自磨_半自磨工艺提产方法的创新与实践.pdf

第 48 卷 2020 年第 12 期 破 磨 编辑 翟晓华 33 作者简介郑 竞，男，1988 年生，工程师，主要从事选矿工 艺设计与研究工作。 自 磨机 简称“AG” 是一种利用矿石本身作为 磨矿介质的筒式磨机。自 1959 年第一台自磨机 在金属矿山应用以来，自磨技术也经历了长足的发 展，其设备选型、制造和工艺应用等技术均日臻成 熟。目前，主流的自磨工艺主要有 2 种一是在自磨 机中添加一定充填率 通常为 5 15 的钢球，变 成半自磨机 简称“SAG”，通常用于开路或者半开 路流程；二是自磨机 顽石破碎工艺，通常用于闭路 或者半开路流程。 20 世纪后期，相较于半自磨机，自磨机在选厂 的应用较少，主要原因是自磨流程选型计算和分析 理论还不完善，自磨机处理量往往达不到设计要求； 矿石性质对产量影响较大，生产管理较为困难。所以 自磨工艺流程并没有体现出其作业率高、运行成本低 的优势。而半自磨工艺生产稳定性更高，生产管理更 方便，选厂成功应用案例较多。因此，近 20 年来， 半自磨工艺逐渐替代“三段破碎 球磨”工艺，成 为国内大中型选矿厂的主流工艺之一。而在国外选厂 自磨/半自磨工艺提产方法的 创新与实践 郑 竞1,3，姬建钢2,3，夏 霜4 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 4大冶特殊钢有限公司 湖北黄石 435001 摘要研究了自磨工艺生产运行的特点，围绕自磨/半自磨机的“3 个极限”，提出了自磨/半自磨工 艺的提产和优化方法；然后结合部分选厂生产实践，证明了这些方法的可行性。这些提产方法克服了 自磨机能耗高、处理量低的缺点，突出了自磨流程作业率高、运行成本低的优势。 关键词自磨/半自磨工艺；产能提升；顽石破碎；配矿 中图分类号TD453 文献标志码B 文章编号1001-3954202012-0033-06 Innovation and practice on throughput promotion of AG/SAG circuit ZHENG Jing1,2, JI Jiangang2,3, XIA Shuang4 1CITICHIC Engineering throughput promotion; pebble crushing; ore proportioning 万方数据 第 48 卷 2020 年第 12 期 编辑 翟晓华 破磨 34 中，纯自磨工艺流程却有着广泛的应用基础，这为国 内自磨工艺技术的创新和发展提供了良好的平台，也 为其他新建选厂的自磨流程设计提供了借鉴和依据。 1 自磨工艺特点分析 粗破之后的矿石进入自磨/半自磨机之后，在 重力、离心力和摩擦力等的作用下，发生冲击、剪 切、磨削和研磨等作用，一般 70 mm 矿石作为磨矿 介质可对 -12 mm 矿石进行破碎和粉磨，而 -70 12 mm 粒级矿石则作为难磨粒子“顽石”需要单独 处理。顽石一般经过破碎之后返回自磨/半自磨机， 而磨矿产品经过开路或者闭路之后进入下游的工艺流 程。自磨工艺一般用于闭路或者半开路流程，其典型 流程如图 1、2 所示。自磨工艺流程虽短，但是影响 其应用的因素较多。 1.1 自磨机的 3 个极限 自磨机本身有 3 个极限一是充填率极限；二是 运行功率极限；三是通过量极限。这“3 个极限”决 定了自磨回路的最大生产能力。 1 充填率 自磨机是依赖物料之间的相互作用 力来完成磨矿过程的，适当的充填率能够有效增加物 料之间相互作用的概率，从而提高磨矿效率[1]。当充 填率较低时，则磨机效率较低；但当充填率过高时， 不但造成磨机“涨肚”，还会增加磨机载荷，严重时 可能带来磨机的机械损伤。因此合理的充填率是提高 磨矿效率的重要途径。 2 运行功率 自磨/半自磨机运行的额定功率 限制了自磨机产量，这主要取决于设计初期的选型方 案。设计前期务必对所开采矿体进行全方位勘探，取 代表性的岩心样进行 SMC 试验[2]，结合采矿工艺，从 而获得相对合理的设备选型。 3 通过量或排矿速度 理论上，自磨/半自磨 机的排矿粒度越大，处理量也越大，通过量一般不会 成为磨机产量的限制因素；但是对于某些长径比较 大的自磨/半自磨机，其排矿能力决定了磨机的处理 量。因为自磨机的磨矿质量分数较高，排矿产品粒级 分布较宽 一般为 -75 mm，矿浆流动性较差，导致 自磨机排矿速率较低，造成合格粒级的产品不能及时 排出而产生过磨现象，有时还会出现“矿浆池”，影 响磨矿效率[3]。 1.2 影响自磨工艺应用的因素 由于自磨工艺综合了破碎和粉磨两种功能，作 业复杂程度较高，其产量受到矿石性质、操作和供配 矿管理等多重因素的影响，给生产管理带来了较大困 难。影响自磨工艺应用的因素有以下几个方面。 1 给矿粒度组成[4] 半自磨机使用钢球作为磨 矿介质，添加钢球可以稳定磨矿介质比例，从而可以 稳定半自磨机产量。而自磨机的磨矿介质主要来源于 给矿中的块矿，粒度通常为 100 350 mm。新给矿中 必须含有足够的块矿，而且还必须要有足够的粉矿， 才能使自磨机产量最大化，这对上游的粗破和采矿爆 破作业以及生产调配管理带来了较大的挑战。 2 顽石破碎效率 自磨机的磨矿过程是“大 块碎成小块，小块粉碎成粉”的迭代过程，但其处理 顽石的效率较低，必须要借助破碎机来完成顽石破碎 作业。顽石破碎作业作为自磨回路中的重要一环，其 作业效率和效果在很大程度上决定了自磨机产量的高 低。 3自磨回路的产品分级效率 对于全闭路自 磨流程而言，分级方法和分级效率将大幅度影响自磨 机产量。 4 新给矿矿石性质 一般的大型矿床中均有 多个不同的矿体，矿体之间的矿石性质差异也较为明 显，尤其是矿石硬度和可磨性，矿石性质变化势必会 影响自磨机的稳定输出[5]。 2 提产优化方法 在生产实践中，自磨/半自磨机的优化和提产， 图 1 自磨/半自磨全闭路流程 Fig. 1 Process flow of AG/SAG fully-closed circuit 图 2 自磨/半自磨半闭路流程 Fig. 2 Process flow of AG/SAG semi-closed circuit 万方数据 第 48 卷 2020 年第 12 期 破 磨 编辑 翟晓华 35 原则上是通过调整自磨/半自磨回路中的各个影响因 素，尽量平衡磨机本身的“3 个极限”，从而达到磨 矿效率最大化。 2.1 供配矿方案优化 大多数矿山都是由多种不同性质的矿体组成的， 在矿石开采过程中常遇到矿石的硬度、嵌布粒度及品 位等的变化，造成自磨/半自磨机处理量和产品粒度 的剧烈波动，这给生产的调控和管理带来较大的难 度。 此外，自磨/半自磨机给矿粒度也受到爆破系数 和粗破参数等的影响，其给矿粒度决定了磨矿介质的 比例，最优的给矿粒度配比对自磨机提产的重要性不 言而喻。 如果用 F80 表示新给矿中 80 的物料透过筛孔 的尺寸，则在一定范围内，F80 越大，自磨机产量越 大。例如，福建省潘洛铁矿利用增加新给矿中的块矿 比例，提高了自磨机台时约 10[6]。某磁铁矿选矿厂 通过优化新给矿粒度实现了自磨机产量的提升，验证 了新给矿粒度对自磨机性能的影响。但当 F80 超过某 一个极限之后，块矿开始累积，细粒级物料比例变 小，功率将升高，自磨机处理量将会有所下降[7]。图 3 是某大型自磨机在 3 个月内每班新给矿粒度与台时 和运行功率的关系曲线。由图 3 可知，当 F80 逐渐增 大到 170 mm 时，自磨机产量逐渐上升，磨机运行功 率也逐渐升高；当粒度超过 170 mm 时，自磨机功率 略有上升，而产量逐渐下降。 调整自磨/半自磨机新给矿粒度的方法主要有以 下 3 种。 1 通过控制采矿爆破系数，合理控制爆破的炸 药量和钻孔间距，尽量做到块多粉足，同时控制最 大块尺寸小于粗碎破碎机的最大给矿粒度。Red dog 矿山通过此方法提高了半自磨机效率，降低了磨矿能 耗[8]。 2 调整粗破破碎机排矿口，适当放大排矿口宽 度可以在一定范围内增加排矿粒度；另一方面，对于 旋回破碎机还可以根据排矿口和破碎机的机械条件， 选择适合的运行偏心距。 3 在磨机的给矿料堆设计上，主要以单点或者 连续布料为主，料堆底部设置多个下料口，由于布料 过程中物料会产生偏析，所以调整不同位置下料口的 给矿速度可控制给矿粒度的变化。 自磨/半自磨机最佳的给矿粒度分配一般来源于 生产实践，给矿粒度必须稳定可控，避免带来磨机产 量和功率的剧烈波动。此外，自磨机最佳给矿粒度与 矿石的硬度和密度均有一定关系，如矿石较硬时，新 给矿粒度 F80 需要略微降低，以减少顽石在磨机内部 的累积[9]。对于半自磨机而言，钢球的添加保证了足 够的介质，只需要减少大块比例，降低新给矿粒度 F80，便可提高产能。 除给矿粒度的优化之外，对于矿石的可选性和 可磨性等的匹配也需要进行优化，以实现采厂到选厂 Mine to Mill，简称“M2M” 的矿石品质控制。高效 的 M2M 协同管理，能够有效提高自磨/半自磨机的 生产效率[10]。 2.2 顽石破碎作业优化 顽石作为难磨粒子，很难被自磨/半自磨机内部 消化，大量的顽石累积容易造成自磨机运行功率率先 达到瓶颈，从而严重影响自磨机产量。 顽石破碎效率越高，顽石破碎产品越细，自磨 机产量越高，这符合选矿领域“多碎少磨”的磨矿原 则。在实际生产中，美国 Empire 铁矿在自磨回路增 加单缸液压破碎机进行顽石破碎作业之后， 产量增加了 20；之后又在顽石破碎机的基 础上，增加了高压辊磨机对顽石进行进一步 破碎。结果处理软矿石时，自磨产量又提高 约了 17，能耗降低了 16；处理硬矿石 时，自磨产量提高幅度达到 40[11]。 澳大利亚某大型磁铁矿选矿厂采用自磨 顽石破碎工艺，通过加强顽石破碎作业能 力，有效提高了自磨机产量，顽石破碎机功 率越高，自磨机产量越高[12]。 加强顽石破碎作业提高自磨机产量的方 法同样适用于半自磨回路。墨西哥 Penasquito 铅金贵 金属矿选厂初始设计使用圆锥破碎机进行顽石破碎， 导致整个选厂产能达不到设计值，使用高压辊磨机破 碎顽石之后，产能提升了 30 左右[13]。 澳大利亚 Cadia 铜金矿选矿厂采用了一种更为新 颖的工艺，大幅度提高了半自磨机产量。其工艺流 程如图 4 所示。通过“闭路筛分 破碎机 高压辊 磨机”的工艺改造，既减少了新给矿的中间粒级 顽 石 含量，又利用该新增工艺处理半自磨机产生的顽 图 3 新给矿粒度 F80 与自磨机产量和功率的关系 Fig. 3 Relationship between feed size F80 and throughput and power of AG mill 万方数据 第 48 卷 2020 年第 12 期 编辑 翟晓华 破磨 36 石，增加了半自磨机给矿中的细粉比例，彻底改善了 自磨机入料粒度配比，降低了磨矿单位功耗，达到了 扩大产能的目的[14]。这一工艺流程对于半自磨流程更 加有效，因为对于半自磨流程，磨矿回路中的顽石往 往夹杂着很多碎钢球，碎钢球在顽石中难以被除净， 极易造成破碎机铜套损毁和高压辊磨机辊面损毁。而 Cadia 的工艺流程预先将中等块度的“顽石”筛分出 来，直接送入高压辊磨机，减少了顽石返回量，降低 了顽石除铁的难度。 因此，使用高压辊磨机进行顽石破碎作业是提高 自磨/半自磨机产量的有效方法，其主要工艺优势是 既保持了整个磨矿回路的作业率，又降低了磨矿能耗 和钢耗，而且经过高压辊磨机处理之后的矿石将产生 微裂纹，有利于下游的磨矿作业。或者，为了突破自 磨机通过量的瓶颈，也可将自磨机/半自磨机顽石进 行单独加工处理，不再返回自磨/半自磨回路，从而 进一步提高自磨机产量。 2.3 衬板优化 自磨/半自磨机衬板优化一般有衬板材质和形状 的优化。衬板材质的优化可使衬板寿命延长，从而提 高磨机的运行作业率；此外，还可以通过降低衬板质 量来减少磨机机械负荷。衬板形状的优化主要是矿浆 排料器和筒体衬板的优化，包括筒体提升条的高度和 角度、提升条的间距、排料格子板等。 2000 年以前，自磨机衬板的材质主要是锰钢合 金，锰钢衬板虽然耐冲击，但是并不耐磨，因此自磨 机的衬板更换周期并不比半自磨机明显更长，导致很 多选厂将自磨机改造为半自磨机以提高处理量。经过 多年的发展，大型自磨/半自磨机衬板的材质得到了 长足的发展，目前主流衬板材质主要是铬钼合金钢和 高铬铸铁[15]，布氏硬度可达到 325 600BHN，尤其 是对于自磨机，衬板耐磨性增加使得衬板使用寿命一 般可达到 6 10 个月，这大幅度提高了自磨机的运行 作业率。近年来，随着新材料和新工艺的发展，一些 选厂开始使用合金钢和橡胶复合衬板，大幅降低了衬 板总质量，从而减少了自磨/半自磨机的运行负荷， 为提高充填率创造了条件。 在衬板设计方面，随着离散元和流体分析软件的 耦合应用，对物料、钢球和矿浆在磨机内部的运动分 析有了更加清晰的认识，同时自磨/半自磨机衬板形 状和排数的设计对其运动的影响也更加精确[16]。为了 加快自磨/半自磨机排矿速度，减少矿浆返流，避免 矿浆在筒体内形成矿浆池，中信重工设计了一种弧形 矿浆排料结构，这种结构被证明是提高通过量的有效 方法之一[17]。弧形排料衬板的成功应用提升了自磨/半 自磨机排料速度，从而提高了自磨机通过量，有利于 突破自磨机的通过量瓶颈[18]。 2.4 分级优化 对于闭路的自磨/半自磨回路，其分级效率的高 低将严重影响磨机的通过量，因此分级优化的主要目 的是提高分级效率。根据分级方法的不同，自磨/半 自磨回路的分级有 2 种旋流器分级和细筛分级。 一般来说，使用旋流器进行分级在闭路自磨工艺 中较为常见，其优化方向主要是使用柱式的旋流器， 并通过对比试验确定合适的沉砂口和溢流口尺寸。不 同于普通的锥形旋流器，柱式旋流器的底部一般为平 底，可根据分级粒度的需要适当调整柱体的高度。平 底旋流器的主要优点是在粗粒级的矿浆分级中，分级 粒度更粗，分级效率更高，降低了自磨回路的循环负 荷，可提高生产效率[19]。澳大利亚某大型铁矿选厂 通过对自磨分级进行柱形平底旋流器的升级改造， 有效放粗了分级粒度，提高了磨机的磨矿能力[20]。 分级在磨矿回路中只是控制产品粒度和调节磨矿 负荷的一种手段，提高分级效率，降低循环负荷，减 少磨机通过量，有利于实现磨矿效率的最大化。 2.5 自动控制优化 虽然自磨/半自磨流程较短，但是它集成了较多 的功能，因此，其生产操作在自动、智能控制上的难 度更高。自动控制优化主要以平衡自磨/半自磨机的 “3 个极限”为原则，提高产品和产量的稳定性。以 带顽石破碎作业的自磨闭路磨矿为例，自磨机的自动 控制优化主要有以下几个部分。 1 新给矿控制回路 自磨机新给矿控制一般 有 2 种策略一是稳定给矿量，即以新给矿量为设定 值，调节不同下料点的给矿速度，从而稳定自磨机的 功率和输入/出，配备变频调速的磨机还可以通过调 整转速来控制自磨机稳定输入/出；二是稳定自磨机 图 4 Cadia 选矿厂半自磨工艺流程 Fig. 4 Process flow of SAG circuit in Cadia concentrator 万方数据 第 48 卷 2020 年第 12 期 破 磨 编辑 翟晓华 37 充填率，即以自磨机充填率为设定值，以中空轴轴压 或者磨机载荷为设定值，控制新给矿量，然后新给矿 量再与不同下料口给矿速度形成一个联锁控制。 2 顽石破碎作业控制 顽石破碎作业的控制 目标是破碎效率最大化。一般控制原则是挤满给矿、 破碎功率最大化，通过调节排矿口来调节破碎机处理 量，从而维持顽石返回的平衡。 3 磨矿质量分数控制回路 自磨/半自磨机的 磨矿质量分数一般为 80 85，适当高的磨矿质量 分数有助于减少矿浆池，提高磨矿效率，质量分数高 于 85 则不利于矿浆的流动和排出。 4 分级控制回路 控制分级质量分数和压力， 旋流器的给矿质量分数越高，分级粒度越粗，循环负 荷越低，分级溢流产量则越高，越有利于增加磨机的 处理量。 随着智能技术的发展，自磨/半自磨回路的多因 素专家控制系统也得到了一定的应用。先进的智能技 术除了能够协同控制多因素变量，还能够协同操作工 在不同情形下的控制逻辑，减少人为操作失误，并将 生产效率最大化。Newmont Ahafo 矿山在集成控制系 统方面就取得了成功[21]。 2.6 其他优化 除以上措施外，还可采取其他措施对自磨/半自 磨回路进行优化。 1 对大块磁性矿石进行预选，以提高磨矿处理 量。如西石门选厂使用预选抛尾之后，有效提高了入 选品位[22]。 2 减少顽石的含水率和含泥量，优化顽石破碎 机的衬板腔型，以保证破碎机运行性能最大化。 3 减少顽石破碎作业的给矿粒度偏析，以提高 破碎作业的稳定性。 4 使用图像分析仪在线监测自磨/半自磨给矿粒 度，为磨矿回路的控制创造条件。 3 结语 自磨/半自磨工艺优化主要围绕配矿、顽石破碎 作业和充填率 3 个核心因素展开，在生产管理上，做 好 M2M 协同，综合矿石的粒度、品位和可磨性等因 素进行合理配矿，稳定磨机的输入/出；在工艺上， 利用高压辊磨机技术提高顽石破碎效率；在生产上， 通过衬板优化和先进的软硬件控制，使磨机充填率达 到最佳；在日常操作上，对自磨机的 3 个瓶颈进行探 索和突破，可实现自磨/半自磨工艺的生产效率最大 化，从而降低能耗、钢耗等生产成本。 自磨/半自磨工艺流程的破磨比大、磨矿选择性 好、单体解离度高，是阶段磨矿、阶段选别、预先提 取精矿的最佳工艺方案之一。其流程短、处理量大和 节省投资等特点受到国外选矿厂的青睐。对于年处理 千万吨矿石以上规模的大型选厂，如果采用自磨/半 自磨工艺，将能够收获非常可观的经济和社会效益。 参 考 文 献 [1] BASSAREAR J J. Autogenous and grinding semiautogenous practices [J]. Mining Engineering，1982，346647-651. [2] MORREL S. Design of AG/SAG mill circuits using the SMC test [C] // International Autogenous Grinding，Semiautogenous Grinding and High Pressure Grinding Rolls Technology 2005. VancouverCIMM，2005XI279-298. [3] LATCHIREDDI S. Improving AG/SAG mill perance with optimised discharger design [C] // International Mineral Processing Congress. SantiagoIMPC council，2014511-518. [4] 陈炳辰.自磨机给料粒度组成对自磨机产量的影响 [J].金属 矿山，19811038-39. [5] CHANDRAMOHAN R，POWELL M，HOLTHAM P N. The effect of blends of rock shape in AG/SAG mills and comminution circuits [C] // International Autogenous Grinding，Semiautogenous Grinding and High Pressure Grinding Rolls Technology 2011. VancouverCanadian Institute of Mining and Metallurgy， 20111-15. [6] 黄尚明.提高自磨机效率的措施 [J].矿业工程，20076 47-48. [7] MORRELL S，VALERY W. Influence of feed size on AG/SAG mill perance [C] // International Autogenous Grinding， Semiautogenous Grinding and High Pressure Grinding Rolls Technology 2001. VancouverCIMM，2001I203-214. [8] PALEY N，KOJOVIC T. Adjusting blasting to increase SAG mill throughput at the Red Dog Mine [C] // The Annual Conference On Explosives and Blasting Technique. OrlandoISEE，200165- 82. [9] BORAJILA A. The impact of feed size analysis on the autogenous grinding mill [C] // International Autogenous Grinding， Semiautogenous Grinding and High Pressure Grinding Rolls Technology 2001. VancouverCIMM，2001II317-330. [10] MORRELL S，MUNRO P D. Increased profits through mine- and-mill integration [J]. The Future of Mining，20004194- 198. [11] ROSE D J，KORPA P A，DOWLING E C，et. al. High pressure grinding roll utilization at empire [J]. Minerals Engineering， 200216426-441. [12] 郑 竞，董节功，张 敏.高压辊磨机用于顽石破碎作业的 工艺研究 [J].矿山机械，2018，46937-42. [13] PALMER E，DIXON S，MEADOWS D. An update of the SAG milling operation at the Penasquito mining located in the Zactecas State，Mexico [C] // International Autogenous Grinding， Semiautogenous Grinding and High Pressure Grinding Rolls Technology 2011. VancouverCIMM，2011169-187. [14] ENGELHARDT D，LZNE G，POWELL M. Cadia expansion- 万方数据 第 48 卷 2020 年第 12 期 编辑 翟晓华 破磨 38 the impact of installing high pressure grinding rolls prior to a semi- autogenous grinding mill [C] // 12th AusIMM Mill Operators Conference 2014. CarltonAusIMM，2014233-240. [15] 刁晓刚，李 卫，王春民，等.矿山耐磨材料的选择与应用 [J].矿山机械，2020，48171-75. [16] 赵 魏，邹声勇，姬建钢，等.离散元法在磨机设计中的应用 [J].矿山机械，2013，41266-70. [17] 刘建平，王继光，于国昊，等.一种半自磨机出料端衬板的优 化设计 [J].矿山机械，2016，441251-53. [18] ROYSTON D. Curved pulp lifters for AG and SAG mills-current experience [C] // SME Annual Meeting 2000. UtahSME，2000 14. [19] 刘 伟，王 磊，袁广春.柱式平底旋流器及其应用 [J].现代 矿业，2016，3210198-199. [20] 王 磊，王德明，郑纪民，等.平底旋流器及其在某自磨分级 系统改造中的应用 [A].中国矿业科技文汇2016，20162. [21] BROUSSAUD A，LEGRAND1 G，KOK D，et al. Integrated advanced grinding control system at Newmont Ahafo [C] // International Autogenous Grinding，Semiautogenous Grinding and High Pressure Grinding Rolls Technology 2011. Vancouver CIMM，2011168. [22] 梁雪海，刘 清.西石门选厂增设大块干选后自磨作业分析 [J].金属矿山，19961143-44. □ 收稿日期2020-10-09 万方数据