鄧中誠(chéng) 李 沛 池慧強(qiáng) 趙善忠 曹 釗

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 包頭 014010;3.白云鄂博共伴生礦資源高效綜合利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

目前,金屬礦細(xì)磨仍以球磨為主[1],礦石在磨機(jī)中受介質(zhì)群高頻次、隨機(jī)的沖擊-研磨作用而內(nèi)部裂隙發(fā)育直至最終粉碎,因而介質(zhì)類型(形狀與密度)對(duì)磨礦效果有直接影響[2]。其選型原則是在介質(zhì)碰撞能與礦石斷裂能相匹配的前提下盡可能提高碰撞頻次[3-5]。

從脆性斷裂力學(xué)的角度看單位質(zhì)量礦石的斷裂能隨細(xì)度增加而增加,如高純石英礦在1～1.18 mm時(shí)中位比斷裂能約300 J/kg,而磨細(xì)至0.25～0.35 mm 時(shí),由于裂隙豐富程度大幅度降低,其中位比斷裂能就激增至2 500 J/kg 左右,宏觀上表現(xiàn)為“越細(xì)越難磨”[6]。然而,細(xì)粒礦石的斷裂能絕對(duì)值很低,如0.25～0.30 mm 單個(gè)石英顆粒的中位斷裂能約為95 mJ,即用質(zhì)量為100 g 的小球從10 cm 處落下就有50%的概率將其砸碎?？梢钥闯?在礦石細(xì)磨中,介質(zhì)并不需要太高的碰撞能量。應(yīng)考慮用輕型介質(zhì)代替常規(guī)的鐵基介質(zhì)(鋼球或鋼段)[7-9],如此便可在同樣裝載量下有更多的介質(zhì)進(jìn)而提高碰撞頻次,實(shí)現(xiàn)節(jié)能、降耗、提效的目的。此外,從粉碎產(chǎn)品粒度分布來看,采用密度較低的介質(zhì)以減少高能沖擊,會(huì)有效減輕過粉碎現(xiàn)象[10]。

陶瓷密度約3.8 g/cm3,約為鋼鐵密度的一半,且表面硬度大、耐磨性極佳,隨著技術(shù)進(jìn)步,陶瓷的抗沖擊能力不斷提高,可以考慮將陶瓷球作為金屬礦細(xì)磨介質(zhì)[11-12]。

白云鄂博某鐵礦選廠(以下簡(jiǎn)稱“選廠”)采用三階段磨礦—磁選工藝。第三段細(xì)磨以鋼段為介質(zhì),最大尺寸?30 mm×40 mm、介質(zhì)填充率22%、總填充率30%、礦漿濃度65%、磨機(jī)轉(zhuǎn)速率74%。目前存在產(chǎn)能低、能耗高、產(chǎn)品粒度粗的問題。對(duì)此,展開細(xì)磨介質(zhì)選型優(yōu)化研究,以磨礦速率、能量利用率、產(chǎn)品粒度分布特征、解離度和可選性為指標(biāo),對(duì)比研究鋼段、鋼球和陶瓷球?qū)υ撹F礦細(xì)磨作業(yè)的適用性。

1 試驗(yàn)原料及試驗(yàn)設(shè)備

1.1 試樣性質(zhì)

試驗(yàn)礦樣選取白云鄂博某鐵礦選廠第三段細(xì)磨給礦,經(jīng)滴定法測(cè)定全鐵含量為57.55%,經(jīng)密度瓶法測(cè)定其真密度為4.55 g/cm3。給礦粒度分布見圖1,負(fù)累計(jì)到80%對(duì)應(yīng)粒度為72 μm,-75 μm 粒級(jí)含量為83.8%。

圖1 給礦粒度分布Fig.1 The size distribution of the feed

經(jīng)BPMA 工藝礦物學(xué)分析,給礦主要鐵礦物為磁鐵礦,脈石礦物主要為白云石、云母、方解石等,詳見表1,礦物嵌布狀態(tài)見圖2。礦石中91.1%磁鐵礦單體解離,8.1%與白云石連生,其余與霓石等脈石礦物連生。

表1 給礦礦物組成Table 1 Mineral composition of the feed %

圖2 給礦BPMA 礦物嵌布特性分析Fig.2 The minerals texture of the feed analyzed by BPMA

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法

采用小型批次磨礦試驗(yàn),主要設(shè)備及其作用見表2,磨礦平臺(tái)見圖3。需要特別指出的是考察鋼段時(shí)不應(yīng)使用小尺寸錐形筒體,因其嚴(yán)重限制了介質(zhì)群運(yùn)動(dòng),如使用?25 mm×35 mm 鋼段在實(shí)驗(yàn)室XQM240×90 錐形球磨機(jī)中運(yùn)行,在一定條件下,介質(zhì)間相互作用會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)群“卡停”而磨機(jī)空轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

表2 試驗(yàn)設(shè)備及其作用Table 2 Experimental equipments and their functions

圖3 磨礦試驗(yàn)平臺(tái)Fig.3 Grinding experiment platform

在生產(chǎn)中若只補(bǔ)加最大球,在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后介質(zhì)級(jí)配會(huì)趨于穩(wěn)定,此時(shí)為平衡級(jí)配,與初裝球級(jí)配關(guān)系不大。本文不將級(jí)配作為研究對(duì)象,所有試驗(yàn)均采用平衡級(jí)配。濕磨中鋼球的磨損規(guī)律為等距磨損(equal film wear),即不論大小,在相同時(shí)間磨損后在各方向上減少相同的尺寸,由此推導(dǎo)出平衡級(jí)配中介質(zhì)尺寸的累計(jì)分布:

式中,B為介質(zhì)尺寸,Bmax為最大介質(zhì)尺寸,mm;PB是介質(zhì)在尺寸B時(shí)的累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;m為分布模數(shù),介質(zhì)為鋼球時(shí),值為3.84,推斷陶瓷球和小尺寸鋼段的分布模數(shù)也接近該值。

依據(jù)式(1)可計(jì)算陶瓷球與鋼球的平衡級(jí)配,若介質(zhì)為鋼段,則以圓柱的直徑為依據(jù)計(jì)算,也可用體積等效直徑。陶瓷球、鋼球、鋼段的尺寸平衡級(jí)配計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 平衡級(jí)配表Table 3 Equilibrium balance for grinding media

1.3 磨礦效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)價(jià)磨礦效果的主要指標(biāo)如下:

(1)磨礦細(xì)度。以磨礦產(chǎn)品中-75 μm 含量表征,單位%;

(2)磨礦速率(產(chǎn)率)。以新增-75 μm 粒級(jí)質(zhì)量Q75表示,單位g/min;當(dāng)給礦質(zhì)量相同時(shí),也可用新增-75 μm 粒級(jí)含量q75表征,單位%/min;

(3)能量利用效率。對(duì)單位質(zhì)量給礦輸入一定能量后產(chǎn)生的新增粒級(jí)量,以新增粒級(jí)質(zhì)量Q75與比能耗Em的關(guān)系曲線表征;當(dāng)給礦質(zhì)量相同時(shí),質(zhì)量可用含量代替。比能耗的計(jì)算見式(2)[14]:

式中,M為干礦質(zhì)量,kg;tm為磨礦時(shí)間;Pm為磨機(jī)機(jī)械功率,kW,即軸向扭矩與轉(zhuǎn)速的乘積,兩者由轉(zhuǎn)速扭矩儀測(cè)定,機(jī)械功率的計(jì)算見式(3):

式中,T為扭矩,N·m;n為轉(zhuǎn)速,r/min。

(4)解離度。以單體解離度表征,本研究中磁鐵礦與脈石礦物連生程度小于10%即為單體解離。

(5)磨礦產(chǎn)品的可選性。以磁選產(chǎn)品的全鐵品位、回收率及分選效率表征,其中分選效率ES是綜合考慮回收效果(回收率)和選別效果(品位)的指標(biāo),其定義見式(4)。

式中:C為精礦占給礦總量的百分?jǐn)?shù),%;α1為精礦品位,%;m為有價(jià)礦物的金屬含量百分比,即Fe3O4中Fe 含量為72.4%;α為原礦品位,%。

(6)過粉碎程度。一般認(rèn)為濕式磁選作業(yè)時(shí),物料粒級(jí)小于19 μm 時(shí)不利于選別,應(yīng)在整體磨細(xì)的同時(shí)盡可能減少該粒級(jí)的產(chǎn)生;本文以新增-19 μm粒級(jí)含量與-75 μm 粒級(jí)含量關(guān)系曲線表征過粉碎程度?，F(xiàn)場(chǎng)認(rèn)為75～19 μm 粒級(jí)物料容易被回收,本文稱該粒級(jí)為“易選粒級(jí)”。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

研究主要以等介質(zhì)量等礦量批次磨礦試驗(yàn)考察3 種介質(zhì)細(xì)磨鐵礦的適用性。在此之前,需確定合適的介質(zhì)尺寸、介質(zhì)填充率等作業(yè)參數(shù)。

2.1 磨礦試驗(yàn)參數(shù)的確定

試驗(yàn)方案與結(jié)果見表4,分析可知:

表4 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)條件及結(jié)果Table 4 Parameter optimization test conditions and results

(1)對(duì)比試驗(yàn)Ⅰ、Ⅱ與試驗(yàn)Ⅲ、Ⅳ發(fā)現(xiàn),選用小尺寸介質(zhì)時(shí),磨礦產(chǎn)品粒度更細(xì)、磨礦速率更高、比能耗更低。鋼球也是球形介質(zhì),在尺寸上的規(guī)律與陶瓷球一致。因此,確定陶瓷球、鋼球尺寸均為?25 mm,鋼段尺寸為?25 mm×35 mm。

(2)對(duì)比試驗(yàn)Ⅱ、Ⅴ發(fā)現(xiàn),高填充率能有效提高陶瓷球磨礦細(xì)度和磨礦速率,并大幅度降低比能耗。因此陶瓷球介質(zhì)填充率與總填充率選用44%。

(3)對(duì)比試驗(yàn)Ⅱ、Ⅵ發(fā)現(xiàn),降低礦漿濃度會(huì)小幅度提升產(chǎn)率但增加了比能耗,作用不大,因此礦漿濃度沿用現(xiàn)場(chǎng)值,為65%。

2.2 等介質(zhì)量等礦量磨礦試驗(yàn)結(jié)果

在等介質(zhì)量、等礦量的條件下,3 種介質(zhì)磨礦的比功率相近,便于在相近能量輸入水平下對(duì)比其磨礦效果,避免了等填充率下因介質(zhì)密度不同導(dǎo)致比功率差異過大的局限(等填充率下,陶瓷球磨礦功率約為鋼介質(zhì)磨礦的1/2)。在陶瓷球磨礦的介質(zhì)填充率為44%時(shí),介質(zhì)質(zhì)量為30.2 kg,干礦質(zhì)量為7.1 kg 的條件下,分別做磨礦動(dòng)力學(xué)試驗(yàn),比較陶瓷球、鋼球和鋼段這3種介質(zhì)對(duì)磁鐵礦細(xì)磨的效果,具體參數(shù)如表5 所示。

由表5 可知,等介質(zhì)量條件下,陶瓷球的個(gè)數(shù)是鋼球的兩倍,是鋼段的5 倍;而陶瓷球的總表面積是鋼球、鋼段的兩倍。

表5 陶瓷球、鋼球、鋼段的總介質(zhì)數(shù)量及總表面積Table 5 The total media number and surface area of ceramic ball,stell ball and stell cylpeb

2.2.1 產(chǎn)品粒度分布特征

不同磨礦時(shí)間的磨礦產(chǎn)品細(xì)度見圖4。3 種介質(zhì)磨礦產(chǎn)品粒度分布曲線的形狀基本一致。從磨礦細(xì)度看,陶瓷球產(chǎn)品高于鋼球,鋼球略高于鋼段。該趨勢(shì)與表5 中各介質(zhì)對(duì)應(yīng)的總數(shù)量一致。

圖4 產(chǎn)品粒度隨磨礦時(shí)間變化Fig.4 Variation of particle size distribution with grinding time

圖5 為不同介質(zhì)磨礦產(chǎn)品的新增-75 μm 粒級(jí)含量與新增-19 μm 粒級(jí)含量關(guān)系曲線。曲線越貼近橫坐標(biāo),說明過粉碎程度越低,即產(chǎn)生一定-75 μm粒級(jí)物料時(shí)會(huì)產(chǎn)生更少的-19 μm 粒級(jí)物料。因此,鋼球磨礦過粉碎程度最大,其次是陶瓷球,鋼段最低。

圖5 新增-19 μm 粒級(jí)含量與新增-75 μm 粒級(jí)含量關(guān)系Fig.5 Relationship between newly born -19 μm content and -75 μm content

2.2.2 磨礦速率與能量利用效率

2.2.2.1 磨礦速率

新增-75 μm 粒級(jí)含量隨磨礦時(shí)間增長(zhǎng)如圖6 所示,其斜率可表征磨礦速率?？梢钥闯鎏沾汕蚰サV最快,鋼球次之,鋼段最慢。

圖6 新增-75 μm 粒級(jí)含量與磨礦時(shí)間關(guān)系Fig.6 Increment of -75 μm size fraction content with grinding time

磨礦產(chǎn)品中75～19 μm 粒級(jí)含量隨磨礦時(shí)間的變化見圖7。磨礦初期陶瓷球磨礦產(chǎn)品中新增-75 μm粒級(jí)含量明顯超過鋼介質(zhì);隨著磨礦時(shí)間增長(zhǎng),該指標(biāo)又大幅度降低,這反映出隨著磨礦時(shí)間延長(zhǎng)至2 min 后,陶瓷球磨礦產(chǎn)品中75～19 μm 的細(xì)粒大量且快速地向-19 μm 微細(xì)粒轉(zhuǎn)化。75～19 μm 粒級(jí)磁鐵礦是否更易被磁選,有待后續(xù)試驗(yàn)證明。

圖7 75～19 μm 粒級(jí)含量與磨礦時(shí)間關(guān)系Fig.7 Variation of 75～19 μm size fraction content with grinding time

2.2.2.2 能量利用效率

新增-75 μm 粒級(jí)含量隨比能耗增加情況如圖8所示。磨礦過程中,當(dāng)比能耗相同時(shí),陶瓷球較鋼段獲得新增細(xì)粒級(jí)的含量最高,鋼球其次,鋼段最低。

圖8 新增-75 μm 含量隨比能耗變化Fig.8 Increment of -75 μm size fraction content with specific energy consumption

2.2.3 產(chǎn)品解離特征

磁鐵礦單體解離度隨細(xì)度的變化規(guī)律見圖9。從斜率看,整體上鋼段磨礦產(chǎn)品的解離度隨細(xì)度增加最顯著。然而在試驗(yàn)終點(diǎn)時(shí),陶瓷球磨礦產(chǎn)品細(xì)度明顯高于鋼段的。

圖9 磁鐵礦單體解離度隨磨礦細(xì)度的變化Fig.9 Variation of monomer dissociation degree of magnetite with grinding fineness

解離度隨比能耗的變化規(guī)律見圖10。輸入單位比能耗陶瓷球磨礦獲得的解離度最高,而鋼球與鋼段在1.0 kW·h/t 及更高比能耗輸入下獲得的磁鐵礦解離度接近。

圖10 磁鐵礦解離度隨比能耗的變化Fig.10 Variation of magnetite dissociation degree with specific energy consumption

2.2.4 產(chǎn)品可選性

對(duì)不同介質(zhì)磨礦不同時(shí)間的產(chǎn)品進(jìn)行磁選,選別效果見圖11。由圖11 可知,陶瓷球磨礦產(chǎn)品的品位和回收率整體較高,鋼段與鋼球的指標(biāo)對(duì)比較復(fù)雜,需用選別效率描述。

圖11 磁選精礦品位與回收率隨磨礦細(xì)度的變化Fig.11 Grade and recovery of magnetic concentrate changes with grinding fineness

選別效率隨磨礦細(xì)度(-75 μm)的變化規(guī)律見圖12(a)。整體看,陶瓷球磨礦產(chǎn)品經(jīng)磁選能獲得最高的選別效率,其次為鋼段,最后為鋼球。此外,隨著細(xì)度增加,選別效率會(huì)下降。

選別效率隨著75～19 μm 粒級(jí)含量的變化規(guī)律見圖12(b)。只有陶瓷球產(chǎn)品的選別效率符合預(yù)期,由此可知易選粒級(jí)的具體范圍不是絕對(duì)的,其受磨礦條件影響,特別是受介質(zhì)種類影響。

圖12 選別效率隨磨礦細(xì)度的變化Fig.12 Selection efficiency changes with grinding fineness

選別效率隨磨礦比能耗的變化規(guī)律見圖13,可以看出應(yīng)用陶瓷球磨礦能在最低的磨礦比能耗下獲得最高的選別效率,增效顯著,其次為鋼段,再次為鋼球。

圖13 選別效率隨磨礦比能耗的變化Fig.13 Variation of separation efficiency with specific grinding energy consumption

3 介質(zhì)選型分析

針對(duì)試驗(yàn)中的磁鐵礦細(xì)磨開展介質(zhì)選型分析。

從“增產(chǎn)”角度看(即提高磨礦速率),陶瓷球磨礦的新增-75 μm 粒級(jí)量最快,為鋼球的2 倍,為鋼段的2.5 倍(圖6),這與介質(zhì)總個(gè)數(shù)呈密切正相關(guān)(表5)。

從“節(jié)能”角度看(即提高能量利用效率),陶瓷球磨礦在單位比能耗下新增-75 μm 粒級(jí)量最多,其效率約為鋼球的2 倍,為鋼段的3 倍(圖8)。裝載量相同時(shí),輕質(zhì)介質(zhì)的功率更低,因其填充率更高,其介質(zhì)群質(zhì)心距中心更近,提升力矩更小;而鋼段比球形介質(zhì)的功率高,因其幾何上各向異性,介質(zhì)間的摩擦更大,介質(zhì)群被提升得更高,提升力矩更大[15]。

從“提效”角度看(即產(chǎn)品可選性),陶瓷球磨礦在較低能量輸入下的產(chǎn)品可選性最好,其次為鋼段,最次為鋼球(圖13),這與3 種介質(zhì)磨礦產(chǎn)品能量-解離度的關(guān)系基本一致(圖10)。此外,本研究驗(yàn)證了短棒形介質(zhì)有減輕過磨(圖5)的作用,且發(fā)現(xiàn)細(xì)度較低時(shí)有較高的解離度(圖9),這應(yīng)歸功于介質(zhì)形狀帶來的線接觸作用。

綜上,僅從磨礦的技術(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià),白云鄂博西礦鐵礦的細(xì)磨應(yīng)優(yōu)先選擇陶瓷球。

4 結(jié)論

(1)鐵礦細(xì)磨應(yīng)優(yōu)先選擇陶瓷球作為磨礦介質(zhì),在同等裝載量下,因其介質(zhì)個(gè)數(shù)最多、作用頻次最大,陶瓷球磨礦速率和能量利用率明顯優(yōu)于鋼介質(zhì),且在短時(shí)間磨礦時(shí)其產(chǎn)品的解離度高,因而可選性好。

(2)當(dāng)僅限于鋼介質(zhì)時(shí),若需保證高產(chǎn)率和較高能量利用效率則應(yīng)選擇鋼球;若為改善選別效果,則應(yīng)選擇鋼段。

(3)至少在短時(shí)間磨礦中,較球形介質(zhì),短棒形介質(zhì)能減少過磨,且同等細(xì)度下解離度更高,未來應(yīng)考察用陶瓷段細(xì)磨鐵礦的效果。