半工业型连续排矿球磨机中滞留量的研究—由于操作变量变化引起的动态变化.pdf

2 0 0 2年 2月 第 3 1卷 第 1期 有 色 矿 山 Non f e r r o u s M i ne s Fe b． ． 20 0 2 Vo 1 ． 3 1 NO． 1 半工业型连续排矿球磨机 中滞 留量的研 究 由于操 作变量变化 引起 的动态变化 P o l y S o n g f a c k ，R a j R a j a ma n i [ 摘要 ]过去 对球磨机滞 留量的实验 研究 ， 是使用 同位素指 示器及停 留时间分布分 析 R T D ， 在 研究 中 。 球磨 机 内的 所有介质在 实验后被称 重， 由于固定 的实验设置 ， 或 者是 在工 业闭路 磨机 中通过 R T D方 法测 量滞 留量 的难 度。 结 果在滞 留量测量和 磨机给矿之 间的相关关 系 不一致 。在 本实验 中， 仔 细制 定 的半 工业 实验 结果 使 磨机 滞 留 量的测 量能够在磨 机运行 中实时进行 ， 因而 ， 可得到 极 其准 确 的滞 留量数 据和 瞬 时滞 留量 数据 。根据 这些 数据 建 立起滞 留量作为操 作条件的 函数的正确趋 势。本文 对观 察到 的趋 势的 解释 有助 于说 明以前 发表 的数 据 的异 常情 况 。 [ 文章编号 ]1 0 0 2 ． 8 9 5 1 2 0 0 2 0 1 ． 0 0 2 6 ． 0 5 1 引言 当前在改进磨矿 回路效率时的主要障碍是缺乏 对在磨矿机 中物料输送机理 的了解。对于给定的操 作条件， 在磨机 中矿浆 的流动形式决定矿浆 的滞 留 量和排出磨机的固体的磨矿时间分布。矿物颗粒的 破碎速率取决于 滞留量， 所以滞 留量很大程度地 影 响着磨矿过程的效率。因此， 工业磨机运行时， 选择 一 套与最 大磨机 效率相 一致 的操 作条 件是 很重要 的， 对此唯一的可能是能 否有效 地预测磨机滞 留量 作为操作条件 如球 的装填量、 磨机速 度、 给矿 的矿 浆浓度、 给料量 和设 计参数 如磨机直径 、 长度、 提 升棒规格及排矿端耳轴直径 等的函数关系。 最近， 许多研究人员进行了研究， 以建立对球磨 机中物料输送的了解， 这些 研究主要是磨矿 时间分 布分析及滞 留量 的测量 。几乎 在所有的场合， 球 磨 机被看作一个黑 箱， 所有的信息都来 自于对 磨机给 矿和磨机产品的分析。 本研 究的 目的是促进对在湿式球磨机中矿浆流 动机理的了解。设计并制造 了一台半工业规模的磨 机 ， 可 以用各种操作参数对 矿浆滞 留量进行连续 测 量 ， 所做的实验用来研 究给 料量， 给 矿浓度， 磨机速 度， 排矿端耳轴直径对矿浆滞留量、 平均磨矿时间及 颗粒粒度分布的影响。 以前 在这 方面的实验研究是繁杂的， 并且 所研 究的操作参数的范 围非常窄， 主要 是 由于实验设备 限制操作灵活性， 相 比而言 ， 在这次研 究中建造的半 工业规模的磨机是特别设计 的， 可允许 操作参数 在 很宽 的范围内变化， 并且使数据收集 的步骤规范化。 事实上， 在磨机运行中， 滞留量的数据可 以通过在线 测量磨机内的重量直接得到。 2 半工 业规模 实验 的建立 半工业规模 磨机 是 ． 4 1 6 m0 ． 6 4 1 m 钢制 圆 筒体， 筒体上有一个 1 7 8 mm1 2 7 mm 的 门， 用于 装 卸磨矿钢球， 磨机 内装有八根 宽 1 3 mm， 高 6 mm 的 提 升棒， 给矿端是一个 1 5 。 锥、 中心孔直径 5 l mm、 并 与该 孔 连 接 一 鼓 型 给 料 器。一 个 3 m 长、直 径 0 ． 1 2 7 m 的螺旋给 料机， 把 矿石输送到鼓 型给 料器。 使用 了两块排放端盖 1 5 。 ， 这样溢流 排矿 口的直径 可以是 0 ． 1 0 2 m 或 0 ． 1 3 3 m。在溢 流 口安 装 了一个 粗的钢格栅 ， 防止磨机 内的钢球 外溢。磨机 内添加 钢球 ， 充填率 为磨机容积 的 3 0 ％～3 5 ％， 球 的直径 为均匀等级分布。 3 实验 建立一个实验 系统， 直接给 出连续读取在磨机 中滞 留量变化的数据， 当重 量指示器显 示值达到一 个稳态流量， 然后系统在没 有任何调整 的情 况下运 行约半个小时， 从磨机排矿 中取出约一 升的备份矿 样， 然后改变操作条件。在达到另一稳定状态之前 ， 由操作条件变化引起一段时间变化， 系统复原。 维普资讯 第 1 期 P o l y S o n g f a c k 半工业型连续排矿球磨机 中滞留量的研究 由于操作变量变化引起的动态变化 2 7 粒度分布的测定， 先通 过 3 2 5目湿 筛， 然后， 用 筛孔 由 3 2 5到 1 0目的标准套筛进行干 筛。 当在磨 机产品中测到相当多的细粒 时， 使用 一台米克路特 雷克 Mi c r o t r a c 粒度分析仪来完成较低范围内的粒 度分布分析。 4 矿浆滞留量随时间的变化 磨矿时间变 化对应 固体 给料 量的变 化见 图 1 。 在此运行期间， 装球量是 3 0 ％， 磨机转速率是 8 0 ％， 给矿 中 固体 浓度是 6 0 ％， 给矿 量变 化范 围为 1 4 ～ 1 6 3 k g ／ h ， 这些 数据作 为分析 磨机 中矿浆滞 留量 的 动态变化是合适的。 心j 旺 挺 图 1 半工业型 磨机 中矿 浆滞留量 的连续测量 首先， 矿浆 在通过 磨机耳轴排 出之前先充填到 溢流 口的边缘。当固体以 1 0 9 k g ／ h的恒 定速率给入 而填满有球介质的磨面空间， 如图 1所示， 需一定的 时间。矿浆填入磨矿介质空 隙的同时， 也 在磨机 中 集聚。然后， 在球 的顶 部形 成一个 矿浆池， 在此期 间， 只有少量的矿浆从磨机排 出。矿浆粘 附到磨机 的底部及提升棒上， 并从排矿端的顶部通过 排矿 口 自流流出， 即矿浆 的流 出是 由于超过排矿板 内侧外 溢的。矿浆液位达到排矿 口的唇缘 后， 滞 留量增加 的速率保持恒定， 然后， 矿浆开始溢流排 出且速率迅 速增加到与 给矿量 相一致。 当矿浆 开始 溢流排 出 时， 矿浆滞留量的值约和稳态值相同。 当磨机在较高的给矿浓度下运行时， 矿浆开始 溢流排 出时的矿浆 滞留量高于稳态值 ， 这个现象 是 由于磨机 内的矿浆浓度连续变化及 在矿浆开始溢流 排出和稳态之间粒度 分布 的连续变化 而形成的， 这 些变化影 响排矿速 率和 滞 留量的稳 态值。 图 2所 示， 动态表现是 在达到较低的稳态值之前， 滞 留量达 到一个较高的值。在磨机 中矿浆滞 留量在开始溢流 排 出时的值和它的稳态值之间的差随给矿浓度的增 加而增加． 这可从图 3中在较高给 矿浓度下矿浆滞 留量的动态变化 曲线看到。 蕊 囊 图 2 半工业型 磨机 中矿浆滞 留量的连续 测量 ∞ 蕊 鞋 器 图 3 半 工业型磨 机 中矿浆 滞留量 的连 续测量 图 1 ～图 3也表 明了磨机中矿浆滞留量的变化 与给矿量的变化 相对应， 滞 留量从一个稳 态值 到 另 一 个稳态值同样也有变化。但矿浆滞留量随时间的 变化对所有的给 矿浓度值不都是 一致的， 当给 矿浓 度高于 6 0 ％时， 磨机 中矿浆 滞 留量对时 间的 曲线， 其变化是 明显的。 5 磨机给矿 量 的影响 图 4所 示为矿浆 滞留量与 固体给矿量 的变化。 矿浆滞留量在 0～1 4 k g ／ h时， 随固体给矿量增加 而 急剧增加， 在更高 的给矿量 时矿浆 滞留量呈线性增 加。在较低的给矿量 下， 没有大 量的溢流从溢流 口 维普资讯 2 8 有 色 矿 山 2 0 0 2年 第 3 1卷 的内沿流出， 磨机 排出的矿浆主要是粘 附到提升棒 上及从排矿板的顶部通过溢流 口自流排出。磨机中 的矿浆滞留物主要是 非常粘 的细颗粒， 没有大量 的 浆池形成。当给矿量增 加时， 相 应地矿浆在 磨矿介 质的空隙和浆池 中积累， 矿浆滞 留量急剧增加， 增加 的速率随着固体给 矿量的增加而较高增 长， 直到矿 浆的液位达到溢流 口的内沿为止。 5 0 登 口1 艇 颦 3 0 ／ ， ， ， ▲ ， 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 同体给料量／ 6 g m 图 4 半工 业型磨机 中稳态矿浆 滞留量对 固体给料量 的变化 磨机 中矿浆 的液位达到 溢流排矿 口的内沿时， 滞留量随固体给矿量增加而 增加的速率 突然下降。 磨机 内矿浆 的体积随着 固体给矿量的增加而继续增 加， 以满足在排矿端矿浆流出的较高速度。事实上， 流体通过明渠从容器 内溢过导流堰排出的规律要求 排出速率 随着 高于溢 流堰 的矿浆 液位 的增加 而增 加。但在浆池中， 由于逆 向运动 的钢球 产生的波浪 有助于排出矿流 ， 并且 磨机 中的矿浆液 位变化较仅 因溢流堰 的机械 作用产生的流动 小的多。因此， 随 着给矿速率转化成滞 留量 的边缘增加量， 则滞 留体 积仅是适度的增加。 矿浆滞留量的增加主要是由于在滞 留量中固体 部分的增加引起矿浆密度 的增加所致， 滞 留矿浆浓 度的增 加是 磨机 内粗粒 物 料的积 累所致。众 所周 知， 磨机产品的平均粒 径随给矿量 的增 加而急剧增 加。例如， 当矿浆流过管道 时， 在管道 中的浓度大于 给矿和排放的浓度。在管道中和在给矿及排矿中的 浓度之间的差异随在矿浆中的物料的平均粒径和矿 浆中固液相之间的滑移速度 的增 加而增加， 由于滞 留矿浆的浓度高于给矿和 排矿的浓度， 所 以固体 的 平均停留时间高于液体的平均停 留时间。 滞 留量的浓度随矿浆 中物料 的变 粗而增 加， 最 终， 磨机 中矿浆 占有的体积几乎不变 ， 由于磨机内部 固体物料 的积累， 滞 留矿浆的重量 随着给料量 的增 加而 增 加 。 在本研究中建立起的矿浆滞留量和给料量之间 的相互关系与肯伯戈及赫伯斯特 的结果一致。他们 发现 ， 在开路状态下运行的 ． 7 6 m0 ． 4 6 m湿式溢 流型球磨机， 滞留矿浆的重量 以给 矿量五倍 的增 量 呈线性增加 ， 而其 矿浆给矿 中的固体部分维持 在重 量浓度 6 0 ％。这 个关系和克 雷姆珀 等 人提 出的模 型是一致的， 其模型表述稍有不 同 根据在 1台开路 配置的 如． 3 1 m0 ． 6 1 m 湿式溢流型球 磨机及一 台 5 ． 9 4 m5 ． 1 5 m 工业 球 磨机 中进行 的物 料输送 研 究， 归结 出磨机 中的体 积滞 留量为 磨机 给矿量的 5 倍， 但 由于在磨机中物料的积累， 磨机 中的矿浆滞 留 量的固体部分 随给矿速率而 逐级增加。最终， 在非 常低的固体给料速率 范围 内， 矿浆滞 留量随 固体给 料速率急剧增加， 随后 ， 在中等到高的给矿速 度范围 内呈线性增加 ， 该 结果与豪戈 等人所 阐述 的在开路 运行的 ． 3 1 m0 ． 6 1 m 湿式溢流型球 磨机 中进 行 的物料输送研究所得的浆池模型吻合很好。 这些研 究者 发现不同的相互关 系， 是因为从每 一 台给定的工业磨机得到一套数据所包含的只是很 窄的矿浆给矿速 率。进 一步而 言， 大部分 在建立这 些关系时使用的磨机 数据是在 闭路状态下 获得的， 在此状态下， 磨机的粒度分 布和实际矿浆 给矿速率 由于分级机的存在使磨机排矿的大部分再循环而变 化很大， 因而， 在给矿速率和 固体滞留量的关系可能 取决于磨机是否在开路或闭路状态下运行。 6 给矿 浓度 的影响 图 5所示为矿浆滞 留量与给矿中固体含量的变 化。这个 曲线基本上表示了三个不同的区域。在 固 体含量为 6 0 ％～7 0 ％的区域， 滞留量随给矿 中固体 含量的增加有少量的增加， 在 7 0 ％～7 5 ％几乎维持 不变。给矿 中固体量超过 7 5 ％时， 矿浆滞 留量急剧 增 加 。 要 了解给矿浓度对矿浆滞 留量 的影响， 必须考 虑矿浆浓度对矿浆密度和粘度 的影响。矿浆密度随 浓度的增加逐渐增加， 但矿浆粘度开始是逐渐增加， 而在较高浓度下呈指数增加。 浓度 在 6 0％～7 0 ％时， 矿浆 滞 留量 的重 量增 加， 部分是 由于矿浆体积增 加补偿 了由较高 粘度 引 起的对矿流的阻力的增加。除 了矿浆体积的增加之 外， 磨机中物料的重量由于矿浆密度的增加也增加。 维普资讯 第 1期 P o l y S o n g f a c k 半工业型连续排矿球 磨机 中滞留量的研究 由于操作变量变化引起的动态变化 2 9 6 0 晦 盈 嶷 4 0 f ／ ’ ．．● 图 5 半工业型磨机中稳态矿浆滞留量 对给料浓度的变化 浓度在 7 0 ％～7 5 ％时， 矿浆密度的增加与矿浆 粘度按指数增加共同影响着 磨矿球 荷的运动， 磨矿 球荷的肩部和足部位置朝着 磨机 的中心移动， 有助 于减少浆池液位及磨机 中矿浆体 积分布， 这 就抵消 了 由于矿浆密度和粘度增加引起的矿浆滞 留量增加 的趋 向。 给矿中固体超过 7 5 ％时， 其足部和肩部位置进 一 步朝着磨机中心移动， 矿浆从磨机 中的排出变得 困难 了。 并 且大量 的磨矿 球荷 出现在 磨机 排矿端 。 最终， 给矿浓度的连续增 加导致过 负荷的发生。 在本研究中发现的矿浆滞 留量随磨机给矿浓度 的变化与豪斯特 及拂利的结果 1 9 7 2 吻合很好， 他 们发现在 1台格子型球 磨机 中随 着给矿 浓度 的增 加， 矿浆滞 留量呈指数增加。 7磨机速 度 的影响 矿浆滞留量 随磨机速度 的动 态变 化见 图 6 ， 当 磨机的速度从临界速度的 6 0 ％变化到 7 0 ％时， 磨机 蛔 旺 挺 图 6 半工 业型磨机 中不同临 界转速下矿 浆 滞留量对时间的变化 的矿浆 滞 留量 几 乎没 有变 化 ， 当 磨机 速 度变 化 在 7 0 ％到 9 0 ％的临界速度范围内时， 矿浆滞留量在约 8 0 ％的临界速度时呈现一最大值。矿浆滞留量在磨 机速度上的依赖性被认为是 由于在磨机的矿浆和球 荷的分布形态随磨机速度的改变而变 化的结果。 在磨机速度为 6 0 ％～7 0 ％临界速度 时， 动态球 荷的形态和其充填空隙几乎没有变化， 因而 ， 矿浆滞 留量 仍 然没 有 变 化。 当磨 机速 度 从 7 0 ％增 加 到 8 0 ％的临界速度时， 球荷 的肩位 明显提高而 足位下 降， 并且球荷的空隙增 加。结果， 更多的矿浆被夹带 到球荷当中， 浆池的体 积也增加了， 导致 了矿浆滞 留 量的增 加。当超过 8 0 ％的临界速度 时， 充填介质的 空隙继续增加。 但 由于更多的球处于动态， 致使有效 的磨机球荷容积降低。有效磨机容积的降低导致矿 浆滞留量的降低。 在图 7中， 当固体 给矿量从 5 4 k g ／ h到 1 0 9 k g ／ h 时， 矿浆滞留量显示了与磨机速 度同样的变 化。并 且， 给矿中固体含量维持在 6 9 ． 4 ％。 ∞ 盈 嶷 图 7 半工业型磨机中稳态矿浆滞留量对 磨机速 度的变 化 8 溢流端耳轴直径和球 充填量的影响 当改变磨机的溢流排放端板 时。 最大球荷充填 率也 随之改变 。本 研究 采用 两个 不 同的排矿端 直 径， 分别可以达 到 3 O％和 3 5 ％的装球 量。 因而， 排 矿端直径 的影 响转 变为 在磨机 中最 大装球 量 的影 响 。 图 8中所示 矿浆滞 留量 对应 于 6 9 ． 4 ％的给 矿 浓度， 8 0 ％的临界转速 ， 3 4 ． 5 ％的装球 量， 溢流 口直 径 0 ． 1 1 2 m 时的动态变化。图 9所示矿浆滞留量随 给矿速率的变化是在 6 9 ． 4 ％的给矿浓度、 8 0 ％的临 界转速、 3 0 ％的装球量 ， 并且对应于 0 ． 1 3 3 m 的溢流 维普资讯 有色 矿 山 2 0 0 2年 第 3 1卷 口直 径， 3 4 ． 5 ％的装球量对 应于 0 ． 1 1 2 m 溢流 口直 径 。 ∞ 吕 暑 匝 擐 图 8 半工 业型磨 机中矿浆滞 留量 对 时间的变 化 ∞ 婵 蕊 图 9 半工 业型磨机 中不同装 球率下稳 态矿浆 滞留量对 固体给料 量的变化 在相 同给矿速率下， 较高的装球量， 由于球充填 的体积和浆池液位随着装球量的增 加及溢流 口直径 的减小而增加， 其矿浆滞 留量也大 。如图 9所示， 在 3 4 ． 5 ％和 3 0 ％的装球量及高 的给 矿速 率下， 矿浆滞 留量随着固体给矿速 率呈现直线增 加。然而 ， 直线 的斜率， 也就是矿浆滞留量增加的速率， 对于较高的 装球量是较低的。部分原因是 由于较大的球充填率 对固体物料施加了一个较高的磨矿作用， 因此 ， 在磨 机里的平均粒径细得多， 由于粗粒缺少， 矿浆容易流 出而降低了固体滞留量 。 矿浆滞留量也被认为是在不同固体给矿速率下 的装球量的函数， 如图 1 0所示， 连接 固体物料相 同 给料速率下的实验数据 的连线在低装球量的范围内 散射，并且向着假设 的占磨机体积 5 0 ％的球荷充填 率的一个点收敛 。这就证实了当装球量增加时，矿 浆给矿速率的增加对矿浆 滞留量有较少 的影 响， 也 证实了当球荷增加时， 随着装球量的增加， 磨矿作用 增加， 并且 引起滞留量增加 的被 磨物 料粗度的增加 也 减 少 。 ∞ 暑 匝 擐 图 1 0 半工 业型磨 机中不 同给 料量下 稳态 矿浆滞 留对装球 率的变化 在本研究中发现， 矿浆滞留量随着增加装球量， 或减小溢流 口直径而增 加的结果与克雷木珀等人的 其他发现 1 9 8 9 吻合很好 。 9 结论 新型半工业规模实验 的建立使得 当磨机运行 中 能够连续进行滞留量的测量 。瞬时滞留量数据表 明 磨机 内的物体不能够平滑地从一个稳态变到另一个 稳态。从 它的初始值开始， 滞 留量 的变 化超过下一 个稳态值 ， 然后 ， 振荡一段 时间后 ， 振 荡的幅度慢慢 降低， 直到达到稳态。当磨机在恶劣的条件下 高的 给矿量， 高的给矿浓度和高的 磨机 充填 率 运 行时， 振荡是非常剧烈的， 并且可能引起过 负荷。 矿浆滞 留量 随固体给 矿量 而增 加， 在非常低 的 给矿速率范围内其增 加是 急剧的， 在 由低到高 的给 矿速率范 围内呈线形。给矿浓度高 至 7 5 ％时， 滞留 量适度增加， 给 矿浓度 超过 7 5 ％时， 矿浆 滞留量 随 给矿浓度 呈指 数增 加， 并 且在 8 0 ％左 右 达到 过 负 荷 。矿浆滞留量也 随着装球量的增 加而增 加， 也就 是说， 由于溢流 口直径 的减小而增 加。矿浆滞 留量 对磨机速度的 曲线在 6 0 ％到 9 0％的临界速 度范围 内。 在大约 8 0 ％的临界速度时表 明为最大值。 杨松荣译 刘 文拯 校 维普资讯