王 彬，任 頔，杜 成，周 強(qiáng)，肖慶飛，王慶凱

（1. 銅陵有色金神耐磨材料有限責(zé)任公司，安徽 銅陵 244000；2. 中國黃金集團(tuán)內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾， 024100；3. 中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長沙 410000；4. 昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；5.礦冶過程自動(dòng)控制技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京， 100083；6.礦冶過程自動(dòng)控制技術(shù)北京重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京， 100083）

1 引言

中國是世界鋼鐵產(chǎn)量第一大國，同時(shí)也是世界主要的鋼鐵資源消費(fèi)大國，每年鐵礦石進(jìn)口量高達(dá)全球70%。因此，有效利用鐵礦石資源對中國特別重要。磨礦作業(yè)對后續(xù)選浮過程十分重要，直接關(guān)系后面選浮作業(yè)效率和礦物浸出率，磨礦作業(yè)是將研磨介質(zhì)與礦石相混合，礦石有用的礦物元素與脈石礦物在研磨介質(zhì)的沖擊及剝磨下相互分開［1］。在磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，有很多因素會(huì)影響磨礦產(chǎn)品粒度分布，如礦漿質(zhì)量濃度、襯板大小及形狀、磨機(jī)轉(zhuǎn)速、介質(zhì)充填率、介質(zhì)配比等。研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品粒度分布、礦物解離度與磨礦介質(zhì)配比直接相關(guān)，精確的磨礦介質(zhì)配比不僅有利于改善產(chǎn)品粒度分布和礦物解離度，也能為后續(xù)的浮選階段提供精礦品位［1-3］。磨礦介質(zhì)精確配比可以通過礦石力學(xué)性質(zhì)、原礦粒度特性和段式球徑半理論公式確定［4-6］。

山西某鐵礦廠磨礦流程為：Φ10.37×5.49 m半自磨+Φ660 mm水力旋流器+Φ7.32×12.5 m一段球磨+Φ350 mm水力旋流器+Φ7.32×11.38 m再磨，工藝流程圖如圖1所示?；谝欢?Φ7.32×12.5 m球磨+Φ350 mm水力旋流器溢流，-0.074 mm含量為88.5%，其中-0.020 mm占了45%，過粉碎級(jí)別偏多；溢流中-0.020 mm金屬分布率比其產(chǎn)量高5%，磨礦產(chǎn)品粒度組成嚴(yán)重影響到后續(xù)精礦品位選別及回收率。此外，分級(jí)機(jī)效率嚴(yán)重偏低，水力旋流器質(zhì)效率僅30%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到50%的平均水平，更達(dá)不到58%的較高水平。返砂比高達(dá)655%，這也是影響分級(jí)效率的重要因素，循環(huán)負(fù)荷偏大。針對上述問題，對一段磨礦介質(zhì)進(jìn)行重新配比，并對比各個(gè)方案的指標(biāo)，選取最優(yōu)介質(zhì)方案。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)礦物原料取自山西某鐵礦廠，在現(xiàn)場選取數(shù)塊(樣品均取自山西某鐵礦廠井下實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的礦石)具有代表性的礦石進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)的測定，根據(jù)現(xiàn)場磨礦工藝流程共取200 kg磨礦樣品，對樣品分別篩分，確定磨機(jī)給礦粒度分布及組成比例，用作對比磨礦試驗(yàn)的礦料。

2.2 磨礦方案確定

采用段式球徑半理論公式來精確計(jì)算鋼球尺寸［7］：

式中，Db為一定磨礦條件下球磨機(jī)給礦粒度d所需的精確球徑，cm；Kc為經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)；Ψ為磨機(jī)轉(zhuǎn)速率，%；σ壓為礦石單軸抗壓強(qiáng)度，kg/cm2；ρe為鋼球在礦漿中的有效密度，g/cm3；D0為球磨機(jī)內(nèi)鋼球“中間縮聚層”直徑，cm；df為磨機(jī)給礦95%過篩粒度Db， =cKmc

2.3 磨礦實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)在Φ450×450 mm的實(shí)驗(yàn)室小型球磨機(jī)中進(jìn)行，磨機(jī)轉(zhuǎn)速率75%、介質(zhì)（鋼球+礦石）充填率38%，與某鐵礦廠生產(chǎn)現(xiàn)場的轉(zhuǎn)速率和充填率保持一致，球磨機(jī)內(nèi)充填鋼球研磨介質(zhì)68 kg，從旋流器沉砂中取出待磨礦石，其中每份礦石試樣10 kg，球磨機(jī)中磨礦濃度75%，球磨機(jī)內(nèi)磨礦時(shí)間為50 min，保證-0.074 mm產(chǎn)品細(xì)度范圍在88%～89%左右（與現(xiàn)場細(xì)度相當(dāng)）。在上述相同的磨礦條件下，分別對不同配比磨礦介質(zhì)進(jìn)行磨礦試驗(yàn)，然后對不同介質(zhì)配別的磨礦產(chǎn)品進(jìn)行取樣、篩析及水析，記錄不同粒級(jí)產(chǎn)率，對比各項(xiàng)指標(biāo)確定最佳磨礦介質(zhì)配比方案。

圖1 工藝流程圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 礦石力學(xué)性質(zhì)分析

對選取的礦石樣品進(jìn)行編號(hào)，然后進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)測定，每塊礦石的密度、單軸抗壓強(qiáng)度、靜彈性模量、泊松比及其均值結(jié)果見表1。

表1 力學(xué)性質(zhì)測定結(jié)果

由表1可知：（1）礦石最大密度為3.60 g/cm3，最小密度為2.90 g/cm3，平均密度為3.33 g/cm3，然而礦石密度較大，易沉積在水力旋流器中不易排出進(jìn)而產(chǎn)生過磨。（2）礦石普氏硬度系數(shù)最大為29.7（普氏硬度系數(shù)等于單軸抗壓強(qiáng)度的十分之一，系數(shù)越大硬度越高），最小為5.8，軟硬分布不均勻，平均硬度系數(shù)17.4，整體屬于特硬礦塊。（3）靜彈性模量最大為7.52，最小為2.81，平均4.75，礦石脆性較大。（4）礦石最大泊松比0.38，最小0.18，平均泊松比0.26，礦石總體韌性較大。在磨礦過程中既要考慮礦石容重大易過磨，也要考慮礦塊硬度大韌性高較難磨，同時(shí)還要兼顧脆性礦石的存在。因此，確定鋼球配比時(shí)，要綜合考慮全面，礦石既要磨到一定細(xì)度，又要避免過粉碎。

3.2 粒度特性

對一段分級(jí)旋流器沉砂和一段球磨機(jī)排礦粒度分別進(jìn)行篩分分析，其給礦粒度特性曲線如圖2所示。

圖2 球磨機(jī)給礦粒度特性曲線

從圖2可以看出：（1）一段球磨給礦中需要磨碎的粗級(jí)別物料+0.10 mm為67.50%，而排礦中+0.10 mm以上的為62.20%，經(jīng)過磨礦減少了5.30%，故球磨機(jī)磨碎+0.10 mm粗粒級(jí)效率為E+0.10=(5.30/69.50)×100=7.63%?？梢姡欢吻蚰ツニ榇旨?jí)別的效率偏低，這也與粒度愈細(xì)愈難磨有關(guān)［6］；（2）旋流器沉砂中-0.074 mm占比為25.80%，球磨機(jī)排礦中-0.074 mm占比為32.80%，經(jīng)過球磨機(jī)磨碎后新生成的-0.074 mm礦物粒度僅提高7.0%，磨碎效率偏低；（3）旋流器沉砂中-0.037 mm礦物粒度占比8.6%，球磨機(jī)排礦中-0.037 mm產(chǎn)量17.5%，礦物中一次性新生成的-0.037 mm粒度為8.9%，新生成的-0.037 mm粒度礦物偏低。綜上所述，磨礦產(chǎn)品粒度特性差，原因在于磨礦介質(zhì)比例分布不均，磨礦介質(zhì)攜帶的能量未能有效傳遞到礦物上，進(jìn)而使得磨礦產(chǎn)品粒級(jí)分布差。

針對上述問題，本文通過研究礦石力學(xué)性質(zhì)及球磨機(jī)給礦粒度特性，對山西某鐵礦廠一段球磨機(jī)介質(zhì)配比進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而優(yōu)化產(chǎn)品粒度分布，為后續(xù)的浮選工藝創(chuàng)造有利指標(biāo)。

3.3 磨礦試驗(yàn)方案

根據(jù)礦石力學(xué)性質(zhì)，本研究采用段式球徑半理論公式及一段球磨機(jī)全給礦來確定球磨磨碎8 mm給礦所需的精確球徑［7-11］。根據(jù)公式(1)，df=8 mm；Kc=1.28；由δt=3.36及磨礦濃度R=75%，求得ρn=2.11，ρe=5.69； 按公式計(jì)算得Do=6.35；考慮礦石高硬度高韌性以及力學(xué)性質(zhì)極不均勻，按抗壓強(qiáng)度及修正系數(shù)計(jì)算，可求得Db=58.9 mm，取60 mm作為最終確定的最大球徑。推薦方案配比見表2，試驗(yàn)方案見表3。

表2 推薦方案配比確定

表3 一段球磨機(jī)鋼球初介質(zhì)配比方案

3.4 磨礦對比試驗(yàn)

為了能夠直觀地看出各個(gè)球級(jí)配比方案的磨礦效果，現(xiàn)通過以下指標(biāo)對比分析。表征如下：①+0.1 mm粗粒含量判斷各方案對粗顆粒礦物的破碎能力；②-0.10+0.020 mm、-0.074+0.020 mm產(chǎn)率分別判明中間可選級(jí)別的生成情況以及中間易選級(jí)別的生成情況，進(jìn)而判斷磨礦方案對中間粒級(jí)的保護(hù)作用；-0.074mm產(chǎn)率判明各方案的細(xì)磨能力；③-0.020 mm產(chǎn)率判明各方案過粉碎情況，用這些指標(biāo)來評(píng)判各初裝方案的優(yōu)劣。④在技術(shù)層面上，磨礦技術(shù)效率E技可以用于評(píng)價(jià)不同配比研磨介質(zhì)磨礦效果的好壞。這是因?yàn)槟サV效果與E技成正比，E技越高磨礦效果越好，反之磨礦效果較差［9-12］。

3.4.1磨礦效果比較

磨礦產(chǎn)品通過篩分、水析獲得產(chǎn)品中粗粒級(jí)、可選級(jí)、易選級(jí)、過粉碎級(jí)的級(jí)別產(chǎn)率，結(jié)果見圖3。

圖3 磨礦產(chǎn)品粒度分布

由圖3可知：(1)推薦方案、現(xiàn)場方案、偏大方案、偏小方案(+0.1 mm)粗粒級(jí)產(chǎn)率分別為10.9%、25.43%、19.32%、11.42%，現(xiàn)場方案以及偏大方案粗粒級(jí)產(chǎn)率較高，而推薦方案產(chǎn)率較低，這是由于現(xiàn)場方案以及偏大方案配比中鋼球尺寸較大且鋼球個(gè)數(shù)較少，鋼球與礦石接觸面積以及碰撞次數(shù)較少，進(jìn)而無法有效破碎粗粒級(jí)產(chǎn)品，磨礦能力差［13］。因此，推薦方案磨粗礦石的效果較偏小方案好。(2)推薦方案、現(xiàn)場方案、偏大方案、偏小方案(-0.1+0.02 mm)中間可選級(jí)別產(chǎn)率為68.47%、46.21%、48.15%、48.42%，其中(-0.074+0.020 mm)中間易選級(jí)別產(chǎn)率分別為55.08%、39.36%、41.32%、42.59%。無論是中間可選級(jí)別以及中間易選級(jí)別產(chǎn)率，推薦方案均高于其它方案。(3)推薦方案、現(xiàn)場方案、偏大方案、偏小方案(-0.020 mm)過粉碎率分別為20.63%、28.38%、32.53%、40.16%，其中推薦方案較現(xiàn)場方案、偏大方案低7.75%、11.9%，19.53%。推薦方案在剝磨細(xì)礦石過程中同時(shí)能夠控制礦石過粉碎性效果，較偏小方案好。

3.4.2 磨礦技術(shù)效率對比分析

磨礦技術(shù)效率E技是評(píng)價(jià)磨礦質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，磨礦技術(shù)效率與產(chǎn)品粒度組成相關(guān)［14-17］，其具體關(guān)系見公式（2）。

式中：γ1為球磨機(jī)給礦中礦石粒級(jí)小于粗粒級(jí)（-0.1 mm粒級(jí)）含量；γ2為球磨機(jī)給礦中礦石粒級(jí)小于過粉碎粒級(jí)（-0.020 mm粒級(jí)）含量；γ為球磨機(jī)排礦中礦石粒級(jí)小于粗粒級(jí)（-0.1 mm粒級(jí)）含量；γ3為磨機(jī)排礦中礦石粒級(jí)小于過粉碎粒級(jí)（-0.020 mm粒級(jí)）含量。不同配比方案磨礦技術(shù)效率如圖4所示。

圖4 各方案磨礦技術(shù)效率對比

從圖4中可以看出，推薦方案、現(xiàn)場方案、偏大方案、偏小方案磨礦技術(shù)效率分別為67.92%、38.89%、43.27%、46.62%，推薦方案較現(xiàn)場方案、偏大方案以及偏小方案分別高29.03%、24.65%、21.30%?，F(xiàn)場方案以及偏大方案磨礦技術(shù)效率較低，這可能是由于兩種方案中平均球徑較大，鋼球沖擊礦石能量較大，但鋼球個(gè)數(shù)較少，因此鋼球與礦石接觸次數(shù)較少，所以磨礦介質(zhì)對大顆粒礦物無法有效破碎。由此可見，精確的球徑配比能夠科學(xué)地減少磨礦產(chǎn)品中粗粒級(jí)含量，提高合格粒級(jí)的比例［18］。在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷提高磨礦技術(shù)效率，有利于磨礦過程中磨礦效果的提升，為后續(xù)浮選工藝指標(biāo)的持續(xù)優(yōu)化創(chuàng)造有利條件。

4 結(jié)論

（1）通過對現(xiàn)場礦石分析，結(jié)果表明；礦石密度為2.90～3.60g/cm3，密度較大，易產(chǎn)生過磨；普氏硬度系數(shù)5.8～29.7，軟硬不均勻，平均硬度17.4，整體屬于特硬礦塊；彈性模量（2.81～7.52）×104MPa礦石脆性很大，泊松比0.18～0.38，總體表現(xiàn)為韌性較大；礦石性質(zhì)分布不均勻，既具有高韌性難磨礦石，又具有部分脆性易磨礦石。

（2）通過研究原礦塊力學(xué)性質(zhì)及球磨機(jī)給礦粒度組成，結(jié)合段式半理論公式，計(jì)算出球磨機(jī)研磨介質(zhì)配比m(Φ60):m(Φ50):m(Φ40):m(Φ30)=15:20:25:40。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，推薦方案較現(xiàn)場方案相比，(+0.1 mm)粗粒級(jí)產(chǎn)率降低14.53%，推薦方案在磨粗礦石效果較好，(-0.1+0.02 mm)中間可選級(jí)別產(chǎn)率提高22.26%，其中(-0.074+0.020 mm)中間易選級(jí)別產(chǎn)率提高15.72%，(-0.020 mm)過粉碎率降低7.75%，磨礦技術(shù)效率提高29.03%，推薦方案在磨細(xì)礦石的過程中同時(shí)對控制礦石過粉碎的兼顧性效果較現(xiàn)場方案好。