納米復(fù)合陶瓷球在張莊礦高硅難磨鐵礦中的應(yīng)用

張曉偉 潘 猛 齊美超 王 琦

（安徽馬鋼張莊礦業(yè)有限責(zé)任公司）

鐵礦資源是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是生產(chǎn)、生活資料的重要來源［1-2］。在鐵礦資源生產(chǎn)過程中原材料的開采和選別是必不可少的，且極為重要［3］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，粉碎作業(yè)的耗電總量占選礦廠總耗電量的60%以上，而磨礦作業(yè)的耗電量又占粉碎作業(yè)的90%以上，磨礦成本占選礦廠生產(chǎn)成本的40%～60%［4-5］。因此，磨礦是一項(xiàng)能耗高、效率低的作業(yè)。

近年來，陶瓷球作為新型磨礦介質(zhì)開始嶄露頭角。實(shí)踐證明，陶瓷球替代鋼球作為磨礦介質(zhì)，陶瓷球磨礦速度更快、能量利用效率更高［6］，可有效降低電耗、球耗，同時(shí)提高磨礦系統(tǒng)處理量和磨礦分級(jí)效果［7］，以致越來越多的礦山開始使用陶瓷球替代鋼球磨礦。張莊礦鐵礦具有含硅高、硬度高的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，開展了試驗(yàn)室試驗(yàn)，驗(yàn)證陶瓷球替代鋼球的可行性。

1 試驗(yàn)原料

1.1 試樣粒度組成及金屬量分布特征

試樣為張莊礦二段給礦樣，礦樣粒度組成及金屬量分布篩析結(jié)果見表1（以-0.023 mm 表征過磨粒級(jí)，以0.023～0.15 mm 表征合格粒級(jí)，以+0.15 mm 表征欠磨粒級(jí)，下同）。

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由表1 可知，試樣+0.15 mm 粒級(jí)產(chǎn)率僅為12.58%，鐵占有率5.29%，給礦粒度組成較細(xì)；合格粒級(jí)0.023～0.15 mm 產(chǎn)率82.93%，鐵占有率達(dá)89.75%；鐵品位隨著粒度變細(xì)而上升，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。對(duì)于該礦物的研磨要注意粗顆粒的磨細(xì)，同時(shí)應(yīng)減少過磨粒級(jí)的產(chǎn)生，以增加礦物的有效回收。

1.2 納米陶瓷球

試驗(yàn)用陶瓷球?yàn)榫暗骆?zhèn)百特威爾新材料有限公司生產(chǎn)的高硬度、高耐磨的納米復(fù)合陶瓷球，其主要成分為Al2O3，密度3.7 g/cm3，莫氏硬度為9。該陶瓷球具有高耐磨性，其磨耗是一般陶瓷球的1/5左右、鋼球的1/8 左右，磨耗與氧化鋯球相當(dāng)，價(jià)格僅是氧化鋯球的1/3 左右。陶瓷球的主要規(guī)格有?50 mm、?40 mm、?35 mm、?30 mm、?25 mm、?20 mm、?15 mm。納米陶瓷球與耐磨鋼球的參數(shù)對(duì)比結(jié)果見表2。

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2 全陶瓷球磨礦試驗(yàn)

2.1 陶瓷球單一直徑試驗(yàn)

為考察該磁鐵礦應(yīng)用陶瓷球的磨礦規(guī)律，進(jìn)行陶瓷球單一球徑磨礦試驗(yàn)。每次磨礦量500 g，磨礦時(shí)間2 min，充填率38%，磨礦濃度75%，磨機(jī)轉(zhuǎn)速90 r/min，分別應(yīng)用尺寸?20 mm、?25 mm、?30 mm、?35 mm、?40 mm 的單一陶瓷球進(jìn)行磨礦，陶瓷球各直徑下的產(chǎn)品粒級(jí)分布及磨礦效果見表3。

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由表3可知，陶瓷球直徑越小，-0.075 mm 產(chǎn)率越高，當(dāng)陶瓷球球徑為20 mm 時(shí)，磨礦產(chǎn)品-0.075 mm產(chǎn)率最高為66.14%，陶瓷球直徑越小越有利于對(duì)該磁鐵礦的研磨。當(dāng)陶瓷球球徑為20 mm 時(shí)，欠磨粒級(jí)+0.15 mm 產(chǎn)率最低為1.15%，過磨粒級(jí)-0.023 mm產(chǎn)率最高為10.91%；當(dāng)陶瓷球球徑為40 mm 時(shí)，欠磨粒級(jí)+0.15 mm 產(chǎn)率最高為4.10%，過磨粒級(jí)-0.023 mm 產(chǎn)率最低為7.05%；陶瓷球直徑越小，產(chǎn)品磨細(xì)的同時(shí)也會(huì)增加過磨粒級(jí)的產(chǎn)生。當(dāng)陶瓷球球徑為25 mm 時(shí)，合 格 粒 級(jí)0.023～0.15 mm 產(chǎn) 率 最 高 為90.21%；當(dāng)陶瓷球球徑為35 mm 時(shí)，合格粒級(jí)0.023～0.15 mm 產(chǎn)率最低為87.42%；故陶瓷球球徑并不是越大越有利于該磁鐵礦磨礦。

2.2 陶瓷球球徑配比試驗(yàn)

在磨礦量500 g、磨礦時(shí)間2 min、充填率38%、磨礦濃度75%、磨機(jī)轉(zhuǎn)速90 r/min的條件下，進(jìn)行7種不同球徑配比的陶瓷球磨礦試驗(yàn)，陶瓷球配球制度方案見表4，磨礦產(chǎn)品各粒級(jí)產(chǎn)率變化趨勢(shì)見表5。

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由表5可知，隨著裝球制度中陶瓷球平均粒徑的減小，磨礦產(chǎn)品-0.075 mm 粒級(jí)產(chǎn)率增加，該現(xiàn)象與陶瓷球單一球徑磨礦結(jié)果相符，小直徑的陶瓷球有利于該磁鐵礦的研磨；隨著陶瓷球平均粒徑的減小，磨礦產(chǎn)品欠磨粒級(jí)+0.15 mm 產(chǎn)率有減小趨勢(shì)，6#、7#陶瓷球配比中欠磨粒級(jí)產(chǎn)率較低，分別為1.28%，0.98%；各陶瓷球配比中，1#、4#、6#和7#配比的過磨粒級(jí)-0.023 mm 產(chǎn)率較低，1#、6#配比過磨粒級(jí)-0.023 mm 產(chǎn)率分別為7.18%，7.56%，單一球徑磨礦效果好的20 mm 陶瓷球-0.023 mm 粒級(jí)產(chǎn)率為10.91%，混合球徑相同的單一?25 mm 陶瓷球-0.023 mm 粒級(jí)產(chǎn)率7.98%，陶瓷球混合配比較陶瓷球單一球徑減少了過磨，改善了磨礦效果；隨著陶瓷球平均粒徑的減小，合格粒級(jí)0.023～0.15 mm 產(chǎn)率先減小后增大，其中4#、6#和7#配比的合格粒級(jí)產(chǎn)率較高為91.64%，91.16%和91.48%，為保證陶瓷球磨礦-0.075 mm 粒級(jí)產(chǎn)率及陶瓷球中有一定比例的大直徑陶瓷球來破碎粗顆粒，最佳陶瓷球球徑配比選定6#。

2.3 陶瓷球充填率試驗(yàn)

在磨礦量500 g，磨礦時(shí)間2 min，磨礦濃度75%，陶瓷球?30 mm、?25 mm、?20 mm 配比20%∶60%∶20%（混合球徑25 mm），磨機(jī)轉(zhuǎn)速9 r/min 的條件下，進(jìn)行充填率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

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由表6 可知，隨著陶瓷球充填率的增加，磨礦產(chǎn)品-0.075 mm 產(chǎn)率增加；當(dāng)充填率達(dá)40%時(shí)，-0.075 mm 粒級(jí)產(chǎn)率65.39%，欠磨粒級(jí)+0.15 mm 產(chǎn)率1.17%，過磨粒級(jí)-0.023 mm 產(chǎn)率9.11%，合格粒級(jí)0.023～0.15 mm 產(chǎn)率89.73%，磨礦效果最佳；當(dāng)磨礦介質(zhì)充填率超過45%時(shí)，陶瓷球在磨機(jī)內(nèi)做拋落運(yùn)動(dòng)困難，沖擊作用降低，大部分陶瓷球做瀉落運(yùn)動(dòng)，磨礦作用以研磨為主，使欠磨粒級(jí)增加，降低磨礦效果，故最佳充填率為40%。

2.4 陶瓷球磨礦濃度試驗(yàn)

在磨礦量500 g，磨礦時(shí)間2 min，充填率40%，陶瓷球?30 mm、?25 mm、?20 mm 配比20%∶60%∶20%（混合球徑25 mm），磨機(jī)轉(zhuǎn)速90 r/min的條件下，進(jìn)行磨礦濃度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

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由表7 可知，當(dāng)磨礦濃度為70%時(shí)，陶瓷球磨礦產(chǎn)品-0.075mm 粒級(jí)產(chǎn)率最高為65.87%，同時(shí)合格粒級(jí)0.023～0.15 mm 產(chǎn)率最高為88.99%，欠磨粒級(jí)+0.15 mm 產(chǎn)率為1.75%，過磨粒級(jí)-0.023 mm 產(chǎn)率最低為9.26%，產(chǎn)品粒度分布較均勻，有利于提高磨礦產(chǎn)品質(zhì)量，故最佳磨礦濃度為70%。

與鋼球基準(zhǔn)磨礦產(chǎn)品相比，在陶瓷球最佳磨礦條件下，陶瓷球磨礦產(chǎn)品中-0.075mm 產(chǎn)率從63.18%提至65.87%，合格粒級(jí)0.023～0.15 mm 產(chǎn)率從84.48%提高至88.99%，過磨粒級(jí)-0.023 mm 產(chǎn)率從13.16%降至9.26%，因此該磁鐵礦二段磨中可以用陶瓷球替換鋼球作為磨礦介質(zhì)。

3 陶瓷球+鋼球混合磨礦規(guī)律

為近一步貼合生產(chǎn)實(shí)際，開展鋼球+陶瓷球混合磨礦試驗(yàn)，每次磨礦量500 g，磨礦時(shí)間2 min，充填率40%，磨礦濃度70%，陶瓷球?30 mm、?25 mm、?20 mm 配比20%∶60%∶20%（混合球徑25 mm），使用球徑?30 mm、?40 mm 的鋼球，磨機(jī)轉(zhuǎn)速90 r/min，選取鋼球體積占比作為變量，具體裝球方案見表8，試驗(yàn)結(jié)果見表9。

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由表9 可知，與全陶瓷球磨礦相比，通過在最佳陶瓷球配比中添加不同直徑的鋼球，磨礦產(chǎn)品中的欠磨粒級(jí)+0.15 mm 產(chǎn)率降低；鋼球密度大，對(duì)礦物的研磨能力更強(qiáng)，陶瓷球中添加鋼球的磨礦產(chǎn)品細(xì)度會(huì)大于全陶瓷球磨礦細(xì)度，陶瓷球+鋼球配比中的-0.075 mm 粒級(jí)產(chǎn)率均在65%左右；若選取陶瓷球+鋼球，3#為最佳配比，30 mm 鋼球體積占比6%，質(zhì)量占比28%，陶瓷球?30 mm、?25 mm、?20 mm 配比20%∶60%∶20%，該配比合格粒級(jí)產(chǎn)率88.50%，欠磨粒級(jí)+0.15 mm 產(chǎn)率1.26%，過磨粒級(jí)-0.023 mm 產(chǎn)率10.24%，磨礦效果全面超越鋼球磨礦。

4 不同磨礦方案磨礦產(chǎn)品對(duì)比

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，現(xiàn)場(chǎng)二段磨礦作業(yè)使用?40 mm 鋼球，充填率38%。鋼球（還原現(xiàn)場(chǎng)）磨礦條件磨礦量500 g，磨礦時(shí)間2 min，鋼球充填率38%，磨礦濃度75%，磨機(jī)轉(zhuǎn)速90 r/min。

陶瓷球磨礦條件磨礦量500 g，磨礦時(shí)間2 min，陶瓷球充填率40%，磨礦濃度70%，陶瓷球?30 mm、?25 mm、?20 mm 配比20%∶60%∶20%（混合球徑25 mm），磨機(jī)轉(zhuǎn)速90 r/min。

陶瓷球+鋼球磨礦條件磨礦量500 g，磨礦時(shí)間2 min，陶瓷球+鋼球總充填率40%，磨礦濃度70%，?30 mm 鋼球質(zhì)量占比28%，陶瓷球?30 mm、?25 mm、?20 mm 配比20%∶60%∶20%，磨機(jī)轉(zhuǎn)速90 r/min。3種裝球制度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表10。

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由表10 可知，陶瓷球磨礦在最佳配比條件下，可達(dá)到鋼球-0.075 mm 細(xì)度指標(biāo)，陶瓷球+鋼球制度下-0.075 mm 粒級(jí)高于鋼球-0.075mm 粒級(jí)產(chǎn)率。從欠磨粒級(jí)+0.15 mm 產(chǎn)率來看，陶瓷球+鋼球＜陶瓷球＜鋼球，鋼球磨礦產(chǎn)品欠磨粒級(jí)含量最高，陶瓷球在+0.15 mm 粒級(jí)磨礦效果優(yōu)于鋼球。從合格粒級(jí)0.023～0.15 mm 產(chǎn)率來看，陶瓷球＞陶瓷球+鋼球＞鋼球，陶瓷球的合格粒級(jí)大于鋼球，故對(duì)于鋼球磨礦，陶瓷球在一定條件下可增大合格粒級(jí)的產(chǎn)生，提高磨礦效果。從過磨粒級(jí)-0.023mm 產(chǎn)率來看，鋼球-0.023 mm 產(chǎn)率13.01%，陶瓷球過磨粒級(jí)產(chǎn)率8.85%，陶瓷球+鋼球過磨粒級(jí)產(chǎn)率10.24%。試驗(yàn)室條件下的陶瓷球、陶瓷球+鋼球磨礦產(chǎn)品-0.023 mm粒級(jí)含量下降幅度分別達(dá)31.98%，21.29%，均能有效減少過磨粒級(jí)的產(chǎn)生。

試驗(yàn)室階段已經(jīng)充分驗(yàn)證二段磨礦中陶瓷球可以替代鋼球，陶瓷球+鋼球混加磨礦效果也優(yōu)于鋼球。

5 結(jié) 論

（1）張莊礦不同磨礦方案試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的開路磨礦條件下，陶瓷球充填率為40%時(shí)，其磨礦能力優(yōu)于鋼球充填率為38%時(shí)，陶瓷球的合格粒級(jí)0.023～0.15 mm 產(chǎn)率比現(xiàn)場(chǎng)鋼球合格粒級(jí)產(chǎn)率高4.77 個(gè)百分點(diǎn)；欠磨粒級(jí)+0.15mm 產(chǎn)率降低0.62 個(gè)百分點(diǎn)。試驗(yàn)室條件下的陶瓷球、陶瓷球+鋼球磨礦產(chǎn)品粒度分布中-0.023 mm 含量下降幅度分別達(dá)31.98%，21.29%，均能有效減少過磨粒級(jí)的產(chǎn)生。

（2）推薦工業(yè)上陶瓷球磨礦初裝球?30 mm、?25 mm、?20 mm 配比為20%∶60%∶20%，一旦發(fā)現(xiàn)有粗顆粒磨不細(xì)，可采用鋼球+陶瓷球混合磨礦技術(shù)，只需添加?30 mm鋼球即可。

（3）納米復(fù)合陶瓷球能取代鋼球作為張莊礦二段磨礦介質(zhì)使用。