基于磨礦動(dòng)力學(xué)的GN8磨機(jī)超細(xì)磨礦能耗研究

張仁丙，李茂林，鄭霞玉，崔 瑞

（武漢科技大學(xué)冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430081）

傳統(tǒng)球磨機(jī)由于臨界轉(zhuǎn)速的限制，輸入能量不可能過(guò)大，而且還有相當(dāng)一部分能量用來(lái)驅(qū)動(dòng)其龐大的筒體。在使用球磨機(jī)將礦粒磨至20μm以下時(shí)，磨礦能耗將隨著磨礦細(xì)度的降低呈指數(shù)式增長(zhǎng)。多年來(lái)，世界各國(guó)都先后致力于研究的超細(xì)磨機(jī)為一種臥式攪拌磨，使用圓盤攪拌器對(duì)細(xì)粒磨礦介質(zhì)進(jìn)行高強(qiáng)度攪拌，物料在介質(zhì)的高強(qiáng)度磨剝下被磨細(xì)。如今攪拌磨憑其磨礦效率高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛地應(yīng)用于細(xì)磨超細(xì)磨作業(yè)中，攪拌器轉(zhuǎn)速是控制磨礦過(guò)程最重要及最容易調(diào)節(jié)的參數(shù)之一。本次試驗(yàn)采用間斷磨礦試驗(yàn)，就是磨礦試驗(yàn)過(guò)程中，間隔相等的時(shí)間記錄磨機(jī)的運(yùn)行功率，有用功率即為運(yùn)行功率減去磨機(jī)的空載（未加介質(zhì)與物料）功率。

1 試驗(yàn)原料和主要設(shè)備

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料為石英，經(jīng)BT－9300S型激光粒度測(cè)試儀測(cè)試，得特性粒度分布見(jiàn)表1。

表1 原礦特性粒度分布／μm

1.2 主要設(shè)備

試驗(yàn)采用新型高能臥式攪拌磨機(jī)（GN型高能磨機(jī)，簡(jiǎn)稱 GN磨機(jī)），總?cè)莘e10L，攪拌器體積2.7L，凈容積7.30L，裝機(jī)功率5.5kW，視在能量密度0.29kW／L，最大能量密度340kW／m3，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速1450r／min（0～1450r／min連續(xù)可調(diào)）；磨機(jī)啟動(dòng)和轉(zhuǎn)速由變頻器控制；BT－9300S型激光粒度儀分析磨礦產(chǎn)品的粒度分布。

2 試驗(yàn)方法

以石英為磨礦原料，GN8磨機(jī)為主要試驗(yàn)設(shè)備，磨機(jī)中用2mm、3mm（各占50%）剛玉球作為介質(zhì)，充填率65%。試驗(yàn)過(guò)程中，每組試驗(yàn)石英加入量為2.3kg，保證磨礦濃度約50%，每組試驗(yàn)間隔相等的時(shí)間t記錄磨機(jī)的運(yùn)行功率P，控制磨礦時(shí)間，使得在不同轉(zhuǎn)速條件下的最長(zhǎng)磨礦時(shí)間內(nèi)輸入能量的范圍大致相等。磨礦完成后取樣，用BT－9300S型激光粒度儀分析，分析結(jié)果導(dǎo)入EXCEL表留做后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

試驗(yàn)過(guò)程中，用變頻器控制的磨機(jī)轉(zhuǎn)速，如表2所示。

表2 變頻器對(duì)應(yīng)的磨機(jī)轉(zhuǎn)速

3 一階磨礦動(dòng)力學(xué)方程式R＝R0e－kt的驗(yàn)證

由圖1、圖2可以看出，磨礦過(guò)程符合一階磨礦動(dòng)力學(xué)，試驗(yàn)中k值的變化趨勢(shì)也與公式中k值的變化相符：磨得越細(xì)，k越小。在同一個(gè)粒級(jí)下，不同的轉(zhuǎn)速可以得到不同的擬合k值；而在同一個(gè)轉(zhuǎn)速下，不同的粒級(jí)也可以得到不同的擬合k值。

4 運(yùn)行功率P與攪拌器轉(zhuǎn)速V的相互關(guān)系

試驗(yàn)中，記錄每個(gè)轉(zhuǎn)速V下的運(yùn)行功率P，得到V與P的關(guān)系如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著攪拌器轉(zhuǎn)速的加快，磨機(jī)有功功率明顯升高，轉(zhuǎn)速越高，功率增加的越快。在A·kawade，基于應(yīng)力強(qiáng)度SI與應(yīng)力事件SN的理論分析中認(rèn)為：

其中，ρGM、dGM、φGM分別為研磨介質(zhì)的密度、粒度及充填率，ε為堆積介質(zhì)的孔隙率，t為磨礦時(shí)間，n為攪拌器轉(zhuǎn)速，Cv為料漿的體積濃度。本試驗(yàn)中由于變化參數(shù)只有攪拌器轉(zhuǎn)速V，因此，從理論上可以得到E∝SI·SN∝V3t，進(jìn)一步可以得到P∝V3。本試驗(yàn)中，通過(guò)擬合試驗(yàn)測(cè)得的有功功率值與攪拌器轉(zhuǎn)速，可得其關(guān)系為P∝V2.80。

圖1 10μm的k值擬合公式

圖2 15μm的k值擬合公式

圖3 攪拌器不同轉(zhuǎn)速下的磨礦有功功率

5 能量利用率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

一階磨礦動(dòng)力學(xué)中的k可以表征磨礦速率的大小，根據(jù)磨礦記錄數(shù)據(jù)，分別得出R0＝10μm時(shí)的k值。如圖4所示，圖中繪出了磨礦速率常數(shù)k隨有轉(zhuǎn)速V的變化。可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增大，磨礦速率常數(shù)明顯增大，這與M·Gao等通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)提高磨礦功率可以顯著地加快粒度減小的觀點(diǎn)一致。

增大轉(zhuǎn)速（即提高功率）可以提高磨機(jī)的磨礦速率，但磨礦能量利用率的變化怎樣。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，分別分析被磨礦樣在不同轉(zhuǎn)速，相同能量輸入下的－10μm含量的增量，如圖5所示。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下的k與V的關(guān)系圖

圖5 不同轉(zhuǎn)速下的能量轉(zhuǎn)化

從圖5可以看出，隨著攪拌器轉(zhuǎn)速的提高，在相同能量輸入的情況下，－10μm的產(chǎn)率是呈下降趨勢(shì)的，即能量利用率變小。在試驗(yàn)過(guò)程中，本人也確實(shí)感受到，轉(zhuǎn)速越高，磨機(jī)的發(fā)熱量越高，礦漿的溫度也明顯升高。從能量守恒的角度看，以熱量形式散失的能量增加了。

同樣的，我們也可以定量的分析能量利用率的變化，當(dāng)磨機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速條件下磨礦時(shí)，在單位能量輸入下，－10μm的質(zhì)量含量變化是不相同的，根據(jù)公式可以算出，不同轉(zhuǎn)速時(shí)單位能量下被磨礦物－10μm的質(zhì)量生成量（式中M為每次磨礦加入的原礦質(zhì)量，為2.3kg；β為磨礦產(chǎn)品中－10μm含量；α為原礦中－10μm含量），如表3所示。

表3 單位能量－10μm的質(zhì)量生成量

由以上數(shù)據(jù)可知，雖然加快攪拌器轉(zhuǎn)速可以提高磨礦速率，但磨機(jī)能量利用率降低了。對(duì)于選場(chǎng)，磨礦部分是耗能最大的，磨礦工段的節(jié)能是必須的。因此，現(xiàn)場(chǎng)裝機(jī)時(shí)，并非轉(zhuǎn)速越高越好。

6 結(jié)論

1）對(duì)于一階磨礦動(dòng)力學(xué)方程式R＝R0e－kt來(lái)說(shuō)，k可以表征磨礦速率的快慢，在不同的粒度和不同的轉(zhuǎn)速下，分別可以擬合出不同的k值。磨的越細(xì)，k值越??；轉(zhuǎn)速越快，k值越大。

2）在試驗(yàn)中，隨著攪拌器轉(zhuǎn)速的加快，磨機(jī)有功功率明顯升高，轉(zhuǎn)速越高，功率增加的越快（P與V呈指數(shù)關(guān)系）。在該試驗(yàn)性質(zhì)和礦樣性質(zhì)下，試驗(yàn)測(cè)得P∝V2.80。

3）對(duì)于磨機(jī)，增大功率可以提高磨機(jī)的磨礦速率，但同時(shí)能量的有效利用率就減小了，有更多的能量就會(huì)變成熱能散失掉了。在現(xiàn)場(chǎng)，磨機(jī)是耗能最大的部分，磨機(jī)能量的有效利用可以降低生產(chǎn)成本，因此磨機(jī)轉(zhuǎn)速并非越大越好，要根據(jù)實(shí)際情況合理調(diào)整轉(zhuǎn)速，使選場(chǎng)收益達(dá)到最大化。

［1］崔瑞，李茂林，張磊，等.GN型高能磨機(jī)基本性能研究［J］.中國(guó)礦業(yè)，2009，18（7）：412－417.