国外某选厂球磨机磨矿介质优化实践.pdf

第 48 卷 2020 年第 9 期 破 磨 编辑 翟晓华 45 国外某选厂球磨机磨矿介质 优化实践 郑 竞1,3，赵 魏2,3 1中信重工工程技术有限责任公司 河南洛阳 471039 2洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039 3矿山重型装备国家重点实验室 河南洛阳 471039 摘要为了提高球磨机的磨矿能力，降低磨矿能耗，实现提产保质的目标，某磁铁矿选矿厂分别使 用 3 种不同规格的磨矿介质进行了提高球磨效率的探索试验。试验结果表明，在同等条件下，使用较 小的 φ25 mm 钢球介质比使用其他磨矿介质得到的磨矿产品粒度更细，精矿品位更高。利用离散元法 DEM 对 3 种钢球在球磨机中的运动轨迹进行模拟分析也表明，较小尺寸的钢球介质更加有利于提高 磨矿效率，节省能耗。 关键词球磨机；磨矿介质；离散元法；介质优化 中图分类号TD453 文献标志码B 文章编号1001-3954202009-0045-05 Optimization practice of grinding medium in ball mill of a foreign concentrator ZHENG Jing1,3, ZHAO Wei2,3 1CITIC Heavy Industries Co., Ltd., Luoyang 471039, Henan, China 2Luoyang Mining Machinery Engineering Design Institute Co., Ltd., Luoyang 471039, Henan, China 3State Key Laboratory of Mining Heavy Equipment, Luoyang 471039, Henan, China AbstractIn order to enhance the grinding capacity and reduce the grinding energy consumption of the ball mill, so as to increase productivity and guarantee quality, three kinds of grinding medium were separately applied to conduct exploratory test for increasing productivity in a magnetic ore concentrator. Test results showed at the same conditions, the product obtained after the application of fair small φ25 mm grinding medium was finer than other grinding medium, and the concentrate grade was higher also. DEM was applied to simulate the motion trajectory of three kinds of grinding ball in ball mill, and the simulation results showed the smaller grinding ball was contributive to the enhancement of grinding e★ciency and the reduction of energy consumption. Key Wordsball mill; grinding medium; DEM; optimization of grinding medium 球 磨机作为选矿厂的主要磨矿设备，不仅耗电 量大，而且也是很多选厂提高生产能力的瓶颈， 球磨产品的粒度分布对磁选、浮选等作业指标有着显 著的影响。因此，提高选厂球磨机的磨矿能力，往往 能够达到提产、降耗、保质的目的。但影响球磨机磨 矿效率的因素有很多，对于球磨回路而言，主要有介 质种类和尺寸、介质充填率、磨机衬板、给矿粒度、 分级效率及磨矿浓度[1]等，其中，优化磨矿介质是提 高球磨机磨矿效率的一种较为直接而有效的途径。 1 背景简介 国外某大型磁铁矿选矿厂 以下简称“选厂” 的原矿中主要含铁矿物是磁铁矿，其次为半假象-假 象赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿；脉石矿物以石英为主。 作者简介郑 竞，男，1988 年生，工程师，主要从事选矿工 艺设计和研究工作。 万方数据 第 48 卷 2020 年第 9 期 编辑 翟晓华 破磨 46 磁铁矿成自形、半自形等轴粒状，矿石性质属于难 磨易选类型，平均密度为 3.5 t/m3，原矿全铁品位为 30.7，磁性铁品位为 20.2。 1.1 工艺流程 该选厂共有 6 个系列，使用 ABC 自磨机 球磨 机 顽石破碎机 双闭路全磁流程，工艺流程如图 1 所示。原矿经过粗破、自磨闭路磨矿之后，先进入磁 选机粗选，磁选精矿进入预先分级与检查分级于一体 的球磨回路，球磨产品经过两段磁选成为最终精矿。 1.2 球磨回路现状 该选厂自磨机投产调试前期，处理能力迅速提 升，导致自磨产品粒度过粗，在保证最终精矿产品粒 度不变的前提下，球磨机磨矿能力便成为整个工艺的 瓶颈，因此，选厂不得不降低自磨机处理量，以确保 精矿粒度和品位合格。针对以上情况，选厂采取了一 些措施来平衡自磨和球磨两段磨矿负荷，以提高系统 产量，虽然取得了一定的效果，但是球磨机磨矿能力 依然是整个选厂的提产瓶颈。参考国外的一些选厂经 验，再磨球磨机应用小钢球介质有利于提高磨矿效 率，节省能耗[2]，因此，为了进一步提高生产能力， 选厂对球磨机磨矿介质进行了选型和优化。 2 球磨机介质选型 球磨机介质选型一直是选矿领域的重要研究课 题，国外常用的球磨机钢球选型理论主要以邦德半理 论经验公式为基础，而国内则常采用东北大学陈丙辰 教授[3]和昆明理工大学段希祥教授分别提出的半理论 公式。 该选厂球磨回路设计参数和给矿矿石性质分别如 表 1、2 所列。 2.1 邦德公式 [4]计算结果 依据上述球磨机回路设计数据，对钢球选型进行 计算。 根据邦德公式得到 D F K W D i b s c 25 4 1003 281 80 0 5 0 33 . . . . ρ φ ， 式中Db 为所需钢球直径，mm；F80 为 80 过筛的 给矿粒度，m；K 为经验修正系数；ρs 为矿石固体 密度，t/m3 ；Wi 为待磨矿石功指数，kW h/t；φc 为 磨机转速率，；D 为磨机内径，mm。 计算结果为钢球直径约取 10.3 mm。 2.2 段氏半理论公式 [5]计算结果 昆明理工大学段希祥教授根据实际工作经验和理 论计算，推导出了球磨机介质选型的半理论公式。该 公式考虑因素较为全面，在国内也得到了较为广泛的 应用。 B K D d bc c - 0 522 4 10 26 0 3 . ψψ σ ρ ， 式中Bb 为所需钢球直径，cm；Kc 为综合修正系 数；ψ 为磨机转速率，；σ压 为矿石抗压极限强度， Pa；ρc 为钢球在矿浆中的有效密度，g/cm3；D0 为球 荷中间缩聚层直径，cm；d 为磨机给矿粒度 95 过 筛粒度，cm。 根据该公式的计算结果，应该选择 φ10 mm 的钢 球，与邦德公式计算结果基本相同。 段氏半理论公式主要适用于给矿粒度较粗的一 段磨矿，且磨机直径相对较小[6]。而对于给矿和产品 图 1 选矿工艺流程 Fig. 1 Concentration process flow 表 1 球磨回路设计参数 Tab. 1 Design parameters of ball mill circuit 参数 直径/m 长度/m 运行功率/MW 转速/r min-1 介质充填率/ 给矿粒度 F80/m 产品粒度 P80/m 数值 7.9 13.6 15.6 10.56 31 180 28 表 2 原矿矿石性质 Tab. 2 Properties of raw ore 参数 球磨邦德功指数/kW h t-1 密度/tm-3 抗压强度/MPa 数值 17.2 3.84 386 压 万方数据 第 48 卷 2020 年第 9 期 破 磨 编辑 翟晓华 47 粒度较细的再磨作业 细粒级再磨作业，大型球磨机 充填率较低，中间聚缩层相对来说较薄；另一方面， 该矿矿石硬度较高，平均单轴抗压强度达到了 386 MPa，超过了经验范围。因此，在实际生产应用时还 需进一步完善上述两种计算结果。 2.3 介质的选择 参考国内外选矿厂的应用案例，细粒级再磨作业 的磨矿介质一般为 φ25 φ40 mm。按照该选厂最初的 设计要求，球磨机介质应选择 φ25、φ38 mm 的钢球， 加球比例为 1∶1。此外，国内部分选厂对异形球磨机 介质 如棒形、锥棒形等 进行了研究，表明钢锻可以 减少球磨机过磨[7]。因此，考虑到球磨产品存在一定 的过磨现象 -10 m 含量占 30 以上，该选厂同时还 选择了 φ25φ3535 mm 的平头钢锻作为磨矿介质。 理论上，钢锻作为磨矿介质为线接触磨矿，产品粒度 均匀，具有防止过磨等优点[8-9]，适用于再磨作业。 3 生产试验 为了对比不同球磨介质的球磨机磨矿效率，选厂 选择了 φ38 mm 大钢球、φ25 mm 小钢球 和 φ25 φ3535 mm 钢锻 3 种介质分别在 3 条生产线上进行 对比试验，各条生产线球磨回路其他配置 包括旋流 配置、给矿质量分数、压力和球磨功率等 和操作基 本一样。 3.1 试验结果 试验持续约 12 个月，期间数次取样，3 种不同 介质的球磨机回路取样数据如表 3 所列。试验结果表 明使用小钢球的球磨机磨矿效率要比其他 2 种介质 更高。设球磨机产品 -45 m 粒级含量为 q，则 q小钢球 0.383 t/m3 h，q大钢球 0.362 t/m3 h，q钢锻 0.360 t/m3h。在相近的给矿粒度和给矿量条件下，使用 小钢球的球磨机产品 -45 m 粒级含量比使用钢锻的 球磨机高 6.4，比使用大钢球的球磨机高 5.8，因 此，使用小钢球的磨矿效率明显高于大钢球和钢锻。 各条生产线球磨回路产品粒度曲线如图 2 所示， 使用小钢球的球磨产品中，-45 25 m 粒级含量较其 他两种介质更高，而 -20 m 级别相差较小，说明小 钢球在该工艺给矿粒度条件下，新生成 -45 m 粒级 含量更多，更适于细粒级磨矿。 由于使用小钢球的球磨机效率更高，日常产品检 测结果表明，使用小钢球的球磨机产品粒度更细，精 矿的全铁 TFe 品位也更高，生产数据如表 4 所列。 3.2 结果分析 试验结果充分说明该球磨回路更适合使用小钢球 作为磨矿介质。为了验证这一结果，选厂对球磨机磨 矿介质充填率做了测算。结果显示，使用小钢球的 球磨机充填率为 26.2，大钢球充填率为 24.5，钢 锻充填率为 24.7，然而，3 种不同介质的球磨机的 磨矿功率基本相同。因为小钢球具有较高的充填率和 更大的比表面积，因而在磨矿过程中产生剪切、研磨 等磨矿作用的概率更大，这些因素显然对细磨更为有 利，因而磨矿效率更高。 由此可以推测，当球磨机使用小钢球时，介质流 动性更好，小钢球的运动形式主要为滑落和瀑落，增 加了介质间的研磨作用，且介质质心位置低，球磨机 功率偏低。 此外，大钢球和小钢球的材质均为锻造低铬材 质，硬度相同，而小钢球的单位消耗量比大钢球和钢 锻多约 12，这也从侧面说明了小钢球在磨机内部发 生碰撞和研磨的概率较大，导致小钢球的单位球耗更 高，这也符合 Michel Brissette 关于小尺寸磨矿介质的 论述[10]。 H. Ipek 使用未磨损的钢锻和钢球进行了实验室 球磨机磨矿对比试验。结果表明，同等比表面积下， 表 3 3 种不同介质的球磨回路取样数据 Tab. 3 Sample data of ball mill circuit applying three kinds of grinding medium 项目 处理量/t h-1 给矿粒度 F80/m 溢流产品粒度 P80/m 球磨机功率/MW -45 m 粒级含量 q/tm-3h-1 小钢球 685 138 35.90 13.20 0.383 大钢球 667 132 39.30 13.22 0.362 钢锻 673 133 40.20 13.19 0.360 表 4 3 种不同介质生产线的生产数据 Tab. 4 Production data of production line applying three kinds of grinding medium 名称 自磨机产量/t h-1 球磨机给矿-75 m/ 溢流产品粒度 P80/m 精矿品位 TFe/ 小钢球 666.0 67.8 32.6 65.0 大钢球 646.7 67.9 34.1 64.7 钢锻 638.0 68.4 33.9 64.8 图 2 3 种不同介质的磨矿产品粒度曲线 Fig. 2 Size curves of grinding product with three kinds of grinding medium 万方数据 第 48 卷 2020 年第 9 期 编辑 翟晓华 破磨 48 钢锻体积更小，磨矿效率略高于钢球[11]。然而，本案 例中，钢锻比表面积虽然偏大，但钢锻磨矿效率却略 低于大钢球。主要原因是钢锻流动性更差，实际运行 过程中并不能真正实现理想的线接触。即在磨矿过程 中每个钢锻处于随机接触状态，如平行、并列、垂直 和交叉等，钢锻之间一旦发生交叉研磨，则钢锻的腰 部受到磨损 见图 3，此后，对于单个钢锻而言，线 接触将不再发生，这无疑影响了磨矿效率。因此，在 实际生产中，具有同等比表面积的钢球和钢锻相比， 钢球的磨矿效率更高。 4 模拟分析 为了进一步研究不同介质在球磨机内的运动状 态，对不同直径的钢球进行了离散元法 DEM 模拟 分析。该模拟按照选厂球磨机及其衬板尺寸，在介质 充填率为 24 的条件下，分别对 φ20、φ25、φ40 mm 3 种不同直径的钢球运行状态进行了模拟，模拟结果 如图 4 所示。 下面从 2 个方面对 3 种不同介质的运行状态进行 量化。 1 如图 5 所示，通过绘制 3 种直径钢球在筒体 内的轮廓线 抛起钢球除外，对钢球在磨机内的重心 位置、钢球运动起始点和抛落点等进行定位，可间接 反映不同介质的球磨机功率输出差异。 图 5 中 A、B、C 点分别为 φ40、φ25 和 φ20 mm 钢球运动质心，可见 φ40 mm 钢球质心位置最高。 磨机的有用功率 Ny 3.63 D2.5 L ρ0 ϕsin3Ω/2 sinθ， 式中D 为磨机直径，m；L 为磨机长度，m；ρ0 为 钢球堆密度，t/m3；ϕ 为磨机介质充填率，；Ω 为 介质在磨机内运行的截面圆心角；θ 为质心与圆的竖 直中心线夹角[12]。 由于磨机规格相同，钢球堆密度相同，充填率相 同，不同钢球介质的有用功率仅与 Ω 和 θ 有关。设 N y20 、N y25 和 N y40 分别代表 3 种不同尺寸介质的磨机有 图 3 钢锻磨损示意 Fig. 3 Sketch of worn steel forging c φ40 mm 钢球 图 4 3 种直径钢球的模拟运动状态 Fig. 4 Simulated motion trajectory of three diameters of grinding ball 图 5 3 种直径钢球的运动质心分布 Fig. 5 Distribution of motion centroid of three diameters of grinding ball a φ20 mm 钢球 b φ25 mm 钢球 万方数据 第 48 卷 2020 年第 9 期 破 磨 编辑 翟晓华 49 用功率，则 N y20 ∶N y25 ∶N y40 1∶1.01∶1.16。 以上计算结果说明理论上，在同样的充填率 下，使用 φ40 mm 钢球比 φ20 mm 钢球多消耗约 16 的有用功耗，因此，球磨机的运行功率也相对更高。 而使用 φ20 mm 和 φ25 mm 钢球介质的磨机有效功率 基本相同。换言之，在生产中，当球磨机功率相同 时，钢球直径越小，则充填率越大，较大的充填率 带来球磨机效率的增加。需要明确的是，在实际生产 中，由于逐渐磨损迭代的原因，磨矿介质尺寸是全粒 级分布的，而模拟中的介质尺寸是均匀一致的，因此 实际生产中使用 φ20 和 φ40 mm 钢球的磨机有用功耗 差距应该小于 16。 2 分别计算 3 种介质在磨机内单位时间的碰撞 次数，可从侧面反映不同介质的磨矿处理能力。钢球 在磨机筒体内的相互碰撞属于高频次事件，钢球碰撞 次数从侧面反映了磨矿效率的高低。 模拟统计结果显示，φ20、φ25 和 φ40 mm 3 种介 质在单位时间内的碰撞频次分别为 1.77、1.71 和 1.55 次。这证明在不考虑钢球碰撞力的条件下，钢球直径 越小，碰撞频率越高，磨矿效率也越高，单位处理量 的介质消耗也更高，这进一步验证了选厂生产数据得 出的推论。 5 结论 经过近两年的球磨介质选型工业试验研究，选厂 的矿石性质也经历了数次变化，导致自磨机产量和粒 度输出不稳定，因此无法对球磨机磨矿效率作出纵向 比较。然而，在相同的工况条件下，φ40 mm 钢球比 φ25φ3535 mm 钢锻的磨矿效率略高，而 φ25 钢球 比前两种介质的球磨机磨矿效率高约 6，球磨机单 位功耗低约 0.42 kW h/t 相对原矿处理量。 综上所述，在细粒级再磨作业中，小钢球具有节 省能耗、提高球磨机磨矿效率的优势。由于 φ20 mm 钢球对磨矿效率提升幅度有限，而钢球消耗量必然增 加，因此 φ25 mm 钢球更适合于该选厂球磨机工况。 另外发现 φ25 mm 钢球磨损至 φ15 mm 以下才发会生 失圆现象，在这 2 个直径之间，钢球粒级分布相对 均匀。最终从运行成本角度考虑，选厂推广使用 φ25 mm 小钢球作为单一磨矿介质。 参 考 文 献 [1] WEBER U，LANGLOOS D. 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