“雙碳目標”下陶瓷球替換鋼球的應用研究

鄒沖，曹恩源，楊有智，王明細

（湖北大江環?？萍脊煞萦邢薰?，湖北 黃石 435005）

碎礦和磨礦是礦石選別過程中的重要組成部分，而磨礦過程，是礦石選別前的一次加工過程[1-2]。磨礦的目的是使礦石有價組分充分或大部分達到單體分離，方便進行后續的分選工作[3]。在浮選過程中，礦石選別指標(如精礦品位，回收率)在很大程度上取決于磨礦細度及單體解離度[4]。當磨礦粒度太粗時，目的礦物不能實現單體解離；而磨礦粒度太細時容易產生泥化現象，惡化礦石分選，同時，也增加了選礦的能耗[5]。因此，在選礦過程中，有效合理地控制磨礦細度是保證選別指標和提高經濟效益的重要因素。

隨著國家“雙碳”戰略不斷深化，資源不斷消耗，節能降耗目前已成為礦山企業可持續發展中一項十分重要的任務，因此，積極采取有效措施，提高生產效率，降低能源消耗，對提高選礦廠的經濟效益和生態效益具有重要意義[6]。在選礦廠生產過程中，磨礦能耗約占選礦廠的50%左右，磨礦過程中的能耗是選礦廠耗能的主要部分，降低磨礦介質消耗是降低選礦廠磨礦能耗的關鍵，也是降低選礦成本的有效途徑，目前，有研究表明將磨機中鋼球部分替換為陶瓷球可大幅減少磨礦介質消耗[7]。

目前，為降低礦山生產成本，湖北大江環?？萍脊煞萦邢薰巨D爐渣選廠迫切需要采用新的技術節能降耗，維持生產正常運行。本文對磨礦階段節能降耗進行探索性研究，研究方案為：采用陶瓷球替換立磨機中的鋼球，考察其對大冶諾蘭達轉爐渣磨礦效率及后續分選效率、藥劑消耗及能耗等指標的影響，為該選廠的節能減排提供有益思路。

1 實驗部分

1.1 試樣性質

礦樣為大冶諾蘭達轉爐渣，取代表性塊礦樣磨片，進行掃描電鏡測試，分析其樣品礦物組成及礦物間嵌布粒度，測試結果見圖1。其余礦樣采用對輥機破碎、2 mm 標準篩檢查篩分，混樣縮分后進行化學多元素分析，分析結果見表1。

由圖1 可知，樣品中目的金屬銅和銅硫化物為轉爐渣中銅的主要賦存礦物，其他銅礦物含量較少，脈石礦物主要為磁鐵礦、鐵橄欖石、玻璃體及少量鐵酸鈣和石英等，其中金屬銅和輝銅礦嵌布在鐵橄欖石中。表1 可知，銅、鉛、鋅為有價組分，目前該爐渣只考慮的對銅的回收，因此后續瓷球替代鋼球選礦過程只考慮對銅選別過程中的藥耗及精礦指標影響。

表1 試樣化學多元素分析結果/%Table 1 Results of multielement chemical analysis of sample

圖1 轉爐渣掃描電鏡Fig.1 SEM of converter slag

1.2 實驗流程

小型磨礦實驗在240×90 mm 錐形球磨機上進行，每次實驗稱取試樣1 kg，實驗共計分為6 組，每組在相同條件下做平行磨礦實驗三次，共計磨礦18 次，每次磨礦1 kg，磨礦濃度80%，一段磨礦時間15 min，二段磨礦時間20 min，陶瓷球按同體積與鋼球進行替換，磨礦產品分別測量-0.074 mm、-0.045 mm 含量。

工業實驗中，將立磨機中的鋼球部分替換成陶瓷球，每次替換為一個階段，一個階段實驗根據需求決定測試天數，測定工業實驗過程中磨礦細度-0.045 mm 含量、電量消耗、物料消耗、浮選藥劑用量消耗及銅精礦/尾礦品位等指標。

2 結果與討論

2.1 銅礦物解離度分析

為確定磨礦過程礦物細度與解離度的變化，首先進行該試樣的解離度分析，該轉爐渣中含銅礦物的解離度隨磨礦細度變化見表2，由表2 可知，試樣中的金屬銅和銅硫主要表現為粒度分布不均，有微細粒銅粒分布在玻璃體基底內；該銅渣需要磨礦細度達到-0.045 mm 90%，單體解離度可達75%，富連生體和單體共占88.84%。依據生產經驗二段磨礦細度達-0.045 mm 90%以上才能有效降低銅分選過程中的尾礦指標。

表2 不同磨礦細度銅礦物的解離度Table 2 Dissociation degree of copper minerals under different grinding fineness

2.2 陶瓷球比例對實驗室磨礦細度影響

實驗室磨礦過程中，陶瓷球替換同體積的鋼球對磨礦細度的影響見圖2、3。由圖2 可知，隨陶瓷球比例增加，一段磨礦的-0.074 mm 和-0.045 mm，以及二段磨礦的-0.045 mm 占有率呈降低趨勢，在陶瓷球替換比例小于40%時，對-0.074 mm 和-0.045 mm 的含量影響較小。其原因在磨機中鋼球提升到某一高度后拋落，以一定的速度對礦料產生沖擊而粉碎物料[3]，而將比重較輕的陶瓷球替換鋼球后，沖擊作用較鋼球要小，導致陶瓷球添加比例較高時磨礦效率降低。

圖2 陶瓷球比例對一段磨礦細度影響Fig.2 Effect of ceramic sphere ratio on the fineness of primary grinding

圖3 陶瓷球比例對二段磨礦細度影響Fig.3 Effect of ceramic sphere ratio on the fineness of secondary grinding

當將陶瓷球替代所有鋼球時，球磨機中給礦量對一段磨礦細度影響示于圖4，由圖4 中結果可知，隨著給礦量的降低，一段磨礦的-0.074 mm和-0.045 mm 占有率呈升高趨勢，當給礦量為800 g時，采用全瓷球的磨礦效率與1000 g 采用全鋼球磨礦的效率接近（圖4 中虛線部分為1000 g 給礦，采用全鋼球時所對應的磨礦細度）。因此，可推測出，全陶瓷球時，給礦量需要降低至全鋼球的80%，可以基本實現等同的磨礦效果。

圖4 全陶瓷球作用下給礦量對一段磨礦細度影響Fig.4 Effect of feed amount on the fineness of primary grinding under all ceramic sphere condition

2.3 工業實驗指標分析

生產過程中所采用的立磨機型號為CSM-300，總裝球質量42 t，實驗分為三個階段，第一階段實驗為4 月5 日至4 月29 日，此階段主要是全鋼球實驗階段，測量當前狀態下生產的細度、藥劑消耗和指標以及立磨機當前能源消耗和物料消耗。第二階段實驗為5 月11 日至5 月28 日，此階段主要是將立磨機中14%的鋼球替換為同體積的陶瓷球，測量所對應的相關指標，第三階段實驗為6 月10 日至6 月28 日，此階段主要是將立磨機中38%的鋼球替換為同體積的陶瓷球，測量所對應的相關指標。

在工業實驗期間，取立磨機排礦進行旋流器分級的試樣進行篩分實驗，每個階段取樣六次，測定-0.045 mm 占有率，結果見圖5。由圖5 中篩分實驗結果可知，第一階段采用全鋼球作用時，每次取樣篩分-0.045 mm 90.90%；第二階段采用14%的陶瓷球替換鋼球時，取樣篩分-0.045 mm 91.39%；第三階段采用14%的陶瓷球替換鋼球時，取樣篩分-0.045 mm 90.74%，三個階段磨礦細度變化不大，說明在工業生產中將立磨機中部分鋼球替換成陶瓷球，對該轉爐渣的磨礦細度變化基本不影響。

圖5 不同實驗階段對磨礦細度影響Fig.5 Effect of different test stages on the fineness of grinding

在工業實驗期間，分三個階段，（4 月11 日～4 月24 日，全鋼球）、第二階段（5 月11 日～5 月24 日，陶瓷球占14%）和第三階段（6 月11 日～6 月24 日，陶瓷球占38%）對選礦的藥劑消耗進行了統計，結果見圖6，并分析了各階段的浮選精礦和尾礦銅品位見圖7。圖6 結果表明，三個階段選礦過程中黃藥及松醇油的消耗變化不大，圖7 結果表明，三個階段所對應的指標，銅精礦中銅品位分別為29.25%、29.99%及29.80%，尾礦中銅品位分別為0.187%，0.193%和0.188%，以上結果表明，采用一定量的陶瓷球替換鋼球對銅選礦過程中藥劑消耗及銅精礦指標基本無影響。

圖6 不同實驗階段下浮選過程藥劑消耗Fig.6 Reagent consumption during flotation at different test stages

圖7 不同實驗階段下銅礦物選別指標Fig.7 Copper mineral separation index at different test stages

工業實驗過程中，為測定磨礦過程中的能耗，以立磨機日電耗指標為參考，測定第一階段（4 月11 日～4 月24 日）、第二階段（5 月11 日～5 月24 日）和第三階段（6 月11 日～6 月24 日）的日均耗電5767.5 kwh，平均值見圖8，圖8 中結果表明，當采用全鋼球時，日均耗電當陶瓷球比例14%時和38%時，日平均耗電量分別為5185 kwh 和4591 kwh，為采用全鋼球日均耗電量的89.90%和79.60%，可顯著降低磨礦過程介質的消耗。

圖8 不同實驗階段下磨機的日平均耗電量Fig.8 Average daily power consumption of the mill at different test stages

3 結 論

（1）實驗室實驗研究表明，轉爐渣試樣磨礦效率隨陶瓷球的比例增加而降低；但陶瓷球體積比例控制在40%以內時，對磨礦效率影響較小。而采用全陶瓷球磨礦，給礦量降低到全鋼球的80%，可實現與全鋼球時等同的磨礦效率。

（2）工業實驗表明，當立磨機中陶瓷球比例14%為38%時，基本不影響磨礦效率、藥劑消耗及銅精礦指標，但磨礦過程中的能耗分別降低為全鋼球的89.90%和79.60%，減少了磨礦過程中介質的消耗，研究結果對選礦廠生產過程中節能降耗提供了參考與借鑒。