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第3 7 卷第5 期中国矿业大学学报 V 0 1 .3 7N o .5 2 0 0 8 年9 月 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y S e p .2 0 0 8 冀东磁铁矿石粉碎过程节能降耗研究 李占金1 ’2 ,乔国刚2 ,米雪玉1 ,陈光1 ,王宇亮1 1 .河北理工大学交通与测绘学院,河北唐山0 6 3 0 0 9 ;2 .中国矿业大学力学与建筑工程学院,北京1 0 0 0 8 3 摘要为有效降低磁铁矿石粉碎能耗,将爆破、破碎、磨矿及相关的大块处理、铲装、运输等过程 作为一个系统来研究.在调查和试验基础上,采用统计、拟舍等方法,研究了各作业环节的能耗关 系,按照系统能耗最低原则,构建了“冀东鞍山式磁铁矿石粉碎合理能耗分布的数学模型”.结果 表明通过适当提高系统中能量利用率较高的爆破、碎矿作业能耗,降低能量利用率较低的磨矿 作业能耗,可使系统总耗能最小.运用该成果,时石人沟铁矿的爆破、碎矿、磨矿等作业的能耗重 新进行优化分配,使矿石粉碎总成本下降了3 .8 4 元/t ,每年节省费用4 6 0 .5 万元,节能降耗效果 显著. 关键词节能降耗;矿石粉碎;爆破;破碎;磨矿 中图分类号T D0 8 1文献标识码A文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 8 0 5 一0 6 2 5 0 5 E n e r g yS a v i n g sD u r i n gM a g n e t i t eO r e P r e p a r a t i o ni nE a s t e r nH e b e iP r o v i n c e L IZ h a n - j i n l ”,Q I A OG u o g a n 9 2 ,M IX u e - y u l , C H E NG u a n 9 1 ,W A N GY u - l i a n 9 1 1 .C o l l e g eo fT r a f f i ca n dM a p p i n gE n g i n e e r i n g ,H e b e iP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y ,T a n g s h a n ,H e b e i0 6 3 0 0 9 ,C h i n a ; 2 .S h o o lo fM e c h a n i c s C i v i lE n g i n e e r i n g 。C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g &T e c h n o l o g y ,B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ,C h i n a A b s t r a c t T or e d u c et h ee n e r g yr e q u i r e df o rb r e a k i n gd o w nm a g n e t i t eo r e - a l lt h ei n v o l v e d p r o c e s s e sw e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y .T h ev a r i o u sp r o c e s s e si n c l u d e db l a s t i n g ,c r u s h i n g , g r i n d i n g ,b u l kh a n d l i n g ,s h o v e le q u i p m e n ta n dt r a n s p o r t a t i o n .T h ev a r i o u sa s p e c t so ft h e s e o p e r a t i o n sw e r et e s t e da n dt h e ns t u d i e du s i n gs t a t i s t i c a la n df i t t i n gm e t h o d s .Am i n i m u me n e r g yc o n s u m p t i o nm o d e lo ft h ed i s t r i b u t i o no fe n e r g yw a se s t a b l i s h e df o ra nA n s h a nl i k em a g n e t i t eo r ep r e p a r a t i o np r o c e s sl o c a t e di ne a s t e r nH e b e ip r o v i n c e .T h er e s u l t ss h o wt h a tt h et o t a l e n e r g yc o n s u m p t i o no ft h ee n t i r ep r o c e s sd e c r e a s e sw h e nt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fb l a s t i n g a n dc r u s h i n gi si n c r e a s e d .T h ee n e r g yu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo ft h o s es t e p si sh i g h e r .H e n c e ,d e - c r e a s i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h eg r i n d i n go p e r a t i o n s .w h i c hh a v el o w e re n e r g ye f f i c i e n c y ,c a nr e s u l ti nan e tg a i ni no v e r a l le f f i c i e n c y .T h er e s u l tw a sa p p l i e dt oaS h i r e n g o ui r o no r e . T h et o t a lc o s to fo r ep r e p a r a t i o nw a sr e d u c e db y3 .8 4y u a n /t ,a n d4 .6 0 5m i l l i o ny u a na r es a v e d a n n u a l l y .T h ee n e r g ys a v i n ge f f e c ti sr e m a r k a b l e . K e yw o r d s e n e r g ys a v i n g ;o r e - s m a s h i n g ;b l a s tIc r a s h i n g ;o r e - g r i n d i n g 我国铁矿资源丰富,约占全世界铁矿总储量的 2 .6 7 %左右,但贫矿多,富矿少,在现已探明的矿石 储量中,9 7 .5 %为贫矿,平均品位仅为3 2 .7 孵1 1 . 冀东作为全国三大铁矿区之一,平均品位在3 0 % 收稿日期2 0 0 7 1 0 一1 7 基金项目国家自然科学基金重大项目 5 0 4 9 0 2 7 0 作者简介李占金 1 9 6 8 一 ,男,河北省唐山市人,副教授,博士研究生,从事岩土工程、矿业工程方面的研究. E - m a l l t s _ l z j a o h u .c o mT e l 1 3 2 9 2 5 0 0 6 1 1 万方数据 6 2 6中国矿业大学学报 第3 7 卷 左右.大量矿石需要进行选别加工,能耗巨大.因 此,研究耗能巨大的矿山企业的能耗关系,提出科 学的降耗措施对当今社会的发展具有重要意义. 矿石的粉碎包括爆破、破碎和磨矿3 个作业环 节.从作业性质上看,爆破、破碎、磨矿连成一条作 业线,承载着将矿石从大到小的粉碎任务.有研究 表明矿石爆破是瞬间完成的由化学能转变为爆炸 能的做功过程,能量利用率高[ 2 ] .破碎主要是靠破 碎机的挤压和冲击作用使矿石破碎,且矿石在破碎 腔中经一次破碎后,仍有4 5 %的能量可以用于破 碎腔中的二次破碎,能量利用率较高;磨矿则是靠 撞击、挤压、剪切和研磨作用使矿石粉碎,粉碎方式 以撞击为主,且在水介质中的磨矿效率仅为在空气 介质中的破碎效率的1 /4 ,因此,磨矿能量利用率 最低‘3 ‘川. 据统计,我国传统矿石粉碎过程的能耗分布 为爆破能耗占3 %~5 %,破碎能耗占5 %~7 %, 磨矿能耗占8 0 %~9 0 %[ 8 ] ,矿石粉碎过程中能耗 分布极不合理.究其原因,一方面,由于经济和体制 上等原因,采场和选厂常常是各自经营、独立核算 的;另一方面,限于专业条块的分割划分.因此,很 少有人将本来联系十分紧密的采矿和选矿2 个专 业 采矿的产品是选矿的原料 联系起来,综合考虑 采选联合节能的途径,更忽略了将整个碎矿过 程爆破、破碎和磨矿及相关的大块处理、铲装 和运输作业作为一个系统去考察、研究,影响了矿 山整体效益的提高. 从提高能量利用率的角度考虑,采取适当提高 系统中能量利用率较高的爆破和破碎能耗,降低系 统中能量利用率较低磨矿能耗,实现矿石粉碎能耗 的合理分布,使矿石粉碎总能耗最低,是矿山企业 节能降耗的根本途径. 1 构建采场破碎能耗模型 采场爆破是矿石粉碎的第1 个作业环节,对爆 破质量进行定量描述时,最常用的是“爆破平均块 度”指标和“大块率”指标.这2 个指标直接决定着 炸药成本和大块处理、铲装、运输成本. 1 .1 炸药成本与爆破质量的关系 1 .1 .1 炸药单位成本与爆破平均块度的关系 采场爆破破碎阶段的能耗通常采用炸药单耗 与原矿爆破平均块度的关系来表达.因各矿山采用 的炸药类型有所不同,本研究采用炸药单位成本 F B 单位为元/t 来表征采场爆破破碎的能耗大小. 考虑到露天开采和地下开采采场条件不同,爆 破质量、爆破效果有很大的差别,本研究对露天矿 山和地下矿山的炸药单耗与原矿爆破平均块度的 关系分别进行了研究. 1 露天磁铁矿炸药成本与爆破平均块度的关 系 首先用最小二乘法对冀东2 6 个铁矿山爆破平 均块度D 单位为m m 和炸药单位成本F B 的调查 统计数据进行回归,得到爆破平均块度D 与炸药 单位成本F 。的关系式为 F B 2 4 2 .7 5 /D 1 /2 6 0 9 5 . 1 根据式 1 绘制爆破平均块度与炸药单位成本 的关系曲线,如图1 所示. 18 0 0 | | | | O 炸药单位成本/ 元。t 1 图1露天矿爆破平均块度与炸药单位成本关系曲线 F i g .1A v e r a g el u m p i n e s so fb l a s t i n ga n de x p l o s i o nc o s t o fo p e n - p i nm i n er e l a t i o nc u r v e 从图1 可以看出随着炸药单位成本的增加, 爆破平均块度逐渐减小.炸药单位成本未超过某一 定值时,随着炸药单位成本的增加,爆破平均块度 迅速减小;炸药单位成本超过这一定值时,随着炸 药单位成本的增加,爆破平均块度减小的趋势减 缓. 2 地下磁铁矿炸药成本与爆破平均块度的关 系 为研究炸药量和爆破平均块度的关系,对冀东 4 6 个地下磁铁矿山爆破平均块度D 单位为m m 和炸药量Q 之间关系进行研究,通过回归计算,得 到爆破平均块度D 与炸药单位成本F 。的关系式 为 D 一2 0 6 .1 3 Q o 。6 ∞. 2 从式 2 可以看出,如果增加炸药量的5 0 % 即 1 .5 Q 0 ‘6 6 3 1 .2 9 3 Q 0 ‘6 6 3 ,爆破块度下降2 3 % 即D /1 .2 9 3 0 .7 7 D ,也就是将炸药单耗从0 .3 k g 提高到0 .4 5k g ,爆破平均块度就会从4 5 7m m 下降到3 5 0m m . 对式 2 整理变换可得炸药单位成本F B 与爆 破平均块度关系的计算模型为 F B 3 .5 4 2 0 6 .1 3 /D 1 m 8 . 3 1 .1 .2 炸药单位成本与大块率的关系 鉴于爆破后矿石的大块率也是衡量爆破质量 万方数据 第5 期李占金等冀东磁铁矿石粉碎过程节能降耗研究 6 2 7 的重要指标,因此又研究了冀东地区磁铁矿山炸药 单位成本与大块率的关系. 同样用最小二乘法对冀东地区磁铁矿山大块 率与炸药单位成本的调查统计数据进行回归,得到 大块率靠与炸药单位成本F e 的关系式为 F B 7 .3 3 3 /n 1 /1 2 6 2 6 . 4 从式 4 可以看出随着炸药单位成本的增加, 矿石的大块率逐渐减小,当炸药单位成本超过某一 定值时,矿石大块率减小的趋势减缓. 1 .2 大块处理、铲装、运输成本与爆破质量的关 系 矿石的爆破质量直接影响到爆破后大块矿石 的处理及矿石的铲装和运输等作业环节,因此,大 块处理成本、矿石铲装成本和矿石运输成本也应计 入采场碎矿的总成本. 1 .2 .1 大块处理成本与大块率的关系 大块处理成本F M 单位为元/t 与矿石大块率 密切相关,二者的关系可通过下式求得[ 5 ] F M k 3 竹, 5 式中惫。为每吨大块处理费用,元/t . 从式 5 可以看出大块处理成本与大块率成 正比.矿石大块率低,大块处理成本也较低;反之, 大块处理成本就会升高. 1 .2 .2 矿石铲装成本与大块率的关系 对冀东磁铁矿山现场的调查统计数据进行回 归,得到矿石铲装成本F 。 单位为元/t 与大块率以 的关系式为 F L 一0 .0 0 7 9 n 2 0 .1 5 5 8 n 一0 .4 . 6 从式 6 可以看出矿石铲装成本与大块率之 间呈二次函数关系,随着矿石大块率的增加,电铲 的铲装能力下降,矿石铲装成本就会升高.因此,降 低采场的大块率可有效降低矿石铲装成本. 1 .2 .3矿石运输成本与爆破平均块度的关系 矿石运输成本和单位运输成本、运输距离、矿 石平均块度有关,而单位运输成本和运输距离对某 一具体矿山来说是一定的,所以本文只研究爆破平 均块度对矿石运输成本的影响,通过对冀东磁铁矿 山现场的调查统计数据进行回归矿石运输成本F T 与爆破平均块度D 的关系式为 F T 缸S 4 .5 7 1 0 6 D 2 0 .0 0 2 8 4 D 0 .9 9 2 , 7 式中k 。为单位运输费用,元/ t k i n ;S 为运输 距离,k m . 从式 7 可以看出矿石运输成本是爆破平均 块度的二次函数,其值随爆破平均块度的增大而升 高,适当降低爆破平均块度可有效降低矿石的运输 成本. 2 选厂矿石粉碎能耗模型的建立 2 .1 选厂破碎能耗模型 选厂破碎能耗的大小主要取决于破碎作业的 给矿粒度和最终产品粒度.对冀东地区唐钢棒磨山 铁矿、首钢马兰庄铁矿等2 1 个选厂破碎给矿粒度、 最终产品粒度和破碎能耗的调查统计数据进行回 归,得出破碎能耗E c 与破碎给矿粒度D 和最终产 品粒度d 的关系式为 E c 4 .6 4 3 8 0 .1 5 4 6 1 nD 一1 .1 2 0 8 1 nd . 8 据统计,冀东磁铁矿山各选厂平均破碎给矿粒 度不超过6 0 0m m .因此,式 8 中给矿粒度D 的范 围在0 ~6 0 0m m 之间. 从式 8 可知破碎能耗随给矿粒度的增大而 增加,随产品粒度的增大而减小.用式 8 计算冀东 地区若干磁铁矿选厂的破碎能耗,并与实际生产数 据对比列于表1 .可见计算结果与实际结果相当 吻合. 表1计算破碎能耗与实际破碎能耗对比 T a b l e1 C o m p u t i n ge n e r g yc o n s u m p t i o no fo r e - c r n s h i n g c o n t r a s tw i t ht h ea c t u a lg r i n d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n 选厂响m 枷m 剞竽篆等 庙沟4 2 3 磨盘山 1 4 8 马兰庄 2 1 2 赵店子2 0 3 石人沟 3 0 6 水厂431 2 .2 22 .2 80 .0 6 1 .6 01 .5 60 .0 4 2 .4 42 .3 90 .0 5 2 .2 3Z .2 6 ~0 .0 3 2 .2 61 .1 20 .0 2 2 .8 02 .7 30 .0 7 根据式 8 ,破碎成本F c 可以用下式来计算 F c k 1 4 .6 4 3 8 0 .1 5 4 6 1 nD 一 1 .1 2 0 8 1 nd , 9 式中五。为电价,元/ k W h . 2 .2 选厂磨矿能耗模型 为建立冀东地区磁铁矿的磨矿能耗模型,选取 有代表性的棒磨山矿石进行了有关试验.通过试 验,可以确定冀东地区磁铁矿石适宜的磨矿细度在 7 4 肛m5 6 %~6 0 %这一很窄的范围内,以几何粒度 计,约合0 .1 2m m .磨矿产品达到这一粒度时,选 厂的精矿品位、回收率、产率等技术指标均能保证, 并且精矿粉的粒度符合烧结和冶炼的要求.因此, 可认为冀东地区磁铁矿的磨矿产品粒度应近似地 为一确定值 O .1 2r a m . 通过对冀东地区2 1 个选厂磨矿能耗和入磨粒 度的调查统计数据的回归分析,得到磨矿能耗E G 万方数据 6 2 8中国矿业大学学报第3 7 卷 与入磨粒度d 的关系式为 E G 1 3 .8 2 9 1 nd 1 8 .4 6 7 . 1 0 为了保证处理量和破碎效率,细碎机的排矿口 不能调得过小,一般不小于7m m .在这种情况下, 破碎产品的粒度将不低于9m m .另外,根据现场 统计,冀东地区各磁铁矿选厂的入磨粒度均小于 3 0m m .所以,式 1 0 中入磨粒度d 的取值范围可 定为9 ~3 0m m . 由式 1 0 ,可以得到磨矿能耗与人矿粒度的关 系曲线如图2 所示. ■3 5 主3 0 姜2 5 | j { 2 0 蠢墨 03691 21 51 82 l2 4 2 73 0 入磨粒度/n u n 图2 磨矿能耗与入磨粒度关系曲线 F i g .2E n e r g yc o n s u m p t i o no fg r i n d i n go r ea n d m e l t i n gg r a n u l a r i t yr e l a t i o nc u r v e 从图2 可以看出磨矿产品粒度一定时,磨矿 能耗随着入磨粒度的增大而近似地线性增加,说明 在磨矿产品粒度确定的情况下,磨矿能耗的大小主 要取决于入磨粒度,通过减小入磨粒度,可明显节 约磨矿成本. 用式 1 0 计算冀东地区若干磁铁矿选厂的磨 矿能耗,并与实际生产数据对比列于表2 .可见计 算结果能较好地与实际结果吻合. 根据式 1 0 ,磨矿成本F 6 可以用下式来计算 F G 志1 1 3 .8 2 9 1 nd 一1 8 .4 6 7 . 1 1 衷2 计算磨矿能耗与实际磨矿能耗对比 T a b l e2 C o m p u t i n ge n e r g yc o n s u m p t i o no fg r i n d i n go r e c o n t r a s tw i t ht h ea c t u a lg r i n d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n 3 粉碎能耗合理分布模型 将以上采、选作业的各种能耗模型综合在一 起,按矿石粉碎总成本最低原则,就可得冀东地区 鞍山式磁铁矿的粉碎能耗合理分布模型为 r m i nF D ,d ,竹 一m i n [ F G d F c D ,d F B D F M ,1 F L 咒 F T D ] , 1 2 【0 ≤D ≤6 0 0 ,9 ≤d ≤3 0 . 式 1 2 属于运筹学中的有约束极值问题,通过 V B 软件专门编制的相关程序可对其求解. 4 粉碎能耗合理分布模型在矿山的应用 将研究成果应用于唐钢石人沟铁矿取得了良 好的节能降耗效果.石人沟铁矿是唐钢主要矿石原 料基地之一.该矿2 0 0 5 年露天开采基本结束,2 0 0 6 年转入地下开采,其选厂年处理量为1 2 0 万t .根 据石人沟铁矿原生产数据,应用式 1 2 及其求解程 序对石人沟铁矿矿石粉碎能耗进行了合理分配,分 配结果与矿山原生产指标一同列于表3 . 裹3 石人沟铁矿矿石粉碎能耗合理分布计算结果与原生产指标对比 T a b l e3C o m p u t i n gr e s u l t so fr e a s o n a b l eo r e - s m a s h i n ge n e r g yd i s t r i b u t i o np r o d u c t i o nd a t ao fS h i r e n g o um i n e 从表3 可以看出应用磁铁矿粉碎能耗合理分 布模型将石人沟铁矿的炸药单位成本提高0 .9 7 4 元/t ,破碎能耗增加0 .7 6k W h /t ,磨矿能耗降低 了8 .1 4k W h /t ,矿石粉碎总成本下降了3 .8 4 元/t 原矿 ,按选厂年处理量为1 2 0 万t 计,每年 节省费用4 6 0 .5 万元.实践表明在石人沟铁矿采 用能耗合理分布模型取得了明显的节能降耗效果, 粉碎能耗分布更趋于合理. 5 结论 1 将冀东磁铁矿山矿石粉碎的整个过程 爆破、破碎和磨矿及相关的大块处理、铲装和运输 等作业的能耗作为一个能耗系统来研究,按系统能 耗最低原则,综合考虑采、选节能问题是科学的,可 行的; 2 通过研究表明采取适当提高系统中能量 利用率较高的爆破、碎矿作业的能耗,降低系统中 能量利用率较低的磨矿高作业的能耗,能耗分布前 移,可达到系统总能耗最小; 3 建立了冀东地区鞍山式磁铁矿的粉碎能耗 合理分布模型 万方数据 第5 期李占金等冀东磁铁矿石粉碎过程节能降耗研究 6 2 9 m i nF D ,d ,咒 m i n i - F G d F c D ,d F B D F M 咒 F L ,1 F T D ] , 0 ≤D ≤6 0 0 ,9 ≤d ≤3 0 . 应用实践表明该成果对冀东磁铁矿石粉碎能 耗分布合理,矿石粉碎成本降低了3 .8 4 元/t ,节能 降耗效果显著. 致谢本文得到河北省教育厅科研计划项目 2 0 0 2 2 5 4 的资助,特此感谢. 参考文献 [ 1 3 陈泽廉.我国铁矿选矿技术现状与发展[ J ] .中国矿 业,1 9 9 3 ,2 3 6 1 - 6 5 . 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