瞿 鐵，董節(jié)功

1中信重工機(jī)械股份有限公司 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

3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

某鉛鋅礦始建于1972 年，處理礦石類型屬于低銅、高鉛鋅硫多金屬礦石，設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模原礦處理量100 萬 t/a，原碎磨礦系統(tǒng)采用三段破碎一閉路+球磨流程。由于原流程作業(yè)點(diǎn)多、勞動定員多，以及生產(chǎn)環(huán)境差、設(shè)備老舊，2017 年該選廠實(shí)施了選礦技術(shù)及設(shè)備升級改造，改造后的碎磨礦流程為粗碎+半自磨+球磨流程（即 SAB 流程）。項(xiàng)目改造僅用 7個(gè)月就實(shí)現(xiàn)了竣工投產(chǎn)，并在投產(chǎn)后很快達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)。礦山重型裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室磨礦試驗(yàn)和選型技術(shù)在該選廠碎磨工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、工藝調(diào)試及優(yōu)化中得到了充分的應(yīng)用，為半自磨工藝的達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)及優(yōu)化提供了合理的選型方案和可靠的理論依據(jù)。

1 磨機(jī)選型計(jì)算方法

功耗法是磨機(jī)選型的主要方法，其核心是比功耗的計(jì)算[1]。磨機(jī)碎磨礦石的比功耗是將單位質(zhì)量的礦石從進(jìn)料粒度F80（新進(jìn)物料 80% 通過的尺寸）碎磨至產(chǎn)品粒度P80（產(chǎn)品 80% 通過的尺寸）所需要的能量。比功耗確定后，用該比功耗乘以要求的處理量就可以計(jì)算出磨礦的需求功率，根據(jù)需求功率即可選取與之匹配的磨機(jī)尺寸和電動機(jī)規(guī)格。

1.1 半自磨機(jī)比功耗的確定

目前半自磨機(jī)比功耗的確定方法大致有以下 4種：一是試驗(yàn)測定法，如用半工業(yè)試驗(yàn)、批次瀉落式試驗(yàn)、Macpherson 試驗(yàn)和 SPI 試驗(yàn)等，直接或者間接測定比功耗的值；二是數(shù)學(xué)模型法，該方法結(jié)合特定的試驗(yàn)，形成半自磨機(jī)比功耗的計(jì)算模型；三是軟件模擬法，目前國際上在選礦方面應(yīng)用較多的是澳大利亞昆士蘭大學(xué) JK 礦物中心的 JKSimMet 和法國地礦研究局的 USIM PAC 等軟件；四是數(shù)據(jù)庫法，世界上各大磨機(jī)供應(yīng)商和各礦物研究中心都建有自己的試驗(yàn)和工業(yè)數(shù)據(jù)庫，根據(jù)礦石性質(zhì)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫能夠獲得比功耗的值。

1.2 球磨機(jī)比功耗的確定

球磨機(jī)比功耗的確定有2 種：一是數(shù)學(xué)模型法，該方法結(jié)合邦德球磨功指數(shù)試驗(yàn)值，或由細(xì)粒功指數(shù)Mib值，采用邦德功理論模型或者 SMCC 比功耗模型，對不同流程的球磨機(jī)比功耗進(jìn)行計(jì)算；二是軟件模擬法，需要結(jié)合邦德球磨功指數(shù)試驗(yàn)值，采用 JK SimMet 等軟件進(jìn)行碎磨流程參數(shù)模擬，判斷磨機(jī)選型的合理性，得到合理的比功耗值。

2 磨礦試驗(yàn)

礦石的磨礦試驗(yàn)參數(shù)是選礦廠磨礦工藝設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。礦山重型裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于2008 年率先從澳大利亞昆士蘭大學(xué) JKTech 公司引進(jìn)了國際知名的 JK 落重試驗(yàn)平臺和 JKSimMet 模擬計(jì)算軟件，為國內(nèi)外上百家客戶提供了試驗(yàn)和計(jì)算服務(wù)。2016 年7 月，該鉛鋅礦選取有代表性的礦樣寄送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行落重試驗(yàn)、磨蝕試驗(yàn)和邦德球磨功指數(shù)試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)作為該選廠半自磨機(jī)和球磨機(jī)的選型計(jì)算依據(jù)。

2.1 落重試驗(yàn)

落重試驗(yàn)是澳大利亞昆士蘭大學(xué) JKTech 公司開發(fā)的一種測定和表征礦石抗沖擊破碎特性的試驗(yàn)方法[2]。落重試驗(yàn)是在落重試驗(yàn)機(jī)上利用下落錘頭的沖擊作用來破碎礦石的單顆粒破碎試驗(yàn)。通過改變落錘的釋放高度和落錘質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)礦石顆粒在不同比功耗下的沖擊破碎。一個(gè)落重試驗(yàn)包含對5 個(gè)粒級物料各進(jìn)行3 個(gè)比功耗水平的單顆粒沖擊破碎試驗(yàn)，一共有15 個(gè)粒度-比功耗組合。落重試驗(yàn)要求的5 個(gè)粒級分別為-63+53、-45+37.5、-31.5+26.5、-22.4+19 和-16+13.2 mm，比功耗變化范圍為 0.1～2.5 kW·h/t。

試驗(yàn)后對破碎的礦石進(jìn)行篩分，得到15 個(gè)不同比功耗對應(yīng)的粒度分布數(shù)據(jù)，粒度和比功耗的函數(shù)關(guān)系為

式中：t10為破碎后物料的粒度分布，為原始顆粒尺寸的 1/10 對應(yīng)粒徑的篩下通過率，%；Ecs為比功耗值，kW·h/t；A和b為常數(shù)。

將試驗(yàn)得到的15 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)通過參數(shù)擬合可得到粒度-比功耗分布曲線，如圖1 所示。同時(shí)可以擬合出參數(shù)A和b的值，它們通常用于半自磨機(jī)的選型計(jì)算，A和b的乘積（即A×b值）用來反映礦石抗沖擊破碎能力的大小，A×b值越小，表明礦石抗沖擊破碎能力越強(qiáng)，礦石越硬；反之，A×b值越大，表明礦石抗沖擊破碎能力越弱，礦石越軟。

圖1 某礦樣 t10-Ecs 關(guān)系曲線Fig.1 Relationship curve of t10 and Ecs of an ore sample

2.2 磨蝕試驗(yàn)

半自磨機(jī)磨礦存在兩種碎磨形式：一是高能級的沖擊破碎，二是低能級的研磨破碎。落重試驗(yàn)參數(shù)表征了礦石的抗沖擊破碎能力，而礦石抗研磨能力需要通過磨蝕試驗(yàn)來測定。

磨蝕試驗(yàn)選取重3 kg、-53+7.5 mm 粒級的礦樣，加入φ305 mm×305 mm 的滾筒型磨機(jī)中（不添加任何磨礦介質(zhì)），磨機(jī)以70% 的臨界轉(zhuǎn)速率（轉(zhuǎn)速為53 r/min）運(yùn)轉(zhuǎn)，試驗(yàn)時(shí)間為10 min。試驗(yàn)結(jié)束后，對試驗(yàn)產(chǎn)品進(jìn)行篩分，得到試驗(yàn)產(chǎn)品的粒度分布數(shù)據(jù)，測量出t10值。磨蝕試驗(yàn)結(jié)果為ta值（ta=t10/10），它表征礦石的抗研磨能力，ta值越大，表示礦石的抗研磨能力越差，礦石越易磨。

2.3 邦德球磨功指數(shù)試驗(yàn)

邦德球磨功指數(shù)廣泛應(yīng)用于球磨機(jī)的選擇計(jì)算和磨礦過程的效率評價(jià)中，是表征礦石在球磨機(jī)中研磨難易程度的一個(gè)指標(biāo)，它通過邦德球磨功指數(shù)試驗(yàn)間接測定。該試驗(yàn)通過標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)程序來進(jìn)行，要求試驗(yàn)的給礦粒度為-3.35 mm，試驗(yàn)設(shè)備為φ305 mm×305 mm 實(shí)驗(yàn)室球磨機(jī)，磨機(jī)轉(zhuǎn)速為70 r/min，磨機(jī)內(nèi)的鋼球需要按照規(guī)定的鋼球規(guī)格和數(shù)量進(jìn)行添加。試驗(yàn)采用干式篩分閉路磨礦方式，同時(shí)保持每次循環(huán)中磨機(jī)給料量不變。根據(jù)每次循環(huán)新生成的篩下量預(yù)估并調(diào)整下一循環(huán)的磨機(jī)轉(zhuǎn)速，直至在循環(huán)負(fù)荷穩(wěn)定在250% 時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，測出穩(wěn)定狀態(tài)下的每轉(zhuǎn)凈生成量Gbp值，并測定磨礦試驗(yàn)產(chǎn)品P80值。根據(jù)試驗(yàn)給礦粒度F80值和分級篩篩孔尺寸P值，結(jié)合式（2）計(jì)算出邦德球磨功指數(shù)試驗(yàn)值。

式中：BWi為邦德球磨功指數(shù)試驗(yàn)值，kW·h/t；P為分級篩篩孔尺寸，μm；Gbp為穩(wěn)定狀態(tài)下的每轉(zhuǎn)凈生成量，g/r。

邦德球磨功指數(shù)越大，表明礦石在球磨機(jī)內(nèi)越難磨，需要的磨礦功耗越高。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

該鉛鋅礦礦樣試驗(yàn)結(jié)果如表1 所列。

表1 礦樣試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of ore sample

由表1 可知，礦樣落重試驗(yàn)參數(shù)A×b=393.8，表明礦石的抗沖擊破碎能力低，礦石硬度屬于“很軟”的范圍；磨蝕試驗(yàn)結(jié)果ta＝2.37，表明礦石的抗研磨能力低；邦德球磨功指數(shù)BWi＝10.37 kW·h/t，表明礦石在球磨機(jī)磨礦時(shí)，可磨性屬于“中等”的范圍。表1 中的礦樣試驗(yàn)參數(shù)可作為該鉛鋅礦磨機(jī)選型計(jì)算的依據(jù)。

3 磨機(jī)選型計(jì)算

3.1 磨礦工藝參數(shù)要求

（1）磨礦工藝為單系列半自磨—球磨工藝（SAB工藝），半自磨給礦為顎式破碎機(jī)粗碎產(chǎn)品；

（2）磨礦系統(tǒng)設(shè)計(jì)原礦處理量為4 000 t/d；

（3）球磨機(jī)采用格子型排礦方式，要求磨礦產(chǎn)品粒度-200 目（-75 μm）通過 55%～60%。

3.2 磨機(jī)選型方法

根據(jù)功耗法原理，應(yīng)用以下磨機(jī)選型計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算、模擬，綜合分析后給出合理的磨機(jī)選型方案。

（1）中信重工 SMCC 模型及數(shù)據(jù)庫軟件計(jì)算中信重工 SMCC 模型及數(shù)據(jù)庫軟件是中信重工收購澳大利亞 SMCC 工藝技術(shù)公司及其數(shù)據(jù)庫軟件后，專用的碎磨系統(tǒng)計(jì)算軟件。

（2）中信重工選型數(shù)據(jù)庫計(jì)算軟件計(jì)算 中信重工選型數(shù)據(jù)庫主要包括：礦石性質(zhì)、設(shè)備選型數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行工業(yè)數(shù)據(jù)、磨機(jī)型譜數(shù)據(jù)以及設(shè)計(jì)參數(shù)。中信重工選型數(shù)據(jù)庫計(jì)算軟件是在該數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上編寫的自磨機(jī)、半自磨機(jī)、球磨機(jī)、棒磨機(jī)及高壓輥磨機(jī)選型計(jì)算軟件。

（3）JKSimMet 軟件模擬計(jì)算 JKSimMet 軟件為澳大利亞昆士蘭大學(xué)礦物研究中心 JKTech 公司研發(fā)的碎磨系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬軟件，可用于碎磨礦流程參數(shù)的數(shù)質(zhì)量平衡計(jì)算、參數(shù)擬合和碎磨礦設(shè)備運(yùn)行參數(shù)模擬計(jì)算。

3.3 磨機(jī)選型方案

結(jié)合客戶要求的磨礦工藝參數(shù)和礦樣試驗(yàn)結(jié)果，采用上述3 種選型方法，按照功耗法原理進(jìn)行選型計(jì)算[3]，推薦的磨機(jī)選型方案為：φ5.0 m×2.5 m 半自磨機(jī)1 臺，主電動機(jī)安裝功率1 000 kW；φ3.8 m×5.2 m格子型球磨機(jī)1 臺，主電動機(jī)安裝功率1 300 kW。

結(jié)合選型磨機(jī)規(guī)格，計(jì)算滿足不同處理量下半自磨機(jī)運(yùn)行參數(shù)如表2 所列（計(jì)算時(shí)取半自磨機(jī)排料圓筒篩篩縫尺寸為10 mm）。

表2 半自磨機(jī)運(yùn)行參數(shù)及處理量計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of operation parameters and throughput of SAG mill

由表2 計(jì)算結(jié)果可知，滿足4 000 t/d 處理量時(shí)，半自磨機(jī)的鋼球充填率為 10.5%，總充填率為 25%，對應(yīng)半自磨機(jī)的運(yùn)行功率為700 kW；滿足4 400 t/d處理量（1.1 富裕系數(shù)）時(shí)，半自磨機(jī)的鋼球充填率為15.5%，總充填率為 25%，對應(yīng)半自磨機(jī)的運(yùn)行功率為766 kW；滿足4 800 t/d 處理量（1.2 富裕系數(shù)）時(shí)，需要半自磨機(jī)的鋼球充填率為 18.0%，總充填率為28%，對應(yīng)半自磨機(jī)的運(yùn)行功率為839 kW。

結(jié)合選型磨機(jī)規(guī)格，計(jì)算滿足不同處理量下球磨機(jī)運(yùn)行參數(shù)如表3 所列（計(jì)算時(shí)取P80＝150 μm）。

表3 球磨機(jī)的運(yùn)行參數(shù)及處理量計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of operation parameters and throughput of ball mill

由表3 計(jì)算結(jié)果可知，滿足4 000 t/d 處理量時(shí)，球磨機(jī)的鋼球充填率為 30.0%，對應(yīng)球磨機(jī)的運(yùn)行功率為936 kW；滿足4 400 t/d 處理量（1.1 富裕系數(shù)）時(shí)，球磨機(jī)的鋼球充填率為 35.0%，對應(yīng)球磨機(jī)的運(yùn)行功率為1 031 kW；滿足4 800 t/d 處理量（1.2 富裕系數(shù)）時(shí)，需要球磨機(jī)的鋼球充填率為 43.0%，對應(yīng)球磨機(jī)的運(yùn)行功率為1 120 kW。

經(jīng)過上述計(jì)算分析，確定所選磨機(jī)規(guī)格合適的處理能力為4 000～4 400 t/d，最大處理能力為4 800 t/d，但最大處理能力要求磨機(jī)的鋼球充填率較高。經(jīng)過專家論證，以及客戶和項(xiàng)目設(shè)計(jì)方的綜合評估后，客戶同意上述磨機(jī)選型方案，并按照該選型方案與中信重工簽訂了磨機(jī)采購合同。

4 磨機(jī)現(xiàn)場運(yùn)行效果及磨礦工藝優(yōu)化

4.1 現(xiàn)場運(yùn)行效果

2017 年10 月，項(xiàng)目開始投產(chǎn)運(yùn)行，經(jīng)過幾個(gè)月的調(diào)試，磨礦系統(tǒng)接近達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)。2018 年1 月，現(xiàn)場調(diào)研該礦山半自磨機(jī)運(yùn)行參數(shù)如表4 所列，球磨機(jī)運(yùn)行參數(shù)如表5 所列。

表4 半自磨機(jī)現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)Tab.4 Field operation data of SAG mill

表5 球磨機(jī)現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)Tab.5 Field operation data of ball mill

現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)表明，至2018 年1 月，磨礦系統(tǒng)處理量達(dá)到3 920 t/h，接近設(shè)計(jì)處理量4 000 t/d；兩臺磨機(jī)的電動機(jī)負(fù)荷率均在 70% 左右，表明半自磨機(jī)和球磨機(jī)負(fù)荷分配基本平衡；70% 的負(fù)荷率較低，說明磨礦系統(tǒng)有進(jìn)一步提產(chǎn)的空間。

4.2 磨礦工藝優(yōu)化

根據(jù)上述調(diào)研參數(shù)及選型計(jì)算參數(shù)，并與現(xiàn)場技術(shù)人員進(jìn)行技術(shù)交流，確定了該礦山磨礦系統(tǒng)優(yōu)化提產(chǎn)措施如下[4]：

（1）降低半自磨機(jī)新給礦粒度[5]根據(jù)現(xiàn)場提供的一段粗碎破碎機(jī)產(chǎn)品粒度分布數(shù)據(jù)，顯示當(dāng)時(shí)破碎產(chǎn)品粒度P80約為 120～125 mm，顎式破碎機(jī)工作時(shí)緊邊排礦口尺寸為125 mm，結(jié)合破碎機(jī)型號，建議將破碎機(jī)緊邊排礦口尺寸調(diào)整為 90～100 mm，以減小顎式破碎機(jī)排礦產(chǎn)品粒度，降低半自磨機(jī)的給礦粒度。同時(shí)，建議優(yōu)化采礦時(shí)的爆破參數(shù)，減小爆破后的原礦粒度，提高原礦中的細(xì)粒級含量，降低磨礦系統(tǒng)能耗，提高處理量。

（2）提高半自磨機(jī)和球磨機(jī)鋼球充填率 半自磨機(jī)和球磨機(jī)的鋼球充填率低，磨機(jī)運(yùn)行功率低，要進(jìn)一步提高處理量，必須額外補(bǔ)加鋼球量，提高磨機(jī)的鋼球充填率，將磨機(jī)的電動機(jī)負(fù)荷率提高至 90%。提高鋼球充填率的同時(shí)增加了給礦量。

（3）提高鋼球質(zhì)量，降低碎球率 現(xiàn)場調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)，磨機(jī)筒體內(nèi)的碎鋼球較多，過多的碎球降低了磨礦介質(zhì)的碎磨作用，因此需提高鋼球質(zhì)量。

（4）放粗磨礦產(chǎn)品粒度 球磨機(jī)磨礦產(chǎn)品細(xì)度為 -200 目通過 60%，設(shè)計(jì)要求磨礦產(chǎn)品細(xì)度為 -200目 55%～ 60%，實(shí)際磨礦產(chǎn)品粒度較設(shè)計(jì)值偏細(xì)。結(jié)合浮選指標(biāo)，適當(dāng)放粗磨礦產(chǎn)品粒度，提高磨礦系統(tǒng)的處理量。

（5）放大圓筒篩篩孔尺寸，將半自磨機(jī)負(fù)荷部分轉(zhuǎn)移至球磨機(jī) 球磨機(jī)產(chǎn)品粒度放粗后，球磨機(jī)能耗降低，富余量增加，可以將半自磨機(jī)部分能耗轉(zhuǎn)移至球磨機(jī)，重新調(diào)整半自磨機(jī)和球磨機(jī)的負(fù)荷分配。通過增加半自磨機(jī)分級圓筒篩的篩孔尺寸，放粗半自磨機(jī)產(chǎn)品粒度，降低半自磨機(jī)能耗，同時(shí)也可降低半自磨機(jī)排料端篩孔堵塞的概率，提高篩分效率。

經(jīng)過現(xiàn)場磨礦工藝參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，2018 年 7 月份再次調(diào)研該選廠時(shí)，磨礦系統(tǒng)平均處理量達(dá)到4 800 t/d。半自磨機(jī)鋼球充填率較高，為 18%，運(yùn)行功率為840 kW；球磨機(jī)鋼球充填率為 35%，運(yùn)行功率為930 kW，磨礦產(chǎn)品粒度 -200 目通過 55%。半自磨機(jī)運(yùn)行參數(shù)與表2 中的計(jì)算參數(shù)一致，球磨機(jī)運(yùn)行參數(shù)與表3 中的計(jì)算參數(shù)略有偏差。

5 結(jié)論

（1）通過落重試驗(yàn)、磨蝕試驗(yàn)和邦德球磨功指數(shù)試驗(yàn)，確定了某鉛鋅礦的礦石性質(zhì)參數(shù)，結(jié)合該礦山要求的磨礦工藝參數(shù)，進(jìn)行了磨機(jī)的選型計(jì)算，為磨礦工藝設(shè)計(jì)提供了合理的磨機(jī)選型方案。

（2）磨機(jī)選型計(jì)算時(shí)，預(yù)測常規(guī)運(yùn)行參數(shù)下磨礦系統(tǒng)處理量為4 000～4 400 t/d，最大處理量為4 800 t/d。項(xiàng)目投產(chǎn)運(yùn)行后，實(shí)際處理量為4 000～4 800 t/d，運(yùn)行數(shù)據(jù)與前期選型計(jì)算數(shù)據(jù)基本一致。

（3）根據(jù)磨礦試驗(yàn)及磨機(jī)選型計(jì)算結(jié)果，結(jié)合該鉛鋅礦現(xiàn)場運(yùn)行初期調(diào)研數(shù)據(jù)，提出了磨礦工藝的優(yōu)化提產(chǎn)措施，并將該措施成功應(yīng)用于該礦山的優(yōu)化提產(chǎn)中。

（4）磨礦試驗(yàn)及磨機(jī)選型技術(shù)在該礦山碎磨工藝中得到了成功的應(yīng)用，該技術(shù)研究同時(shí)還需要結(jié)合礦山運(yùn)行數(shù)據(jù)庫進(jìn)行不斷的驗(yàn)算、修正和優(yōu)化，從而更好地服務(wù)于其他新礦山的建設(shè)和現(xiàn)有礦山的工藝優(yōu)化。