介質(zhì)制度對(duì)磨礦過(guò)程影響的研究進(jìn)展

程 旭 武豪杰，2 王澤紅

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院;2.太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司礦業(yè)分公司)

磨礦作業(yè)是選礦前的準(zhǔn)備作業(yè)，其目的是使礦石中的有用礦物與脈石礦物充分單體解離，為選礦提供滿足粒度要求的磨礦產(chǎn)品。磨礦工藝與磨礦制度不僅在很大程度上決定著選礦廠投資的大小和能耗的高低，而且直接影響著選礦廠選別指標(biāo)的優(yōu)劣［1］。因此，研究影響磨礦效果的因素將有助于完善磨礦過(guò)程、改善選廠的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

磨礦過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜多變、影響因素眾多的過(guò)程。影響磨礦作業(yè)指標(biāo)的因素主要包括給料性質(zhì)、磨機(jī)結(jié)構(gòu)及操作條件等。磨礦介質(zhì)制度包括介質(zhì)形狀、尺寸、配比、充填率等參數(shù)，是主要操作條件因素之一，對(duì)磨礦效率、產(chǎn)品粒度分布以及礦物單體解離度的影響最直接、最明顯，也最易于調(diào)節(jié)［2］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)介質(zhì)制度如何影響磨礦過(guò)程進(jìn)行了大量的研究，也取得了較大的進(jìn)展。

1 磨礦介質(zhì)制度的研究進(jìn)展

1.1 磨礦介質(zhì)形狀

磨礦介質(zhì)形狀可分為球形、棒形、短柱形、短截頭錐形等。由于不同形狀的磨礦介質(zhì)作用原理不同，這為選擇性磨礦提供了可能［3］。表1列出了目前常用的介質(zhì)形狀及其磨礦特性。

表1 常用介質(zhì)形狀及其磨礦特性

球形介質(zhì)和棒形介質(zhì)比較常見(jiàn)，短柱形或短截頭錐形介質(zhì)作為球形及棒形介質(zhì)的綜合體，優(yōu)缺點(diǎn)介于二者之間。大量試驗(yàn)表明［4-6］，短柱形或短截頭錐形介質(zhì)細(xì)磨效果優(yōu)于球形介質(zhì)，鋼耗明顯低于棒形介質(zhì)，因此，短柱形或短截頭錐形介質(zhì)的應(yīng)用前景有待開(kāi)發(fā)。

除上述形狀外，近些年又出現(xiàn)了新形狀的磨礦介質(zhì):王鵬推出的多功能磨礦介質(zhì)使介質(zhì)與物料接觸類型多元化，沖擊、磨剝效率均高于球形介質(zhì)［7］;馬少健等人提出了一種雙球形磨礦介質(zhì)，該種介質(zhì)的加入有助于減少過(guò)磨［8］;國(guó)外有關(guān)于 Cylpebs、Powerpebs、Millpebs等形狀磨礦介質(zhì)的介紹［9］。

1.2 磨礦介質(zhì)尺寸

磨礦是一個(gè)能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程，磨機(jī)通過(guò)磨礦介質(zhì)將外界輸入的能量轉(zhuǎn)化為對(duì)物料的破碎功。介質(zhì)尺寸決定了介質(zhì)攜帶能量的多少和物料所受破碎力的大小，也就決定了破碎行為是否發(fā)生和如何發(fā)生。在其他磨礦條件確定的情況下，一定粒度的物料總有最適宜的介質(zhì)尺寸，使得破碎力更準(zhǔn)確，磨礦效率更高。

針對(duì)如何確定最適宜介質(zhì)尺寸，尤其是鋼球球徑，國(guó)內(nèi)外選礦工作者進(jìn)行了大量探索，提出了不同的經(jīng)驗(yàn)公式［10］。早期公式有拉蘇莫夫公式、奧列夫斯基公式、戴維斯公式、邦德經(jīng)驗(yàn)簡(jiǎn)便公式等。由于上述公式考慮因素較少，計(jì)算誤差較大，沒(méi)有被推廣采用。

目前，歐美各國(guó)計(jì)算鋼球尺寸普遍采用Allis Chalmers公式

和Re.Xnord公式

式中，Db為所需鋼球直徑，mm;F為80% 過(guò)篩的給礦粒度，μm;ρ為礦石密度，t/m3;Wi為待磨礦石功指數(shù)，kWh/t;D為磨機(jī)內(nèi)徑，mm;ψ為磨機(jī)轉(zhuǎn)速率，%;km為經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)［11］。這2個(gè)公式均考慮了5個(gè)影響鋼球尺寸的因素，對(duì)于未考慮的因素用經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)km來(lái)修正，計(jì)算結(jié)果較為精確。但由于國(guó)內(nèi)選廠實(shí)際缺乏待磨礦石功指數(shù)數(shù)據(jù)，并且長(zhǎng)期采用95%的過(guò)篩粒度，我國(guó)選礦工作者提出了更適于國(guó)內(nèi)選廠的鋼球尺寸計(jì)算公式。

東北大學(xué)陳炳辰等人提出了一種用粉磨動(dòng)力學(xué)模型求適宜鋼球球徑的方法［12］。具體做法是:把待磨物料分成不同的窄粒級(jí)，將每一窄粒級(jí)分別進(jìn)行不同尺寸鋼球批次磨礦試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果求出不同粒級(jí)、不同球徑所對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程

式中，R(0)為給料中大于指定粒級(jí)顆粒的比率，R(t)為經(jīng)t時(shí)間粉磨后產(chǎn)品中大于指定粒級(jí)顆粒的比率，k為相當(dāng)于該指定粒級(jí)以上大顆粒被粉磨的選擇函數(shù)，t為磨礦時(shí)間。在磨礦條件和磨礦時(shí)間相同的情況下，k值越大，R(0)/R(t)比值越大，R(t)越小，即該尺寸鋼球的磨礦效果最好，這樣即可確定各粒級(jí)物料最適宜球徑。

昆明理工大學(xué)段希祥教授從破碎力學(xué)原理出發(fā)，結(jié)合戴維斯鋼球運(yùn)動(dòng)理論，推導(dǎo)出了球徑半理論公式

式中，Bb為所需鋼球直徑，cm;ψ為磨機(jī)轉(zhuǎn)速率，%;σY為礦石抗壓極限強(qiáng)度，Pa;ρe為鋼球在礦漿中的有效密度，g/cm3;D0為球荷“中間縮聚層”直徑，cm;d為磨機(jī)給礦粒度(95%過(guò)篩粒度)，cm;Kc為綜合修正系數(shù)。該公式考慮了礦石強(qiáng)度及尺寸、磨機(jī)直徑、磨機(jī)轉(zhuǎn)速率和鋼球有效密度等與磨礦過(guò)程直接相關(guān)的5個(gè)重要因素，再用綜合修正系數(shù)Kc來(lái)修正其他因素的影響。該式考慮因素全面，結(jié)果較為準(zhǔn)確，是國(guó)內(nèi)選廠確定鋼球尺寸的重要依據(jù)。

1.3 磨礦介質(zhì)配比

應(yīng)當(dāng)指出，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的鋼球直徑對(duì)于某特定粒級(jí)物料群來(lái)講是最佳球徑，而對(duì)于其他粒級(jí)則可能不是。因此，磨礦過(guò)程中一般需要不同球徑配比的混合鋼球組，以達(dá)到最佳磨礦效果。

由于粗磨和細(xì)磨的工藝特征不同，對(duì)球徑配比的要求不同。粗磨處理的物料粒度范圍寬，為提高磨礦效率就必須對(duì)鋼球?qū)嵭卸嗉?jí)配比。有研究指出，粗磨合理配球比單用最佳球徑鋼球可使磨機(jī)生產(chǎn)能力提高30%～40%。細(xì)磨給料粒度范圍較窄，對(duì)球徑的精確選擇提出了更高的要求，而對(duì)介質(zhì)配比的要求卻不高，用一兩種球即可。

計(jì)算鋼球配比的方法很多，一般容易接受的是給料粒度相關(guān)法。即按給料粒度組成，使各直徑鋼球的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與給料中對(duì)應(yīng)粒級(jí)產(chǎn)率相當(dāng)。其他的方法還有等密度法、質(zhì)量直徑等比法、等表面積法、質(zhì)量表面積等比法、等個(gè)數(shù)法等［13］。這些方法計(jì)算簡(jiǎn)單，容易被采用，但各種方法存在明顯的差異。

東北大學(xué)陳炳辰教授經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)分析與理論研究，得出了具有普遍指導(dǎo)意義的“線性疊加原理”。根據(jù)此原理和磨礦動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，可求得任意給料粒度分布和產(chǎn)品粒度要求下的加球尺寸及配比［14］。實(shí)踐證明，此法是計(jì)算鋼球尺寸及配比的最有效方法。

昆明理工大學(xué)自主研發(fā)了一種精確化裝球方法［15］。將給料中不需要磨碎部分產(chǎn)率扣除，折算出余下待磨物料的粒級(jí)產(chǎn)率。利用球徑半理論公式(5)計(jì)算出各粒級(jí)適宜鋼球尺寸，然后根據(jù)給料粒度相關(guān)法確定鋼球比例，最后按大球比例略高原則進(jìn)行調(diào)整。為驗(yàn)證配比的合理性，一般設(shè)4個(gè)初裝球方案:推薦方案、偏大方案、偏小方案和現(xiàn)場(chǎng)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室擴(kuò)大試驗(yàn)，并進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，得出工業(yè)磨機(jī)最佳初裝球方案。

廣西大學(xué)馬少健教授以磨礦介質(zhì)由2種尺寸混合而成為假定前提，并結(jié)合幾種簡(jiǎn)單鋼球配比算法，通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得出了介質(zhì)配比(質(zhì)量比)通式［13］

式中，q1、q2分別為粗、細(xì)級(jí)別的鋼球質(zhì)量，kg;d1、d2分別為粗、細(xì)級(jí)別的鋼球直徑，mm;n、k為修正系數(shù)。

當(dāng)2種以上尺寸磨礦介質(zhì)混合時(shí)，只要n、k保持不變，同樣可由此式計(jì)算出各種尺寸介質(zhì)的配比情況。

1.4 磨礦介質(zhì)充填率

正常工作的磨機(jī)中介質(zhì)運(yùn)動(dòng)形態(tài)有2種:瀉落式和拋落式。瀉落狀態(tài)下磨礦效果以研磨作用為主，適用于物料細(xì)磨;拋落狀態(tài)下以沖擊作用為主，適用于磨碎粗粒物料。介質(zhì)運(yùn)動(dòng)究竟屬于哪種形態(tài)，取決于磨機(jī)筒體的運(yùn)轉(zhuǎn)速度、介質(zhì)充填率、磨機(jī)襯板形狀以及磨礦濃度等。磨機(jī)筒體的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和介質(zhì)充填率對(duì)磨礦介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)影響尤其顯著。當(dāng)筒體轉(zhuǎn)速一定時(shí)，存在使磨礦效果最優(yōu)的介質(zhì)充填率［14-15］。圖1為磨機(jī)有用功率與介質(zhì)充填率關(guān)系。

圖1 磨機(jī)有用功率與介質(zhì)充填率的關(guān)系

由圖1可知，基于戴維斯理論的磨機(jī)最大有用功率所對(duì)應(yīng)的理論充填率為50%左右。實(shí)際上理論有用功率最大并不意味著磨礦效果最優(yōu)，因?yàn)榇骶S斯理論本身就沒(méi)有考慮鋼球的滑動(dòng)和球荷的摩擦特性，同時(shí)也忽略了同一球?qū)拥南嗷ビ绊懞透髑驅(qū)娱g的相互擾動(dòng)。因此，實(shí)際最佳介質(zhì)充填率在40%左右［16-18］。

檢驗(yàn)充填率的最好標(biāo)準(zhǔn)是磨機(jī)生產(chǎn)率，通過(guò)試驗(yàn)找到最大生產(chǎn)率所對(duì)應(yīng)的充填率即是最佳充填率。劉敏婕從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，認(rèn)為格子型磨機(jī)充填率在40%～43%。毛益平等人通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著磨礦濃度的升高，介質(zhì)充填率應(yīng)相應(yīng)降低，以增加介質(zhì)的有效重心距［19］。肖慶飛等人在鄭州氧化鋁二廠細(xì)磨介質(zhì)優(yōu)化研究中指出，介質(zhì)充填率從36%提高到40%，磨礦產(chǎn)品細(xì)度可提高5.9個(gè)百分點(diǎn)［20］。司亞梅研究認(rèn)為，當(dāng)筒體轉(zhuǎn)速不變時(shí)，介質(zhì)的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速隨充填率的增加先增加后降低［21］。修大偉認(rèn)為，磨礦介質(zhì)的充填率與磨機(jī)整體的動(dòng)態(tài)質(zhì)量密切相關(guān)，并借助壓力傳感器對(duì)磨機(jī)整體動(dòng)態(tài)質(zhì)量的檢測(cè)，開(kāi)發(fā)出了磨機(jī)介質(zhì)充填率的在線檢測(cè)［22］。

2 存在的問(wèn)題及今后努力的方向

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于礦石性質(zhì)和介質(zhì)磨損規(guī)律均存在不確定性，因此，確定合理的介質(zhì)制度相當(dāng)困難。

以最佳球徑的確定為例，既可以通過(guò)工業(yè)試驗(yàn)得到，也可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。工業(yè)試驗(yàn)雖然可靠性較高，但工作量大、耗時(shí)長(zhǎng);經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算雖然不失為一種簡(jiǎn)便、有效的方法，但各種經(jīng)驗(yàn)公式理論基礎(chǔ)不同，計(jì)算結(jié)果相差甚大，而且經(jīng)驗(yàn)公式的修正系數(shù)對(duì)于給料條件和磨礦環(huán)境變化的適應(yīng)性、通用性不強(qiáng)，具有很大的局限性。因此，找到更簡(jiǎn)便、更合理的確定磨礦介質(zhì)制度的方法還有大量的工作要做。

此外，介質(zhì)制度的確定除與上文中的因素有關(guān)，而且還與介質(zhì)的材質(zhì)和補(bǔ)給制度有關(guān)。要想介質(zhì)具備硬度大、耐磨性好、不易碎裂等優(yōu)良性能，就需要確定介質(zhì)的合理化學(xué)組成、金相結(jié)構(gòu)和熱處理方法;要想使磨機(jī)長(zhǎng)期處于最佳工作狀態(tài)，就必須確定科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的加球制度。因而，對(duì)介質(zhì)合理材質(zhì)和合理加球制定的確定也是今后不可或缺的研究?jī)?nèi)容。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)磨礦在選礦工藝中占有極其重要的地位。在其他條件確定的情況下，介質(zhì)制度是影響磨機(jī)鋼耗、電耗、產(chǎn)量、作業(yè)率和磨礦產(chǎn)品品質(zhì)的決定性因素。

(2)磨礦介質(zhì)的形狀多種多樣，不同形狀介質(zhì)的磨礦特性不同;介質(zhì)充填率主要影響介質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和磨機(jī)有用功率，用工業(yè)試驗(yàn)方法確定最佳介質(zhì)充填率工作量極大，而用經(jīng)驗(yàn)公式確定則需對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式的適用條件和修正系數(shù)進(jìn)行全面的研究。

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