磁鐵礦二段磨陶瓷球磨礦特性研究*

王小玉 李志朝 袁程方 余 超 程 俊 吳彩斌 劉 軍

（1.安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司；2.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院；3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

磨礦是選礦中的重要組成部分，據(jù)統(tǒng)計(jì)，磨礦作業(yè)的耗電量在20 kW·h/t以上，占選礦廠總耗電量的50%以上［1-3］。磨礦作業(yè)是一項(xiàng)能耗高、效率低的作業(yè)［4-5］，尤其是在當(dāng)前“雙碳”政策和企業(yè)限電生產(chǎn)的背景下，如何充分發(fā)揮磨礦作業(yè)的作用［6］，優(yōu)化磨礦過程［7］，在最小的能耗下獲得最佳礦物解離［8］和入選前的均勻粒度及輕度過粉碎［9］，提高磨礦效率［10］及降低磨礦運(yùn)行成本［11］一直是選礦廠長期而艱巨的任務(wù)，也是選礦科技工作者研究的重大課題。

陶瓷球作為一種新興的磨礦介質(zhì)，近年已逐步應(yīng)用于磨礦領(lǐng)域［12-13］。吳志強(qiáng)等［14］對陶瓷球作磨礦介質(zhì)的能耗與粒度分布特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)陶瓷球磨礦生產(chǎn)能力比不上鋼球，但陶瓷球具有比重輕、能量利用程度大、磨礦產(chǎn)品中過粉碎更輕的優(yōu)點(diǎn)；韓彬等［15］對都龍礦區(qū)復(fù)雜多金屬進(jìn)行細(xì)磨研究，結(jié)果表明陶瓷球有效提升了磨礦效率，銅粗精礦再磨細(xì)度達(dá)到了-0.037 mm80%以上，且無鐵離子干擾，很好地改善了選礦指標(biāo)；賴俊全等［16］對比分析了陶瓷球和鋼鍛研磨不同粒級給礦產(chǎn)品下的磨礦特性，發(fā)現(xiàn)陶瓷球磨礦產(chǎn)品中0.010～0.074 mm粒級產(chǎn)率變化比較集中，而鋼鍛的粒級產(chǎn)率變化比較離散。為此，以羅河鐵礦二段磨給礦產(chǎn)品為研究對象，探討磁鐵礦二段磨中陶瓷球替換鋼球作磨礦介質(zhì)的磨礦特性，分析其工業(yè)化應(yīng)用的可行性。

1 試驗(yàn)樣品與設(shè)備

1.1 試驗(yàn)樣品

試樣為羅河礦業(yè)二段磨給礦產(chǎn)品，試樣晾干后縮分制成500 g一袋，同時采用環(huán)堆十字分割法取代表樣，進(jìn)行粒度組成和金屬量分布篩析，結(jié)果見表1。為了便于對磨碎后產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行分析，根據(jù)磁鐵礦磁選分離的共性，定義+0.15 mm粒級為欠磨粒級，表征欠磨情況；0.019～0.15 mm粒級為合格粒級，表征適合磁選分離粒級；-0.019 mm粒級表示過磨粒級，表征過磨情況。

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由表1可知，試樣-0.075 mm粒級產(chǎn)率為14.23%，其中+0.5 mm粒級產(chǎn)率僅為2.16%，沒有大顆粒，給礦粒度組成較細(xì)；合格粒級產(chǎn)率為47.54%，鐵占有率達(dá)53.29%；鐵品位隨著粒度變細(xì)逐漸上升，但-0.019 mm粒級品位下降，說明樣品中含鐵礦物為易碎礦物，磨礦過程易發(fā)生過粉碎現(xiàn)象；鐵金屬量主要在0.075～0.30 mm粒級分布，占有率高達(dá)76.20%，故磨礦作業(yè)的主要任務(wù)為對該粒級產(chǎn)品進(jìn)行有效破碎。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

1.2.1 球磨機(jī)

試驗(yàn)用球磨機(jī)為武漢探礦機(jī)械廠7.5 L的XMB?200×240型磨機(jī)（圖1），轉(zhuǎn)速110 r/min。

1.2.2 納米陶瓷球

試驗(yàn)用納米復(fù)合陶瓷球（以下簡稱陶瓷球）為景德鎮(zhèn)百特威爾新材料有限公司生產(chǎn)的高硬度、高耐磨納米氧化鋁陶瓷球。該陶瓷球主要成分為Al2O3，密度3.7 g/cm3，莫氏硬度為9。經(jīng)試驗(yàn)室研究得出，該陶瓷球具有高耐磨性，其磨耗是一般陶瓷球的20%左右、鋼球的12.5%左右；磨耗與氧化鋯球相當(dāng)，價格是氧化鋯球的三分之一左右；其主要直徑規(guī)格有50，40，35，30，25，20，15 mm（圖2）。

1.2.3 鋼 球

試驗(yàn)用鋼球?yàn)楹颖眲傊Z新材料股份有限公司生產(chǎn)的鋼球，主要直徑規(guī)格有50，40，30，25，20，15 mm（圖3）。陶瓷球與鋼球的材料特性及各項(xiàng)參數(shù)對比見表2。

3 鋼球磨礦特性

磁鐵礦二段磨常規(guī)磨礦介質(zhì)為鋼球，為全面分析陶瓷球磨礦特性，以鋼球磨礦特性為參考對比組，進(jìn)行鋼球磨礦時間、濃度和鋼球充填率的條件試驗(yàn)。

3.1 磨礦時間條件試驗(yàn)

每次磨礦量500 g，鋼球充填率28%，磨礦質(zhì)量濃度67%，鋼球裝球制度?30 mm∶?25 mm∶?20 mm比為20%∶30%∶50%，混合球徑23.5 mm，磨機(jī)轉(zhuǎn)速110 r/min，進(jìn)行磨礦時間試驗(yàn)，其中-0.075 mm粒級產(chǎn)率與磨礦技術(shù)效率變化趨勢見圖4。

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由圖4可見，隨著磨礦時間的延長，磨礦產(chǎn)品中-0.075 mm粒級產(chǎn)率與磨礦技術(shù)效率增加；但當(dāng)磨礦時間超過4 min時，磨礦技術(shù)效率不增反降，過磨粒級增加過多；說明使用純鋼球磨礦在磨礦分級循環(huán)過程中，長時間磨礦作用下過磨情況嚴(yán)重；為了便于與陶瓷球進(jìn)行對比，后續(xù)鋼球磨礦試驗(yàn)選取磨礦時間為3 min。

3.2 磨礦濃度條件試驗(yàn)

固定磨礦時間3 min，進(jìn)行磨礦濃度試驗(yàn)，-0.075 mm粒級產(chǎn)率與磨礦技術(shù)效率變化趨勢見圖5。

由圖5可見，鋼球磨礦規(guī)律與陶瓷球磨礦規(guī)律高度相似，隨著磨礦濃度上升，磨礦效果逐漸提升；當(dāng)磨礦濃度為75%時，磨礦效果最佳，-0.075 mm粒級產(chǎn)率為59.28%，磨礦技術(shù)效率為83.54%；當(dāng)磨礦濃度超過75%時，磨礦效果下降。

3.3 鋼球充填率條件試驗(yàn)

固定磨礦時間3 min、磨礦濃度75%，進(jìn)行鋼球充填率試驗(yàn)，-0.075mm粒級產(chǎn)率與磨礦技術(shù)效率變化趨勢見圖6。

由圖6可見，隨著充填率增加，鋼球數(shù)量增加，-0.075 mm粒級產(chǎn)率呈上升趨勢，但磨礦技術(shù)效率呈下降趨勢，說明鋼球高充填率下，過磨程度加重；當(dāng)充填率超過37%時，磨礦效果降低，此時充填率過高，對于試驗(yàn)球磨機(jī)來說，鋼球的拋落運(yùn)動受到影響，從而削弱了用于磁鐵礦破碎的沖擊作用力。

4 陶瓷球磨礦特性

在鋼球磨礦特性研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行陶瓷球磨礦特性研究。為了全方位分析陶瓷球磨礦特性，了解陶瓷球級配對磨礦特性的影響，增加陶瓷球裝球制度條件試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行陶瓷球磨礦時間、濃度和陶瓷球充填率的條件試驗(yàn)。

4.1 裝球制度條件試驗(yàn)

每次磨礦量500 g，磨礦時間3 min，充填率40%，磨礦濃度67%，磨機(jī)轉(zhuǎn)速110 r/min，選取7種不同的陶瓷球，配比方案見表3，-0.075mm粒級產(chǎn)率與磨礦技術(shù)效率變化趨勢見圖7。

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由圖7可見，①特定的陶瓷球裝球制度（5#）具有高磨礦能力。1#～4#與6#～7#裝球制度下，磨礦產(chǎn)品-0.075 mm粒級產(chǎn)率均介于35%～40%，但5#陶瓷球裝球制度?30 mm∶?25 mm∶?20 mm比為20%∶30%∶50%，混合球徑23.5 mm，其磨礦產(chǎn)品-0.075mm粒級產(chǎn)率高達(dá)43.14%，遠(yuǎn)高于其他6種裝球制度，具有高磨礦能力。②特定的陶瓷球裝球制度（5#）能改善磨礦產(chǎn)品的粒度分布特性。1#～4#與6#～7#裝球制度下，磨礦技術(shù)效率最低為61.55%，最高為68.08%，而5#裝球制度的磨礦技術(shù)效率為72.97%，對其余6種裝球制度有顯著優(yōu)勢。③混合球徑裝球制度優(yōu)于單一球徑裝球制度。7#裝球制度為單一球徑?25 mm，-0.075 mm粒級產(chǎn)率為35.58%，7種裝球制度中最低，說明混合球徑裝球制度磨礦能力明顯優(yōu)于單一球徑裝球制度。綜上所述，特定的裝球制度對二段給礦具有高磨礦能力，還能改善磨礦產(chǎn)品的粒度分布特性。

4.2 磨礦濃度條件試驗(yàn)

固定每次磨礦量500 g，磨礦時間3 min，充填率40%，陶瓷球裝球制度?30 mm∶?25 mm∶?20 mm比為20%∶30%∶50%，混合球徑23.5 mm，磨機(jī)轉(zhuǎn)速110 r/min，進(jìn)行磨礦濃度試驗(yàn)，-0.075 mm粒級產(chǎn)率與磨礦技術(shù)效率變化趨勢見圖8。

由圖8可見，當(dāng)磨礦濃度過低時，會導(dǎo)致磨礦介質(zhì)下落沖擊力與研磨力變得均勻，礦物受研磨的效率降低；當(dāng)磨礦濃度過高時，會使礦漿黏度增加，但礦漿的流動性變差且流速慢，導(dǎo)致磨礦介質(zhì)的沖擊作用減弱；當(dāng)磨礦濃度達(dá)到80%時，磨礦效果顯著降低，在磨礦濃度為75%時，礦漿的流動性及黏度均較合適，此時磨礦產(chǎn)品中-0.075 mm粒級產(chǎn)率為47.96%，磨礦技術(shù)效率為75.35%，磨礦產(chǎn)品細(xì)度最高，且有利于改善磨礦產(chǎn)品質(zhì)量。

4.3 陶瓷球充填率條件試驗(yàn)

固定磨礦濃度75%，進(jìn)行充填率試驗(yàn)，-0.075 mm粒級產(chǎn)率與磨礦技術(shù)效率變化趨勢見圖9。

由圖9可見，①隨著陶瓷球充填率的增加，碰撞率提高，磨礦產(chǎn)品中-0.075mm粒級產(chǎn)率增加；當(dāng)充填率達(dá)到40%時，-0.075mm粒級產(chǎn)率為47.96%，磨礦技術(shù)效率為75.35%，磨礦能力與磨礦效果均為最佳。②當(dāng)磨礦介質(zhì)充填率過高（45%及以上）時，陶瓷球在磨機(jī)內(nèi)做拋落運(yùn)動困難，沖擊作用降低，大部分陶瓷球做瀉落運(yùn)動，磨礦作用以研磨為主，使過磨粒級大幅增加，降低磨礦技術(shù)效率。③選擇合適的陶瓷球充填率，可使磨礦介質(zhì)在磨機(jī)內(nèi)為瀉落運(yùn)動狀態(tài)或拋落運(yùn)動狀態(tài)，更好地對礦物進(jìn)行研磨或沖擊，也可使磨礦產(chǎn)品粒度特性更加均勻，故選擇陶瓷球充填率40%為最佳。④需要特別說明的是，試驗(yàn)室與工業(yè)生產(chǎn)中使用的陶瓷球球徑大小是相同的，試驗(yàn)室磨機(jī)較小，在充填率提高時，磨機(jī)內(nèi)部可供陶瓷球運(yùn)動的空間狹小，阻礙陶瓷球做拋落運(yùn)動；但在工業(yè)磨機(jī)中，設(shè)備規(guī)模大，磨機(jī)內(nèi)部空間大，有足夠的空間供陶瓷球做拋落運(yùn)動。因此，工業(yè)生產(chǎn)中不會出現(xiàn)磨礦效果劇降的情況。

4.4 磨礦時間條件試驗(yàn)

固定磨礦濃度75%、充填率40%，進(jìn)行磨礦時間試驗(yàn)，-0.075 mm粒級產(chǎn)率與磨礦技術(shù)效率變化趨勢見圖10。

由圖10可見，隨著磨礦時間的延長，磨礦產(chǎn)品中各粒級產(chǎn)率均不斷增加；-0.075 mm粒級產(chǎn)率逐漸增加，磨礦曲線近似呈線性相關(guān)，說明陶瓷球作為磨礦介質(zhì)非常理想；但當(dāng)磨礦時間延長至3 min以上時，磨礦技術(shù)效率增長緩慢，考慮到磨礦產(chǎn)品合適的-0.075mm粒級產(chǎn)率和磨礦均勻性，選取磨礦時間3 min為宜。

綜上可知：在試驗(yàn)室條件下，當(dāng)給礦量為500 g時，二段給礦最佳陶瓷球磨礦時間為3 min，磨礦濃度75%，充填率40%，陶瓷球裝球?30 mm∶?25 mm∶?20 mm配比為20%∶30%∶50%，混合球徑23.5 mm，此時磨礦技術(shù)效率為75.81%，-0.075 mm粒級產(chǎn)率可達(dá)47.43%。

5 開路磨礦對比及磁選驗(yàn)證試驗(yàn)

5.1 開路磨礦對比試驗(yàn)

根據(jù)羅河礦業(yè)實(shí)際情況，現(xiàn)場二段磨使用?50 mm鋼球，充填率33%；由于試驗(yàn)室磨機(jī)與現(xiàn)場所用磨機(jī)在規(guī)格上存在較大差異，故試驗(yàn)室使用按比例縮小后的?25 mm鋼球還原現(xiàn)場生產(chǎn)情況。鋼球（現(xiàn)場）磨礦條件磨礦量500 g，磨礦時間3 min，鋼球充填率33%，磨礦質(zhì)量濃度為75%，使用?25 mm鋼球，磨機(jī)轉(zhuǎn)速110 r/min。陶瓷球磨礦條件磨礦量500 g，磨礦時間3 min，陶瓷球充填率40%，磨礦濃度75%，陶瓷球裝球?30 mm∶?25 mm∶?20 mm配比20%∶30%∶50%，混合球徑23.5 mm，磨機(jī)轉(zhuǎn)速110 r/min，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

注：鋼球、陶瓷球的磨礦技術(shù)效率分別為84.65%，86.62%。

由表4可知：①陶瓷球磨礦能力高于現(xiàn)場鋼球磨礦能力，陶瓷球和現(xiàn)場鋼球合格粒級0.019～0.15 mm產(chǎn)率分別為92.15%和88.41%，陶瓷球的合格粒級產(chǎn)率比現(xiàn)場鋼球的合格粒級產(chǎn)率高出3.74個百分點(diǎn)，磨礦能力明顯提升；②陶瓷球磨礦技術(shù)效率高于現(xiàn)場鋼球，過磨較輕，磨礦效果好，陶瓷球和鋼球磨礦產(chǎn)品過磨粒級-0.019 mm產(chǎn)率分別為1.28%和6.94%，磨礦技術(shù)效率分別為86.62%和84.65%，瓷球較鋼球磨礦技術(shù)效率提高了1.97個百分點(diǎn)，過磨粒級產(chǎn)率降低了5.64個百分點(diǎn)，降幅高達(dá)81.27%。

5.2 閉路磨礦對比試驗(yàn)

閉路磨礦順序?yàn)榻o礦→篩分（篩上返回）→磨礦→篩分（篩上返回）→磨礦，直至篩上產(chǎn)率接近5%結(jié)束，過篩以0.075 mm為分級粒級。閉路對比試驗(yàn)的試驗(yàn)參數(shù)均與開路相同，粒度分布與鐵金屬量分布結(jié)果見表5、表6。

注：鋼球、陶瓷球的磨礦技術(shù)效率分別為90.35%，97.67%。

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由表5、表6可知：①閉路磨礦能力陶瓷球優(yōu)于鋼球，陶瓷球和鋼球閉路磨礦產(chǎn)品合格粒級0.019～0.15 mm產(chǎn)率分別為97.25%和90.57%，陶瓷球相較于鋼球合格粒級產(chǎn)率高6.50個百分點(diǎn)；②閉路磨礦效果陶瓷球優(yōu)于鋼球，陶瓷球和鋼球閉路磨礦產(chǎn)品過磨粒級-0.019 mm產(chǎn)率分別為2.75%和9.43%，磨礦技術(shù)效率分別為97.67%和90.35%，陶瓷球較鋼球磨礦技術(shù)效率提高了7.32個百分點(diǎn)，過磨粒級產(chǎn)率降低了6.68個百分點(diǎn)；③金屬量分布情況陶瓷球優(yōu)于鋼球，陶瓷球磨礦產(chǎn)品合格粒級金屬量占比相較于鋼球高出2.97個百分點(diǎn)，說明陶瓷球磨礦可以改善磨礦產(chǎn)品的粒度分布，從而改善磨礦產(chǎn)品金屬量分布。

5.3 磁選驗(yàn)證試驗(yàn)

在閉路磨礦試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將陶瓷球和鋼球的磨礦產(chǎn)品分別進(jìn)行磁場強(qiáng)度159.15 kA/m磁選作業(yè)，試驗(yàn)結(jié)果見表7～表9。

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由表7～表9可知，從品位看，在精礦品位非常接近的情況下，陶瓷球和鋼球尾礦品位分別為23.12%和29.07%，陶瓷球下降了5.95個百分點(diǎn)，降幅高達(dá)20.47%；從回收率看，陶瓷球和鋼球精礦回收率分別為98.84%和94.72%，陶瓷球提高了4.12個百分點(diǎn)，增幅為4.35%；鋼球和陶瓷球磨礦產(chǎn)品中的過磨粒級產(chǎn)率分別為9.40%和2.75%，但磁選產(chǎn)品中過磨粒級回收率接近，鋼球過磨粒級回收率僅比陶瓷球高0.10個百分點(diǎn)，且無論是鋼球或是陶瓷球，精礦中過磨粒級的品位均低于合格粒級，證明過磨粒級不利于磁選回收；從產(chǎn)品金屬量占有率來看，陶瓷球和鋼球磨礦產(chǎn)品磁選精礦合格粒級鐵占有率分別為98.90%和98.77%，二者結(jié)果相近；但鋼球磨礦產(chǎn)品磁選尾礦過磨粒級鐵占有率高達(dá)68.71%，高出陶瓷球36.78個百分點(diǎn)，說明鋼球磨礦產(chǎn)品在磁選過程中，在過磨粒級中損失了大量金屬量，陶瓷球通過改善磨礦粒度分布特性，能有效減輕過磨程度，從而降低磁選尾礦中過磨粒級鐵的損失；綜上所述，陶瓷球替換鋼球作為磨礦介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了品位與回收率雙提高，證明陶瓷球能有效改善磨礦產(chǎn)品的粒度分布特性，減輕過磨，進(jìn)而提高磁選指標(biāo)。

6 結(jié)論

（1）在相同的開路磨礦條件下，陶瓷球充填率為40%時，其磨礦能力超越鋼球充填率為33%。陶瓷球的合格粒級0.019～0.15 mm產(chǎn)率比現(xiàn)場鋼球合格粒級產(chǎn)率高出3.74個百分點(diǎn)，漲幅為4.21%；磨礦技術(shù)效率提高了1.97個百分點(diǎn)，漲幅為2.33%；過磨粒級產(chǎn)率降低了5.64個百分點(diǎn)，降幅高達(dá)81.27%。

（2）在相同的閉路磨礦條件下，陶瓷球磨礦產(chǎn)品合格粒級0.019～0.15 mm產(chǎn)率比鋼球高7.32個百分點(diǎn)，漲幅為8.1%；陶瓷球磨礦效果顯著，陶瓷球磨礦技術(shù)效率高于鋼球，過磨情況明顯改善。

（3）陶瓷球磨礦產(chǎn)品合格粒級金屬量占比比鋼球高2.97個百分點(diǎn)，由于陶瓷球磨礦產(chǎn)品中粒度分布特性和鐵占有率分布特性比鋼球有所改善，磁選中鐵回收率略有提高，陶瓷球磨礦不會影響后續(xù)磁選工藝。