紫金山金銅礦碎磨和智能分選設(shè)備參數(shù)優(yōu)化應(yīng)用研究

賈超峰

紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司 福建上杭 364200

碎 磨流程是礦石進(jìn)行選冶工藝的準(zhǔn)備過程[1]，針對不同性質(zhì)的礦石給出適當(dāng)?shù)乃槟チ鞒淌悄壳斑x廠工藝優(yōu)化的關(guān)鍵[2]。越來越多的選廠開始應(yīng)用半自磨+球磨工藝流程[3]，以有效降低選廠的運(yùn)營成本[4-7]。目前半自磨工藝主要有單段半自磨流程 (SS SAG)、半自磨+球磨流程 (SAB)、半自磨+球磨+破碎流程 (SABC)[8]。這 3 種流程都具有占地面積小、流程短、易于控制、環(huán)保性好等優(yōu)點(diǎn)，但也存在適應(yīng)性差、磨礦系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)率低、功耗高等缺點(diǎn)[9-11]。解決這些問題的關(guān)鍵是提高半自磨機(jī)效率并延長其使用壽命。

半自磨機(jī)在運(yùn)行過程中，部分礦石因硬度大難以破碎而形成頑石[12-13]，在磨機(jī)中累積，影響磨機(jī)作業(yè)率[12,14]。有企業(yè)將頑石破碎后返回半自磨機(jī)再磨[15]或直接拋棄，還有的將頑石作為立磨機(jī)的磨礦介質(zhì)[11]，紫金礦業(yè)將頑石破碎后再進(jìn)行生物堆浸提銅。

紫金山金銅礦三選廠 (以下簡稱“銅三廠”) 于2016 年 10 月建成并正式投產(chǎn)，采用“半自磨＋球磨＋頑石開路”的碎磨工藝流程[16]。筆者綜合考察了碎磨流程中半自磨機(jī)、球磨機(jī)、水力旋流器等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及產(chǎn)品粒度分布，發(fā)現(xiàn)目前碎磨流程仍存在問題，擬采用碎磨流程優(yōu)化改造及增加頑石智能分選流程的方案，提高半自磨機(jī)工作效率，減少頑石累積，為選廠提高生產(chǎn)指標(biāo)提供依據(jù)。

1 原礦性質(zhì)

紫金山金銅礦是一個典型的上金下銅、金礦床和銅礦床均達(dá)到特大型規(guī)模的斑巖型礦床。化學(xué)分析得到原礦中銅品位為 0.31%，硫品位為 4.5%。結(jié)合顯微鏡觀察、MLA 統(tǒng)計和化學(xué)分析，測得金銅礦中的銅礦物以藍(lán)輝銅礦/輝銅礦、銅藍(lán)、硫砷銅礦為主，未見氧化銅礦物，硫砷銅礦是砷的主要存在形式。除銅礦物外，金屬礦物主要有黃鐵礦及少量褐鐵礦，非金屬礦物以石英為主。礦物組成與含量如表 1 所列。

表1 原礦的礦物組成與含量Tab.1 Mineral composition and content of raw ore

針對銅礦物的單體解離度和連生情況，對球磨分級溢流樣進(jìn)行了測定。結(jié)果表明：銅礦物的單體解離度為 78.7%，未解離的銅礦部分與黃鐵礦和脈石連生；銅礦物單體粒度大多在 10～ 150 μm，總體屬于適宜浮選的粒度范圍。

2 銅三廠碎磨工藝

銅三廠采用 SABC 碎磨工藝 (半自磨+球磨+頑石開路)。露采原礦石 (粒度 ≤ 800 mm) 經(jīng)美卓 C160顎式破碎機(jī)破碎后進(jìn)入礦倉，采用帶式輸送機(jī)給入半自磨機(jī)，半自磨機(jī)排礦通過雙層直線振動篩分級，篩上頑石經(jīng)除鐵后，進(jìn)入銅生物堆浸系統(tǒng)；篩下產(chǎn)品進(jìn)入磨礦分級系統(tǒng)，水力旋流器溢流進(jìn)入浮選系統(tǒng)。磨礦分級流程如圖 1 所示。

圖1 磨礦分級流程Fig.1 Grinding and separating process

2.1 產(chǎn)品粒度分析

為了進(jìn)一步考察磨礦分級產(chǎn)品粒度組成，對相關(guān)樣品進(jìn)行篩析，粒度分布如表 2、3 所列。

表2 半自磨產(chǎn)品粒度分布Tab.2 Particle size distribution of semi-autogenous grinding products

表3 分級產(chǎn)品粒度分布Tab.3 Particle size distribution of separated products

半自磨給礦為 C160 顎式破碎機(jī) (排礦口尺寸為190 mm) 破碎產(chǎn)品，經(jīng)篩析可知F95=235 mm、F80=170 mm，細(xì)粒級含量較少；頑石集中在 -80 +20 mm粒級，P95=78 mm；直線篩篩下F95=2.1 mm，F(xiàn)80=0.6 mm，-0.025 mm 粒級含量高達(dá) 29.56%，微細(xì)粒級含量較高。

水力旋流器沉砂 (球磨機(jī)給礦) 中F80=0.8 mm(-75 μm 含量為 11.69%)，球磨機(jī)排礦中P80=0.46 mm (-75 μm 含量為 19.75%)。溢流產(chǎn)品 -75 μm 粒級含量可達(dá) 65.34%，-25 μm 粒級含量高達(dá) 41.62%，+150 μm 粒級含量為 14.31%。

2.2 粗碎跟蹤考察

粗碎采用 4 臺 C160 顎式破碎機(jī)，礦石經(jīng)破碎后輸送至半自磨給料原礦倉，經(jīng)考察篩析可知破碎產(chǎn)品粒度偏粗，因此對所使用的 C160 顎式破碎機(jī)進(jìn)行跟蹤考察和分析。由表 4、5 可知，美卓 C160 顎式破碎機(jī)排礦口可調(diào)節(jié)范圍為 150～ 300 mm，實(shí)際生產(chǎn)中，O.S.S 控制在 190 mm，C.S.S 控制在 150 mm，單臺實(shí)際通過量約為 1 000 t/h，電動機(jī)負(fù)荷率為 36%，4臺設(shè)備平均運(yùn)轉(zhuǎn)率約為 46%。

表4 C160 顎式破碎機(jī)設(shè)備參數(shù)Tab.4 Equipment parameters of C160 jaw crusher

表5 C160 顎式破碎機(jī)運(yùn)行參數(shù)Tab.5 Operating parameters of C160 jaw crusher

2.3 磨礦分級考察

根據(jù)磨礦分級產(chǎn)品篩析結(jié)果，結(jié)合生產(chǎn)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況，通過計算可得半自磨機(jī)和球磨機(jī)的運(yùn)行情況，如表 6 所列。

根據(jù)表 6 可知，半自磨機(jī)入磨量為 1 664 t/h、頑石率為 10.93%，較設(shè)計參數(shù)有較大的差距。半自磨機(jī)電動機(jī)滿頻運(yùn)行，負(fù)荷率為 85.22%，單位能耗為6.66 kW·h/t。入磨粒度F80=170 mm (粗碎排礦口控制在 190 mm)，直線篩篩下粒度P80=0.6mm。入磨粒度偏粗，但磨礦產(chǎn)品卻更細(xì)，且 -25 μm 含量高達(dá)29.56%。

表6 磨礦設(shè)備運(yùn)行參數(shù)Tab.6 Operating parameters of grinding equipment

球磨分級系統(tǒng)給入礦量為 1 482 t/h，較設(shè)計1 375 t/h 提高 7.78%。鋼球充填率僅為 16.69%。球磨機(jī)電動機(jī)實(shí)際運(yùn)行功率 4 605×2 kW，負(fù)荷率僅為 54.18%，單位能耗僅為 6.21 kW·h/t。分級溢流細(xì)度 -75 μm 含量可達(dá) 65.34%，且 -25 μm 含量高達(dá)41.62%，磨礦效率僅為 0.54 t/(h·m3)。

結(jié)合 SAB 流程整體分析，半自磨機(jī)和球磨機(jī)負(fù)荷分配極不合理。半自磨機(jī)負(fù)荷較高，入料粒度偏粗的情況下，磨礦產(chǎn)品反而更細(xì)，甚至微細(xì)粒級含量占比較高，球磨機(jī)負(fù)荷偏輕，鋼球充填率低至 16.69%的情況下，就實(shí)現(xiàn)了溢流細(xì)度 -75 μm 含量達(dá) 65.34%(設(shè)計為 62%)。

結(jié)合分級設(shè)備實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行情況進(jìn)行計算，得出的水力旋流器運(yùn)行參數(shù)如表 7 所列?？梢钥闯觯瑢Ρ人π髌髟O(shè)計值，2 組水力旋流器均出現(xiàn)分級濃度偏高、返砂比偏大的問題。結(jié)合磨礦運(yùn)行參數(shù)分析，應(yīng)為球磨機(jī)磨礦效率低所致。

表7 分級設(shè)備運(yùn)行參數(shù)Tab.7 Operating parameters of separating equipment

3 銅三廠碎磨流程工藝優(yōu)化方案

針對碎磨流程目前存在的問題，擬通過采用粗碎破碎、半自磨、球磨分級回路、頑石預(yù)選拋廢的優(yōu)化方案進(jìn)行改造。

3.1 粗碎破碎優(yōu)化方案

根據(jù) C160 顎式破碎機(jī)的容積、入料粒度、礦石硬度、排礦口寬度等推算單臺設(shè)備處理量和產(chǎn)品粒度分布，研究將 4 臺 C160 顎式破碎機(jī)實(shí)際生產(chǎn)時的排礦口寬度降低在 150～ 160 mm 的可行性，并確定所需 C160 顎式破碎機(jī)的最少數(shù)量?？疾飕F(xiàn)場 C160 顎式破碎機(jī)擠滿給料的實(shí)際運(yùn)行效率，提出對顎板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化要求 (材質(zhì)、中間板設(shè)計等)。根據(jù)破碎機(jī)功率模型，預(yù)測排礦口寬度調(diào)整后 C160 顎式破碎機(jī)的運(yùn)行功率，達(dá)到將半自磨入料粒度從F80=170 mm 降低到F80=100～ 110 mm 的優(yōu)化目標(biāo)。

3.2 半自磨優(yōu)化方案

在入料粒度變細(xì)且產(chǎn)能不變的前提下，可通過優(yōu)化鋼球充填率、鋼球球徑、轉(zhuǎn)速率、總負(fù)荷率來改變半自磨機(jī)內(nèi)部不同粒度礦石顆粒的破碎速率，從而降低細(xì)顆粒的破碎速率來使半自磨機(jī)排礦粒度變粗，同時使半自磨機(jī)功率降低，將部分磨礦負(fù)荷轉(zhuǎn)移到球磨機(jī)。

在優(yōu)化半自磨機(jī)內(nèi)部不同粒度顆粒的破碎速率的同時，還需要對半自磨機(jī)的排礦能力進(jìn)行優(yōu)化，使目標(biāo)產(chǎn)物能夠及時被排出。預(yù)測半自磨機(jī)內(nèi)部“礦漿池”的體積占比，并對格子板和礦漿提升器的設(shè)計進(jìn)行驗(yàn)算，必要時需改進(jìn)格子板和礦漿提升器 (主要為弧形結(jié)構(gòu)) 的結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行格子板和礦漿提升器研究時，還可對頑石率進(jìn)行預(yù)測和優(yōu)化。采用設(shè)備選型模型設(shè)計頑石返回半自磨機(jī)的工藝并預(yù)測回路表現(xiàn)，當(dāng)半自磨機(jī)總負(fù)荷率、鋼球球徑、轉(zhuǎn)速率發(fā)生改變時，需要重新設(shè)計筒體襯板結(jié)構(gòu) (主要包括提升條高度和面角)，確保最外圍鋼球仍能夠被拋射到負(fù)荷趾部，如圖 2、3 所示。

圖2 半自磨機(jī)鋼球拋射軌跡Fig.2 Ejection trajectory of steel ball in semiautogenous mill

圖3 半自磨機(jī)鋼球拋射角度模擬Fig.3 Simulation on ejection angle of steel ball in semi-autogenous mill

3.3 球磨分級回路優(yōu)化方案

在粗碎和半自磨的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)球磨分級回路入磨F80=0.6 mm 提升至約F80=1～ 2 mm。在確保水力旋流器溢流細(xì)度 -74 μm 含量約 62% 的前提下，開展磨礦分級優(yōu)化，主要包括球磨機(jī)鋼球充填率優(yōu)化、鋼球級配優(yōu)化以及水力旋流器優(yōu)化等工作，主要內(nèi)容是將鋼球充填率由 17% 提升至 22%～ 25%，以降低循環(huán)負(fù)荷及分級濃度。同時，采用實(shí)驗(yàn)室球磨機(jī)探索了不同鋼球充填率 (19% 和 29%) 下磨礦產(chǎn)品中 -38 μm含量的變化，如圖 4 所示，當(dāng)磨礦粒度都為P80=125μm 時，高充填率磨礦產(chǎn)品中 -38 μm 含量更低。當(dāng)磨礦粒度P80=150～ 500 μm 時，高充填率下的磨礦產(chǎn)品中 -38 μm 含量更高。

圖4 實(shí)驗(yàn)室球磨機(jī)鋼球充填率與磨礦粒度關(guān)系曲線Fig.4 Curve of relationship between steel ball charge and grinding particle size of ball mill in laboratory

3.4 頑石預(yù)選拋廢方案

紫金山金銅礦中頑石原礦銅品位為 0.12%～0.28%，頑石較為圓潤，粒度為 10～ 120 mm，頑石粒度分析如表 8 所列，其中 10～ 40 mm 占 17%，40～90 mm 占 71%，90～ 120 mm 占 12%。

表8 未破碎頑石粒度分析Tab.8 Analysis on particle size of uncrushed pebbles

首先對金銅礦中頑石進(jìn)行直接拋廢，礦樣粒度為 10～ 120 mm。此次試驗(yàn)中，頑石原礦銅品位為0.243%，通過梯度試驗(yàn)拋廢，預(yù)期頑石拋廢后尾礦中銅的品位為 0.07% 左右 (需達(dá)到銅三廠頑石堆浸后尾礦銅品位)，試驗(yàn)結(jié)果如表 9 所列。

表9 頑石直接拋廢試驗(yàn)Tab.9 Data of direct waste-discarded test for pebble

試驗(yàn)結(jié)果顯示，尾礦中銅品位為 0.13%～ 0.14%，高于預(yù)期要求。同時，隨著拋廢率增加，品位沒有明顯的上升趨勢，說明低品位礦石中銅的含量比較穩(wěn)定，且分布比較均勻。通過以上試驗(yàn)表明，頑石直接拋廢達(dá)不到試驗(yàn)預(yù)期目的。因此，頑石原礦直接拋廢基本認(rèn)為不可行。

隨后將頑石破碎后進(jìn)行拋廢試驗(yàn)，礦樣破碎后的試驗(yàn)所得的拋廢率與精礦石中銅品位、銅回收率關(guān)系曲線如圖 5、6 所示。

圖5 頑石破碎后拋廢率與精礦石中銅品位關(guān)系曲線Fig.5 Curve of relationship between discarding ratio of crushed pebbles and copper grade of concentrate

由圖 5、6 可知，當(dāng)頑石拋廢率約為 67% 時，預(yù)選拋廢精礦石中銅品位可達(dá) 0.5%，基本滿足銅礦浮選廠要求，此時銅回收率約為 78%。頑石經(jīng)破碎后，礦廢相對解離充分，通過 X104 智能分選機(jī)可實(shí)現(xiàn)頑石與銅礦物的基本分選。試驗(yàn)流程如圖 7 所示，主要設(shè)備如表 10 所列。

圖6 頑石破碎后拋廢率與精礦石中銅回收率關(guān)系曲線Fig.6 Curve of relationship between discarding ratio of crushed pebbles and copper recovery ratio of concentrate

圖7 頑石破碎分選流程Fig.7 Process flow of pebble crushing and separation

表10 頑石破碎分選主要設(shè)備Tab.10 Main equipment for pebble crushing and separation

頑石經(jīng)智能分選機(jī)拋廢后，所得的精礦再進(jìn)入浮選，提高了選廠銅精礦的產(chǎn)量。此外，頑石分選后的廢石不需堆浸處理，也降低了原來頑石進(jìn)入堆浸的成本。

4 結(jié)論

(1) 通過對銅三選廠碎磨流程進(jìn)行跟蹤分析，發(fā)現(xiàn)破碎機(jī)產(chǎn)能過量，產(chǎn)品粒度大于 150 mm；半自磨機(jī)和球磨機(jī)負(fù)荷分配不合理，半自磨產(chǎn)品粒度偏細(xì)；水力旋流器分級濃度偏高、返礦比偏大。

(2) 針對碎磨階段存在的問題，結(jié)合數(shù)據(jù)分析提出以下解決方案。降低粗碎破碎機(jī)產(chǎn)品細(xì)度，從而提高半自磨機(jī)工作效率并降低能耗；加粗半自磨機(jī)產(chǎn)品/球磨機(jī)入料粒度，使磨礦負(fù)荷在半自磨機(jī)和球磨機(jī)之間分配更均衡；在以上操作改變半自磨機(jī)、球磨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)后，對半自磨機(jī)襯板外形、半自磨機(jī)轉(zhuǎn)速、球磨機(jī)裝球率及水力旋流器等進(jìn)行優(yōu)化，確保半自磨機(jī)和球磨機(jī)適應(yīng)其他因素調(diào)整后的工況條件。

(3) 根據(jù)以上優(yōu)化方案，建議增加頑石破碎-智能拋廢系統(tǒng)，頑石的拋廢率約為 67%，預(yù)選拋廢精礦石中銅品位可達(dá) 0.5%，滿足銅浮選廠的要求。通過該流程，提高了銅精礦產(chǎn)量，降低了頑石堆浸成本。