科研成果

破碎是粉体加工过程中不可缺少的工序，经过五十多年的实践和总结，粉碎领域正大力提倡“多碎少磨”的新工艺流程，即降低破碎产品最终粒度，增加细粒级在破碎产品中的含量，从而提高磨机的处理能力，达到降低电耗和金属消耗量、减少成本、增加经济效益的目的。具有大破碎比而又节能的破碎设备一直是破碎领域追求的目标之一。

1.1惯性圆锥破碎机的结构特点

惯性圆锥破碎机的结构如图1所示。

图1 惯性圆锥破碎机结构原理图
1-底架 2-皮带传动装置 3-隔振元件 4-激振器 5-外壳
6-球面瓦 7-衬板 8-定锥 9-动锥 10-动锥支座 11-轴套

惯性圆锥破碎机机体通过隔振元件座落在底架上，工作机构由定锥和动锥组成，锥体上均附有耐磨衬板，衬板之间的空间形成破碎腔。动锥轴插入轴套中，电动机的旋转运动通过传动机构传给固定在轴套上的激振器，激振器旋转时产生惯性力，迫使动锥绕球面瓦的球心做旋摆运动。在一个垂直平面内，动锥靠近定锥时，物料受到冲击和挤压被破碎，动锥离开定锥时，破碎产品因自重由排料口排出。动锥与传动机构之间无刚性联接。

1.2 惯性圆锥破碎机运动分析
    在惯性圆锥破碎机中，动锥和传动机构之间不是刚性联接，动锥的振幅不受传动系统的限制，是可以变化的，它的大小取决于物料层抗压阻力与破碎力的平衡。破碎机刚启动时，动锥摆动频率小，破碎力较小，动锥的振幅较小，因此启动力矩也较小，带负荷启动不会损坏破碎机，所以，惯性圆锥破碎机可以带负荷启动和停车。同样道理，在惯性圆锥破碎机中，挤满给料只是增大了物料层的抗压阻力，动锥的振幅减小，不会造成破碎机“闷车”，不需安装给料机。在惯性力的作用下，动锥将尽可能靠近定锥，从而将物料破碎得更细，其产品最大粒度只有排料间隙的1/3～1/4左右。由于动锥与传动机构之间无刚性联接，如果物料中混入不可破碎的物体，动锥暂时停止运动，激振器绕动锥轴继续转动，绝对不会破坏传动系统和主机。
   因为惯性圆锥破碎机是带负荷启动，相对于偏心圆锥破碎机的空载启动，惯性圆锥破碎机的启动力矩较大，所以启动时瞬间电流较大。为了保证破碎机安全平稳的启动，选用了较大功率的电机，实际上，破碎机正常工作时所耗功率只有电机额定功率的60%左右。
   惯性圆锥破碎机动锥的旋摆频率根据不同机型从750～2200r/min，远大于偏心圆锥破碎机动锥的摆动频率，因此，在破碎过程中，物料在惯性圆锥破碎机破碎腔中被破碎达几十次，远大于物料在偏心圆锥破碎机破碎腔中被破碎的次数。而且，与偏心圆锥破碎机相比，惯性圆锥破碎机的动锥振幅可变，动锥沿物料层每滚动一周都伴随有100多次的振动，由附加的这种强烈脉冲振动加强了破碎作用。因此，惯性圆锥破碎机的破碎比远大于偏心圆锥破碎机的破碎比，而且可在很大范围内调节。

1.3 惯性圆锥破碎机破碎力分析
    偏心圆锥破碎机的破碎力是由被破碎物料的硬度及破碎腔内物料的充填率来决定，破碎力大小是不定的，而且物料主要承受来自工作表面方向的压碎和弯曲作用力，物料之间的相互作用力很弱，因此破碎过程没有选择性，一方面大多数多相物料的相没有解离，而另一方面产生局部过粉碎，导致有用成分的损失。此外，偏心圆锥破碎机的应用范围局限于抗压强度为200MPa以内的物料，更坚硬的物料则很难破碎，或破碎它们需要很高的能耗且需要几段破碎才能实现。
    惯性圆锥破碎机与偏心圆锥破碎机在破碎力的产生上有本质的不同，惯性圆锥破碎机中破碎力的大小主要是由激振器旋转时产生的惯性力来决定。
由于惯性圆锥破碎机是挤满给料，通过向物料层施加严格定量的由惯性力造成的压力，可以使物料层适当地压实，使物料承受全方位的挤压，全部颗粒都受力，物料颗粒之间相互作用，出现微裂纹和产生粉碎，从而实现“料层粉碎”。同时在由惯性力引起的强烈脉动冲击作用下，物料在破碎腔中承受交变的挤压、剪切、弯曲和扭转应力。物料颗粒之间不断改变方位，由于物料颗粒越小，晶格缺陷越少，强度越大，因此强度大的小颗粒可破碎相邻的强度小的大颗粒；在等强度颗粒中，那些晶格缺陷与剪切力方向重合的颗粒被破碎。这样物料主要沿晶格间的区域破碎而不破碎晶体本身，破碎后的物料具有最低过粉碎，从而实现了物料的“选择性破碎”，可轻松破碎抗压强度高达1500MPa的物料。
    惯性圆锥破碎机与传统的破碎设备相比，具有较高的功率——容积比，能合理的利用所供给的能量，这也要求该机的主要零部件具有较高的强度。惯性圆锥破碎机的外壳承受动锥的冲击和挤压，并通过隔振元件来减振，而不是像偏心圆锥破碎机那样通过地脚螺栓传给地基，如果外壳很轻，冲击和挤压的作用很小，物料的破碎就不可能实现，因此惯性圆锥破碎机比同类型偏心圆锥破碎机要重，如一般φ600偏心圆锥破碎机为5t左右，而GYP-600惯性圆锥破碎机为9 t，几乎重了一倍，以保证其工作可靠性。

1.4 惯性圆锥破碎机的优点
由于其独特的工作原理及结构特点，惯性圆锥破碎机与传统的破碎设备相比，在使用及工艺等方面具有许多优点：
①具有良好的“料层选择性破碎”作用。由于是挤满给料，被破碎物料在破碎腔中承受全方位的挤压、剪切和强烈的脉动冲击作用，料层内颗粒相互作用，造成颗粒间的强制自粉碎。料层阻止破碎腔的衬板直接接触，防止衬板互相研磨，避免研磨下来的金属污染被破碎的物料，从而使研磨体耗量大大降低，延长了衬板的使用寿命。单位破碎比功耗仅为普通设备的一半左右。
②破碎比大，产品粒度可调。该机的破碎力与被破碎物料硬度及充填率无关，主要取决于偏心静力矩及转速。调节偏心静力矩、激振器转速和排料间隙，可很方便地调节所需的破碎比（4～30），根据需要可有效地防止过粉碎，提高某粒级段的产率或相反增加细粉的产量。
③技术指标稳定，衬板磨损对产品粒度影响不大。
④操作安装方便。由于整机采用二次隔振，基础振动小，工作噪音小，安装时不需庞大基础和地脚螺栓，可作为移动式选厂的组成部分。
⑤良好的过铁性能。由于动锥与传动机构之间无刚性联接，如果物料中混入不可破碎的物体，动锥暂时停止转动，激振器将绕动锥轴继续转动，绝对不会破坏传动系统和主机。
⑥简化碎磨流程，减少辅助设备台数。该机挤满给料，无需给料机，产品粒度细，粒级窄，无需振动筛构成闭路，大大节省设备和基建投资。

⑦应用范围广。调节破碎机工作参数，可破碎任何硬度下的脆性物料。

惯性圆锥破碎机目前已形成动锥底部直径从100mm到1200mm六种规格的产品，技术参数见表1，其破碎产品粒度分布见图2。

型? 号	GYP -100	GYP -300	GYP -450	GYP -600	GYP -900	GYP -1200
产量* t/h	0.03	0.9～1.5	2.4～4	12～15	24～40	60～75
产量 m3/h	0.02	0.6～1	1.6～2.7	8～10	16～27	40～50
给料尺寸mm	<12	<25	<35	<50	<70	<80
P90产品粒度mm	<0.3	<2.0	<3.0	<5.0	<8.0	<10.0
装机功率 kW	1.5	11	37	55	110	185
主机重量 t	0.06	2	4	9	20	34
外形尺寸长	464	1395	1835	2470	3210	3580
mm 宽	203	800	1020	1475	1890	2500
高	414	1025	1440	2070	2210	3060

机型	应用领域	产量	粒级 (mm) 含量 %
机型	应用领域	t/h	0～1	1～3	3～5	5～8	8～10	≥10
GYP-300	有色金属矿	1.0~1.2	67.8	32.2	0	0	0	0
	碳化硅	0.8~1.0	88.2	11.8	0	0	0	0
	棕刚玉	0.7~0.9	67.2	32.8	0	0	0	0
	高铝钒土烧结矿	1.0~1.3	70.3	29.7	0	0	0	0
	镁砂	1.2~1.4	75.5	24.5	0	0	0	0
	钢渣	1.2~1.5	70.1	29.9	0	0	0	0
	摩来石	1.0~1.3	75.6	24.4	0	0	0	0
	电解二氧化锰	0.6~0.9	89.3	10.7	0	0	0	0
	石英	1.0~1.3	72.8	27.2	0	0	0	0
GYP-450	煤干石	3~4	75.4	23.3	1.3	0	0	0
	摩来石	3~4	61.1	31.8	7.1	0	0	0
	石英	3~4	69.1	28.2	2.7	0	0	0
GYP-600	铀矿	10~15	22.5	31.0	31.0	16.5	0	0
	高铝钒土烧结矿	13~15	31.6	27.6	20.8	20.0	0	0
	钢渣	12~14	22.0	36.3	28.7	13.0	0	0
	刚玉	14~16	27.4	28.8	23.6	20.2	0	0
	???? ?石英	16~20	30.3	27.3	23.5	18.9	0	0
	有色金属矿	13~17	41.5	28.1	24.4	6.0	0	0
GYP-900	铀矿	30~40	28.9	23.5	29.9	15.6	2.1	0
	铁矿	30~50	31.3	19.0	23.1	18.1	8.5	0
	钢渣	30~35	44.4	23.0	25.4	2.2	5.0	0
	白刚玉	30~40	20.2	26.5	25.8	18.5	9.0	0
	花岗岩	30~40	26.4	26.5	22.8	17.7	6.6	0
	石英	30~40	22.3	27.5	22.8	19.2	8.2	0
GYP-1200	铁矿	60~80	22.1	15.6	15.1	14.1	23.3	9.8
GYP-1200	铜矿	60~80	24.3	16.4	15.1	18.9	12.5	12.8

    宁夏某有色金属冶炼厂破碎氮化物附产品，要求产品粒度在100目至325目之间，使用GYP-100惯性圆锥破碎机，一次破碎合格产品占70%。
    云南个旧某矿业公司使用GYP-100惯性圆锥破碎机破碎陶瓷材料，95%在0.3 mm以下，－0.15mm产品占75%。
某公司生产高纯石英粉，要求纯度达到99.99%，采用GYP-100惯性圆锥破碎机破碎后，产品中铁含量只有60ppm。
    厦门某钨业公司曾用惯性圆锥破碎机进行过硬质合金破碎试验。硬质合金是硬度极高而且有一定韧性的材料，用一般破碎机根本无法破碎，用GYP-300惯性圆锥破碎机破碎硬质合金结果见表3。

表4 惯性圆锥破碎机和棒磨机对比试验结果

指标		惯性圆锥破碎机	棒磨机
功指数（kW·h/t）		19.53	42.74
研磨体耗量（kg/t）		0.1	1.9
产率（%）	－2.5～＋0.63mm	24	35
	－0.63～＋0.16mm	57	45
	－0.16mm	19	20

    从表4可知，用惯性圆锥破碎机粉碎白电刚玉的单位功耗不到棒磨机的一半，而研磨体的耗量只有棒磨机的1/19。
    用GYP-300惯性圆锥破碎机代替雷蒙磨和塔式磨机加工碳化硅，全部产品为－1.5mm，－60目占50.5%，而且产品大多呈立方体状。
    青海化隆县某磨料厂选用一级碳化硅为原料，年产磨料（＋240号）1000t和微粉200t（－240号）。原设计为三段粉碎工艺流程：颚式破碎机、圆锥破碎机加磨机。使用GYP-300惯性圆锥破碎机后发现，通过调节破碎机工作参数，可以直接同时生产出磨料和微粉，且产量完全能满足设计要求，完全可以不用磨机，三段粉碎工艺流程可以简化为两段。
    清华大学粉体工程室为江苏连云港某石英制品公司设计的高纯石英粉生产线，其中破碎流程采用的是颚式破碎机加GYP-450惯性圆锥破碎机，实现两段开路破碎，在给料粒度≤35mm时，产量为2.5t/h，破碎产品粒度取样筛析结果见表5。

表5 GYP-450破碎石英产品粒度筛析结果

粒级，目	＋7	7～20	20～40	40～80	80～100	100～200	－200
产率，%	2.3	21.4	12.9	31.4	7.9	10.7	13.4

不同的时期对石英颗粒和高纯石英粉的需求量不同，根据市场的需要，可以方便地调节破碎机的工作参数，既可使－3mm～＋0.5mm或－0.5mm～＋ 0.2mm的粒级范围内的石英颗粒产率提高，也可使破碎产品尽可能的细，以降低磨矿工序中振动磨的入磨粒度，实现节能降耗增产的目标。
淮北朔里某高岭土厂采用GYP-450惯性圆锥破碎机破碎莫来石，莫来石物理性质和石英相似，莫氏硬度为7～8级，密度为2.7g/cm3，很脆，破碎时很容易过粉碎。在不同工作参数下，取了4组样，取样筛分结果见表6。

表6 GYP-450破碎莫来石试验结果

序号	破碎力%	排料间隙mm	产量 t/h	产品粒度（mm）组成%
序号	破碎力%	排料间隙mm	产量 t/h	0～0.28	0.28～0.45	045～1.25	＋1.25
1	50	7	1.26	20.8	8.0	26.8	44.4
2	50	9	1.68	21.4	8.6	28.9	41.1
3	70.7	9	2.96	25.8	8.6	26.7	38.9
4	70.7	12	3.12	24.4	8.6	26.9	40.1

    GYP-600惯性圆锥破碎机加工刚玉，当给料粒度为－60mm时，破碎产品的加权平均粒度只有2.8mm，破碎比达10以上。
    某矿产品加工厂用GYP-600惯性圆锥破碎机加工高铝钒土烧结矿时，成品率（产品中－5mm的颗粒）占80%，－8mm颗粒则达到100%；原来用六台对辊破碎机构成的闭路作业破碎筛分系统产量不足6 t/h，而一台GYP-600惯性圆锥破碎机产量可达14 t/h左右，单位功耗只有原来的40％，节能效果十分明显。
     某钢铁公司采用GYP-600惯性圆锥破碎机破碎钢渣，钢渣中的小钢块被轧扁从破碎腔排出，即使物料中混入了前面磁选工序没有选出的大钢块或其它不可破碎的物体，由于动锥与传动机构之间无刚性联接，动锥被卡住不动，激振器将绕动锥轴继续转动，绝对不会破坏传动机构和主机，有效地解决了钢渣破碎过程中的“卡钢”问题；由于钢渣中“钢”和“渣”的颗粒强度不同，在选择性破碎时钢渣中的“渣”被破碎，而“钢”由于具有压延性，在破碎力的作用下被轧扁，随同破碎的“渣”一同排出，彻底的解离了钢渣中的“钢”和“渣”；通过磁选回收钢粒，－8mm的废渣重新回高炉做溶剂，产量为15t/h，使钢渣变废为宝。
    某有色金属矿应用GYP-600惯性圆锥破碎机，产品粒度－5mm占95%，整个破磨系统比原系统能耗下降20%，产量提高28%，经济效益十分显著。
    某公司采用GYP-600惯性圆锥破碎机和棒磨机配套，湿法破碎石英岩，作为冶炼铜的熔剂，0.1～1.0mm的成品砂产量为15t/h，过粉碎率低于15%。

江西抚州某铀矿采用渗浸法生产铀精矿，渗浸法对矿石粒度要求很高，因为该矿物粘性大，粒度太细时结块严重，而粒度太粗浸出时间又长，适当粒度为－5mm～＋0.15mm，使用GYP-600惯性圆锥破碎机，矿石颗粒在入料粒度为－50mm时，取样三次，产量为9～12t/h，产品粒度筛析结果见表7。

表7 GYP-600破碎铀矿产品粒度筛析结果

序号	粒级，mm	＋5	－5～＋0.15	－0.15
1	产率，%	22.3	74.7	3.0
2	产率，%	2.0	95.0	3.0
3	产率，%	13.5	83.8	2.7

    云南某公司采选分厂原粉碎工艺流程为400×600颚式破碎机→筛分→150×750颚式破碎机→棒磨机，入磨粒度为30mm～40mm，现采用一台GYP-900惯性圆锥破碎机代替150×750颚式破碎机，入磨粒度90%在7mm以下，棒磨机产量增加40%以上，新粉碎工艺流程能耗下降20%以上。
    四川泸沽某铁矿矿石含铁品位高，特新建一条生产线，生产铁矿石颗粒，要求7mm以下产品粒级在75%以上，产量不低于30t/h，产品即作为成品出售。工艺流程中采用了一台GYP-900惯性圆锥破碎机，产品粒度90%在7mm以下，产量为40t/h左右，开路破碎即可达到生产要求，大大简化了工艺流程。
    辽宁建昌某铀矿采用淋浴法生产铀精矿，要求粒度为－8mm，产量为25～30t/h，采用颚式破碎机接GYP-900惯性圆锥破碎机，两段开路破碎工艺流程，产量完全满足要求，破碎产品粒度取样筛析结果见表8。

表8 GYP-900破碎铀矿产品粒度筛析结果

粒级，mm	＋8	8～5.6	5.6～4	4～2	2～1	－1
产率，%	2.1	15.5	22.4	15.1	16.0	28.9

潍坊某钢铁厂钢渣车间采用GYP-900惯性圆锥破碎机细碎热闷钢渣，在排料间隙为30mm时，GYP-900惯性圆锥破碎机破碎产品筛分结果见表9，产量为28～30t/h。

表9 取样筛分结果

粒度/mm		＋8	－8～＋5	－5～＋3	－3～＋1	－1～＋0.15	－0.15
产率/%	1	5.0	2.2	25.4	23.0	31.4	13.0
产率/%	2	9.1	10.6	32.1	24.1	15.6	8.5

     内蒙古赤峰某铜业有限公司冶炼厂的铜渣中含铁量很高，铁品位超过40%，质地致密、坚硬，莫氏硬度达到7～9，有一定塑性，普通圆锥破碎机难以破碎。现破碎工艺流程采用两段开路破碎，400×600颚式破碎机后接GYP-900惯性圆锥破碎机，在原矿为－350mm时，破碎产品粒度90%以上为－8mm，产量为30～35t/h。
    辽宁鞍山某矿业公司破碎车间原采用四段闭路破碎生产工艺流程，最终破碎产品粒度为－15mm。存在的主要问题是：⑴破碎产品粒度大，－12mm含量在80%以下，难以实现多碎少磨的目标，能耗高，工艺流程长，破碎段数多。⑵矿石难破碎，尤其是－30mm的矿石特别难破碎。新的破碎生产工艺流程采用两段破碎，颚式破碎机后接GYP-1200惯性圆锥破碎机两段开路破碎，产量为60～80t/h，破碎产品粒度－9mm占80%以上，加权平均粒度在4.9 mm以下，极大简化了破碎工艺流程，减少了土建和施工量，节省了投资成本和运转费用。?
    云南东川某铜矿选厂采用PD600×900颚式破碎机后接GYP-1200惯性圆锥破碎机两段开路破碎，破碎产品中，－10mm含量在85 %以上，加权平均粒度在4.5mm以下，极大的降低了矿石入磨粒度，减少磨矿时间，经济效益显著。
    山东东营某金属材料有限公司PD400×1200颚式破碎机后接GYP-1200惯性圆锥破碎机两段开路破碎工艺流程，破碎铜渣，破碎产品中－10mm含量在90%以上，产量为50～80t/h。

值得强调的是，近几年来，俄罗斯和日本已成功使用了200多台GYP-900、1200、1750惯性圆锥破碎机生产建筑和铺路用的碎石，惯性圆锥破碎机生产的碎石不用整型，产品中立方体平均含量在90%以上，机械强度高，保证了碎石的高品质。

3 结语

综上所述，惯性圆锥破碎机具有破碎比大，产品粒度细而均匀，单位电耗低，能破碎任何硬度的脆性物料的优点，是一种理想的节能超细破碎设备，在物料破碎加工领域具有极其广阔的应用前景，推广使用可产生巨大的社会效益和经济效益。

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