鄭 競，姬建鋼，夏 霜

1中信重工工程技術(shù)有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

3礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

4大冶特殊鋼有限公司 湖北黃石 435001

自磨機 (簡稱“AG”)是一種利用礦石本身作為磨礦介質(zhì)的筒式磨機。自 1959 年第一臺自磨機在金屬礦山應(yīng)用以來，自磨技術(shù)也經(jīng)歷了長足的發(fā)展，其設(shè)備選型、制造和工藝應(yīng)用等技術(shù)均日臻成熟。目前，主流的自磨工藝主要有 2 種：一是在自磨機中添加一定充填率 (通常為 5%～15%)的鋼球，變成半自磨機 (簡稱“SAG”)，通常用于開路或者半開路流程；二是自磨機+頑石破碎工藝，通常用于閉路或者半開路流程。

20 世紀(jì)后期，相較于半自磨機，自磨機在選廠的應(yīng)用較少，主要原因是：自磨流程選型計算和分析理論還不完善，自磨機處理量往往達不到設(shè)計要求；礦石性質(zhì)對產(chǎn)量影響較大，生產(chǎn)管理較為困難。所以自磨工藝流程并沒有體現(xiàn)出其作業(yè)率高、運行成本低的優(yōu)勢。而半自磨工藝生產(chǎn)穩(wěn)定性更高，生產(chǎn)管理更方便，選廠成功應(yīng)用案例較多。因此，近 20 年來，半自磨工藝逐漸替代“三段破碎+球磨”工藝，成為國內(nèi)大中型選礦廠的主流工藝之一。而在國外選廠中，純自磨工藝流程卻有著廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)，這為國內(nèi)自磨工藝技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展提供了良好的平臺，也為其他新建選廠的自磨流程設(shè)計提供了借鑒和依據(jù)。

1 自磨工藝特點分析

粗破之后的礦石進入自磨/半自磨機之后，在重力、離心力和摩擦力等的作用下，發(fā)生沖擊、剪切、磨削和研磨等作用，一般 +70 mm 礦石作為磨礦介質(zhì)可對 -12 mm 礦石進行破碎和粉磨，而 -70 +12 mm 粒級礦石則作為難磨粒子——“頑石”需要單獨處理。頑石一般經(jīng)過破碎之后返回自磨/半自磨機，而磨礦產(chǎn)品經(jīng)過開路或者閉路之后進入下游的工藝流程。自磨工藝一般用于閉路或者半開路流程，其典型流程如圖 1、2 所示。自磨工藝流程雖短，但是影響其應(yīng)用的因素較多。

圖1 自磨/半自磨全閉路流程Fig.1 Process flow of AG/SAG fully-closed circuit

圖2 自磨/半自磨半閉路流程Fig.2 Process flow of AG/SAG semi-closed circuit

1.1 自磨機的 3 個極限

自磨機本身有 3 個極限：一是充填率極限；二是運行功率極限；三是通過量極限。這“3 個極限”決定了自磨回路的最大生產(chǎn)能力。

(1)充填率 自磨機是依賴物料之間的相互作用力來完成磨礦過程的，適當(dāng)?shù)某涮盥誓軌蛴行г黾游锪现g相互作用的概率，從而提高磨礦效率[1]。當(dāng)充填率較低時，則磨機效率較低；但當(dāng)充填率過高時，不但造成磨機“漲肚”，還會增加磨機載荷，嚴重時可能帶來磨機的機械損傷。因此合理的充填率是提高磨礦效率的重要途徑。

(2)運行功率 自磨/半自磨機運行的額定功率限制了自磨機產(chǎn)量，這主要取決于設(shè)計初期的選型方案。設(shè)計前期務(wù)必對所開采礦體進行全方位勘探，取代表性的巖心樣進行 SMC 試驗[2]，結(jié)合采礦工藝，從而獲得相對合理的設(shè)備選型。

(3)通過量或排礦速度 理論上，自磨/半自磨機的排礦粒度越大，處理量也越大，通過量一般不會成為磨機產(chǎn)量的限制因素；但是對于某些長徑比較大的自磨/半自磨機，其排礦能力決定了磨機的處理量。因為自磨機的磨礦質(zhì)量分數(shù)較高，排礦產(chǎn)品粒級分布較寬 (一般為 -75 mm)，礦漿流動性較差，導(dǎo)致自磨機排礦速率較低，造成合格粒級的產(chǎn)品不能及時排出而產(chǎn)生過磨現(xiàn)象，有時還會出現(xiàn)“礦漿池”，影響磨礦效率[3]。

1.2 影響自磨工藝應(yīng)用的因素

由于自磨工藝綜合了破碎和粉磨兩種功能，作業(yè)復(fù)雜程度較高，其產(chǎn)量受到礦石性質(zhì)、操作和供配礦管理等多重因素的影響，給生產(chǎn)管理帶來了較大困難。影響自磨工藝應(yīng)用的因素有以下幾個方面。

(1)給礦粒度組成[4]半自磨機使用鋼球作為磨礦介質(zhì)，添加鋼球可以穩(wěn)定磨礦介質(zhì)比例，從而可以穩(wěn)定半自磨機產(chǎn)量。而自磨機的磨礦介質(zhì)主要來源于給礦中的塊礦，粒度通常為 100～350 mm。新給礦中必須含有足夠的塊礦，而且還必須要有足夠的粉礦，才能使自磨機產(chǎn)量最大化，這對上游的粗破和采礦爆破作業(yè)以及生產(chǎn)調(diào)配管理帶來了較大的挑戰(zhàn)。

(2)頑石破碎效率 自磨機的磨礦過程是“大塊碎成小塊，小塊粉碎成粉”的迭代過程，但其處理頑石的效率較低，必須要借助破碎機來完成頑石破碎作業(yè)。頑石破碎作業(yè)作為自磨回路中的重要一環(huán)，其作業(yè)效率和效果在很大程度上決定了自磨機產(chǎn)量的高低。

(3)自磨回路的產(chǎn)品分級效率 對于全閉路自磨流程而言，分級方法和分級效率將大幅度影響自磨機產(chǎn)量。

(4)新給礦礦石性質(zhì) 一般的大型礦床中均有多個不同的礦體，礦體之間的礦石性質(zhì)差異也較為明顯，尤其是礦石硬度和可磨性，礦石性質(zhì)變化勢必會影響自磨機的穩(wěn)定輸出[5]。

2 提產(chǎn)優(yōu)化方法

在生產(chǎn)實踐中，自磨/半自磨機的優(yōu)化和提產(chǎn)，原則上是通過調(diào)整自磨/半自磨回路中的各個影響因素，盡量平衡磨機本身的“3 個極限”，從而達到磨礦效率最大化。

2.1 供配礦方案優(yōu)化

大多數(shù)礦山都是由多種不同性質(zhì)的礦體組成的，在礦石開采過程中常遇到礦石的硬度、嵌布粒度及品位等的變化，造成自磨/半自磨機處理量和產(chǎn)品粒度的劇烈波動，這給生產(chǎn)的調(diào)控和管理帶來較大的難度。

此外，自磨/半自磨機給礦粒度也受到爆破系數(shù)和粗破參數(shù)等的影響，其給礦粒度決定了磨礦介質(zhì)的比例，最優(yōu)的給礦粒度配比對自磨機提產(chǎn)的重要性不言而喻。

如果用F80表示新給礦中 80% 的物料透過篩孔的尺寸，則在一定范圍內(nèi)，F(xiàn)80越大，自磨機產(chǎn)量越大。例如，福建省潘洛鐵礦利用增加新給礦中的塊礦比例，提高了自磨機臺時約 10%[6]。某磁鐵礦選礦廠通過優(yōu)化新給礦粒度實現(xiàn)了自磨機產(chǎn)量的提升，驗證了新給礦粒度對自磨機性能的影響。但當(dāng)F80超過某一個極限之后，塊礦開始累積，細粒級物料比例變小，功率將升高，自磨機處理量將會有所下降[7]。圖3 是某大型自磨機在 3 個月內(nèi)每班新給礦粒度與臺時和運行功率的關(guān)系曲線。由圖 3 可知，當(dāng)F80逐漸增大到 170 mm 時，自磨機產(chǎn)量逐漸上升，磨機運行功率也逐漸升高；當(dāng)粒度超過 170 mm 時，自磨機功率略有上升，而產(chǎn)量逐漸下降。

圖3 新給礦粒度 F80 與自磨機產(chǎn)量和功率的關(guān)系Fig.3 Relationship between feed size F80 and throughput and power of AG mill

調(diào)整自磨/半自磨機新給礦粒度的方法主要有以下 3 種。

(1)通過控制采礦爆破系數(shù)，合理控制爆破的炸藥量和鉆孔間距，盡量做到塊多粉足，同時控制最大塊尺寸小于粗碎破碎機的最大給礦粒度。Red dog礦山通過此方法提高了半自磨機效率，降低了磨礦能耗[8]。

(2)調(diào)整粗破破碎機排礦口，適當(dāng)放大排礦口寬度可以在一定范圍內(nèi)增加排礦粒度；另一方面，對于旋回破碎機還可以根據(jù)排礦口和破碎機的機械條件，選擇適合的運行偏心距。

(3)在磨機的給礦料堆設(shè)計上，主要以單點或者連續(xù)布料為主，料堆底部設(shè)置多個下料口，由于布料過程中物料會產(chǎn)生偏析，所以調(diào)整不同位置下料口的給礦速度可控制給礦粒度的變化。

自磨/半自磨機最佳的給礦粒度分配一般來源于生產(chǎn)實踐，給礦粒度必須穩(wěn)定可控，避免帶來磨機產(chǎn)量和功率的劇烈波動。此外，自磨機最佳給礦粒度與礦石的硬度和密度均有一定關(guān)系，如礦石較硬時，新給礦粒度F80需要略微降低，以減少頑石在磨機內(nèi)部的累積[9]。對于半自磨機而言，鋼球的添加保證了足夠的介質(zhì)，只需要減少大塊比例，降低新給礦粒度F80，便可提高產(chǎn)能。

除給礦粒度的優(yōu)化之外，對于礦石的可選性和可磨性等的匹配也需要進行優(yōu)化，以實現(xiàn)采廠到選廠(Mine to Mill，簡稱“M2M”)的礦石品質(zhì)控制。高效的 M2M 協(xié)同管理，能夠有效提高自磨/半自磨機的生產(chǎn)效率[10]。

2.2 頑石破碎作業(yè)優(yōu)化

頑石作為難磨粒子，很難被自磨/半自磨機內(nèi)部消化，大量的頑石累積容易造成自磨機運行功率率先達到瓶頸，從而嚴重影響自磨機產(chǎn)量。

頑石破碎效率越高，頑石破碎產(chǎn)品越細，自磨機產(chǎn)量越高，這符合選礦領(lǐng)域“多碎少磨”的磨礦原則。在實際生產(chǎn)中，美國 Empire 鐵礦在自磨回路增加單缸液壓破碎機進行頑石破碎作業(yè)之后，產(chǎn)量增加了 20%；之后又在頑石破碎機的基礎(chǔ)上，增加了高壓輥磨機對頑石進行進一步破碎。結(jié)果處理軟礦石時，自磨產(chǎn)量又提高約了 17%，能耗降低了 16%；處理硬礦石時，自磨產(chǎn)量提高幅度達到 40%[11]。

澳大利亞某大型磁鐵礦選礦廠采用自磨+頑石破碎工藝，通過加強頑石破碎作業(yè)能力，有效提高了自磨機產(chǎn)量，頑石破碎機功率越高，自磨機產(chǎn)量越高[12]。

加強頑石破碎作業(yè)提高自磨機產(chǎn)量的方法同樣適用于半自磨回路。墨西哥 Penasquito 鉛金貴金屬礦選廠初始設(shè)計使用圓錐破碎機進行頑石破碎，導(dǎo)致整個選廠產(chǎn)能達不到設(shè)計值，使用高壓輥磨機破碎頑石之后，產(chǎn)能提升了 30% 左右[13]。

澳大利亞 Cadia 銅金礦選礦廠采用了一種更為新穎的工藝，大幅度提高了半自磨機產(chǎn)量。其工藝流程如圖 4 所示。通過“閉路篩分+破碎機+高壓輥磨機”的工藝改造，既減少了新給礦的中間粒級 (頑石)含量，又利用該新增工藝處理半自磨機產(chǎn)生的頑石，增加了半自磨機給礦中的細粉比例，徹底改善了自磨機入料粒度配比，降低了磨礦單位功耗，達到了擴大產(chǎn)能的目的[14]。這一工藝流程對于半自磨流程更加有效，因為對于半自磨流程，磨礦回路中的頑石往往夾雜著很多碎鋼球，碎鋼球在頑石中難以被除凈，極易造成破碎機銅套損毀和高壓輥磨機輥面損毀。而Cadia 的工藝流程預(yù)先將中等塊度的“頑石”篩分出來，直接送入高壓輥磨機，減少了頑石返回量，降低了頑石除鐵的難度。

圖4 Cadia 選礦廠半自磨工藝流程Fig.4 Process flow of SAG circuit in Cadia concentrator

因此，使用高壓輥磨機進行頑石破碎作業(yè)是提高自磨/半自磨機產(chǎn)量的有效方法，其主要工藝優(yōu)勢是既保持了整個磨礦回路的作業(yè)率，又降低了磨礦能耗和鋼耗，而且經(jīng)過高壓輥磨機處理之后的礦石將產(chǎn)生微裂紋，有利于下游的磨礦作業(yè)?；蛘撸瑸榱送黄谱阅C通過量的瓶頸，也可將自磨機/半自磨機頑石進行單獨加工處理，不再返回自磨/半自磨回路，從而進一步提高自磨機產(chǎn)量。

2.3 襯板優(yōu)化

自磨/半自磨機襯板優(yōu)化一般有襯板材質(zhì)和形狀的優(yōu)化。襯板材質(zhì)的優(yōu)化可使襯板壽命延長，從而提高磨機的運行作業(yè)率；此外，還可以通過降低襯板質(zhì)量來減少磨機機械負荷。襯板形狀的優(yōu)化主要是礦漿排料器和筒體襯板的優(yōu)化，包括筒體提升條的高度和角度、提升條的間距、排料格子板等。

2000 年以前，自磨機襯板的材質(zhì)主要是錳鋼合金，錳鋼襯板雖然耐沖擊，但是并不耐磨，因此自磨機的襯板更換周期并不比半自磨機明顯更長，導(dǎo)致很多選廠將自磨機改造為半自磨機以提高處理量。經(jīng)過多年的發(fā)展，大型自磨/半自磨機襯板的材質(zhì)得到了長足的發(fā)展，目前主流襯板材質(zhì)主要是鉻鉬合金鋼和高鉻鑄鐵[15]，布氏硬度可達到 325～600BHN，尤其是對于自磨機，襯板耐磨性增加使得襯板使用壽命一般可達到 6～10 個月，這大幅度提高了自磨機的運行作業(yè)率。近年來，隨著新材料和新工藝的發(fā)展，一些選廠開始使用合金鋼和橡膠復(fù)合襯板，大幅降低了襯板總質(zhì)量，從而減少了自磨/半自磨機的運行負荷，為提高充填率創(chuàng)造了條件。

在襯板設(shè)計方面，隨著離散元和流體分析軟件的耦合應(yīng)用，對物料、鋼球和礦漿在磨機內(nèi)部的運動分析有了更加清晰的認識，同時自磨/半自磨機襯板形狀和排數(shù)的設(shè)計對其運動的影響也更加精確[16]。為了加快自磨/半自磨機排礦速度，減少礦漿返流，避免礦漿在筒體內(nèi)形成礦漿池，中信重工設(shè)計了一種弧形礦漿排料結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)被證明是提高通過量的有效方法之一[17]?；⌒闻帕弦r板的成功應(yīng)用提升了自磨/半自磨機排料速度，從而提高了自磨機通過量，有利于突破自磨機的通過量瓶頸[18]。

2.4 分級優(yōu)化

對于閉路的自磨/半自磨回路，其分級效率的高低將嚴重影響磨機的通過量，因此分級優(yōu)化的主要目的是提高分級效率。根據(jù)分級方法的不同，自磨/半自磨回路的分級有 2 種：旋流器分級和細篩分級。

一般來說，使用旋流器進行分級在閉路自磨工藝中較為常見，其優(yōu)化方向主要是使用柱式的旋流器，并通過對比試驗確定合適的沉砂口和溢流口尺寸。不同于普通的錐形旋流器，柱式旋流器的底部一般為平底，可根據(jù)分級粒度的需要適當(dāng)調(diào)整柱體的高度。平底旋流器的主要優(yōu)點是在粗粒級的礦漿分級中，分級粒度更粗，分級效率更高，降低了自磨回路的循環(huán)負荷，可提高生產(chǎn)效率[19]。澳大利亞某大型鐵礦選廠通過對自磨分級進行柱形平底旋流器的升級改造，有效放粗了分級粒度，提高了磨機的磨礦能力[20]。

分級在磨礦回路中只是控制產(chǎn)品粒度和調(diào)節(jié)磨礦負荷的一種手段，提高分級效率，降低循環(huán)負荷，減少磨機通過量，有利于實現(xiàn)磨礦效率的最大化。

2.5 自動控制優(yōu)化

雖然自磨/半自磨流程較短，但是它集成了較多的功能，因此，其生產(chǎn)操作在自動、智能控制上的難度更高。自動控制優(yōu)化主要以平衡自磨/半自磨機的“3 個極限”為原則，提高產(chǎn)品和產(chǎn)量的穩(wěn)定性。以帶頑石破碎作業(yè)的自磨閉路磨礦為例，自磨機的自動控制優(yōu)化主要有以下幾個部分。

(1)新給礦控制回路 自磨機新給礦控制一般有 2 種策略：一是穩(wěn)定給礦量，即以新給礦量為設(shè)定值，調(diào)節(jié)不同下料點的給礦速度，從而穩(wěn)定自磨機的功率和輸入/出，配備變頻調(diào)速的磨機還可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)速來控制自磨機穩(wěn)定輸入/出；二是穩(wěn)定自磨機充填率，即以自磨機充填率為設(shè)定值，以中空軸軸壓或者磨機載荷為設(shè)定值，控制新給礦量，然后新給礦量再與不同下料口給礦速度形成一個聯(lián)鎖控制。

(2)頑石破碎作業(yè)控制 頑石破碎作業(yè)的控制目標(biāo)是破碎效率最大化。一般控制原則是擠滿給礦、破碎功率最大化，通過調(diào)節(jié)排礦口來調(diào)節(jié)破碎機處理量，從而維持頑石返回的平衡。

(3)磨礦質(zhì)量分數(shù)控制回路 自磨/半自磨機的磨礦質(zhì)量分數(shù)一般為 80%～85%，適當(dāng)高的磨礦質(zhì)量分數(shù)有助于減少礦漿池，提高磨礦效率，質(zhì)量分數(shù)高于 85% 則不利于礦漿的流動和排出。

(4)分級控制回路 控制分級質(zhì)量分數(shù)和壓力，旋流器的給礦質(zhì)量分數(shù)越高，分級粒度越粗，循環(huán)負荷越低，分級溢流產(chǎn)量則越高，越有利于增加磨機的處理量。

隨著智能技術(shù)的發(fā)展，自磨/半自磨回路的多因素專家控制系統(tǒng)也得到了一定的應(yīng)用。先進的智能技術(shù)除了能夠協(xié)同控制多因素變量，還能夠協(xié)同操作工在不同情形下的控制邏輯，減少人為操作失誤，并將生產(chǎn)效率最大化。Newmont Ahafo 礦山在集成控制系統(tǒng)方面就取得了成功[21]。

2.6 其他優(yōu)化

除以上措施外，還可采取其他措施對自磨/半自磨回路進行優(yōu)化。

(1)對大塊磁性礦石進行預(yù)選，以提高磨礦處理量。如西石門選廠使用預(yù)選拋尾之后，有效提高了入選品位[22]。

(2)減少頑石的含水率和含泥量，優(yōu)化頑石破碎機的襯板腔型，以保證破碎機運行性能最大化。

(3)減少頑石破碎作業(yè)的給礦粒度偏析，以提高破碎作業(yè)的穩(wěn)定性。

(4)使用圖像分析儀在線監(jiān)測自磨/半自磨給礦粒度，為磨礦回路的控制創(chuàng)造條件。

3 結(jié)語

自磨/半自磨工藝優(yōu)化主要圍繞配礦、頑石破碎作業(yè)和充填率 3 個核心因素展開，在生產(chǎn)管理上，做好 M2M 協(xié)同，綜合礦石的粒度、品位和可磨性等因素進行合理配礦，穩(wěn)定磨機的輸入/出；在工藝上，利用高壓輥磨機技術(shù)提高頑石破碎效率；在生產(chǎn)上，通過襯板優(yōu)化和先進的軟硬件控制，使磨機充填率達到最佳；在日常操作上，對自磨機的 3 個瓶頸進行探索和突破，可實現(xiàn)自磨/半自磨工藝的生產(chǎn)效率最大化，從而降低能耗、鋼耗等生產(chǎn)成本。

自磨/半自磨工藝流程的破磨比大、磨礦選擇性好、單體解離度高，是階段磨礦、階段選別、預(yù)先提取精礦的最佳工藝方案之一。其流程短、處理量大和節(jié)省投資等特點受到國外選礦廠的青睞。對于年處理千萬噸礦石以上規(guī)模的大型選廠，如果采用自磨/半自磨工藝，將能夠收獲非常可觀的經(jīng)濟和社會效益。