龔道振,王培龍,孫春寶,寇玨,張瑞洋,胡陽

1.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100083； 2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083

礦山生產(chǎn)處理單位礦石的能耗是衡量其礦產(chǎn)資源開發(fā)利用水平的重要指標(biāo)之一[1]。礦石粉碎能耗占金屬礦山生產(chǎn)總能耗的35%～50%[2-4]，在礦石粉碎工藝流程中磨礦作業(yè)的能耗最高，占到礦石粉碎總能耗的80%～85%[5]。磨礦分級(jí)系統(tǒng)的礦石處理能力往往決定了選礦廠的處理能力，而且磨礦產(chǎn)品的質(zhì)量直接影響后續(xù)選別作業(yè)的技術(shù)指標(biāo)。因此，優(yōu)化磨礦分級(jí)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)礦山節(jié)能降耗、提高資源開發(fā)利用水平的重要途徑。

某金礦選廠采用采用一段閉路磨礦、一粗二掃二精浮選、中礦再磨返回粗選的選礦工藝。該金礦處理的礦石屬于微細(xì)粒浸染型難選冶金礦石，礦石中的金主要以黃鐵礦包裹金形式賦存。礦石的邦德球磨功指數(shù)高達(dá)19.76 kWh/t，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐表明磨礦產(chǎn)品細(xì)度必須達(dá)到-74 μm占75%～80%才能保證良好的浮選指標(biāo)。礦石的高硬度加上浮選作業(yè)對(duì)磨礦產(chǎn)品細(xì)度的高要求導(dǎo)致選廠的磨礦能耗高，同時(shí)也制約了選廠產(chǎn)能的提高。為了實(shí)現(xiàn)選廠的提產(chǎn)增效和節(jié)能降耗，采用JKSimMet模擬軟件對(duì)選廠的磨礦分級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行了多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化。

1 JKSimMet模擬軟件簡介

JKSimMet是澳大利亞Julius Kruttschnitt礦物研究中心研發(fā)的專門針對(duì)碎磨流程的模擬軟件[6]，可以計(jì)算模擬礦石物料在各碎磨作業(yè)段或在整個(gè)碎磨系統(tǒng)中的運(yùn)行狀況，包括處理量、物料粒度分布、礦漿濃度等[7]。該軟件特別適合用于對(duì)現(xiàn)有的破碎磨礦流程進(jìn)行優(yōu)化，通過利用JKSimMet軟件分析實(shí)際碎磨流程的運(yùn)行數(shù)據(jù)，找出薄弱環(huán)節(jié)，采取進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化措施，可提高流程的產(chǎn)能或使磨礦產(chǎn)品更好地滿足后續(xù)選別作業(yè)的要求[8]。

1.1 磨礦單元計(jì)算模型介紹

JKSimMet軟件采用基于總量平衡的理想混合模型(Perfect Mixing Model)計(jì)算粉碎產(chǎn)品的粒度組成。在連續(xù)給料的條件下，磨機(jī)內(nèi)某一粒級(jí)i的總量平衡表達(dá)式如式(1)所示，理想混合模型示意圖如圖1所示。

(1)

式中fi為給料中i粒級(jí)物料的質(zhì)量；ri為磨機(jī)內(nèi)i粒級(jí)物料的破碎速率；si為磨機(jī)內(nèi)部i粒級(jí)物料的質(zhì)量；aij為大于i粒級(jí)的物料被破碎至i粒級(jí)的比例；di為磨機(jī)內(nèi)i粒級(jí)物料的排出速率。

圖1 理想混合模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the ideal mixing model

在使用JKSimMet模擬碎磨流程時(shí)，礦石在粉碎設(shè)備中的粉碎效果由礦石粉碎特征參數(shù)、磨機(jī)設(shè)備參數(shù)和操作參數(shù)共同決定。因此，利用JKSimMet軟件可以建立與現(xiàn)場(chǎng)磨礦分級(jí)系統(tǒng)流程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)備參數(shù)和礦石性質(zhì)相吻合的模型，并準(zhǔn)確模擬該系統(tǒng)在不同工藝參數(shù)下的運(yùn)行情況。

1.2 分級(jí)單元計(jì)算模型介紹

JKSimMet軟件中一般采用Nageswararao模型[9]來計(jì)算物料在水力旋流器中的分級(jí)指標(biāo)。該模型能夠計(jì)算出旋流器給礦中各個(gè)粒級(jí)的分級(jí)效率和給礦中的水在溢流、底流中的分配比例，由以上數(shù)據(jù)便可計(jì)算出溢流和底流的濃度和粒度分布。Nageswararao模型采用簡化分級(jí)效率曲線(Reduced Efficiency Curve)計(jì)算物料分級(jí)效率。金屬礦山磨礦分級(jí)系統(tǒng)中旋流器的典型簡化分級(jí)效率曲線如圖2所示，圖中各個(gè)粒級(jí)的分級(jí)效率按式(2)計(jì)算。分離粒度d50決定了分級(jí)效率曲線的位置，參數(shù)α和β的值決定了分級(jí)效率曲線的形狀。在輸入旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)和旋流器給礦、底流、溢流的濃度和粒度分布等數(shù)據(jù)后，通過不斷調(diào)整模型各參數(shù)的值并將模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果比較，可建立該旋流器的分級(jí)模型，用于后續(xù)模擬該旋流器在不同工作參數(shù)下的運(yùn)行指標(biāo)。

圖2 水力旋流器簡化分級(jí)效率曲線Fig.2 Simplified classification efficiency curve of hydrocyclone

(2)

式中E0是物料的分級(jí)效率；d是物料的實(shí)際粒度(μm)；d50c是修正過的分級(jí)效率為50%對(duì)應(yīng)的粒級(jí)(μm)；α、β是定義效率曲線形狀的參數(shù)；C是進(jìn)入到溢流中的水占給料所含水的比例(%)；β*由內(nèi)部計(jì)算不屬于擬合參數(shù)。

2 磨礦分級(jí)系統(tǒng)考察與診斷分析

某金礦的磨礦分級(jí)系統(tǒng)流程結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中粗磨作業(yè)采用格子型球磨機(jī)，磨礦細(xì)度為-74 μm含量占77%左右；中礦再磨作業(yè)采用溢流型球磨機(jī)，磨礦細(xì)度為-74 μm含量占75%～80%。浮選各作業(yè)中礦合并后泵送至旋流器組進(jìn)行預(yù)先分級(jí)，溢流輸送至浮選粗選給礦攪拌槽，底流給入中礦再磨球磨機(jī)。粗磨分級(jí)作業(yè)旋流器底流的一部分(約占粗磨球磨機(jī)處理量10%～15%)直接給入再磨球磨機(jī)。

圖3 某金礦磨礦分級(jí)系統(tǒng)流程結(jié)構(gòu)Fig.3 Configuration of the grinding circuit at a gold mine

對(duì)磨礦分級(jí)系統(tǒng)中各關(guān)鍵產(chǎn)品的粒度進(jìn)行了篩析，結(jié)果如圖4～圖6所示。由圖5和圖6可知，粗磨作業(yè)和中礦再磨作業(yè)的旋流器給礦和底流的粒度組成差別并不明顯，這說明旋流器的運(yùn)行參數(shù)與球磨機(jī)的運(yùn)行參數(shù)沒有充分匹配，導(dǎo)致旋流器并未充分發(fā)揮其物料分級(jí)的能力。若調(diào)整旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，保證磨機(jī)排礦中的合格粒級(jí)及時(shí)排出，可提高磨礦分級(jí)系統(tǒng)的處理能力。

圖4 粗磨螺旋分級(jí)各產(chǎn)品粒度組成Fig.4 Particle size distribution of the products in the coarse grinding-spiral classification circuit

圖5 粗磨旋流器各產(chǎn)品粒度組成Fig.5 Particle size distribution of products in the coarse grinding-cyclone circuit

3 JKSimMet模型建立及驗(yàn)證

采用JKSimMet軟件建立了與該金礦礦石性質(zhì)和磨礦分級(jí)工藝流程相匹配的數(shù)值模擬模型并對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證。磨礦分級(jí)系統(tǒng)中球磨機(jī)模型和旋流器模型的輸入?yún)?shù)分別如表1和表2所示。磨礦分級(jí)系統(tǒng)JKSimMet模擬結(jié)果如圖7所示，粗磨分級(jí)系統(tǒng)和中礦再磨分級(jí)系統(tǒng)的模擬結(jié)果分別如表3和表4所示?？梢娔Ｐ湍M的關(guān)鍵產(chǎn)品的粒度和濃度與實(shí)際考察的偏差很小，模型吻合度很高。

表2 JK SimMet軟件旋流器模型輸入?yún)?shù)Table 2 Input parameters of the cyclone model in JKSimMet software

圖7 某金礦磨礦分級(jí)系統(tǒng)JKSimMet模擬結(jié)果Fig.7 Simulation results of the grinding circuit at agold mine using JKSimMet

表3 粗磨分級(jí)系統(tǒng)JKSimMet模擬結(jié)果Table 3 JKSimMet simulation results of the coarse grinding and classification system

表4 中礦再磨分級(jí)系統(tǒng)JKSimMet模擬結(jié)果Table 4 JKSimMet simulation results of the middlings regrinding- classification system

4 磨礦分級(jí)系統(tǒng)整體模擬優(yōu)化

大量的礦山生產(chǎn)實(shí)踐已證明,以“多碎少磨”為理念的碎磨流程優(yōu)化是提高礦石粉碎效率的有效措施。由于破碎作業(yè)的能量利用效率遠(yuǎn)高于磨礦作業(yè)的能量利用效率，因此讓破碎作業(yè)盡可能多的承擔(dān)礦石粉碎任務(wù)，降低球磨機(jī)給礦粒度能夠提高整個(gè)碎磨流程的粉碎效率。考慮到現(xiàn)場(chǎng)細(xì)碎圓錐破碎機(jī)設(shè)備作業(yè)率較低，可進(jìn)一步將細(xì)碎排礦口從10 mm減小至7 mm，減小球磨給礦粒度，將更多礦石粉碎任務(wù)分配給細(xì)碎作業(yè)。優(yōu)化前后粗磨球磨機(jī)新給礦粒度組成變化如圖8所示，通過減小細(xì)碎排礦口尺寸可將球磨給礦粒度F80從10.0 mm降低至7.0 mm。

圖8 優(yōu)化前后粗磨球磨機(jī)新給礦粒度組成對(duì)比Fig.8 Comparison of particle size distribution of new feed for coarse grinding mill before and after optimization

水力旋流器的結(jié)構(gòu)尺寸和操作參數(shù)對(duì)物料分級(jí)效果有重要的影響[10]?，F(xiàn)場(chǎng)粗磨作業(yè)和中礦再磨作業(yè)的旋流器分級(jí)效果不理想，旋流器給礦與底流產(chǎn)品粒度差異小，因此針對(duì)性地調(diào)整了旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，提升了物料的分級(jí)效率。采用JKSimMet軟件分別模擬了粗磨旋流器組在不同給礦濃度和不同沉砂口直徑下的運(yùn)作指標(biāo)。模擬結(jié)果顯示：增大沉砂口直徑后旋流器分離粒度d50減小，溢流產(chǎn)品P80減小，分級(jí)效率得到了提升，但是旋流器給礦壓力顯著上升；增大旋流器給礦濃度后旋流器分離粒度d50增大，溢流產(chǎn)品P80增大，分級(jí)效率降低，但是旋流器給礦壓力顯著降低。旋流器正常工作時(shí)的給礦壓力應(yīng)不超過0.13 MPa，壓力過大會(huì)增加旋流器給礦端的磨損，影響設(shè)備壽命和設(shè)備工作效率。綜合考慮，采取了增大沉砂口直徑同時(shí)適當(dāng)增加給礦濃度的優(yōu)化方案，以保證提高旋流器分級(jí)效率的同時(shí)將旋流器給礦壓力保持在合適的范圍內(nèi)。采取的具體優(yōu)化措施為：將粗磨作業(yè)旋流器的給礦濃度由47.5%提高至49.3%，旋流器沉砂口直徑由70 mm增大至75 mm；將中礦再磨作業(yè)旋流器的給礦濃度由54.9%提高至59.9%，旋流器沉砂口直徑由35 mm增大至40 mm。

中礦再磨磨機(jī)的運(yùn)行功率為139 kW，電機(jī)安裝功率為210 kW，電機(jī)利用系數(shù)僅為66%。目前磨機(jī)鋼球充填率為31%，而溢流型球磨機(jī)的鋼球充填率最大可達(dá)45%～50%。因此中礦再磨磨機(jī)的能力還有富余，可增加該磨機(jī)的給礦量，同時(shí)應(yīng)提高鋼球充填率，以保證在磨機(jī)處理量增加的情況下磨礦細(xì)度不變。采取的具體優(yōu)化措施為將粗磨旋流器底流分給中礦再磨磨機(jī)的比例從當(dāng)前的8%提高至13%，同時(shí)將該磨機(jī)的鋼球充填率由31%提高至40%。

磨礦分級(jí)系統(tǒng)整體優(yōu)化調(diào)整的參數(shù)如表5所示。磨礦分級(jí)系統(tǒng)整體優(yōu)化前后磨礦分級(jí)系統(tǒng)的運(yùn)行效率對(duì)比如表6所示。通過采取表5中的優(yōu)化措施，磨礦分級(jí)系統(tǒng)的處理能力提升至44 t/h，并且優(yōu)化后粗磨產(chǎn)品細(xì)度P80從85 μm降至80 μm。優(yōu)化后明顯提高了球磨機(jī)的磨礦效率。在增加流程處理量25%的情況下將粗磨比能耗從11.09 kWh/t降低至9.94 kWh/t，并且磨礦產(chǎn)品細(xì)度從86 μm降低至80 μm；將中礦再磨比能耗從9.93 kWh/t降低至7.23 kWh/t，并且中礦再磨細(xì)度基本保持不變。通過優(yōu)化流程各工作參數(shù)，旋流器的分級(jí)效率也得到了明顯的改善，粗磨旋流器的分級(jí)粒度由111 μm降低至104 μm，中礦再磨旋流器的分級(jí)粒度由78 μm降低至75 μm。優(yōu)化后球磨機(jī)的排礦粒度變粗，旋流器的返砂比增加，減少了礦石的過磨。

表5 磨礦分級(jí)系統(tǒng)整體優(yōu)化調(diào)整參數(shù)Table 5 Adjusted parameters of the grinding and classification system before and after optimization

表6 磨礦分級(jí)系統(tǒng)整體優(yōu)化前后運(yùn)行指標(biāo)對(duì)比Table 6 Comparison of the operating indices of the grinding and classification system before and after the optimization

5 結(jié) 論

采用JKSimMet模擬軟件對(duì)某金礦磨礦分級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行了多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化，采取的主要優(yōu)化措施為：降低球磨機(jī)給礦粒度，增加中礦再磨球磨機(jī)鋼球充填率，調(diào)整旋流器的沉砂口尺寸、給礦壓力、給礦濃度，增加粗磨旋流器底流給入再磨球磨機(jī)的礦量等。模擬結(jié)果顯示優(yōu)化后磨礦分級(jí)系統(tǒng)的處理能力由35 t/h提升至44 t/h，粗磨比能耗從11.09 kWh/t降低至9.94 kWh/t，中礦再磨比能耗從9.93 kWh/t降低至7.23 kWh/t，并且粗磨產(chǎn)品細(xì)度P80從86 μm降至80 μm。通過對(duì)磨礦分級(jí)系統(tǒng)中各工藝參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化，增加了磨礦分級(jí)系統(tǒng)的處理能力，降低了磨礦比能耗，并且提高了磨礦產(chǎn)品的質(zhì)量，達(dá)到了選廠提產(chǎn)提質(zhì)、節(jié)能降耗的目標(biāo)，為類似礦山磨礦分級(jí)系統(tǒng)的優(yōu)化提供了參考和借鑒。