肖慶飛，康懷斌，肖 琿，詹信順，吳啟明，洪建華，張紅華（1. 省部共建復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國家重點實驗室，云南 昆明 65009；2. 昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 65009；. 銅陵有色金屬集團(tuán) 冬瓜山銅礦，安徽 銅陵 201；. 江西銅業(yè)集團(tuán)公司，江西 南昌 0096）

?

碎磨技術(shù)的研究進(jìn)展及其應(yīng)用*

肖慶飛1,2，康懷斌3，肖 琿4，詹信順4，吳啟明4，洪建華4，張紅華4
（1. 省部共建復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國家重點實驗室，云南 昆明 650093；2. 昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；3. 銅陵有色金屬集團(tuán) 冬瓜山銅礦，安徽 銅陵 244031；4. 江西銅業(yè)集團(tuán)公司，江西 南昌 330096）

摘 要：介紹了傳統(tǒng)碎礦磨礦設(shè)備的改進(jìn)升級及高效磨碎設(shè)備的最新進(jìn)展，如高壓輥磨機、旋盤式破碎機、立磨機和艾薩磨機的應(yīng)用。然后立足于中礦選擇性分級再磨，對能簡化碎磨工藝的“半自磨+立磨”和“破碎+棒磨+球磨”兩種具有代表性的流程作了分析。最后從最佳入磨粒度，磨礦介質(zhì)的尺寸、級配、形狀、材質(zhì)、充填率、助磨劑及磨礦產(chǎn)品中間易選粒級含量和回收率的多元線性回歸模型等方面闡述了碎磨工藝參數(shù)方面取得的系統(tǒng)化的研究進(jìn)展及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：碎礦；磨礦；設(shè)備；工藝流程；工藝參數(shù)

1 引言

隨著選礦工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，碎磨技術(shù)領(lǐng)域取得了顯著的成就，就碎磨設(shè)備而言，將計算機技術(shù)、先進(jìn)的材料、機械加工技術(shù)應(yīng)用于設(shè)備研制和優(yōu)化，研發(fā)出了一批高效率、低能耗、易于自動控制的碎磨設(shè)備。在碎磨工藝方面，繼續(xù)貫徹實施“多碎少磨”的原則，使選礦廠最終破碎產(chǎn)品的粒度不斷減小，半自磨（自磨）技術(shù)得到廣泛應(yīng)用減少了基建成本和管理成本、減輕了粉塵、噪音污染、簡化了碎磨工藝流程。通過碎磨工藝參數(shù)的優(yōu)化在實現(xiàn)有用礦物高效選別的同時，有效降低電耗、鋼耗，一直是碎磨技術(shù)研究的重點之一。本文基于碎磨領(lǐng)域的最新進(jìn)展，著重從碎磨設(shè)備、工藝流程及工藝參數(shù)三個方面介紹碎磨技術(shù)的研究進(jìn)展及其應(yīng)用。

2 碎礦磨礦設(shè)備

2.1碎礦設(shè)備

碎磨設(shè)備以實現(xiàn)規(guī)模效益、易于自動控制管理的高效率、低能耗、大型化、重型化為主要發(fā)展方向。主要依靠兩種途徑，一種途徑是利用新材料或新的加工工藝、引入電子控制技術(shù)、傳感技術(shù)、信息技術(shù)等對原有設(shè)備進(jìn)行升級改進(jìn)，從而實現(xiàn)設(shè)備的大型化、高效率，低能耗；另一種途徑是突破傳統(tǒng)碎磨設(shè)備（顎式破碎機、圓錐破碎機、 反擊式破碎機等）而研發(fā)的具有更高粉碎效率的新型設(shè)備，如高壓輥磨機、旋轉(zhuǎn)式破碎機、水沖式圓錐破碎機、慣性圓錐破碎機等，其中以高壓輥磨機、旋轉(zhuǎn)式破碎機應(yīng)用最多。

2.1.1傳統(tǒng)碎礦設(shè)備的改進(jìn)升級

對原有的設(shè)備研發(fā)升級一種是對原有零件或構(gòu)造進(jìn)行升級優(yōu)化，如針對顎式破碎機原有的直面破碎腔上下各橫截面處破碎力分布不均均的現(xiàn)象，經(jīng)計算機模擬優(yōu)化，現(xiàn)已普遍采用曲面腔型，北京礦業(yè)研究總院對焦家金礦PEF600×900顎式破碎機進(jìn)行腔型改造后，在給料粒度較粗的情況下處理量提高8.45%，破碎比提高了31%～56%，襯板壽命延長至原來的1.5～2倍［1-2］。處于國際先進(jìn)水平的HP系列高效圓錐破碎機在吸收第一代西蒙斯圓錐破碎機和第二代旋盤式破碎機的基礎(chǔ)上，引入高能破碎機優(yōu)點以及參考H型圓錐破碎機的結(jié)構(gòu)特點后研發(fā)的新一代多缸液壓和高能層圓錐破碎機，因該機型具有高功率/質(zhì)量比、高功率/體積比、可在高負(fù)荷下調(diào)整排料口、自動化程度高等特點，近年來在我國得到廣泛應(yīng)用，如永平銅礦HP500、包鋼選礦廠HP800、武鋼程潮鐵礦選礦廠HP500的成功應(yīng)用均表明HP系列圓錐破碎機具有高效節(jié)能、高破碎比、可實現(xiàn)“多碎少磨”的作用［3-4］。

隨著計算機自動控制的快速發(fā)展，先進(jìn)的大型碎磨設(shè)備均實現(xiàn)了計算機自動控制和計算機仿真，如瑞典Sandvik 集團(tuán)的H和S系列液壓圓錐破碎機，自動控制系統(tǒng)由ASR Plus發(fā)展為ASRi，后者因連續(xù)監(jiān)控破碎機運行狀況，具有優(yōu)化破碎能力，過載時保護(hù)設(shè)備的能力，在襯板磨損時具自動補償功能，易于操作控制。閆珅等基于Solidworks平臺中創(chuàng)建的三位模型，提出軌跡性能值計算方法并進(jìn)行計算機仿真，比較不同參數(shù)下的仿真結(jié)果后對破碎機的設(shè)計提供參考［5］。張德浩等采用有限元仿真和試驗方法研究廢鋼錘式破碎機的主軸輥模態(tài)特性，，以此指導(dǎo)廢鋼破碎機主軸輥進(jìn)一步的動力學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計［6］。

2.1.2新型碎礦設(shè)備

（1）高壓輥磨機。

高壓輥磨機（high-pressure grinding roller, HPGR）又稱輥壓機和擠壓磨，是以層壓粉碎原理工作的高效節(jié)能粉碎設(shè)備。1984年高壓輥磨機技術(shù)出現(xiàn)，1985年世界第一臺高壓輥磨機用于水泥行業(yè)，1988年在南非Premier金剛石礦應(yīng)用一臺高壓輥磨機，至今已有500多臺應(yīng)用。已廣泛應(yīng)用于水泥生熟料、石灰石、高爐爐渣、煤及各類非金屬礦物的粉碎，現(xiàn)在已用于鐵礦石、錳礦石、冶金、球團(tuán)行業(yè)、有色金屬礦及各類金屬礦的“多碎少磨”，“以碎代磨”，以提高物料的粉碎效率。

其工作原理如圖1所示。高壓輥磨機的粉碎特征概括起來是高壓、慢速、滿料、料層層壓粉碎。高壓輥磨機在金屬礦領(lǐng)域通常用于第三段或第四段細(xì)碎、半自磨頑石破碎及在球團(tuán)礦中擠壓鐵精粉增加比表面積。高壓輥磨機因具有產(chǎn)品粒度細(xì)、破碎比大、高效率、低能耗、自動化程度高的特點，加上隨著采用鑲嵌硬質(zhì)合金小圓錐輥面、鑲嵌組合式壓輥結(jié)構(gòu)、扇形分塊式輥面襯板等措施解決輥面易磨損問題后，在礦物加工領(lǐng)域的使用更加廣泛［7］。

圖1　高壓輥磨機工作原理示意圖

我國武鋼程潮鐵礦球團(tuán)廠于2004年引進(jìn)了第一臺德國（KHD）洪堡威達(dá)克公司RP-P3.6-120/50B高壓輥磨機用于磨細(xì)制備球團(tuán)的鐵精粉,其中給料量為170～200t/h，水分6.0%～7.0%，使鐵精礦比表面積平均提高了4.02cm2/g，提高了原料的成球性能。隨后武鋼顎州球團(tuán)廠、柳鋼公司球團(tuán)廠、昆鋼公司球團(tuán)廠、邯鄲鋼鐵公司燒結(jié)廠、沙鋼燒結(jié)廠等都先后從德國引進(jìn)不同型號的價格昂貴的高壓輥磨機用于磨碎鐵礦石球團(tuán)給料。2006年馬鋼南山礦業(yè)公司凹山選廠用RP630/17-1400高壓輥磨機細(xì)碎鐵礦石取得了很好的效果，隨著陜西金堆城鉬業(yè)公司百花嶺選礦廠、司家營礦業(yè)公司鐵礦選礦廠、山東黃金集團(tuán)三山島金礦選礦廠、馬鋼和尚橋鐵礦選礦廠、霍邱張莊鐵礦選礦廠等也都先后從德國引進(jìn)不同型號的高壓輥磨機［8］。

目前，國外高壓輥磨機廠商以德國蒂森克虜伯伯利休斯公司（ThyssenKrupp Polysius）、德國洪堡威達(dá)克公司（KHD Humboldt）和德國魁伯恩公司（Koeppem）；國內(nèi)合肥水泥研究設(shè)計院肥西節(jié)能設(shè)備廠、成都市利君實業(yè)有限責(zé)任公司、中信重工機械股份有限公司和中鋼集團(tuán)安徽天源科技股份有限公司等都有類似產(chǎn)品供應(yīng)市場，在金屬礦山有擴大應(yīng)用的趨勢。

（2）旋盤式破碎機（旋回盤式破碎機）。

旋盤式破碎機（Rotary crusher）是由美國Nordberg公司研發(fā)制造的一種壓力式破碎機，于1960年問世，設(shè)計目的是能在磨礦作業(yè)前較為經(jīng)濟地獲得-6mm的細(xì)碎產(chǎn)品，旋盤式破碎機結(jié)構(gòu)剖視圖如圖2所示。旋盤式破碎機吸收了Symons型圓錐破碎機及沖擊作用原理的破碎機特點，利用多層顆粒內(nèi)部研磨沖擊壓力作用破碎礦石，如圖2破碎腔的上部形成一個類似圓錐形漏斗，工作時充滿物料，從而實現(xiàn)粒子間的層壓破碎，改善了破碎效果。我國沈陽重型機器廠和山東招遠(yuǎn)黃金機器廠制造的旋盤式破碎機在上世紀(jì)八十年代開始供應(yīng)市場。

旋盤式破碎機主要特點是：①破碎腔中非控制粒度面積比較大；②破碎腔中平行帶較短，角度也較平緩，改變了破碎腔結(jié)構(gòu)形式；③破碎比大，破碎產(chǎn)品粒度較細(xì)且分布均勻，能有效減少后續(xù)磨礦設(shè)備的生產(chǎn)負(fù)荷；④適用于細(xì)碎，也可代替棒磨機，實踐資料表明該機破碎產(chǎn)品中-6mm含量可達(dá)67%左右，起到多碎少磨或節(jié)能的效果。美國Nordberg公司已生產(chǎn)了36in，48in，54in，66in，84in五種規(guī)格，其中88in旋盤式破碎機已在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用，如美國某鐵燧巖選礦廠應(yīng)用旋盤式破碎機后，將一段棒磨機取消，改用球磨機，結(jié)果實現(xiàn)節(jié)省電耗2.04kW·h/t［9］。山東蠶莊金礦使用使用旋盤式破碎機進(jìn)行超細(xì)粉碎，不僅節(jié)約了大量電能，而且使用三年才更換一次襯板，每月小修一次，更換密封圈，其他部件正常運轉(zhuǎn)，工作可靠。

圖2　旋盤式破碎機剖視圖

2.2磨礦設(shè)備

球磨機、棒磨機、半自磨機等傳統(tǒng)磨機仍是未來磨礦的主要設(shè)備，磨礦設(shè)備的發(fā)展主要以大型化、節(jié)能降耗為重點，如研究一些高效節(jié)能新設(shè)備、改進(jìn)襯板材料及結(jié)構(gòu)、開發(fā)磨礦機組自動化控制等。

2.2.1傳統(tǒng)磨礦設(shè)備改進(jìn)升級

球磨機已經(jīng)應(yīng)用了百余年，到目前甚至未來球磨機在磨礦作業(yè)中仍有不可替代的作用，隨著材料技術(shù)和機械加工技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)球磨機在設(shè)備大型化、襯板材料及形狀等方面取得了很好的成績。如我國自主研制的的世界最大最先進(jìn)的7.93×13.6m溢流型球磨機在中信泰富澳大利亞Sino 鐵礦應(yīng)用打破了國外在該項技術(shù)方面的壟斷［10］。此外，由我國中信重工機械股份有限公司制造、目前現(xiàn)場應(yīng)用的最大規(guī)格（12.19×10.97m）的半自磨機，單機安裝功率28MW，于2010年和2012年分別成功應(yīng)用在中信泰富澳大利亞Sino 鐵礦和中國黃金集團(tuán)烏山銅鉬礦二期，標(biāo)志著我國的半自磨的大型化技術(shù)能力達(dá)到國際先進(jìn)水平［11-12］。

磨機襯板材質(zhì)的發(fā)展經(jīng)歷了金屬襯板（錳鋼、高鉻合金剛、硬鎳合金等）到非金屬襯板（橡膠襯板），再發(fā)展到磁性襯板。橡膠襯板因具有耐磨、彈性強、質(zhì)量輕、抗沖擊和和耐腐蝕等天然優(yōu)勢。自1936年問世以來，就得到廣泛應(yīng)用，與錳鋼襯板相比，其使用壽命較長，在二、三段磨中可提高2倍左右；重量僅為鋼的1/6，不僅降低了球磨機的有用功率，使電耗降低10%～15%，還可降低勞動強度，安裝時間可減少7%左右，此外，磨機生產(chǎn)能力增加10%左右，介質(zhì)消耗約降低15%［13］。如德興銅礦大山選廠根據(jù)球磨機端蓋高猛襯板磨損嚴(yán)重的情況，把端蓋襯板改成耐磨橡膠襯板，改進(jìn)后襯板壽命延長50多天，每臺襯板更換時間節(jié)省3天［14］。磁性襯板依靠磁力在襯板工作面上形成約20～30mm厚度的保護(hù)層，大大降低礦石、鋼球?qū)σr板的沖擊與磨損，不僅延長了鋼球的使用壽命，而且球耗也降低10%左右［15］，目前金屬磁性襯板的應(yīng)用基本成熟，在國內(nèi)一些大型有色金屬礦山和大型鋼鐵企業(yè)得到廣泛應(yīng)用。襯板結(jié)構(gòu)形式在很大程度上受其材質(zhì)的影響，如軋鋼襯板，斷面被限制到幾種標(biāo)準(zhǔn)形狀，而鑄造（鑄鋼或鑄鐵）襯板，斷面形狀就可以經(jīng)濟地加以鑄造和熱處理。一般而言，細(xì)磨采用細(xì)棱邊或光滑的襯板；粗磨則采用帶棱的襯板，如波形金屬襯板在大型球磨機中應(yīng)用較多，而橡膠角螺旋及棒形等襯板一般在中、小型球磨機中使用?？傊r板的表面結(jié)構(gòu)形式一般要求襯板表面與球體的相對滑動量要盡可能地小。

開發(fā)磨礦機組自動化控制主要依靠兩個要素，一個是使用先進(jìn)的過程控制儀表。如采用濃度計替代烘干法或濃度壺法，從而實現(xiàn)實時、自動、連續(xù)地監(jiān)測礦漿濃度并對濃度實行自動控制。礦漿粒度分布作為最重要的礦漿物料性質(zhì)之一，對粒度實時在線測量和分析一直是選礦自動控制領(lǐng)域重要的研究課題，目前選礦行業(yè)使用的具有代表性的粒度分析儀器有基于超聲波原理的美國DENVER自動化公司的超聲波粒度分析儀（PSM400）、馬鞍山礦山研究院研制的在線粒度分析儀（CLY2000）等；基于線性檢測原理、直接測量粒度分布的儀器，如芬蘭Outokumpu公司粒度分析儀（PSl200）、北京礦冶研究總院研制的在線粒度分析儀（BPSM系列）等；此外芬蘭Outokumpu公司新研制了一種基于礦物顆粒散射光的濃度分布測量機理的新型粒度分析儀（PSl500），已在我國永平銅礦選礦廠應(yīng)用。磨機負(fù)荷檢測方面，由傳統(tǒng)的單因素檢測向多因素檢測方法發(fā)展，但對磨機內(nèi)部工作狀態(tài)（料球比、充填率等）達(dá)不到有效檢測，基于磨機外部響應(yīng)信號測量及融合多源信號的軟測量的非儀表檢測方法是磨機負(fù)荷檢測的一個主要發(fā)展趨勢［16］。實現(xiàn)磨礦機組自動化控制另一要素是使用一個正確的合適的控制策略?？刂萍夹g(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了傳統(tǒng)的PID控制、現(xiàn)代人工智能控制、多種控制策略的聯(lián)合控制，PID控制仍是目前應(yīng)用最多的控制策略，人工智能控制主要有預(yù)測函數(shù)控制、模糊PID控制、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。由于單一控制策略不能有效解決控制系統(tǒng)初始參數(shù)設(shè)定等問題，兩種及其以上控制策略的聯(lián)合控制成為磨礦分級控制系統(tǒng)的研究趨勢，如秦虎等提出了用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID相結(jié)合的控制方案，起到了在線自動調(diào)整的作用，仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅魯棒性得到改善，并使控制更加精確、快速［17］；王會青等將動態(tài)矩陣控制中的預(yù)測及反饋校正功能引入模糊控制，并對河北銅礦使用的1.2m高堰式雙螺旋分級機溢流濃度控制進(jìn)行仿真研究，結(jié)果表明預(yù)測模糊控制過程魯棒性好，抗干擾能力強，控制效果優(yōu)于模糊控制［18］。

2.2.2新型磨礦設(shè)備

隨著礦產(chǎn)資源的日趨貧細(xì)化及復(fù)雜化, 越來越多的礦物需要細(xì)磨才能將其充分單體解離，尤其對于尾礦等二次資源的回收利用，傳統(tǒng)的球磨機已經(jīng)不能滿足其特定要求。如工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的球磨機對浮選尾礦進(jìn)行磨礦，為達(dá)到浮選要求的-0.45mm含量90%以上的磨礦粒度時，球磨機生產(chǎn)能力大幅降低，磨礦成本增加。在此背景下，攪拌磨、艾薩磨、離心磨、振動磨、噴射磨、行星磨等高效磨機應(yīng)運而生，其中攪拌磨與艾薩磨已得到廣泛應(yīng)用。

（1）立式螺旋攪拌磨機（塔磨機/立磨機）。

攪拌磨機概念由Klein和Szegvari于1928年最先提出，1952年日本學(xué)者kawabata shigekatsu發(fā)明塔磨機（Tower mill，即立式螺旋攪拌磨礦機），第一臺用于選礦行業(yè)的立式螺旋攪拌磨礦機由日本Kubota公司制造，Metso公司于1979年取得該項技術(shù)，生產(chǎn)的磨機叫作Vertimill磨機（立磨機）［19］?，F(xiàn)在有Metso生產(chǎn)VTM-Vertimill, 日本愛立許生產(chǎn)KW-TowerMill和長沙礦冶研究院生產(chǎn)JM-立式螺旋攪拌磨礦機。

攪拌磨機工作的原理是靠攪拌器推動介質(zhì)和物料運動，通過介質(zhì)對物料形成撞擊、磨剝、剪切和摩擦作用，從而實現(xiàn)物料的磨碎，圖3為立式攪拌磨機磨礦原理示意圖。攪拌磨基本的磨碎作用是磨剝而不是沖擊作用，所以其產(chǎn)品粒度比較均勻。立式攪拌磨機是一種垂直安裝、帶有攪拌裝置，主要由研磨筒和旋轉(zhuǎn)攪拌器構(gòu)成。立式攪拌磨機的給礦粒度一般小于3mm, 產(chǎn)品粒度74～20μm，目前立式攪拌磨機最大的安裝功率1125kW，處理能力超過100 t·h-1［20-21］。

圖3　立式攪拌磨機磨礦原理示意圖

1953年，立磨機開始用來代替球磨機作為中礦再磨用。國內(nèi)外后來都相繼對立磨機進(jìn)行過試驗室和工業(yè)試驗。例如美國在新墨西哥州的銅加工廠（Copper Flats）安裝一臺塔式磨機用來再磨鉬精礦。加拿大安大略州的馬卡薩（Marcassa）安裝一臺200千瓦的立磨機用來同時磨碎和浸出選金的尾礦。這臺磨機處理該尾礦的生產(chǎn)能力為12.2t/h，尾礦邦德功指數(shù)約為14.5kW·h/t，尾礦中-325目含量占45%，磨至-325目占95%。生產(chǎn)試驗表明該立磨機與一般球磨機相比，電能節(jié)省60%以上，而投資二者相近，立磨機所需基礎(chǔ)較小且節(jié)省空間，故安裝費用大大低于球磨機。表1列出了利用球磨機和立磨機磨鈾礦時的結(jié)果對比。從該試驗結(jié)果可以看出按產(chǎn)生一噸小于200目物料所消耗的電能計，立磨機比球磨機低一倍以上。

表1　磨鈾礦時立磨機和球磨機的指標(biāo)對比

表2列出了美國科珀（Kopper）公司提供的立磨機與球磨機的工作性能對比結(jié)果。表中，例A、B是實驗室試驗結(jié)果；C是南方麥奇根煙氣脫硫系統(tǒng)磨機工作結(jié)果；D是裝在可蘭德湖拉卡礦業(yè)公司再磨回路中應(yīng)用情況。根據(jù)該公司的試驗結(jié)果得出下述見解：立式磨不能完全取代常用圓筒式球磨機，它主要用于金屬礦物再磨作業(yè),此外可用于煙氣脫硫過程中石灰石漿的制備，石灰熟化，金的浸出回路中磨碎和浸出，水-煤及煤油的混合配制，煤或其他物料的超細(xì)磨礦。立磨機給料不應(yīng)大于6mm，否則設(shè)備處理能力和效率均下降。當(dāng)給料粒度合適、產(chǎn)品粒度小于74μm時，其能耗較普通磨機省很多。當(dāng)要求產(chǎn)品粒度較粗，例如大于74μm時，一般立磨機不比球磨機節(jié)省能量。

表2　立磨機與普通球磨機操作數(shù)據(jù)對比

（2）艾薩磨機（臥式攪拌磨機）。

艾薩磨機（ISAMILL）于20世紀(jì)90年代獲得工業(yè)應(yīng)用，其中艾薩磨機是由Mount Isa礦山與德國Netzsch Feinmahltec公司共同研制，首先在澳大利亞的Mount Isa礦山應(yīng)用。它是由顏料工業(yè)所用的Netzsch水平攪拌磨大型化，并適合礦業(yè)磨礦改進(jìn)而來，與常規(guī)球磨機及塔磨機相比，艾薩磨機有更高的磨礦效率。目前，艾薩磨機由澳大利亞Xstrata公司提供整體技術(shù)裝備。

艾薩磨機是一種用于細(xì)磨和超細(xì)磨的高速臥式攪拌磨機，磨礦細(xì)度P80能達(dá)到7μm以下。艾薩磨機主要由筒體、機架、傳動機構(gòu)、磨盤和產(chǎn)品分離器等組成，見圖4。艾薩磨機有一組水平安裝在懸臂軸上的圓盤，攪拌器轉(zhuǎn)速高達(dá)1000r/min以上，這些圓盤以梢速度為15～20m/s高速旋轉(zhuǎn)，使介質(zhì)與物料呈流態(tài)化運動。電機經(jīng)減速箱帶動磨盤轉(zhuǎn)動，由于沿盤面向外的徑向速度不同，兩盤面之間的礦料與介質(zhì)形成磨礦循環(huán)，產(chǎn)品分離器將介質(zhì)控制在磨機里而將合格產(chǎn)品順利排出，圖5為艾薩磨機的的工作原理圖［22-23］。

圖4　艾薩（ISAMILL）磨機結(jié)構(gòu)示意圖

圖5　艾薩（ISAMILL）磨機的工作機理

艾薩磨機高效磨礦的關(guān)鍵在于使用細(xì)粒介質(zhì)，立式攪拌磨機使用的介質(zhì)一般為10～12mm，而艾薩磨機可以使用1～2mm的介質(zhì)，這能大大增加單位磨機內(nèi)介質(zhì)的比表面積，如充填率一定時，裝2mm介質(zhì)的表面積是裝12mm介質(zhì)的90倍，研磨面積的大幅度增加有效提高了細(xì)粒級磨礦效率。艾薩磨機在磨碎-25μm物料時主要使用河沙、爐渣等惰性介質(zhì)，其有效避免鐵介質(zhì)磨損對礦漿的污染。由于艾薩磨機大型化的不斷發(fā)展、MT1陶瓷介質(zhì)的使用，艾薩磨正在往粗磨方向發(fā)展。

艾薩磨機自1994年在Mount Isa 鉛鋅礦山成功安裝試驗后，已廣泛應(yīng)用于銅、鉛、鋅、金、鉬、鉑等礦石的細(xì)磨。如澳大利亞Mount Isa 鉛鋅礦選礦廠鉛粗精礦及鋅中礦再磨回路中共安裝了8 臺M3000艾薩磨機，安裝功率1.12 MW，臺時處理量15～16t/h，給礦粒度F80為40～45μm，排礦粒度P80為8μm，比功耗約50～60kW·h/t［24］；吉爾吉斯Kumtor金礦安裝了1 臺M10000艾薩磨機處理再磨球磨機的排礦，安裝功率2.6 MW，設(shè)計處理能力65t/h，給礦粒度P80為20μm，產(chǎn)品粒度P80為10μm，實際平均處理能力為72 t/h，實際利用功率1950 kW，相當(dāng)于比功耗27.1kW·h/t［25］。

3 碎磨工藝流程

上世紀(jì)八十年代，根據(jù)多碎少磨的原則，“三段破碎+球磨機”的碎磨流程得到廣泛普及，進(jìn)入90年代，隨著半自磨（自磨）技術(shù)的成熟及礦山企業(yè)注重綜合效益，“粗碎+半自磨（自磨）+球磨機”的碎磨流程得到推廣，并在生產(chǎn)中創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟效益。碎磨流程中，高壓輥磨機常取代第三段細(xì)碎破碎機或置于第三段破碎機之后進(jìn)行第四段超細(xì)碎，用以處理低、中磨蝕性的硬而碎的礦石，實現(xiàn)節(jié)能降耗。

目前中礦選擇性分級再磨工藝及有效簡化碎磨流程的工藝（如半自磨+立磨、破碎+棒磨+球磨等流程）近些年受到廣泛關(guān)注，其中簡化碎磨流程也是今后發(fā)展的趨勢。

3.1中礦選擇性分級再磨工藝

中礦選擇性分級再磨工藝是彭會清教授1998年提出的，該工藝流程打破常規(guī)流程中將磨礦、浮選作為兩個獨立作業(yè)，而是使同段磨礦、浮選作業(yè)之間構(gòu)成了一個大循環(huán)，中礦（精選尾礦或掃選精礦）直接返回原礦再磨［26］。中礦選擇性分級再磨工藝的主要特征是：一個磨浮流程中只有一段磨機；精選尾礦或掃選精礦直接返回分級作業(yè)，經(jīng)分級、粗粒磨礦后返回粗選，減少了精選作業(yè)和掃選作業(yè)之間的相互影響；在不超過浮游粒度上限的前提下，磨礦浮選之間不斷循環(huán)漸進(jìn)地對有用礦物進(jìn)行磨礦、分級、浮選，直至精礦品位所需礦物單體解離為止，中礦無需濃縮直接作磨機排礦補加水返回；通過控制浮選藥劑制度可實現(xiàn)粗選混浮，精選優(yōu)先浮選，一次直接獲得最終精礦。如江銅永平銅礦選礦廠采用中礦循序返回的銅硫混合浮選、銅硫分離浮選工藝流程，在生產(chǎn)中為保證銅精礦品位，導(dǎo)致一部分含銅貧中礦最終隨尾礦或硫精礦排出，降低了銅的回收率，采用中礦選擇性再磨工藝后（改造后的工藝流程如圖6所示），銅回收率提高0.89個百分點的同時，銅精礦品位提高0.38個百分點［27-28］。目前該工藝已經(jīng)應(yīng)用于德興銅礦泗洲選廠和大山選廠、武山銅礦、永平銅礦、鳳凰山銅礦、曙光金銅礦等大中型國有礦山。

圖6　永平銅礦中礦選擇性再磨工藝流程

3.2半自磨+立磨工藝流程

“半自磨+立磨”工藝流程不僅比單段半自磨工藝流程簡單、選礦主體設(shè)備和輔助設(shè)備數(shù)量少，基建投資少、流程不受物料水分影響，可處理含水和含泥量多的礦石、粉塵少，便于實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點；還具有立磨機磨礦產(chǎn)品粒度均勻、過粉碎含量少、磨礦效率高、能耗低安裝操作簡單、運行成本低等優(yōu)點；此外半自磨頑石還可作立磨介質(zhì)，因此，“半自磨+立磨”工藝流程能有效簡化碎磨流程、減少基建投資、運行成本低、磨礦產(chǎn)品粒度組成均勻等優(yōu)勢。隨著半自磨工藝與立磨工藝技術(shù)的逐漸成熟，“半自磨+立磨”工藝流程也是今后碎磨工藝發(fā)展的一種趨勢。位于澳大利亞昆士蘭西北部的BHP Billiton公司Cannington鉛鋅銀礦采用該流程，見圖7。該流程為一臺8.5×4m半自磨機功率為6800HP，與一臺HP300破碎機、Φ400mm旋流器閉路，二段用一臺立式磨機VTM1500WB （1100kW）與Φ250mm旋流器閉路，最終產(chǎn)品粒度P80=95μm，在浮選給礦粒度為100μm時，臺時處理能力可達(dá)350t/h［29］。

圖7　Cannington鉛鋅銀礦半自磨+立磨流程圖

3.3破碎+棒磨+球磨工藝流程

“破碎+棒磨+球磨”流程在歐美國家及地區(qū)應(yīng)用較多，有資料統(tǒng)計結(jié)果表明，“破碎+棒磨+球磨”流程能耗比“破碎+球磨”流程的低，專利CN 104607301 A最佳入磨粒度的的計算也提供了該流程具有最低能耗的理論依據(jù)［30］，根據(jù)專利說明，對于細(xì)碎給礦80%過篩粒度為40～100mm，粗磨產(chǎn)品80%過篩粒度為0.5mm的碎磨要求，碎礦和磨礦能耗能大幅度降低的入磨粒度為1～4mm，而1～4mm剛好是棒磨機的產(chǎn)品粒度范圍，且50～75mm給礦對棒磨機可以承受，因此，將細(xì)碎機改為棒磨機可實現(xiàn)低能耗磨碎。此外，棒磨產(chǎn)品粒度均勻、不易產(chǎn)生過粉碎和泥化現(xiàn)象棒磨機+球磨機具有改善碎磨流程結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢，因此“破碎+棒磨+球磨”流程是今后發(fā)展的一種趨勢。目前屬澳大利亞Exstrata PLC礦業(yè)公司鋅—鉛—銀選礦廠、日本堂屋敷選廠（銅鉛鋅礦）、芬蘭Outokumpu公司維漢選廠（銅鉛鋅礦）、我國梅山鐵礦、云南磷化集團(tuán)?？诹椎V、銀洞坡金礦等選廠均采用“破碎+棒磨+球磨”流程。此外，該流程的衍生流程“破碎+棒磨+礫磨”也有應(yīng)用，我國某銅礦“破碎+棒磨+礫磨”流程見圖8。該礦屬于含銅硅卡巖類礦石，該流程的特點是原礦經(jīng)三段破碎至-25mm，給入棒磨機粗磨，再進(jìn)入礫磨機細(xì)磨（要求-0.074mm為65%），礫磨機介質(zhì)由粗碎產(chǎn)物篩分獲得，介質(zhì)大小和數(shù)量容易控制，生產(chǎn)穩(wěn)定，操作方便，流程對礦石性質(zhì)適應(yīng)性較廣泛。

圖8　某銅礦破碎+棒磨+礫磨流程

4 碎磨工藝參數(shù)

碎礦作業(yè)的工藝參數(shù)主要是破碎機給礦及排礦口大小、嚙角、偏心軸轉(zhuǎn)數(shù)或可動錐擺動次數(shù)等，半自磨（自磨）的主要工藝參數(shù)有介質(zhì)大小、頑石孔大小，給礦中大礦塊比例等。球磨機工作主要是靠磨機內(nèi)運動的磨礦介質(zhì)來完成的，即通過磨礦介質(zhì)對礦粒的沖擊和磨剝作用來實現(xiàn)礦粒的磨碎，磨礦介質(zhì)制度（包括磨礦介質(zhì)的大小、形狀、材質(zhì)、級配及充填率等）對磨礦有很大影響。昆明理工大學(xué)磨礦課題組長期致力于球磨機介質(zhì)工作理論及實踐研究工作，從入磨粒度、介質(zhì)的尺寸、配比、形狀、材質(zhì)、充填率、磨礦產(chǎn)品粒度特性與回收率的關(guān)系等方面做了大量富有成效的工作，成果已廣泛應(yīng)用于江銅集團(tuán)、銅陵有色、招遠(yuǎn)黃金、甘肅金川公司、鄭州氧化鋁廠、洛鉬集團(tuán)、云銅、昆鋼、云天化、、云錫、蒙自鉛鋅礦等近三十個礦山選廠。

4.1磨機給礦粒度

多碎少磨是現(xiàn)代碎磨領(lǐng)域就如何在較低能耗下提高破碎能力這一實際問題提出的最佳技術(shù)選擇，受到國內(nèi)外的礦山企業(yè)的普遍重視及應(yīng)用，為實現(xiàn)這一技術(shù)選擇，碎礦粒度為多少時進(jìn)入磨礦最適宜這一問題得到關(guān)注，由于研究者的研究思路不同，研究方式也有差異，得到的結(jié)果卻不盡相同，如諾爾斯及法欒特以碎礦和磨礦能耗最低為原則，用邦德公式的計算結(jié)果作圖，得到碎礦產(chǎn)品為12.7mm進(jìn)入磨礦時碎磨能耗之和最低，這種結(jié)果對于不同礦種不同規(guī)模大小的選廠來說，采用同樣的入磨粒度與實際效果偏差較大；原蘇聯(lián)研究者則以碎磨成本最低為原則，測算出大型選廠碎礦最終粒度4～8mm最好，小型選廠的碎礦最終10～15mm，這種結(jié)果也只是一個大致的范圍；J.C.Farrant 認(rèn)為當(dāng)破碎的粒度為9～12mm時，破碎的總能耗最低；國內(nèi)礦山均根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗確定礦石入磨粒度，一般公認(rèn)的經(jīng)驗粒度范圍為l0～15mm，但是，目前許多廠礦采用高效圓錐破碎機將入磨粒度降至8mm以下，碎礦加上磨礦的總能耗仍然在繼續(xù)下降，尤其是高壓輥磨破碎設(shè)備的應(yīng)用，產(chǎn)品粒度可以實現(xiàn)1～4mm，使碎磨能耗大幅度降低。

鑒于沒有一個真正從理論上推導(dǎo)出來的碎礦與磨礦整體能耗最低的最佳入磨粒度公式，筆者通過測定細(xì)碎機的給礦粒度及球磨機的排礦粒度，根據(jù)邦德公式推導(dǎo)了礦石最佳入磨粒度的計算公式，見式1［30］。

式中dk為最佳入磨粒度，F(xiàn)k1為細(xì)碎機給礦是80%過篩粒度，Pk2為粗磨機排礦80%過篩粒度。

該方法克服了經(jīng)驗公式計算入磨粒度的缺陷，通過該方法計算得出的最佳礦石入磨粒度，應(yīng)用在不同礦種及不同規(guī)模的礦山上具有普適性，為碎礦與磨礦的節(jié)能提供了理論依據(jù)，為選礦廠選用設(shè)備指明了方向。

4.2磨礦介質(zhì)尺寸

磨礦介質(zhì)作為磨礦過程的施力體，介質(zhì)的大小對磨礦有很大影響，介質(zhì)尺寸過大則在相同的充填率下介質(zhì)個數(shù)和研磨面積減少，反之尺寸過小，達(dá)不到破碎礦粒所需要的能量，即使較多的沖擊次數(shù)也不能有效的磨碎粗粒級，粗粒級破碎概率低，所以介質(zhì)尺寸過大或過小的對磨機生產(chǎn)率、磨礦產(chǎn)品質(zhì)量、鋼耗及電耗等方面均會產(chǎn)生不利影響。對于一定粒度的物料來說，介質(zhì)尺寸在過大和過小之間必然存在一個最佳值。球徑公式的發(fā)展從考慮因素較少的拉蘇莫夫（K·A·Разумов）公式、戴維斯（Davis）公式、邦德簡便公式（Bond）、奧列夫斯基（V·A·Олевский）公式，發(fā)展到考慮因素較為全面的阿里斯·查爾默斯（Allis-chhalmers）公式、洛克斯洛德（Re. Xnord）公式及球徑半理論公式，見式2。目前國外對阿里斯·查爾默斯公式和洛克斯洛德公式應(yīng)用較多，我國應(yīng)用最廣的為球徑半理論公式，球徑半理論公式也是目前球徑計算公式中考慮因素最為全面的［31］。

式中Db為特定磨礦條件下給礦粒度d所需的精確球徑（cm）；Kc為綜合經(jīng)驗修正系數(shù)；Ψ為磨機轉(zhuǎn)速率（%）；σbc為巖礦單軸抗壓強度（kg/cm2）；ρe為鋼球在礦漿中的有效密度（g/cm3）；D0為磨機內(nèi)鋼球中間縮聚層直徑；df為磨機給礦95%過篩粒度（cm）。

筆者針對球徑半理論公式計算鋼球直徑的不足，如整個公式中僅用抗壓強度作為力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，而未考慮礦石的脆性和韌性，且公式中的極限抗壓強度反映的是整體礦石的硬度，但礦石中各種礦物的硬度均不相同，鑒于此，筆者在球徑半理論公式的基礎(chǔ)上提出了一種基于礦石力學(xué)性質(zhì)確定鋼球直徑的方法，見式3［32］，該球徑公式因考慮了更多的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如礦石硬度，脆性及韌性，計算出的鋼球直徑更有針對性和選擇性，目前已在江銅德興銅礦大山選廠、銅陵有色冬瓜山銅礦、洛鉬集團(tuán)選礦二公司等礦山成功應(yīng)用，應(yīng)用表明使用該球徑計算方法可有效改善磨礦產(chǎn)品粒度組成，粗級別難磨粒級含量會減少2～5個百分點，易泥化礦石過粉碎粒級含量減少2～4個百分點，中間易選粒級含量增加了6～9個百分點［33］。

式中D為鋼球球徑，n為采礦點個數(shù)，γi為對應(yīng)采礦點的出礦比例，fi、μi、Ei分別為某一采礦點礦石的普氏硬度系數(shù)、割線泊松比、割線彈性模量，Si和Bi分別為破碎函數(shù)和破裂函數(shù)，fa、μa、Ea分別為n個采礦點的普氏硬度系數(shù)、割線彈性模量及割線泊松比對應(yīng)的算術(shù)平均值，Db為特定磨礦條件下按球徑半理論公式計算的給礦粒度所需的精確球徑。

4.3精確化裝補球

球徑公式只是解決了單一礦塊大小的問題，由于磨機給礦是大小不一的顆粒群，為了更好的磨礦效果，必須對其中的粗顆粒采用大鋼球進(jìn)行沖擊，細(xì)顆粒采用小鋼球進(jìn)行研磨，因此，磨機內(nèi)介質(zhì)的級配就尤為重要。

對于任一配比情況下的裝球制度，一次破碎作用下所能產(chǎn)生的破碎事件量P見式4［34］：

式中n為礦漿中固體顆粒級別數(shù)，i為某一粒度級別，γi(固)為i級別的固體含量（%），Si為i級別對應(yīng)的選擇性破碎函數(shù)、Bi為i級別對應(yīng)的破裂函數(shù)，Dj為與i級別相對應(yīng)的能破碎該級別的球徑，γj(球)為占總球荷質(zhì)量M的比例（%），ρ為鋼球密度。

由式4可知破碎事件總量與鋼球的直徑、、選擇性破碎函數(shù)、破裂函數(shù)。一般破碎事件總量隨著直徑減小而增大，隨各直徑鋼球含量的減小而減?。ㄗ⒁獾綒w一條件隨著某一級別的鋼球含量的增多或減少，必然引起另一級別鋼球含量的減少或增多），隨Dj的減小而減小，所以破碎事件總量也隨之發(fā)生變化。由此必然存在一個鋼球的最佳配比，在此配比下磨機中一次破碎事件所產(chǎn)生的破碎事件總量P最大，破碎效果最好。

隨著鋼球的磨損，磨機初裝球荷的球比逐步消失，為保證磨機內(nèi)球荷球比的合理，每天的補加球就顯得尤為重要，常見的補加球方法主要有以下三種：一種是只簡單補加一種大球的方法，這種方法操作簡單，方便，目前許多選廠仍用這種方法，長期以往，造成磨機內(nèi)球荷尺寸偏大，對磨礦產(chǎn)品粒度組成、磨機處理能力、能耗和電耗都產(chǎn)生了負(fù)面影響。第二種方法是合理平衡裝補球方法。最初由前蘇聯(lián)專家提出的，具體操作是在初裝球裝入磨機運轉(zhuǎn)后，通過不斷調(diào)試補加球比例，在球磨機磨礦效果達(dá)到最優(yōu)后，停下磨機進(jìn)行清球，將磨機內(nèi)球比作為最佳球比，稱為平衡的球比，再把平衡的球比作為補球計算的依據(jù)，這種方法得到的補加球比能有效改善磨礦效果，但因試驗程序多、計算繁瑣、作業(yè)量大等弊端，現(xiàn)已無廠礦采用。第三種方法是精確化裝補球方法中的畫圖法，磨機內(nèi)大球磨損以沖擊磨碎為主，而小球以磨剝磨損為主，即大球的沖擊磨損大于小球，而小球的沖擊磨損小于大球，因此可粗略假設(shè)大球及小球的磨損速度相當(dāng)。作圖法具體做法是先畫出初裝球的累積曲線，鋼球磨損后磨損曲線會向左下方移動，為保持原有初裝球曲線，則按初裝球曲線向右上作平行移動即可得到補加曲線。精確化裝補球方法是建立在球徑半理論公式計算球徑，根據(jù)破碎統(tǒng)計力學(xué)指導(dǎo)配球，在研究礦石力學(xué)性質(zhì)和鋼球磨損速度等一系列科學(xué)研究和實踐基礎(chǔ)上系統(tǒng)開發(fā)的一種補裝球新方法［35］。該方法整體技術(shù)科學(xué)、操作簡單、效果顯著，一般生產(chǎn)率能提高15%～20%、單位球耗及單位電耗也下降10%以上，由于產(chǎn)品特性的改善，還可使有效提高后續(xù)選礦技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。

4.4磨礦介質(zhì)形狀

球形介質(zhì)因具較好的轉(zhuǎn)動性能和打擊效果，是目前磨礦介質(zhì)的主要形狀，但在細(xì)磨過程中球形介質(zhì)有很多不適應(yīng)性。如球形介質(zhì)屬強烈沖擊型介質(zhì)，在磨碎物料時呈點接觸，細(xì)磨時較大的沖擊力易使磨礦產(chǎn)品發(fā)生過粉碎，且點接觸的磨礦選擇性作用明顯比線接觸的差；體積相同時球體的表面積最小，而細(xì)磨主要以研磨為主，在磨碎力足夠的基礎(chǔ)上研磨面積越大對磨礦效果越好；此外，細(xì)磨作業(yè)所需的磨球尺寸較小，小尺寸的鋼球價格比同等材質(zhì)大鋼球高30%左右，從而導(dǎo)致磨礦成本增加。為尋求更適合磨礦要求的新型介質(zhì)來，國內(nèi)外研發(fā)出許多形狀的磨礦介質(zhì)，如短柱形、圓錐形、圓柱形、截錐形、橢圓形、六方體形、凹形及六棱柱形等各種不規(guī)則體和異形體介質(zhì)［36］。其中短柱形和短截頭圓錐形介質(zhì)應(yīng)用較為廣泛［37］，因其具有球形介質(zhì)轉(zhuǎn)動性能好的特點，符合磨過程要求介質(zhì)作瀉落式滾動的要求，又有棒形介質(zhì)表面積大、呈線接觸的特點，有保護(hù)細(xì)粒減輕過粉碎的作用。如會澤鉛鋅礦選礦廠針對精礦再磨作業(yè)礦物泥化嚴(yán)重等問題，在精礦再磨中用鋼鍛替代鋼球，從而使+0.074mm粗粒級含量、-0.028mm過粉碎粒級含量分別降低0.55和2.02 個百分點，-0.074+0.028mm中間易選級別提高了2.64個百分點［38］。澳大利亞的Aberfoyle Hellyer鉛鋅礦將塔磨機中的高鉻鋼球用圓錐柱形介質(zhì)替換，不僅避免使用磨球帶來的磨機漲肚問題，還有效改善了磨礦產(chǎn)品的粒度組成［39］。

4.5磨礦介質(zhì)材質(zhì)

磨礦介質(zhì)的材質(zhì)也是影響細(xì)磨指標(biāo)的一個重要因素，根據(jù)介質(zhì)的不同材質(zhì)，可簡單地將其分為三類：一類是金屬介質(zhì)，金屬介質(zhì)具有大的密度及破碎力，同時易加工成不同形狀，在制作過程中可通過調(diào)節(jié)微量元素的含量得到較高質(zhì)量的金屬介質(zhì)，金屬介質(zhì)是目前應(yīng)用最多的一類磨礦介質(zhì)。第二類是巖礦類介質(zhì)，早期用的主要是卵石、礫石等，但目前基本上使用的是礦石本身，此類磨礦介質(zhì)的缺點是自身攜帶的能量密度較小、強度低，但因其加工和使用成本低，一些選廠仍采用此類介質(zhì)。第三類是非金屬介質(zhì)，這是新研究發(fā)展起來的一類介質(zhì)，其主要目的是為了滿足一些特殊的磨礦要求。如在石墨的磨礦再磨過程中，在保證石墨單體解離條件下盡量避免大鱗片不被破壞，一般用陶瓷球。磨礦介質(zhì)在磨礦過程中主要以塑變磨損、切削磨損、腐蝕磨損為主，磨礦介質(zhì)需要具有較高的韌性及抗沖擊疲勞能力，在此基礎(chǔ)上具有適宜的硬度，此外，磨礦過程中礦漿一般為堿性，要求材質(zhì)具有一定的抗腐蝕性能，這可通過加入合金元素來實現(xiàn)［40］。如西藏甲瑪多金屬礦選廠在其它條件相同的情況下，在兩臺MQYΦ4000×8000球磨機進(jìn)行低鉻鋼球和高鉻鋼球的工業(yè)試驗，試驗結(jié)果見表3。從表3數(shù)據(jù)可以看出，高鉻球耐磨性好、研磨效率高、磨礦產(chǎn)品細(xì)度好、臺時產(chǎn)量高、此外高鉻球?qū)?yīng)的浮選系列在在相同原礦、藥劑制度及浮選流程的情況下，銅、鉛、鋅、金、銀回收率提高［41］。

表3　西藏甲瑪多金屬礦選廠

4.6磨機充填率

磨機的轉(zhuǎn)速率ψ及球荷充填φ共同決定著鋼球的運動狀態(tài)，磨機充填率和介質(zhì)的運動狀態(tài)對磨礦過程起決定性作用。根據(jù)戴維斯、列文松等學(xué)者建立的的鋼球運動理論，粗磨時需要較大的沖擊力，磨礦介質(zhì)應(yīng)處于拋落式的運動狀態(tài)，充填率相對高一點，相反，細(xì)磨時主要依靠研磨力，磨礦介質(zhì)應(yīng)處于瀉落式的運動狀態(tài)，充填率相對低一些。但同時需要注意的是戴維斯等學(xué)者建立的鋼球運動理論是建立在磨內(nèi)鋼球不滑動的前提下。如果磨內(nèi)鋼球產(chǎn)生滑動，則理論出現(xiàn)偏差，甚至不適用（滑動嚴(yán)重的情況），對于中小型球磨機，由于磨機內(nèi)礦砂的存在，當(dāng)充填率大于40%時磨機內(nèi)介質(zhì)基本不滑動，根據(jù)據(jù)戴維斯—列文松的鋼球運動理論，轉(zhuǎn)速率在76%～88%范圍內(nèi)適宜的磨機充填率為40%～50%，一些選廠提高磨機轉(zhuǎn)速率或采用超臨界轉(zhuǎn)速磨礦，磨機內(nèi)的鋼球充填率往往低于40%，甚至降到25%左右。對于大型或特大型球磨機，充填率較大時，中心部分的介質(zhì)作蠕動，磨礦作用很弱，只有充填率小到一定程度后中心部分的介質(zhì)才會處于拋落運動狀態(tài)，因此，大型球磨機的充填一般在30%～35%，如德興銅礦大山選廠5.5×8.5m溢流型的球磨機充填率控制在31%左右，冬瓜山銅礦5.03×8.3m溢流型球磨機充填率控制在30%～32%之間，本課題組曾在金川公司選礦廠一選車間的5.5×8.5m溢流型球磨機中開展大型球磨機最佳充填率的試驗研究，最終確定5.5×8.5m大型球磨機的最佳充填率為 30%～31%，比過去生產(chǎn)中的36%～37%降低了5%～6%，磨機生產(chǎn)率、電耗及單耗均得到了改善［42-43］。

4.7助磨劑

在磨礦過程中加入某些化學(xué)添加劑可降低礦石硬度或改變礦漿的流態(tài)性質(zhì)，從而提高磨礦效率、降低電耗及鋼耗，這種在磨礦過程中添加藥劑的方法已發(fā)展成為一種新的磨礦工藝，即助磨工藝。助磨工藝在水泥行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，在有色金屬及鋼鐵行業(yè)的磨礦作業(yè)中使用相對偏少。隨著開采礦石難磨程度的加大，助磨工藝也是未來發(fā)展的重要方向。目前助磨劑的作用機理有兩種代表性的觀點，即吸附降低硬度學(xué)說和礦漿流變性調(diào)節(jié)學(xué)說。

吸附降低硬度觀點認(rèn)為，礦物粒子因先天成礦地質(zhì)作用、開采、運輸、碎礦等原因?qū)е卤旧泶嬖谠S多宏觀或微觀裂縫，降入助磨劑后，助磨劑分子可沿著裂縫浸入并發(fā)生吸附，從而降低裂紋出礦物質(zhì)點見的凝聚力，即加入的助磨劑對固體起了“劈分劑” 的作用，從而降低了礦粒的硬度。劉升明、芮鴻曾測定過化學(xué)藥劑作用后的礦物表面顯微硬度，證明藥劑在礦物表面吸附降低了硬度，見表4［44］。

表4　一些藥劑降低礦物顯微硬度的測定結(jié)果

礦漿流變性調(diào)節(jié)學(xué)說認(rèn)為助磨效應(yīng)源于對礦漿流變性的改善，即助磨劑對物料產(chǎn)生的分散效應(yīng)降低礦漿粘度（助磨劑一般在較高濃度下才起作用），劉升明曾對十多種藥劑進(jìn)行助磨試驗，見表5［44］，試驗結(jié)果驗證了助磨劑能降低礦漿粘度，并有一定的助磨作用。

表5　助磨劑對礦漿粘度及-200目產(chǎn)率的影響

磨礦是一個復(fù)雜的過程，既有機械作用，也有物理化學(xué)作用，吸附降低硬度學(xué)說和礦漿流變性調(diào)節(jié)學(xué)說彼此并非對立，只是研究的側(cè)重點不同。筆者在相同磨礦條件下對考查六偏磷酸鈉、氯化鈉、氯化鋁對鉛鋅礦的助磨效果，結(jié)果見表6。由表6結(jié)果可知，使用助磨劑可有效提高磨礦細(xì)度，改善磨礦產(chǎn)品粒度組成。

表6　不同助磨劑對鉛鋅礦的磨礦效果

4.8回收率與中間易選粒級含量的線性回歸模型

調(diào)整碎磨工藝參數(shù)的最終目的是在高效、低能、低耗的基礎(chǔ)上，優(yōu)化磨礦產(chǎn)品的粒度組成并實現(xiàn)有用礦物高效選別。有效減少過粗粒級和過粉碎粒級產(chǎn)率，增加中間易選粒級含量經(jīng)實踐證明是提高回收率的一條重要途徑。但提高磨礦產(chǎn)品中間易選粒級含量對回收率究竟有多大影響，一般是通過實驗室浮選試驗或試驗前后統(tǒng)計報表來反映，尚無定量描述。為此，我們通過收集樣本考察值，假設(shè)回歸模型，并經(jīng)一系列統(tǒng)計學(xué)檢驗后建立回收率與中間易選粒級含量的多元線性回歸模型。該模型應(yīng)用在回收率的分析檢測及計算上，充分考慮了磨礦產(chǎn)品粒度的均勻性及中間易選粒級含量對選別的正相關(guān)性，為改善磨礦產(chǎn)品粒度組成特性提高回收率提供了理論依據(jù)。根據(jù)德興銅礦大山選廠生產(chǎn)情況建立的多元線性回歸模型見式5。

式中ε為浮選回收率，α為原礦品位，β為粗精品位，γ為磨礦產(chǎn)品中-0.2+0.038mm易選粒級含量。

該多元線性回歸模型中各系數(shù)表明，在假定其它變量不變的情況下，當(dāng)原礦品位增加0.1個百分點時，回收率可增加3.6個百分點；當(dāng)精礦品位增加1個百分點時回收率減少1.28個百分點；當(dāng)磨礦產(chǎn)品中-0.2+0.038mm易選粒級含量增加1個百分點時，回收率增加0.92個百分點，這也與大山選廠目前的生產(chǎn)相吻合，大山選廠球磨參數(shù)工藝優(yōu)化試驗期選廠生產(chǎn)指標(biāo)見表7［45］。

表7　大山選廠球磨參數(shù)工藝優(yōu)化試驗期生產(chǎn)指標(biāo)

5 結(jié)論

從近些年碎磨技術(shù)的研究進(jìn)展來看，碎磨設(shè)備以大型化、高效率、低能耗、易于自動控制為發(fā)展方向，借力于新理念、先進(jìn)材料和制造技術(shù)、自動化水平等技術(shù)進(jìn)步，在傳統(tǒng)的碎磨設(shè)備改進(jìn)升級的同時，一批高效節(jié)能的新設(shè)備，如高壓輥磨機、旋盤式破碎機、立磨機和艾薩磨機等受到廣泛應(yīng)用。

在碎磨工藝方面，仍堅持“多碎少磨”的原則，如用高壓輥磨機進(jìn)行細(xì)碎或超細(xì)碎、采用“破碎+棒磨+球磨”工藝流程進(jìn)一步降低入磨粒度，此外，采用一些能有效簡化工藝的流程如“半自磨+立磨”也是以后發(fā)展的趨勢。

從降低入磨粒度實現(xiàn)碎磨最低能耗、優(yōu)化磨礦介質(zhì)制度改善磨礦過程、研究助磨劑對磨礦效果的影響，到建立回收率與中間易選粒級含量的多元線性回歸模型，實現(xiàn)提高磨礦產(chǎn)品中間易選粒級含量對回收率影響的定量描述，這一系列的研究逐步實現(xiàn)了磨礦工藝參數(shù)對磨礦及后續(xù)影響的系統(tǒng)化研究。

參考文獻(xiàn)

［1］趙宇軒, 王銀東. 選礦破碎理論及破碎設(shè)備概述[J]. 中國礦業(yè), 2012, 21(11):103-105, 109.

［2］吳建明. 焦家金礦破碎機腔型改造的實踐[J]. 礦冶, 2000(2): 76-81.

［3］郎世平, 發(fā)新, 郎寶賢. 對HP圓錐破碎機的分析[J]. 礦山機械, 2006, 34(4): 52-53.

［4］張長久. HP型圓錐破碎機提高碎磨效率生產(chǎn)實踐[C]. 中國博鰲, 2004年全國選礦新技術(shù)及其發(fā)展方向?qū)W術(shù)研討與技術(shù)交流會: 204, 237-242.

［5］閆珅, 郭燚. 破碎機運動軌跡的計算機仿真研究[J]. 煤礦機械, 2014, 35(5): 213-215.

［6］張德浩, 陳蔚芳, 葉文華. 錘式破碎機主軸輥的計算機仿真與試驗?zāi)B(tài)分析[J]. 機械設(shè)計與研究, 2015, 31(2):140-142, 146.

［7］丁臨冬. 冶金礦山高壓輥磨機輥面磨損研究[J]. 礦業(yè)研究與開發(fā), 2014(3): 95-98.

［8］宋艾江, 田鶴, 李聰杰, 等. 國產(chǎn)高壓輥磨機在礦山行業(yè)的應(yīng)用[J].礦山機械, 2014(4):74-77.

［9］段希祥, 肖慶飛. 碎礦與磨礦[M]. 第三版. 北京:冶金工業(yè)出版社, 2012:124-233.

［10］韓躍新, 王澤紅. 破碎磨礦技術(shù)進(jìn)展及趨勢[C]. 沈陽:第九屆中國選礦大會論文集, 2009:1-8.

［11］劉琨. 金屬礦磨礦設(shè)備研究與應(yīng)用新進(jìn)展[J]. 中國資源綜合利用, 2014(3): 40-42.

［12］井維和, 劉偉, 王越, 等. 烏山銅鉬礦二期SABC破碎流程設(shè)計及生產(chǎn)實踐[J]. 黃金, 2015(6):60-64.

［13］黃河. 球磨機襯板材質(zhì)綜述[J]. 礦山機械, 2010, 38(14):19-22.

［14］鄧林欣. 進(jìn)口球磨機襯板改進(jìn)[J]. 礦山機械, 2006, 34(7):130-131.

［15］姜冬林, 劉桂紅, 劉蘭花. 球磨機磁性襯板在鐵礦選礦廠中的應(yīng)用[J]. 中國科技信息, 2014(23):77-79.

［16］石立, 張國旺, 肖驍. 金屬礦山選礦廠磨礦分級自動控制研究現(xiàn)狀[J]. 有色金屬(選礦部分), 2013(z1):44-49.

［17］秦虎, 劉志紅, 黃宋魏. 球磨機自動控制系統(tǒng)的研究[J]. 礦冶工程, 2010, 8(4):42-44.

［18］王會青, 張守元. 預(yù)測模糊控制在磨礦分級過程的應(yīng)用研究[J]. 礦冶工程, 2002, 22(9):60-62.

［19］萬小金, 周強. 立式攪拌超細(xì)磨機的研究與應(yīng)用[J]. 云南冶金, 2012, 41(4):12-15, 21, 26.

［20］盧世杰, 周宏喜, 何建成, 等. KLM型立式螺旋攪拌磨機的研究與應(yīng)用[J]. 有色金屬工程, 2014(2):69-72.

［21］李平, 梁文波. 立式塔磨機在規(guī)代礦山的應(yīng)用前景[C]. 中國成都,(第六屆)中國礦業(yè)科技大會, 2015:495-497, 503.

［22］金勇士. 艾薩磨技術(shù)的應(yīng)用及最新進(jìn)展[J]. 有色設(shè)備, 2013(4):15-19.

［23］Paul W. Cleary, Matt D. Sinnott, Gerald G. Pereira. Computational prediction of performance for a full scale Isamill: Part 1- Media motion and energy utilisation in a dry mill [J]. Minerals Engineering, 2015(79): 220-238.

［24］李長根. 澳大利亞蒙特艾薩鋅－鉛－銀－銅礦山[J]. 礦產(chǎn)綜合利用, 2012(10):64-68.

［25］張光烈. 高效節(jié)能碎磨設(shè)備的技術(shù)特點及應(yīng)用[J]. 中國礦業(yè), 2011, 7(20): 14-18.

［26］Pease J, et al. Autogenous and inert milling is a mill [C]. Vancouver Canada, The Committee of International Autogenous And Semiautogenous Grinding Technology, 2006, I-230.

［27］彭會清. 中礦選擇性分級再磨工藝:中國, 981131344 [P]. 1998-02-23.

［28］袁源平, 彭會清. 提高永平銅礦選銅回收率的試驗研究[J]. 金屬礦山, 2011(8):86-88, 93.

［29］Jankovic A, et al, Design and implementation of an AVC grinding circuit at BHP billiton Canmington [C]. Vancouver Canada, The Committee of International Autogenous And Semiautogenous Grinding Technology, 2006, II-290.

［30］肖慶飛, 汪太平, 胡新付. 一種確定礦石最佳入磨粒度的方法: 中國, 201410814747.0 [P]. 2014-12-24.

［31］段希祥. 球磨機鋼球尺寸的理論計算研究[J]. 中國科學(xué), A輯, 1989, 19(8):856-863.

［32］肖慶飛, 胡新付, 趙紅芬. 一種基于礦石力學(xué)性質(zhì)確定鋼球直徑的方法:中國, 201410814692.3 [P]. 2014-12-24.

［33］汪太平, 肖慶飛, 李博, 等. 精確化裝補球制度在冬瓜山銅礦的應(yīng)用研究[J]. 昆明理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2015, 40(4):23-27.

［34］肖慶飛. 兩段磨礦精確化裝補球方法的開發(fā)及應(yīng)用研究[D]. 昆明:昆明理工大學(xué), 2008:43-53.

［35］段希祥, 周平, 潘新潮. 球磨機精確化裝補球方法[J]. 有色金屬(選礦部分), 2004(8):75-78.

［36］Matthew D. Sinnott, Paul W. Cleary, Rob D. Morrison. Is media shape important for grinding performance in stirred mills? [J]. Minerals Engineering, 2011, 24(2):138-151.

［37］段希祥, 羅春梅, 肖慶飛, 等. 一種用于磨礦機中的中細(xì)磨礦介質(zhì):中國, 200820081510.6 [P]. 2009-3-25.

［38］王晶, 肖慶飛, 羅春梅, 等. 會澤氧硫混合鉛鋅礦精礦再磨介質(zhì)優(yōu)化試驗研究[J]. 礦業(yè)研究與開發(fā), 2012(1):40-42, 77.

［39］F. Shi. Comparison of grinding media— Cylpebs versus balls [J]. Minerals Engineering, 2004, 17(11-12):1259-1268.

［40］肖慶飛, 石貴明, 段希祥. 新型細(xì)磨介質(zhì)的材質(zhì)選擇及應(yīng)用研究[J].礦冶, 2006, 15(1):15-17.

［41］解釗, 趙艷賓, 劉明實, 等. 高鉻鋼球在西藏甲瑪多金屬礦選廠的應(yīng)用[J]. 甘肅冶金 2014, 36(5):11-13.

［42］李博. 大型球磨機最佳充填率的探索及實踐研究[D]. 昆明:昆明理工大學(xué), 2014:60-65.

［43］王彩霞, 肖慶飛, 段希祥. 特大型球磨機球荷工作參數(shù)優(yōu)化研究[J].礦產(chǎn)綜合利用, 2014(6):45-48.

［44］段希祥. 選擇性磨礦及應(yīng)用[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社, 1990: 200-214.

［45］康懷斌. 大山選廠浮選回收率與磨礦產(chǎn)品粒度均勻性的多元線性回歸模型及應(yīng)用研究[D]. 昆明:昆明理工大學(xué), 2015:61-62.

Research Progresses and Applications of Crushing and Grinding Technology

XIAO Qing-fei1,2，KANG Huai-bin3，XIAO Hui4，ZHAN Xin-shun4，WU Qi-ming4，HONG Jian-hua4，ZHANG Hong-hua4
（1. State Key Laboratory of Complex Nonferrous Metal Resources Clean Utilization, Kunming, 650093, Yunnan, China; 2. Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology, Kunming, 650093, Yunnan, China; 3. Dongguashan Copper Mine, Tongling Nonferrous Metals Group Co. Ltd, Tongling, 244031, Anhui, China; 4.Jiangxi Copper Corporation, Nanchang, 330096, Jiangxi China）

Abstract:This paper introduced the update and upgrade of traditional crushing and grinding equipment and its latest development research, such as the application of high-pressure grinding roller, rotary crusher, verti-mill and ISA mill. Then based on the ore selective classification regrinding, the two kinds of typical processes were analyzed and remarked, studied on process flows of“semi self mill+vertimill”and“crusher+rod mill+ball mill”which can simplify the process flow of crushing and grinding. Finally, the research progresses improvement and applications were expounded from the best feed of grinding, size, proportion, shape and material of grinding media, filling ratio, grinding aids additives and the multiple linear regression model of recovery, easy dressing fraction’s and others.

Keywords:crushing；grinding；equipment；technological process；technological parameter

作者簡介：肖慶飛（1980-），男，安徽宿松人，博士，教授，主要從事碎磨理論與工藝的研究。E-mail:13515877@qq.com

*基金項目：云南省科技計劃項目基金（2013FZ022）

收稿日期：2015-12-07

中圖分類號：TD92

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3842（2016）01-0015-13