瞿鐵，仝麗娟，楊紀(jì)昌

1中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

3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

東鞍山鐵礦石是鞍鋼礦業(yè)集團的主要鐵礦原料[1]之一，為典型的復(fù)雜難選鐵礦石，經(jīng)過多年的開采，采部逐年加深，下部難選礦入選比例增加。現(xiàn)該鐵礦石原礦 TFe 品位約為 31.7%，主要脈石礦物SiO2含量約為 49%，鐵礦物主要為赤褐鐵礦，其次是磁性鐵礦物，包含磁鐵礦和假象半假象赤鐵礦物，碳酸鐵礦物含量也較高，硅酸鐵含量較少。

東鞍山燒結(jié)廠的破碎磨選工藝流程為“三段一閉路破碎篩分—兩段連續(xù)磨礦—粗細分選—中礦再磨—重選—強磁—分步浮選”，該工藝對于深部鐵礦石的適應(yīng)性愈來愈差，造成了鐵精礦產(chǎn)品品位浮動較大，選礦效率降低。因此，為了提高選礦產(chǎn)能，降低成本，擬進行“磁浮”工藝升級改造，采用“兩段連續(xù)磨礦—弱磁—強磁—掃強磁—再磨”工藝。該工藝要求磁鐵精礦再磨粒度為 -45 μm (-325 目) 含量為 90%～ 95%，利用傳統(tǒng)的臥式球磨機不僅達不到所要求的產(chǎn)品細度，而且還影響后續(xù)浮選作業(yè)的鐵精礦產(chǎn)品指標(biāo)。由于東鞍山鐵礦石嵌布粒度較細，磨礦粒度須達到 -45 μm 占 90% 以上，有用鐵礦物才可以達到約 80% 的單體解離，因此，再磨設(shè)備擬將原溢流型球磨機改造為立式螺旋攪拌磨機 (以下簡稱“立磨機”)，以滿足“磁浮”工藝的選別粒度要求，從而較好地發(fā)揮選別作用，得到指標(biāo)良好、全鐵品位為66% 的鐵精粉。且相對于溢流型球磨機，立磨機的試驗?zāi)サV能耗可有效降低約 30%，更有利于降低選礦成本，提高經(jīng)濟效益。

立磨機是一種高效細磨裝備[2]，具有產(chǎn)品粒度細、磨礦能耗低、粉磨效率高等特點。該設(shè)備操作簡單，占地面積小，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于有色金屬礦山、貴金屬礦山等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域[3]，且越來越被證明在鐵精礦再磨工藝中具有良好的再磨效果。

1 磨礦試驗研究

1.1 試驗樣品

本次試驗樣品為東鞍山鐵礦石經(jīng)過弱磁—強磁—掃強磁選后的混磁精粉，全鐵品位為 42.5%，-75 μm (-200目) 含量約為 80%，樣品粒度篩分分析結(jié)果如圖 1 所示。

圖1 試驗樣品粒度篩分分析結(jié)果Fig.1 Analysis results of particle size distribution of test sample

由圖 1 可知該樣品中 -75 μm 含量為 79.80%，-45 μm 含量為 61.91%。根據(jù)礦石單體解離度測定結(jié)果，當(dāng)磨礦粒度達到 -45 μm 含量為 90.37% 時，鐵礦物的單體解離度達到 78.45%；當(dāng)磨礦粒度達到-45 μm 含量為 95.81% 時，鐵礦石的單體解離度達到83.33%。

另外還進行了不同磨礦粒度條件下的磁選管選別試驗，磁選管磁場強度為 96 kA/m，試驗結(jié)果如圖 2所示。

圖2 不同磨礦粒度磁選精礦結(jié)果Fig.2 Results of magnetic separation of concentrate with various grinding particle size

分析圖 2 可知，當(dāng)磨礦產(chǎn)品粒度達到 -45 μm 含量為 90% 時，磁選精礦品位為 66.64%；當(dāng)磨礦產(chǎn)品粒度達到 -45 μm 含量為 95% 時，磁選精礦品位為67.36%。因此，若想獲得鐵精礦品位 66% 以上，需采用細磨設(shè)備，將該混磁精粉進行再磨。

1.2 磨礦試驗

本次磨礦試驗分別采用φ305 mm×305 mm BOND實驗室球磨機和 CSM-2.2 立磨機試驗平臺進行。經(jīng)過2 種磨礦方法的對比研究，分析東鞍山燒結(jié)廠混磁精粉在不同磨礦條件下的磨礦效果。

球磨磨礦試驗采用 Levin 試驗方法[4]，該方法為干法批次磨礦，其計算能耗代表濕法開路磨礦能耗，通過磨機轉(zhuǎn)速預(yù)估不同磨礦時間的磨礦能耗，可與濕法立磨機試驗進行對比。在球磨機中加入 1.5 kg 的混磁精粉，磨礦介質(zhì)為鋼球。

立磨機試驗為濕法磨礦，電動機轉(zhuǎn)速為 1 400 r/min，螺旋轉(zhuǎn)速為 128 r/min，磨機內(nèi)裝φ8 mm 的鋼球，介質(zhì)充填率為 60%，磨礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 62.5%，磨機主軸連接 1 臺 KTR 扭矩傳感器，用以檢測磨礦能耗。

磨礦試驗結(jié)果如圖 3 所示。分析圖 3 可知，隨著磨礦比能耗的增加，磨礦產(chǎn)品都隨之變細。在相同的磨礦比能耗下，立磨機的磨礦產(chǎn)品粒度更細，磨礦效率更高，且隨著磨礦細度的增加，二者的磨礦比能耗相差更大。當(dāng)磨至產(chǎn)品粒度為 -45 μm 約占 95%時，球磨機的磨礦比能耗約為 10.19 kW·h/t，立磨機的磨礦比能耗約為 7.84 kW·h/t，二者相差 2.35 kW·h/t，立磨機磨礦比能耗相比球磨機的磨礦比能耗低 23%。這說明在對該混磁精粉進行細磨時，立磨機的節(jié)能優(yōu)勢更加明顯。

圖3 磨礦試驗結(jié)果Fig.3 Results of grinding test

1.3 磨礦產(chǎn)品粒度分布

對球磨機和立磨機的磨礦產(chǎn)品中 -45 μm 含量約為 93% 的樣品進行激光粒度分析，對比 2 種磨礦方式產(chǎn)品的粒度組成，結(jié)果如圖 4 所示。

圖4 磨礦產(chǎn)品激光粒度分析結(jié)果Fig.4 Laser analysis results of particle size distribution of grinding products

分析圖 4 可知，在 8～ 50 μm 的粒級范圍內(nèi)，立磨機磨礦產(chǎn)品含量比球磨機高，而在小于 8 μm 的粒級范圍內(nèi)，球磨機磨礦產(chǎn)品含量比立磨機要高，立磨機磨礦產(chǎn)品粒度分布相對更窄。這表明球磨機磨礦產(chǎn)品有一部分產(chǎn)生了過磨，而過磨會產(chǎn)生的大量的礦泥，將會對后續(xù)的分級、反浮選以及濃縮過濾作業(yè)造成不利影響。

2 磨礦機理研究

分別對球磨機和立磨機進行磨礦動力學(xué)分析，以探討立磨機對該混磁精粉的磨礦優(yōu)勢；從數(shù)學(xué)模型角度分析立磨機的磨礦先進性，探討其工作原理上的優(yōu)越性。

2.1 磨礦動力學(xué)分析

根據(jù)n階磨礦動力學(xué)方程 (式 (1))，對球磨機和立磨機的磨礦結(jié)果進行數(shù)學(xué)模型計算[5]192。

式中：Ri(t) 為產(chǎn)品中大于粒度i的累積產(chǎn)率，%；Ri(0) 為入料中大于粒度i的累積產(chǎn)率，%；ki為i粒級的選擇參數(shù)；t為磨礦時間，min；n為與物料性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)。

又由于球磨機的磨礦比能耗與轉(zhuǎn)速成正比 (根據(jù)Levin 試驗預(yù)測)，而磨機轉(zhuǎn)速與時間成正比 (磨機轉(zhuǎn)速為 70 r/min)，因此認為球磨機的磨礦比能耗與時間成正比，即

式中：EBM為球磨機磨礦比能耗；b為與磨機有關(guān)的常數(shù)，取 0.94。

立磨機試驗平臺的磨礦比能耗是利用 KTR 扭矩傳感器進行檢測的，其與磨礦時間也呈正比關(guān)系，因此

式中：EVM為立磨機磨礦比能耗；m為與磨機有關(guān)的常數(shù)，根據(jù)扭矩傳感器與時間關(guān)系求出m=0.33。

將球磨機和立磨機的入料和產(chǎn)品粒度 (-45 μm含量) 以及磨礦時間代入式 (1)，并利用最小二乘法對k45和n進行求解，得到球磨機的磨礦動力學(xué)模型方程k45球磨=0.052，n球磨=1.49；立磨機的磨礦動力學(xué)模型方程k45立磨=0.014，n立磨=1.59。同時將式 (2) 和式 (3)代入，從而得到球磨機的磨礦動力學(xué)方程為

立磨機的磨礦動力學(xué)方程為

其中R0=39.09%，式 (2) 回歸方程的相關(guān)系數(shù)為R2=0.997，式 (3) 回歸方程的相關(guān)系數(shù)為R2=0.998。

將式 (4) 和式 (5) 進行線性化，可得球磨機和立磨機對該混磁精礦的磨礦時間與磨礦粒度的線性回歸方程分別為

繪制二者的線性回歸曲線，如圖 5 所示。

圖5 線性回歸曲線Fig.5 Linear regression curve

將式 (6) 和式 (7) 代入式 (2) 和式 (3)，即可得到磨礦能耗與產(chǎn)品粒度 (-45 μm 含量) 的關(guān)系分別為

對試驗結(jié)果進行磨礦動力學(xué)分析，可以得到磨礦比能耗與磨礦產(chǎn)品粒度之間的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)式 (8)、(9) 則可以估算出在不同的磨礦產(chǎn)品粒度 (-45 μm 含量) 時，球磨機和立磨機所需的磨礦比能耗，結(jié)果如圖 6 所示。

圖6 磨礦產(chǎn)品粒度與比能耗的回歸擬合曲線Fig.6 Regression fitting curve of particle size of grinding product and specific energy consumption

分析圖 6 可知，在達到相同的磨礦產(chǎn)品粒度時，立磨機的磨礦比能耗相比球磨機更低，且隨著磨礦細度的增加，二者的差異更大 (見圖 7)。在達到理想的單體解離度情況下，也就是 -45 μm 含量為 95% 時，立磨機磨礦比能耗相比球磨機低 31.2%，該差異比實際檢測值高約 8%。因為根據(jù)磨礦動力學(xué)分析，通過數(shù)學(xué)模型擬合公式以及最小二乘法計算出的k和n值，和實測值存在一定的差距。該分析擬合公式可作為磨礦比能耗的預(yù)測依據(jù)，具有一定的可靠性。

圖7 不同磨礦產(chǎn)品粒度的磨礦比能耗差異Fig.7 Difference in specific grinding energy consumption of various grinding products with various particle size

2.2 立磨機節(jié)能機理分析

磨礦作用的基本原理是賦予磨礦介質(zhì)一定的動力，使介質(zhì)間進行相對運動，運動產(chǎn)生機械力作用于物料，對物料進行沖擊、剪切、研磨等物理作用，從而使物料達到粒度減小的過程。

傳統(tǒng)的滾筒式球磨機通過一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時[5]45，帶動磨礦介質(zhì)到一定的高度后下落，下落的介質(zhì)沖擊筒體底部，產(chǎn)生沖擊力，同時介質(zhì)在底部又受到磨機的旋轉(zhuǎn)帶動至一定高度后下落，在筒體內(nèi)相互碰撞、滾動，又產(chǎn)生了強烈的研磨力，沖擊力和研磨力對物料進行沖擊和研磨，達到粉碎物料的目的。

立磨機是通過筒體內(nèi)部的螺旋攪拌器[6]帶動磨礦介質(zhì)進行自轉(zhuǎn)和多維循環(huán)運動，由于距離攪拌器中心軸距離不同，介質(zhì)之間會有轉(zhuǎn)速差，從而產(chǎn)生相對的剪切作用，介質(zhì)在這種相互運動過程中對其周圍的物料進行剪切研磨作用，達到粉磨物料的效果。

根據(jù)物料粉碎功耗學(xué)說三大理論，尤其是邦德裂縫學(xué)說[7]，物料的破碎過程消耗的功與顆粒內(nèi)新生成的裂縫長度成正比，即物料破碎過程消耗的有效功越多，其內(nèi)部新生成裂縫越多，越有利于物料的粉碎。而在粉磨過程中，電能轉(zhuǎn)化為磨機的機械能[5]84，又轉(zhuǎn)化為介質(zhì)的機械能，最后轉(zhuǎn)化為物料的表面能時，會有大量能量損失，因此電能轉(zhuǎn)化為最終的物料表面能效率越高，對于物料的粉碎效果則越好，同時也更加節(jié)能。

對比 2 種磨機的磨礦機理發(fā)現(xiàn)，球磨機的主要研磨方式為沖擊和研磨作用，沖擊作用于物料時具有一定的“隨機性”，介質(zhì)被拋落時，并非每一粒介質(zhì)都能作用于物料從而產(chǎn)生粉碎作用。尤其在再磨或者細磨時，物料粒度很細，介質(zhì)對其的沖擊作用更顯得隨機而低效。直徑較大的介質(zhì)沖擊能量大，由于接觸面很小，不能有效作用于細顆粒；而直徑較小的介質(zhì)沖擊能量小，對于細顆粒的作用力度小，也不能產(chǎn)生有效的沖擊粉碎作用。因此推測球磨機中沖擊粉碎作用對細粒級粉碎效率極低，亦即機械能轉(zhuǎn)化為物料的表面能效率極低。因此球磨機在細磨或再磨過程中，主要的粉碎方式為介質(zhì)之間的研磨作用，一大部分的沖擊作用幾乎在做無用功，能量損失巨大。此外，由于鋼球的隨機沖擊作用，球磨機極易產(chǎn)生過磨現(xiàn)象，影響后續(xù)作業(yè)。

而立磨機的主要研磨機理為剪切研磨作用，內(nèi)部螺旋攪拌器時刻帶動介質(zhì)進行多維循環(huán)運動，介質(zhì)之間的速度差對于充填于其中的物料具有高效的研磨作用，細粒級物料在介質(zhì)之間幾乎無時無刻不被研磨，其能量轉(zhuǎn)化為物料表面能的效率也較高。因此立磨機對于該混磁精礦的磨礦效率更高，同時節(jié)能效果也更加明顯。

3 生產(chǎn)工藝分析

東鞍山燒結(jié)廠改造項目的再磨反浮選 (磁浮) 工藝如圖 8 所示，按照可行性研究試驗，要求磁選精礦再磨粒度為 -45 μm 占 90%～ 95%，才能達到鐵礦物單體解離度約為 80%，此時的反浮選擴大連選試驗產(chǎn)品可獲得鐵精礦品位為 66.45%、金屬回收率為 78.30%、浮選尾礦品位為 18.47% 的良好指標(biāo)。

圖8 東鞍山燒結(jié)廠擬采用的再磨反浮選工藝Fig.8 Regrinding reverse flotation process to be applied in Donganshan Sintering Plant

要想獲得良好的分選指標(biāo)，關(guān)鍵的技術(shù)手段在于粉磨作業(yè)充分研磨，使有用礦物達到充分良好的單體解離度。根據(jù)本試驗研究結(jié)果，采用立磨機作為混磁精礦再磨設(shè)備，可獲得良好的磨礦效果以及更低的磨礦能耗，預(yù)計立磨機的磨礦能耗將比球磨機低約30%。

4 結(jié)論

(1) 對東鞍山難選鐵礦石進行“磁浮”工藝改造，可優(yōu)先考慮使用立磨機作為再磨設(shè)備，立磨機不僅具有磨礦效率高、占地面積小、設(shè)備操作簡單等優(yōu)勢，相較于傳統(tǒng)的滾筒式球磨機，其再磨比能耗可降低約30%，有利于降低選廠選礦成本，提高經(jīng)濟效益。

(2) 隨著磨礦產(chǎn)品粒度的變細，立磨機相對于球磨機表現(xiàn)出更加節(jié)能的磨礦優(yōu)勢，磨礦產(chǎn)品粒度 -45 μm 含量從 70% 增加至 95%，立磨機磨礦比能耗相對降低變化率從 25% 提高至 31%，且節(jié)能效果隨磨礦細度的增加更加明顯。

(3) 立磨機相對于球磨機，其磨礦產(chǎn)品粒度分布更窄，不易產(chǎn)生過磨現(xiàn)象，因此對于后續(xù)的分選和濃縮過濾作業(yè)更加有利。

(4) 對立磨機試驗結(jié)果進行磨礦動力學(xué)分析可知，入料粒度與產(chǎn)品粒度之比的雙對數(shù)與磨礦時間的對數(shù)呈線性關(guān)系，同時由于磨礦比能耗與磨礦時間成正比，可根據(jù)該線性關(guān)系推測磨礦至不同的產(chǎn)品粒度時的磨礦比能耗，能較為準(zhǔn)確地預(yù)測達到目標(biāo)產(chǎn)品粒度時的磨礦比能耗，有助于工業(yè)設(shè)備的選型計算和功率的準(zhǔn)確預(yù)測。