山西某鐵礦廠一段球磨工藝指標優化研究*

王 彬，任 頔，杜 成，周 強，肖慶飛，王慶凱

（1. 銅陵有色金神耐磨材料有限責任公司，安徽 銅陵 244000；2. 中國黃金集團內蒙古礦業有限公司，內蒙古 呼倫貝爾， 024100；3. 中南大學資源加工與生物工程學院，湖南 長沙 410000；4. 昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093；5.礦冶過程自動控制技術國家重點實驗室，北京， 100083；6.礦冶過程自動控制技術北京重點實驗室，北京， 100083）

1 引言

中國是世界鋼鐵產量第一大國，同時也是世界主要的鋼鐵資源消費大國，每年鐵礦石進口量高達全球70%。因此，有效利用鐵礦石資源對中國特別重要。磨礦作業對后續選浮過程十分重要，直接關系后面選浮作業效率和礦物浸出率，磨礦作業是將研磨介質與礦石相混合，礦石有用的礦物元素與脈石礦物在研磨介質的沖擊及剝磨下相互分開［1］。在磨機運轉過程中，有很多因素會影響磨礦產品粒度分布，如礦漿質量濃度、襯板大小及形狀、磨機轉速、介質充填率、介質配比等。研究發現，產品粒度分布、礦物解離度與磨礦介質配比直接相關，精確的磨礦介質配比不僅有利于改善產品粒度分布和礦物解離度，也能為后續的浮選階段提供精礦品位［1-3］。磨礦介質精確配比可以通過礦石力學性質、原礦粒度特性和段式球徑半理論公式確定［4-6］。

山西某鐵礦廠磨礦流程為：Φ10.37×5.49 m半自磨+Φ660 mm水力旋流器+Φ7.32×12.5 m一段球磨+Φ350 mm水力旋流器+Φ7.32×11.38 m再磨，工藝流程圖如圖1所示?；谝欢?Φ7.32×12.5 m球磨+Φ350 mm水力旋流器溢流，-0.074 mm含量為88.5%，其中-0.020 mm占了45%，過粉碎級別偏多；溢流中-0.020 mm金屬分布率比其產量高5%，磨礦產品粒度組成嚴重影響到后續精礦品位選別及回收率。此外，分級機效率嚴重偏低，水力旋流器質效率僅30%左右，遠遠達不到50%的平均水平，更達不到58%的較高水平。返砂比高達655%，這也是影響分級效率的重要因素，循環負荷偏大。針對上述問題，對一段磨礦介質進行重新配比，并對比各個方案的指標，選取最優介質方案。

2 實驗

2.1 試驗原料

試驗礦物原料取自山西某鐵礦廠，在現場選取數塊(樣品均取自山西某鐵礦廠井下實際生產時的礦石)具有代表性的礦石進行力學性質的測定，根據現場磨礦工藝流程共取200 kg磨礦樣品，對樣品分別篩分，確定磨機給礦粒度分布及組成比例，用作對比磨礦試驗的礦料。

2.2 磨礦方案確定

采用段式球徑半理論公式來精確計算鋼球尺寸［7］：

式中，Db為一定磨礦條件下球磨機給礦粒度d所需的精確球徑，cm；Kc為經驗修正系數；Ψ為磨機轉速率，%；σ壓為礦石單軸抗壓強度，kg/cm2；ρe為鋼球在礦漿中的有效密度，g/cm3；D0為球磨機內鋼球“中間縮聚層”直徑，cm；df為磨機給礦95%過篩粒度Db， =cKmc

2.3 磨礦實驗

試驗在Φ450×450 mm的實驗室小型球磨機中進行，磨機轉速率75%、介質（鋼球+礦石）充填率38%，與某鐵礦廠生產現場的轉速率和充填率保持一致，球磨機內充填鋼球研磨介質68 kg，從旋流器沉砂中取出待磨礦石，其中每份礦石試樣10 kg，球磨機中磨礦濃度75%，球磨機內磨礦時間為50 min，保證-0.074 mm產品細度范圍在88%～89%左右（與現場細度相當）。在上述相同的磨礦條件下，分別對不同配比磨礦介質進行磨礦試驗，然后對不同介質配別的磨礦產品進行取樣、篩析及水析，記錄不同粒級產率，對比各項指標確定最佳磨礦介質配比方案。

圖1 工藝流程圖

3 試驗結果分析

3.1 礦石力學性質分析

對選取的礦石樣品進行編號，然后進行力學性質測定，每塊礦石的密度、單軸抗壓強度、靜彈性模量、泊松比及其均值結果見表1。

表1 力學性質測定結果

由表1可知：（1）礦石最大密度為3.60 g/cm3，最小密度為2.90 g/cm3，平均密度為3.33 g/cm3，然而礦石密度較大，易沉積在水力旋流器中不易排出進而產生過磨。（2）礦石普氏硬度系數最大為29.7（普氏硬度系數等于單軸抗壓強度的十分之一，系數越大硬度越高），最小為5.8，軟硬分布不均勻，平均硬度系數17.4，整體屬于特硬礦塊。（3）靜彈性模量最大為7.52，最小為2.81，平均4.75，礦石脆性較大。（4）礦石最大泊松比0.38，最小0.18，平均泊松比0.26，礦石總體韌性較大。在磨礦過程中既要考慮礦石容重大易過磨，也要考慮礦塊硬度大韌性高較難磨，同時還要兼顧脆性礦石的存在。因此，確定鋼球配比時，要綜合考慮全面，礦石既要磨到一定細度，又要避免過粉碎。

3.2 粒度特性

對一段分級旋流器沉砂和一段球磨機排礦粒度分別進行篩分分析，其給礦粒度特性曲線如圖2所示。

圖2 球磨機給礦粒度特性曲線

從圖2可以看出：（1）一段球磨給礦中需要磨碎的粗級別物料+0.10 mm為67.50%，而排礦中+0.10 mm以上的為62.20%，經過磨礦減少了5.30%，故球磨機磨碎+0.10 mm粗粒級效率為E+0.10=(5.30/69.50)×100=7.63%?？梢?，一段球磨磨碎粗級別的效率偏低，這也與粒度愈細愈難磨有關［6］；（2）旋流器沉砂中-0.074 mm占比為25.80%，球磨機排礦中-0.074 mm占比為32.80%，經過球磨機磨碎后新生成的-0.074 mm礦物粒度僅提高7.0%，磨碎效率偏低；（3）旋流器沉砂中-0.037 mm礦物粒度占比8.6%，球磨機排礦中-0.037 mm產量17.5%，礦物中一次性新生成的-0.037 mm粒度為8.9%，新生成的-0.037 mm粒度礦物偏低。綜上所述，磨礦產品粒度特性差，原因在于磨礦介質比例分布不均，磨礦介質攜帶的能量未能有效傳遞到礦物上，進而使得磨礦產品粒級分布差。

針對上述問題，本文通過研究礦石力學性質及球磨機給礦粒度特性，對山西某鐵礦廠一段球磨機介質配比進行優化，進而優化產品粒度分布，為后續的浮選工藝創造有利指標。

3.3 磨礦試驗方案

根據礦石力學性質，本研究采用段式球徑半理論公式及一段球磨機全給礦來確定球磨磨碎8 mm給礦所需的精確球徑［7-11］。根據公式(1)，df=8 mm；Kc=1.28；由δt=3.36及磨礦濃度R=75%，求得ρn=2.11，ρe=5.69； 按公式計算得Do=6.35；考慮礦石高硬度高韌性以及力學性質極不均勻，按抗壓強度及修正系數計算，可求得Db=58.9 mm，取60 mm作為最終確定的最大球徑。推薦方案配比見表2，試驗方案見表3。

表2 推薦方案配比確定

表3 一段球磨機鋼球初介質配比方案

3.4 磨礦對比試驗

為了能夠直觀地看出各個球級配比方案的磨礦效果，現通過以下指標對比分析。表征如下：①+0.1 mm粗粒含量判斷各方案對粗顆粒礦物的破碎能力；②-0.10+0.020 mm、-0.074+0.020 mm產率分別判明中間可選級別的生成情況以及中間易選級別的生成情況，進而判斷磨礦方案對中間粒級的保護作用；-0.074mm產率判明各方案的細磨能力；③-0.020 mm產率判明各方案過粉碎情況，用這些指標來評判各初裝方案的優劣。④在技術層面上，磨礦技術效率E技可以用于評價不同配比研磨介質磨礦效果的好壞。這是因為磨礦效果與E技成正比，E技越高磨礦效果越好，反之磨礦效果較差［9-12］。

3.4.1磨礦效果比較

磨礦產品通過篩分、水析獲得產品中粗粒級、可選級、易選級、過粉碎級的級別產率，結果見圖3。

圖3 磨礦產品粒度分布

由圖3可知：(1)推薦方案、現場方案、偏大方案、偏小方案(+0.1 mm)粗粒級產率分別為10.9%、25.43%、19.32%、11.42%，現場方案以及偏大方案粗粒級產率較高，而推薦方案產率較低，這是由于現場方案以及偏大方案配比中鋼球尺寸較大且鋼球個數較少，鋼球與礦石接觸面積以及碰撞次數較少，進而無法有效破碎粗粒級產品，磨礦能力差［13］。因此，推薦方案磨粗礦石的效果較偏小方案好。(2)推薦方案、現場方案、偏大方案、偏小方案(-0.1+0.02 mm)中間可選級別產率為68.47%、46.21%、48.15%、48.42%，其中(-0.074+0.020 mm)中間易選級別產率分別為55.08%、39.36%、41.32%、42.59%。無論是中間可選級別以及中間易選級別產率，推薦方案均高于其它方案。(3)推薦方案、現場方案、偏大方案、偏小方案(-0.020 mm)過粉碎率分別為20.63%、28.38%、32.53%、40.16%，其中推薦方案較現場方案、偏大方案低7.75%、11.9%，19.53%。推薦方案在剝磨細礦石過程中同時能夠控制礦石過粉碎性效果，較偏小方案好。

3.4.2 磨礦技術效率對比分析

磨礦技術效率E技是評價磨礦質量的重要指標之一，磨礦技術效率與產品粒度組成相關［14-17］，其具體關系見公式（2）。

式中：γ1為球磨機給礦中礦石粒級小于粗粒級（-0.1 mm粒級）含量；γ2為球磨機給礦中礦石粒級小于過粉碎粒級（-0.020 mm粒級）含量；γ為球磨機排礦中礦石粒級小于粗粒級（-0.1 mm粒級）含量；γ3為磨機排礦中礦石粒級小于過粉碎粒級（-0.020 mm粒級）含量。不同配比方案磨礦技術效率如圖4所示。

圖4 各方案磨礦技術效率對比

從圖4中可以看出，推薦方案、現場方案、偏大方案、偏小方案磨礦技術效率分別為67.92%、38.89%、43.27%、46.62%，推薦方案較現場方案、偏大方案以及偏小方案分別高29.03%、24.65%、21.30%?，F場方案以及偏大方案磨礦技術效率較低，這可能是由于兩種方案中平均球徑較大，鋼球沖擊礦石能量較大，但鋼球個數較少，因此鋼球與礦石接觸次數較少，所以磨礦介質對大顆粒礦物無法有效破碎。由此可見，精確的球徑配比能夠科學地減少磨礦產品中粗粒級含量，提高合格粒級的比例［18］。在生產實踐中不斷提高磨礦技術效率，有利于磨礦過程中磨礦效果的提升，為后續浮選工藝指標的持續優化創造有利條件。

4 結論

（1）通過對現場礦石分析，結果表明；礦石密度為2.90～3.60g/cm3，密度較大，易產生過磨；普氏硬度系數5.8～29.7，軟硬不均勻，平均硬度17.4，整體屬于特硬礦塊；彈性模量（2.81～7.52）×104MPa礦石脆性很大，泊松比0.18～0.38，總體表現為韌性較大；礦石性質分布不均勻，既具有高韌性難磨礦石，又具有部分脆性易磨礦石。

（2）通過研究原礦塊力學性質及球磨機給礦粒度組成，結合段式半理論公式，計算出球磨機研磨介質配比m(Φ60):m(Φ50):m(Φ40):m(Φ30)=15:20:25:40。

（3）實驗結果表明，推薦方案較現場方案相比，(+0.1 mm)粗粒級產率降低14.53%，推薦方案在磨粗礦石效果較好，(-0.1+0.02 mm)中間可選級別產率提高22.26%，其中(-0.074+0.020 mm)中間易選級別產率提高15.72%，(-0.020 mm)過粉碎率降低7.75%，磨礦技術效率提高29.03%，推薦方案在磨細礦石的過程中同時對控制礦石過粉碎的兼顧性效果較現場方案好。