蘭 川，劉佳鵬，徐敬元，董宏軍，楊 軍，周統(tǒng)中

北方礦業(yè)有限責(zé)任公司 北京 100053

澳 大利亞昆士蘭大學(xué)所屬研究機(jī)構(gòu) JKMRC 開 發(fā)的碎磨回路數(shù)據(jù)分析及仿真軟件包 JKSim-Met[1]，可以平衡礦石流量、分級數(shù)據(jù)和含水率，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自洽，計算和模擬物料在各磨礦分級流程或整個碎磨系統(tǒng)中的運(yùn)行狀況，通過軟件仿真預(yù)測多因素優(yōu)化措施對碎磨系統(tǒng)的影響，為最終優(yōu)化方案提供科學(xué)依據(jù)[2]。

剛果 (金) 某大型銅鈷礦濕法冶煉項目，設(shè)計處理原礦 260 萬 t/a，2 個磨礦系列，單系列處理量為 130 萬 t/a，碎磨系統(tǒng)設(shè)計為 SAB 流程。項目投產(chǎn)以來，出現(xiàn)系統(tǒng)處理量波動大、半自磨和球磨負(fù)荷分配不均衡、旋流器分級負(fù)荷重、鋼球單耗偏高等問題。為查明系統(tǒng)問題原因，對磨礦回路進(jìn)行了流程考察，通過 JKSimMet 軟件對考察數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量平衡和分析，最終得出了系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化和技術(shù)改造建議。

1 碎磨工藝流程及取樣點(diǎn)布置

碎磨工藝流程為破碎 — 半自磨 — 球磨 — 旋流器分級。破碎合格的礦石給入半自磨機(jī)，半自磨、球磨、水力旋流器構(gòu)成閉路磨礦系統(tǒng)。半自磨排礦經(jīng)圓筒篩分級，篩上物由返料輸送帶返回半自磨，篩下物由旋流器進(jìn)行分級，旋流器底流作為球磨機(jī)給料，溢流作為磨礦分級最終產(chǎn)品送至下游濕法工序。球磨機(jī)出料和半自磨篩下物料共同匯入泵池給入旋流器進(jìn)行分級，形成磨礦和檢查分級閉路流程。

礦石的 SMC 碎磨試驗參數(shù)及磨礦流程主要工藝和設(shè)備參數(shù)如表 1 所列。

表1 SMC 碎磨試驗參數(shù)及磨礦流程主要工藝和設(shè)備參數(shù)Tab.1 SMC comminution parameters as well as main technical and equipment parameters of grinding process

參數(shù)A×b表示礦石的可破碎性：A×b值越小，表示礦石越難破碎；反之，表明礦石越易破碎[3]。SMC 碎磨試驗結(jié)果表明，碎磨處理的礦石為中等硬度礦石。邦德球磨功指數(shù)BWi表示礦石球磨的可磨性，數(shù)值越大表明礦石越難磨碎，從表 1 數(shù)據(jù)來看，屬于難磨硬礦石。

本次流程考察按照 JKSimMet 軟件使用要求，確定取樣頻率、時間和取樣量。在 SAB 碎磨回路共布置 7 個取樣點(diǎn)：A1、A2 為半自磨給料和返回頑石樣，測試礦石流量、含水率和粒度組成；B1～ B5 為各料流礦漿樣，測試含水率和粒度組成。詳細(xì)的 SAB 碎磨工藝流程及取樣點(diǎn)布置如圖 1 所示。

圖1 SAB 碎磨工藝流程及取樣點(diǎn)布置Fig.1 Process flow of SAB comminution circuit and layout of sampling points

2 流程考察

2.1 流程取樣

(1) A1、A2 取樣 分 3 次每次截取 5 m 等長度半自磨給礦輸送帶上礦樣，混合礦樣后測量礦石固體流量、含水率和粒度組成。半自磨機(jī)給礦量 (A1) 采用皮帶秤的讀數(shù)，頑石樣 (A2) 直接從輸送帶卸料口提取，記錄接礦時間，礦樣自然風(fēng)干后稱重，求出干礦流量。

(2) B1～ B5 取樣 根據(jù)取樣點(diǎn)的不同，用礦漿取樣勺取樣 5 次，每次間隔 20 min，整個取樣過程 2 h，測量礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)和粒度組成。

2.2 磨機(jī)參數(shù)考察

2.2.1 磨機(jī)充填率

為確認(rèn)實際裝球量是否與生產(chǎn)控制目標(biāo)一致，同時為滿足 JKSimMet 軟件對磨機(jī)功率的要求，對半自磨鋼球充填率、鋼球+物料總充填率、球磨機(jī)鋼球充填率進(jìn)行了測量。磨機(jī)充填率測量示意如圖 2 所示。

圖2 磨機(jī)充填率測量示意Fig.2 Sketch of measurement of mill filling ratio

磨機(jī)充填率[4]

其中

式中：α為磨機(jī)內(nèi)物料平面所對圓心角的一半。

α的獲得有 2 種方法：一種是用磨機(jī)半徑R和料面長度S求得；另一種是用磨機(jī)半徑R和料面高度H求得。由于半自磨機(jī)內(nèi)的鋼球和礦石較大，料面凹凸不平，料面高度H不易準(zhǔn)確測量，所以在此采用磨機(jī)半徑和料面長度來計算料面的圓心角。

本次流程考察測量半自磨機(jī)鋼球充填率為 7.90%，鋼球量為 40.4 t，與生產(chǎn)控制目標(biāo) 8% 的鋼球充填率比較接近；鋼球+物料總充填率為 21.00%；球磨機(jī)鋼球充填率為 26.92%。將鋼球充填率、總充填率、襯板間筒體直徑、料面長度、磨機(jī)轉(zhuǎn)速和礦石密度等參數(shù)輸入到 JKSimMet 軟件或代入到相關(guān)公式里，得到半自磨機(jī)的總功率為 1 519.92 kW，球磨機(jī)的總功率為 1 624.91 kW。

2.2.2 半自磨機(jī)格子板孔徑及開孔率

格子板孔徑為 30 mm，格子板開孔面積影響半自磨機(jī)的排礦速度，格子板開孔總面積占磨機(jī)軸向截面的 9.38%，格子板的開口率在 4%～ 12% 之間。

2.2.3 磨機(jī)運(yùn)行功率

取樣時每 20 min 同步記錄半自磨機(jī)、球磨機(jī)功率值，取平均值作為磨機(jī)運(yùn)行功率。本次考察半自磨機(jī)的平均運(yùn)行功率為 1 103.00 kW，電動機(jī)負(fù)荷率為 52.52%；球磨機(jī)的平均運(yùn)行功率為 1 133.00 kW，電動機(jī)負(fù)荷率為 41.96%?？疾斓哪C(jī)運(yùn)行功率與軟件計算的功率相比要小很多，可能是由于磨機(jī)功率表未經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)校驗。

2.2.4 磨機(jī)鋼球消耗

根據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，半自磨機(jī)鋼球單耗為 470.47 g/t，球磨機(jī)鋼球單耗為 460.89 g/t，磨礦綜合鋼球單耗為 931.36 g/t，高于設(shè)計指標(biāo)的 600 g/t。半自磨機(jī)頑石返砂可見一定數(shù)量的直徑小于 30 mm 的小鋼球和碎鋼球。

3 物料平衡計算

JKSimMet 仿真軟件繪制的 SAB 流程考察結(jié)果如圖 3 所示。圖 3 給出了每一個料流的流程考察數(shù)據(jù) (Exp，信息框的左列) 和 JKSimMet 軟件的質(zhì)量平衡數(shù)據(jù) (Bal，信息框的右列)。對比各料流的固體流量 (TPH)、固體質(zhì)量分?jǐn)?shù) (% Solids) 和P80的流程考察數(shù)據(jù)與質(zhì)量平衡數(shù)據(jù)，兩者之間的差別很小或完全相同，說明本次流程考察的結(jié)果較理想，可以作為分析 SAB 回路各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的依據(jù)。

流程考察數(shù)據(jù)處理的難點(diǎn)在于冗余數(shù)據(jù)導(dǎo)致的數(shù)質(zhì)量流程圖前后矛盾，難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)自洽。JKSimMet 軟件的優(yōu)勢在于可通過在誤差范圍內(nèi)調(diào)整考察數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自洽，尤其適用于數(shù)據(jù)冗余量大的粒度篩分后有多元素分析的數(shù)據(jù)處理，以及浮選流程中每一個作業(yè)的產(chǎn)品都有多元素化驗結(jié)果的全流程詳細(xì)平衡。如圖 3 中旋流器的給礦數(shù)據(jù)等于旋流器溢流和沉砂之和，同時泵池的產(chǎn)品是半自磨產(chǎn)品 (圓筒篩的篩下物) 和球磨機(jī)排礦產(chǎn)品之和。用電子表格進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時兩者之間經(jīng)常不一致，而 JKSimMet 能夠輕松使二者之間的數(shù)據(jù)自洽。本次流程考察還對旋流器給礦進(jìn)行了采樣，實現(xiàn)了旋流器給礦樣、球磨機(jī)排礦+半自磨排礦、旋流器溢流+沉砂三者之間的數(shù)據(jù)自洽。

在礦量平衡的基礎(chǔ)上，通過對質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行平衡還可以得到水平衡。如圖 3 顯示，半自磨機(jī)給礦補(bǔ)加水量為 91.33 t/h，使半自磨機(jī)磨礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到 67.02%。泵池補(bǔ)加水 (包括圓筒篩沖洗水) 為 307.53 t/h，使旋流器的給礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在 59.40%。JKSimMet 軟件的另一個優(yōu)點(diǎn)是，平衡數(shù)據(jù)可以通過信息框的設(shè)置，自動顯示在各料流附近，無需另外繪制數(shù)質(zhì)量流程圖。

圖3 JKSimMet 仿真軟件繪制的 SAB 流程考察結(jié)果Fig.3 Survey results of SAB circuit plotted by JKSimMet simulation software

4 考察結(jié)果討論

利用 JKSimMet 仿真軟件對碎磨流程考察數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理和平衡，平衡結(jié)果與設(shè)計參數(shù)的對比如表 2 所列。

表2 磨礦分級流程考察結(jié)果與設(shè)計指標(biāo)對比Tab.2 Comparison of survey results and design indexes of grinding and classification process

(1) 半自磨給礦F80=98.88 mm，遠(yuǎn)低于設(shè)計值 150.00 mm，應(yīng)嚴(yán)格控制顎式破碎機(jī)緊邊排礦口尺寸，進(jìn)行多碎少磨，磨礦處理量可由 180.56 t/h 提高到 200 t/h，提高 10.77%。考察同時發(fā)現(xiàn)半自磨給料礦石粒度不均勻，易粉礦及難磨塊礦比例不均勻，造成系統(tǒng)處理量波動大。

(2) 頑石返砂量為 8.34 t/h，低于設(shè)計的 36.11 t/h。因為流程考察期間處理的礦石以硬礦石為主，返砂中可見直徑小于 30 mm 的小鋼球、碎鋼球，占用半自磨筒體空間，不利于粗磨作業(yè)。根據(jù)后段浸出工藝指標(biāo)，磨礦系統(tǒng)產(chǎn)品粒度P80=130 μm，雖低于設(shè)計要求，但有價銅鈷金屬浸出率并未有明顯降低，磨礦產(chǎn)品可維持目前細(xì)度控制指標(biāo)。

(3) 半自磨圓筒篩篩下物料T80=0.59 mm，遠(yuǎn)小于篩孔尺寸 12 mm。巡檢發(fā)現(xiàn)頑石、碎鋼球堵塞圓筒篩，嚴(yán)重降低了圓筒篩的分級效率。清理圓筒篩后T80=2.45 mm，半自磨產(chǎn)品粒度的波動為球磨機(jī)的控制造成了困難。

(4) 半自磨機(jī)給礦、排礦 (圓筒篩篩下) 和返砂各料流的粒度分布如圖 4 所示。F80=98.88 mm，排礦T80=0.59 mm，半自磨破碎比為 167.59。半自磨機(jī)進(jìn)出物料中 -106 μm 含量由 4.41% 增加至 41.31%，凈產(chǎn)率為 36.90%，但其電動機(jī)負(fù)荷率僅為 52.52%，處理能力還有進(jìn)一步提升的空間。

圖4 半自磨機(jī)各料流粒度分布Fig.4 Distribution of particle size of SAG mill

(5) 球磨機(jī)和旋流器各料流的粒度分布如圖 5 所示。旋流器溢流 -150 目 (0.106 mm) 占 71.49%，扣除半自磨機(jī)產(chǎn)品中 41.31% 的 -150 目物料，球磨機(jī)的 -150 目凈產(chǎn)率為 30.18%，少于半自磨新生成的 -150 目 36.90%。從另一方面也說明，球磨機(jī)的細(xì)磨功能沒有充分發(fā)揮。實際上，球磨機(jī)的電動機(jī)負(fù)荷長期低于 50%，處于不飽和狀態(tài)，未充分發(fā)揮設(shè)備能力，還造成磨礦工序整體的能耗和鋼耗偏高。

圖5 球磨機(jī)和旋流器各料流粒度分布Fig.5 Distribution of particle size of ball mill and cyclone

(6) 旋流器組設(shè)計為 5 用 3 備，流程考察期間為 7 用 1 備，負(fù)荷偏重，JKSimMet 仿真軟件平衡計算的球磨機(jī)循環(huán)負(fù)荷率為 400%，遠(yuǎn)大于設(shè)計值 250%?？疾煊嬎愕那蚰C(jī)鋼球充填率為 26.92%，而溢流型球磨機(jī)的鋼球充填率最大可達(dá) 45%～50%，應(yīng)提高球磨機(jī)鋼球充填率，以提升磨礦效果，降低旋流器分級負(fù)荷及磨礦循環(huán)負(fù)荷。

5 優(yōu)化建議

(1) 流程考察結(jié)果表明，半自磨給料粒度、礦石硬度波動大是造成系統(tǒng)處理量波動的重要原因，需加強(qiáng)半自磨給礦物料的硬度均勻性和粒度均勻性，以降低碎磨系統(tǒng)的產(chǎn)量波動。同時要調(diào)整破碎機(jī)排礦口尺寸，降低破碎機(jī)排料粒度，進(jìn)一步提升碎磨系統(tǒng)的處理能力。

(2) 為合理分配半自磨、球磨負(fù)荷，改善圓筒篩堵塞狀況，可增加圓筒篩沖洗壓力，更換高彈橡膠篩，增大圓筒篩的篩孔孔徑，放粗圓筒篩篩下粒度。

(3) 為提升球磨機(jī)磨礦效率，降低旋流器分級負(fù)荷，可進(jìn)一步提高球磨機(jī)鋼球充填率，優(yōu)化球徑配比，由單一補(bǔ)加 60 mm 鋼球改為組合補(bǔ)加 60、40 mm 鋼球。如文獻(xiàn) [5] 報道，增加鋼球尺寸和充填率，雖然鋼球和襯板的絕對消耗增加，但是由于處理量翻一番，襯板和鋼球單耗反而下降。

(4) 針對磨礦鋼球單耗高、半自磨頑石返砂小鋼球未得到充分利用問題，建議增大部分半自磨格子板孔徑，配合增設(shè)的除鐵器回收小鋼球，用于球磨機(jī)磨礦，以提升鋼球利用率，降低鋼球單耗。

6 結(jié)語

剛果 (金) 一銅鈷礦自 2020 年下半年投產(chǎn)以來，其 SAB 磨礦回路一直存在處理量波動大、過程控制困難、鋼球消耗高、半自磨和球磨能力發(fā)揮不充分等問題?，F(xiàn)場進(jìn)行了詳細(xì)的流程考察，對 SAB 回路各料流的礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)和粒度組成進(jìn)行了詳細(xì)分析，對半自磨給礦和返砂量進(jìn)行計量，借助 JKSimMet 軟件質(zhì)量平衡功能，實現(xiàn)全回路數(shù)據(jù)自洽，在分析半自磨機(jī)、球磨機(jī)的功率消耗、循環(huán)負(fù)荷比和破碎比的基礎(chǔ)上，對 SAB 磨礦回路提出了進(jìn)一步的優(yōu)化建議。