張開路 王化軍,2,3 張金華 張國文

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室；3.鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點實驗室；4.首鋼礦業(yè)公司)

1段閉路磨礦篩分分級返砂磁選拋尾試驗

張開路1王化軍1,2,3張金華4張國文1

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室；3.鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點實驗室；4.首鋼礦業(yè)公司)

根據(jù)首鋼礦業(yè)公司大石河鐵礦選礦車間1段閉路磨礦篩分分級返砂物料組成進行磁選試驗，在127.39 kA/m的磁感應(yīng)強度下，返砂磁選拋尾作業(yè)產(chǎn)率為31.64%，通過建立生產(chǎn)系統(tǒng)返砂磁選平衡狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型，對返砂磁選拋尾工業(yè)應(yīng)用進行預(yù)測。根據(jù)首鋼礦業(yè)公司大石河鐵礦選礦車間的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，預(yù)測在增加返砂磁選拋尾作業(yè)后，選擇返砂比為60.94%時，返砂磁選作業(yè)尾礦產(chǎn)率為18.75%，可增加1段球磨機新給礦處理能力20.36個百分點。返砂磁選拋尾可顯著提高磨機生產(chǎn)能力，對礦山節(jié)能降耗、降低成本具有重要指導(dǎo)意義。

磁鐵礦石 1段閉路磨礦 分級返砂 磁選 數(shù)學(xué)模型

磁鐵礦石是當(dāng)前國內(nèi)鐵礦選礦廠最主要的入選礦石類型，近年來具有代表性的磁鐵礦石選礦工藝為階段磨礦—全磁選選別工藝，隨著超細碎濕式磁選拋尾工藝的廣泛應(yīng)用，磁鐵礦石入選品位越來越低[1]。我國磁鐵礦資源全鐵品位總體偏低[2]，伴隨著多年開采，具有開采利用價值的較高品位的磁鐵礦資源日趨枯竭，為了滿足國內(nèi)鋼鐵工業(yè)發(fā)展需求，一些通常認(rèn)為沒有開采利用價值的低品位磁鐵礦也逐漸得到開發(fā)利用[3-4]。一些鐵礦選礦廠通過提高生產(chǎn)作業(yè)率來增加鐵精礦的產(chǎn)量，如南芬選礦廠的生產(chǎn)作業(yè)率高達96%但仍不能滿足本鋼煉鐵需求[5]。遵循“能收早收、能拋早拋”的選礦原則，對于磁鐵礦石“階段磨礦、階段磁選”中1段閉路磨礦分級返砂磁選拋尾的可行性已有研究報道[5-6]。這部分返砂之中含有已經(jīng)單體解離的脈石礦物(包括其集合體)，已經(jīng)單體解離的脈石礦物(包括其集合體)返回再磨會浪費磨機的處理能力，同時增加能耗。采用磁選的方式將1段閉路磨礦返砂中的合格尾礦(單體解離的脈石礦物及其集合體)及時拋除，是提高磨機處理能力、降低能耗及生產(chǎn)成本的有效途徑。

1 試驗礦樣

試驗礦樣取自首鋼礦業(yè)公司大石河鐵礦選礦車間1段閉路磨礦分級直線振動篩篩上返砂。1段閉路磨礦用MQG2 700 mm×3 600 mm格子型球磨機，分級用ZKB1856A直線振動篩。ZKB1856A直線振動篩處理量約為80 t/(臺·h)，篩面傾角為5°，篩孔尺寸為1.5～2.5 mm。

將返砂樣品混勻、縮分，取出3 kg進行粒度分析試驗，分析結(jié)果見表1。

表1 返砂粒度分析結(jié)果

由表1可知，返砂中礦石主要集中在3～ 5 mm粒級；+2 mm粒級產(chǎn)率占98%以上，表明大石河鐵礦選礦車間1段閉路磨礦分級采用直線振動篩篩分分級的分級效率較高；結(jié)合生產(chǎn)數(shù)據(jù)，1段球磨機排礦中-0.074 mm粒級含量為22.00%，篩下產(chǎn)品中-0.074 mm粒級含量為39.04%，返砂-0.074 mm粒級含量僅0.70%；-3 mm粒級返砂全鐵品位比+3 mm粒級返砂高出約2.47個百分點，表明細粒級中磁鐵礦略有富集。

2 磁選拋尾試驗結(jié)果

2.1 磁選拋尾產(chǎn)品粒度分析

采用板式磁選機對返砂進行了磁選拋尾試驗。磁選拋尾試驗采用的板式磁選機分選皮帶表面磁感應(yīng)強度為95.54 kA/m，通過分選得到磁性返砂和返砂尾礦。采用磁選管法檢測磁性鐵品位，磁選管磁感應(yīng)強度為111.46 kA/m，返砂磁選試驗結(jié)果見表2，磁性返砂和返砂尾礦粒度分析結(jié)果分別見表3、表4。

由表2～表4可知，返砂在較弱的分選磁感應(yīng)強度條件下，可拋出大量的返砂尾礦。返砂尾礦中除-2 mm粒級外，其余粒級的全鐵品位均在8%以下，-2 mm粒級全鐵品位偏高的原因，可能是部分細顆粒的磁鐵礦黏附在單體解離的脈石礦物及其集合體顆粒上并隨之進入到返砂尾礦中，在粒度分析篩分時脫落富集到-2 mm粒級所致；其中產(chǎn)率最高的3～5 mm的全鐵品位最低，是由于這個粒級內(nèi)的貧連生體顆粒所受重力與其所受磁場力比較而言相對較小，在試驗磁感應(yīng)強度條件下容易得到磁選回收，所以返砂尾礦全鐵品位相對較低；在+5 mm粒級全鐵品位略高，與較粗顆粒的貧連生體顆粒所受重力與其所受磁場力比較而言相對較大，在試驗磁感應(yīng)強度條件下不容易得到磁選回收，所以返砂尾礦全鐵品位相對較高。磁性返砂中產(chǎn)率最高的3～5 mm粒級的全鐵品位比+5 mm粒級低了4.61個百分點，也略低于其他粒級；3～5 mm粒級中脈石礦物與磁鐵礦連生體占多數(shù)，該粒級物料需要通過返回再磨完成磁鐵礦與脈石礦物的進一步分離，在這里磁選拋尾對于返砂的選擇性作用可以避免一部分脈石礦物及其集合體返回再磨浪費磨機處理能力和能耗，同時對于1段磨礦分級直線振動篩的篩孔尺寸選擇也具有指導(dǎo)意義。

表2 返砂磁選試驗結(jié)果

表3 磁性返砂粒度分析結(jié)果

表4 返砂尾礦粒度分析結(jié)果

根據(jù)表2～表4結(jié)果可計算出磁性返砂和返砂尾礦中各個粒級的回收率，結(jié)果見表5。

表5 磁性返砂和返砂尾礦各粒級回收率

由表5可知，在95.54 kA/m的磁感應(yīng)強度條件下，磁選拋尾試驗的全鐵回收率為89.01%，+2 mm 粒級回收率占88.12%；返砂尾礦中損失的鐵主要集中在3～5 mm粒級，該粒級內(nèi)磁鐵礦與脈石礦物以連生體形式存在居多，磁鐵礦在連生體中含量高低會影響磁場力作用的大小，一些連生體中磁鐵礦含量不足以使磁場力作用超過重力作用，從而進入到返砂尾礦中；提高磁感應(yīng)強度則這些連生體可以進入磁性返砂中，因此需要找到合適的磁感應(yīng)強度。

2.2 磁選拋尾磁感應(yīng)強度試驗

將返砂在不同磁感應(yīng)強度條件下進行磁選拋尾試驗，試驗結(jié)果見表6。

表6 返砂磁選磁感應(yīng)強度試驗結(jié)果

由表6可知，隨著磁感應(yīng)強度的增加，返砂尾礦中的全鐵品位和磁性鐵品位降低，在磁感應(yīng)強度為127.39 kA/m時，返砂尾礦的磁性鐵品位降到了0.73%，由增加磁感應(yīng)強度帶來的返砂尾礦磁性鐵品位降低的邊際效益變?nèi)?；綜合考慮，選擇返砂磁選拋尾的磁感應(yīng)強度為127.39 kA/m。

3 磨礦機生產(chǎn)能力數(shù)學(xué)模型

3.1 計算模型

圖1所示計算模型為1段磨礦分級閉路循環(huán)的計算模型，其中磨礦機新給礦量為Q，其中指定粒級以下含量為γ0;磨礦機給礦量為(Q+S)，其中指定粒級以下含量為γ1；磨礦機排礦量為(Q+S)，其中指定粒級以下含量為γ2；分級設(shè)備的篩下礦量為Q，其中指定粒級以下含量為γ3；分級設(shè)備的篩上礦量為S，其中指定粒級以下含量為γ4；閉路循環(huán)的返砂比為C1，C1=S/Q。

圖1 1段閉路磨礦分級計算模型

圖2 1段閉路磨礦分級返砂磁選拋尾計算模型

3.2 理論計算

圖1和圖2所示計算模型采用的是同一臺磨礦機和分級設(shè)備，不同的是圖2中增加了對返砂的磁選拋尾作業(yè)。根據(jù)磨礦動力學(xué)原理，磨礦機的給礦粒度和磨礦機的排礦粒度應(yīng)遵循一階或二階磨礦動力學(xué)方程[7]，即：

(1)

或

(2)

式中，R0、R1分別為磨機給礦、排礦中指定粒級以下含量，%；t為磨礦時間；k、m分別為與礦石性質(zhì)相關(guān)的系數(shù)，對于特定的礦石k、m是已知的。

對于圖1和圖2所示的計算模型，還存在指定粒級以下含量在物料分配時守恒。分級設(shè)備給礦、溢流(篩下)、沉砂(篩上)中指定粒級以下含量應(yīng)服從物料守恒。

圖1中的平衡關(guān)系式為：

(1+C1)γ2=γ3+C1γ4.

(3)

圖2中的平衡關(guān)系式為：

(4)

將返砂比C2用參數(shù)Z=(1-θ)C2替換后為：

[1+(1-θ)Z]γ5=(1-θZ)γ6+Zγ7.

(5)

同理，磨礦機的新給礦、返砂、磨礦機給礦中指定粒級以下含量也服從物料守恒。

圖1中的平衡關(guān)系式為：

(1+C1)γ1=γ0+C1γ4.

(6)

圖2中，這里需要注意返砂并不是分級設(shè)備的沉砂(篩上)，而是磁性返砂，平衡關(guān)系式為：

(7)

將式(7)中返砂比C2用參數(shù)Z替換后為：

(8)

圖2所示計算模型中還有一個物料守恒條件，即磁選拋尾作業(yè)給礦、磁選返砂、磁選尾礦中指定粒級以下含量的平衡式：

(9)

磨礦分級流程計算中分級效率也是一個約束條件。結(jié)合大石河鐵礦選礦生產(chǎn)實踐[6]，將直線振動篩作為分級設(shè)備，其分級效率普遍高于水力旋流器和螺旋分級機，且在直線振動篩給礦處會有大量的沖洗水用于分散1段磨礦的高濃度排礦，直線振動篩的分級效率與篩上返砂礦量和新給礦量的比值之間存在近似的線性關(guān)系[8]。

考察圖2計算模型的分級效率E，根據(jù)分級效率的定義，圖2中分級效率E的計算公式為：

(10)

根據(jù)式(8)、(9)，得到γ7的表達式為：

(11)

(12)

(13)

(14)

這是一個關(guān)于γ5的二次方程，求解：

(15)

由后續(xù)驗算，可知只有一個解具有實際意義，故γ5表達式為：

(16)

假設(shè)在圖1和圖2模型中，磨礦機磨礦符合一階磨礦動力學(xué)原理，即式(1)，則圖2模型磨礦時間t2的計算式為：

(17)

(18)

根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以得到t1值，由產(chǎn)品中指定粒級以下含量能夠計算出k值。當(dāng)磨礦機相同，且磨礦機給料性質(zhì)基本穩(wěn)定和磨礦機產(chǎn)品質(zhì)量要求相同時，磨礦機的生產(chǎn)率與給礦通過磨礦機的時間成反比[9]，即：

(19)

式中,Q1和Q2是表示磨礦機總生產(chǎn)率。而以新給礦計算的生產(chǎn)率QX計算公式[9]為：

(20)

式中，βP為磨礦機排礦中指定粒級以下含量，%；βG為磨礦機新給礦中指定粒級以下含量，%；QZ為磨礦機總生產(chǎn)率。

3.3 驗證計算

首鋼礦業(yè)公司大石河鐵礦選礦車間第九系列1段閉路磨礦分級，磨礦機與分級用篩分機型號規(guī)格及主要技術(shù)參數(shù)同前。磨機臺時處理能力為 80t/h，新給礦-0.074mm粒級占8%，磨機排礦 -0.074mm粒級占22%，篩下產(chǎn)品要求 -0.074mm粒度占39.04%，篩上產(chǎn)品-0.074mm粒級僅為0.7%，1段磨礦分級返砂比C1為0.8，即80%。

由試驗室返砂磁選拋尾試驗可知在磁感應(yīng)強度為127.39kA/m的條件下，磁選拋尾產(chǎn)率η=31.64%，返砂尾礦中-0.074mm粒級含量為0.4%。

在圖2所示計算模型中，磁選拋出尾礦由兩個部分組成，一是由新給礦經(jīng)過磨礦篩分分級后篩上進入磁選機得到的返砂尾礦，二是由磁性返砂經(jīng)過再磨、篩分分級后篩上給到磁選機得到的尾礦。由試驗室磁選拋尾試驗結(jié)果可知，磁性返砂經(jīng)過再磨、篩分分級后給入磁選機得到的返砂尾礦量很少，在本項模擬計算中可忽略不計。只考慮由新給礦經(jīng)磨礦篩分分級后進入到磁選機的部分，根據(jù)試驗室返砂磁選試驗，在返砂比為C1條件下的1段閉路磨礦分級返砂可以拋除η的尾礦，η表示試驗室返砂磁選試驗拋尾產(chǎn)率拋除的是由(1+C1)Q的1段磨礦

綜合上述結(jié)論，在圖2計算模型中，篩上返砂量與新給礦量比值為Z，磁選拋尾作業(yè)產(chǎn)率為θ。此時拋除的尾礦對于新給礦的產(chǎn)率θZ。由前文推論，拋除的尾礦是由新給礦產(chǎn)生的，可以推出式(21)

(21)

求解得：

(22)

根據(jù)式(11)、(12)、(16)、(22)，對增加返砂磁選拋尾作業(yè)的1段閉路磨礦分級循環(huán)進行預(yù)測。根據(jù)圖1所示計算模型中已知的1段磨礦分級生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以t1為0.5 h計算，式(18)中系數(shù)k的值為0.399 5。參數(shù)Z從0.45開始計算，每次增加0.05，至1.00為止，帶入各參數(shù)的計算公式中，所得結(jié)果見表7。

表7 1段閉路磨礦篩分分級返砂磁選拋尾模擬計算結(jié)果

由表7可知，參數(shù)Z為0.75時，磨礦機的排礦粒度接近原1段磨礦分級時磨礦機的排礦粒度，從維持工藝穩(wěn)定性考慮，選擇參數(shù)Z為0.75，此時返砂比C2為0.609 4,即60.94%，t2為0.464 7h。

根據(jù)式(19)、式(20)可以計算得出1段磨礦機新給礦處理能力由80t/h提升至96.29t/h，提高了20.36個百分點，返砂磁選作業(yè)尾礦產(chǎn)率為 0.187 5，即18.75%，對于原礦的拋尾產(chǎn)率為14.06%。返砂磁選拋尾可顯著提高磨礦機生產(chǎn)能力，并有利于粗粒尾礦的利用和減少微細粒尾礦的產(chǎn)生量，延長尾礦庫服務(wù)年限，對礦山選礦節(jié)能降耗降低成本生產(chǎn)技術(shù)改造具有重要指導(dǎo)意義。

4 結(jié) 論

(1)首鋼礦業(yè)公司大石河選礦廠第九系列1段磨礦分級直線振動篩篩上返砂磁選可以拋出31.64%的返砂尾礦，返砂尾礦的磁性鐵含量為0.73%。

(2)建立了磁鐵礦石1段閉路磨礦分級返砂磁選拋尾數(shù)學(xué)模型，根據(jù)1段閉路磨礦分級生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及返砂磁選拋尾試驗結(jié)果，可以模擬計算出增加返砂磁選拋尾作業(yè)后，在選定返砂比條件下的返砂磁選拋尾作業(yè)產(chǎn)率和磨礦機生產(chǎn)能力提高幅度，為生產(chǎn)改造提供理論依據(jù)。

(3)根據(jù)首鋼礦業(yè)公司大石河鐵礦選礦車間第九系列1段閉路磨礦篩分分級返砂磁選拋尾試驗結(jié)果及生產(chǎn)數(shù)據(jù)，預(yù)測在增加返砂磁選拋尾作業(yè)后，返砂比為60.94%時，1段磨礦機生產(chǎn)能力提升20.36個百分點，返砂磁選拋尾作業(yè)產(chǎn)率為18.75%。返砂磁選拋尾對于礦山選礦節(jié)能降耗,降低成本,生產(chǎn)技術(shù)改造具有重要意義。

[1] 武桂芳.我國鐵礦山選礦技術(shù)的新進展[J].科技信息,2013(9):431.

[2] 崔立偉，夏浩東，王克聰，等．中國鐵礦資源現(xiàn)狀與鐵礦實物地質(zhì)資料篩選[J]．地質(zhì)與勘探，2012，48(5):894-905．

[3] 馬淮湘．超貧磁鐵礦選礦技術(shù)新進展與思考[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2011(4):33-34，42.

[4] 王得志．超貧磁鐵礦濕式粗粒預(yù)選工藝研究[J].中國礦業(yè)，2013，22(3):91-94.

[5] 李淑艷，周鐵賓，牟景春，等．南芬選礦廠保質(zhì)增效的探索[J].本鋼技術(shù)，2012(2):1-3．

[6] 盧 斌．密地選礦廠沉砂拋尾試驗研究[J].礦產(chǎn)綜合利用，2014，2(4):37-41．

[7] 李茂林，馮定五，向文娟．磨礦分級回路中最佳循環(huán)負荷理論分析與數(shù)值計算[J].礦冶工程，2012，32(8):32-36．

[8] 王 耀，崔振立．1段磨礦分級使用直線振動篩的實踐[J].金屬礦山，2011(6):308-310．

[9] 段希祥.碎礦與磨礦[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

Discarding Test by Magnetic Separation of Returning Sand from First Stage Closed-circuit Grinding-screening Operation

Zhang Kailu1Wang Huajun1,2,3Zhang Jinhua4Zhang Guowen1

(1.College of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing;2.State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines, Ministry of Education;3.State Key Laboratory of Iron and Steel Metallurgy Technology; 4.Shougang Mining Company)

Magnetic separation teats is conducted according to material composition of returning sand from first stage closed-circuit grinding-screening operation, Dashihe Iron Plant beneficiation workshop, Shougang Mining Company. Tailings discarding yield of 31.64% from magnetic separation for returning sand is obtained at the magnetic induction intensity of 127.39 kA/m. Through mathematical model establishment of the production system, industrial application forecast for magnetic separation tailings from returning sand is carried out. According to productivity data in Dashihe Iron Plant beneficiation workshop, Shougang Mining Company, tailings discarding yield of 18.75% from magnetic separation for returning sand and 20.36 percentage points increase of first stage mill capacity will achieved at the ratio of returning sand 60.94%. Tailings discarding through magnetic separation can increase the capacity of mill obviously, and have important guiding significance in saving energy and reducing costs for mines.

Magnetic iron ore, First stage closed circuit grinding, Returning sand from classification, Magnetic separation, Mathematical model

2014-11-17)

張開路(1990—)，男，碩士研究生，100083 北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號。