礦山碎磨裝備選型試驗(yàn)方法的研究發(fā)展

楊紀(jì)昌，仝麗娟，董運(yùn)杰

1洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

2礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

3新奧泛能網(wǎng)絡(luò)科技服務(wù)有限公司 河北廊坊 065000

礦 山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2010 年掛牌于中信重工機(jī)械股份有限公司 (以下簡(jiǎn)稱“中信重工”)，多年來(lái)，一直致力于礦石碎磨礦試驗(yàn)及礦山機(jī)械裝備選型試驗(yàn)方法的研究，推動(dòng)了破碎機(jī)、自磨機(jī)、半自磨機(jī)、高壓輥磨機(jī)、球磨機(jī)和立式攪拌磨機(jī)等重大礦山機(jī)械裝備的大型化研發(fā)及應(yīng)用。通過國(guó)外引進(jìn)和自主創(chuàng)新的方式，開發(fā)了中信重工特有的設(shè)備選型試驗(yàn)方法，并深入研究開發(fā)了節(jié)能高效的碎磨工藝流程，建立了試驗(yàn)及裝備選型數(shù)據(jù)庫(kù)，推動(dòng)了礦山裝備及選廠工藝向大型化、綠色化及高效節(jié)能化方向的發(fā)展。

1 礦用自磨/半自磨機(jī)選型試驗(yàn)方法的建設(shè)

隨著礦山選廠的日益大型化，工藝流程簡(jiǎn)單、易于自動(dòng)化管理的礦石自磨/半自磨碎磨系統(tǒng)日益得到認(rèn)可和普遍應(yīng)用，發(fā)展自磨/半自磨機(jī)裝備的選型及試驗(yàn)技術(shù)勢(shì)在必行。中信重工于 2008 年率先引進(jìn)了澳大利亞 JKTech 技術(shù)公司的落重試驗(yàn)技術(shù)，以及JKSimMet 計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算模型軟件，應(yīng)用于自磨/半自磨機(jī)磨礦系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)。

JKTech 技術(shù)公司的落重試驗(yàn)技術(shù)是得到國(guó)際認(rèn)可的自磨/半自磨機(jī)選型試驗(yàn)技術(shù)，加拿大 SGS 實(shí)驗(yàn)室、南非 MinTech 實(shí)驗(yàn)室等均被授權(quán)聯(lián)合開展自磨/半自磨機(jī)選型試驗(yàn)研究[1]。

JKSimMet 計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算模型軟件利用落重試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合 Bond 球磨功指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果，可以綜合計(jì)算分析自磨/半自磨機(jī)+球磨機(jī)系統(tǒng)的物料平衡，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)處理量及運(yùn)行參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)計(jì)算。圖 1 展示了自磨/半自磨機(jī)選型試驗(yàn)流程。

圖1 自磨/半自磨機(jī)選型試驗(yàn)流程Fig.1 Process of AG/SAG mill sizing test

2012 年中信重工又收購(gòu)了由 S.Morrell 先生創(chuàng)建的澳洲 SMCC 公司，成立了澳洲 CITIC SMCC 工藝技術(shù)中心，為自磨/半自磨機(jī)工藝系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)計(jì)算又添新手段。CITIC SMCC 計(jì)算分析軟件可以利用SMC 落重試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)計(jì)算自磨/半自磨機(jī)裝備的功率消耗，為系統(tǒng)裝備計(jì)算電動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率提供了更為可靠的技術(shù)保證。

礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室憑借其在礦用自磨機(jī)、半自磨機(jī)選型試驗(yàn)方面的技術(shù)建設(shè)，分別對(duì)以下典型大型礦山項(xiàng)目的裝備選型及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行提供了多次技術(shù)保障：2009 年投產(chǎn)的中國(guó)黃金公司內(nèi)蒙古烏山銅鉬礦一期 3 萬(wàn) t/d 項(xiàng)目，2 臺(tái)φ8.8 m×4.8 m 半自磨機(jī)(6 000 kW)和 2 臺(tái)φ6.2 m×9.5 m 球磨機(jī) (6 000 kW)；2010 年投產(chǎn)的江西銅業(yè)公司德興銅礦 22 500 t/d 項(xiàng)目，1 臺(tái)φ10.37 m×5.19 m 半自磨機(jī) (2×5 586 kW)和 1 臺(tái)φ7.32 m×10.68 m 球磨機(jī) (2×5 586 kW)；2012 年投產(chǎn)的太鋼集團(tuán)袁家村鐵礦 66 700 t/d 項(xiàng)目，3 臺(tái)φ7.32 m×12.50 m 半自磨機(jī) (2×6 500 kW)和 3 臺(tái)φ7.32 m×11.28 m 球磨機(jī) (2×5 500 kW)；2012 年投產(chǎn)的內(nèi)蒙古烏山銅鉬礦二期 35 000 t/d 項(xiàng)目，1 臺(tái)φ11.0 m×5.4 m 自磨機(jī) (2×6 343 kW)和 1 臺(tái)φ7.9 m×13.6 m 球磨機(jī) (2×8 500 kW)；2012 年投產(chǎn)的澳大利亞SINO 鐵礦 230 000 t/d 項(xiàng)目，6 臺(tái)φ12.2 m×11.0 m自磨機(jī) (Siemens 28 000 kW 環(huán)形電動(dòng)機(jī))和 6 臺(tái)φ7.9 m×13.6 m 球磨機(jī) (2×7 800 kW)。

礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的礦用自磨/半自磨機(jī)選型試驗(yàn)方法及試驗(yàn)手段建立后，先后為 140 多家用戶進(jìn)行了項(xiàng)目設(shè)備選型試驗(yàn)服務(wù)及系統(tǒng)裝備選型設(shè)計(jì)服務(wù)，建立了逾 570 組物料試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)及 400 多組裝備選型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，為選礦行業(yè)自磨/半自磨機(jī)裝備及工藝系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

2 礦用球磨機(jī)選型試驗(yàn)方法的建設(shè)完善

球磨機(jī)是礦業(yè)行業(yè)普遍應(yīng)用的可靠傳統(tǒng)的磨礦裝備，礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室通過 2 000 多組試驗(yàn)及操作方法的積累，完善建立了可靠的礦用球磨機(jī)選型試驗(yàn)方法。該方法建立在粉碎第三理論的 Bond功指數(shù)試驗(yàn)方法基礎(chǔ)上，并于 2018 年聯(lián)合礦山機(jī)械標(biāo)委會(huì)起草報(bào)批了《球磨粉磨系統(tǒng) 礦物物料易磨性試驗(yàn)方法》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，目前正在排版印刷中。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范定義了球磨粉磨系統(tǒng)礦物物料易磨性試驗(yàn)方法及操作規(guī)范，為礦業(yè)行業(yè)球磨機(jī)選型試驗(yàn)及裝備選型應(yīng)用起到了全面推動(dòng)及指導(dǎo)作用。圖 2 所示為礦用磨機(jī)選型試驗(yàn)流程。

圖2 礦用磨機(jī)選型試驗(yàn)流程Fig.2 Process of mine mill sizing test

3 高壓輥磨機(jī)選型試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)及試驗(yàn)方法研究

高壓輥磨機(jī) (HPGR)是一種基于層壓粉碎原理的節(jié)能高效碎磨礦裝備，于 20 世紀(jì) 80 年代后期由中國(guó)建材局牽頭從德國(guó)洪堡公司引入中國(guó)，首先以輥壓機(jī)的名稱應(yīng)用于建材行業(yè)的水泥粉磨工藝中。隨著水泥行業(yè)的普遍應(yīng)用，其突出的節(jié)能高效性能得到了廣泛的認(rèn)可，21 世紀(jì)初開始以高壓輥磨機(jī)的名稱應(yīng)用于礦山冶金行業(yè)。

中信重工是引進(jìn)該裝備技術(shù)的第一批參與單位，對(duì) HPGR 層壓粉碎技術(shù)在水泥行業(yè)的應(yīng)用起到了推廣作用；與此同時(shí)，中信重工依靠對(duì) HPGR 輥面技術(shù)的獨(dú)特設(shè)計(jì)，推動(dòng)了其在礦業(yè)粉碎工藝中的應(yīng)用，大大推廣了多碎少磨、節(jié)能高效工藝流程的應(yīng)用[2]。高壓輥磨機(jī)選型試驗(yàn)流程如圖 3 所示。

圖3 高壓輥磨機(jī)選型試驗(yàn)流程Fig.3 Process of HPGR sizing test

目前中信重工 HPGR 主要應(yīng)用于三大行業(yè)的碎磨工藝中：①金屬礦山選廠的礦石粉碎工藝 (見圖 4)；② 水泥建材粉磨站的聯(lián)合粉磨/半終粉磨工藝，水泥原料輥壓終粉磨工藝 (見圖 5)；③冶金球團(tuán)工藝中鐵精粉再磨工藝 (見圖 6)。

圖4 金屬礦山 HPGR 系統(tǒng)Fig.4 HPGR system in metal mines

圖5 水泥建材粉磨站 HPGR 粉磨系統(tǒng)Fig.5 HPGR grinding system in cement grinding station

礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室針對(duì) HPGR 在以上行業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，分別建立并完善了特有的試驗(yàn)方法：①開路 HPGR 應(yīng)用試驗(yàn)；②分級(jí)閉路 HPGR 應(yīng)用試驗(yàn)；③邊料返回閉路 HPGR應(yīng)用試驗(yàn)；④ 鐵精粉再磨增加比表面積應(yīng)用試驗(yàn)。以上試驗(yàn)均分別建立了相應(yīng)可靠、準(zhǔn)確有效的試驗(yàn)方法及操作規(guī)范，尤其是礦用 HPGR 應(yīng)用試驗(yàn)方法與國(guó)際接軌，應(yīng)用精確可靠的檢測(cè)手段，建立了國(guó)際認(rèn)可的試驗(yàn)方法及操作規(guī)范，得到了國(guó)內(nèi)外多家用戶的肯定。

圖6 冶金球團(tuán)工藝中鐵精粉再磨工藝Fig.6 Regrinding process of iron concentrate powder in metallurgical pelletizing process

在 HPGR 試驗(yàn)中，利用擠壓輥軸轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速推算物料凈功耗，指導(dǎo)裝備功率的計(jì)算；利用物料的Bond 金屬磨損指數(shù)，并結(jié)合 HPGR 運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)估算HPGR 擠壓輥輥面壽命，指導(dǎo)輥面設(shè)計(jì)；規(guī)范設(shè)計(jì)了開路試驗(yàn)、分級(jí)閉路試驗(yàn)及邊料返回閉路試驗(yàn)，并分析其試驗(yàn)產(chǎn)品的邊緣料及中心料粒度分布，考察物料層壓粉碎的邊緣效應(yīng)，指導(dǎo) HPGR 裝備運(yùn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，推動(dòng) HPGR 工藝的可靠設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

在礦用 HPGR 應(yīng)用試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究了礦料經(jīng) HPGR 層壓粉碎后Bond 球磨功指數(shù)的變化，并制定了高壓輥磨試驗(yàn)物料 Bond 球磨功指數(shù)試驗(yàn)操作規(guī)范，支撐高壓輥磨機(jī)后續(xù)球磨機(jī)的可靠選型設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)顯示，礦石物料在經(jīng)過 HPGR 層壓粉碎后，易磨性得到普遍改善，對(duì)應(yīng) Bond 球磨功指數(shù)相對(duì)原料普遍降低5% 左右，某些物料 Bond 球磨功指數(shù)降幅甚至達(dá) 10%以上[3]。

4 礦用立式攪拌磨機(jī)選型試驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)及完善

中信重工立式螺旋攪拌磨機(jī)的開發(fā)應(yīng)用，促進(jìn)了大型立式螺旋攪拌磨機(jī)裝備國(guó)產(chǎn)化，助推了行業(yè)細(xì)粒級(jí)磨礦工藝技術(shù)的進(jìn)步。與此同時(shí)，礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)了 CSM-2.2 立式攪拌磨試驗(yàn)平臺(tái)(見圖 7)，大力開展了細(xì)粒級(jí)物料攪拌磨磨礦研究工作。

圖7 實(shí)驗(yàn)室立式螺旋攪拌磨試驗(yàn)平臺(tái)Fig.7 Laboratory vertical spiral stirring mill test platform

大型立式攪拌磨機(jī)的選型試驗(yàn)建立了 3 種試驗(yàn)方法，分別是：①CSM-Bond 球磨功指數(shù)試驗(yàn)方法；② CSM-Levin 試驗(yàn)方法；③CSM-2.2 立式攪拌磨試驗(yàn)平臺(tái)試驗(yàn)。3 種試驗(yàn)結(jié)果互相修正，用于支撐立式攪拌磨機(jī)的選型設(shè)計(jì)。

在研究 Bond 球磨功指數(shù)試驗(yàn)方法應(yīng)用于攪拌磨選型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室探索研究了細(xì)粒級(jí)物料 Bond 球磨功指數(shù)試驗(yàn)的修正思路及方法[3]：主要是應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果，將細(xì)粒級(jí)功指數(shù)入料F80值修正為中信重工 Bond 球磨功指數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)入料的F80均值，使計(jì)算得到的球磨功指數(shù)更具有可靠性，指導(dǎo)細(xì)粒級(jí)球磨機(jī)以及立式攪拌磨機(jī)的選型設(shè)計(jì)計(jì)算，拓展深化了 Bond 功耗法在細(xì)粒級(jí)磨礦試驗(yàn)中的應(yīng)用[4]。

式中：P為控制篩孔徑，μm；Gbp為每轉(zhuǎn)凈生成，g/r；P80為產(chǎn)品中 80% 通過的篩孔孔徑，μm；F80為給料中 80% 通過的篩孔孔徑，μm。

5 破碎機(jī)選型試驗(yàn)方法的建設(shè)與完善

礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在破碎機(jī)選型試驗(yàn)技術(shù)研究中，主要應(yīng)用了以下試驗(yàn)方法：Bond 沖擊功指數(shù)試驗(yàn)、物料抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和 Bond 金屬磨損指數(shù)試驗(yàn)。其中，Bond 沖擊功指數(shù)和抗壓強(qiáng)度用于判斷礦石物料的強(qiáng)度和破碎功，Bond 金屬磨損指數(shù)用于破碎機(jī)襯板磨耗的推算。

針對(duì)破碎機(jī)對(duì)物料的破碎效果及破碎產(chǎn)品粒度分布的研究，礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用自磨/半自磨機(jī)選型試驗(yàn)的落重試驗(yàn)結(jié)果中的破碎模型參數(shù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室顎式破碎機(jī)破碎產(chǎn)品分析，預(yù)測(cè)不同硬度礦石的破碎效果。其中，實(shí)驗(yàn)室開展的砂石骨料項(xiàng)目的試驗(yàn)研究，支撐砂石骨料生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的同時(shí)，具有類比支撐作用。

6 節(jié)能高效碎磨礦工藝的研究及推廣

礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室不僅對(duì)礦山機(jī)械裝備選型試驗(yàn)方法及傳統(tǒng)碎磨工藝系統(tǒng)進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，同時(shí)還推廣了交叉試驗(yàn)研究，推動(dòng)節(jié)能高效裝備及工藝的研究及應(yīng)用。

中信重工率先提出了水泥原料輥壓機(jī)終粉磨工藝，相較原來(lái)的原料球磨機(jī)、原料立磨系統(tǒng)工藝，大大簡(jiǎn)化了水泥原料制備工藝，使水泥原料生產(chǎn)工藝更加高效和綠色節(jié)能。

實(shí)驗(yàn)室對(duì)十多家水泥公司的水泥原料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室輥壓機(jī)終粉磨試驗(yàn)，建立了試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，創(chuàng)新利用-190 目 (-80 μm)單位產(chǎn)量的概念，建立各家物料輥壓機(jī)終粉磨粉碎效果的關(guān)聯(lián)關(guān)系，支撐水泥原料輥壓機(jī)終粉磨系統(tǒng)的裝備選型。圖 8 所示為目前廣泛應(yīng)用的水泥原料輥壓機(jī)終粉磨流程系統(tǒng)。

圖8 水泥原料輥壓機(jī)終粉磨流程系統(tǒng)Fig.8 Final grinding process system of HPGR fed by cement raw material

6.1 HPGR 應(yīng)用于自磨/半自磨頑石破碎

針對(duì)高壓輥磨機(jī)的應(yīng)用研究，中信重工在國(guó)內(nèi)率先研究了應(yīng)用高壓輥磨機(jī)處理自磨/半自磨機(jī)系統(tǒng)頑石，將高壓輥磨機(jī)對(duì)硬脆難磨粒子的快速碎磨作用發(fā)揮到極致。圖 9 所示為高壓輥磨機(jī)應(yīng)用于自磨/半自磨系統(tǒng)的頑石破碎系統(tǒng)。

6.2 破碎系統(tǒng)引入高壓輥磨機(jī)

圖9 自磨/半自磨系統(tǒng) HPGR 頑石破碎系統(tǒng)Fig.9 HPGR pebble crushing system of AG/SAG system

依托高壓輥磨機(jī)對(duì)物料碎磨效果的研究，中信重工針對(duì)多家傳統(tǒng)的三段破碎+球磨機(jī)工藝系統(tǒng)，進(jìn)行了提產(chǎn)增效的改造，將高壓輥磨機(jī)引進(jìn)碎礦工藝，實(shí)現(xiàn)了物料多碎少磨，大大提高了碎礦產(chǎn)品中的成品率，降低了入磨物料的進(jìn)料粒度，提高了物料易磨性。通常經(jīng)過高壓輥磨機(jī)破碎后，球磨機(jī)系統(tǒng)可提產(chǎn) 30%～40%[5]，并且實(shí)現(xiàn)了該拋早拋，減少了磨礦量。圖 10 顯示了某選廠應(yīng)用高壓輥磨機(jī)作為超細(xì)碎設(shè)備對(duì)其后續(xù)球磨流程的改善效果。

圖10 HPGR 系統(tǒng)改善球磨效果Fig.10 Improvement of ball milling effects after introducing HPGR system

6.3 高壓輥磨+立式攪拌磨工藝系統(tǒng)

基于高壓輥磨機(jī)及立式攪拌磨機(jī)高效節(jié)能的特點(diǎn)，中信重工積極開展試驗(yàn)研究，率先提出了“高壓輥磨機(jī)+立式攪拌磨機(jī)”的高效節(jié)能碎磨礦工藝 (見圖 11)，并成功申報(bào)了專利。該工藝的試驗(yàn)研究結(jié)果證明，不僅礦物得到高效的碎磨解離，同時(shí)礦物的回收率也得到了很大的提高。

圖11 高壓輥磨機(jī)+立式攪拌磨系統(tǒng)Fig.11 System of HPGR and vertical stirring mill

7 結(jié)語(yǔ)

礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自成立以來(lái)，一直致力于礦物碎磨礦技術(shù)及節(jié)能高效碎磨礦工藝的研究，大力推動(dòng)了礦山機(jī)械裝備大型化，以及大型碎磨礦工藝的優(yōu)化發(fā)展，為礦山選廠的綠色發(fā)展起到了較大的推動(dòng)作用。獲得了以下創(chuàng)新研究成果：

(1)將 DW、SMC 落重試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用于自磨/半自磨機(jī)以及旋回破碎機(jī)、圓錐破碎機(jī)的選型設(shè)計(jì)；

(2)全面建設(shè)了 Bond 系列功指數(shù)試驗(yàn)技術(shù)及應(yīng)用，并完善了數(shù)據(jù)庫(kù)，支撐破碎機(jī)、球磨機(jī)、棒磨機(jī)裝備的選型設(shè)計(jì)；

(3)創(chuàng)新研發(fā)了水泥原料輥壓機(jī)終粉磨試驗(yàn)方法，完善了礦用高壓輥磨選型試驗(yàn)方法，大力支撐了輥壓機(jī)、高壓輥磨機(jī)的選型設(shè)計(jì)及工藝應(yīng)用，拓展了層壓粉碎裝備的應(yīng)用領(lǐng)域；

(4)創(chuàng)建了先進(jìn)的 CSM-2.2 攪拌磨選型試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)，建立了 CSM-Levin 試驗(yàn)的修正應(yīng)用方法及細(xì)粒級(jí)物料 CSM-Bond 球磨功指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果的修正計(jì)算方法，3 種試驗(yàn)方法聯(lián)合支撐立式攪拌磨機(jī)選型設(shè)計(jì)計(jì)算；

(5)創(chuàng)新研究了高壓輥磨機(jī)+立式攪拌磨節(jié)能高效碎磨工藝技術(shù)的可行性，創(chuàng)立了更加高效節(jié)能的碎磨礦工藝技術(shù)。