納米陶瓷球在金屬礦細磨中的應用及前景

周洪林

（1.浙江天磨礦業科技有限公司；2.景德鎮百特威爾新材料有限公司）

鐵礦石作為中國經濟發展的戰略資源，每年約80% 需要進口。中國的金屬礦產資源具有貧、雜、細的特點，且地質開采賦存條件復雜。同比國外的高品位、低雜質、易開采的金屬礦產資源，中國金屬礦石加工的采選工藝復雜，生產成本明顯高于國外同類企業。從短期來看，中國鐵、銅、錳、鉻、鈷、鋰等金屬礦產的原料端難以改變依賴進口的局面。

陶瓷材料具有很好的耐磨、耐腐、耐熱等特性，在工業領域得到了廣泛應用。隨著高強耐磨、高韌抗碎、表面磨削力強、內外性能一致的納米陶瓷球在金屬礦細磨領域的成功應用，為金屬礦山選廠細磨（0.074～0.038 mm）作業的節能降耗及產品粒度改善帶來了革命性變化，可助力金屬礦產資源開發，提升國家金屬礦產戰略資源安全儲備能力。

1 納米陶瓷球的細磨特性

1.1 納米陶瓷球的材料特性

納米陶瓷球是以氧化鋁為主要成分的工程應用陶瓷，不同于傳統氧化鋁陶瓷，從原料制備、成型和燒結成球的各工藝環節都具有創新性。所有生產納米陶瓷球的原料全部加工至-100 nm，在高速離心狀態下以“滾雪球”的方式成型，然后在自動化、智能化控制的爐窯條件下燒結為最終成品。

傳統氧化鋁陶瓷存在成瓷結構粗糙、晶粒大、局部應力集中的問題，容易引發掉瓷現象，這是由于粉體粒度偏大、活性低造成的。納米陶瓷研磨體具有高強度、高耐磨性、研磨效率高、低消耗的特點［1］。從現有磨介材料的應用性能對比（表1）可知，納米陶瓷研 磨體是綜合性能最佳的品種，其市場應用潛力巨大［2］。

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1.2 納米陶瓷球的細磨特性

傳統氧化鋁陶瓷球在水泥干式粉磨系統、建筑陶瓷的濕式間歇式球磨機和非金屬礦物加工防止鐵質污染的連續式球磨機中均已經得到廣泛應用。在研磨過程中，納米陶瓷球對細顆粒物料的破碎作用力主要包括擠壓、剪切、擦洗和沖擊4種方式（圖1）。

介質研磨的效果不完全取決于介質的總質量，介質數量的增加在很大程度上也提高了物料參與粉磨的幾率，對粉磨效果也有提升作用；陶瓷球表面硬度高，單顆粒介質與物料接觸后在微觀上產生的擠壓磨削能力較鋼球要強［3］，所以與鋼球研磨介質同質量的納米陶瓷球的磨礦效率和耐磨性高于鋼球，從而可降低球磨機和塔磨機的運轉負荷，實現節能降耗。

納米陶瓷球的比重約為鋼球比重的一半，在對礦物的細磨過程中，確保磨細產品的同時，可有效減少礦石的過磨，為后續的選別工藝創造更好的粒度條件。很多非金屬礦物的磨礦工藝為降低鐵雜質，在其加工過程中通常要進行除鐵，若在細磨階段使用陶瓷球研磨介質，能有效減少鐵雜質污染［3］。金屬礦選別中同樣存在鐵質污染，增加后續浮選和氰化藥劑的消耗。納米陶瓷球研磨介質的應用，可避免鐵質污染對有用金屬礦物選別的負面影響。

陶瓷球內外硬度均勻，磨損后始終呈圓形，保持表面光滑；而鋼球因硬度不均勻，磨損后多呈“棱角”或“凹陷”的不規則多邊體，故鋼球比納米陶瓷球對襯板的沖擊磨損嚴重。納米陶瓷球取代鋼球的應用實例也證實了應用納米陶瓷球可延長球磨機和塔磨機襯板的使用壽命，縮短維檢周期，節省購置費用。

1.2.1 納米陶瓷球在球磨機中的細磨特征

金屬礦細磨作業采用濕式連續式球磨機，分為開路磨礦和閉路磨礦2 種，實現有用礦物的單體解離，為選別提供合格的產品粒級。納米陶瓷球因其特有的脆性材料特性，不適合“拋落式”的研磨運動狀態（圖2），僅適合“瀉落式”（圖3）或“混合式”（圖4）的研磨運動狀態。

在金屬礦的球磨機磨礦作業流程中，通常第一段球磨機的磨礦介質為拋落式運動方式，第二段和后續段球磨機的磨礦介質為瀉落式或混合式運動方式。目前，大型金屬礦山選廠采用自磨和半自磨工藝流程，后續的球磨作業因來料粒度粗，仍需要以拋落為主的研磨運動方式，不適合選用納米陶瓷球作為研磨介質。

金屬礦細磨給料最大粒級通常不超過0.3 mm，細磨時應大幅減小球徑以增大表面積，同時應創造有利于鋼球研磨的工作條件，如瀉落式工作狀態，而不應采用以打擊作用為主的拋落式工作狀態［4］?，F有選礦廠的生產實踐中，無論是第二、三段磨礦還是粗精礦再磨，使用的鋼球直徑一般為50～60 mm，尺寸大的甚至達到70～80 mm。大量的研究結果顯示，目前生產實際中使用的球介質尺寸偏大，考慮到各方面因素，以采用30～40 mm的球為宜［5］。

鑒于納米陶瓷球的材料特性以及球磨機的磨礦原理，用于金屬礦細磨的納米陶瓷球直徑不應大于同等工況的鋼球直徑。實際應用中，大幅減小了納米陶瓷球的球徑，增加了瓷球研磨介質的總表面積和總個數，實現磨礦效率的最大化。目前，在金屬礦細磨的球磨機中，納米陶瓷球的初裝球徑最大不超過35 mm，補加球徑不超過30mm。在適宜精確化裝補球制度下，入磨物料中各粗、中、細粒級均能被有效破碎，其磨礦效果最佳，即產品粒度組成特性最佳［6］。因此，目前滿足金屬礦細磨的納米陶瓷球直徑主要為8、10、13、15、17、20、25、30、35 mm 等9種規格。

1.2.2 納米陶瓷球在塔磨機中的細磨特征

塔磨機的磨礦介質一般為鋼球或陶瓷球，塔體上面的傳動裝置使螺旋攪拌器順時針轉動，從而使粉碎介質在筒體內做整體的多維循環運動和自轉運動，物料在磨礦介質重量壓力和螺旋回轉產生的擠壓力下被有效地粉碎［7］。與球磨機相比，塔磨機優點：①高效細磨，可防止過磨的優越性；②節省能耗，磨礦產品粒度越細，節能效果越顯著；③易于操作和維修；④安裝簡單、周期短；⑤改善工作環境，噪聲低，振動??；⑥占地面積??；⑦設備基礎簡單，基建費用?。?］。

高鉻鋼球是立式攪拌磨的傳統研磨介質，其硬度高、耐磨性能良好，但納米陶瓷球的硬度較傳統高鉻鋼球更高，且其球體內外硬度均勻，更耐磨，二者性能對比見表2［3］。

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因納米陶瓷球具備高耐磨、高耐撞擊、內外強度一致的性能，塔磨運行半年后，納米陶瓷球磨至4 mm仍然完整，并無變形、碎裂等現象（圖5）。與鋼球同質量的納米陶瓷球，在塔磨機中的充填率更高，可增大有效磨礦表面積，提升磨礦效率，增加磨礦細度，穩步提升指標。鋼球變形后表面會出現凹陷，進行研磨時，物料“躲”在凹陷區內得不到研磨，形成“無效”表面積，降低了磨礦效率［9］。安徽東鑫礦業鐵礦石選廠TGTM-250塔磨機的細磨作業中，鋼球研磨介質在塔磨機螺旋攪拌器的快速攪動下，直徑20 mm的高鉻鋼球在使用一段時間后，從直徑18 mm就開始變形，小于8 mm時，已經完全失圓（圖6）。

納米陶瓷球密度較鋼球比重輕近一半，與鋼球相同充填率的納米陶瓷球不足以產生與鋼球相同的擠壓力、剪切力、擦洗力和沖擊力來粉磨物料。若將鋼球替換為納米陶瓷球，須提高納米陶瓷球的充填率，但充填的納米陶瓷球總質量較鋼球下降30%～40%，即可保證原有鋼球的磨礦能力和產品細度。

2 納米陶瓷球在金屬礦細磨中的應用實例

在湖南、山東、安徽、江西、云南、河南、陜西、河北等地的金屬礦選廠，細磨中應用納米陶瓷球替代鋼球的應用案例很多，其應用效果主要體現在可節省磨礦分級作業的介質及能耗，促進有用礦物的單體解離，延長球磨機襯板和塔磨機螺旋襯板的使用壽命和更換周期，有效降低了選礦生產成本。

2.1 納米陶瓷球在球磨中的典型應用案例

以安徽某鐵礦和山東某鐵礦選礦廠為例，重點介紹納米陶瓷球替代鋼球磨礦介質后，在節能降耗和減少有用礦物過磨取得的應用效果。

2.1.1 納米陶瓷球在安徽某鐵礦的應用

該鐵礦為單一磁鐵礦，納米陶瓷球在第二段φ3660 溢流型球磨機和高頻細篩的閉路磨礦分級中應用，主要磨礦指標見表3，納米陶瓷球應用前后生產技術指標對比見表4。

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由表3可知，球磨機排礦細度提升了6.47%，不僅使篩下產品穩定實現-74 μm 70% 以上的細度目標，而且分級效率顯著提高，其中分級量效率提高30.84%，分級返砂比下降41.45%，促進了球磨機利用系數的提高，提升幅度達到108.82%。

由表4可知，納米陶瓷球磨礦保證了全鋼球磨礦時選礦廠的臺時處理能力，且臺時量提高了8.19%，單位電耗下降了30%，單位球耗下降了53.25%，同時還保證了鐵精礦品位和精礦產量。

此外，納米陶瓷球磨礦后，全面改善了入選產品的粒度分布，高頻細篩篩下產品中-19 μm 粒級產率從4.96% 降低到3.35%，幅度達32.46%；金屬分布率從4.67% 降低到1.18%，幅度達到74.73%，為后續磁選創造了更好的入選粒度條件，同時縮短了精礦過濾和尾礦濃縮時間。

2.1.2 納米陶瓷球在山東某鐵礦的應用

該礦從露天轉入地下開采后，礦石性質發生變化，需要更細的磨礦產品粒度。選礦廠將已閑置的1臺橡膠襯板材質的φ2145球磨機重新啟用，作為第三段開路磨礦，采用鋼球磨礦介質。因φ2145磨機能力不足，給入磨機固體干量65～70 t/h 的部分礦漿分流后同磨機排礦混合，進入后續的磁選流程。2021年7月4日開始在該鐵礦選廠應用11 t最大球徑為30 mm的納米陶瓷球，替代了第三段φ2145 球磨機中的鋼球。φ2145球磨機使用鋼球時，混合排礦細度-74 μm粒級含量能提高約11 個百分點；而使用納米陶瓷球時，混合排礦細度-74 μm 粒級含量能提高約14 個百分點，比使用鋼球多提高3 個百分點，提升了礦石的單體解離度，有效提高和穩定了鐵精礦品位。納米陶瓷球應用前后主要磨礦指標對比見表5。

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由表5可知，①納米陶瓷球的磨礦濃度略低于鋼球；②球磨機的運行電流降低30% 以上；③鋼球每天的補加量為500 kg，納米陶瓷球的補加量為鋼球的20%；④納米陶瓷球39%～40% 的充填率僅比鋼球的38% 多出1～2 個百分點，同樣的磨礦量卻得到更細的磨礦產品粒度，而錳鋼和磁性襯板的球磨機用納米陶瓷球取代鋼球時，須比鋼球多出約10 個百分點的充填率，才可實現鋼球對應的磨礦量和磨礦產品粒度。

通過分析認為，由于橡膠襯板的提升條抬高了納米陶瓷球的瀉落高度，納米陶瓷球以拋落和瀉落“混合式”的運動狀態，才可能在與鋼球充填率相近的情況下得到相同甚至略高的磨礦效率。此外，橡膠襯板的彈性避免了納米陶瓷球在剛性襯板中的沖擊破碎，納米陶瓷球幾乎一直保持圓形，有利于磨礦過程中更有效地“嚙合”礦粒，實現礦物的破碎。由于橡膠襯板的彈性，納米陶瓷球沖擊橡膠表面后的回彈效應，增加了球與球之間的打擊次數，有助于新生更多的細粒級產品。2021 年10 月15 日磨機停產檢修，φ2145球磨機內磨損后的納米陶瓷球以及球磨機進料端和出料端研磨介質的充填位置見圖7。

2.2 納米陶瓷球在塔磨中的典型應用案例

以山東金翅嶺金礦VTM-400塔磨機和安徽東鑫礦業TGTM-250塔磨機為例，介紹納米陶瓷球的應用效果。

2.2.1 納米陶瓷球在山東金翅嶺金礦VTM-400 塔磨機的應用

在該礦的浮選金精礦再磨氰化工藝中，采用納米陶瓷球取代VTM-400塔磨機中的高鉻鋼球作為磨礦介質后，主要技術經濟指標如下。

（1）納米陶瓷球應用后，立磨機電耗從16.04 kW·h/t 下降到8.16 kW·h/t，球耗從7.720 元/t 降至0.191 元/t，螺旋襯板年耗從3 套降至1.69 套，總計年可節省費用249.15 萬元。

（2）納米陶瓷球與高鉻鋼球磨礦產品金浸出率一致，但納米陶瓷球磨礦產品浸出液中雜質鐵含量減少約43%，降低了雜質鐵對NaCN 和CaO 用量的影響［10］。

2.2.2 納米陶瓷球在安徽東鑫礦業TGTM-250 塔磨機的應用

東鑫礦業的鐵礦石選廠采用兩段磨礦，第一段為球磨機與螺旋分級機閉路，第二段為TGTM-250塔磨機與水力旋流器閉路。塔磨機給入鐵礦石干量80 t/h（新補加量），初裝球為直徑25 mm和20 mm的高鉻鋼球，補加球直徑為20 mm。一段球磨螺旋分級機溢流與塔磨機排礦合并，經直徑350 mm旋流器分級，沉砂進入塔磨機，溢流進入后續浮選銅和磁選鐵流程。塔磨機入磨粒度-74 μm 含量50%，磨礦濃度70%，旋流器溢流產品粒度-74 μm 含量75%～80%，每天需補加約100 kg 的高鉻鋼球。塔磨機正常運行電流16.2～16.3 A，最大運行電流17.2 A（最大額定工作電流19.1 A）。

2022年2月開始應用納米陶瓷球替代高鉻鋼球，初裝球最大球徑25 mm，取得的主要技術經濟效果：①立磨機運行電流從16.2～16.3 A 下降到11.0～11.1 A，下降了三分之一；②塔磨機每天僅需添加25～30 kg 的納米陶瓷球，僅為高鉻鋼球的四分之一；③當礦石性質發生變化時，塔磨機入磨粒度-74 μm 含量僅20%，旋流器溢流-74 μm 含量仍然達到75%～80%，并保持磨礦產能幾乎不減少。

3 適應納米陶瓷球的球磨機和塔磨機的優化設計

3.1 球磨機的優化設計

雖然納米陶瓷球的初裝球質量比鋼球低，可實現鋼球磨礦的產能和細度指標，但納米陶瓷球的初裝球體積必須比鋼球的初裝球體積大?，F有金屬礦山大部分采用溢流型球磨機進行細磨作業，筒體尺寸、結構、強度、容積、襯板、驅動裝置和磨礦濃度等全部按照鋼球研磨介質設計，并沒有專門適合納米陶瓷球的細磨球磨機。為此，礦山機械制造企業須加大對新型納米陶瓷球磨機的研制和優化設計，且在優化設計中應重點關注以下方面。

（1）適應納米陶瓷球的球磨機的剛度、強度和驅動功率都比應用鋼球的球磨機低。因此，可考慮減少球磨機自身的質量和驅動功率。

（2）適應納米陶瓷球的球磨機的產能和磨礦產品粒度與鋼球介質相同時，需要的初裝球充填率更高。因此，需優化球磨機的結構型式，最大限度地增加納米陶瓷球的充填體積。

（3）針對不同的金屬礦細磨應用，研究適應納米陶瓷球的球磨機的磨礦濃度區間，以便為現場提供更適合的球磨機規格。因為在細磨作業時，隨著礦粒粒度變細，表面電化學力增強，礦漿的黏度顯著增加。只有采用較稀的礦漿濃度，使礦漿中礦粒的體積減小，以抵消附加黏度增大所產生的影響［11］。

（4）適應納米陶瓷球的球磨機襯板材質和結構型式。納米陶瓷球比重輕，對襯板的沖擊比鋼球低，更多的是對襯板的磨損破壞。細磨以研磨非沖擊破碎物料為主，須盡可能保持納米陶瓷球的圓度，才能保證磨礦效率。

（5）納米陶瓷球直徑小、比重輕，導致研磨介質體的能量過小而弱化細磨作用，需對研磨介質體適度提升，實現“混合式”的研磨狀態。因此，建議重點探索具有提升條的橡膠襯板的應用效果，既可適度提升納米陶瓷球研磨介質體，又可避免對陶瓷球的沖擊破壞，還可增加納米陶瓷球對細磨物料的研磨幾率。

（6）適應納米陶瓷球的磨機操作因素主要有磨機轉速、球料比、返砂比、助磨劑、介質制度等。

3.2 塔磨機的優化設計及應用

常規塔磨機均采用高鉻鋼球作為研磨介質，設備的功率、容積及結構均與鋼球相匹配。為適應新型的陶瓷研磨介質，對傳統塔磨機進行了優化設計，開發了新型的KLM-L型塔磨機并在云南某多金屬礦取得應用，應用結果表明，該立磨機具有介質消耗低、能耗低、襯板使用壽命長等優勢［12］，其主要優化設計重點如下。

（1）研制筒體容積更大的塔磨機，適應陶瓷研磨介質的細磨特性，提高細磨效率的同時降低設備能耗。陶瓷研磨介質的整體充填質量比鋼球低30%～40%，對輔助提升介質的功率需求降低，對重載啟動的要求也降低。

（2）大直徑、小傾角的新型螺旋攪拌裝置，提升陶瓷球研磨介質下的細磨和再磨效率。

（3）塔磨機筒體采用聚氨酯襯板壽命更長、噪音更低、工人勞動強度更小。

（4）優化了主軸抗擺動自穩定技術和結構，降低了加工制造成本，提升了產品性價比。

目前，國內的礦山機械制造企業已成功研制出了適合納米陶瓷球的塔磨機，且已有數十臺該種塔磨機應用在金屬礦山的細磨作業中，都取得了比鋼球更好的節能降耗和減少過磨的顯著效果。

4 納米陶瓷球在金屬礦細磨領域的應用前景

（1）納米陶瓷球應用于球磨機和塔磨機的細磨作業，從金屬礦山選廠的應用實例表明，納米陶瓷球可大幅降低選礦廠的介質消耗成本和磨機電耗成本，為選別提供更好的磨礦分級產品粒度，減少過磨和泥化，改善精礦過濾和尾礦濃縮效果。惰性的納米陶瓷球無鐵雜質污染，可減少有用金屬礦物的浮選藥劑消耗。

（2）納米陶瓷球在金屬礦山選廠細磨作業中的全面推廣應用，還需納米陶瓷球生產企業研發高密度、高硬度和高韌性的陶瓷球；礦山機械制造企業研制適合納米陶瓷球的球磨機和塔磨機；金屬礦山企業、高校及設研機構聯合開展納米陶瓷球細磨應用的工藝參數優化，如磨礦濃度、球徑、球配、充填率和補加球制度等，并探索納米陶瓷球在大型球磨機和塔磨機中的應用效果。

（3）納米陶瓷球帶來了金屬礦山細磨介質的材料革命，顛覆了“非金屬介質具有硬度高，但密度小，破碎過程中攜帶的能量密度小，細磨效果不如金屬介質，且非金屬介質脆性大，磨礦過程中的磨損及破碎率均較高，介質消耗較大”的傳統認知［13］。納米陶瓷球在金屬礦山細磨領域的推廣應用，在降低金屬礦山企業成本及提高資源利用率的同時，還可助力我國2030 年實現“碳達峰”和2060 年實現“碳中和”的碳減排戰略目標。