徐今冬， 余超， 陳曉鋒， 吳彩斌*， 張忠祥

（1. 江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000； 2. 景德鎮(zhèn)百特威爾新材料有限公司，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

目前，選礦領(lǐng)域中常用的磨礦介質(zhì)主要有兩類：一是早期使用的礫石、頑石等研磨介質(zhì)，其作為臥式球磨機(jī)的磨礦介質(zhì)時(shí)，存在介質(zhì) “攜帶”與“回流”現(xiàn)象[1-3]，因此礫石或頑石的應(yīng)用存在較大的局限性，現(xiàn)在很少使用；二是以鋼球?yàn)榇淼匿摻橘|(zhì)。鋼球磨礦的基礎(chǔ)理論研究（如鋼球在磨機(jī)內(nèi)徑向分布規(guī)律[4-6]、最佳脫落角[7-8]，以及磨損規(guī)律[9-11]等）和工業(yè)應(yīng)用研究[12]（如在生產(chǎn)中調(diào)節(jié)鋼球配比改善磨礦效果[13-16]）都非常成熟，但鋼球磨礦一直存在礦物過磨和耗能較高的現(xiàn)象[17-18]。因此，尋找一種既能節(jié)能降耗，又能減少礦物過磨的新型磨礦介質(zhì)，一直是磨礦工作研究的重點(diǎn)。

陶瓷球是近年才使用的新的磨礦介質(zhì)，最初僅作為立磨機(jī)的再磨介質(zhì)，最近又將其用于臥式磨機(jī)的細(xì)磨介質(zhì)。在立磨機(jī)中，吳志強(qiáng)等[19]以陶瓷球?yàn)槟サV介質(zhì)時(shí)，對(duì)磨礦速率與磨礦產(chǎn)品粒度特征以及磨礦過程的能耗進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)陶瓷球的磨細(xì)能力較其他磨礦介質(zhì)更強(qiáng)。廖寧寧等[20]在對(duì)磨礦產(chǎn)品進(jìn)行機(jī)理研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，陶瓷球磨礦產(chǎn)品表面光滑，絮凝物較鋼球減少。寧江峰等[21]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)陶瓷球磨礦產(chǎn)品具有更大的扁平率和伸長(zhǎng)率，更小的圓度和相對(duì)寬度，在后續(xù)的浮選過程中，可以使藥劑與氣泡更好地吸附在礦物表面，提高礦物可浮性。在臥式球磨機(jī)中，F(xiàn)ANG 等[22]在工業(yè)應(yīng)用中證實(shí)了陶瓷球磨礦產(chǎn)品的粒度分布改善明顯，不僅降低了平均粒徑，減少了鎢的過粉碎現(xiàn)象，同時(shí)還使球耗降低了60%，達(dá)到了節(jié)能降耗的效果。

目前，雖然陶瓷球的研究有一定深入，但在黑色金屬礦的磨礦作業(yè)中還暫未有學(xué)者進(jìn)行過系統(tǒng)的研究，并且如今鐵礦石作為戰(zhàn)略基礎(chǔ)資源[23-24]，為系統(tǒng)探明陶瓷球在黑色金屬礦中的細(xì)磨性能，本文分別進(jìn)行了入磨粒度、球徑、充填率、磨礦濃度實(shí)驗(yàn)[25]，全面了解磨礦介質(zhì)對(duì)磨礦產(chǎn)品粒度組成的影響，并通過響應(yīng)曲面法分析球徑、充填率、磨礦濃度3 因素及其交互作用來(lái)研究對(duì)磨礦產(chǎn)品細(xì)度的顯著性影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

所用磁鐵礦來(lái)自石家莊靈壽縣森耀礦廠，莫氏硬度為5.5～60，通過化學(xué)多元素分析化驗(yàn)和XRD（見圖1）對(duì)礦物進(jìn)行分析，磁鐵礦純度為98.45%。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將磁鐵礦破碎篩分制備成3 種粒級(jí)，分別為0.038～＜0.074 mm、0.074～＜0.15 mm、0.15～＜0.3 mm。

圖1 磁鐵礦X射線衍射分析Fig.1 X-ray diffraction analysis of magnetite

1.2 磨礦介質(zhì)

分別采用單一球徑的鋼球和陶瓷球作為磨礦介質(zhì)，鋼球由鋼諾新材料有限公司生產(chǎn)，堆容重為4.85 g/cm3；陶瓷球由景德鎮(zhèn)百特威爾新材料有限公司生產(chǎn)，堆容重為2.2 g/cm3。鋼球與陶瓷球的球徑均為20、22、24、25、26、28、30 mm。

以30%充填率、20 mm 球徑的鋼球與陶瓷球?yàn)槔?，磨礦介質(zhì)物理性能如表1所列。

表1 鋼球與陶瓷球的物理性能Table 1 Material performance of steel ball and ceramic ball

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在由武漢探礦生產(chǎn)的XMB-Ф200×240 球磨機(jī)中進(jìn)行單因素磨礦實(shí)驗(yàn)，分別改變?nèi)肽チ６?、球徑、充填率、磨礦濃度，研究?jī)煞N介質(zhì)下不同磨礦條件對(duì)磨礦產(chǎn)品粒度組成的影響。

將500 g 磁鐵礦樣品加入球磨機(jī)內(nèi)，在98 r/min的轉(zhuǎn)速下研磨180 s，將磨礦后的礦物按照不同粒級(jí)進(jìn)行逐次篩分，篩網(wǎng)尺寸見表2，將篩分后的產(chǎn)品進(jìn)行烘干、稱重。

表2 礦物分離尺寸Table 2 Separation size of mine sample

為了對(duì)比鋼球與陶瓷球分別作為磨礦介質(zhì)時(shí)對(duì)磁鐵礦的磨礦效果，選擇磨礦技術(shù)效率、磨礦單位能耗、磨礦噪音等參數(shù)進(jìn)行比較。

磨礦技術(shù)效率（E）的表達(dá)式如下：

式（1）中：γ為磨礦產(chǎn)品中＜0.074 mm 粒級(jí)的含量數(shù)值，單位%；γ1為給礦中＜0.074 mm 粒級(jí)的含量數(shù)值，單位%；γ2為給礦中＜0.023 mm 粒級(jí)的含量數(shù)值，單位%；γ3為磨礦產(chǎn)品中＜0.023 mm 粒級(jí)的含量數(shù)值，單位%。

能耗測(cè)試是通過電腦連接功率表，對(duì)球磨機(jī)空載以及負(fù)載時(shí)所消耗的功率進(jìn)行測(cè)定（如圖2 所示）[26]。磨礦所需的比能量主要由磨礦時(shí)間、磨礦樣品質(zhì)量、磨礦的平均有用功率決定，其表達(dá)式如下：

圖2 球磨機(jī)能耗記錄設(shè)備Fig.2 Ball mill energy consumption measurement and recording equipment

式（2）中：Ecs為磨礦的比能量數(shù)值，單位kWh/t；m為磨礦樣品質(zhì)量數(shù)值，單位g；t為磨礦時(shí)間數(shù)值，單位min；106為磨礦樣品質(zhì)量從g 到t 的轉(zhuǎn)換系數(shù)；3 600 為磨礦時(shí)間從s 到h 的轉(zhuǎn)換系數(shù)；P為磨礦的平均有用功率數(shù)值，單位kW，其表達(dá)式如式（3）：

式（3）中：P1為負(fù)載的有用功率平均值，單位kW；P0為空載的有用功率平均值，單位kW。

噪音測(cè)試采用AS-K8 系列數(shù)字式噪音計(jì)對(duì)磨礦過程產(chǎn)生的噪音進(jìn)行記錄，見圖2。

2 結(jié)果與討論

2.1 入磨粒度對(duì)磨礦指標(biāo)的影響

入磨粒度是影響礦物磨礦指標(biāo)的重要內(nèi)在因素之一，合適的入磨粒度有助于礦物達(dá)到更好的磨礦指標(biāo)[27]。3 種粒度磁鐵礦在鋼球與陶瓷球分別為磨礦介質(zhì)時(shí)的負(fù)累積粒度分布曲線見圖3。

圖3 采用不同介質(zhì)時(shí)3種粒級(jí)磁鐵礦篩的負(fù)累積曲線Fig.3 Negative cumulative curve chart of three types of granular magnetic ore sieve under different grinding ore media

由圖3 可知，在相同的磨礦介質(zhì)下，磁鐵礦磨礦產(chǎn)品P80（P80指磨礦產(chǎn)品80%能夠通過的粒度，mm）隨著入磨粒度的減小而減小，并且P80變化幅度也逐漸減小。如陶瓷球作磨礦介質(zhì)時(shí)，3種粒度磨礦產(chǎn)品P80分別為0.233、0.042、0.036 mm。

當(dāng)磨礦介質(zhì)球徑和充填率均相同時(shí)，鋼球破碎力明顯大于陶瓷球。對(duì)于入磨粒度為0.15～＜0.30 mm 磁鐵礦，鋼球介質(zhì)下γ＜0.074mm（γn：各產(chǎn)物中小于篩孔尺寸的含量，%）為43.47%，陶瓷球介質(zhì)下γ＜0.074mm為33.11%，比陶瓷球高10.36%。當(dāng)入磨粒度降至0.074～＜0.15 mm 時(shí)，陶瓷球研磨表面積大的優(yōu)勢(shì)完全顯現(xiàn)，其γ＜0.074mm達(dá)到98.48%，鋼球介質(zhì)下γ＜0.074mm為92.01%，比鋼球高6.37%；入磨粒度降至0.038～＜0.074 mm 時(shí)，鋼球介質(zhì)下γ＜0.074mm為78.11%，陶瓷球介質(zhì)下γ＜0.074mm為85.63%，比鋼球高7.52%。

2.2 球徑對(duì)磨礦指標(biāo)的影響

球徑?jīng)Q定了破碎力的大小，也決定礦物的過粉碎程度。在入磨粒度0.074～＜0.15 mm 和不同球徑（20、22、24、26、28、30 mm）下進(jìn)行磨礦實(shí)驗(yàn)，2 種介質(zhì)條件下的磨礦產(chǎn)品粒度組成見圖4。

圖4 不同球徑下磁鐵礦磨礦產(chǎn)品粒度組成分布：（a）鋼球；（b）陶瓷球Fig.4 Particle size distribution of magnetic mineral milling products under different ball diameters: (a) steel ball;(b) ceramic ball

由圖4 可知，無(wú)論是鋼球還是陶瓷球，磨礦產(chǎn)品粒度組成特性隨球徑的變化規(guī)律一致。磨礦條件相同時(shí)，球徑越大，介質(zhì)破碎力也隨之增強(qiáng)，磨礦產(chǎn)品中γ(0.074～＜0.15mm)逐漸減少，γ(0.023～＜0.074mm)逐漸增加，γ＜0.023mm則呈先增加后減少的變化趨勢(shì)。但是，陶瓷球?yàn)槟サV介質(zhì)時(shí)，γ(0.074～＜0.15mm)降低速度大于鋼球，如介質(zhì)球徑為20 mm 時(shí)，陶瓷球磨礦產(chǎn)品中γ(0.074～＜0.15mm)為8.97%，鋼球?yàn)?4.04%，相差5.07%。

另一方面，陶瓷球的過磨現(xiàn)象也得到緩解。當(dāng)采用相同球徑20 mm 時(shí)，陶瓷球磨礦產(chǎn)品中γ＜0.023mm為44.22%，鋼球?yàn)?8.33%，低4.11%。當(dāng)采用相同球徑30 mm 時(shí)，陶瓷球磨礦產(chǎn)品中γ＜0.023mm為48.43%，鋼球?yàn)?1.18%，低2.75%。陶瓷球的磨礦產(chǎn)品粒度分布顯著優(yōu)于鋼球。

綜合考慮3種粒徑產(chǎn)品含量，陶瓷球與鋼球的較優(yōu)球徑為30 mm，后續(xù)實(shí)驗(yàn)采用30 mm 球徑進(jìn)行磨礦實(shí)驗(yàn)。

2.3 介質(zhì)充填率對(duì)磨礦指標(biāo)的影響

介質(zhì)充填率的高低對(duì)磨礦產(chǎn)品粒度組成具有重要影響。在球徑30 mm、入磨粒度0.074～＜0.15 mm、充填率分別為30%、32%、34%、36%、38%、40%條件下進(jìn)行磨礦實(shí)驗(yàn)，2種介質(zhì)下磨礦產(chǎn)品粒度組成見圖5。

圖5 不同充填率下磁鐵礦磨礦產(chǎn)品粒度組成分布圖：（a）鋼球；（b）陶瓷球Fig.5 Particle size distribution of the magnetic mineral milling products under different filling ratios：（a） steel ball；（ b） ceramic ball

由圖5 可知，隨著充填率增加，陶瓷球磨礦產(chǎn)品粒度組成特性與鋼球呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律。當(dāng)充填率從30% 增加至40% 時(shí)，陶瓷球磨礦產(chǎn)品中γ（0.074～＜0.15mm）含量從13.02%降低至1.22%，而鋼球磨礦產(chǎn)品卻是從7.41%升高至14.97%。這與2 種磨礦介質(zhì)比重密切相關(guān)。鋼球比重較大，充填率提高會(huì)使得磨機(jī)內(nèi)部的磨礦介質(zhì)增加，磨機(jī)內(nèi)鋼球較多時(shí)靠近磨機(jī)中心位置的鋼球只能發(fā)生蠕動(dòng)，使得鋼球與礦物的有效碰撞和破碎概率降低。陶瓷球比重小于鋼球，在磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，磨機(jī)內(nèi)的陶瓷球均隨著磨機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，充填率提高增大了陶瓷球與磁鐵礦之間的接觸概率，并且單個(gè)陶瓷球的比表面積比鋼球大50.87 cm2/g（表1），有助于礦物磨細(xì)。

在相同充填率下，陶瓷球磨礦效果也顯著優(yōu)于鋼球。如充填率為34%時(shí)，陶瓷球和鋼球磨礦產(chǎn)品中γ(0.074～＜0.15mm)、γ(0.023～＜0.074mm)和γ＜0.023mm粒徑含量分別為6.40%、52.47%、41.13%和7.42%、46.28%、46.30%，陶瓷球與鋼球相比分別低1.02%、高6.19%和低5.17%。當(dāng)充填率為40% 時(shí)，陶瓷球和鋼球磨礦產(chǎn)品中γ(0.074～＜0.15mm)、γ(0.023～＜0.074mm)和γ＜0.023mm粒徑含量分別為1.22%、55.32%、43.46%和14.97%、41.06%、43.97%，陶瓷球與鋼球的相比分別低13.75%、高14.26%、低0.51%。對(duì)于陶瓷球，充填率達(dá)到40%時(shí)磨礦效果較好；對(duì)于鋼球，充填率為34%時(shí)磨礦效果較好。

2.4 磨礦濃度對(duì)磨礦指標(biāo)的影響

磨礦濃度影響礦漿環(huán)境的黏度、流動(dòng)性以及礦物顆粒在礦漿中的受力情況[28]，進(jìn)而影響磨礦細(xì)度。在球徑30 mm 和磨礦濃度65%、67%、69%、71%、73%、75%條件下對(duì)入磨粒度0.074～＜0.15 mm 進(jìn)行磨礦實(shí)驗(yàn)，2種介質(zhì)磨礦產(chǎn)品粒度組成見圖6。

圖6 不同磨礦濃度下磨礦產(chǎn)品粒度組成分布：（a） 鋼球；（b） 陶瓷球Fig.6 Particle size distribution of the magnetic mineral milling products under different grinding ore concentrations：（a） steel ball； （b） ceramic ball

從圖6可以看到，磨礦濃度對(duì)不同介質(zhì)的影響效果也是不同的。隨著磨礦濃度的增加，鋼球磨礦產(chǎn)品中γ(0.074～＜0.15mm)是逐漸增加的，γ(0.023～＜0.074mm)呈現(xiàn)先上升后下降的，γ＜0.023mm是先下降后上升的。而陶瓷球介質(zhì)下γ(0.074～＜0.15mm)則幾乎不隨磨礦濃度的變化而變化，γ(0.023～＜0.074mm)與γ＜0.023mm的變化規(guī)律卻是一致的。

當(dāng)磨礦濃度相同時(shí)，陶瓷球磨礦產(chǎn)品中γ(0.023～＜0.074mm)比鋼球顯著增多，γ＜0.023mm比鋼球顯著減少。當(dāng)磨礦濃度為65%時(shí)，陶瓷球和鋼球磨礦產(chǎn)品中γ(0.023～＜0.074mm)粒徑含量分別為54.91%、24.47%，陶瓷球比鋼球增加30.44%；γ＜0.023mm粒徑含量分別為38.13%、69.04%，陶瓷球比鋼球下降30.91%。陶瓷球可減輕過磨現(xiàn)象再次得到證實(shí)。

由圖6 可見，陶瓷球?qū)δサV濃度比鋼球影響更大，且陶瓷球與鋼球磨礦均存在最佳磨礦濃度點(diǎn)，陶瓷球?yàn)?9%，鋼球?yàn)?1%。此時(shí)陶瓷球和鋼球磨礦產(chǎn)品中γ(0.074～＜0.15mm)、γ(0.023～＜0.074mm)和γ＜0.023mm粒徑含量分別為6.71%、69.35%、23.94% 和9.03%、34.54% 和56.43%，陶瓷球與鋼球最佳值相比，γ(0.074～＜0.15mm)與γ＜0.023mm分別下降2.32%和32.49%。

2.5 最佳磨礦條件對(duì)比

在鋼球球徑30 mm、充填率34%、磨礦濃度71%，陶瓷球球徑30 mm、充填率40%、磨礦濃度69%條件下，分別對(duì)入磨粒度0.074～＜0.15 mm 進(jìn)行磨礦180 s，記錄磨礦過程產(chǎn)生的能耗和噪音值。2個(gè)介質(zhì)下磨礦產(chǎn)品粒度組成負(fù)累積曲線如圖7所示，磨礦技術(shù)效率（E）、運(yùn)行比能耗(Ecs)和磨礦噪聲值(S)對(duì)比見表3。

表3 不同介質(zhì)磨礦下磨礦能耗、磨礦噪聲和磨礦技術(shù)效率對(duì)比Table 3 Efficiency comparison of milling energy consumption， grinding noise and grinding technology under different grinding media

圖7 最佳磨礦條件下陶瓷球與鋼球磨礦產(chǎn)品粒度分布Fig.7 Particle size distribution of ceramic and steel ball milling products under the best grinding conditions

由圖7 可知，在最佳磨礦條件下，陶瓷球的磨細(xì)能力優(yōu)于鋼球，陶瓷球磨礦產(chǎn)品中P80為0.052 mm，γ＜0.074mm為93.66%；而鋼球的P80為0.060 mm，γ＜0.074mm為87.70%。陶瓷球磨礦產(chǎn)品中γ＜0.023mm為35.82%，鋼球磨礦產(chǎn)品中γ＜0.023mm為41.84%，比鋼球低6.02%。

由表3 可見，與鋼球相比，陶瓷球磨礦過程比能耗下降35.82%，噪聲降低21.85%，磨礦技術(shù)效率增加26.12%。這說明陶瓷球還具有節(jié)能降耗和降低噪音的優(yōu)點(diǎn)。

2.6 磨礦因素顯著性的影響

為了探究球徑、充填率及磨礦濃度以及三者交互作用對(duì)磨礦細(xì)度γ＜0.074mm的影響顯著性，采用響應(yīng)曲面法對(duì)磨礦效果進(jìn)行分析，其中，球徑、充填率及磨礦濃度的最大值與最小值分別為：25、35 mm；35%、45%；65%、70%。 響應(yīng)曲面圖及等高線見圖8。

由圖8可見，γ＜0.074mm的響應(yīng)曲面與等高線的形狀能夠反映因素變量對(duì)響應(yīng)值的影響和因素之間交互作用的顯著性，即曲面越陡，因素的影響越顯著；等高線形狀為橢圓形或曲面曲率越大時(shí)，因素之間的交互作用越明顯[29-31]。由圖8（b）、圖8（d）和圖8（f）可知，球徑與充填率交互作用對(duì)磨礦細(xì)度γ＜0.074mm的影響最為顯著，其次是充填率與磨礦濃度的交互作用，其中球徑與磨礦濃度的交互作用對(duì)磨礦細(xì)度γ＜0.074mm的影響不顯著。由圖8（a）與8（c）可見，球徑對(duì)應(yīng)的曲面相對(duì)較陡，說明球徑對(duì)γ＜0.074mm的影響比充填率、磨礦濃度顯著。由圖8（c）可見，充填率對(duì)應(yīng)的曲面相對(duì)較陡，說明充填率對(duì)γ＜0.074mm的影響較磨礦濃度顯著[32]。因此，球徑，充填率以及磨礦濃度對(duì)磨礦細(xì)度的影響顯著性大小順序?yàn)椋呵驈剑境涮盥剩灸サV濃度；3種因素之間的交互作用對(duì)磨礦細(xì)度的影響顯著性大小順序?yàn)椋呵驈脚c充填率交互作用＞充填率與磨礦濃度交互作用＞球徑與磨礦濃度交互作用。

3 結(jié) 論

1）入磨粒度、球徑、充填率以及磨礦濃度等因素變化，均會(huì)影響礦物磨礦產(chǎn)品粒度組成特性。當(dāng)入磨磁鐵礦粒度小于0.15 mm時(shí)，陶瓷球的磨礦效果顯著優(yōu)于鋼球。

2）與鋼球相比，陶瓷球的最佳磨礦條件為球徑30 mm、充填率40%、磨礦濃度69%，此時(shí)陶瓷球磨礦產(chǎn)品中P80為0.052 mm，γ＜0.074mm為93.66%。

3）陶瓷球磨礦時(shí)，具有節(jié)能、降耗、降噪、減輕過磨等優(yōu)異性能。與鋼球相比，γ＜0.023mm下降32.49%，能耗下降35.82%，噪聲降低21.85%，磨礦技術(shù)效率增加26.12%。

4）陶瓷球?yàn)槟サV介質(zhì)時(shí)，球徑對(duì)磁鐵礦磨礦產(chǎn)品γ＜0.074mm的影響達(dá)到高度顯著性，其次是充填率與磨礦濃度；交互作用對(duì)磁鐵礦磨礦細(xì)度的影響顯著性大小順序?yàn)椋呵驈脚c充填率＞充填率與磨礦濃度＞球徑與磨礦濃度。