—— 以司家营铁矿红转磁“四段两闭路”生产工艺为例
陈虹霖 冷波 王志杰 蒋德
（河北钢铁集团滦县司家营铁矿有限公司 063700）
摘要：针对我国深凹露天金属矿山进入深部开采阶段，矿石性质由浅部氧化矿向深部原生矿转变过程中普遍面临的多破碎系统并行流程冗余、能耗物耗高、生产调度复杂等行业共性难题，开展四段两闭路集约化破碎工艺提产降本关键技术研究。通过全流程产能瓶颈诊断、核心破碎设备腔型优化、筛分作业参数适配与低扰动不停产技改模式创新，构建单系统全负荷供矿的集约化破碎工艺体系——引入高压辊磨机。工程应用表明，该技术可显著提升破碎系统台时处理能力，替代原双系统运行模式，大幅降低生产运营成本，形成了矿山红转磁过渡期破碎流程升级的通用技术范式，为国内同类金属矿山破碎环节高效低碳改造提供了可推广的行业解决方案。
本文旨在探讨新工艺流程模式，引入高压辊磨机对破碎产量的影响，并引出高压辊磨机在金属矿山中的应用现状及前景，为矿山的工艺优化和设备选型提供参考［1］。
关键词：矿山；机械；工艺流程；高压辊磨机；自动化控制
1 绪论
1.1矿山破碎作业区工艺流程简介
1.1.1矿山破碎作业区工艺流程前景
司家营铁矿年处理矿石1000万吨，精粉产量290万吨，有原生矿与氧化矿两套矿石加工系统，其中原生矿年处理矿石250万吨，氧化矿年处理矿石750万吨，采用的工艺流程为“三段一闭路”，其旨在，从露采作业区接收矿石第一步到粗破环节将矿石破碎到225mm以下为第一段，通过皮带运输至中碎，破碎至70-225mm为第二段，再次通过皮带运输至细碎，要求破碎至0-30mm为第三段，最后通过筛分得到满足需求矿石大小(0-10mm），不满足条件则返回磨矿仓继续重复步骤为一闭路。
为了适应露天采场矿石性质的变化，随着矿石逐渐由氧化矿向原生矿过渡，矿石磁性率逐步增加，及时将原有高成本的“三段一闭路”转变为“四段两闭路”模式迫在眉睫，关键因素——引入高压辊磨机，通过工艺流程的完善可以进一步降低生产成本，提高破碎产量从而提高企业盈利能力和市场竞争力。
1.1.2研究的内容
本次对氧化系统各段工序生产成本进行分析，主要包括破碎机成本、输送成本，涵盖燃辅料、动力电、人工等因素。实测氧化系统各设备台时，确认HP500细碎为瓶颈，论证引入高压辊磨机作为第四段超碎设备的必要性。构建"旋回—中碎—HP500—高压辊磨+检查筛"四段两闭路流程，确定循环负荷、筛孔尺寸及与现有系统的衔接方案。型辊径辊宽、比压力、辊速、辊面结构，优化HP500腔型为其提供合格给矿。在不停产前提下完成设备布置、皮带输送、电控配套，最大化利旧。效果验证研究：调试期测定台时（目标1600t/h）、-3mm产率、电耗、辊面寿命，核算年节约600万元成本，总结参数与经验供同类矿山借鉴。
1.1.3引入高压辊磨机意义及研究价值
随着全球经济的快速发展，金属矿产资源的需求不断增加，但矿产资源的贫化和复杂化问题日益突出。不仅如此，随着金属矿山开采规模的不断扩大和资源品位的逐渐降低，传统的破碎和磨矿工艺已难以满足现代矿山高效、节能、环保的生产要求，面临着诸多挑战，开发和应用高效、节能、环保的新型破碎磨矿技术成为金属矿山行业的重要发展方向。高压辊磨作为一种高效的破碎设备，因其独特的破碎原理和诸多优点，逐渐成为金属矿山破碎和磨矿工艺的重要选择。本文旨在探讨高压辊磨机在金属矿山中的应用现状及前景，为矿山的工艺优化和设备选型提供参考［1］。
2 高压辊磨机
2.1 高压辊磨的工作原理及特点
高压辊磨机（High Pressure Grinding Roll，HPGR）是一种用于物料粉碎的机械设备，由成都利君实业、中信重工等企业生产，主要应用于金属矿山、水泥、化工及建材行业。其基于料层粉碎原理，通过两个相向转动的辊子对物料进行高压挤压，实现破碎与细磨一体化作业，处理量可达1000吨/小时（图1）
在矿山选矿系统中采用基于料层粉碎完全层压技术的高压辊磨机及配套生产工艺，可替代细碎、超细碎，部分替代一段球磨等现有传统流程，由于粉磨机理的改变，高压辊磨机及其系统工艺技术可使粉磨系统电耗降低20－80％，产量提高25-200%；适用于新建厂或老厂扩能改造。在矿渣、钢渣的细磨中，高压辊磨机与球磨开、闭路系统组成联合粉磨系统，解决了烘干、产量低，磨损大等技术难题。极大的降低了电耗，提高了矿物活性，改善了颗粒的组成，其正成为矿渣微粉、钢渣微粉的标准配套工艺。球团制备中，高压辊磨机完全替代原润磨工艺，增加精粉比面积，降低膨润土掺合量，降低电耗及维护成本，成球质量大大提升，目前该工艺正越来越多的被各钢铁企业使用，成为球团制备中不可或缺的一个重要环节。以高压辊磨机为代表的完全层压粉磨技术和配套工艺必将成为新世纪冶金、矿山生产技术发展中的新亮点和新热点。（图2）
高压辊磨机的工作原理为层压粉碎 [2] ，于 20 世纪 70 年代末由德国的舒纳教授提出，目前已成为节能粉碎设备研制和改造的指导思想。高压辊磨机工作时[3-4]，给料通过可调节开口大小的给料器进入高压辊磨机两辊之间的破碎腔，实行挤满给料，在料柱自身重力和 2 个压辊相向转动的双重作用下，入料被强行挤入不断压缩的破碎腔中并被压实，达到一定压力时遭到粉碎，最终形成密实但充满裂缝的片状料饼产品排出。料饼内存在大量的细粒、微细粒及颗粒内微裂纹 [5] ，这使料饼机械强度很低，间接提高了磨机处理能力和磨矿效率。高压辊磨机层压粉碎原理（图3）
图3 高压辊磨机的层压粉粹原理示意
2.2.高压辊磨机的构成
2.2.1机架
机架是整个高压辊磨机的主要受力部件，为便于安装、维护、运输，机架主体采用 装配结构，机架的部份零件采用焊接件，所有的焊接件在机加工前已进行过退火消除应力处理。（图4）
图4 高压辊磨机的机架示意
2.2.2辊系
辊系分为固定辊系和活动辊系。每个辊系由辊轴、调心滚子轴承、轴承座、内外轴承端盖、定位环、压紧环、密封环、支承环、压盖、V形密封圈、柔性密封圈、端面热 电阻等零部件组成。（图5）
图5高压辊磨机的辊系示意
2.2.3进料装置和喂料管延伸板
进料装置由电动推杆、承力框架、喂料管、流量调节板、喂料管延伸板、顶杆、套管、挡块、碟形弹簧、轴承、角位移传感器等零部件组成。进料装置磨损部位均采用耐磨材料制成。进料装置设计为可调节进料，两侧的流量调节板可调节其开度，从而在使用中可调节辊压机的喂料量，以适应各种工艺流程所需的进料量。
喂料管延伸板内置耐磨衬垫，以提高喂料管延伸板的耐磨性能。（图6）
图6高压辊磨机的进料装置和喂料管延伸板示意
2.2.4扭力支承
扭力支承由扭力臂1、扭力臂2、连杆、销轴、轴承等零部件组成，如下图所示。 通过连杆将其中一侧的扭力盘和对侧的减速机壳体连接起来，两套扭力盘相互交错 布置。扭力盘可作水平移动，从而满足高压辊磨机动辊侧减速机水平往复运动的使用要求，两套扭力盘与减速机壳体连接后，在运行过程中两侧受力相互平衡，而不传递到基础上。（图7）
图7高压辊磨机的扭力支承示意
2.2.5液压系统
高压辊磨机在运行过程中，物料通过固定辊与活动辊之间时，在两辊的压力作用 下而被挤碎。在物料被压辊挤压的过程中，物料对压辊的反作用力将会使高压辊磨机 活动辊产生回退力，向活动辊上施压并维持固定辊与活动辊之间的辊隙稳定是由液压 控制系统完成的。
3 高压辊磨技术对于生产工艺流程
3.1高压辊磨技术在金属矿山的国内外应用现状
国外：1995-1996年：美国Cyprus Sierrita铜矿完成全球首次硬岩金属矿全尺寸工业试验，验证了HPGR处理硬岩铜矿的可行性 ；2006-2009年：迎来大规模工业应用拐点——秘鲁Cerro Verde铜钼矿（10万t/d规模）、澳大利亚Boddington铜金矿（4台Φ2.4m大型HPGR）相继投产，成为行业标杆项目，正式确立了HPGR在大型金属矿碎磨流程的地位 ；2010年至今：应用范围从铜、金矿拓展至铂族金属、铁矿、锂矿，成为新建大型矿山替代“半自磨+球磨”流程的主流方案之一，2026年艾芬豪矿业南非Platreef铂族矿、刚果（金）Kamoa-Kakula铜矿二期均继续采用HPGR作为三段破碎核心设备 。
国内：国内高压辊磨技术最早从水泥行业引入，2005年后逐步在金属矿山推广：2005-2015年：首先在国内大型铁矿山落地，以马钢凹山、重钢太和铁矿为代表，验证了国产设备在铁矿超细碎的可靠性，形成了“四段破碎+边料返回/闭路筛分+干式磁选抛尾”的经典铁矿流程；2015年至今：应用从铁矿向铜、金、铅锌等有色矿山拓展，国产设备（中信重工、北方重工等）实现大型化突破，Φ2.0m及以上规格设备逐步替代进口；市场结构：截至2026年，国内金属矿HPGR应用中铁矿石占比52.3%，是第一大应用领域；其次为铜矿（21.7%）、金矿（13.5%），区域上集中在华北（河钢、首钢、包钢等周边铁矿山）、西南（攀西钒钛磁铁矿、有色矿）。
3.2高压辊磨技术整体发展趋势
1.国内外均向更大规格、更高压力、更强耐磨方向发展，单台处理能力持续提升。
2.应用场景从单一破碎向“高压辊磨+预选抛尾+微裂纹助磨/助浸”全流程拓展，在低品位矿、难处理矿中价值进一步凸显。
3.国内矿山在双碳目标下，HPGR作为节能碎磨核心设备，将从铁矿进一步向有色、黄金、非金属矿全面渗透，国产设备的大型化、智能化水平将持续提升。
3.3针对司家营铁矿高压辊磨机的引入对于工艺流程的意义
2024年3月前司家营铁矿破碎作业区的生产模式为三段一闭路式生产工艺流程，露采作业区将矿石运输到粗破作业，为第一段要求破碎至225mm以下，通过皮带运输至中碎为第二段，要求破碎区间为70-225mm，再通过皮带运输至细碎，为第三段要求破碎区间为0-30mm，最后由筛分进行筛选，选却破碎区间为0-10mm为合格品，其余不合格品通过返回皮带从新进行破碎，为一闭路（图8）。
图8“三段一闭路”生产模式示意
高压辊磨技术的引用，讲“三段一闭”转型升级为“四段两闭”工艺流程，其通过料层静压粉碎原理实现高效破碎，显著降低能耗（相比传统设备可节能30 %~50 %），同时提高矿物解离效果和选矿回收率[6]。此外，高压辊磨机能够优化产品粒度分布，减少过粉碎现象，提升后续磨矿和选矿效率，还能简化工艺流程、降低设备占地面积和维护成本，对实现金属矿山的高效、节能、环保生产具有重要意义。高压辊磨机的高效破碎能力可以减少破碎和磨矿阶段的设备数量，从而简化工艺流程。这种简化不仅可以降低设备投资和运行维护成本，还可以减少工艺流程中的环节，提高整个选矿系统的效率。（图9）
图9“四段两闭路”生产模式示意
3.4高压辊磨技术引进后产量台时变化
高压辊磨机从2024年三月投产，以2023年和2025年的产量台时可得出，“西段两闭路”工艺流程模式，在提高产量的同时，设备运转时长显著降低。
3.5高压辊磨在金属矿山应用中存在的问题
3.5.1初期投资成本高
高压辊磨机的初期投资成本较高，主要包括设备购置费用、安装调试费用以及相关的基础设施建设费用。与传统破碎设备相比，高压辊磨机的制造工艺复杂，技术要求高，因此设备价格相对较高。此外，高压辊磨机的安装调试需要专业的技术人员和复杂的配套设施，进一步增加了初期投资成本。对于一些小型矿山或预算有限的项目来说，高昂的初期投资可能会限制其采用高压辊磨机的意愿，从而影响该设备在这些项目中的推广应用。
3.5.2设备磨损严重
高压辊磨机以一对相向旋转的挤压辊为核心部件，依靠料层高压粉碎实现矿石细碎。辊面直接承受挤压载荷并与物料接触，其磨损状态是决定设备破碎效率与服役寿命的关键因素。实际生产中，辊面磨损过快是制约设备长周期运行的突出问题，尤其在处理高硬度、强磨蚀性矿石时更为显著。高应力、强冲击与剧烈摩擦的耦合作用易引发柱钉折断、辊面剥落及沟槽磨损等失效，导致辊缝失稳、产品粒度恶化、检修频繁。以现在检修工艺来说，高压辊的辊钉，只能做到小部分更换，因此，物料硬度大、破碎比压高引起的辊面剧烈磨损，已成为影响高压辊磨机作业率与经济性的核心问题[7]。
3.5.3工艺参数优化复杂
结合设备运行工况、辊面磨损变化、破碎物料粒度、辊缝匹配转速逻辑开展综合分析、现场研讨研判：最优辊缝参数多由厂家给定，未充分结合现场长期磨损、实际入料工况、系统配套皮带输送能力综合适配。单纯遵循厂家固定理论参数，无法匹配现场实际生产条件，转速与辊缝开度不匹配，造成物料破碎通过率不足、循环负荷偏高，最终导致成品出料产能偏低。
3.5.4检修和维护要求高
高压辊磨机结构紧凑、内部部件排布密集，虽有利于提升处理能力与运行效率，但也给维护检修带来较大困难[8]。其检修维护需专业技术人员频繁实施，而内部空间有限导致操作空间狭小、检修难度大、耗时长；部分部件更换与修复工序复杂，进一步增加了维护成本与停机时间。经实际检修统计，更换棍子需要维修班组不停歇持续工作48小时，因此，优化设备结构设计、提升可维护性与可检修性，是改善高压辊磨机应用效果的重要方向。
4 结语
高压辊磨装备技术历经三十余年的发展与完善，已在水泥、金刚石等行业得到广泛应用并成为标准配置。近十年来，随着柱钉辊面技术的成熟及在铁矿石加工领域的成功推广，该设备逐步拓展至铜、金、钼及铂族金属等矿山的破碎流程，应用范围持续扩大。我国铁矿石资源虽储量巨大，但以"贫、细、杂"贫矿为主，高压辊磨机作为适应资源贫化与选矿厂规模化生产需求的高效碎磨设备，可有效降低贫细矿石处理成本，尤其在低品位铁矿石破碎—粗粒抛尾工艺中的成功应用，为国内外同类低品位矿产资源的大规模开发提供了重要示范。该设备适用于处理中等硬度以上、含水率低于12%、给料粒度小于70 mm且含泥量较少的金属矿石，充分体现了"多碎少磨"的选矿理念，凭借处理能力大、产品粒度细、节能降耗、作业率高、破碎比大、占地面积小等优势，在铁矿石碎磨领域已趋于成熟，并将发挥日益重要的作用。
参考文献
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[2] 赵昱东．高压辊磨机在金属矿山的应用与发展 [C]// 2009 矿山设备技术高层论坛暨矿山设备委员会年会论文集．厦门：中国冶金矿山工业协会，2009：27-30
[3] 及亚娜，刘 威，仵晓丹，等．高压辊磨机在金属矿山的应用 [J]．有色金属工程，2013(1)：58-62
[4] 莫 峰，陈华萍，吉灿荣．高压辊磨机在有色多金属矿的应用 [J]．现代矿业，2012(6)：107-109．
[5] 马斌杰，游维，崔长志．高压辊磨机在铁矿石超细碎中的应用前景 [J]．矿山机械，2007，35(7)：39-40
[6]及亚娜，刘威，仵晓丹，等.高压辊磨机在金属矿山的应用［J］.有色金属工程，2013，3（01）：58-62
[7]刘畅，芦辰.高压辊磨机在江西某铜选厂的应用研究［J］.现代矿业，2023，39
[8]文九巴，金属材料学，北京：机械工业出版社，2011.7