東鞍山燒結(jié)廠鐵精礦細(xì)磨中立磨機(jī)與球磨機(jī)的比能耗研究

瞿鐵，仝麗娟，楊紀(jì)昌

1中信重工機(jī)械股份有限公司 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

東鞍山鐵礦石是鞍鋼礦業(yè)集團(tuán)的主要鐵礦原料[1]之一，為典型的復(fù)雜難選鐵礦石，經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)采，采部逐年加深，下部難選礦入選比例增加。現(xiàn)該鐵礦石原礦 TFe 品位約為 31.7%，主要脈石礦物SiO2含量約為 49%，鐵礦物主要為赤褐鐵礦，其次是磁性鐵礦物，包含磁鐵礦和假象半假象赤鐵礦物，碳酸鐵礦物含量也較高，硅酸鐵含量較少。

東鞍山燒結(jié)廠的破碎磨選工藝流程為“三段一閉路破碎篩分—兩段連續(xù)磨礦—粗細(xì)分選—中礦再磨—重選—強(qiáng)磁—分步浮選”，該工藝對(duì)于深部鐵礦石的適應(yīng)性愈來(lái)愈差，造成了鐵精礦產(chǎn)品品位浮動(dòng)較大，選礦效率降低。因此，為了提高選礦產(chǎn)能，降低成本，擬進(jìn)行“磁浮”工藝升級(jí)改造，采用“兩段連續(xù)磨礦—弱磁—強(qiáng)磁—掃強(qiáng)磁—再磨”工藝。該工藝要求磁鐵精礦再磨粒度為 -45 μm (-325 目) 含量為 90%～ 95%，利用傳統(tǒng)的臥式球磨機(jī)不僅達(dá)不到所要求的產(chǎn)品細(xì)度，而且還影響后續(xù)浮選作業(yè)的鐵精礦產(chǎn)品指標(biāo)。由于東鞍山鐵礦石嵌布粒度較細(xì)，磨礦粒度須達(dá)到 -45 μm 占 90% 以上，有用鐵礦物才可以達(dá)到約 80% 的單體解離，因此，再磨設(shè)備擬將原溢流型球磨機(jī)改造為立式螺旋攪拌磨機(jī) (以下簡(jiǎn)稱“立磨機(jī)”)，以滿足“磁浮”工藝的選別粒度要求，從而較好地發(fā)揮選別作用，得到指標(biāo)良好、全鐵品位為66% 的鐵精粉。且相對(duì)于溢流型球磨機(jī)，立磨機(jī)的試驗(yàn)?zāi)サV能耗可有效降低約 30%，更有利于降低選礦成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

立磨機(jī)是一種高效細(xì)磨裝備[2]，具有產(chǎn)品粒度細(xì)、磨礦能耗低、粉磨效率高等特點(diǎn)。該設(shè)備操作簡(jiǎn)單，占地面積小，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于有色金屬礦山、貴金屬礦山等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域[3]，且越來(lái)越被證明在鐵精礦再磨工藝中具有良好的再磨效果。

1 磨礦試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)樣品

本次試驗(yàn)樣品為東鞍山鐵礦石經(jīng)過(guò)弱磁—強(qiáng)磁—掃強(qiáng)磁選后的混磁精粉，全鐵品位為 42.5%，-75 μm (-200目) 含量約為 80%，樣品粒度篩分分析結(jié)果如圖 1 所示。

圖1 試驗(yàn)樣品粒度篩分分析結(jié)果Fig.1 Analysis results of particle size distribution of test sample

由圖 1 可知該樣品中 -75 μm 含量為 79.80%，-45 μm 含量為 61.91%。根據(jù)礦石單體解離度測(cè)定結(jié)果，當(dāng)磨礦粒度達(dá)到 -45 μm 含量為 90.37% 時(shí)，鐵礦物的單體解離度達(dá)到 78.45%；當(dāng)磨礦粒度達(dá)到-45 μm 含量為 95.81% 時(shí)，鐵礦石的單體解離度達(dá)到83.33%。

另外還進(jìn)行了不同磨礦粒度條件下的磁選管選別試驗(yàn)，磁選管磁場(chǎng)強(qiáng)度為 96 kA/m，試驗(yàn)結(jié)果如圖 2所示。

圖2 不同磨礦粒度磁選精礦結(jié)果Fig.2 Results of magnetic separation of concentrate with various grinding particle size

分析圖 2 可知，當(dāng)磨礦產(chǎn)品粒度達(dá)到 -45 μm 含量為 90% 時(shí)，磁選精礦品位為 66.64%；當(dāng)磨礦產(chǎn)品粒度達(dá)到 -45 μm 含量為 95% 時(shí)，磁選精礦品位為67.36%。因此，若想獲得鐵精礦品位 66% 以上，需采用細(xì)磨設(shè)備，將該混磁精粉進(jìn)行再磨。

1.2 磨礦試驗(yàn)

本次磨礦試驗(yàn)分別采用φ305 mm×305 mm BOND實(shí)驗(yàn)室球磨機(jī)和 CSM-2.2 立磨機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行。經(jīng)過(guò)2 種磨礦方法的對(duì)比研究，分析東鞍山燒結(jié)廠混磁精粉在不同磨礦條件下的磨礦效果。

球磨磨礦試驗(yàn)采用 Levin 試驗(yàn)方法[4]，該方法為干法批次磨礦，其計(jì)算能耗代表濕法開(kāi)路磨礦能耗，通過(guò)磨機(jī)轉(zhuǎn)速預(yù)估不同磨礦時(shí)間的磨礦能耗，可與濕法立磨機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。在球磨機(jī)中加入 1.5 kg 的混磁精粉，磨礦介質(zhì)為鋼球。

立磨機(jī)試驗(yàn)為濕法磨礦，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 1 400 r/min，螺旋轉(zhuǎn)速為 128 r/min，磨機(jī)內(nèi)裝φ8 mm 的鋼球，介質(zhì)充填率為 60%，磨礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 62.5%，磨機(jī)主軸連接 1 臺(tái) KTR 扭矩傳感器，用以檢測(cè)磨礦能耗。

磨礦試驗(yàn)結(jié)果如圖 3 所示。分析圖 3 可知，隨著磨礦比能耗的增加，磨礦產(chǎn)品都隨之變細(xì)。在相同的磨礦比能耗下，立磨機(jī)的磨礦產(chǎn)品粒度更細(xì)，磨礦效率更高，且隨著磨礦細(xì)度的增加，二者的磨礦比能耗相差更大。當(dāng)磨至產(chǎn)品粒度為 -45 μm 約占 95%時(shí)，球磨機(jī)的磨礦比能耗約為 10.19 kW·h/t，立磨機(jī)的磨礦比能耗約為 7.84 kW·h/t，二者相差 2.35 kW·h/t，立磨機(jī)磨礦比能耗相比球磨機(jī)的磨礦比能耗低 23%。這說(shuō)明在對(duì)該混磁精粉進(jìn)行細(xì)磨時(shí)，立磨機(jī)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)更加明顯。

圖3 磨礦試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Results of grinding test

1.3 磨礦產(chǎn)品粒度分布

對(duì)球磨機(jī)和立磨機(jī)的磨礦產(chǎn)品中 -45 μm 含量約為 93% 的樣品進(jìn)行激光粒度分析，對(duì)比 2 種磨礦方式產(chǎn)品的粒度組成，結(jié)果如圖 4 所示。

圖4 磨礦產(chǎn)品激光粒度分析結(jié)果Fig.4 Laser analysis results of particle size distribution of grinding products

分析圖 4 可知，在 8～ 50 μm 的粒級(jí)范圍內(nèi)，立磨機(jī)磨礦產(chǎn)品含量比球磨機(jī)高，而在小于 8 μm 的粒級(jí)范圍內(nèi)，球磨機(jī)磨礦產(chǎn)品含量比立磨機(jī)要高，立磨機(jī)磨礦產(chǎn)品粒度分布相對(duì)更窄。這表明球磨機(jī)磨礦產(chǎn)品有一部分產(chǎn)生了過(guò)磨，而過(guò)磨會(huì)產(chǎn)生的大量的礦泥，將會(huì)對(duì)后續(xù)的分級(jí)、反浮選以及濃縮過(guò)濾作業(yè)造成不利影響。

2 磨礦機(jī)理研究

分別對(duì)球磨機(jī)和立磨機(jī)進(jìn)行磨礦動(dòng)力學(xué)分析，以探討立磨機(jī)對(duì)該混磁精粉的磨礦優(yōu)勢(shì)；從數(shù)學(xué)模型角度分析立磨機(jī)的磨礦先進(jìn)性，探討其工作原理上的優(yōu)越性。

2.1 磨礦動(dòng)力學(xué)分析

根據(jù)n階磨礦動(dòng)力學(xué)方程 (式 (1))，對(duì)球磨機(jī)和立磨機(jī)的磨礦結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)模型計(jì)算[5]192。

式中：Ri(t) 為產(chǎn)品中大于粒度i的累積產(chǎn)率，%；Ri(0) 為入料中大于粒度i的累積產(chǎn)率，%；ki為i粒級(jí)的選擇參數(shù)；t為磨礦時(shí)間，min；n為與物料性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)。

又由于球磨機(jī)的磨礦比能耗與轉(zhuǎn)速成正比 (根據(jù)Levin 試驗(yàn)預(yù)測(cè))，而磨機(jī)轉(zhuǎn)速與時(shí)間成正比 (磨機(jī)轉(zhuǎn)速為 70 r/min)，因此認(rèn)為球磨機(jī)的磨礦比能耗與時(shí)間成正比，即

式中：EBM為球磨機(jī)磨礦比能耗；b為與磨機(jī)有關(guān)的常數(shù)，取 0.94。

立磨機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)的磨礦比能耗是利用 KTR 扭矩傳感器進(jìn)行檢測(cè)的，其與磨礦時(shí)間也呈正比關(guān)系，因此

式中：EVM為立磨機(jī)磨礦比能耗；m為與磨機(jī)有關(guān)的常數(shù)，根據(jù)扭矩傳感器與時(shí)間關(guān)系求出m=0.33。

將球磨機(jī)和立磨機(jī)的入料和產(chǎn)品粒度 (-45 μm含量) 以及磨礦時(shí)間代入式 (1)，并利用最小二乘法對(duì)k45和n進(jìn)行求解，得到球磨機(jī)的磨礦動(dòng)力學(xué)模型方程k45球磨=0.052，n球磨=1.49；立磨機(jī)的磨礦動(dòng)力學(xué)模型方程k45立磨=0.014，n立磨=1.59。同時(shí)將式 (2) 和式 (3)代入，從而得到球磨機(jī)的磨礦動(dòng)力學(xué)方程為

立磨機(jī)的磨礦動(dòng)力學(xué)方程為

其中R0=39.09%，式 (2) 回歸方程的相關(guān)系數(shù)為R2=0.997，式 (3) 回歸方程的相關(guān)系數(shù)為R2=0.998。

將式 (4) 和式 (5) 進(jìn)行線性化，可得球磨機(jī)和立磨機(jī)對(duì)該混磁精礦的磨礦時(shí)間與磨礦粒度的線性回歸方程分別為

繪制二者的線性回歸曲線，如圖 5 所示。

圖5 線性回歸曲線Fig.5 Linear regression curve

將式 (6) 和式 (7) 代入式 (2) 和式 (3)，即可得到磨礦能耗與產(chǎn)品粒度 (-45 μm 含量) 的關(guān)系分別為

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行磨礦動(dòng)力學(xué)分析，可以得到磨礦比能耗與磨礦產(chǎn)品粒度之間的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)式 (8)、(9) 則可以估算出在不同的磨礦產(chǎn)品粒度 (-45 μm 含量) 時(shí)，球磨機(jī)和立磨機(jī)所需的磨礦比能耗，結(jié)果如圖 6 所示。

圖6 磨礦產(chǎn)品粒度與比能耗的回歸擬合曲線Fig.6 Regression fitting curve of particle size of grinding product and specific energy consumption

分析圖 6 可知，在達(dá)到相同的磨礦產(chǎn)品粒度時(shí)，立磨機(jī)的磨礦比能耗相比球磨機(jī)更低，且隨著磨礦細(xì)度的增加，二者的差異更大 (見(jiàn)圖 7)。在達(dá)到理想的單體解離度情況下，也就是 -45 μm 含量為 95% 時(shí)，立磨機(jī)磨礦比能耗相比球磨機(jī)低 31.2%，該差異比實(shí)際檢測(cè)值高約 8%。因?yàn)楦鶕?jù)磨礦動(dòng)力學(xué)分析，通過(guò)數(shù)學(xué)模型擬合公式以及最小二乘法計(jì)算出的k和n值，和實(shí)測(cè)值存在一定的差距。該分析擬合公式可作為磨礦比能耗的預(yù)測(cè)依據(jù)，具有一定的可靠性。

圖7 不同磨礦產(chǎn)品粒度的磨礦比能耗差異Fig.7 Difference in specific grinding energy consumption of various grinding products with various particle size

2.2 立磨機(jī)節(jié)能機(jī)理分析

磨礦作用的基本原理是賦予磨礦介質(zhì)一定的動(dòng)力，使介質(zhì)間進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械力作用于物料，對(duì)物料進(jìn)行沖擊、剪切、研磨等物理作用，從而使物料達(dá)到粒度減小的過(guò)程。

傳統(tǒng)的滾筒式球磨機(jī)通過(guò)一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)[5]45，帶動(dòng)磨礦介質(zhì)到一定的高度后下落，下落的介質(zhì)沖擊筒體底部，產(chǎn)生沖擊力，同時(shí)介質(zhì)在底部又受到磨機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)至一定高度后下落，在筒體內(nèi)相互碰撞、滾動(dòng)，又產(chǎn)生了強(qiáng)烈的研磨力，沖擊力和研磨力對(duì)物料進(jìn)行沖擊和研磨，達(dá)到粉碎物料的目的。

立磨機(jī)是通過(guò)筒體內(nèi)部的螺旋攪拌器[6]帶動(dòng)磨礦介質(zhì)進(jìn)行自轉(zhuǎn)和多維循環(huán)運(yùn)動(dòng)，由于距離攪拌器中心軸距離不同，介質(zhì)之間會(huì)有轉(zhuǎn)速差，從而產(chǎn)生相對(duì)的剪切作用，介質(zhì)在這種相互運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)其周圍的物料進(jìn)行剪切研磨作用，達(dá)到粉磨物料的效果。

根據(jù)物料粉碎功耗學(xué)說(shuō)三大理論，尤其是邦德裂縫學(xué)說(shuō)[7]，物料的破碎過(guò)程消耗的功與顆粒內(nèi)新生成的裂縫長(zhǎng)度成正比，即物料破碎過(guò)程消耗的有效功越多，其內(nèi)部新生成裂縫越多，越有利于物料的粉碎。而在粉磨過(guò)程中，電能轉(zhuǎn)化為磨機(jī)的機(jī)械能[5]84，又轉(zhuǎn)化為介質(zhì)的機(jī)械能，最后轉(zhuǎn)化為物料的表面能時(shí)，會(huì)有大量能量損失，因此電能轉(zhuǎn)化為最終的物料表面能效率越高，對(duì)于物料的粉碎效果則越好，同時(shí)也更加節(jié)能。

對(duì)比 2 種磨機(jī)的磨礦機(jī)理發(fā)現(xiàn)，球磨機(jī)的主要研磨方式為沖擊和研磨作用，沖擊作用于物料時(shí)具有一定的“隨機(jī)性”，介質(zhì)被拋落時(shí)，并非每一粒介質(zhì)都能作用于物料從而產(chǎn)生粉碎作用。尤其在再磨或者細(xì)磨時(shí)，物料粒度很細(xì)，介質(zhì)對(duì)其的沖擊作用更顯得隨機(jī)而低效。直徑較大的介質(zhì)沖擊能量大，由于接觸面很小，不能有效作用于細(xì)顆粒；而直徑較小的介質(zhì)沖擊能量小，對(duì)于細(xì)顆粒的作用力度小，也不能產(chǎn)生有效的沖擊粉碎作用。因此推測(cè)球磨機(jī)中沖擊粉碎作用對(duì)細(xì)粒級(jí)粉碎效率極低，亦即機(jī)械能轉(zhuǎn)化為物料的表面能效率極低。因此球磨機(jī)在細(xì)磨或再磨過(guò)程中，主要的粉碎方式為介質(zhì)之間的研磨作用，一大部分的沖擊作用幾乎在做無(wú)用功，能量損失巨大。此外，由于鋼球的隨機(jī)沖擊作用，球磨機(jī)極易產(chǎn)生過(guò)磨現(xiàn)象，影響后續(xù)作業(yè)。

而立磨機(jī)的主要研磨機(jī)理為剪切研磨作用，內(nèi)部螺旋攪拌器時(shí)刻帶動(dòng)介質(zhì)進(jìn)行多維循環(huán)運(yùn)動(dòng)，介質(zhì)之間的速度差對(duì)于充填于其中的物料具有高效的研磨作用，細(xì)粒級(jí)物料在介質(zhì)之間幾乎無(wú)時(shí)無(wú)刻不被研磨，其能量轉(zhuǎn)化為物料表面能的效率也較高。因此立磨機(jī)對(duì)于該混磁精礦的磨礦效率更高，同時(shí)節(jié)能效果也更加明顯。

3 生產(chǎn)工藝分析

東鞍山燒結(jié)廠改造項(xiàng)目的再磨反浮選 (磁浮) 工藝如圖 8 所示，按照可行性研究試驗(yàn)，要求磁選精礦再磨粒度為 -45 μm 占 90%～ 95%，才能達(dá)到鐵礦物單體解離度約為 80%，此時(shí)的反浮選擴(kuò)大連選試驗(yàn)產(chǎn)品可獲得鐵精礦品位為 66.45%、金屬回收率為 78.30%、浮選尾礦品位為 18.47% 的良好指標(biāo)。

圖8 東鞍山燒結(jié)廠擬采用的再磨反浮選工藝Fig.8 Regrinding reverse flotation process to be applied in Donganshan Sintering Plant

要想獲得良好的分選指標(biāo)，關(guān)鍵的技術(shù)手段在于粉磨作業(yè)充分研磨，使有用礦物達(dá)到充分良好的單體解離度。根據(jù)本試驗(yàn)研究結(jié)果，采用立磨機(jī)作為混磁精礦再磨設(shè)備，可獲得良好的磨礦效果以及更低的磨礦能耗，預(yù)計(jì)立磨機(jī)的磨礦能耗將比球磨機(jī)低約30%。

4 結(jié)論

(1) 對(duì)東鞍山難選鐵礦石進(jìn)行“磁浮”工藝改造，可優(yōu)先考慮使用立磨機(jī)作為再磨設(shè)備，立磨機(jī)不僅具有磨礦效率高、占地面積小、設(shè)備操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，相較于傳統(tǒng)的滾筒式球磨機(jī)，其再磨比能耗可降低約30%，有利于降低選廠選礦成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

(2) 隨著磨礦產(chǎn)品粒度的變細(xì)，立磨機(jī)相對(duì)于球磨機(jī)表現(xiàn)出更加節(jié)能的磨礦優(yōu)勢(shì)，磨礦產(chǎn)品粒度 -45 μm 含量從 70% 增加至 95%，立磨機(jī)磨礦比能耗相對(duì)降低變化率從 25% 提高至 31%，且節(jié)能效果隨磨礦細(xì)度的增加更加明顯。

(3) 立磨機(jī)相對(duì)于球磨機(jī)，其磨礦產(chǎn)品粒度分布更窄，不易產(chǎn)生過(guò)磨現(xiàn)象，因此對(duì)于后續(xù)的分選和濃縮過(guò)濾作業(yè)更加有利。

(4) 對(duì)立磨機(jī)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行磨礦動(dòng)力學(xué)分析可知，入料粒度與產(chǎn)品粒度之比的雙對(duì)數(shù)與磨礦時(shí)間的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，同時(shí)由于磨礦比能耗與磨礦時(shí)間成正比，可根據(jù)該線性關(guān)系推測(cè)磨礦至不同的產(chǎn)品粒度時(shí)的磨礦比能耗，能較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)達(dá)到目標(biāo)產(chǎn)品粒度時(shí)的磨礦比能耗，有助于工業(yè)設(shè)備的選型計(jì)算和功率的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。