納米陶瓷球作細磨介質下的磨礦能耗與粒度分布特征

吳志強， 方鑫， 童佳琪， 廖寧寧， 徐今冬， 吳彩斌

（江西理工大學資源與環境工程學院，江西 贛州341000）

細磨工藝中如何在滿足破碎力的前提條件下提供比表面積足夠大的研磨介質顯得至關重要[1-6].葉景勝曾經詳細描述了鋼鍛作為細磨介質時與鋼球的對比磨礦效果，證實了只要破碎力足夠，比表面積大的磨礦介質能產生更好的磨礦效果[7].童佳琪同樣詳細描述了六棱柱作為細磨介質時與鋼鍛的對比磨礦效果[8].

但是，如果一個介質比表面積足夠大，但破碎力不夠，磨礦效果將發生改變.文中嘗試采用一種新型磨礦介質——納米陶瓷球來進行驗證.采用納米陶瓷球時，其磨礦產品粒度特性好，過粉碎輕，無鐵質污染，有利于后續選別作業[9-13].而且由于納米陶瓷球比重輕，可能是磨礦過程節能途徑的新選擇.為了研究納米陶瓷球的磨礦與節能效果，用鋼球作為對比磨礦介質，一方面從磨礦產品粒度分布特征、過粉碎情況、破碎比速率去分析納米陶瓷球磨礦產品的磨礦效果，另一方面從磨礦能耗利用率去分析納米陶瓷球節能效果[14，15].

文中采用 1.18～2 mm、0.6～1.18 mm、0.3～0.6 mm 3個粒級樣作為研究對象，采用等直徑的納米陶球和鋼球進行分批次磨礦，記錄其磨礦功耗，采用JK粒度破碎模型對試驗數據進行擬合[16-21]，分析2種磨礦介質的磨礦能耗和粒度分布特征和磨礦能耗利用率.

1 試 驗

采用的試驗材料為來自湖南柿竹園公司選礦廠鎢礦石.試驗物料為 1.18～2 mm、0.6～1.18 mm、0.3～0.6 mm 3個粒級樣.磨礦濃度為65%，介質充填率為35%，給礦量為500 g，僅改變磨礦時間.分別采用納米陶瓷球和鋼球作為磨礦介質，在磨礦時間為 1 min、2 min、3 min、4 min 下進行批次磨礦試驗，記錄磨礦功耗，磨礦產品篩分和激光粒度儀測定得到磨礦產品的粒度組成.試驗裝置為實驗室設計的磨礦裝置，該磨礦裝置由1臺容積為6.25 L的XMQ240×90型實驗室錐形球磨機、穩壓器、功率記錄儀與電腦組成，在磨機前安裝了1臺穩壓器，磨機工作時的功耗可以通過功率記錄儀與電 腦 顯 示[7，8].

試驗所采用的新型細磨介質為納米陶瓷球，由江西景德鎮百特威爾新材料有限公司生產.以鋼球作為比較對象，如圖1、圖2所示.兩者磨礦介質的物理性能差異如表1所列.

圖1 納米陶瓷球Fig.1 Nano-ceramic balls

圖2 鋼球Fig.2 Steel balls

表1 磨礦介質物理性能Table 1 Physical properties of the grinding media

試驗采用的磨礦介質均為直徑40 mm，其表面積均為52.78 cm2.但由于納米陶瓷球單個介質重量比鋼球輕1.56倍，在相同的介質質量10614 g，鋼球的充填率為35%，納米陶瓷球的充填率為79%，裝球量過多，磨機中的球不能有效工作，一般情況下，球磨機的充填率不超過50%[8]，因此最終選用納米陶瓷球的充填率為48%，此時鋼球的個數為37個，比納米陶瓷球少51.35%.另一方面，納米陶瓷球的比表面積比鋼球高177%，納米陶瓷球的總表面積高于鋼球51.35%.

同樣的裝球重量下，納米陶瓷球的堆積密度比鋼球大，需要的充填率高，在立磨機應用比較適合.

2 結果與討論

2.1 磨礦產品粒度分布特征

磨礦產品的破碎行為不僅與磨礦物料的粒度有關，而且與磨礦介質的類型有關.在相同的磨礦時間1 min、4 min時，給礦粒度為0.3～0.6 mm的物料采用鋼球、納米陶瓷球磨礦的產品粒度分布如圖3所示.不同給料粒度大小有著相同的磨礦產品粒度分布，鋼球和納米陶瓷球有相同的規律，用納米陶瓷球磨礦為例進行進一步闡釋，在相同的磨礦時間2 min時，采用納米陶瓷球在不同給礦粒度的磨礦產品粒度分布如圖4所示.

圖3 納米陶瓷球和鋼球作為磨礦介質下的磨礦產品粒度分布Fig.3 Size distributions of ground product of steel balls and nano ceramic balls

圖4 納米陶瓷球磨礦2 min下不同給料粒級的磨礦產品粒度分布Fig.4 Size distributions of ground product with three single size feed at the 2 min grinding

從圖3可知，從磨礦產品P80來看，當磨礦時間為1 min時，納米陶瓷球的P80為0.49 mm，鋼球的P80為0.42 mm；磨礦時間為4 min時，納米陶瓷球的P80僅為0.42 mm，而鋼球的P80卻降至0.22 mm，兩者研磨介質P80之間的差值也在加大，說明納米陶瓷球由于單球重量輕，其磨碎能力遠不如鋼球.

在同一給料粒度下，納米陶瓷球和鋼球作為磨礦介質時磨礦產品有著相同的粒度分布曲線.隨著給料粒度的變細，納米陶瓷球對細粒物料的研磨能力同樣在不斷增強.由圖4可知，在相同的磨礦時間內， 納米陶瓷球磨礦時， 1.18～2 mm、0.6～1.18 mm、0.3～0.6 mm 3個粒級磨礦產品＜0.075 mm的含量分別為 4.57%、5.54%和 7.37%，P80分別為 1.6 mm、0.90 mm、0.48 mm，說明給礦粒度細的比粒度粗的容易產生更多＜0.075 mm的含量和更小的P80，說明納米陶瓷球磨礦時，對細粒級的磨礦效果適應性更好.

2.2 磨礦過程能耗分布特征

為了進一步比較納米陶瓷球和鋼球磨礦能耗分布特征，選用t10為磨礦細度的指標，＜0.010 mm為過粉碎的指標，圖5所示為鋼球和納米陶瓷球磨礦和空載功率隨磨礦時間的變化關系，圖6所示為鋼球和納米陶瓷球磨礦比能量隨磨礦時間的關系，圖7所示為鋼球和納米陶瓷球磨礦產品中t10和比能量的關系.圖8所示為鋼球和納米陶瓷球磨礦產品中＜0.010 mm和比能量的關系.

圖5 鋼球和納米陶瓷球磨礦和空載瞬時功率與磨礦時間的關系Fig.5 Relationship between grinding and no-load instantaneous power of steel ball and nano-ceramic ball and grinding time

從圖5可知，在沒有負載時，納米陶瓷球的瞬時功率要小于鋼球的瞬時功率，此外納米陶瓷球的磨礦瞬時功率與鋼球的空載瞬時功率相接近，而鋼球的磨礦瞬時功率又遠大于鋼球磨礦的功率，納米陶瓷球磨礦功率耗與空載功率的差值小于鋼球磨礦功率和空載功率的差值，因此在該條件下，鋼球的磨礦功率也大于納米陶瓷球的磨礦功率.

從圖6可知，無論是鋼球還是納米陶瓷球磨礦，一方面，比能量都隨磨礦時間的增加而增加 ，另一方面，比能量隨給礦粒度的減少而減少，鋼球和納米陶瓷球相比，在同樣磨礦時間，給礦粒度條件下，鋼球的比能量始終高于納米陶瓷球.

圖6 鋼球和納米陶瓷球磨礦比能量與磨礦時間的關系Fig.6 Relationship between specific energy and grinding time of steel ball and nano ceramic ball grinding

圖7 t10與比能量的關系Fig.7 t10in relation of specific energy

從圖7可知，在同一輸入能量下，對同一磨礦介質而言，鋼球磨礦產品中t10隨著入磨粒度的減少而減小，但是減小的程度不一樣.給料粒度越大，產生的細度也就越大，對能量的利用程度也就越大.而對納米陶瓷而言，t10變動幅度幾乎與入磨粒度變化無關.這是因為納米陶瓷球重量輕，對能量利用程度高，不同給料粒度下能被均勻粉碎.當然重量輕帶來的負面影響就是破碎力不夠，產生的細度也就不夠.

圖8 ＜0.010 mm含量與比能量關系Fig.8 ＜0.010 mm content and specific energy relationship

從圖8可知，在同一輸入能量下，對同一鋼球而言，＜0.010 mm的含量隨著入磨粒度的減少而增大，對于同一納米陶瓷球而言，＜0.010 mm的含量也隨著入磨粒度的減少而增大，這是由入磨物料性質所決定的.但在同一比能量和同一給礦粒度下，鋼球磨礦產品中＜0.010 mm的含量遠高于納米陶瓷球.而且隨著輸入比能量的增大，鋼球磨礦產品增加的＜0.010 mm含量也遠大于納米陶瓷球.

2.3 磨礦能量利用率

納米陶瓷球與鋼球磨礦由于材質的不同，比重的不同，所以比重輕的納米陶瓷球與鋼球相比，在磨礦能量利用率上存在著一些差異，為了比較兩者的磨礦能量利用率，選用標準邦德功指數進行計算可以得到2種介質磨礦計算消耗值[10]，通過自行設計磨礦能耗裝置可以測得磨礦的實際能耗值，再通過以下公式計算得到2種磨礦介質的磨礦能量利用率：

其中，η為磨礦能耗利用效率，%；Wc為通過邦德公式計算得到的比能量，kWh/t；Wm為通過磨礦能耗裝置實際測得得到的比能量，kWh/t；

圖9所示為計算的比能量與實際的測得比能量的關系，圖10所示為磨礦能量利用率與磨礦時間的關系.

圖9 計算的比能量與實際測得的比能量的關系Fig.9 The relationship between the calculated specific energy and the actual measured specific energy

圖10 磨礦能量利用率與磨礦時間的關系Fig.10 Relationship between grinding energy utilization rate and grinding time

從圖9可知，無論是鋼球還是納米陶瓷球，在同樣的測得比能量條件下，計算所得比能量隨給礦粒度減小而增大，這也說明對于同樣的能量的輸入，細粒級的物料比粗粒級的物料需要消耗更多能量用以磨碎礦物，才能達到相同的磨礦細度.無論是同一給礦粒級，還是不同的給礦粒級，納米陶瓷球與鋼球相比，納米陶瓷球的計算所得比能量高于鋼球的計算比能量.

從圖10可知，無論是鋼球還是納米陶瓷球，磨礦的能量利用率隨著時間的延長而降低，這是由于隨著時間的延長，有更多的能量以熱能的形式釋放，因此用以磨礦的實際有用能量降低.在同樣的磨礦時間條件下，鋼球和納米陶瓷球的磨礦的能量利用率隨給礦粒度減小而增大，此外，無論是同一給礦粒級，還是不同的給礦粒級，納米陶瓷球與鋼球相比，納米陶瓷球的磨礦能量利用率高于鋼球，圖10計算的比能量與實際的測得比能量的關系也可以得出一樣的規律，這說明納米陶瓷球是一種比鋼球能量利用率高的細磨介質.

2.5 磨礦產品粒度破碎模型擬合

采用JK粒度破碎模型擬合納米陶瓷球磨礦產品粒度分布，如圖11所示.

圖11 納米陶瓷球JK粒度破碎模型擬合Fig.11 JK size-dependent model of nanoceramic balls

由圖11可以解析出納米陶瓷球的JK粒度破碎模型的表達式為：

其中：M=10.1，p=0.576，q=0.955.

JK擬合結果與試驗結果基本一致，說明納米陶瓷球磨礦產品粒度和鋼球有著同樣的磨礦規律.

3 結 論

1）磨礦產品的破碎行為不僅與給礦粒度大小有關，而且與磨礦介質的類型有關.納米陶瓷球作為細磨介質，與鋼球相比，它們磨礦產品也有著相同的粒度分布規律，符合JK粒度破碎模型.

2）在相同磨礦條件下，納米陶瓷球磨礦時生產能力低于鋼球.隨著給料粒度的變細，納米陶瓷球的磨礦效果也開始顯現，其磨礦產品中P80和t10值與鋼球的差異也越來越小.此外納米陶瓷球比重輕，對能量利用率更高，磨礦產品中過粉碎更輕，對于細粒級物料的磨礦效果凸顯.

3）研磨介質中即使比表面積足夠大，但破碎力不夠，磨礦效果還是會大打折扣.由于納米陶瓷球質量輕，碎磨能力弱，生產能力比鋼球小得多.而納米陶瓷球對能量利用程度大，過粉碎更輕，也是一種優良的新型細磨介質.