专题论文推荐|东北大学李丽匣教授：新型碎磨技术与装备的研究现状与发展趋势

矿物碎磨作为选矿工艺中的关键环节，其“高能耗、低效率”一直是矿业领域的痛点问题。实现碎磨作业的“高效、节能、绿色”，是全球矿业共同关注的焦点。在此背景下，东北大学李丽匣教授团队对新型碎磨技术与装备的研究现状与发展趋势进行了系统性梳理，从预处理技术到高效节能碎磨设备，一系列创新正推动矿物加工向低耗、智能与绿色方向发展。

预处理技术：

强化碎磨过程的选择性解离效果

超临界CO₂粉碎技术：干法绿色预处理新路径

超临界CO₂粉碎技术依托超临界流体独特的物理化学特性，实现了矿石粉碎方式的创新突破。当CO₂处于温度高于31.05℃、压力超过7.38MPa的超临界状态时，兼具气体的低黏度与高扩散性以及液体的高密度特征，能够高效渗透至矿石的微孔隙及裂纹尖端。随后，通过快速降压诱发瞬时气化膨胀，在矿石内部产生强烈拉应力，利用岩石抗拉强度远低于抗压强度的力学特性，实现选择性破碎与矿物解离，其技术原理如图1所示。作为一种全干法技术，该方法不仅实现了水资源的零消耗，还依托CO₂的可循环利用特点，与全球碳捕获与封存（CCS）战略高度契合，可构建绿色、闭环的生产系统。目前，该技术已在超贫磁铁矿及其他铁矿石的加工试验中得到验证，为干旱及缺水地区复杂脉石矿物的高效处理提供了全新的技术路径。

图1 CO在不同条件下的气液界面图例

高压浆料冲蚀粉碎技术：无介质选择性解离方案

高压浆料冲蚀粉碎技术（HPSA）基于独特的流体动力学机制实现矿物高效解离。其核心原理是利用高压泵将矿浆加压，经特制喷嘴形成对喷式高速射流，使矿物颗粒在碰撞腔内发生剧烈碰撞与剪切，促使矿物沿晶界产生选择性断裂，从而实现目标矿物的高效解离，如图2所示。相较于传统磨矿工艺，该技术无需研磨介质，仅通过调控喷嘴流速、浆料固体浓度及循环次数等参数，即可在较粗入料粒度下实现高效解离。目前，HPSA技术已在锂矿、锌矿、铀矿等多种矿物加工中完成试验验证，展现出解离效率高和运行稳定性强的综合优势。

图2 HPSA碰撞腔

微波辅助粉碎技术：介电差异驱动的节能预处理手段

微波辅助粉碎技术以矿物介电特性差异为核心创新点，通过高功率微波实现选择性加热预处理。由于矿石中不同矿物组分的介电常数和损耗因子存在差异，高功率微波加热过程中，矿石内部会产生非均匀温度场，从而诱发热应力集中并形成微裂纹网络。这种预裂作用显著改善了后续碎磨过程的能耗与解离效率。当前，有研究者已建立基于矿石微波敏感性的分类体系，开发出中试规模的微波处理系统，并在铜矿、镍矿加工中实现了磨矿能耗降低与金属回收率提升的协同效应，为预处理技术的工业化应用奠定了基础。

高压电脉冲粉碎技术：电性差异导向的粗粒解离技术

如图3所示，高压电脉冲粉碎技术借助矿物间的电性差异实现选择性粉碎突破。该技术在液体介质中施加高压电脉冲，瞬时产生冲击波或等离子体膨胀效应。由于不同矿物间存在电导率和介电强度差异，放电优先沿矿物晶界或弱结合界面扩展，进而实现选择性粉碎，使有用矿物在粗粒阶段即可高效解离，降低后续磨矿负荷。与传统机械粉碎相比，其在能耗控制与产物粒度分布优化方面优势显著，目前已在铜金矿、磷灰石-霞石正长岩等矿物加工中开展试验，为粗粒级矿物预富集提供了极具潜力的技术方案。

图3 高压电脉冲设备结构示意图

高效破碎设备：

突破传统机制的碎磨核心升级

VeRo Liberator：湍流场驱动的高效冲击破碎设备

如图4所示，VeRo Liberator通过结构创新构建高效冲击破碎机制，其核心设计为垂直中轴系统配备多层级冲击钢锤。工作时，钢锤以高速顺时针与逆时针相对旋转，形成高度湍流的气固两相流场，借助高效动量传递，冲击能量优先作用于矿物晶界区域。利用不同矿物间的硬度与脆性差异实现选择性破碎，有效避免过粉碎问题。设备采用模块化设计，可根据处理量需求调整锤击层数与旋转速度，具备优异的工艺适应性。目前，VeRo Liberator 已在南非矿山实现工业化应用，在钨-锡-钼复合矿石及多金属矿等复杂矿物加工中，展现出较粗粒度下高效解离的优异性能。

图4 VeRo Liberator冲击破碎过程示意图

共轭砧锤式破碎技术（CAHM）：复合破碎机制的节能设备

如图5所示，共轭砧锤式破碎机融合了冲击破碎与层压粉碎双重优势，其核心结构由带凹槽的外环（砧环）与装有锤头的内环组成，两者同步旋转形成复合受力场，优化了作用力传递路径，使物料在复合作用力下实现高效破碎。原型机在Agnico Eagle中硬矿石的中试试验中展现超设计产能 120% 的处理能力，比能耗低于高压辊磨机基准值，且产品粒度分布呈现出“粗粒级更细、细粒级更粗”的理想特征。目前CAHM已被加拿大矿业创新委员会认定为新型节能破碎设备，有望替代传统高能耗破碎机及半自磨机，具有推动破碎环节能效升级的潜力。

图5 CAHM锤头-砧板啮合结构示意图

高压辊磨机（HPGR）：层压粉碎理论的工业化应用典范

高压辊磨机（HPGR）以层压粉碎理论为核心，是现代破碎技术成熟化发展的代表装备。如图6所示，其核心结构包括一对相对旋转的破碎辊（动辊与定辊），物料进入两辊间隙后，动辊在液压系统驱动下施加高压，使物料形成紧密颗粒床。物料在挤压与剪切应力的共同作用下发生选择性破碎。自1977年问世以来，HPGR应用范围从水泥行业逐步拓展至铁矿石、金伯利岩、金矿等高硬度矿石。当前，HPGR已从单一设备应用迈向流程化与系统化阶段，与塔磨机、搅拌磨机等设备协同组合流程的工艺已实现工业验证，在铜-钼-金矿、含铂族元素（PGE）的铬铁矿加工中，展现出能耗降低、介质消耗减少、分选效果优化的综合价值。

图6 高压辊磨机示意图

旋回辊式破碎机（GRolls）：多力协同的新型破碎技术

如图7所示，旋回辊式破碎机（GRolls）通过辊系结构创新，引入“V”形主旋转驱动辊与对置回转辊啮合的核心设计，主辊提供基础破碎动力，回转辊的偏心运动则产生高频脉冲力，两者协同形成“脉冲-剪切”复合作用场。该机制可同时触发冲击破碎、颗粒间压缩、诱导拉伸断裂及颗粒剪切等多重效应，从而实现物料高效破碎。目前，GRolls已完成实验室性能验证并进入中试阶段，为碎磨系统节能降耗提供了新的技术路径。

图7 GRolls辊系结构示意图

EDS多轴破碎设备：高频碰撞驱动的低耗破碎方案

如图8所示，EDS多轴破碎设备以多轴冲击结构为核心，通过多组水平旋转轴与抛料装置构建复合高速冲击系统。该系统依托高频、多方向碰撞实现物料高效低耗破碎。针对UG2矿石的中试结果显示，该设备具有破碎比大、单位能耗低的突出优势，产品粒度分布合理—粗粒级占比减少而细粒级不过度生成，兼具节能降耗与产物质量控制的双重优势。EDS技术为矿物破碎环节突破高耗瓶颈、提升经济性提供了可靠的工程化方向。

图8 EDS 多轴破碎设备、工作原理和破碎设备内部结构示意图

新型磨矿设备：

结构创新驱动应用边界拓展

• 立式辊磨机（VRM）：集成化粉磨的能效升级设备

立式辊磨机（VRM）作为集粉磨与分级于一体的集成化技术装备，可以显著优化磨矿流程（图9）。其工作机制遵循“精准粉磨+高效分级”原则：物料经中央入口进入旋转磨盘，在离心力作用下向外运动，进入磨辊与磨盘之间的粉磨区，通过挤压与剪切实现高效粉磨；粉磨后的物料随气流进入分级区，细颗粒作为合格产品被分离收集，粗颗粒返回磨盘循环粉磨。VRM最初应用于水泥原料制备，现已广泛应用于黄铜矿、磁铁矿等金属矿物加工领域，展现出高解离效率、低能耗与较低设备磨损的优势，为解决传统磨矿能耗高的问题提供了可行的节能解决方案。

图9 Loesche立式辊磨机示意图

• 立式搅拌磨机（HIG mill）：宽粒度适配的磨矿创新设备

立式搅拌磨机凭借核心结构革新，突破传统搅拌磨机的应用局限，形成HIG mill 与 VPM™两大产品系列，覆盖细磨、超细磨与粗磨领域，其工作原理如图10所示。其中，HIG mill针对细磨与超细磨需求设计，采用分置式进出料布局，定子环与旋转研磨转子共同构成多级研磨区，驱动矿浆形成活塞流运动，消除短路与死区效应，离心分区作用使粗细颗粒分区研磨，减少过磨并提升能量利用率。目前，HIG mill研磨腔容积已达50000 L，驱动功率最高7150 kW，是行业内首个安装功率超 6500 kW 的细磨设备，满足大规模连续细磨需求。聚焦粗粒级物料磨矿需求，在HIG Mill基础上，通过增大研磨转子、衬板与定子环间距，构建宽体腔室结构，形成适用于粗磨应用领域的VPM™。目前，首台大型工业VPM™磨机已启动调试，为粗磨工艺与HPGR等节能设备的组合应用提供了技术支撑。

图10 立式搅拌磨机工作原理图

碎磨技术发展趋势：

从单点创新迈向系统优化

当前新型碎磨技术在节能降耗与矿物解离优化方面已取得显著进展，但面对低品位、复杂嵌布矿产资源的开发需求，仍需突破技术成熟度与流程协同等瓶颈。未来，碎磨技术将朝着定制化、耦合化与系统化方向发展：

▪ 定制化流程设计：基于“数字矿石”模型库，构建矿石特性—工艺参数匹配体系，实现碎磨过程定制化设计；

▪ 工艺深度耦合：推动“粉碎-分选”一体化优化，如在破碎回路中引入粗粒浮选以降低无效能耗；

▪ 多维度效益评价：建立涵盖能耗、成本、回收率与环境影响的全生命周期评价体系，为设备选型与流程优化提供科学依据。

本文成果来源

李丽匣,李楠,刘飞飞,等.新型碎磨技术与装备的研究现状与发展趋势[J/OL].金属矿山,1-20.

作者简介

李丽匣

东北大学教授，博士生导师

主要从事复杂难选金属矿选矿理论及技术、选矿厂设计等领域的教学研究工作。加拿大英属哥伦比亚大学访问学者，冶金矿山行业专家委员会委员、国际矿物加工论坛 (土耳其)专家委员会委员。兼任辽宁省矿石高效碎磨工程中心主任、辽宁省磁选设备专业技术创新中心主任、《金属矿山》编委、《International Journal of Mining Science and Technology》青年编委、《Minerals》特刊“Recent Advances in Ore Comminution”主编。

主持国家自然科学基金项目4项、国家重点研发计划项目子课题3项、省部级项目12项、企业委托项目41项，授权中国发明专利21项、美国专利1项、软件著作权4项。4项科技成果达到国际领先水平，8项科技成果获得省部级科技进步一等/二等奖。出版学术专著6部、发表SCI检索论文81篇，中文核心期刊论文49篇。与加拿大、美国、巴西、土耳其、蒙古国等国著名矿业高校及研究机构具有长期稳定的合作关系，在国际学术会议上作大会邀请报告4次、分会场报告8次，担任分会场主席8次。

《金属矿山》简介

《金属矿山》由中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司和中国金属学会主办，主编为中国工程院王运敏院士，现为北大中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）、中国精品科技期刊（F5000顶尖学术论文来源期刊）、中国百强报刊、RCCSE中国核心学术期刊（A）、中国期刊方阵双百期刊、国家百种重点期刊、华东地区优秀期刊，被美国化学文摘（CA）、美国剑桥科学文摘（CSA）、波兰哥白尼索引（IC）、日本科学技术振兴机构数据库（JST）等世界著名数据库收录。主要刊登金属矿山采矿、矿物加工、机电与自动化、安全环保、矿山测量、地质勘探等领域具有重大学术价值或工程推广价值的研究成果，优先报道受到国家重大科研项目资助的高水平研究成果。根据科技部中国科技信息研究所发布的《2024中国科技期刊引证报告（核心版）》，《金属矿山》核心总被引频次位列26种矿业工程技术学科核心期刊第1位；根据中国知网发布的《中国学术期刊影响因子年报》（2024版），《金属矿山》学科影响力位居73种矿业期刊第9位。

供稿：杨 婷

编排：余思晨

审核：王小兵

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