聶鑫 王坤勝 周洪林 周洲

（1.萊蕪鋼鐵集團(tuán)魯南礦業(yè)有限公司；2.景德鎮(zhèn)百特威爾新材料有限公司；3.贛州金環(huán)磁選科技裝備股份有限公司）

在我國(guó)已探明的金屬礦產(chǎn)資源中，鐵礦占所有金屬礦產(chǎn)資源總量的92.16%。多年來(lái)，鐵礦的平均年處理量占所有金屬礦產(chǎn)的90%以上［1］。我國(guó)的鐵礦存在“貧、細(xì)、雜”的特點(diǎn)，導(dǎo)致在被開(kāi)發(fā)利用的過(guò)程中既難磨又難選，能耗和磨耗均較高，尤其是鐵礦石磨礦作業(yè)的能耗占選礦廠總能耗的30%～70%，特別是細(xì)磨作業(yè)，其能量利用率只有粗磨作業(yè)的10%～30%［2］，能耗大、效率低。因此，提高鐵礦石細(xì)磨效率，關(guān)乎選礦廠的經(jīng)濟(jì)效益。

據(jù)相關(guān)資料記載，在磨礦能耗方面，以美國(guó)為首的發(fā)達(dá)國(guó)家處理每噸礦石耗電16～40 kW·h，我國(guó)為25～50 kW·h；在磨礦介質(zhì)與襯板消耗方面，以美國(guó)為首的發(fā)達(dá)國(guó)家處理每噸礦石耗材0.9 kg，我國(guó)為1.75～2.25 kg。由此可見(jiàn)，我國(guó)在磨礦作業(yè)的節(jié)能降耗方面尚有很大的提升空間。新型陶瓷研磨介質(zhì)在金屬礦細(xì)磨領(lǐng)域的成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了鐵礦石細(xì)磨作業(yè)節(jié)電30%以上，磨礦介質(zhì)成本降低10%以上，同時(shí)減少了鐵礦石的過(guò)磨泥化現(xiàn)象，為選別和脫水創(chuàng)造了更好的作業(yè)條件。

1 研磨介質(zhì)在細(xì)磨設(shè)備中的粉碎特征

1.1 細(xì)磨作業(yè)

通常情況下將給料粒度0.3 mm 以下，產(chǎn)品粒度0.074 mm 以下的磨礦統(tǒng)稱為細(xì)磨作業(yè)［3］。細(xì)磨作業(yè)一般是由磨礦和分級(jí)設(shè)備組成的閉路作業(yè)，常規(guī)的細(xì)磨設(shè)備有球磨機(jī)和塔磨機(jī)，分級(jí)設(shè)備有旋流器和高頻細(xì)篩。

在磨機(jī)工作過(guò)程中，介質(zhì)對(duì)礦物的粉碎作用主要有擠壓、剪切、擦洗和沖擊4 種方式。大量研究表明，當(dāng)入磨物料較細(xì)時(shí)，采用較小尺寸的介質(zhì)，磨礦效果較好。在生產(chǎn)實(shí)際中，選礦廠二、三段細(xì)磨的給礦粒度多在0.3～0.5 mm，很少存在大于1 mm 的情況，在這樣細(xì)的給礦粒度下，采用?30 mm 的球介質(zhì)磨礦就能滿足要求，即使給礦粒度達(dá)到2 mm，采用?40 mm 的球介質(zhì)也完全能夠滿足要求。

1.2 研磨介質(zhì)在細(xì)磨設(shè)備中的粉碎特征

研磨介質(zhì)作為磨機(jī)與礦物之間能量傳遞的媒介，其物理特性包括材質(zhì)、形狀、尺寸，作業(yè)參數(shù)包括配比、充填率、補(bǔ)加制度、磨礦濃度、礦石硬度和閉路磨礦的分級(jí)效率等。

球磨機(jī)中研磨介質(zhì)的工作區(qū)域大體分為研磨區(qū)和打擊區(qū)（圖1），研磨區(qū)內(nèi)介質(zhì)的工作狀態(tài)決定了產(chǎn)品粒度。由于鋼球的質(zhì)量大，打擊作用強(qiáng)，容易造成能耗較高、易選粒級(jí)較窄、襯板與主機(jī)損耗較大等現(xiàn)象［4-5］。因此，增大研磨區(qū)域，調(diào)節(jié)細(xì)磨介質(zhì)的尺寸與質(zhì)量，以提高研磨作用的接觸面積和碰撞概率，同時(shí)降低過(guò)強(qiáng)的沖擊作用，是優(yōu)化研磨作用的重要途徑。

塔磨機(jī)中螺旋攪拌器高強(qiáng)度攪拌，帶動(dòng)研磨介質(zhì)形成很多擠壓介質(zhì)層。研磨介質(zhì)在筒體內(nèi)做整體的多維循環(huán)運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，物料在介質(zhì)自身的重力和旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓力的雙重作用下被高效粉碎（圖2）［6］。在擠壓介質(zhì)層中，由于介質(zhì)與礦物的接觸十分緊密，形成了較大的研磨區(qū)域和研磨壓力［7］，為小尺寸、低密度、高硬度的介質(zhì)提供了有利的應(yīng)用場(chǎng)景。

2 傳統(tǒng)研磨介質(zhì)在鐵礦石細(xì)磨作業(yè)的典型應(yīng)用

在鐵礦石細(xì)磨作業(yè)中，傳統(tǒng)的研磨介質(zhì)為鋼球（段）。某大、中、小型鐵礦細(xì)磨作業(yè)流程及主要工藝參數(shù)見(jiàn)表1，它們應(yīng)用傳統(tǒng)研磨介質(zhì)鋼球（段）的磨機(jī)類型、規(guī)格、充填率等參數(shù)見(jiàn)表2。

由表1、表2可知，球磨機(jī)的研磨介質(zhì)尺寸大于塔磨機(jī)的研磨介質(zhì)尺寸，小型球磨機(jī)的研磨介質(zhì)充填率高于大型球磨機(jī)，磨礦濃度通常為65%～80%；另外，針對(duì)某大型鐵礦和某中型鐵礦的第三段球磨機(jī)細(xì)磨作業(yè)，鋼球（段）直徑最好不要超過(guò)30 mm，這將減少研磨介質(zhì)對(duì)細(xì)粒礦物的粉碎機(jī)率。

3 新型陶瓷研磨介質(zhì)的研磨特性

隨著材料科學(xué)與陶瓷技術(shù)的飛速發(fā)展，新型工程陶瓷因具有優(yōu)異的耐熱、耐磨、耐酸堿等特性，部分取代了傳統(tǒng)的金屬材料，被運(yùn)用到各種復(fù)雜及嚴(yán)苛的環(huán)境中。在鐵礦細(xì)磨作業(yè)中，相比于鋼球，新型陶瓷研磨介質(zhì)展現(xiàn)出了良好的節(jié)能降耗優(yōu)勢(shì)，對(duì)提高鐵礦石資源的利用率也產(chǎn)生了積極作用。

3.1 新型陶瓷研磨介質(zhì)的物理特性

新型陶瓷研磨介質(zhì)是以α-Al2O3為基料，添加了一些金屬元素和其他輔料的功能陶瓷。不同于傳統(tǒng)氧化鋁陶瓷，新型陶瓷研磨介質(zhì)從原料制備、成型、燒結(jié)等各工藝環(huán)節(jié)都進(jìn)行了創(chuàng)新。大體來(lái)說(shuō)，粒徑均小于500 nm 的原料在高速離心狀態(tài)下以“滾雪球”的方式成型，接著進(jìn)入自動(dòng)化、智能化的爐窯中燒結(jié)，冷卻后最終形成耐磨、耐沖擊、高度致密、內(nèi)外一致的球體［8］。

相比于鋼球，新型陶瓷研磨介質(zhì)的密度低、沖擊作用弱，應(yīng)用中需降低球徑，提高充填率，以達(dá)到擴(kuò)大研磨區(qū)域、增加研磨面積和碰撞頻率的目的。同時(shí)，其硬度與磨耗更優(yōu)異，這是降低球耗，增加易選粒級(jí)的重要因素。相比于傳統(tǒng)氧化鋁陶瓷，新型陶瓷研磨介質(zhì)避免了由于原料粒度大、活性低造成的微觀結(jié)構(gòu)粗糙、晶粒大、局部應(yīng)力集中、易掉瓷等現(xiàn)象。新型陶瓷研磨介質(zhì)與鋼球、傳統(tǒng)氧化鋁球的性能對(duì)比見(jiàn)表3。

注：磨耗為水泥建材行業(yè)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 新型陶瓷研磨介質(zhì)節(jié)能試驗(yàn)

3.2.1 新型陶瓷研磨介質(zhì)及鋼球不等沖填率試驗(yàn)

試樣為某金礦工業(yè)生產(chǎn)中的尼爾森搖床尾礦，研磨設(shè)備為ZQM-?250×100 球磨機(jī)，配12～38 mm的鋼球和新型陶瓷研磨介質(zhì)。試驗(yàn)?zāi)康氖窃谀サV濃度65%、磨礦時(shí)間10 min、鋼球充填率35%、新型陶瓷研磨介質(zhì)充填率45%的條件下，對(duì)比鋼球與新型陶瓷研磨介質(zhì)的研磨效果（表4）。鋼球球徑為12～38 mm，新型陶瓷研磨介質(zhì)球徑為13～25 mm。

由表4 可知，試樣中-0.074 mm 含量占3.64%，鋼球磨礦產(chǎn)品中-0.074 mm 粒級(jí)含量占42.97%，新型陶瓷研磨介質(zhì)磨礦產(chǎn)品中-0.074 mm 粒級(jí)含量占29.57%。在新增-0.074 mm 含量方面，鋼球優(yōu)于新型陶瓷研磨介質(zhì)，各粒級(jí)磨礦產(chǎn)品鋼球的研磨效果也優(yōu)于新型陶瓷研磨介質(zhì)；由此可見(jiàn)，在充填率高10%的情況下，新型陶瓷研磨介質(zhì)的研磨效果不如鋼球。因此，在等充填率的情況下，新型陶瓷研磨介質(zhì)的研磨效果更不可能比鋼球優(yōu)異；究其原因，等充填率的情況下，鋼球較新型陶瓷研磨介質(zhì)密度大一倍、充填質(zhì)量多近一倍，因此鋼球的沖擊力更強(qiáng)，粉碎動(dòng)能更大，需要的能耗也更多。

3.2.2 新型陶瓷研磨介質(zhì)及鋼球不等充填質(zhì)量試驗(yàn)

試樣為某鉛鋅礦浮選粗鉛鋅礦，原礦-0.041 mm粒級(jí)占82.2%，其粒度組成見(jiàn)表5。研磨設(shè)備為T(mén)GTM-5.5 塔磨機(jī)（50 L）。試驗(yàn)?zāi)康氖窃诘V漿濃度76%、磨礦時(shí)間分別為3，5，8 min的條件下，對(duì)比不同質(zhì)量鋼球與新型陶瓷研磨介質(zhì)的研磨效果，以期在低能耗的情況下，滿足-0.041 mm 占比大于90%的磨礦產(chǎn)品粒度。鋼球和陶瓷球的大、中、小球徑配比為5∶4∶1。鋼球的充填質(zhì)量為37 kg，新型陶瓷研磨介質(zhì)的充填質(zhì)量分別為26，30 kg。TGTM-5.5塔磨機(jī)單機(jī)開(kāi)路磨礦工藝參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

注：鋼球和陶瓷球球徑比分別為?18 mm:?15 mm:?13mm和?20 mm:?15 mm:?13 mm。

由表6可知，研磨時(shí)間為8 min時(shí)，鋼球和新型陶瓷研磨介質(zhì)的研磨產(chǎn)品都能達(dá)到-0.04 mm 占90%以上。其中，26 kg 的新型陶瓷研磨介質(zhì)的研磨效果略優(yōu)于37 kg 的鋼球，但質(zhì)量?jī)H為70%，因此能耗更低。30 kg 的新型陶瓷研磨介質(zhì)在研磨5 min時(shí)，就可以達(dá)到要求，但質(zhì)量約為鋼球的80%。新型陶瓷研磨介質(zhì)的充填質(zhì)量越高，在研磨時(shí)間相同的情況下，新增-0.04 mm 越多?？傮w而言，新型陶瓷研磨介質(zhì)相比鋼球，在充填質(zhì)量少20%～30%的情況下，可以達(dá)到相同的磨礦效果；因此，針對(duì)同樣的細(xì)磨產(chǎn)品要求，新型陶瓷研磨介質(zhì)需要的能耗更低。

綜上所述，在等充填率的情況下，由于新型陶瓷研磨介質(zhì)的密度僅為鋼球的一半，總質(zhì)量更低，研磨壓力更小，雖然能耗更低，但無(wú)法達(dá)到同樣的研磨效果。在新型陶瓷研磨介質(zhì)的充填質(zhì)量為鋼球的70%時(shí)，由于其充填率更高、充填球數(shù)更多，其研磨區(qū)域更大、碰撞概率和接觸面積更大，研磨效果略優(yōu)于鋼球，能耗更低。因此，在細(xì)磨作業(yè)中，應(yīng)考慮以鋼球質(zhì)量的70%作為新型陶瓷研磨介質(zhì)充填質(zhì)量的基礎(chǔ)，提高其充填率，以達(dá)到替換鋼球，降低能耗，優(yōu)化磨礦效果的目的。

4 新型陶瓷研磨介質(zhì)在鐵礦細(xì)磨中的典型工業(yè)應(yīng)用案例

新型陶瓷研磨介質(zhì)在某中型鐵礦和某小型鐵礦細(xì)磨流程中的工業(yè)應(yīng)用，取得了良好的節(jié)能降耗效果，主要體現(xiàn)在降低電耗、球耗、襯板損耗、主機(jī)損耗、工作噪音等方面［9］。

4.1 某中型鐵礦應(yīng)用案例

在某磁鐵礦選礦廠中，新型陶瓷研磨介質(zhì)用于第三段開(kāi)路磨礦作業(yè)，球磨機(jī)型號(hào)為MQY-?2145，配置橡膠襯板。為了在第三段細(xì)磨作業(yè)中使用新型陶瓷研磨介質(zhì)，磨礦濃度為65%～70%，并在磨機(jī)排礦口增加格柵進(jìn)行改造（圖3），提高陶瓷球的充填率。

在球磨機(jī)內(nèi)初裝11 t 新型陶瓷研磨介質(zhì)，?30 mm∶?20 mm∶?10 mm 球徑配比為2∶5∶4。球磨機(jī)內(nèi)新型陶瓷研磨介質(zhì)情況見(jiàn)圖4，鋼球與新型陶瓷研磨介質(zhì)使用情況對(duì)比見(jiàn)表7。

由表7 可知，在用新型陶瓷研磨介質(zhì)替換鋼球后，球磨機(jī)的干礦處理能力未變，排礦細(xì)度更優(yōu)，磨礦效果更好，球耗與電耗顯著下降。此外，該磨機(jī)使用的是橡膠襯板，其提升條抬高了介質(zhì)沖擊作用的起始高度，增大了研磨區(qū)體積，且橡膠襯板具有一定的彈性，緩沖了介質(zhì)沖擊作用的強(qiáng)度，加強(qiáng)了回彈效果，從而提高了介質(zhì)間的碰撞頻率，使得研磨作用加強(qiáng)。研磨區(qū)域的擴(kuò)大，研磨作用的加強(qiáng)，有助于生成更多的新生細(xì)粒級(jí)產(chǎn)品，加之新型陶瓷研磨介質(zhì)本身的高硬度等特性，在與鋼球充填率相近的情況下，可得到略高的磨礦效率。

該礦山應(yīng)用新型陶瓷研磨介質(zhì)后，全年節(jié)約電費(fèi)24 萬(wàn)元，節(jié)約研磨介質(zhì)成本28 萬(wàn)元，年節(jié)能降耗直接經(jīng)濟(jì)效益52 萬(wàn)元。

4.2 某小型鐵礦應(yīng)用案例

某小型鐵礦選礦廠采用兩段磨礦，第一段為球磨機(jī)與螺旋分級(jí)機(jī)閉路，第二段為塔磨機(jī)與水力旋流器閉路。第二段磨礦屬于細(xì)磨作業(yè)，塔磨機(jī)型號(hào)為T(mén)GTM-250，初裝球?yàn)?25 mm和?20 mm 的鋼球，補(bǔ)加球?yàn)?20 mm 的鋼球。第一段磨礦中的螺旋分級(jí)機(jī)溢流與第二段磨礦中的塔磨機(jī)排礦兩者合二為一，再經(jīng)水力旋流器分級(jí)，其沉砂返回塔磨機(jī)，溢流進(jìn)入下游的浮銅和磁選鐵工藝。

2022年2月10日，該礦將TGTM-250塔磨機(jī)中的鋼球全部替換為新型陶瓷研磨介質(zhì)，其初裝球最大尺寸?25 mm，運(yùn)行至今，鋼球與新型陶瓷研磨介質(zhì)使用情況對(duì)比見(jiàn)表8。

由表8可知，在細(xì)磨作業(yè)使用新型陶瓷研磨介質(zhì)替換鋼球后，塔磨機(jī)干礦處理量下降3～5 t/h，旋流器溢流-0.074 mm 含量提高了10 個(gè)百分點(diǎn)，兩者中和，下游作業(yè)需要的合格粒級(jí)量基本一致。由此說(shuō)明，新型陶瓷研磨介質(zhì)的研磨效果更優(yōu)，新生合格粒級(jí)分布更寬。磨機(jī)補(bǔ)加球量由100 kg/d 降至37.5 kg/d，電流降幅達(dá)33%，球耗與能耗下降明顯。新型陶瓷研磨介質(zhì)的使用在節(jié)能降耗方面優(yōu)勢(shì)顯著，磨礦產(chǎn)品的可選粒級(jí)分布顯著增寬。

該礦山應(yīng)用新型陶瓷研磨介質(zhì)后，全年節(jié)約電費(fèi)約55 萬(wàn)元，節(jié)約研磨介質(zhì)成本3 萬(wàn)元，年節(jié)能降耗直接經(jīng)濟(jì)效58 萬(wàn)元。

5 結(jié)論

（1）試驗(yàn)表明，與鋼球相比，在等充填率的情況下，新型陶瓷研磨介質(zhì)無(wú)法達(dá)到同樣的研磨效果；但當(dāng)新型陶瓷研磨介質(zhì)的充填質(zhì)量為鋼球的70%時(shí)，研磨效果略優(yōu)于鋼球且能耗更低。因此，在細(xì)磨作業(yè)中，應(yīng)考慮提高新型陶瓷研磨介質(zhì)的充填率，以達(dá)到替換鋼球，降低能耗，優(yōu)化磨礦效果的目的。

（2）某中型鐵礦選廠球磨機(jī)在使用新型陶瓷研磨介質(zhì)后，年節(jié)能降耗直接經(jīng)濟(jì)效益約52 萬(wàn)元。某小型鐵礦選廠塔磨機(jī)在使用新型陶瓷研磨介質(zhì)后，年節(jié)能降耗直接經(jīng)濟(jì)效益約58 萬(wàn)元。由此說(shuō)明，新型陶瓷研磨介質(zhì)在細(xì)磨作業(yè)中具備良好的節(jié)能降耗作用。

（3）通過(guò)試驗(yàn)及分析工業(yè)應(yīng)用中的細(xì)磨產(chǎn)品粒度組成發(fā)現(xiàn)，新型陶瓷研磨介質(zhì)可改善磨礦產(chǎn)品粒度，新生合格粒級(jí)分布更寬。