張 萌,姬建鋼,孫春寶,祖大磊,趙 魏
(1.礦山重型裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南洛陽471039;2.洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,河南洛陽471039;3.北京科技大學(xué),北京市100083)
冶煉銅渣碎磨工藝及其系統(tǒng)優(yōu)化的探討
張 萌1,2,3,姬建鋼1,2,孫春寶3,祖大磊1,2,趙 魏1,2
(1.礦山重型裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南洛陽471039;2.洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,河南洛陽471039;3.北京科技大學(xué),北京市100083)
國內(nèi)銅爐渣碎磨工藝已從傳統(tǒng)碎磨流程發(fā)展為以半自磨為主的碎磨工藝,但目前國內(nèi)對(duì)銅爐渣半自磨碎磨工藝在應(yīng)用上存在著磨機(jī)規(guī)格偏大、功耗偏高、半自磨機(jī)與球磨機(jī)不匹配等問題;通過對(duì)銅爐渣礦石性質(zhì)的分析,推測了這些問題的原因所在,認(rèn)為國內(nèi)銅爐渣半自磨碎磨工藝有巨大的優(yōu)化潛力。
銅爐渣;SAB碎磨工藝;半自磨流程;碎磨系統(tǒng)優(yōu)化
隨著我國銅冶煉工業(yè)的發(fā)展,銅冶煉爐渣處理量逐年增加,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),處理總量已達(dá)到1.0×105kt/a,含銅品位在0.8%~3%之間。按平均品位1.4%、回收率80%計(jì)算,可年產(chǎn)金屬銅112 kt,相當(dāng)于一個(gè)特大型(如德興銅礦)銅礦山的年產(chǎn)量,占我國礦產(chǎn)銅產(chǎn)量的8%。因此,銅冶煉爐渣選礦技術(shù)在選礦領(lǐng)域占有非常重要的地位。
銅爐渣易碎難磨,其碎磨工藝從早期的常規(guī)碎磨流程,發(fā)展為現(xiàn)在以半自磨流程為主的碎磨工藝。通過翻閱文獻(xiàn)資料與現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),部分銅渣礦的碎磨工藝中存在著磨機(jī)規(guī)格偏大、運(yùn)行功耗較高、半自磨與球磨不匹配等問題。這些問題給選廠帶來了投資大、運(yùn)行成本高以及能耗浪費(fèi)等弊端,不但影響選廠的經(jīng)濟(jì)效益,而且與綠色節(jié)能型礦山的發(fā)展方向不一致。為了推動(dòng)促進(jìn)冶煉銅渣選礦工藝和設(shè)備技術(shù)的發(fā)展,有必要對(duì)冶煉銅渣的碎磨工藝及其系統(tǒng)優(yōu)化進(jìn)行探討。
目前世界上最主要的碎磨工藝有傳統(tǒng)碎磨流程與半自磨流程。傳統(tǒng)碎磨流程主要為兩段或三段碎礦+球磨磨礦流程[1](2CB或3CB)。常見的半自磨流程主要有:粗碎+自磨/半自磨+球磨流程(SAB/SABC),如圖1(a);單段自磨/半自磨流程(SS SA或SS SAC),如圖1(b)。
傳統(tǒng)碎磨工藝體現(xiàn)了“多碎少磨”的節(jié)能理念,在某種程度上可以靈活調(diào)配作業(yè)時(shí)間。此流程在我國礦山選礦廠中普遍使用,生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)豐富,達(dá)產(chǎn)期短,但是常規(guī)碎磨流程多了中細(xì)碎及篩分作業(yè),廠房占地面積大和中間環(huán)節(jié)多,因此工藝流程長,設(shè)備數(shù)量多,比較適于小規(guī)模選礦廠的應(yīng)用。而自磨/半自磨技術(shù)在經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)的摸索、改進(jìn)和研究后,日趨發(fā)展為成熟可靠的技術(shù)。該工藝具有流程簡化,所需設(shè)備少,占地面積少,適應(yīng)性強(qiáng),便于實(shí)現(xiàn)選礦廠的自動(dòng)化,減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等特點(diǎn)。正是由于半自磨流程具有這些優(yōu)點(diǎn),國內(nèi)的銅渣礦碎磨工藝逐漸由傳統(tǒng)碎磨流程發(fā)展為以半自磨為主的流程。國內(nèi)部分爐渣選礦廠碎磨工藝與設(shè)備[1-2]如表 1所示。
圖1 半自磨常見工藝流程
(a)SABC流程
(a)SS SAC流程
表1 國內(nèi)部分爐渣選礦廠碎磨工藝與設(shè)備
2.1 銅渣碎磨中半自磨機(jī)的特點(diǎn)
目前,在世界范圍內(nèi),半自磨機(jī)主要有3種型式:小長徑比的磨機(jī),一般直徑為長度的1.5~3倍;“正方”的磨機(jī),直徑和長度大致相同;大長徑比的磨機(jī),一般長度為直徑的1.5~3倍。由表1可以看出,半自磨在銅渣礦碎磨工藝的應(yīng)用中,其直徑與長度大多相等,或長度略大,呈現(xiàn)為“正方”的磨機(jī)型式。而在金屬礦山的選廠中,半自磨機(jī)多為小長徑比的型式。在下文中,將分析半自磨機(jī)采用這種型式的原因。
2.2 設(shè)備規(guī)格與碎磨功耗
根據(jù)對(duì)部分選廠的調(diào)查,發(fā)現(xiàn)碎磨系統(tǒng)的實(shí)際處理能力都大于設(shè)計(jì)產(chǎn)能。表2所示為國內(nèi)幾個(gè)銅渣礦選廠的設(shè)計(jì)產(chǎn)能、實(shí)際產(chǎn)能的對(duì)比,以及選廠的實(shí)際運(yùn)行功耗。
表2 國內(nèi)幾個(gè)渣選廠的設(shè)計(jì)產(chǎn)能與實(shí)際產(chǎn)能的對(duì)比
由表2可以看出,選廠1與選廠2雖然實(shí)際產(chǎn)能與設(shè)計(jì)產(chǎn)能大致相當(dāng),但是從磨機(jī)運(yùn)行功率上看,半自磨機(jī)與球磨機(jī)都存在有較大的富裕能力。選廠1半自磨機(jī)與球磨機(jī)的裝機(jī)功率比值為1:1.45,而運(yùn)行功率的比值為1:1.27;選廠2也有同樣現(xiàn)象。選廠3的實(shí)際產(chǎn)能則明顯高于設(shè)計(jì)產(chǎn)能。這說明在碎磨工藝設(shè)計(jì)階段,一方面磨機(jī)規(guī)格的選擇偏大,另一方面半自磨機(jī)與球磨機(jī)不太匹配。這種現(xiàn)象不僅造成了設(shè)備不必要的浪費(fèi),也增加了選廠的投資成本。
從表2有限的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看,銅渣礦的碎磨功耗約在50 kWh/t左右,而銅渣礦的碎磨功耗占總功耗的65%左右,因此碎磨功耗過高也直接導(dǎo)致了處理銅渣礦的單位電耗居高不下。若能對(duì)碎磨系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,有助于更有效地發(fā)揮碎磨系統(tǒng)的最大潛能,使其達(dá)到穩(wěn)定、良好的運(yùn)行狀況,將對(duì)選廠實(shí)現(xiàn)提產(chǎn)降耗、降低成本、提高生產(chǎn)率具有重要意義。某選廠進(jìn)行磨礦系統(tǒng)技術(shù)改造后,在滿足工藝要求的條件下,磨礦功耗由78.6 kWh/t降低到約60 kWh/t[3]??梢钥闯?半自磨技術(shù)在銅渣礦碎磨中的應(yīng)用推動(dòng)了其碎磨工藝的發(fā)展,但在應(yīng)用過程中,仍然存在著磨機(jī)選型偏大、碎磨功耗過高以及半自磨機(jī)與球磨機(jī)不匹配等問題,有待設(shè)計(jì)人員對(duì)其進(jìn)行更為深入的分析探討,為銅渣碎磨工藝的設(shè)計(jì)提供可靠的支撐或依據(jù)。
3.1 礦石性質(zhì)
銅冶煉渣實(shí)際是一種“人造礦石”,一般呈黑褐色致密塊狀,主要礦物包括硅酸鐵、硅酸鈣和少量硫化物和金屬元素等[4]。水淬銅渣幾乎全部都是玻璃相,只有極少數(shù)結(jié)晶相(石英、長石)出現(xiàn)。與原生銅礦石相比,其性質(zhì)較為復(fù)雜,具有密度大,硬度大,有效選別的最佳粒度大多在40~45 μm,易碎難磨等特點(diǎn)。國內(nèi)幾家銅渣礦礦石碎磨性質(zhì)的對(duì)比見表3。
表3 國內(nèi)幾家銅渣礦礦石性質(zhì)的對(duì)比
表4 JK公司對(duì)礦石性質(zhì)的大致分類[4]
表3中,JK DW實(shí)驗(yàn)的A×b參數(shù)表示礦石抗沖擊破碎的能力,A×b值越小,表明礦石越難破碎;反之,A×b值越大,表明礦石越易破碎。球磨功指數(shù)表示礦石抗研磨破碎的能力,其值越小,表明礦石越易磨碎;反之,礦石越難磨碎。表4所示為JK公司對(duì)礦石性質(zhì)的大致分類。通過將表3中的銅爐渣礦石性質(zhì)與表4中礦石性質(zhì)的分類進(jìn)行對(duì)比,可以看出銅爐渣表現(xiàn)出明顯的易碎難磨的特點(diǎn)。
3.2 礦石性質(zhì)對(duì)磨機(jī)選型的影響
正是因?yàn)殂~爐渣易碎難磨的特點(diǎn),如果采用金屬礦山常見的小長徑比(直徑大長度小)的半自磨機(jī),因?yàn)槟C(jī)直徑較大,能夠?qū)⑿源嘁灼扑榈你~渣礦很快破碎成碎塊(<20~25 mm);但是磨機(jī)長度較短,那些小于格子孔的破碎碎塊將很快排出磨機(jī),造成半自磨的產(chǎn)品較粗,半自磨磨礦功耗低;而后續(xù)的球磨則因?yàn)榻o料粒度較粗,同時(shí)球磨功指數(shù)高,導(dǎo)致球磨的磨礦功耗很高。
在SAB碎磨流程設(shè)計(jì)中,考慮到半自磨機(jī)與球磨機(jī)功率的平衡分配,一般兩種磨機(jī)采用相同的裝機(jī)功率,即利于磨機(jī)拖動(dòng)電機(jī)的采購與備件準(zhǔn)備,也有益于選廠的管理和維護(hù)。因此,可通過增加半自磨的長度,減小半自磨產(chǎn)品細(xì)度,提高半自磨磨礦功耗,降低球磨磨礦功耗,從而達(dá)到兩者功耗的均衡。但是,一些設(shè)計(jì)人員較保守地認(rèn)為,用于銅渣礦的半自磨應(yīng)堅(jiān)持采用“方形”型式。其誤區(qū)主要來源于奧圖昆普為貴溪冶煉廠設(shè)計(jì)的國內(nèi)第一家SAB流程,采用Φ5.2×5.2 m的半自磨機(jī)。實(shí)際上,奧圖昆普選擇“方形”磨機(jī)正是為了半自磨與球磨之間的能耗平衡。但是,不同的銅爐渣礦,其碎磨特性并非完全相同,應(yīng)該通過科學(xué)的礦石碎磨實(shí)驗(yàn),獲取可靠的礦石性質(zhì)參數(shù),再針對(duì)各自的礦石性質(zhì),選擇合理長徑比的磨機(jī)。
3.3 建立銅爐渣礦石性質(zhì)數(shù)據(jù)庫
銅渣礦作為一種人造礦石,與金屬礦在微觀的組成結(jié)構(gòu)、結(jié)晶形態(tài)、節(jié)理及裂縫等都不類同[5]。它在宏觀上表現(xiàn)出易碎難磨的性質(zhì);在微觀上,由于銅爐渣大多呈玻璃體形式存在,其結(jié)晶晶粒之間的鍵力與原生銅礦石有明顯差異。因此,銅渣礦在同樣的破碎方式下,破碎后的產(chǎn)品粒度分布與原生銅礦石也有所不同。這樣在同樣的磨礦方式下,其產(chǎn)品粒度分布與能量利用效率與金屬礦也有不同的表現(xiàn)。
針對(duì)銅爐渣獨(dú)特的礦石性質(zhì),需要建立銅渣礦的破碎特性數(shù)據(jù)庫,參考常規(guī)金屬礦半自磨選型的方法與思路,對(duì)其中影響到銅爐渣碎磨方面的因素進(jìn)行修正,從而補(bǔ)充銅爐渣半自磨選型的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。銅爐渣礦石性質(zhì)數(shù)據(jù)庫的建立,對(duì)后續(xù)選別工藝也具有指導(dǎo)意義。
在礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用中,碎礦磨礦作業(yè)的能耗與鋼耗巨大,且磨礦的能量利用率很低,因此國內(nèi)銅渣礦SAB碎磨工藝存在有巨大的優(yōu)化潛力。通過對(duì)碎磨系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,有效地發(fā)揮系統(tǒng)的最大潛能,提高磨礦效率,降低功耗,是選廠增產(chǎn)增效、節(jié)能降耗的一條新的富有成效的途徑。
4.1 優(yōu)化策略
半自磨機(jī)的影響因素可歸結(jié)為礦石性質(zhì)、磨機(jī)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行工況3個(gè)層面,每一層面下又有許多子因素。這些影響因素之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜,且存在多變性及隨機(jī)性,因此大大增加了磨礦優(yōu)化的難度。只有理解各因素的影響效果,有效地建立各因素之間的聯(lián)系,才能對(duì)半自磨機(jī)或其系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,而這一點(diǎn)對(duì)選礦廠實(shí)現(xiàn)提產(chǎn)降耗、降低運(yùn)行成本、提高生產(chǎn)率具有重要意義。
4.2 計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化
國內(nèi)選廠大多采用生產(chǎn)試驗(yàn)的方法,通過改變單一的工藝參數(shù),經(jīng)過長期的生產(chǎn)實(shí)踐,摸索出大致的定性判斷。這種生產(chǎn)試驗(yàn)的優(yōu)化方法不僅耗費(fèi)大量的人力、物力與財(cái)力,而且時(shí)間漫長,一些工況條件的隨機(jī)性變化又使得試驗(yàn)方法難以確定。目前,國際上對(duì)磨礦優(yōu)化采用數(shù)學(xué)建模與計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)相結(jié)合的分析手段,通過數(shù)學(xué)算法將各因素的影響程度與優(yōu)化目標(biāo)建立邏輯關(guān)系,研究、預(yù)測磨機(jī)的最佳工作狀態(tài),最終達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)。
國際上認(rèn)可的碎磨流程模擬軟件為澳大利亞JKMRC公司的JKSimMet模擬軟件。該軟件通過長期積累的工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù),將碎磨過程中的各項(xiàng)作業(yè)(破碎、磨礦、篩分、分級(jí)等)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,并可以對(duì)各個(gè)數(shù)學(xué)模型模塊進(jìn)行隨意組合,因而可以對(duì)幾乎所有的碎磨流程進(jìn)行模擬分析。JK開發(fā)的半自磨磨礦機(jī)理示意與半自磨數(shù)學(xué)模型的框架分別如圖3、圖4所示。
圖3 半自磨機(jī)磨礦機(jī)理示意
圖4 JK半自磨機(jī)數(shù)學(xué)模型框架
目前,中信重工在國內(nèi)首家引進(jìn)澳大利亞JKMRC公司的JK落重試驗(yàn)機(jī)(JK Drop Weight Tester)與碎磨流程模擬軟件JKSimMet,經(jīng)過幾年的吸收與消化,已充分理解半自磨機(jī)的工作原理與數(shù)學(xué)模型。2012年底,中信重工獨(dú)家買斷SMCC公司100%知識(shí)產(chǎn)權(quán)[6]。SMCC公司由Stephen Morrell博士于2000年成立,其發(fā)明的SMC Test算法已在全球礦業(yè)項(xiàng)目廣泛應(yīng)用,至今已完成了20 000余份SMC Test報(bào)告。該算法被業(yè)界認(rèn)為是現(xiàn)有礦石破碎試驗(yàn)方法中最為有效、最通用以及最節(jié)省成本的一種。將SMC試驗(yàn)參數(shù)輸入到相應(yīng)的破碎磨礦模擬軟件,可以為礦業(yè)項(xiàng)目的破碎流程設(shè)計(jì)、地質(zhì)冶金建模、破碎廠優(yōu)化、礦用磨機(jī)研究、破碎建模與模擬、工藝實(shí)驗(yàn)研究等發(fā)揮重大促進(jìn)作用。該公司至今已為百余家客戶提供磨機(jī)選型,近期,已經(jīng)對(duì)幾家選廠提供碎磨系統(tǒng)的優(yōu)化服務(wù)。
綜合上述對(duì)國內(nèi)銅爐渣碎磨工藝特點(diǎn)、流程優(yōu)化的分析,可以得出以下銅爐渣碎磨工藝的展望:1)目前,國內(nèi)銅渣礦的處理量逐年增加,因?yàn)殂~渣礦具有獨(dú)特的礦石性質(zhì),應(yīng)該盡快建立銅渣礦礦石性質(zhì)與工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫;不但為碎磨系統(tǒng),也為選別工藝等實(shí)踐提供指導(dǎo)依據(jù);2)國內(nèi)銅渣礦碎磨系統(tǒng)具有巨大的優(yōu)化潛能,對(duì)選廠提產(chǎn)降耗有著可觀的經(jīng)濟(jì)效益,這也與綠色節(jié)能環(huán)保型礦山的發(fā)展方向相一致; 3)促使理論與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合,加強(qiáng)對(duì)半自磨為主的碎磨系統(tǒng)的研究,將促進(jìn)國內(nèi)碎磨工藝的發(fā)展和進(jìn)步。
[1] 陳名潔.國內(nèi)銅爐渣選礦現(xiàn)狀及工藝流程設(shè)計(jì)探討[J].有色冶金節(jié)能,2013(2):46~49.
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[3] 王少青.銅爐渣選礦工藝流程設(shè)計(jì)探討[J].有色礦山,1998 (6):20~23.
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[6] 佚名.中信重工SMCC將引領(lǐng)選礦工藝技術(shù)[N].科技日?qǐng)?bào), 2013-7-26(6).
Discussion on Comminution Process of Smelting Copper Slag and its System Optimization
ZHANG Meng1,2,3,JI Jiangang1,2,SUN Chunbao3,ZU Dalei1,2,ZHAO Wei1,2
(1.State Key Laboratory of Heavy Mining Equipment,Luoyang,Henan 471039,China;2.Luoyang Minging Machinery Engineering Design Institute Co.Ltd.,Luoyang,Henan 471039,China;3.University of Science&Technology Beijing,Beijing 100089,China)
Domestic copper furnace slag comminution process has been developed from traditional comminution process to SAG-based comminution process,but there has some problems in domestic SAG comminution process,such as large mill specification,high power consumption,unmatched SAG mill and ball mill;the paper speculates the causes by analyzing ore characteristic of copper furnace slag,it concludes that domestic copper furnace slag SAG process has large optimization potential.
copper furnace slag;SAB comminution process;SAG flow;optimization of comminution system
TD92
B
1004-4345(2014)06-0009-04
2014-07-22
張萌(1977—),男,工程師,主要從事碎磨流程設(shè)計(jì)與優(yōu)化,碎磨設(shè)備設(shè)計(jì)工作等。