史 達(dá)，劉 杰，侯鵬程，韓躍新

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819； 2.難采選鐵礦資源高效開(kāi)發(fā)利用技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

鞍山式難選鐵礦石嵌布粒度細(xì)，通過(guò)細(xì)磨加強(qiáng)有用礦物與脈石礦物間的單體解離是獲得高品位精礦的關(guān)鍵[1-2]。與傳統(tǒng)磨機(jī)相比，攪拌磨細(xì)磨過(guò)程使用的磨礦介質(zhì)更小，能量效率更高，處理量更大[4]。隨著我國(guó)微細(xì)粒鐵礦開(kāi)發(fā)利用程度的深入，攪拌磨技術(shù)正逐漸推廣至我國(guó)鐵礦山磨礦作業(yè)中[5-7]，攀鋼白馬選礦廠、昆鋼大紅山選礦廠、鞍鋼關(guān)寶山選礦廠等引進(jìn)攪拌磨后都取得了良好的指標(biāo)。以昆鋼大紅山鐵礦為例，2010年3臺(tái)攪拌磨投入生產(chǎn)，磨礦效率約為球磨機(jī)的1.7倍，電耗較球磨機(jī)降低30%，球耗可節(jié)省43%。 李艷軍等[3]結(jié)合了經(jīng)典磨礦理論與磨礦試驗(yàn)，研究了球磨與攪拌磨過(guò)程入磨粒度與能量消耗之間的關(guān)系，結(jié)果表明攪拌磨相對(duì)于球磨可節(jié)約能耗30%～50%，但并無(wú)對(duì)磨礦產(chǎn)品進(jìn)行分選試驗(yàn)。新型高鋁陶瓷球作為磨礦介質(zhì)應(yīng)用于攪拌磨，相比于傳統(tǒng)鋼球，具有節(jié)能、節(jié)省球耗、減少鐵污染等優(yōu)勢(shì)，以江銅銀山礦為例，同等磨礦工藝條件下，采用陶瓷球磨礦可降低電耗約32%，介質(zhì)消耗成本降低約65%，在鐵礦山也具有一定的應(yīng)用前景[13]。

本文針對(duì)鞍千預(yù)選鐵精礦，對(duì)預(yù)選鐵精礦進(jìn)行了基礎(chǔ)成分分析，采用攪拌磨機(jī)對(duì)其進(jìn)行磨礦試驗(yàn)研究，結(jié)合了磁選分選指標(biāo)與磨礦效率、比生產(chǎn)率的變化規(guī)律，以期提高磨礦處理能力，降低磨礦作業(yè)的生產(chǎn)成本，最終獲取合格鐵精礦。

1 試驗(yàn)原料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用礦樣為鞍千預(yù)選鐵精礦，對(duì)礦石進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 礦石化學(xué)成分分析Table 1 Analysis of chemical composition of ore

由表1可知，礦石中TFe含量為39.060%，F(xiàn)eO含量為14.570%；SiO2含量最高為39.300%，其次為MgO、CaO、Al2O3，含量分別為1.910%、1.890%和0.180%，有害元素S、P含量較低。為進(jìn)一步確定礦石中礦物的種類(lèi)，采用X射線衍射分析對(duì)礦樣進(jìn)行礦物組成定性分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 礦石XRD圖譜Fig.1 X-ray diffraction analysis of the ore

由圖1可知，礦石中主要有用礦物為磁鐵礦，脈石礦物主要為石英和鈣鎂閃石。為探明礦石中鐵礦物的具體物相組成以及各物相鐵的分布率，對(duì)礦石進(jìn)行了鐵物相分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，預(yù)選鐵精礦中絕大部分鐵以磁鐵礦的形式存在，其TFe分布率達(dá)89.15%，為主要回收對(duì)象；赤(褐)鐵礦次之，TFe分布率占6.82%；此外，碳酸鐵和硅酸鐵中鐵含量分別為0.56%和0.86%，TFe分布率分別為1.42%和2.18%；硫化鐵中鐵含量較低，鐵含量為0.17%，其TFe分布率為0.43%。為進(jìn)一步探明礦石的粒度組成，對(duì)礦石進(jìn)行粒級(jí)篩析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 鐵物相分析Table 2 Iron chemical phase analysis results of the ore

由表3可知，+0.074 mm粒級(jí)分布率為46.46%，0.043～0.074 mm粒級(jí)分布率為15.25%，0.038～0.043 mm粒級(jí)分布率為6.98%，-0.038 mm粒級(jí)分布率為31.31%；以+0.074 mm粒級(jí)和-0.038 mm粒級(jí)為主，其他粒級(jí)含量較少，表明該礦石粗細(xì)粒度分布不均。

表3 礦石試樣粒度分布Table 3 Particle size distribution of the ore

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用SLJM-1.5L型立式超細(xì)攪拌磨機(jī)，磨機(jī)啟停和轉(zhuǎn)速均由變頻器控制，磨機(jī)功率可連接計(jì)算機(jī)即時(shí)輸出。 磨礦介質(zhì)為3 mm、4 mm、5 mm、6 mm直徑的新型高鋁陶瓷球，具有硬度高、耐磨性能好等優(yōu)點(diǎn)，介質(zhì)充填率為68.2%，介質(zhì)孔隙率為0.4%，莫氏硬度9.0，抗壓強(qiáng)度2 250 MPa，松散密度為2.17 g/cm3。

攪拌磨的磨礦效果用-0.038 mm粒級(jí)的比生產(chǎn)率和-0.038 mm粒級(jí)的磨礦效率表征。

比生產(chǎn)率q計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。

(1)

磨礦效率μ計(jì)算公式見(jiàn)式(2)。

(2)

式中：m為入磨干礦量；θ、θ0分別為磨礦后與磨礦前-0.038 mm粒級(jí)含量；V為磨機(jī)的有效容積；P為磨礦功率；T為磨礦時(shí)間。

弱磁選采用武漢洛克粉磨設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)的RK/CRS-Ф400 mm×300 mm型弱磁選機(jī)。試驗(yàn)采用攪拌磨礦-弱磁精礦的工藝流程，鞍千預(yù)選鐵精礦通過(guò)攪拌磨細(xì)磨至一定粒度后調(diào)漿給入弱磁選機(jī)進(jìn)行分選，弱磁精礦、弱磁尾礦分別烘干、制樣、化驗(yàn)，考察攪拌磨磨礦工藝參數(shù)對(duì)弱磁選指標(biāo)的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 攪拌轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

在固定介質(zhì)充填率為68.2%、介質(zhì)尺寸為5 mm、料球比為0.7、磨礦濃度為50%、磨礦時(shí)間為3.5 min、弱磁場(chǎng)強(qiáng)為79.6 kA/m的條件下，進(jìn)行不同攪拌轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)磨礦效率的影響Fig.2 Effect of stirring speed on grinding efficiency

圖3 攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)精礦指標(biāo)的影響Fig.3 Effect of stirring speed on concentrate index

由圖2可知，隨著轉(zhuǎn)速由600 r/min增加到1 200 r/min，-0.038 mm比生產(chǎn)率由1.30 kg/(h·L)增加至3.40 kg/(h·L)；轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min增加到1 000 r/min，-0.038 mm磨礦效率從21.75 kg/(kW·h)增加到33.78 kg/(kW·h)；當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大到1 200 r/min，磨礦效率減小到30.59 kg/(kW·h)。磨礦效率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，主要原因是隨著轉(zhuǎn)速的增加，陶瓷球介質(zhì)與礦物之間的碰撞作用逐漸加劇，顆粒所受的沖擊力以及剪切力逐漸增大，顆粒粒度逐步變細(xì)。而轉(zhuǎn)速過(guò)高的話，一方面，部分陶瓷球與顆粒受較強(qiáng)離心力甩至筒壁，相對(duì)運(yùn)動(dòng)減小，從而浪費(fèi)相當(dāng)一部分能量，導(dǎo)致磨礦效率低[8-9]；另一方面，在試驗(yàn)過(guò)程中，較高轉(zhuǎn)速下可觀察到明顯的筒體抖動(dòng)以及球磨不穩(wěn)定等現(xiàn)象，這是由于高攪拌器轉(zhuǎn)速下陶瓷球在筒壁上層疊堆積，攪拌器葉片與堆疊起來(lái)的陶瓷球相互擠壓、碰撞，故需要選擇合適的轉(zhuǎn)速條件，使磨機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

由圖3可知，隨著攪拌器轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min增加到1 200 r/min，弱磁精礦品位由62.74%增加至68.48%；轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min增加到800 r/min，弱磁精礦回收率從90.62%增加至91.99%，轉(zhuǎn)速繼續(xù)從800 r/min增加到1 200 r/min，精礦回收率由91.99%逐漸減小至88.97%。綜合考慮磨礦效果和選別指標(biāo)，同時(shí)保證設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，確定適宜的轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。

2.2 介質(zhì)尺寸試驗(yàn)

在固定介質(zhì)充填率為68.2%、攪拌器轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、料球比為0.7、磨礦濃度為50%、磨礦時(shí)間為3.5 min、弱磁場(chǎng)強(qiáng)為79.6 kA/m的條件下，進(jìn)行不同介質(zhì)尺寸試驗(yàn)，結(jié)果如圖4和圖5所示。 由圖4可知，隨著介質(zhì)尺寸由3 mm增加到6 mm，-0.038 mm比生產(chǎn)率由1.98 kg/(h·L)增加至3.29 kg/(h·L)；介質(zhì)尺寸從3 mm增加到5 mm，-0.038 mm磨礦效率從28.41 kg/(kW·h)增加到33.78 kg/(kW·h)，繼續(xù)增大轉(zhuǎn)速至6 mm，磨礦效率減小至33.74 kg/(kW·h)。由圖5可知，隨著介質(zhì)尺寸由3 mm增加到6 mm，弱磁精礦品位由64.50%增加至68.89%；介質(zhì)尺寸由3 mm增加到4 mm，弱磁精礦回收率從90.27%減小至89.38%，介質(zhì)尺寸繼續(xù)從4 mm增加到6 mm，精礦回收率在89.08%～89.77%之間波動(dòng)。

圖4 不同介質(zhì)尺寸對(duì)磨礦效率的影響Fig.4 Effect of different size medium ongrinding efficiency

圖5 不同介質(zhì)尺寸對(duì)精礦指標(biāo)的影響Fig.5 Effect of different size medium onconcentrate index

相同條件下，增大磨礦介質(zhì)尺寸雖然能提高比生產(chǎn)率、磨礦效率和精礦品位，但磨礦介質(zhì)尺寸越大，消耗的能量也越大，會(huì)增大研磨成本[10-12]，此外，使用直徑大于6 mm的陶瓷球介質(zhì)，攪拌磨磨礦過(guò)程容易出現(xiàn)卡球現(xiàn)象，說(shuō)明該設(shè)備充填的介質(zhì)尺寸上限為6 mm。若增大設(shè)備容積至2.0 L，充填介質(zhì)尺寸可提高至10 mm。綜合考慮磨礦效果和選別指標(biāo)，確定適宜的介質(zhì)尺寸為6 mm。

2.3 磨礦濃度試驗(yàn)

在固定介質(zhì)充填率為68.2%、攪拌器轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、料球比為0.7，介質(zhì)尺寸為6 mm、磨礦時(shí)間為3.5 min、弱磁場(chǎng)強(qiáng)為79.6 kA/m的條件下，進(jìn)行不同磨礦濃度試驗(yàn)，結(jié)果如圖6和圖7所示。由圖6可知，隨著磨礦濃度由40%增加到50%，-0.038 mm比生產(chǎn)率由2.79 kg/(h·L)增加至3.29 kg/(h·L)，磨礦濃度由50%增加到70%，-0.038 mm比生產(chǎn)率在3.15～3.35 kg/(h·L)范圍內(nèi)小幅波動(dòng)；磨礦濃度從40%增加到70%，-0.038 mm磨礦效率從37.61 kg/(kW·h)減小到25.85 kg/(kW·h)。由圖7可知，隨著磨礦濃度由40%增加到50%，弱磁精礦品位由67.07%增加至68.89%，磨礦濃度由50%繼續(xù)增加至70%，精礦品位小幅增大至69.00%；磨礦濃度由40%增加到50%，弱磁精礦回收率從90.31%減小至89.08%，磨礦濃度由50%增加到70%，弱磁精礦回收率在89.08%～89.26%之間小幅波動(dòng)。綜合考慮磨礦效果和選別指標(biāo)，確定適宜的磨礦濃度為50%。

圖6 不同磨礦濃度對(duì)磨礦效率的影響Fig.6 Effect of different grinding concentration ongrinding efficiency

圖7 不同磨礦濃度對(duì)精礦指標(biāo)的影響Fig.7 Effect of different grinding concentration onconcentrate index

2.4 磨礦細(xì)度試驗(yàn)

在固定介質(zhì)充填率為68.2%、攪拌轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、料球比為0.7、介質(zhì)尺寸為6 mm、磨礦濃度為50%條件下，考察在不同磨礦時(shí)間下的顆粒細(xì)度，結(jié)果如圖8和圖9所示。 由圖8可知，隨著磨礦時(shí)間的增加，磨礦產(chǎn)品-0.074 mm、-0.043 mm、-0.038 mm粒級(jí)含量逐漸增多，且呈先快速增多后緩慢增多的趨勢(shì)。 由圖9可知，隨著攪拌磨磨礦時(shí)間的增加，+0.074 mm粒級(jí)含量逐漸減少， 磨礦2.5 min后，即可將-0.074 mm粒級(jí)含量從46.46%減小至2.35%，磨礦時(shí)間3.5 min時(shí)，磨礦產(chǎn)品-0.038 mm粒級(jí)含量為88.94%。以上分析表明攪拌磨磨礦時(shí)間短，磨礦效率高。

圖8 磨礦粒度曲線Fig.8 Grinding particle size curve

圖9 不同磨礦時(shí)間磨礦產(chǎn)品粒級(jí)分布Fig.9 Particle size distribution of grinding productsat different grinding times

2.5 攪拌磨不同細(xì)度分選指標(biāo)

在固定介質(zhì)充填率為68.2%、攪拌器轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、料球比為0.7、介質(zhì)尺寸為6 mm、磨礦濃度為50%、弱磁場(chǎng)強(qiáng)為79.6 kA/m的條件下，結(jié)合磨礦粒度曲線，進(jìn)行-0.038 mm不同含量的磁選選別試驗(yàn)，結(jié)果如圖10所示。采用光學(xué)顯微鏡對(duì)鞍千預(yù)選鐵精礦和-0.038 mm含量占84.56%的磨礦產(chǎn)品進(jìn)行單體解離度測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表4。

圖10 不同磨礦細(xì)度產(chǎn)品磁選試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Magnetic separation test results ofdifferent grinding fineness product

表4 磨礦前后礦石的單體解離度分析Table 4 Analysis of dissociation degree of ore beforeand after grinding

由圖10可知，隨著磨礦時(shí)間的增加，磨礦產(chǎn)品-0.038 mm含量逐漸增加，礦物顆粒逐漸實(shí)現(xiàn)單體解離，磁選精礦鐵品位由63.28%增大至69.45%，提升了6.17個(gè)百分點(diǎn)，回收率則由90.70%逐漸降低到88.42%，降低了2.28個(gè)百分點(diǎn)，隨著磨礦細(xì)度的增大品位變化較大，回收率降低幅度較小。 同時(shí)，磨得越細(xì)，所需能耗越高，綜合考慮節(jié)能減耗和技術(shù)指標(biāo)，較合適的磨礦細(xì)度為-0.038 mm含量占84.56%，此時(shí)需磨礦2.80 min，比生產(chǎn)率為3.80 kg/(h·L)，磨礦效率為39.21 kg/(kW·h)，可獲得精礦品位67.01%，回收率為89.93%的鐵精礦。

由表4可知，磨礦前鞍千預(yù)選鐵精礦中的磁鐵礦單體解離度僅為52.02%，經(jīng)過(guò)攪拌磨磨礦后，磁鐵礦的單體解離度達(dá)81.82%，絕大多數(shù)磁鐵礦都實(shí)現(xiàn)了單體解離，連生礦物也主要以赤鐵礦為主，理論上可通過(guò)弱磁選得到較高品位的鐵精礦，攪拌磨磨礦雖然將赤鐵礦的單體解離度從36.54%提高到48.78%，但提升幅度不大，赤鐵礦主要與磁鐵礦連生，可通過(guò)弱磁選進(jìn)入精礦從而實(shí)現(xiàn)回收，少量赤鐵礦-脈石連生體從弱磁尾礦損失。

在立式攪拌磨仿真模擬方面，未來(lái)可以采用離散元(DEM)與計(jì)算流體力學(xué)(CFD)相結(jié)合的方式，涉及EDEM軟件和FLUENT軟件，運(yùn)用聯(lián)合仿真對(duì)攪拌磨的運(yùn)行狀況進(jìn)行模擬，同時(shí)采用高速攝像機(jī)捕獲筒體內(nèi)部的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，模擬與實(shí)時(shí)攝像技術(shù)相互驗(yàn)證。工業(yè)放大方面，要基于試驗(yàn)室磨礦的各項(xiàng)工藝參數(shù)，明確來(lái)樣粒度、磨礦產(chǎn)品粒度、處理量，通過(guò)測(cè)算運(yùn)行過(guò)程攪拌器扭矩計(jì)算出磨礦比能耗、球耗、電耗等隨細(xì)度變化曲線，再與類(lèi)似物料的工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行數(shù)值校正。

3 結(jié) 論

1) 鞍千預(yù)選鐵精礦TFe品位為39.06%；礦石中鐵主要賦存于磁鐵礦中，磁鐵礦分布率為89.15%，主要脈石元素SiO2含量較高為39.30%，其次為鈣、鎂閃石。

2) 陶瓷球攪拌磨適宜的磨礦工藝參數(shù)為：介質(zhì)充填率為68.2%，攪拌器轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，料球比為0.7，介質(zhì)尺寸為6 mm，磨礦濃度為50%，磨礦時(shí)間為2.80 min。

3) 通過(guò)攪拌磨礦-弱磁分選工藝流程，磨礦時(shí)間2.8 min，礦石試樣由-0.038 mm含量占31.31%磨細(xì)至-0.038 mm含量占84.56%，經(jīng)弱磁分選后，精礦品位可達(dá)67.01%，回收率可達(dá)89.93%，指標(biāo)良好。

4) 利用陶瓷球攪拌磨對(duì)鞍千預(yù)選鐵精礦進(jìn)行磨礦，磨礦時(shí)間短，磨礦效率高，弱磁分選指標(biāo)優(yōu)異，可為鐵礦石攪拌磨磨礦的工業(yè)化應(yīng)用提供參考。