齊大山鐵礦石適宜介質(zhì)尺寸試驗(yàn)

鄭金香，任文禮,2， 陳國巖， 施建軍

(1.鞍鋼集團(tuán)齊大山鐵礦，遼寧 鞍山114002；2.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；3.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

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齊大山鐵礦石適宜介質(zhì)尺寸試驗(yàn)

鄭金香1，任文禮1,2， 陳國巖1， 施建軍1

(1.鞍鋼集團(tuán)齊大山鐵礦，遼寧 鞍山114002；2.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；3.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

球磨機(jī)；最佳介質(zhì)尺寸；窄級別；磨礦速率

針對齊大山鐵礦一段球磨機(jī)處理能力低的現(xiàn)象，以細(xì)碎排礦為研究對象，展開對窄級別給礦最佳介質(zhì)尺寸優(yōu)化試驗(yàn)研究。將原礦分成+6 mm、-6+2 mm、-2 mm 3個(gè)窄級別，采用Φ460 mm×600 mm球磨機(jī)對每個(gè)窄級別都分別進(jìn)行不同尺寸的單一直徑球介質(zhì)磨礦試驗(yàn)。運(yùn)用磨礦動(dòng)力學(xué)，通過對各窄級別不同球介質(zhì)的平均磨礦速率的分析，確定+6 mm、-6+2 mm、-2 mm粒級最適宜介質(zhì)尺寸分別為100 mm、80 mm、70 mm，為工業(yè)試驗(yàn)提供了參考。

磨礦在選礦工業(yè)中具有非常重要的地位，在磨礦作業(yè)眾多影響因素中，磨礦介質(zhì)是磨礦效率和磨礦產(chǎn)物粒度最顯著、最直接的影響因素之一。因此，磨礦介質(zhì)優(yōu)化在生產(chǎn)實(shí)踐中備受關(guān)注[1-5]。磨礦過程是一個(gè)礦石粒度不斷減小，礦石比表面積持續(xù)增大的動(dòng)態(tài)過程。根據(jù)熱力學(xué)原理，比表面積增大是一個(gè)內(nèi)能增加的過程，這個(gè)過程不能自發(fā)進(jìn)行，需要依靠外界對礦石做功來實(shí)現(xiàn)。磨機(jī)通過磨礦介質(zhì)對礦石做功，使礦石內(nèi)能增加而發(fā)生變形，當(dāng)變形達(dá)到極限時(shí)即發(fā)生碎裂現(xiàn)象。因此，在磨礦過程中，介質(zhì)實(shí)際上充當(dāng)能量的載體，傳遞能量，介質(zhì)尺寸的合適與否直接決定著能量傳遞的精確性，從而顯著改善磨礦過程、提高磨礦效率、優(yōu)化磨礦指標(biāo)[6-7]。

齊大山鐵礦選礦車間一段Φ5.59 m×8.83 m球磨機(jī)生產(chǎn)過程生產(chǎn)率、處理能力等技術(shù)參數(shù)一直未達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，造成磨礦能耗較高、生產(chǎn)能力較低。本文從優(yōu)化齊大山一段磨礦介質(zhì)尺寸出發(fā)，提出了一種用磨礦動(dòng)力學(xué)模型求適宜鋼球球徑的方法[7]，即采用窄粒級給料和單一尺寸介質(zhì)磨礦的試驗(yàn)方法研究了各種給料條件下的最佳介質(zhì)尺寸，并對磨礦后產(chǎn)品進(jìn)行磨礦動(dòng)力學(xué)分析[8-9]，為齊大山工業(yè)試驗(yàn)提供參考。

1試驗(yàn)原料及研究方法

1.1試驗(yàn)原料

礦樣為取自鞍鋼礦業(yè)集團(tuán)齊大山鐵礦細(xì)碎排礦。礦樣的化學(xué)多元素分析結(jié)果如表1所示，XRD分析結(jié)果見圖1，粒度篩分結(jié)果見表2。

表1　齊大山鐵礦化學(xué)多元素分析(%)

圖1　原礦的XRD分析

從表1可以看出，礦石中TFe品位為31.13%，F(xiàn)eO含量為7.90%，SiO2含量為51.35%，自然堿度為0.055，屬酸性礦石，有害元素硫、含量較低，分別為0.13%、0.032%。試驗(yàn)結(jié)果表明，該礦主要有價(jià)元素為鐵，主要雜質(zhì)成分為SiO2、Al2O3、CaO、MgO等。

從圖1可見，礦石中含鐵礦物主要有磁鐵礦和赤鐵礦，脈石礦物主要為石英和淺閃石。

表2　試樣粒度分析詳細(xì)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試樣篩分結(jié)果，為了使每次試驗(yàn)所需窄級別比例大體一致，將原礦樣篩分成+6 mm、-6+2 mm、-2 mm 3個(gè)窄級別，分別作為磨機(jī)給料，結(jié)果如表3所示。

表3　齊大山球磨給礦粒度篩分結(jié)果

1.2研究方法

采用東北大學(xué)選礦實(shí)驗(yàn)室Φ460 mm×600 mm型球磨機(jī)，有效容積為0.089 m3，磨機(jī)轉(zhuǎn)速52 r/min，充填率為26%，料球比為0.6，干式磨礦，磨礦介質(zhì)均為圓球形鋼球。對于任一窄級別給料，分別采用不同尺寸介質(zhì)進(jìn)行不同時(shí)間的批次磨礦試驗(yàn)。其中每次試驗(yàn)礦量和球量分別按式(1)和式(2)計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，各批次磨礦試驗(yàn)每次加礦量和加球量分別為13.75 kg和120.86 kg。

加礦量G=V有效Φ介×η×χ×δ堆

(1)

加球量W=V有效×Φ介δ球堆

(2)

式中V有效為球磨機(jī)有效容積，m3；Φ介為介質(zhì)充填率；δ堆為礦石堆密度，t/m3；δ球堆為介質(zhì)堆密度，t/m3；η為球間孔隙率；χ為料球比。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，按磨礦動(dòng)力學(xué)方程分別計(jì)算出+6 mm粒級(以+6 mm為考查指標(biāo))、-6 mm+2 mm(以+2 mm為考查指標(biāo))、-2 mm粒級(以+0.074 mm為考查指標(biāo))在不同尺寸單一直徑球介質(zhì)磨礦試驗(yàn)粗顆粒消失速率，即磨礦速率k值，最后通過比較各窄級別不同球徑在不同磨礦時(shí)間的平均磨礦速率，從而得出結(jié)果。磨礦動(dòng)力學(xué)公式如式(3)所示

R=R0e-kt

(3)

取式(3)一次對數(shù)，得

磨礦速率:

(4)

式中，R為經(jīng)過時(shí)間t后，磨礦產(chǎn)品中大于指定粒級顆粒的含量，%；R0為給料中中大于指定粒級顆粒的含量，%；k相當(dāng)于大于該指定粒級顆粒被粉磨的選擇函數(shù)；t為磨礦時(shí)間。

2一段球磨適宜球介質(zhì)尺寸優(yōu)化試驗(yàn)

2.1+6 mm 粒級最適宜尺寸實(shí)驗(yàn)

+6 mm 粒級分別進(jìn)行Φ100 mm、Φ90 mm、Φ80 mm 3種不同直徑球的試驗(yàn)，其中Φ100 mm試驗(yàn)?zāi)サV時(shí)間為2～8 min；Φ90 mm和Φ80 mm磨礦時(shí)間均為3～10 min。結(jié)果如圖2所示。

圖2　+6 mm粒級礦石不同球徑磨礦速度曲線

根據(jù)圖2可知，+6 mm粒級Φ100 mm、Φ90 mm單球徑試驗(yàn)?zāi)サV速率在磨礦時(shí)間2 min到8 min內(nèi)，分別由0.627 346、0.507 698下降至0.354 124、0.291 006，Φ80 mm單球徑試驗(yàn)?zāi)サV速率在磨礦時(shí)間3 min到10 min內(nèi)，由0.448 279下降至0.209 927，并且磨礦速率在相同時(shí)刻均存在Φ100 mm>Φ90 mm>Φ80 mm，以平均磨礦速率為依據(jù)，可知Φ100 mm球介質(zhì)磨礦效果最好。因此，+6 mm最佳介質(zhì)尺寸為100 mm。

2.2-6+2 mm粒級最適宜尺寸試驗(yàn)

-6+2 mm粒級分別進(jìn)行Φ90 mm、Φ80 mm、Φ70 mm 3種不同直徑球的試驗(yàn)，其中Φ90 mm、Φ80 mm、Φ70 mm試驗(yàn)?zāi)サV時(shí)間均為1～4 min，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3　-6+2 mm粒級礦石不同球徑磨礦速度曲線

由圖3可知，-6+2 mm粒級Φ90 mm、Φ80 mm和Φ70 mm單一球徑試驗(yàn)?zāi)サV速率隨時(shí)間呈小幅上升，但變化不大，可以認(rèn)為磨礦速率基本在1 min到4 min內(nèi)處于同一水平，以平均磨礦速率為考查指標(biāo)，Φ90 mm、Φ80 mm和Φ70 mm的平均磨礦速率分別為0.616 652、0.675 835、0.671 336綜合考慮，確定-6+2 mm粒級Φ80 mm球介質(zhì)磨礦效果最好。因此，-6+2 mm最佳介質(zhì)尺寸為80 mm。

2.3-2 mm粒級最適宜介質(zhì)尺寸試驗(yàn)

-2 mm粒級分別進(jìn)行Φ80 mm、Φ70 mm、Φ60 mm 3種不同直徑球的試驗(yàn)，磨礦時(shí)間均為2～8 min，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4　-2 mm粒級礦石不同球徑磨礦速度曲線

根據(jù)圖4可知，以 -2 mm粒級Φ80 mm、Φ70 mm、Φ60 mm單一球徑試驗(yàn)?zāi)サV磨礦速率分別從2 min時(shí)的0.028 697、0.069 981、0.059 879下降至8 min時(shí)的0.019 527、0.055 561、0.024 307，綜合考慮不同介質(zhì)尺寸磨礦平均速率，從Φ80 mm到Φ60 mm，平均磨礦速率先快速上升再緩慢下降，在Φ70 mm球介質(zhì)平均磨礦速率最大，其次是Φ60 mm，Φ80 mm平均磨礦速率最低。因此可知，對于-2 mm粒級的礦物，最佳介質(zhì)尺寸為70 mm。

3結(jié)論

(1)+6 mm粒級Φ100 mm、Φ90 mm單球徑試驗(yàn)在磨礦時(shí)間2 min到8 min內(nèi)，磨礦速率分別由0.627 346、0.507 698下降至0.354 124、0.291 006，Φ80 mm單球徑試驗(yàn)在磨礦速率從3 min時(shí)的0.448 279下降至10 min時(shí)的0.209 927，確定+6 mm最適宜球徑為100 mm；

(2)-6+2 mm粒級Φ90 mm、Φ80 mm和Φ70 mm單一球徑試驗(yàn)?zāi)サV速率隨時(shí)間變化不大，確定-6+2 mm最適宜球徑為80 mm；

(3)-2 mm粒級Φ80 mm、Φ70 mm、Φ60 mm單一球徑試驗(yàn)在磨礦時(shí)間2 min到8 min內(nèi)，磨礦的磨礦速率分別從0.028 697、0.069 981、0.059 879下降至0.019 527、0.055 561、0.024 307，確定-2 mm最適宜球徑為70 mm。

(4)窄級別最佳介質(zhì)尺寸試驗(yàn)得出3種不同尺寸最佳磨礦介質(zhì)，磨礦是一個(gè)多種不同尺寸介質(zhì)共同起沖擊和磨削作用的過程，因而，后續(xù)介質(zhì)配比試驗(yàn)可以考慮搭配Φ50 mm、Φ40 mm或者更小球徑的介質(zhì)。

[1]于福家,韓躍新.磨機(jī)細(xì)磨介質(zhì)優(yōu)化研究[J].金屬礦山,1997(03):29-31.

[2]何建璋.鋰輝石磨礦中球徑和補(bǔ)加球制度的合理選擇[J].新疆有色金屬,1997(04):24-26.

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[5]吳明珠.磨礦動(dòng)力學(xué)在磨礦操作中的應(yīng)用[J].有色金屬(選礦), 1989(05):10-15.

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[7]陳炳辰.磨礦原理[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社,1989.

[8]劉炯天,樊民強(qiáng),試驗(yàn)研究方法[M]. 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2006:195.

[9]于福家,印萬忠,劉 杰,等. 礦物加工實(shí)驗(yàn)方法[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2010:25-27.

Experiment on Optimum Media Size for Qidashan Iron Ore

ZHENG Jin-xiang1, REN Wen-li1,3, CHEN Guo-yan1, SHI Jian-jun1

(1.Qidashan Mineral Processing Plant of Anshan Iron and Steel Group, Anshan Liaoning 114002, China;2.College of Mining Engineering,North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063009,China;3.College of Resources and Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang Liaoning,110819,China)

ball mill;optimum size of media;narrow size;grinding efficiency

In view of low processing capacity of ball mill in the first grinding from Qidashan iron ore, taking fine crushing ores as study object, study on optimum media size of single size feed was conducted. The Ore was divided into three single sizes of +6 mm, -6+2 mm and -2 mm, in which Φ460 mm×600 mm ball mill was used to study optimum size media of each single size feed respectively. Using the grinding kinetic equation followed by analyzing average grinding rate of different media sizes, the results showed that: the optimum size media of +6 mm, -6+2 mm and -2 mm single size feed was Φ100 mm, Φ80 mm, Φ70 mm respectively, which provided a reference for the industrial test.

2095-2716(2015)04-0012-05

TD951

A