攪拌磨機(jī)磨礦工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品粒度特征的影響

李國(guó)峰 李椿楠 栗艷鋒 劉立偉

(華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063210)

相比于傳統(tǒng)球磨機(jī)，攪拌磨機(jī)具有磨礦能耗低、磨礦效率高、粉磨產(chǎn)品粒度細(xì)等優(yōu)點(diǎn)，在處理微細(xì)粒連生體、提高礦物單體解離度等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[1-3]。張國(guó)旺等[4]以JM800B立式攪拌磨機(jī)代替柿竹園鐵精礦再磨再選工藝中的球磨機(jī)，使得磨礦產(chǎn)品細(xì)度由-0.043 mm占60%提高到-0.038 mm占95%，最終精礦鐵品位相應(yīng)提高10個(gè)百分點(diǎn)以上;孫小旭[5]采用GJM型攪拌磨機(jī)開展了黑龍江某石墨選礦廠再磨工業(yè)試驗(yàn)，在保證后續(xù)浮選品位的前提下，攪拌磨機(jī)的運(yùn)行電流和研磨介質(zhì)消耗分別降低28%和50%左右;王學(xué)東等[6]采用立式螺旋攪拌磨機(jī)對(duì)凡口鉛鋅礦鋅粗精礦再磨，利用-0.04 mm粒級(jí)生產(chǎn)能力、能耗、球耗綜合評(píng)價(jià)，確定最佳運(yùn)行參數(shù)為:介質(zhì)充填率55%、轉(zhuǎn)速45 r/min、介質(zhì)尺寸15～20 mm。

隨著攪拌磨機(jī)磨礦效果研究的深入，發(fā)現(xiàn)攪拌磨機(jī)粉磨產(chǎn)品的粒度較球磨產(chǎn)品更為均勻。李艷軍等[7]以大孤山再磨給礦為原料，對(duì)比了攪拌磨機(jī)和球磨機(jī)的磨礦產(chǎn)品粒度特性、比生產(chǎn)率和磨礦能耗，得出攪拌磨機(jī)磨礦產(chǎn)品粒度分布曲線的峰值是5.75%，而球磨機(jī)磨礦產(chǎn)品曲線的峰值是5.05%，攪拌磨機(jī)產(chǎn)品中微細(xì)粒和粗顆粒的含量均有所減少，產(chǎn)品粒度分布均勻性更佳;黃胤淇[8]采用立式攪拌磨機(jī)對(duì)安徽某銅礦石進(jìn)行粉磨，詳細(xì)研究了產(chǎn)品中-0.038+0.010 mm粒級(jí)含量的變化，在攪拌器轉(zhuǎn)速2 200 r/min、礦漿濃度45%、磨礦時(shí)間2 min的條件下，-0.038+0.010 mm粒級(jí)含量達(dá)53.35%。

當(dāng)前，攪拌磨機(jī)磨礦工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品中合格粒級(jí)產(chǎn)率的變化規(guī)律仍有待進(jìn)一步完善，故本文采用立式螺旋攪拌磨機(jī)對(duì)弓長(zhǎng)嶺選礦廠再磨給礦進(jìn)行細(xì)磨，考察磨礦參數(shù)對(duì)合格粒級(jí)和過粉碎粒級(jí)含量的影響規(guī)律，并采用R-R方程對(duì)不同磨礦工藝參數(shù)下的產(chǎn)品進(jìn)行描述。

1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料為遼陽(yáng)弓長(zhǎng)嶺選礦廠再磨給礦，化學(xué)成分及XRD分析結(jié)果分別見表1、圖1。

表1 試樣化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Analysis results of the chemical composition of the samples%

圖1 試樣XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of the samples

由表1可知，試樣全鐵品位為47.86%，雜質(zhì)組分主要有SiO2和CaO，含量分別為29.45%和4.94%，有害元素S、P含量較低;由圖1可知，試樣中主要礦物為磁鐵礦和石英。

使用全自動(dòng)激光粒度分析儀對(duì)試樣進(jìn)行粒度分析，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，該試樣的中位粒徑為61.79 μm，粒度分布區(qū)間為0～350 μm，主要集中在25～250 μm。

圖2 試樣粒度分布曲線Fig.2 Particle size distribution curve of the samples

2 試驗(yàn)方法

將試樣放入QHJM-1立式螺旋攪拌磨機(jī)中，磨礦介質(zhì)為鋼球，進(jìn)行不同工藝參數(shù)(介質(zhì)配比、礦漿濃度、料球比、充填率、攪拌器轉(zhuǎn)速)的單因素條件試驗(yàn)，采用NKT6100-D激光粒度分析儀檢測(cè)粉磨產(chǎn)品粒度，對(duì)產(chǎn)品累計(jì)粒度特性、粒度分布特征、新生成粒級(jí)量等進(jìn)行分析，結(jié)合羅辛-拉姆勒(Rosin-Rammler，R-R)粒度特性方程式，確定最優(yōu)的粉磨工藝條件。R-R粒度特性方程為:

R0=100·exp(-bdn)，

式中:R0為粒度大于d的正累計(jì)產(chǎn)率，%;d為顆粒直徑，μm;b為顆粒特征參數(shù)，表示產(chǎn)物的細(xì)度，b越大，產(chǎn)物粒度越細(xì);n為均勻性系數(shù)，表示粒度分布的均勻程度，n越大，產(chǎn)物粒度分布越均勻。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 介質(zhì)配比試驗(yàn)

將試樣篩分成+0.074 mm和-0.074 mm 2個(gè)粒級(jí)，在固定礦漿濃度50%、料球比0.5、充填率50%、攪拌器轉(zhuǎn)速300 r/min、磨礦時(shí)間5 min的條件下，分別采用直徑為3、5、8 mm的鋼球?qū)ζ溥M(jìn)行粉磨，+0.074 mm和-0.74 mm粒級(jí)給礦的粉磨試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 +0.074 mm粒級(jí)樣及-0.074 mm粒級(jí)樣粉磨試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of grinding test of the samples over 0.074 mm or bellow 0.074 mm particle size

由表2可得，不同球徑的介質(zhì)對(duì)于+0.074 mm粒級(jí)物料均有不同程度的磨碎作用，相同磨礦時(shí)間內(nèi)直徑為5 mm的介質(zhì)球粉磨產(chǎn)品中-0.043 mm粒級(jí)與-0.074 mm粒級(jí)含量分別為32.22%、59.24%，其含量均大于直徑為3 mm或8 mm的介質(zhì)球粉磨產(chǎn)品中對(duì)應(yīng)粒級(jí)含量，3種尺寸介質(zhì)球粉磨產(chǎn)品中-0.010 mm粒級(jí)含量差別較小;可見，對(duì)于+0.074 mm粒級(jí)物料，采用直徑為5 mm的介質(zhì)球磨礦效果最好。對(duì)于-0.074 mm粒級(jí)物料，相同時(shí)間內(nèi)直徑為3 mm的介質(zhì)球粉磨產(chǎn)品中-0.043 mm粒級(jí)物料含量為78.90%，高于直徑為5 mm及8 mm介質(zhì)球粉磨產(chǎn)品中-0.043 mm粒級(jí)含量，3種尺寸介質(zhì)球粉磨產(chǎn)品中-0.010 mm粒級(jí)含量差別不大;可見，對(duì)于-0.074 mm粒級(jí)物料，采用直徑為3 mm的介質(zhì)球磨礦效果最好。+0.074 mm、-0.074 mm 2個(gè)粒級(jí)物料的產(chǎn)率分別為40.84%和59.16%，通過“線性疊加原理”[9]，確定最終介質(zhì)配比為m(φ5mm)∶m(φ3mm)=2∶3。

3.2 礦漿濃度試驗(yàn)

固定介質(zhì)配比2∶3、料球比0.5、充填率50%、攪拌器轉(zhuǎn)速300 r/min、磨礦時(shí)間5 min，考察礦漿濃度對(duì)磨礦效果的影響。不同礦漿濃度下累計(jì)粒度特性曲線、粒級(jí)含量變化、粒度分布曲線及R-R方程擬合曲線變化規(guī)律如圖3所示，不同礦漿濃度下粉磨產(chǎn)品R-R方程回歸結(jié)果如表3所示。

圖3 不同礦漿濃度粉磨試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Grinding test results of different pulp concentrations

表3 不同礦漿濃度粉磨產(chǎn)品R-R方程回歸結(jié)果Table 3 Regression results of R-R equation for grinding products with different pulp concentrations

由圖3(a)可知，隨著礦漿濃度的增加，累計(jì)粒度特性曲線小幅度向左偏移，即粉磨產(chǎn)品粒度逐漸變細(xì)。當(dāng)?shù)V漿濃度由60%增加至65%時(shí)，曲線向左偏移幅度相對(duì)較大，繼續(xù)增大礦漿濃度至70%時(shí)，曲線左移幅度微小，即粉磨產(chǎn)品粒度減小速率變緩。

由圖3(b)和(c)可以看出，礦漿濃度由50%增加至65%時(shí)，-0.074 mm粒級(jí)和-0.043 mm粒級(jí)含量分別由85.44%和60.72%升高至87.58%和63.89%，-0.010 mm粒級(jí)含量由16.48%增加至17.97%;礦漿濃度繼續(xù)增大至70%，各粒級(jí)含量無明顯變化。整體來講，料球比、攪拌器轉(zhuǎn)速等條件的初始值選擇較低時(shí)，礦漿濃度對(duì)粉磨產(chǎn)品粒度影響的顯著性受到一定程度的降低。

由圖3(d)和表3可以看出，R-R粒度特征方程式中顆粒特征參數(shù)b隨礦漿濃度的增大而逐漸增大、顆粒均勻性系數(shù)n在1.180 0附近波動(dòng)。當(dāng)?shù)V漿濃度為65%時(shí)，均勻性系數(shù)n為1.181 5，顆粒特征參數(shù)b為0.012 1。

3.3 料球比試驗(yàn)

固定介質(zhì)配比2∶3、礦漿濃度65%、充填率50%、攪拌器轉(zhuǎn)速300 r/min、磨礦時(shí)間5 min，考察料球比對(duì)磨礦效果的影響。不同料球比下累計(jì)粒度特性曲線、新生粒級(jí)含量變化、粒度分布曲線及R-R方程擬合曲線變化規(guī)律如圖4所示，不同料球比下粉磨產(chǎn)品R-R方程回歸結(jié)果如表4所示。

圖4 不同料球比粉磨試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Grinding test results of different ratio of material to ball

表4 不同料球比粉磨產(chǎn)品R-R方程回歸結(jié)果Table 4 Regression results of R-R equation for grinding products with different ratio of material to ball

由圖4(a)可知，隨著料球比的增加，粉磨產(chǎn)品累計(jì)粒度特性曲線逐漸右移，表明粉磨產(chǎn)品粒度逐漸增大。

由圖4(b)可知，當(dāng)料球比由0.4增加至0.6，粉磨產(chǎn)品的新生成-0.074 mm和-0.043 mm粒級(jí)量顯著增加，分別由0.051 3 t/(m3·h)和0.042 3 t/(m3·h)增加至0.066 6 t/(m3·h)和0.048 7 t/(m3·h)，新生成-0.010 mm粒級(jí)量?jī)H由0.010 3 t/(m3·h)增加至0.010 4 t/(m3·h);當(dāng)料球比增加至0.8時(shí)，新生成-0.074 mm、-0.043 mm和-0.010 mm粒級(jí)量均有所降低，分別降低至0.063 2 t/(m3·h)、0.035 5 t/(m3·h)和0.003 5 t/(m3·h)。當(dāng)料球比較小時(shí)，介質(zhì)球撞擊、研磨作用于物料的幾率也相應(yīng)較小，粉磨效果差;隨著料球比的增大，介質(zhì)球與物料顆粒之間的碰撞、研磨幾率相應(yīng)增加，粉磨效率增大，各粒級(jí)新生成量增大;料球比過大時(shí)，磨機(jī)內(nèi)存料過多，攪拌器旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)介質(zhì)球間的撞擊、研磨幾率及強(qiáng)度相應(yīng)減小，研磨效率下降[10-11]。

由圖4(c)可知，當(dāng)料球比由0.4增加至0.8時(shí)，粉磨產(chǎn)品粒度分布區(qū)間逐漸變寬且粒度分布曲線逐漸右移，即粉磨產(chǎn)品粒度變粗，產(chǎn)品粒度分布范圍變大、均勻性變差。綜合考慮，料球比為0.6時(shí)，粉磨效果較好。

由圖4(d)和表4可知，料球比由0.4增加至0.8時(shí)，R-R粒度特征方程式中均勻性系數(shù)n由1.194 3降低至1.124 5，顆粒特征參數(shù)b由0.013 0減小到0.010 8;當(dāng)料球比為0.6時(shí)，均勻性系數(shù)n為1.164 8，顆粒特征參數(shù)b為0.011 9。

3.4 充填率試驗(yàn)

固定介質(zhì)配比2∶3、礦漿濃度65%、料球比0.6、攪拌器轉(zhuǎn)速300 r/min、磨礦時(shí)間5 min，考察充填率對(duì)磨礦效果的影響。不同充填率下累計(jì)粒度特性曲線、新生粒級(jí)含量變化、粒度分布曲線及R-R方程擬合曲線變化規(guī)律如圖5所示，不同充填率下粉磨產(chǎn)品R-R方程回歸結(jié)果如表5所示。

表5 不同充填率粉磨產(chǎn)品R-R方程回歸結(jié)果Table 5 Regression results of R-R equation for grinding products with different filling rates

由圖5(a)可知，當(dāng)充填率由50%增加至75%時(shí)，粉磨產(chǎn)品累計(jì)粒度特性曲線逐漸左移且當(dāng)充填率為75%時(shí)左移幅度最大，說明粉磨產(chǎn)品粒度隨充填率的增大而逐漸減小。

由圖5(b)可知，當(dāng)充填率由50%增加至70%，新生成-0.074 mm、-0.043 mm粒級(jí)分別由0.066 6 t/(m3·h)和0.048 1 t/(m3·h)增加至0.091 6 t/(m3·h)和0.075 1 t/(m3·h)，新生成-0.010 mm粒級(jí)由0.007 2 t/(m3·h)增加至0.022 2 t/(m3·h);繼續(xù)增加充填率至75%，各粒級(jí)新生成量均明顯增加，分別增至0.139 0 t/(m3·h)、0.147 3 t/(m3·h)和0.067 5 t/(m3·h)。

圖5 不同充填率粉磨試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Grinding test results of different filling rates

由圖5(c)可知，當(dāng)充填率由50%增加至70%時(shí)，其粉磨產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的粒度分布區(qū)間逐漸小幅度變寬，當(dāng)充填率為75%時(shí)其粉磨產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的粒度分布曲線明顯左移且分布區(qū)間變窄，-0.010 mm粒級(jí)含量明顯增多，表明產(chǎn)品過粉碎?，F(xiàn)象較為嚴(yán)重且粒級(jí)分布均勻性變差[12]。介質(zhì)充填率過小，介質(zhì)與介質(zhì)間碰撞的可能性就小，物料被介質(zhì)碰撞、擠壓的次數(shù)少，導(dǎo)致較低的粉磨效率。適當(dāng)提高攪拌磨機(jī)的充填率有利于介質(zhì)與物料的充分接觸，進(jìn)而提高磨機(jī)的效率。當(dāng)介質(zhì)的填充率過高時(shí)，介質(zhì)與介質(zhì)之間的無效碰撞增多，介質(zhì)被攪拌軸旋轉(zhuǎn)加速提升的空間變小，介質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度相應(yīng)減小，不利于粉磨[13]。綜合考慮，充填率選擇70%更為合理。

由圖5(d)和表5可以看出，當(dāng)充填率由50%增大至75%時(shí)，R-R粒度特征方程式中均勻性系數(shù)n逐漸減小，由1.149 0減小至1.063 3，顆粒特征參數(shù)b逐漸增大，由0.011 5增大至0.032 5。充填率為70%時(shí)，均勻性系數(shù)n為1.073 0，顆粒特征參數(shù)b為0.018 1。

3.5 攪拌器轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

固定介質(zhì)配比2∶3、礦漿濃度65%、料球比0.6、充填率70%、磨礦時(shí)間5 min，考察攪拌器轉(zhuǎn)速對(duì)磨礦效果的影響。不同攪拌器轉(zhuǎn)速下累計(jì)粒度特性曲線、粒級(jí)含量變化、粒度分布曲線及R-R方程擬合曲線變化規(guī)律如圖6所示，不同攪拌器轉(zhuǎn)速下粉磨產(chǎn)品R-R方程回歸結(jié)果如表6所示。

表6 不同攪拌器轉(zhuǎn)速粉磨產(chǎn)品R-R方程回歸結(jié)果Table 6 Regression results of R-R equation for grinding products with stirring shaft rotation speeds

由圖6(a)可知，當(dāng)攪拌器轉(zhuǎn)速由300 r/min提高至450 r/min，粉磨產(chǎn)品累計(jì)粒度特性曲線逐漸左移，產(chǎn)品粒度明顯減小;當(dāng)攪拌器轉(zhuǎn)速由450 r/min繼續(xù)增大至500 r/min，粉磨產(chǎn)品累積粒度特性曲線右移，粉磨產(chǎn)品粒度變粗。

由圖6(b)可知，當(dāng)攪拌器轉(zhuǎn)速由300 r/min增加至450 r/min，-0.074 mm和-0.043 mm粒級(jí)含量分別由85.84%和68.43%增加至99.86%和92.23%，-0.010 mm粒級(jí)含量由20.38%增加至35.97%;當(dāng)攪拌器轉(zhuǎn)速增大至500 r/min時(shí)，-0.074 mm和-0.043 mm粒級(jí)含量分別降至98.73%和90.18%，-0.010 mm粒級(jí)含量為35.96%。在攪拌器轉(zhuǎn)速為450 r/min時(shí)-0.074 mm粒級(jí)與-0.043 mm粒級(jí)含量出現(xiàn)了最高值，合格粒級(jí)產(chǎn)率最高。

由圖6(c)可知，當(dāng)攪拌器轉(zhuǎn)速由300 r/min提高至450 r/min，粒度分布曲線明顯左移，粉磨產(chǎn)品粒度減小明顯，當(dāng)攪拌器轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大至500 r/min，粒度分布曲線繼續(xù)小幅度左移。攪拌器轉(zhuǎn)速增大，介質(zhì)球在磨機(jī)中的運(yùn)動(dòng)加劇，介質(zhì)球?qū)ξ锪系臎_擊、擠壓等作用相應(yīng)增強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)介質(zhì)球與物料顆粒相互作用次數(shù)增加[14]。綜合考慮，攪拌器轉(zhuǎn)速為450 r/min時(shí)，粉磨產(chǎn)品粒度較細(xì)、分布較均勻。

圖6 不同攪拌器轉(zhuǎn)速粉磨試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Grinding test results of different stirring shaft rotation speeds

由圖6(d)和表6可知，當(dāng)攪拌器轉(zhuǎn)速由300 r/min增大至450 r/min時(shí)，R-R粒度特征方程式中均勻性系數(shù)n由1.073 0增大至1.177 7，顆粒特征參數(shù)b由0.018 1增大至0.031 4;攪拌器轉(zhuǎn)速增大至500 r/min時(shí)，均勻性系數(shù)n減小至1.153 4，顆粒特征參數(shù)b減小至0.030 8。

4 結(jié) 論

(1)弓長(zhǎng)嶺選礦廠再磨給礦TFe品位為47.86%，主要礦物為磁鐵礦和石英，試樣中位粒徑為61.79 μm，主要集中在25～250 μm。

(2)適當(dāng)增加礦漿濃度有利于提高產(chǎn)品中合格粒級(jí)產(chǎn)率;增加料球比使得產(chǎn)品粒度變粗、均勻性變差;隨著充填率的增加，產(chǎn)品粒度減小，充填率過大導(dǎo)致產(chǎn)生較明顯的過粉碎現(xiàn)象;適當(dāng)增加攪拌器轉(zhuǎn)速同樣有利于獲得細(xì)粒級(jí)產(chǎn)品。

(3)在介質(zhì)配比為2∶3、礦漿濃度為65%、料球比為0.6、充填率為70%、攪拌器轉(zhuǎn)速為450 r/min、磨礦時(shí)間為5 min的條件下，獲得了-0.043 mm含量92.23%、均勻性系數(shù)n為1.177 7、顆粒特征參數(shù)b為0.031 4的粉磨產(chǎn)品。