基于礦石碎磨特性的設(shè)備選型及能耗分析

王國(guó)強(qiáng)，劉建遠(yuǎn)，朱陽(yáng)戈，羅思崗，趙 杰

1礦冶科技集團(tuán)有限公司礦物加工科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102628

2中國(guó)-南非礦產(chǎn)資源開發(fā)利用聯(lián)合研究中心 北京 102600

巖礦的碎磨特性是選廠碎礦與磨礦工藝設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，因設(shè)備的類型不同，碎磨特性參數(shù)的測(cè)定和計(jì)算方法有所差異，通常通過某特定流程試驗(yàn)得到[1-4]。對(duì)于國(guó)內(nèi)應(yīng)用較早的常規(guī)碎磨工藝，設(shè)備選型方法相對(duì)固定且成熟，破碎機(jī)和磨礦設(shè)備選型使用的碎磨特性參數(shù)分別為巖礦的單軸抗壓強(qiáng)度和相對(duì)可磨度或邦德功指數(shù)[5-7]。

半自磨機(jī)能夠有效降低因礦石碎磨性質(zhì)變化對(duì)處理能力的影響，同時(shí)可簡(jiǎn)化破碎工藝流程，提高自動(dòng)化控制水平[8-10]，自 20 世紀(jì) 80 年代，西方國(guó)家新開發(fā)的有色金屬選礦廠多采用半自磨+球磨碎磨工藝流程。對(duì)于半自磨機(jī)選型所使用的物料特性參數(shù)測(cè)定方法，國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的是落重試驗(yàn)，其中包括澳大利亞昆士蘭大學(xué) JKMRC (Julius Kruttschnitt Mineral Research Centre)的 JK 落重及磨剝?cè)囼?yàn)，以及澳大利亞 SMCC Pty 公司的半自磨機(jī)粉碎試驗(yàn) (SAG Mill Comminution Test，SMC 試驗(yàn))[11]。與功耗法原理有所不同，落重試驗(yàn)法是一種基于粉碎數(shù)學(xué)模型，用于半自磨工藝流程中磨機(jī)選型計(jì)算的礦石碎磨特性參數(shù)測(cè)定方法。為了充分研究該碎磨特性測(cè)定方法及其在磨礦設(shè)備選型方面的應(yīng)用，筆者以國(guó)外某銅金礦為試樣，進(jìn)行基于礦石碎磨特性的設(shè)備選型試驗(yàn)，并利用Morrell 能耗模型預(yù)測(cè)各碎磨工藝流程處理礦石所需要的能耗。

1 試驗(yàn)方法

1.1 落重及磨剝?cè)囼?yàn)

落重試驗(yàn)是澳大利亞昆士蘭大學(xué) JKMRC 在建立粉碎數(shù)學(xué)模型過程中制定的礦石粉碎特性測(cè)定和表征方法。該方法的原理是利用自由下落的錘頭沖擊單礦石顆粒，再對(duì)沖擊后的碎顆粒進(jìn)行粒度篩分和統(tǒng)計(jì)分析。通過調(diào)整錘頭的重量和降落高度，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)顆粒在不同比能耗條件下的沖擊粉碎。標(biāo)準(zhǔn)落重試驗(yàn)包括對(duì) 5 組不同窄粒級(jí)礦石顆粒各進(jìn)行 3 個(gè)不同比能耗的沖擊粉碎。5 組窄粒級(jí)分別為 -63.0 +53.0、-45.0 +37.5、-31.5 +26.5、-22.4 +19.0 和 -16.0 +13.2 mm，比能耗取值范圍為 0.1～2.5 kW·h/t，整套落重試驗(yàn)將會(huì)得到 15 組不同粒度/比能耗的礦石沖擊粒度分布。

磨剝?cè)囼?yàn)是將 3 kg 的 -53 +38 mm 粒級(jí)的試樣置于帶有 4 個(gè) 6 mm 提升條的φ305 mm×305 mm 滾筒式磨機(jī)中，在不加磨礦介質(zhì)條件下以 70% 的轉(zhuǎn)速率 (53 r/min) 滾翻跌落 10 min，對(duì)獲得的產(chǎn)物進(jìn)行篩析，求得該產(chǎn)物的t10值。物料的抗磨剝特性參數(shù)ta定義為t10值的 1/10，即ta=t10/10。

1.2 SMC 試驗(yàn)

SMC 試驗(yàn)是由 Stephen Morrell 在 2004 年研究得出，其試驗(yàn)原理、使用的設(shè)備和操作過程與 JK 標(biāo)準(zhǔn)落重試驗(yàn)一致，區(qū)別在于 SMC 試驗(yàn)是測(cè)定 1 組窄粒級(jí)礦石顆粒在 5 個(gè)不同比能耗條件下的沖擊效果。其粒級(jí)可選用 -31.5 +26.5、-22.4 +19.0 或 -16.0 +13.2 mm，前 2 組粒度效應(yīng)較好。SMC 試驗(yàn)共需要 100 顆特定粒度且質(zhì)量適中的礦石顆粒，測(cè)定各礦石顆粒的密度后分成 5 組，每組 20 顆，保證每組質(zhì)量相等，該條件較標(biāo)準(zhǔn)落重試驗(yàn)更為嚴(yán)格。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 自磨/半自磨機(jī)模型參數(shù)

JKMRC 的粉碎模型將t10作為表征礦石顆粒粉碎效果的一個(gè)指標(biāo)：t10數(shù)值越大，表明礦物顆粒的粉碎效果越好。將國(guó)外某銅金礦標(biāo)準(zhǔn)落重試驗(yàn)中的 15 個(gè)能耗條件下的t10值作圖，得到粒度-比能耗分布曲線，如圖 1 所示。通過圖 1 可以看出，t10值伴隨著比能耗的增大而逐漸增高，增高的幅度呈現(xiàn)隨著比能耗增大而逐漸減小的趨勢(shì)。

圖1 國(guó)外某銅金礦標(biāo)準(zhǔn)落重試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Results of JK drop weight test for a foreign copper-gold mineral

t10與比能耗Ecs之間的關(guān)系為

t10=A(1-e-bEcs)。

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)落重試驗(yàn)結(jié)果，通過最小二乘法擬合出A和b這 2 個(gè)參數(shù)，結(jié)果如表 1 所列。

表1 自磨/半自磨機(jī)模型物料特性參數(shù)Tab.1 Material characteristic parameters of AG/SAG mill model

A和b為表征試驗(yàn)礦樣抵抗沖擊破碎能力的物料特性參數(shù)，A×b可作為試驗(yàn)礦樣抵抗沖擊粉碎能力的衡量指標(biāo)，該值越大，說(shuō)明在特定比能耗條件下的沖擊破碎產(chǎn)物粒度越細(xì)，即試驗(yàn)礦樣抵抗沖擊粉碎的能力越弱。

2.2 Morrell 能耗模型特性參數(shù)

Morrell 能耗模型為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過此模型可計(jì)算整個(gè)碎磨流程不同階段破碎礦石所需要的能耗。Morrell 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸舶帜スχ笖?shù)Mia、細(xì)磨功指數(shù)Mib、高壓輥磨機(jī)破碎功指數(shù)Mih和常規(guī)破碎機(jī)破碎功指數(shù)Mic[12]。由 SMC 試驗(yàn)可獲得Mia、Mic和Mih，由邦德球磨功指數(shù)測(cè)定試驗(yàn)可獲得Mib。該銅金礦礦樣的 SMC 試驗(yàn)和邦德球磨功指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如表 2 所列，將不同粒度的礦石顆粒粉碎至給定t10值所需的比能耗值如表 3 所列。

表2 SMC 試驗(yàn)和邦德球磨功指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of SMC test and Bond ball milling work index test

表3 不同粒度的礦石顆粒粉碎至給定 t10 值所需的比能耗Tab.3 Specific energy consumption required for various-particle ore being ground to given value of t10 kW·h/t

2.3 基于流程模擬的磨機(jī)選型

針對(duì) SABC 流程方案，根據(jù)設(shè)計(jì)處理量及對(duì)產(chǎn)品細(xì)度的要求，利用 JKSimMet 軟件進(jìn)行磨礦流程的穩(wěn)態(tài)模擬分析，初步確定所需磨機(jī)的尺寸和驅(qū)動(dòng)功率。

在 JKSimMet 軟件平臺(tái)上構(gòu)建 SABC 流程模型，如圖 2 所示。半自磨磨礦選用變速率半自磨機(jī)，球磨磨礦選用完全混合球磨機(jī)，這 2 個(gè)模型具備尺度放大功能。頑石破碎選用安德森-懷登破碎機(jī)，篩分和旋流器分級(jí)均選用標(biāo)準(zhǔn)效率曲線。回路模型中還引入了2 個(gè)給水器，分別用于設(shè)定半自磨機(jī)的磨礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)和水力旋流器的給礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)，本模擬采用 635 t/h的給礦固體流量。

圖2 JKSimMet 軟件平臺(tái)上的 SABC 回路模型Fig.2 SABC circuit model on JKSimMet software platform

2.3.1 半自磨回路模擬

半自磨回路初步選擇φ9.75 m×4.96 m 半自磨機(jī)。磨機(jī)轉(zhuǎn)速率為 74%，裝球率為 10%，最大鋼球直徑為 120 mm。格子孔尺寸為 20 mm，格子孔開口面積占格子板面積的 1/10；頑石孔尺寸為 70 mm，頑石孔開口面積占格子板開口總面積的 1/10。磨礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 75%，篩分作業(yè)篩孔尺寸為 12 mm，頑石破碎機(jī)緊邊排礦口尺寸為 10 mm。

對(duì)半自磨回路進(jìn)行一系列穩(wěn)態(tài)過程模擬，每次模擬后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，確定應(yīng)調(diào)整的參數(shù)及調(diào)整幅度，用調(diào)整后的參數(shù)再進(jìn)行下一次模擬，如此繼續(xù)，直至獲得符合要求的結(jié)果。這里對(duì)半自磨回路穩(wěn)態(tài)工作的要求為：磨機(jī)負(fù)荷 (混合充填率) 為 25%，循環(huán)負(fù)荷 ＜ 25 %。參數(shù)調(diào)整過程與模擬結(jié)果如表 4 所列。

表4 半自磨回路參數(shù)設(shè)定與模擬結(jié)果Tab.4 Parameter setting and simulation results of SAG circuit

從表 4 可以看出，最初選用的φ9.75 m×4.88 m磨機(jī)尺寸偏大，磨機(jī)負(fù)荷僅為 21.35%，低于設(shè)計(jì)要求；第 2 次模擬選用φ9.14 m×4.57 m 的磨機(jī)，磨機(jī)負(fù)荷提高到 24.30%，略偏低；用φ8.84 m×4.57 m 的磨機(jī)，磨機(jī)負(fù)荷略偏高 (25.60%)；用φ8.84 m×4.88 m 的磨機(jī)，磨機(jī)負(fù)荷為 24.70%，此時(shí)的循環(huán)負(fù)荷為18.06%。根據(jù)模擬結(jié)果，初步選定φ8.84 m×4.88 m半自磨機(jī)，所需的驅(qū)動(dòng)功率為 5 160 kW，在此條件下回路返砂量為 114.7 t/h，頑石破碎機(jī)功耗為 101.6 kW。

2.3.2 球磨回路模擬

基于半自磨回路的篩下產(chǎn)物為球磨回路的給礦，初步選擇φ6.40 m×9.45 m 的溢流型球磨機(jī)。其作業(yè)參數(shù)為：轉(zhuǎn)速率為 73%，裝球率為 38%，最大鋼球直徑為 60 mm，旋流器給礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 60%，分級(jí)粒度d50為 0.090 mm。

對(duì)球磨回路進(jìn)行一系列穩(wěn)態(tài)過程模擬，每次模擬后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，確定應(yīng)調(diào)整的參數(shù)及其調(diào)整幅度，用調(diào)整后的參數(shù)再進(jìn)行下一次模擬，如此繼續(xù)，直至獲得符合要求的結(jié)果。對(duì)球磨回路穩(wěn)態(tài)工作的要求為：循環(huán)負(fù)荷 (旋流器底流與溢流固體流量之比)為 250% 左右，最終產(chǎn)品 (旋流器溢流) 細(xì)度為 -0.074 mm 通過 80%，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 33%。參數(shù)調(diào)整過程與模擬結(jié)果如表 5 所列。

表5 球磨回路參數(shù)設(shè)定與模擬結(jié)果Tab.5 Parameter setting and simulation results of ball mill circuit

從表 5 可以看出，初選的磨機(jī)尺寸太小，產(chǎn)品細(xì)度不夠；第 2 次模擬選用φ6.40 m×10.06 m 的磨機(jī)，產(chǎn)品細(xì)度基本合適，循環(huán)負(fù)荷略低，產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高；將分級(jí)質(zhì)量分?jǐn)?shù)下調(diào)至 58%，產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，但產(chǎn)品細(xì)度有向偏粗方向發(fā)展的趨勢(shì)；再將分級(jí)粒度下調(diào)至 0.086 mm，產(chǎn)品 -0.074 mm 含量提升至 79.9%，此時(shí)循環(huán)負(fù)荷為 252.9%，產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 35.9%，基本符合要求。根據(jù)模擬結(jié)果，初步選定φ6.40 m×10.06 m 溢流型球磨機(jī)，驅(qū)動(dòng)功率為 8 331 kW。在此條件下可獲得細(xì)度為 -0.074 mm通過 79.9%、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 35.9% (必要時(shí)可補(bǔ)加水稀釋至 33%) 的最終產(chǎn)品，此時(shí)球磨回路循環(huán)負(fù)荷為252.9%，P80為 0.074 mm。

2.4 基于 Morrell 模型的粉碎比能耗估算

碎磨流程采用“常規(guī)破碎+球磨”方案、“常規(guī)破碎+高壓輥磨+球磨”方案和 SABC 方案處理 250～0 mm 銅金礦石，用 Morrell 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行粉碎比能耗估算和比較，結(jié)果如表 6 所列。由表 6 可知，方案3 (SABC) 所需的粉碎比能耗為 20.62 kW·h/t，比方案1 高 1.94 kW·h/t，比方案 2 高 3.38 kW·h/t。

表6 各流程方案粉碎比能耗估算結(jié)果比較Tab.6 Comparison of various process schemes in estimation results of specific comminution energy consumption kW·h/t

根據(jù) Morrell 的說(shuō)明，這里的粉碎比能耗是粉碎礦石所需的凈能耗。對(duì)于滾筒式磨機(jī)磨礦，與它關(guān)聯(lián)的一般是驅(qū)動(dòng)磨機(jī)小齒輪的功率 (即未考慮電動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率及傳動(dòng)損失)；對(duì)于高壓輥磨機(jī)磨礦，與它關(guān)聯(lián)的是驅(qū)動(dòng)壓輥所需的軸功率；對(duì)于常規(guī)破碎機(jī)碎礦，與它關(guān)聯(lián)的是電動(dòng)機(jī)的輸入功率與空載消耗功率之差。

采用 Morrell 模型算得 SABC 方案的粉碎比能耗為 20.62 kW·h/t。假設(shè)滾筒磨機(jī)的電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)功率損失為 6.5%，頑石破碎機(jī)輸入功率為其破碎凈能耗的 1.35 倍，則可估算與設(shè)備電動(dòng)機(jī)輸入功率直接關(guān)聯(lián)的“毛能耗”為 22.11 kW·h/t。

3 結(jié)論

(1) 該銅金礦碎磨特性參數(shù)A=59.7，b=0.76、A×b=45.4；磨剝特性參數(shù)ta=0.47；Morrell 能耗模型特性參數(shù)中粗磨功指數(shù)Mia=19.9 kW·h/t，細(xì)磨功指數(shù)Mib=18.04 kW·h/t，高壓輥磨機(jī)破碎功指數(shù)Mih=14.7 kW·h/t，常規(guī)破碎機(jī)破碎功指數(shù)Mic=7.6 kW·h/t。

(2) 基于礦石碎磨特性，在 JKSimMet 軟件平臺(tái)上構(gòu)建 SABC 流程模擬，半自磨回路選擇φ8.84 m×4.88 m 半自磨機(jī)，球磨回路選擇φ6.40 m×10.06 m 溢流型球磨機(jī)，在該條件下分級(jí)溢流細(xì)度為 -0.074 mm 通過79.9%。

(3) 基于 Morrell 模型的粉碎比能耗估算結(jié)果表明，SABC 方案所需的粉碎比能耗為 20.62 kW·h/t，比“常規(guī)破碎+球磨”方案高 1.94 kW·h/t；比“常規(guī)破碎+高壓輥磨+球磨”方案高 3.38 kW·h/t。雖然 SABC 流程粉碎比能耗高于其他 2 個(gè)方案，但因其流程短、處理量大和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，仍是目前選廠改造及新建礦山首先考慮或采用的碎磨工藝流程。