長徑比對單段半自磨流程產(chǎn)品粒度的影響分析

王 琴

1洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

單段自磨/半自磨流程是將碎磨作業(yè)集中在一個設(shè)備內(nèi)，具有碎磨比大、流程配置簡單、投資成本低于半自磨+球磨流程以及運行費用低等優(yōu)點[1]。單段自磨/半自磨流程在南非、加拿大和澳大利亞的部分金礦應(yīng)用較為普遍。例如澳大利亞 Sino鐵礦單段自磨流程采用的是由中信重工機械股份有限公司制造的φ12.20 m×10.97 m 自磨機，磨機長徑比(L/D)約為 0.9，裝機功率為 28 MW[2]；菲律賓的拉潘多銅金礦(2 000 t/d)采用了φ5.03 m×6.10 m 半自磨機，磨機長徑比為 1.21，裝機功率為 2 600 kW，最終磨礦產(chǎn)品粒度P80為 0.18 mm；另外澳大利亞奧林匹克壩項目采用了單段半自磨流程，半自磨機規(guī)格為φ11.60 m×7.78 m，磨機長徑比為 0.67，裝機功率為 18 000 kW，磨礦產(chǎn)品粒度P80為 0.075 mm。筆者發(fā)現(xiàn)，礦山采用單段自磨/半自磨流程時，多采用長徑比超過 0.5 的自磨/半自磨機；采用自磨/半自磨+球磨流程時，則多采用長徑比小于 0.5 的自磨/半自磨機。例如澳大利亞的史密斯金礦(400 萬 t/a)采用的半自磨機規(guī)格為φ8.53 m×3.65 m，磨機長徑比為 0.43，裝機功率為 3 900 kW；銅陵冬瓜山銅礦采用的則是φ8.5 m×4.0 m 半自磨機，磨機長徑比為 0.47，裝機功率為 6 500 kW。由此可見，半自磨機的選型不僅取決于礦石性質(zhì)、處理量和產(chǎn)品粒度要求，也與半自磨機的長徑比密切相關(guān)。

筆者根據(jù)礦石的 JK 落重試驗參數(shù)和 SMC 試驗(即半自磨機粉碎試驗)參數(shù)，采用 SMCC 選型技術(shù)和JKSimMet 流程模擬軟件相結(jié)合的方法，以國外某銅鈷礦年處理 220 萬 t 單段半自磨流程為例，通過對不同長徑比半自磨機方案的選型模擬計算，分析研究長徑比對于單段半自磨流程產(chǎn)品粒度的影響。

1 工藝流程與設(shè)計依據(jù)

礦石為硫化銅鈷礦，采用如圖 1 所示的單段半自磨流程。具體工藝如下：一段破碎后的產(chǎn)品作為半自磨機給礦，半自磨機排礦經(jīng)過篩分分級，篩上產(chǎn)物返回半自磨機，篩下產(chǎn)物給入水力旋流器分級，水力旋流器溢流產(chǎn)物為磨礦流程的最終產(chǎn)物，水力旋流器沉砂返回半自磨機。選型設(shè)計依據(jù)如表 1 所列。

圖1 單段半自磨流程Fig.1 Single-state SAG circuit

表1 選型設(shè)計依據(jù)Tab.1 Design basis of mill sizing

表1 中抗沖擊破碎能力參數(shù)A和b用于評價礦石的抗沖擊破碎能力[3-4]，它們不能單獨用于礦石類型的比較，而是用乘積(A×b)來表征礦石的抗破碎能力。A×b越小，表示礦石的抗破碎能力越強。根據(jù) JK 數(shù)據(jù)庫礦石特性分類原則[5]可得A×b≈59，對于半自磨機，其抗破碎能力屬于中軟的范圍；邦德球磨功指數(shù)為 14.9 kW·h/t，其抗研磨能力屬于硬的范圍。SMC 試驗，落重指數(shù)DWi是由A×b的值確定的，Mia為磨機(如自磨、半自磨、棒磨、球磨)較粗產(chǎn)品粒度的磨礦功指數(shù)。

2 選型方法介紹

半自磨機單位功耗是指將單位質(zhì)量的礦石從進料粒度F80研磨至產(chǎn)品粒度P80所需要的能量，單位功耗乘以處理量就可以得到磨礦所需的功率，進而選取合適的磨機規(guī)格與電動機功率[6]。采用 SMCC 選型技術(shù)與 JKSimMet 流程模擬軟件相結(jié)合的方法，對本項目的單段半自磨流程進行選型計算。SMCC 選型技術(shù)是由 S.Morrell 基于 SMC 試驗提出的一種半自磨機單位功耗計算方法，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于半自磨機選型中[6]。JKSimMet 碎磨流程模擬軟件是由澳大利亞的研究機構(gòu)JKMRC 開發(fā)，該軟件中的半自磨機數(shù)學模型在過去幾十年半自磨流程設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用[7-8]。它主要采用總體平衡模型，具有一套完整的理論體系，選型結(jié)果較為準確[6]。JKSimMet 模擬流程如圖 2 所示。使用JKSimMet 軟件時，首先需要輸入礦石特性參數(shù)、設(shè)備參數(shù)及工藝參數(shù)等，然后對這些參數(shù)進行調(diào)整，以實現(xiàn)流程模擬平衡，得到最優(yōu)設(shè)備規(guī)格。

圖2 單段半自磨流程模擬Fig.2 Simulation of single-state SAG circuit

影響半自磨機磨礦產(chǎn)品粒度的因素很多，為得到長徑比對本研究的影響結(jié)果，首先固定一些基礎(chǔ)條件，例如磨機功率、轉(zhuǎn)速率和給料粒度等[9]。在磨機選型計算時半自磨機給料粒度F80=108 mm，鋼球充填率為 13%，臨界轉(zhuǎn)速率為 78%，最大鋼球尺寸為125 mm，磨礦質(zhì)量分數(shù)為 75%，振動篩篩孔尺寸為 8 mm，格子孔尺寸為 25 mm，旋流器給礦質(zhì)量分數(shù)為50%，旋流器溢流產(chǎn)品粒度P80=0.106 mm。

3 結(jié)果分析

3.1 選型結(jié)果

因該項目采用單段半自磨流程，磨礦流程僅有半自磨機一種碎磨設(shè)備，在礦石、給料粒度與產(chǎn)品粒度一致的條件下，各個方案半自磨機的單位功耗相等。研究考察 4 種磨機長徑比分別為 0.40、0.50、0.75 和1.00 時，采用上述選型方法，對半自磨機進行選型計算和模擬，初步選型結(jié)果如表 2 所列。

表2 初步選型結(jié)果Tab.2 Initial mill sizing results

由表 2 可以看出，φ9.15 m×3.60 m 半自磨機比φ7.1 m×7.1 m 半自磨機重約 51 t，同樣的鋼鐵價格，φ9.15 m×3.60 m 半自磨機的單機價格高于φ7.1 m×7.1 m 半自磨機。一般認為[9]，同樣功率條件下，磨機長徑比越大，其制造加工成本越低，因為磨機端蓋的加工遠比筒體復雜。從上述兩方面考慮，方案 4即φ7.1 m×7.1 m 半自磨機方案更為合理。

3.2 半自磨機長徑比對產(chǎn)品 P80 的影響

基于 JKSimMet 流程模擬的結(jié)果，繪制不同長徑比對各個產(chǎn)品粒度P80(直接排料產(chǎn)品、振動篩篩下產(chǎn)品、振動篩篩上產(chǎn)品)的影響曲線，如圖 3 所示。由圖3 可知，隨著半自磨機長徑比的增加，直接排料產(chǎn)品粒度P80由 0.638 mm 降低到 0.425 mm，降低了 50%；振動篩篩下產(chǎn)品粒度P80由 0.59 mm 降低到 0.40 mm，振動篩篩上產(chǎn)品粒度P80由 9.418 mm 降低到 8.033 mm。

圖3 半自磨機長徑比對產(chǎn)品 P80 的影響Fig.3 Influence of SAG ratio of length to diameter on P80 of product

3.3 半自磨機長徑比對磨礦循環(huán)負荷的影響

基于 JKSimMet 流程模擬的結(jié)果，繪制不同長徑比對磨礦循環(huán)負荷的影響曲線，如圖 4 所示。由圖 4 可知，隨著半自磨機長徑比的增加，循環(huán)負荷由 353% 降低到 172%，降低了 105%。循環(huán)負荷是磨機采用閉路作業(yè)時，分級設(shè)備分出的返回磨機的粗粒級物料量與新給入磨機物料量之比。在一定條件下，磨機循環(huán)負荷降低意味著返回磨機的粗粒級物料量減少，說明隨著半自磨機長徑比的增加，磨機研磨作用提高，排礦粒度變細，這與圖 3 中磨機直接排礦產(chǎn)品P80曲線結(jié)果一致，同時也進一步從側(cè)面印證了長徑比越大，磨機直接排礦粒度越細這一結(jié)果。從管道成本因素考慮，磨礦循環(huán)負荷越低，意味著礦量及體積流量越低，有利于降低整個流程的管道成本。

圖4 半自磨機長徑比對磨礦循環(huán)負荷的影響Fig.4 Influence of SAG ratio of length to diameter on mill cycling load

3.4 半自磨機長徑比對破碎速率的影響

基于選型軟件的結(jié)果，不同長徑比的半自磨機破碎速率函數(shù)曲線如圖 5 所示。由圖 5 可知，長徑比為1 的半自磨機(φ7.1 m×7.1 m)的破碎速率曲線整體位于其他 3 種長徑比半自磨機破碎速率曲線的上方。此結(jié)果表明，隨著半自磨機長徑比的增加，半自磨機的破碎速率也相應(yīng)提高。磨機筒體的長度在一定程度上決定了物料在磨機內(nèi)的停留時間，長徑比越大，筒體的長度越長，物料在磨機內(nèi)停留的時間越長，研磨效果就越好。

圖5 不同長徑比的半自磨機破碎速率函數(shù)曲線Fig.5 Functional curve of breakage rate of SAG mill at various ratio of length to diameter

4 結(jié)論

采用 SMCC 選型技術(shù)與 JKSimMet 軟件相結(jié)合的方法，對單段半自磨流程產(chǎn)品粒度進行模擬計算。結(jié)果表明，采用單段半自磨流程處理國處某銅鈷礦礦石時，長徑比為 1 的φ7.1 m×7.1 m 半自磨機設(shè)備總質(zhì)量最低，直徑最小，制造加工難度最低，此方案最優(yōu)。其直接排料產(chǎn)品粒度P80≈0.425 mm，與φ9.15 m×3.60 m 排料產(chǎn)品粒度P80相比，降低了 50%；磨礦循環(huán)負荷由 353% 降低到 172%，降低了 105%。說明磨機長徑比越大，磨礦產(chǎn)品粒度越細，磨礦循環(huán)負荷越低，破碎效率越高。因此，磨機長徑比對于單段半自磨流程的磨礦產(chǎn)品粒度有很大的影響。

通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)得出關(guān)于半自磨機長徑比對于單段半自磨流程影響的確切結(jié)論比較困難，因為至今沒有一個礦山是采用不同長徑比的半自磨機處理同一種礦石的。筆者采用流程模擬軟件考察了長徑比對于單段半自磨流程產(chǎn)品粒度的影響，希望對以后單段半自磨流程的磨機應(yīng)用提供一些借鑒。