余潯

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

在選礦廠中，碎礦—磨礦雖然只是礦石入選前的準(zhǔn)備作業(yè)，但這部分的投資和能耗約占整個(gè)選礦廠投資和能耗的50%～60%，有些選礦廠甚至更高，可能高達(dá)70%。因此如何選擇經(jīng)濟(jì)合理、節(jié)能降耗、技術(shù)先進(jìn)的碎磨工藝流程就顯得尤為重要。

目前，金屬及有色金屬礦山最常用的碎磨工藝主要有以下幾種：1）多段破碎—棒磨—球磨工藝。這種流程常見(jiàn)于20世紀(jì)50-60年代，現(xiàn)在的新建選廠已極少采用。2）多段破碎—球磨工藝。這種流程即通常所稱的常規(guī)老三段碎磨工藝，仍是一種經(jīng)常被采用的經(jīng)典流程。3）一段破碎—全自磨/半自磨工藝。20世紀(jì)80-90年代以來(lái)，隨著（半）自磨機(jī)技術(shù)的發(fā)展及磨機(jī)規(guī)格的大型化，大多數(shù)大中型新建選廠或改擴(kuò)建選廠均采用了這種工藝。該工藝可有多種流程結(jié)構(gòu)，如單段全自磨/半自磨工藝、SAB、SABC、AP、APC等。4）二段（或三段）破碎—高壓輥磨—球磨工藝。這種工藝目前在許多鐵礦山有應(yīng)用。

通常碎磨工藝回路的設(shè)計(jì)選擇主要是圍繞磨機(jī)的選型進(jìn)行的。針對(duì)上述幾種碎磨工藝究竟要如何選擇，首先必須弄清影響流程工藝選擇的因素，在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行充分的試驗(yàn)研究，才能夠確定合理的碎磨工藝及磨機(jī)的選型。

1 影響碎磨流程選擇的因素

1.1 礦山地質(zhì)特征和礦床的賦存狀態(tài)[1]

由于均質(zhì)的礦床是極少見(jiàn)的，常見(jiàn)的是由多種不同巖型的礦體組成的礦床，這會(huì)導(dǎo)致不同項(xiàng)目所選擇的碎磨流程也可能是不相同的。以江西九江地區(qū)的城門(mén)山銅硫礦為例，該礦是由矽卡巖銅礦、斑巖銅礦和含銅黃鐵礦3種類型礦石組成的礦床，有10多個(gè)礦體，地下水豐富，其中，氧化礦帶深入到原生礦帶，甚至延引到湖底。礦石遇水有被泡軟的現(xiàn)象，故處理這種礦石不能用傳統(tǒng)的老三段，而只能采用粗碎+半自磨+球磨的碎磨流程。福建馬山鐵礦是單一的磁鐵礦礦床，品位較低。針對(duì)該礦特點(diǎn)，采用“多碎少磨”的破碎+單段球磨流程，并在碎礦段破碎至適合粒度時(shí)進(jìn)行粗粒拋尾。該流程可以提高后續(xù)選別流程的入選品位，減少磨礦量，降低選礦成本，提高選礦經(jīng)濟(jì)效益，具有自磨/半自磨流程無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

1.2 礦石的碎磨特性參數(shù)

礦石的特性，即礦石的碎磨特性參數(shù)，是影響碎磨流程選擇的重要因素。這些參數(shù)需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段獲取[1]。

邦德球磨功指數(shù)是用于預(yù)測(cè)碎磨工藝的經(jīng)典礦石碎磨特性參數(shù)。邦德球磨功指數(shù)在5～8 kWh/t時(shí)，表明礦石太軟，不適合自磨/半自磨工藝，宜用傳統(tǒng)老三段+球磨的磨礦工藝。邦德球磨功指數(shù)＞20 kWh/t時(shí)，表明礦石太硬，自磨/半自磨工藝會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的“頑石”積累，適宜的流程應(yīng)是高壓輥磨+球磨。但煉銅爐渣是一個(gè)例外，它的球磨功指數(shù)雖然高達(dá)25 kWh/t以上，屬極硬的物料，但其性脆、易碎、難磨，因此仍采用了半自磨工藝。由于入選粒度細(xì)，渣選工藝一般用大容量的球磨機(jī)。國(guó)內(nèi)外大多數(shù)大型銅冶煉廠幾乎都是采用這一流程。

半自磨工藝的邦德球磨功指數(shù)適應(yīng)區(qū)間為8～20 kWh/t，其中小于15 kWh/t時(shí)可采用SAB流程；大于15 kWh/t時(shí)一般用SABC流程。全自磨工藝一般僅適于中等硬度礦石，邦德球磨功指數(shù)為12～20 kWh/t。由此可見(jiàn)，全自磨的適應(yīng)范圍略窄，而半自磨工藝幾乎可適用于所有硬度的礦石，只是根據(jù)不同的工藝參數(shù)，其磨礦流程的結(jié)構(gòu)有所不同。

1.3 后續(xù)選別工藝對(duì)碎磨產(chǎn)品粒度的要求[1]

碎磨工藝畢竟是后續(xù)選冶工藝的準(zhǔn)備作業(yè)，因此后續(xù)選別工藝對(duì)碎磨產(chǎn)品粒度的要求也是影響碎磨流程選擇的重要因素。

福建寧化行洛坑鎢礦采用重選工藝，要求分選粒度為-0.5 mm；因此采用了傳統(tǒng)的碎磨流程，設(shè)計(jì)了三段一閉路碎礦+一段棒磨的工藝流程。

剛果（金）希圖魯銅礦處理高品位的氧化銅礦石，經(jīng)試驗(yàn)只能用攪拌浸出濕法冶金工藝產(chǎn)出陰極銅。試驗(yàn)確定最佳浸出粒度為-0.3 mm，而礦石風(fēng)化嚴(yán)重，含泥含水，經(jīng)碎磨流程比較，選擇了粗碎+單段半自磨+高頻細(xì)篩閉路的碎磨流程。投產(chǎn)后流程暢通，達(dá)到甚至超過(guò)了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1.4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析

在技術(shù)上擬定處理特定礦石的碎磨工藝流程，在經(jīng)濟(jì)上，仍然要綜合環(huán)保、節(jié)能等因素，通過(guò)方案分析和比較，選擇一個(gè)更為經(jīng)濟(jì)合理的流程。

太鋼袁家村鐵礦，規(guī)模 2.3×104kt/a，根據(jù)礦石特性參數(shù)和高壓輥磨試驗(yàn)資料，擬定了半自磨+球磨、高能破碎+單段球磨和高壓輥磨（即第三段破碎用高壓輥磨）+單段球磨三個(gè)方案進(jìn)行比較。最終，半自磨+球磨方案各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于另兩個(gè)方案，為此選擇了SABC流程。

1.5 工程特點(diǎn)及業(yè)主的愿望

對(duì)于一些改擴(kuò)建工程，由于受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，以及業(yè)主要求不影響現(xiàn)有生產(chǎn)的約束，不可能像新建選廠那樣進(jìn)行多方案流程比較，只能因地制宜。例如福建某鎢礦選廠已生產(chǎn)十多年，隨著開(kāi)采深度延深，礦石性質(zhì)變硬，碎磨工段產(chǎn)能達(dá)不到原設(shè)計(jì)能力，必須進(jìn)行改造。經(jīng)試驗(yàn)選用了國(guó)產(chǎn)的高壓輥磨機(jī)作為第四段破碎設(shè)備，將棒磨機(jī)的給礦粒度從12 mm降至6 mm左右，磨礦生產(chǎn)能力提高了30%。

2 碎磨回路設(shè)計(jì)中磨礦段數(shù)的確定

磨礦段數(shù)主要取決于礦石的嵌布粒度特性和后續(xù)選別工藝所需的粒度，即磨礦產(chǎn)品粒度的要求。

當(dāng)磨礦產(chǎn)品粒度P80＞106 μm （相當(dāng)于-200目＜65%），應(yīng)選擇單段磨礦流程，可采用常規(guī)多段高能碎礦+單段球磨流程和單段（半）自磨工藝。而當(dāng)產(chǎn)品粒度要求+150 μm在20%左右時(shí)，通常多選擇單段全自磨或單段半自磨工藝。

當(dāng)磨礦產(chǎn)品粒度P80=106～75 μm（相當(dāng)于-200目65%～80%），通常選擇兩段磨礦流程，包括常規(guī)兩段球磨，ABC、APC、SAB 及 SABC 的自磨/半自磨兩段磨礦流程，但對(duì)于小型選廠也可考慮單段磨礦流程。

磨礦產(chǎn)品粒度為P80=75～55 μm（相當(dāng)于-200目80%～90%）時(shí)，無(wú)論是常規(guī)磨礦還是自磨/半自磨流程均宜選擇兩段磨礦流程。

3 礦石碎磨性能參數(shù)的測(cè)試試驗(yàn)

碎磨回路設(shè)計(jì)前都必須對(duì)所處理的礦石進(jìn)行充分的碎磨試驗(yàn)和碎磨參數(shù)的測(cè)試，包括邦德棒磨&球磨功指數(shù)、低能沖擊指數(shù)、磨蝕指數(shù)或直接測(cè)定自磨&半自磨功指數(shù)和工藝流程的模擬或半工業(yè)性試驗(yàn)，以作為設(shè)計(jì)依據(jù)。各種試驗(yàn)方法及所需試樣、粒度要求等如表1所示。

表1 礦石碎磨試驗(yàn)測(cè)試方法、樣品量及粒度要求[2-3]

4 磨機(jī)選型計(jì)算方法

4.1 棒磨機(jī)和球磨機(jī)的計(jì)算

目前在工程設(shè)計(jì)上主要應(yīng)用的是容積法和功耗法(亦稱邦德功指數(shù)法）。容積法又叫類比法，以單位磨礦容積處理量(以新生成級(jí)別計(jì))為基礎(chǔ)，根據(jù)類似選礦廠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)用方便，對(duì)小型磨機(jī)計(jì)算結(jié)果具有一定的可靠性。而功耗法是以單位礦石磨礦功耗為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，目前在國(guó)內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用。

容積法及功耗法在《選礦設(shè)計(jì)手冊(cè)》上有詳細(xì)的計(jì)算過(guò)程，在此不再詳述。應(yīng)該指出，容積法和功耗法雖然得到廣泛應(yīng)用，但還存在著某些缺陷，比如，給礦及產(chǎn)品粒度在兩種方法中均以其粒度分布曲線上的某一點(diǎn)來(lái)表示(容積法一般是-200目含量，功耗法是80%通過(guò)篩孔的粒度)，并不能代表物料的整個(gè)粒度分布；一些影響磨礦效果的重要因素在計(jì)算中未考慮，如分級(jí)效率、循環(huán)負(fù)荷、磨礦濃度、磨礦介質(zhì)(包括形狀、尺寸及其組成)以及磨機(jī)襯板結(jié)構(gòu)形式等。此外，容積法還未考慮磨機(jī)轉(zhuǎn)速率及介質(zhì)充填率的影響。

實(shí)踐證明，直徑為5.0 m及以下的球磨機(jī)，采用功耗法計(jì)算，結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用非常吻合，但隨著磨機(jī)規(guī)格增大，采用邦德功指數(shù)法計(jì)算的球磨機(jī)處理能力與實(shí)際生產(chǎn)能力出入也隨之增大[4]。這可能是由于球磨機(jī)直徑達(dá)到一定的限度(如5 m)后再增大時(shí)，磨機(jī)內(nèi)的介質(zhì)內(nèi)部會(huì)存在一個(gè)“惰性區(qū)”。為了降低這個(gè)惰性區(qū)的影響，磨機(jī)內(nèi)的充填率應(yīng)該相應(yīng)地降低(即相當(dāng)于球磨機(jī)的單位有效容積下降)，單位容積所需的輸入功率也相應(yīng)降低。這是大型磨機(jī)功率計(jì)算的一個(gè)應(yīng)慎重考慮的問(wèn)題。

4.2 自磨機(jī)和半自磨機(jī)的能耗計(jì)算

根據(jù)《選礦設(shè)計(jì)手冊(cè)》，自磨機(jī)和半自磨機(jī)的能耗主要是依據(jù)半工業(yè)(或工業(yè))試驗(yàn)結(jié)果來(lái)計(jì)算。然而由于半工業(yè)（或工業(yè)）試驗(yàn)需要礦量大、費(fèi)用高、耗時(shí)長(zhǎng)，已基本不再采用。目前，國(guó)外都是使用少量試樣在試驗(yàn)室內(nèi)完成所需的試驗(yàn)，再根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和大量實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，模擬（如JKSimMet)在不同條件下單位礦石的功耗，依此選擇和確定自磨/半自磨工藝流程和自磨/半自磨機(jī)的型號(hào)規(guī)格。以下介紹兩種計(jì)算方法。

1）S.Morrell方法。澳大利亞 SMCC公司的Stephen Morrell博士基于SMC試驗(yàn)提出的半自磨計(jì)算模型已廣泛應(yīng)用于半自磨機(jī)選型中。

粒度減少比功耗計(jì)算公式如下[5]：

式中：Mi為與破碎性質(zhì)相關(guān)的功指數(shù)，kWh/t。對(duì)磨礦而言，從最終破碎產(chǎn)品粒度到P80為750 μm （粗顆粒）定義為Mia，而細(xì)顆粒從P80為750 μm到最終磨礦產(chǎn)品（細(xì)顆粒）定義為Mib。Wi為比功耗，kWh/t。X2為產(chǎn)品中80%過(guò)篩。X1為給礦中80%過(guò)篩。f(xj)=-(0.295+Xj/1 000 000)。

對(duì)筒形磨機(jī)而言，比功耗（Wi）與小齒輪的功率

式中：W為小齒輪的功率，kW；F80為給礦中80%通過(guò)的粒度，mm；DWi為 SMC試驗(yàn)落重指數(shù)，kWh/m3；J為鋼球磨機(jī)的容積，%；?為磨機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速率，%；f（A1）為磨機(jī)長(zhǎng)徑比A1的函數(shù)；g(x)為半自磨機(jī)圓筒篩篩孔尺寸的函數(shù)；式中a、b、c、d、e、f、g為常數(shù)；K為常規(guī)磨礦回路，K=1，在AG/SAG回路中，有礫石破碎時(shí)，K=0.95。

2）中信重工關(guān)于半自磨機(jī)單位能耗的計(jì)算模型。相關(guān)。對(duì)于無(wú)齒輪傳動(dòng)而言，相當(dāng)于電機(jī)的功率；對(duì)高壓輥磨而言，它是輸入到輥軸的功率。同時(shí)，傳統(tǒng)的破碎Wi的比功率定義為電機(jī)輸入功率-空載功率。

小齒輪功率計(jì)算公式如下：

式中：ESAG為半自磨機(jī)單位能耗，kWh/t；A×b為礦石沖擊性能，JK落重試驗(yàn)值；RWi為邦德棒磨功指數(shù)，kWh/t；BWi為邦德球磨功指數(shù)，kWh/t；F80為半自磨機(jī)給礦中80%通過(guò)的粒度，μm；T80為半自磨機(jī)排礦中 80%通過(guò)的粒度，μm；K1、K2、K3為常數(shù)。

上述計(jì)算模型已經(jīng)成為磨礦回路設(shè)計(jì)和生產(chǎn)優(yōu)化的主要手段。設(shè)計(jì)人員將礦石碎磨特性測(cè)試所得參數(shù)輸入模型軟件，即可算出單位能耗，再輸入設(shè)計(jì)處理量，計(jì)算出工業(yè)磨機(jī)所需能耗，再參照數(shù)據(jù)庫(kù)中生產(chǎn)實(shí)踐案例和設(shè)備資料，初步擬定設(shè)備規(guī)格，模型軟件即可計(jì)算出所選設(shè)備的處理能力。如發(fā)現(xiàn)設(shè)備選型太大或太小，設(shè)計(jì)人員需重復(fù)以上步驟，直至選出合理的設(shè)備。由于計(jì)算的模型都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式建立的，同一礦石、不同模型計(jì)算的結(jié)果都有一些差異，特別是對(duì)半自磨機(jī)，因此在選用工業(yè)磨機(jī)時(shí)，要考慮一個(gè)安全系數(shù)，這個(gè)系數(shù)通常是計(jì)算總功率的15%～20%，也可理解為礦石的波動(dòng)系數(shù)。

5 計(jì)算實(shí)例

5.1 用Morrell公式計(jì)算的實(shí)例[5]

一個(gè)經(jīng)粗碎后P80=100 mm到磨礦最終產(chǎn)品P80=106 μm 的礦石，經(jīng) SMC 試驗(yàn)獲得：Mia=19.4 kWh/t，Mic=7.2 kWh/t，Mih=13.9 kWh/t，邦德球磨功指數(shù)Mib=18.8 kWh/t，按半自磨—球磨—礫石破碎回路(SABC)、第二段破碎—高壓輥磨—球磨回路(HPGR/B)、第二/第三段破碎—球磨回路(C/B)3種碎磨回路計(jì)算，其回路的單位礦石功耗的結(jié)果列于表2。

表2 三個(gè)碎磨回路單位礦石功耗的計(jì)算結(jié)果

從表2數(shù)據(jù)可看出，對(duì)這種硬礦石的處理，選擇HPGR/B碎磨回路，單位功耗最低。雖然C/B碎磨回路的單位功耗與其接近，但三段破碎的最終產(chǎn)品能否達(dá)到P80=6.5 mm，值得懷疑。通常采用高能破碎機(jī)理想的P80也只能達(dá)到7.5 mm，這樣破碎和單段球磨的單位功耗都會(huì)增大，總的單位功耗就可能接近SABC回路了。

用上述公式計(jì)算出的單位功耗，也就是該段作業(yè)處理礦石的凈功率，再乘以所處理的礦量（t/h）即為該段作業(yè)的需用功率。

5.2 中信重工SMC試驗(yàn)及計(jì)算實(shí)例

中信重工對(duì)剛果（金）某銅鈷礦項(xiàng)目進(jìn)行了SMC試驗(yàn)及邦德球磨功指數(shù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表3 SMC落重試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

表4 邦德球磨功指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)采用SAB流程，磨礦工藝參數(shù)為：F80≤150 mm，P80=82 μm(-200 目占 75%)，處理能力為 3 kt/d（125 t/h），設(shè)計(jì)波動(dòng)系數(shù)為 1.15。

經(jīng)JKSimMet模擬，半自磨的凈功率為1 061.21 kW，考慮波動(dòng)系數(shù) 1.15，其凈功率為 1 222.514 kW，再考慮傳動(dòng)效率系數(shù)0.95，其安裝功率應(yīng)為1 286.86 kW，可選擇1 300 kW電動(dòng)機(jī)。而球磨機(jī)的凈功率為1 364.5 kW，考慮波動(dòng)系數(shù) 1.15，其凈功率為 1 569.18 kW，再考慮傳動(dòng)效率系數(shù)0.95，其安裝功率應(yīng)為1 651.77 kW，可選擇1 700 kW電動(dòng)機(jī)。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，選擇 Φ5.5×3.0 m(EGL)半自磨機(jī) 1 臺(tái)，功率為 1 300 kW；Φ3.8×6.6 m 球磨機(jī) 1臺(tái)，功率為1 700 kW。項(xiàng)目建成投產(chǎn)即達(dá)產(chǎn)，整個(gè)磨礦回路能力可以達(dá)到3 600 t/d。

6 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

1）一定要全面了解所處理礦石的碎磨特性，進(jìn)行充分的測(cè)試工作，包括邦德功指數(shù)、JK落重試驗(yàn)。這兩項(xiàng)在國(guó)內(nèi)都有條件做，而半自磨功指數(shù)（SPI）和半自磨工藝設(shè)計(jì)（SAG design）及自磨功指數(shù)（Macpherson試驗(yàn)）目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有條件做，但在國(guó)外工程中，可能會(huì)有這方面的試驗(yàn)資料。只有在充分可靠的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，才能擬定正確的磨礦回路和設(shè)備選型。

2)要獲得充分全面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，必須采集足夠數(shù)量有代表性的礦樣。礦樣的采集需與地質(zhì)學(xué)家和采礦工程師緊密合作才能完成，特別是礦床上、中、下部及軟礦或硬礦的分布和數(shù)量的確定。

3)要了解和逐步熟悉各能耗模型的內(nèi)容和碎磨參數(shù)的關(guān)系，從而判斷設(shè)備廠家使用計(jì)算模型軟件做出的結(jié)論是否正確，包括擬定的磨礦回路的操作參數(shù)、設(shè)備選型及其工藝參數(shù)，以便進(jìn)行工藝水平的評(píng)估和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。對(duì)于單段自磨／半自磨回路，目前還沒(méi)有一個(gè)確切的模型軟件來(lái)計(jì)算，一般通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐資料來(lái)模擬。

4)隨著磨礦設(shè)備的大型化、電力供應(yīng)的保障程度提高、自動(dòng)化水平日益提高，以及操作和維修人工費(fèi)用的大幅增長(zhǎng)，磨礦回路采用單系列配置已成一種趨勢(shì)，如鹿鳴鉬礦設(shè)計(jì)規(guī)模為50 kt/d，采用SABC流程，只用了一個(gè)系列。目前，30 kt/d以下的自磨／半自磨回路幾乎都采用了一個(gè)系列的配置。