動系統(tǒng)。在攪拌磨機出口直接設(shè)置在線浮選槽,構(gòu)建“研磨—浮選”實時反饋閉環(huán),通過浮選指標(biāo)動態(tài)調(diào)整磨礦參數(shù),實現(xiàn)磨礦細度與浮選效率的精準(zhǔn)匹配,解決傳統(tǒng)流程中“磨礦與浮選脫節(jié)導(dǎo)致的過磨/欠磨”問題。攪拌磨機研磨后的礦漿直接進入在線浮選槽,通過浮選泡沫圖像分析儀實時監(jiān)測泡沫層厚度、顏色、流速等指標(biāo);將浮選數(shù)據(jù)反饋至磨礦控制系統(tǒng),若泡沫層過薄則提高攪拌速度或延長研磨時間,若泡沫層過厚且夾雜脈石則降低介質(zhì)填充率或減少給料量,動態(tài)優(yōu)化磨礦參數(shù)。金堆城鉬礦鉬粗精礦表面粘附雜質(zhì)、脈石顆粒及過剩油藥,導(dǎo)致精選次數(shù)高達7次,精礦品位難以達到要求且不穩(wěn)定,通過二段攪拌磨機細磨擦洗-浮選柱提質(zhì)聯(lián)動縮短工藝流程,顯著提升了精礦品位。

(3)梯級碎磨設(shè)備聯(lián)合工藝系統(tǒng)。將攪拌磨機與高壓輥磨機、傳統(tǒng)球磨機等設(shè)備按“粗碎—中磨—細磨”功能分工組合,構(gòu)建梯級碎磨流程。充分發(fā)揮不同設(shè)備的優(yōu)勢,實現(xiàn)礦石從大塊到微細粒的高效解離,尤其適用于低品位、細粒嵌布的鐵、銅、鎳等礦石。前序設(shè)備承擔(dān)“大粒度縮減”任務(wù),降低后續(xù)設(shè)備處理負荷;攪拌磨機作為終端細磨設(shè)備,負責(zé)將礦物解離至目標(biāo)粒度,保證目標(biāo)礦物充分暴露。某低品位鐵礦采用“高壓輥磨機(處理原礦至5~10 mm)—球磨機(中磨至-74 μm占60%)—立式攪拌磨(超細磨至-20 μm占80%~90%)”梯級聯(lián)合工藝。應(yīng)用后,鐵精礦品位從傳統(tǒng)單一球磨流程的62%提升至67%,尾礦品位從15%降至8%;同時,因各設(shè)備負荷匹配合理,綜合能耗較傳統(tǒng)流程降低30%。

2. 5 選擇性細磨技術(shù)

針對細粒嵌布、多金屬共生礦石,通過研磨介質(zhì)調(diào)控與工藝參數(shù)優(yōu)化,可實現(xiàn)目標(biāo)礦物的有效解離,同時降低能耗。

(1)研磨參數(shù)調(diào)控。基于不同礦物的硬度差異,通過調(diào)整攪拌強度、施力大小、施力頻率,以及磨礦介質(zhì)的尺寸與材質(zhì),優(yōu)化細磨效果。研究表明,采用攪拌磨機進行細磨時,磁鐵礦的解離度更高,可在后續(xù)磁選過程中獲得更高品位的鐵精礦;相較于球磨機,攪拌磨機更適用于產(chǎn)品粒度為10~30 μm的礦物細磨解離。

(2)預(yù)先分級設(shè)計。在攪拌磨機出口集成高效分級設(shè)備,可及時分離出合格細粒級產(chǎn)物,減少礦物過磨,因此,攪拌磨—分級系統(tǒng)的合理設(shè)計對提升研磨效率至關(guān)重要。攪拌磨機與水力旋流器組成閉路,提前分離合格粒級,減少磁選或浮選系統(tǒng)的負荷,提升整體效率,如云南某高硫鉛鋅礦硫精礦再選作業(yè)中,合格粒級提前進入精選,磨礦效率提升21%。

(3)微納米級超細研磨技術(shù)。采用粒徑為0.1~0.5 mm的超細介質(zhì)(如氧化鋯珠),在高速條件下(線速度20~30 m/s)進行研磨,可將產(chǎn)品細度控制在1 μm以下。例如,在磷酸鐵鋰礦物研磨過程中,通過采用二段或三段研磨工藝,能夠滿足電池級正極材料對礦物細度的要求。

礦用攪拌磨機的技術(shù)創(chuàng)新以最低能耗實現(xiàn)目標(biāo)礦物有效解離為核心目標(biāo),通過設(shè)備結(jié)構(gòu)、研磨材料與智能控制技術(shù)的協(xié)同優(yōu)化,使其從單純的細磨/超細磨設(shè)備,升級為復(fù)雜難選礦石資源高效利用的核心單元系統(tǒng)。上述創(chuàng)新不僅解決了低品位、細粒嵌布礦石的處理難題,更推動了礦業(yè)向節(jié)能、高效、綠色方向轉(zhuǎn)型,為金屬礦山資源綜合利用與節(jié)能降耗提供了技術(shù)支撐。

3　國內(nèi)外典型礦用攪拌磨機及應(yīng)用

礦用攪拌磨機的研制始終以復(fù)雜礦石資源的高效利用、節(jié)能降耗,以及適應(yīng)不同礦石細磨或超細磨要求為核心目標(biāo)。其發(fā)展歷經(jīng)實驗室探索至工業(yè)化應(yīng)用階段,技術(shù)迭代深度融合機械工程、材料科學(xué)與選礦工藝的進步,最終成為低品位細粒嵌布礦石處理的核心磨礦裝備。

國外攪拌磨機研制工作始于20世紀(jì)40年代,至60年代技術(shù)實現(xiàn)快速發(fā)展。其中,立式攪拌磨機的代表機型包括Metso公司的Vertimill磨機、HIGmill及StirredMediaDetritor(SMD)磨機,以及FLSmidth公司的Towermill和Vxpmill;臥式攪拌磨機的代表機型為Xstrata公司的Isamill磨機。國內(nèi)超細攪拌磨機研制始于20世紀(jì)70年代初,至今已歷經(jīng)50余年發(fā)展并取得顯著進步。立式攪拌磨機代表機型主要有湖南金磨科技的立式螺旋攪拌磨機,以及中信重工、北礦機電、北方重工、沈陽五寰、馬鞍山天工、馬鞍山天源等企業(yè)的立式攪拌磨機;臥式攪拌磨機則以浙江金華艾領(lǐng)創(chuàng)艾砂磨機,及廣州派勒、湖南歐華、廣東億富、廣東瑯菱的臥式砂磨機為代表。

3.1 國外典型礦用攪拌磨機及應(yīng)用

3.1.1　Towermill及Vertimill

愛立許塔磨機(EirichTowermill)由德國古斯塔夫·愛立許機械制造公司研發(fā),屬于立式攪拌式介質(zhì)磨機,其ETM-1500型號單臺裝機功率達1300 kW;FLSmidth公司的富勒塔磨機(Fuller Towermill)中,FT-4500型號單臺裝機功率達3352 kW。20世紀(jì)50年代,日本Kubota公司河端重勝博士發(fā)明并制造了首臺用于礦物加工的立式螺旋磨機;20世紀(jì)80年代末,美卓公司從美國MPSI公司獲得該技術(shù)專利,經(jīng)持續(xù)改進后發(fā)展為現(xiàn)今的Vertimill。目前,Vertimill由Metso公司提供,其VT-4500型號單臺裝機功率達3352kW。Towermill與Vertimill均屬于立式螺旋攪拌磨機,二者通過垂直安裝的螺旋式攪拌器帶動磨礦腔內(nèi)的介質(zhì)球產(chǎn)生梯級運動速度,利用摩擦與沖擊作用實現(xiàn)磨礦。其中,攪拌器邊緣線速度約為3 m/s,介質(zhì)通常采用12~25 mm鋼球;當(dāng)使用Vertimill處理粗顆粒礦石時,介質(zhì)最大直徑可達30mm。礦漿從磨機下部給入,經(jīng)筒體內(nèi)介質(zhì)研磨后,磨礦產(chǎn)品從磨機頂部溢出。為便于安裝與維修,Vertimill的磨礦筒體設(shè)計為“大開門式”(如圖4所示),可有效減少維護工作量及停機時間。

圖4 Vertimill立式磨機結(jié)構(gòu)示意

Vertimill多用于二段磨礦、再磨及尾礦細磨等作業(yè)。美卓立磨機最大給料粒度可達6mm,磨礦產(chǎn)品粒度可實現(xiàn)P₈₀<10 μm。在礦山選冶領(lǐng)域,Vertimill主要應(yīng)用于再磨和細磨環(huán)節(jié);當(dāng)立磨機與小直徑旋流器形成閉路系統(tǒng)時,可生產(chǎn)滿足選冶要求的較細磨礦產(chǎn)品。

截至2024年6月,Vertimill系列磨機全球累計安裝量已超500臺,覆蓋金礦、鐵礦、銅礦等多種礦物加工場景。當(dāng)前Vertimill?家族中最大功率型號為Vertimill7000,Metso公司推出的VTM-4500型號功率達3 352 kW,已應(yīng)用于印尼Martabe金礦二段磨礦作業(yè),使該礦處理能力從300~400萬 t/a提升至700萬 t/a以上。在巴西SerraAzul鐵礦項目中,14臺VTM-3000-WB(單機功率2 235 kW)用于鐵精礦再磨,項目產(chǎn)能提升至2400萬t/a;與傳統(tǒng)球磨機相比,預(yù)計每年可節(jié)省18 MW電力,顯著降低能耗成本。在鞍鋼關(guān)寶山鐵礦,6臺VTM-1500立式磨機用于鐵礦石細磨,實現(xiàn)鐵精礦粒度P₈₀<20 μm;較傳統(tǒng)球磨機能耗降低35%以上,且鋼球與襯板磨損量顯著減少。此外,VTM-1250應(yīng)用于澳大利亞新南威爾士州CadiaValley金礦第三段磨礦作業(yè)及金川集團廣西銅渣項目(裝機功率1 250 kW);國內(nèi)較早應(yīng)用的一臺VTM-800立磨機安裝于江西銅礦銀山選礦廠,運行后電耗節(jié)能約30%,鋼球單耗降低0.1 kg/t,銅回收率提升0.3%。

美國OceanaGold Haile金礦采用ETM-1500磨機,將產(chǎn)品粒度從150 μm降至22 μm,能耗僅為16.4 kWh/t。在昆鋼大紅山鐵礦與攀鋼白馬鐵礦項目中,各應(yīng)用3臺ETM-1500(功率1 120 kW)進行鐵精礦再磨,配套旋流器形成閉路循環(huán),產(chǎn)品粒度-38 μm占比90%以上,較傳統(tǒng)球磨機能耗降低35%,鋼球單耗減少0.1 kg/t。澳大利亞Karara磁鐵礦項目則應(yīng)用5臺ETM-1500(功率1 120 kW)進行鐵精礦再磨,配套旋流器實現(xiàn)閉路循環(huán),產(chǎn)品粒度-38 μm占比90%以上。

富勒公司由北方重工集團(NHI)與FLSmidth公司合資組建,其生產(chǎn)的富勒塔磨機(Fuller Tower Mill)功率范圍覆蓋7.5 kW至3 352 kW,最大型號為FTM-4500,干基處理量可達750 t/h。多米尼加共和國某金礦采用FTM-4500磨機,該設(shè)備支持變速驅(qū)動(VFD)技術(shù),實際處理量達500 t/h,可將浮選精礦粒度從₈₀=150 μm降至₈₀=22 μm;通過變速驅(qū)動技術(shù)調(diào)整攪拌速度,能夠?qū)崿F(xiàn)處理量靈活調(diào)節(jié)與能耗動態(tài)優(yōu)化,較傳統(tǒng)球磨機節(jié)能30%。

3.1.2　Isamill

Isamill磨機由澳大利亞芒特艾薩礦業(yè)公司(Mount Isa Mines)與德國耐馳精細研磨技術(shù)公司(Netzsch-Fein Mahltechnik)聯(lián)合研發(fā),其結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。該設(shè)備源于耐馳公司用于油墨、涂料顏料工業(yè)的臥式砂磨機,經(jīng)針對礦山應(yīng)用場景優(yōu)化改進后,形成適用于礦物加工領(lǐng)域的礦用攪拌磨機。

（a）結(jié)構(gòu)示意圖

（b）現(xiàn)場工業(yè)應(yīng)用

圖5 艾薩磨機的結(jié)構(gòu)和工業(yè)應(yīng)用

Isamill磨機的研發(fā)始于澳大利亞Mount Isa公司(現(xiàn)為Xstrata公司)的技術(shù)需求。該公司旗下McArthur River鉛鋅礦與Mount Isa鉛鋅礦在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn),只有當(dāng)再磨細度達到P₈₀=7 μm時,非硫化礦脈石才能實現(xiàn)單體解離,進而產(chǎn)出混合精礦。為滿足這一需求,Mount Isa公司對傳統(tǒng)球磨機與立磨技術(shù)開展了大量細磨試驗研究,結(jié)果表明:采用上述2種技術(shù)實現(xiàn)目標(biāo)磨礦細度時,不僅電耗與鋼球消耗量極高,經(jīng)濟性較差;且鋼球磨損產(chǎn)生的Fe元素會污染礦物表面,嚴重惡化后續(xù)浮選作業(yè)效果。

1990年,全球范圍內(nèi)尚無既能實現(xiàn)經(jīng)濟高效超細磨,又能避免污染礦物表面與礦漿化學(xué)性質(zhì)的技術(shù)。為此,Mount Isa公司與Netzsch公司合作,對Netzsch臥式砂磨機進行礦山適用性改進與優(yōu)化。1994年底,首臺M3000型(功率1.1 MW)Isamill磨機在Mount Isa鉛鋅礦成功完成試驗安裝,并很快在該選廠增設(shè)了第二臺同型號設(shè)備;1995年,McArthur River鉛鋅礦也成功安裝該型號Isamill磨機。自1999年Isamill磨機實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用至2010年底,全球已安裝運行的Isamill磨機數(shù)量超過400臺;經(jīng)過近30 a的技術(shù)迭代,其已成為全球礦物加工領(lǐng)域細磨設(shè)備的主流選擇之一。截至2024年5月,Isamill磨機已在全球23個國家的150余個金屬礦山項目中落地應(yīng)用,覆蓋銅、鉛、鋅、金、鉑族金屬等多個礦種,設(shè)備功率覆蓋范圍廣,可滿足不同規(guī)模項目需求。

Isamill磨機設(shè)備內(nèi)部設(shè)有8個安裝于懸臂軸上的帶孔圓盤,圓盤周邊轉(zhuǎn)速可達21~24 m/s,能量輸入密度最高可達350 kW/m;排礦端安裝有專利分離器,可在將研磨介質(zhì)截留于磨機內(nèi)部的同時,僅允許礦漿通過。該設(shè)備采用高耐磨陶瓷球作為研磨介質(zhì),如微晶納米陶瓷球、MT1系列陶瓷球等,其真密度為3.7 g/cm,堆密度為2.3~2.4 g/cm。在磨損控制方面,Isamill磨機采用可轉(zhuǎn)動的筒體內(nèi)襯,材質(zhì)選用聚氨酯或耐磨橡膠,有效降低了設(shè)備的磨損率。

Isamill磨機的最早工業(yè)應(yīng)用案例為澳大利亞Mount Isa礦山。在鋅粗精礦再磨流程中,利用Isamill磨機處理塔磨機—旋流器回路的溢流產(chǎn)品(給礦粒度F₈₀=20 μm),最終產(chǎn)品粒度達到₈₀=11.3 μm,凈能耗為22 kWh/t;在鋅尾礦再選流程中,由于前段浮選已移除解離的有用礦物,再磨給礦中含有大量連生顆粒,且SiO含量高達30%,磨礦難度極大,采用Isamill磨機可將給礦(F₈₀=22.8 μm)磨至產(chǎn)品粒度₈₀=7.8 μm,凈能耗為48 kWh/t。

Isamill磨機在澳大利亞與南非地區(qū)獲得了廣泛且成功的應(yīng)用,其研制為低品位有色礦產(chǎn)資源開發(fā)提供了技術(shù)支撐,使過去被認為無經(jīng)濟價值的礦產(chǎn)資源得以高效利用并產(chǎn)生良好經(jīng)濟效益。目前,該設(shè)備已在鉛鋅礦、鉑族金屬尾礦再利用、金礦等領(lǐng)域的細磨、再磨及超細磨作業(yè)中廣泛應(yīng)用。澳大利亞Mount Isa鉛鋅礦選廠在鉛粗精礦再磨回路與鋅中礦再磨回路中安裝8臺M3000型Isamill磨機(功率1.12 MW),給礦粒度F₈₀=40~45 μm,產(chǎn)品粒度P₈₀=8 μm,單臺設(shè)備生產(chǎn)能力為15~16 t/h,比功耗為50~60 kWh/t;南非Anglo鉑礦選廠安裝世界首臺M10000型Isamill磨機(功率2.6 MW),用于處理尾礦庫中的鉑尾礦,給礦粒度F₈₀=42.5 μm,產(chǎn)品粒度P₈₀=16.5 μm,比功耗為37 kWh/t;吉爾吉斯斯坦Kumtor金礦安裝1臺M10000型Isamill磨機(功率2.6 MW),用于處理再磨球磨機的排礦,給礦粒度₈₀=20 μm,產(chǎn)品粒度P₈₀=10 μm,設(shè)計處理能力為65 t/h,實際平均處理能力達72 t/h,當(dāng)前實際運行功率為1 950 kW,對應(yīng)比功耗為27.1 kWh/t。

3.1.3　Stirred Media Detritor(SMD)

立式棒式攪拌磨機(Stirred Media Detritor,簡稱SMD)是美卓公司(Metso)生產(chǎn)的一種立式攪拌磨設(shè)備,其技術(shù)起源可追溯至英國ECC公司。該公司最初為滿足高嶺土磨礦需求,研制出首臺立式棒式攪拌磨機,后經(jīng)技術(shù)改進與優(yōu)化,逐步拓展至金屬礦研磨領(lǐng)域。

SMD的核心結(jié)構(gòu)由筒體、棒式攪拌器、傳動裝置及機架等部件組成,設(shè)備采用八邊體外殼設(shè)計,用于支撐安裝在磨機中心軸上的多層長棒攪拌器;攪拌器上配置有二排或三排攪拌盤棒,每排攪拌盤棒數(shù)量為4根或6根;從設(shè)備尺寸比例來看,磨礦筒體的高度與直徑比大致為1∶1。在工作過程中,SMD的筒體固定不動,筒內(nèi)填充一定量的研磨介質(zhì)球(可選用鋼球、鋯球、剛玉球等類型);棒式攪拌器在電機驅(qū)動下以中高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),最高轉(zhuǎn)速可達550 r/min,其棒梢端速度最高達11 m/s。為實現(xiàn)研磨介質(zhì)與礦漿的分離,磨機筒體上部區(qū)域設(shè)置了一系列楔形聚氨酯篩板,該篩板可將研磨介質(zhì)截留于研磨室內(nèi),僅允許礦漿通過篩板排出;實際應(yīng)用中,可根據(jù)礦漿流量及研磨介質(zhì)大小,靈活選擇適配的篩板孔徑。在研磨介質(zhì)選用方面,SMD早期主要采用低成本研磨介質(zhì),如陶瓷珠、河砂、卵石等,介質(zhì)粒徑通常為1~3 mm;現(xiàn)階段則以高耐磨微晶陶瓷球為主,介質(zhì)粒徑為2~6 mm。從設(shè)備規(guī)格覆蓋范圍來看,SMD的功率跨度較大,可從7.5 kW延伸至1 100 kW,以滿足不同規(guī)模的磨礦作業(yè)需求,其具體結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

圖6 SMD攪拌磨機的結(jié)構(gòu)示意

目前,SMD已廣泛應(yīng)用于鉛、鋅、銅、鉑族金屬等多種礦石的磨礦作業(yè)。澳大利亞世紀(jì)鋅礦(Zinifex Century)選廠共安裝21臺裝機功率為355 kW的SMD,既有用于超細磨作業(yè),也有用于再磨作業(yè)。在超細磨作業(yè)中,給礦粒度F₈₀=34 μm,最終磨礦產(chǎn)品粒度P₈₀=6.6 μm;研磨介質(zhì)選用上,前期采用直徑1~2 mm的河砂與礦石子,后期逐步替換為2~3 mm的耐磨陶瓷球,對應(yīng)的磨礦單位能耗為34~37 kWh/t。澳大利亞塔斯馬尼亞(Tasmania)銅礦選用1臺355 kW的SMD,用于掃選精礦與精選尾礦的再磨作業(yè),可將給礦F₈₀=150 μm磨至產(chǎn)品粒度P₈₀=70 μm。該磨機于2001年底正式投入運行,運行初期采用6 mm卵石作為研磨介質(zhì);由于卵石屬于惰性介質(zhì),其應(yīng)用有效改善了后續(xù)浮選作業(yè)的電化學(xué)條件,并降低了捕收劑用量。通過對磨礦流程與浮選流程的協(xié)同優(yōu)化,最終精礦銅品位從27.5%提升至29.8%,銅回收率從92%提升至93%。

3.1.4　HIGmill及Vxpmill

美卓立式高強度攪拌磨機(HIGmill)由美卓礦機(Metso)研發(fā),HIGmill工作原理如圖7(a)所示。Vxpmill磨機的技術(shù)前身是Knelson-Deswik Mill,由南非Deswik(Pty)Ltd.早期開發(fā),Vxpmill工作原理示意如圖7(b)所示。這2個設(shè)備均為立式高應(yīng)力強度攪拌磨機,結(jié)構(gòu)相似,專為細磨與超細磨礦作業(yè)設(shè)計,尤其適用于多金屬礦物的高效解離,目前已廣泛應(yīng)用于金礦、銅礦、硫化礦等難處理礦石的加工領(lǐng)域。

（a）HIGmill工作原理

（b）Vxpmill工作原理示意圖

圖7 HIGmill和Vxpmill的工作原理

HIGmill的技術(shù)核心在于結(jié)合重力作用與Grind Force轉(zhuǎn)子技術(shù),通過多級轉(zhuǎn)子與高密度研磨介質(zhì)的協(xié)同作用,在高能量輸入條件下實現(xiàn)超細研磨,產(chǎn)出更細的研磨產(chǎn)品,從而保障礦物的有效解離。HIG mill采用高窄立式筒體設(shè)計,借助重力作用使研磨介質(zhì)(2~3 mm高耐磨微晶陶瓷珠或鋯球)緊密堆積,形成高強度研磨區(qū);可通過配置30級轉(zhuǎn)子,構(gòu)建階梯式研磨梯度,同時采用法蘭式對開筒體與頂部懸掛結(jié)構(gòu),簡化設(shè)備維護流程。礦漿從磨機底部泵入,向上流經(jīng)多級GrindForce轉(zhuǎn)子;轉(zhuǎn)子邊緣線速度可達15~20 m/s,通過剪切、擠壓與沖擊作用將顆粒粉磨至10 μm以下;定子與轉(zhuǎn)子的交錯布置優(yōu)化了介質(zhì)循環(huán)路徑,確保能量均勻分布,減少過磨現(xiàn)象;粗顆粒在底部高能量區(qū)完成初步破碎,細顆粒隨礦漿上升至頂部低能量區(qū)進行精細研磨。研磨介質(zhì)裝填量高達70%,可通過變頻驅(qū)動動態(tài)調(diào)整攪拌器轉(zhuǎn)速(150~250 r/min),以適應(yīng)不同礦石硬度與粒度要求;單機最大功率可達5 000 kW,年處理量最高達400 000t,且設(shè)備占地面積僅為傳統(tǒng)球磨機的1/3;更換襯板僅需3 h,較傳統(tǒng)磨機維護效率提升60%。

澳大利亞SunriseDam金礦項目采用HIG3500/23000型號HIGmill,設(shè)備功率為23 000kW,選用2~4 mm陶瓷珠作為研磨介質(zhì),并配置耐磨橡膠襯板。該設(shè)備將硫化物精礦磨至₈₀=10 μm,通過超細磨礦暴露包裹在硫化物中的金顆粒,結(jié)合后續(xù)氰化浸出工藝實現(xiàn)金的高效回收,最終使金回收率提高約6%,單位能耗降至7.58 kWh/t,較傳統(tǒng)球磨機節(jié)能30%以上。巴西EroCopperCaraiba銅礦項目在原有球磨回路中引入HIGmill作為再磨機,構(gòu)建“球磨+HIG mill”兩段式磨礦流程。改造后,礦山年處理量從1.77Mt提升至2.37 Mt,浮選精礦銅品位從27%提升至32%,銅回收率從86.8%增至92.4%。巴基斯坦RekoDiq銅金礦項目采用“Vertimill粗磨+HIGmill超細磨”串聯(lián)系統(tǒng),處理含銅鐵硫化物的復(fù)雜礦石。兩段磨機功率合計超10MW,年處理量達9 000萬t;HIGmill與Vertimill的串聯(lián)組合,有效實現(xiàn)了磨礦系統(tǒng)能效最大化。

富勒史密斯(F.L.Smidth)研發(fā)的Vxpmill是一種高效節(jié)能的立式攪拌磨機,專為超細磨礦作業(yè)(目標(biāo)產(chǎn)品粒度P₈₀=15~20 μm)設(shè)計,目前已廣泛應(yīng)用于金礦、鐵礦、銅礦等礦石加工領(lǐng)域。

Vxpmill的核心優(yōu)勢在于高效的能量利用與靈活的工況適配能力。其采用高扭矩驅(qū)動系統(tǒng)與模塊化葉盤設(shè)計,通過垂直布置的攪拌軸帶動研磨介質(zhì)(陶瓷或鋼質(zhì)介質(zhì),直徑3~12 mm)形成動態(tài)研磨床;礦漿從磨機底部泵入,在螺旋結(jié)構(gòu)推動下向上流動,通過介質(zhì)的擠壓、剪切與磨剝作用實現(xiàn)顆粒細化。能量利用率比傳統(tǒng)球磨機提升30%~50%;設(shè)備功率覆蓋范圍廣,從55 kW至3 352 kW,單機處理量最高可達800 t/h,可適配不同規(guī)模礦山的生產(chǎn)需求;集成變頻驅(qū)動與在線監(jiān)測技術(shù),能動態(tài)調(diào)整攪拌器轉(zhuǎn)速(50~180 r/min)與介質(zhì)裝填量,確保設(shè)備在不同工況下穩(wěn)定運行。一臺VXP2500攪拌磨機在Casmyn礦業(yè)津巴布韋Turk礦完成安裝,用于礦山尾礦的再處理;系統(tǒng)研究了圓盤直徑、葉尖速度、研磨介質(zhì)類型及用量對磨礦能耗、處理量和產(chǎn)品粒度的影響,最終形成了優(yōu)化操作參數(shù),實現(xiàn)了運營成本降低和處理量提升的雙重效益。

3.2 國內(nèi)典型礦用攪拌磨機及應(yīng)用

3.2.1 立式螺旋攪拌磨機

長沙礦冶研究院研制的JM系列立式螺旋攪拌磨機已形成系列標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品,裝機功率為5.5~2250 kW。該系列設(shè)備憑借成熟的技術(shù)性能,已廣泛應(yīng)用于金礦、鉬礦、銅礦、鉛鋅礦、錳礦、鐵礦、鎳礦等各類選廠的細磨或再磨作業(yè)中。JM系列立式螺旋攪拌磨機的核心技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在強化磨礦與后續(xù)工藝的協(xié)同效果上。在金礦邊磨邊浸工藝中,磨礦介質(zhì)與礦料之間的強烈剝磨作用,可有效破壞物料顆粒表面的擴散界面層,從而加快浸出化學(xué)反應(yīng)速度,顯著提高金的浸出率。在黃金礦山等典型應(yīng)用場景中,該設(shè)備處理給料粒度-74 μm占比超過60%時,可穩(wěn)定產(chǎn)出細度-38 μm占比超過95%的產(chǎn)品。截至目前,JM系列立式螺旋攪拌磨機已在國內(nèi)多家大型礦山實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用,累計裝機量超800臺,應(yīng)用案例涵蓋金川集團、江西德興銅礦、金堆城鉬業(yè)、洛鉬集團、柿竹園多金屬礦、中國黃金集團、山東黃金集團、招遠黃金集團、福建紫金礦業(yè)、云南銅業(yè)等知名礦業(yè)企業(yè)。

北礦機電開發(fā)的KLM系列立式攪拌磨設(shè)備具有良好的介質(zhì)適配性,對鋼球、陶瓷球等主流研磨介質(zhì)均能兼容,裝機功率覆蓋3~3 000 kW,可滿足不同規(guī)模磨礦作業(yè)需求。該系列設(shè)備的研發(fā)進程體現(xiàn)了國內(nèi)大型立式攪拌磨的技術(shù)突破。2011年,北礦機電成功開發(fā)630 kW立磨機;2022年,1 750 kW立磨機實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用,持續(xù)推動國內(nèi)大型立式攪拌磨設(shè)備的功率等級與技術(shù)成熟度提升。

中信重工在立式攪拌磨領(lǐng)域的研發(fā)與應(yīng)用成果顯著。CSM-1120型立式攪拌磨(裝機功率1 120 kW)主要用于銅粗精礦再磨作業(yè)。工業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)顯示,經(jīng)該設(shè)備再磨后,產(chǎn)品粒度P₈₀可達25.3 μm;結(jié)合后續(xù)3次精選工藝,可獲得銅精礦品位22.83%、銅回收率89.44%的優(yōu)異選礦指標(biāo)。實際生產(chǎn)驗證表明,CSM-1120型立式攪拌磨有效解決了含銅連生體礦物解離不充分的行業(yè)難題,實現(xiàn)了銅礦物與脈石礦物的有效分離,減少了脈石礦物在浮選流程中的惡性循環(huán),顯著改善了選礦技術(shù)指標(biāo)。目前,中信重工已成功推出世界最大規(guī)格的立式攪拌磨設(shè)備,裝機功率達5 300 kW,標(biāo)志著我國在大型立式攪拌磨研發(fā)領(lǐng)域達到國際領(lǐng)先水平。

除上述企業(yè)外,國內(nèi)還有多家企業(yè)具備立磨機或塔磨機的生產(chǎn)能力,產(chǎn)品技術(shù)性能已能完全滿足礦山細磨作業(yè)需求,主要包括北方重工集團、沈陽五寰科技有限公司、沈陽順達重工機械有限公司、大連芬格機械有限公司、馬鞍山天工科技股份有限公司、中鋼天源股份有限公司等。這些企業(yè)的產(chǎn)品覆蓋不同功率等級與應(yīng)用場景,共同構(gòu)成了國內(nèi)完善的立式攪拌磨設(shè)備供應(yīng)體系,為礦山企業(yè)提供了豐富的設(shè)備選型方案。

3.2.2 大型雙槽高強度攪拌磨機

北京礦冶研究總院研發(fā)的GJ系列大型雙槽高強度攪拌磨機,容積覆蓋2~50 m,裝機功率為75~264 kW。設(shè)備采用雙葉輪式攪拌器,槽體由底部聯(lián)通的2個相同尺寸立方體形槽子組成,其中一個槽用于預(yù)磨,另一個槽用于精磨,槽體設(shè)有隔離篩與排料口;工作時,介質(zhì)與礦漿總體積占磨腔容積的60%左右。雙葉輪式攪拌器不僅能驅(qū)動粉磨介質(zhì)產(chǎn)生徑向與切向運動,還可促使介質(zhì)產(chǎn)生向上或向下的軸向運動,大幅提升攪拌磨效率;通過雙葉輪上下反向作用配合五等角均布葉片,使礦漿運動呈現(xiàn)“太極流轉(zhuǎn)”狀態(tài),強化內(nèi)部物料運動與交換,確保作用力均勻,在增強礦物擦洗效果的同時減少沖擊損傷;大盤面設(shè)計相較于傳統(tǒng)葉片結(jié)構(gòu)可降低轉(zhuǎn)速30%,特別適用于大片石墨的保護性擦洗作業(yè),同時也能適配高嶺土、云母等物料的剝片需求;雙槽結(jié)構(gòu)可滿足多磨多選工藝需求,在提升產(chǎn)品品位的同時,有效降低過磨概率。工作時,攪拌器高速旋轉(zhuǎn),對介質(zhì)與礦漿形成強烈攪拌,礦物顆粒通過剪切、沖擊、摩擦作用實現(xiàn)粉磨。

山西某公司煅燒煤系高嶺土剝片項目采用GJ5×2型大型雙槽高強度攪拌磨機進行剝片作業(yè),在給料粒度為-45 μm、生產(chǎn)能力1.2~1.5 t/h的工況下,單臺設(shè)備的產(chǎn)品-2 μm粒度占比可達85%以上,2 臺設(shè)備串聯(lián)運行時,產(chǎn)品-2 μm粒度占比可提升至90%以上;該攪拌磨機單臺可替代10 臺早期小型剝片機,大幅減少設(shè)備數(shù)量,簡化生產(chǎn)流程,降低操作人員數(shù)量與勞動強度。黑龍江某鱗片石墨選礦廠在三段再磨工序中,采用該攪拌磨機替代原有再磨設(shè)備。工業(yè)試驗數(shù)據(jù)顯示,在相同生產(chǎn)條件下,攪拌磨機再磨后浮選精礦品位提升幅度超40%,研磨介質(zhì)消耗量僅為原有設(shè)備的50%左右,實現(xiàn)節(jié)能降耗25%以上,且對大鱗片石墨的保護效果更優(yōu)。此外,國內(nèi)生產(chǎn)單槽、雙槽高強度攪拌磨機的企業(yè)還包括湖南金磨科技、江蘇中遠科技、江蘇江陰鑫久機械等,其產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于高嶺土、石墨、云母等物料的擦洗磨礦作業(yè)。

3.2.3 大型超細攪拌磨機

國內(nèi)大型超細攪拌磨機主要有湖南金磨科技研制的非金屬礦專用型LXJM系列,徐州煤機與江蘇通惠化機等企業(yè)生產(chǎn)的BP系列剝片機,以及湖南超牌化工的CYM系列攪拌磨機等。該類設(shè)備專用于非金屬礦物的生產(chǎn)加工,廣泛應(yīng)用于超細重鈣、滑石、螢石、高嶺土及水煤漿等物料的制備。

以CYM-5000型攪拌磨機為例,其采用多邊形筒體結(jié)構(gòu),配備盤式攪拌器,具有高徑比大的特點。該磨機有效容積為5 m,安裝功率315 kW,整機高度10.5 m。礦漿從磨機下部進入,經(jīng)研磨后的細粉漿通過上部不銹鋼出漿口排出,隨后經(jīng)振動篩篩分后進入成品漿池。在煤系高嶺土研磨中,該設(shè)備產(chǎn)量可達2.0 t/h以上,單位電耗≤70 kWh/t;在重質(zhì)碳酸鈣研磨中,產(chǎn)量可達4.0 t/h以上,單位電耗≤50 kWh/t。該設(shè)備主要應(yīng)用于超細重鈣、高嶺土及水煤漿等行業(yè)。LXJM大型濕法超細攪拌磨機則廣泛應(yīng)用于輕鈣、重鈣、復(fù)合納米鈣、軟/硬高嶺土、水煤漿、重晶石、氧化鐵紅及磁性材料等物料的超細研磨作業(yè)。

3.2.4 臥式砂磨機

浙江艾領(lǐng)創(chuàng)礦業(yè)科技有限公司研制的臥式砂磨機(簡稱艾砂磨)是針對金屬礦山礦石難磨、成分復(fù)雜、嵌布粒度細的特點,專門開發(fā)的二段或三段細磨再磨設(shè)備。該設(shè)備筒體內(nèi)攪拌盤在主軸的驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn),帶動磨礦介質(zhì)(采用2~6 mm高耐磨陶瓷球)產(chǎn)生軸向運動和自轉(zhuǎn)運動,使礦物顆粒在磨礦介質(zhì)的沖擊、剪切和擦洗作用下實現(xiàn)有效磨細。艾砂磨機采用內(nèi)部分級和選擇性磨礦技術(shù),可獲得粒度分布窄、解離度高的產(chǎn)品。工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明:在磨礦粒度P₈₀為0.037 mm時,采用3 mm陶瓷介質(zhì)的單臺艾砂磨機能耗較使用40 mm鋼球介質(zhì)的單臺球磨機降低60%以上。

以ALC-3900L型艾砂磨機為例,該設(shè)備應(yīng)用于紫金礦業(yè)公司大陸黃金有限公司哥倫比亞分公司Buritica金礦選冶廠的全硫浮選粗精礦再磨作業(yè)。該磨機采用無篩網(wǎng)自動雙向分級研磨技術(shù),單機容積達10 000 L,采用開路式磨礦流程,無需配置旋流器分級系統(tǒng),不僅簡化了工藝流程,降低了系統(tǒng)投資成本,同時提高了生產(chǎn)效率。

目前,艾領(lǐng)創(chuàng)砂磨機已在黃金、有色、鐵礦、非金屬礦等領(lǐng)域得到應(yīng)用,累計應(yīng)用近100臺。該設(shè)備主要應(yīng)用于硫化礦的磨礦作業(yè),包括三段細磨、粗精礦再磨、中礦再磨等工藝環(huán)節(jié)。其產(chǎn)品具有窄粒級分布的特點,且采用陶瓷介質(zhì)球進行無鐵化磨礦,顯著改善了后續(xù)硫化礦浮選環(huán)境,使選別指標(biāo)得到明顯提升。特別是在金精礦細磨浸出工藝中,采用艾砂磨超細磨技術(shù)可有效打開包裹金,使金礦物充分暴露,從而提高金的浸出率。

除艾領(lǐng)創(chuàng)公司外,深圳市叁星飛榮機械有限公司、四川耐馳機械有限公司、廣東派勒智能裝備有限公司、廣東東莞市利騰達智能裝備有限公司、廣東億富裝備有限公司、廣東東莞市瑯菱機械有限公司、湖南歐華智能裝備有限公司、常州市龍鑫智能裝備有限公司和東莞康博機械有限公司等企業(yè)也生產(chǎn)臥式砂磨機,設(shè)備規(guī)格涵蓋500~3 000 L,已成功應(yīng)用于鋯英砂、新能源礦業(yè)、煤漿、有色礦和鐵礦等行業(yè)。

4　展　望

4.1 大型化與集成化礦用攪拌磨機集成系統(tǒng)

為滿足大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)需求,礦用攪拌磨機將朝著大型化與規(guī)模化方向發(fā)展。在大型化方面,通過進一步優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇及制造工藝,提升單機處理能力,研發(fā)更大規(guī)格的設(shè)備。重點優(yōu)化設(shè)備筒體襯板和攪拌器的結(jié)構(gòu)與材質(zhì),確保大型設(shè)備的結(jié)構(gòu)強度與穩(wěn)定性;同時改進傳動系統(tǒng)和支撐結(jié)構(gòu),有效解決振動、噪音等問題。在集成化方面,礦用攪拌磨機將與上下游設(shè)備組成大規(guī)模自動化生產(chǎn)線,實現(xiàn)物料的連續(xù)化、規(guī)模化集成生產(chǎn)。通過與磁選、浮選等作業(yè)的自動化控制與協(xié)同,提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本。未來,礦用攪拌磨機將突破單一磨礦功能,向多功能集成方向發(fā)展。一方面,與磁選、浮選等工藝集成,提升整體技術(shù)指標(biāo),簡化工藝流程。另一方面,與微波技術(shù)、超聲技術(shù)等先進技術(shù)集成,利用微波的熱效應(yīng)與非熱效應(yīng)促進物料粉碎,提高研磨效率;超聲技術(shù)則可改善物料分散性,增強研磨效果。此外,礦用攪拌磨機還將具備在線檢測和產(chǎn)品指標(biāo)控制功能,實時監(jiān)測礦物磨礦性能參數(shù)和生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)。

4.2 礦用攪拌磨機智能化與綠色節(jié)能

未來,礦用攪拌磨機將進一步融合人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)。利用深度學(xué)習(xí)算法挖掘磨礦數(shù)據(jù),建立精準(zhǔn)磨礦模型,實現(xiàn)全流程智能優(yōu)化控制,根據(jù)實時監(jiān)測的礦石性質(zhì)、磨礦產(chǎn)品粒度等數(shù)據(jù)自動調(diào)整設(shè)備運行參數(shù),確保磨礦過程始終處于最優(yōu)狀態(tài),提高效率和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)遠程監(jiān)控與運維,操作人員可隨時隨地通過終端設(shè)備查看設(shè)備狀態(tài)、進行遠程操作和故障診斷;設(shè)備制造商可基于遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)提供預(yù)防性維護服務(wù),降低停機時間和維護成本。此外,智能化的礦用攪拌磨機將與選廠整體自動化生產(chǎn)系統(tǒng)深度融合,實現(xiàn)智能化協(xié)同,提升生產(chǎn)效率和管理水平。綠色節(jié)能是未來發(fā)展的關(guān)鍵方向,研發(fā)新型高效傳動系統(tǒng)(如永磁同步電機、新型齒輪傳動裝置)以降低能量損耗;優(yōu)化設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu),減少介質(zhì)與筒體、攪拌器之間的無效碰撞和摩擦,提高能量利用率。在環(huán)保方面,研發(fā)可降解、無污染的研磨介質(zhì)和設(shè)備內(nèi)襯材料,減少環(huán)境污染;遵循綠色制造理念,采用環(huán)保材料和節(jié)能工藝,降低碳排放。

4.3 選擇性攪拌磨細磨技術(shù)

在攪拌磨機中的實現(xiàn),需通過設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計、研磨介質(zhì)匹配、工藝參數(shù)調(diào)控、多物理場協(xié)同及智能控制的系統(tǒng)性結(jié)合,引導(dǎo)磨礦作用集中于未解離的連生體、需回收的有用礦物與脈石結(jié)合體,同時避免有用礦物過磨或脈石過度粉碎。利用礦物自身的硬度、脆性、表面特性差異,設(shè)計差異化攪拌磨機筒體形狀和攪拌器形狀,實現(xiàn)選擇性磨礦。礦用攪拌磨的攪拌轉(zhuǎn)速、礦漿濃度、進料參數(shù)直接影響磨礦的力場強度與顆粒停留時間,需根據(jù)進料特性動態(tài)調(diào)整,確保力場適配目標(biāo)顆粒的解離需求。研磨介質(zhì)的材質(zhì)、尺寸、填充率決定磨礦力類型與強度,需根據(jù)“目標(biāo)顆粒特性”定制,避免“錯配力”導(dǎo)致的過磨或解離不足。

4.4 微納米攪拌磨超細化技術(shù)

隨著新材料、電子信息、生物醫(yī)藥等行業(yè)的發(fā)展,對粉體材料的超細化和高精度要求日益提高,如新能源材料磷酸鐵鋰需超細磨至300~400 nm且產(chǎn)量大。未來,礦用攪拌磨機將不斷突破技術(shù)瓶頸,實現(xiàn)更節(jié)能高效的微納米粒度產(chǎn)品生產(chǎn)。通過改進研磨介質(zhì)的材質(zhì)、形狀和尺寸,提高研磨介質(zhì)對物料的作用效果;開發(fā)納米級研磨介質(zhì),利用其高比表面積和特殊物理化學(xué)性質(zhì),實現(xiàn)工業(yè)礦物材料的亞微米和納米級粉碎。精確控制攪拌速度、研磨時間、物料流量等參數(shù),確保產(chǎn)品粒度的一致性和穩(wěn)定性;結(jié)合高精度分級技術(shù),實現(xiàn)對超細微粉的精確分級,滿足不同行業(yè)對粉體粒度分布的嚴格要求,生產(chǎn)出高質(zhì)量的超細微粉產(chǎn)品。

《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(xué)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(xué)術(shù)論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學(xué)術(shù)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(xué)文摘（CA）、美國劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)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(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)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(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國知網(wǎng)發(fā)布的《中國學(xué)術(shù)期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學(xué)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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