陳 波,王亞強(qiáng),王坷剛,仝麗娟
1洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039
2礦山重型裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽 471039
碎 磨系統(tǒng)是礦產(chǎn)資源加工過程投資巨大、能耗極高的作業(yè)。隨著工業(yè)礦床貧、細(xì)、雜的特點(diǎn)日益顯現(xiàn),某些礦山選礦給礦粒度已由早期的P80=74 μm 減小到P80=10 μm 以下[1],碎磨系統(tǒng)所承擔(dān)的作業(yè)比例不斷提高,能耗持續(xù)增加,尤其進(jìn)行超細(xì)磨作業(yè)時,傳統(tǒng)臥式磨機(jī)的能耗隨著產(chǎn)品粒度變小呈指數(shù)級增長。針對低品位、細(xì)粒級嵌布礦石處理量日益增加的趨勢,降低破碎產(chǎn)品粒度,實(shí)現(xiàn)“多碎少磨”,強(qiáng)化粗粒拋尾作業(yè),提高磨礦設(shè)備能量利用率和超細(xì)碎能力,是降低碎磨作業(yè)能耗的關(guān)鍵[2]。
在碎磨設(shè)備幾十年的發(fā)展中,高壓輥磨機(jī)和攪拌磨取得了突破性進(jìn)展,因其高效、節(jié)能的碎磨效果而倍受關(guān)注,逐步得到國內(nèi)外的認(rèn)可和推廣。目前,金屬礦山中高壓輥磨機(jī)和攪拌磨應(yīng)用于細(xì)碎和再磨的工藝已較為多見,并表現(xiàn)出良好的節(jié)能效果。但在各工藝中兩種設(shè)備所承擔(dān)作業(yè)的比例較小,多與能量利用率較低的普通臥式磨機(jī)組成碎磨流程,使碎磨系統(tǒng)的能量利用率依然較低,節(jié)能效果有限。
針對傳統(tǒng)工藝中存在的問題,現(xiàn)提出高壓輥磨機(jī)+攪拌磨的碎磨工藝,該工藝結(jié)合兩種設(shè)備的特點(diǎn),用高壓輥磨機(jī)進(jìn)行超細(xì)碎,用攪拌磨進(jìn)行磨礦作業(yè),取消傳統(tǒng)工藝中高能耗的球磨作業(yè),充分發(fā)揮高壓輥磨機(jī)和攪拌磨的節(jié)能優(yōu)勢,對選廠節(jié)能降耗具有重要意義。
目前,高壓輥磨機(jī)在工藝系統(tǒng)中的作用主要有2 種:一是作為細(xì)碎設(shè)備,物料經(jīng)過高壓輥磨機(jī)破碎后,排料經(jīng)濕式篩分,篩下產(chǎn)品進(jìn)行拋尾、磨選,一般產(chǎn)品粒度控制在 3 mm 左右[3];二是作為超細(xì)碎設(shè)備,輥壓產(chǎn)品采用風(fēng)選分級,產(chǎn)品粒度控制在 0.074~0.5 mm。攪拌磨用于金礦、鉬礦、鐵礦、銅礦以及鎳礦等金屬礦的細(xì)磨和再磨流程中,最大給料粒度為6 mm,產(chǎn)品粒度為 2~74 μm[1,4]。因此,雖然高壓輥磨機(jī)+攪拌磨工藝取消了傳統(tǒng)工藝中對上一級破碎作業(yè)與下一級再磨作業(yè)過度的球磨作業(yè),但高壓輥磨機(jī)的輥壓產(chǎn)品可達(dá)到攪拌磨的給料粒度,使該工藝能夠?qū)崿F(xiàn)破碎作業(yè)與磨礦作業(yè)的連接。
高壓輥磨機(jī)排礦雖然細(xì)粒級含量高,但產(chǎn)品的粒度分布較寬,最大粒度一般與最大給料粒度相差不大[5]。因此,當(dāng)高壓輥磨機(jī)的排料直接作為攪拌磨給料時,為滿足給料要求,輥壓產(chǎn)品需要進(jìn)行分級作業(yè)。目前與高壓輥磨機(jī)配套的分級方式主要有干式分級和濕式分級兩大類。
干式篩分效率隨篩孔的減小下降很快,當(dāng)篩分粒度小于 6 mm 左右時,一般要采用濕法[6]分級。因此該工藝中最終破碎產(chǎn)品不適合采用干式篩分方式。
現(xiàn)場生產(chǎn)中濕式分級多用于產(chǎn)品粒度控制在 3 mm 左右的工藝中,料餅一般靠落差和震動打散,可不設(shè)打散設(shè)備[7]。當(dāng)產(chǎn)品粒度要求 -1.0 或 -0.5 mm時,篩孔尺寸降低,由于原礦中脈石礦物組成復(fù)雜,通常存在易泥化礦物,濕式篩分中可能會造成篩孔堵塞,降低振動篩分效率。另外,閉路篩分尺寸降低,勢必增加高壓輥磨機(jī)的循環(huán)負(fù)荷,并且篩上物料水分隨篩孔尺寸的降低而升高,當(dāng)返料量較大時,高壓輥磨機(jī)的給料水分明顯增加,使高壓輥磨機(jī)能耗升高,并且水分增加后擠壓產(chǎn)品中料餅量增加,造成打散困難。但濕式篩分系統(tǒng)設(shè)備少,占地面積小,工藝簡單,布置方便,能耗低。
干式風(fēng)選可用于細(xì)粒級物料分級,設(shè)備自身具備打散功能,風(fēng)選與輥壓機(jī)組成閉路的粉磨工藝已在水泥行業(yè)廣泛應(yīng)用。礦用高壓輥磨機(jī)排料進(jìn)行風(fēng)力分級,產(chǎn)品粒度控制在 -0.5 mm 的工藝在現(xiàn)場已有應(yīng)用。但是,干式風(fēng)選分級設(shè)備多,磨損嚴(yán)重,占地面積大,工藝復(fù)雜,粉塵大,能耗高。
綜合以上分析可知,當(dāng)濕式篩分分級能夠滿足系統(tǒng)對高壓輥磨機(jī)產(chǎn)品分級粒度要求時,可使高壓輥磨機(jī)+攪拌磨工藝流程簡化,能耗降低;當(dāng)濕式篩分分級系統(tǒng)無法滿足分級粒度要求時,可采用干式風(fēng)選分級工藝。
為探索高壓輥磨機(jī)+攪拌磨工藝作業(yè)間的最佳配合粒度,對該工藝進(jìn)行了輥壓試驗(yàn)和不同給料粒度條件下的攪拌磨試驗(yàn),并與傳統(tǒng)碎磨工藝進(jìn)行對比分析。
試驗(yàn)礦樣取自撫順罕王礦業(yè)傲牛鐵礦,原礦主要有用礦物為磁鐵礦,礦石密度為 3.31 g/cm3,礦石A×b=58.45,磨損指數(shù)Ai=0.315。
2.1.1 輥壓試驗(yàn)
在實(shí)驗(yàn)室以φ420 mm×100 mm 輥壓試驗(yàn)機(jī),采用 4.05 MPa 的壓力、22.5 r/min 的輥壓機(jī)轉(zhuǎn)速,對礦石進(jìn)行閉路輥壓試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表 1、2 所列。分別制備出 -3.35、-1.00、-0.50 mm 3 種物料各 30 kg,作為攪拌磨試驗(yàn)給料。3 種不同攪拌磨給料粒度組成如表 3 所列。
表1 閉路輥壓試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Results of closed-circuit roll pressing test
表2 閉路輥壓試驗(yàn)產(chǎn)品粒度組成Tab.2 Size distribution of product from closed-circuit roll pressing test
表3 攪拌磨試驗(yàn)入料粒度組成Tab.3 Size distribution of feed for stirring mill test %
2.1.2 攪拌磨試驗(yàn)
試驗(yàn)采用 JU-2.2 立式攪拌磨,電動機(jī)功率為 2.2 kW,螺旋直徑為 280 mm,磨礦介質(zhì)為φ12 mm 鋼球200 kg。采用一次加料、連續(xù)磨礦、分時取料方式進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表 4 所列。
表4 攪拌磨試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of stirring mill test
2.2.1 輥壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
高壓輥磨機(jī)閉路試驗(yàn)產(chǎn)品粒度組成如圖 1 所示。
圖1 輥壓產(chǎn)品粒度組成Fig.1 Size distribution of product from roll pressing test
為計(jì)算不同產(chǎn)品粒度條件下高壓輥磨機(jī)的能耗,根據(jù)高壓輥磨機(jī)閉路試驗(yàn)產(chǎn)品粒度組成,進(jìn)行各粒度條件下的循環(huán)負(fù)荷計(jì)算。高壓輥磨機(jī)相對通過量的單位能耗為 1.47 kW·h/t,3.35 mm 分級考慮濕式篩分,篩分效率為 90%,1.0、0.5 mm 分級考慮風(fēng)選分級,分級效率按 80% 計(jì)算,不同產(chǎn)品粒度條件下高壓輥磨機(jī)的能耗如表 5 所列。
表5 不同產(chǎn)品粒度高壓輥磨機(jī)的能耗Tab.5 Energy consumption of high-pressure grinding roll at various product size
2.2.2 攪拌磨試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
3 組攪拌磨試驗(yàn)產(chǎn)品中 -74 μm 含量與能耗的關(guān)系如圖 2 所示。
圖2 磨礦能耗與產(chǎn)品中 -74 μm 含量的關(guān)系Fig.2 Relationship between grinding energy consumption and content of -74 μm in product
由圖 2 可以看出,隨著給料粒度的增大,攪拌磨產(chǎn)品達(dá)到相同細(xì)度所需能耗越高,并且當(dāng)細(xì)度增加時,3.35 mm 給料的能耗與其他兩種給料的能耗差值增大,具體如表 6 所列。
表6 不同給料粒度攪拌磨磨礦能耗Tab.6 Energy consumption of stirring mill at various feed size kW·h/t
2.2.3 系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)芎姆治?/p>
由輥壓試驗(yàn)和攪拌磨試驗(yàn)?zāi)芎姆治隹傻酶邏狠伳C(jī)+攪拌磨系統(tǒng)試驗(yàn)總能耗,如表 7 所列。
表7 高壓輥磨機(jī)+攪拌磨系統(tǒng)能耗Tab.7 Energy consumption of system involving high-pressure grinding roll and stirring mill
由表 7 可以看出,攪拌磨給料粒度為 1.0 和 0.5 mm 時,系統(tǒng)能耗相差不大;當(dāng)磨礦細(xì)度要求 -74 μm 含量為 55%、70%、80%,高壓輥磨機(jī)產(chǎn)品粒度為 3.35 mm 時,系統(tǒng)能耗最低;當(dāng)磨礦細(xì)度要求 -74 μm 含量為 90%,高壓輥磨機(jī)產(chǎn)品粒度為 1.0 mm 時,系統(tǒng)能耗最低。
傲牛鐵礦現(xiàn)場球磨機(jī)磨礦最終產(chǎn)品細(xì)度為 -74 μm 含量為 55% 左右。綜合考慮,高壓輥磨機(jī)和攪拌磨作業(yè)間的最佳連接粒度為 3.35 mm。
當(dāng)最終磨礦細(xì)度要求 -74 μm 含量為 55%,高壓輥磨機(jī)產(chǎn)品粒度控制在 3.35 mm 時,由表 5 可知高壓輥磨機(jī)的能耗為 3.73 kW·h/t;由圖 2 可得攪拌磨的能耗為 3.35 kW·h/t;根據(jù)球磨功指數(shù)計(jì)算可得,球磨機(jī)的能耗為 6.76 kW·h/t,不同工藝系統(tǒng)能耗對比如表 8 所列。
表8 不同工藝系統(tǒng)能耗對比Tab.8 Comparison of various process in energy consumption
由表 8 可以看出,在最終磨礦產(chǎn)品細(xì)度要求 -74 μm 含量為 55%,高壓輥磨機(jī)產(chǎn)品粒度控制在 3.35 mm 的條件下,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,高壓輥磨機(jī)+攪拌磨工藝比高壓輥磨機(jī)+球磨機(jī)工藝能耗降低 32.5%。
為探索高壓輥磨機(jī)+攪拌磨工藝的能耗特點(diǎn),以傲牛鐵礦為例,對不同的碎磨工藝能耗進(jìn)行對比分析。
傲牛鐵礦原系統(tǒng)為兩段破碎兩段磨礦工藝流程,選廠共有 5 條生產(chǎn)線,年產(chǎn)鐵精粉 32 萬 t。2010 年傲牛鐵礦開始進(jìn)行設(shè)備改造和技術(shù)升級,破碎系統(tǒng)采用高壓輥磨工藝,選廠產(chǎn)能得到顯著提升,能耗降低。改造前后 2 種碎磨系統(tǒng)對比如表 9 所列。
表9 傲牛鐵礦 2 種碎磨系統(tǒng)對比Tab.9 Comparison of two kinds of comminution system in Aonin Iron Mine
根據(jù)傲牛鐵礦實(shí)驗(yàn)室研究,若針對該現(xiàn)場進(jìn)行高壓輥磨機(jī)+攪拌磨工藝設(shè)計(jì),高壓輥磨機(jī)和攪拌磨作業(yè)間的最佳連接粒度為 3.35 mm,與目前現(xiàn)場高壓輥磨機(jī)的產(chǎn)品粒度相同,因此現(xiàn)場破碎流程和設(shè)備配置可滿足該工藝設(shè)計(jì),只需要對后面的磨礦系統(tǒng)進(jìn)行改造。
選廠磨礦采用φ4 m×6.7 m 溢流型球磨機(jī),裝機(jī)功率為 1 850 kW,運(yùn)行功率為 1 400 kW,磨礦細(xì)度約為 -74 μm 含量占 55%,選礦比為 3.6,噸精礦球磨機(jī)能耗為 22.18 kW·h/t。
由于現(xiàn)場破碎系統(tǒng)能夠滿足高壓輥磨機(jī)+攪拌磨的工藝設(shè)計(jì),因此,破碎系統(tǒng)能耗不變。磨礦系統(tǒng)將球磨機(jī)改為攪拌磨,在 3.35 mm 給料、產(chǎn)品粒度 -74 μm 含量占 55% 的條件下,現(xiàn)場選礦比為 3.6,則攪拌磨的能耗為 12.06 kW·h/t。則新工藝碎磨系統(tǒng)的噸精礦能耗為:42 -22.18+12.06=31.88 kW·h,具體數(shù)據(jù)對比如表 10 所列,預(yù)計(jì)高壓輥磨機(jī)+攪拌磨工藝比傳統(tǒng)破碎機(jī)+球磨工藝能耗降低 36.24%。
表10 不同碎磨系統(tǒng)能耗對比Tab.10 Comparison of various comminution system in energy consumption
(1) 根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)以及文獻(xiàn)報道,高壓輥磨機(jī)的排料可以達(dá)到攪拌磨給料粒度要求,高壓輥磨機(jī)可采用濕式篩分或風(fēng)選進(jìn)行粒度控制。
(2) 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果表明,在給料和產(chǎn)品粒度相同時,攪拌磨磨礦效率比球磨機(jī)高。針對傲牛鐵礦礦石給料粒度為 3.35 mm,產(chǎn)品 -74 μm 含量為 55% 的特點(diǎn),高壓輥磨機(jī)+攪拌磨工藝比高壓輥磨機(jī)+球磨機(jī)工藝能耗降低 32.5%。
(3) 在傲牛鐵礦生產(chǎn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合攪拌磨試驗(yàn)數(shù)據(jù),對該礦石進(jìn)行高壓輥磨機(jī)+攪拌磨工藝能耗計(jì)算,結(jié)果表明,高壓輥磨機(jī)+攪拌磨工藝比傳統(tǒng)破碎機(jī)+球磨工藝預(yù)計(jì)可節(jié)能 36.24%。