張志勇，薛宏超，張 萌，楊紀(jì)昌，王星星，郭彥成，呂冠男

1中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽 471039

2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

3智能礦山重型裝備全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽 471039

隨著我國銅冶煉工業(yè)的快速發(fā)展，銅冶煉爐渣處理量逐年增加，每產(chǎn)出 1 t 金屬銅會(huì)制造大約 2.2 t 銅渣礦。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，銅渣礦總量已達(dá)到 8 000 萬 t/a，其含銅品位在 0.8%～3.0% 之間，部分銅渣礦中的金屬銅含量高于原生銅礦中的金屬銅含量。按平均銅渣礦品位 1.5%、回收率 80% 計(jì)算，可年產(chǎn)金屬銅 96 萬 t/a，占我國礦產(chǎn)銅總產(chǎn)量的 10%。因此，銅渣礦選礦技術(shù)在選礦領(lǐng)域占有非常重要的地位[1]。

銅渣礦選礦廠的整個(gè)磨選工藝過程中，碎磨系統(tǒng)能耗占選廠總能耗的 60%～70%[2]，碎磨系統(tǒng)鋼耗 (磨礦介質(zhì)消耗) 占選廠總消耗的 30%～40%，采用高效、節(jié)能、低耗的碎磨工藝，是降低整個(gè)選礦廠運(yùn)行成本的關(guān)鍵。

1 銅渣礦及其磨礦特點(diǎn)

1.1 銅渣礦礦石性質(zhì)

銅渣礦是一種復(fù)雜的氧化物與硅酸鹽的共融體，其主要成分是鐵橄欖石，其次是磁鐵礦、玻璃質(zhì)、石英等。銅渣礦中銅礦物主要以自然銅、斑銅礦為主，其次是輝銅礦、黃銅礦和藍(lán)輝銅礦等，礦物嵌布特征復(fù)雜多樣[3]。

1.2 銅渣礦碎磨特性

1.2.1 DW 落重試驗(yàn)參數(shù)

DW 落重試驗(yàn)廣泛應(yīng)用于自磨/半自磨機(jī)的選型計(jì)算，是表征礦石在自磨/半自磨機(jī)磨礦中抗沖擊破碎能力的一個(gè)重要指標(biāo)[4]。

通過 DW 落重試驗(yàn)，獲得 5 種不同粒級(jí)，分別對(duì)應(yīng) 3 個(gè)不同能量級(jí)別下的產(chǎn)品粒度。對(duì) 15 組破碎物料按照設(shè)定的粒級(jí)進(jìn)行篩分分級(jí)，獲得各種選定粒級(jí)在不同破碎能量下的粒度分布曲線；對(duì)t10(破碎粒度 10% 的篩下累積) 按照破碎量與破碎能量的關(guān)系方程t10=A[1 -exp (-bECS)]擬合，繪制出ECS-t10關(guān)系曲線 (見圖1)，并得出半自磨機(jī)高能沖擊破碎選型參數(shù)A、b；通過磨蝕試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨蝕試驗(yàn)，獲得低能磨蝕破碎參數(shù)ta。DW 落重試驗(yàn)參數(shù)如表1 所列。

表1 礦石落重試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Parameters of drop weight test for ore

圖1 ECS- t10 關(guān)系曲線Fig.1 ECS- t10 relationship curve

由表1 可知，該銅渣礦的高能級(jí)沖擊破碎參數(shù)A×b=68.38，礦石可破碎性屬于“軟”；低能級(jí)研磨破碎參數(shù)ta=0.43，礦石抗磨蝕能力屬于“硬”。

1.2.2 邦德球磨功指數(shù)

邦德球磨功指數(shù)廣泛應(yīng)用于球磨機(jī)的選型計(jì)算，是表征礦石在球磨機(jī)磨礦中抗研磨破碎能力的一個(gè)重要指標(biāo)。

通過邦德球磨功指數(shù)試驗(yàn)，得到 0.053 mm (270 目) 控制篩對(duì)應(yīng)的球磨功指數(shù)BWi，如表2 所列。

表2 邦德球磨功指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of BOND ball milling work index

由表2 可知，該試驗(yàn)篩孔對(duì)應(yīng)球磨功指數(shù)BWi=21.42 kW·h/t，礦石抗研磨能力屬于“很硬”。

1.2.3 邦德金屬磨損指數(shù)

邦德金屬磨損指數(shù)廣泛應(yīng)用于評(píng)估破碎機(jī)/磨機(jī)的鋼材 (襯板與磨礦介質(zhì)) 消耗，是表征礦石在碎磨中消耗鋼材的一個(gè)重要指標(biāo)。通過邦德金屬磨損指數(shù)試驗(yàn)得到的各項(xiàng)數(shù)據(jù) (見表3)，可以計(jì)算出邦德金屬磨損指數(shù)Ai=0.299 4 g，屬于“中等磨損”。

表3 邦德金屬磨損指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of BOND metal wear index

由礦石碎磨試驗(yàn)結(jié)果可得，某銅渣礦表現(xiàn)出明顯的“易碎難磨”特點(diǎn)，需要較高的碎磨能量來實(shí)現(xiàn)礦石的有效解離。

1.3 銅渣礦磨礦工藝特點(diǎn)

生產(chǎn)實(shí)踐表明，常規(guī)半自磨工藝流程簡單，自動(dòng)化水平高，已經(jīng)成功取代“老三段”碎磨工藝，成為當(dāng)前大型銅渣選礦項(xiàng)目的首選工藝。目前，銅渣礦應(yīng)用的常規(guī)半自磨工藝主要有 3 種：

(1) 以銅陵金冠銅業(yè)渣選磨礦流程為代表的半自磨+一段球磨閉路 (SAB) 工藝；

(2) 以中原冶煉廠渣選磨礦流程為代表的半自磨+兩段球磨閉路 (SAB+B) 工藝；

(3) 以南國銅業(yè)渣選磨礦流程為代表的半自磨+球磨閉路+塔磨閉路 (SAB+T) 工藝。

上述常規(guī)半自磨工藝中，半自磨產(chǎn)品直接進(jìn)入球磨系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)磨作業(yè)，能耗、鋼耗過高。結(jié)合銅渣礦易碎難磨的礦石性質(zhì)以及產(chǎn)品解離粒度較細(xì)的特點(diǎn)，提出直接采用半自磨+塔磨 (SAT) 新型節(jié)能碎磨工藝。半自磨產(chǎn)品直接進(jìn)入塔磨機(jī)進(jìn)行細(xì)磨作業(yè)，取消常規(guī)半自磨工藝中高耗能的球磨作業(yè)，對(duì)選廠節(jié)能降耗具有重要意義。

2 半自磨+塔磨工藝分析

2.1 半自磨+塔磨工藝的制約因素

常規(guī) SAB 流程中，通常采用短筒型半自磨機(jī) (長徑比L∶D=0.5) 進(jìn)行磨礦，采用 8～12 mm 篩孔進(jìn)行閉路隔粗，物料在磨機(jī)內(nèi)停留時(shí)間較短，半自磨系統(tǒng)產(chǎn)品粒度較粗。常規(guī) SAB 流程半自磨產(chǎn)品粒度分布如表4 所列。

表4 常規(guī) SAB 流程半自磨產(chǎn)品粒度分布Tab.4 Particle size distribution of products after semi-autogenous mill grinding in conventional SAB process

目前，塔磨機(jī)廣泛應(yīng)用于處理中礦和粗精礦再磨領(lǐng)域，物料多來自球磨磨礦產(chǎn)品，塔磨機(jī)進(jìn)料細(xì)度一般為 -0.074 mm 占比 50%～80%，最大進(jìn)料粒度一般為 1 mm 以下[5]。

由于常規(guī) SAB 流程中半自磨系統(tǒng)篩下產(chǎn)品粒度較粗，即塔磨機(jī)進(jìn)料粒度較大，該粒度能否直接進(jìn)入塔磨機(jī)，是否對(duì)磨礦性能有影響，是否仍有節(jié)能效果等技術(shù)難點(diǎn)未能得到有效解決，因此限制了半自磨+塔磨工藝的推廣應(yīng)用。

2.2 銅渣礦半自磨磨礦特點(diǎn)

目前，處理銅渣礦普遍采用長筒型半自磨機(jī) (長徑比L∶D≥ 1) 進(jìn)行磨礦，采用 8～12 mm 篩孔進(jìn)行閉路隔粗，物料在磨機(jī)內(nèi)停留時(shí)間較長，半自磨系統(tǒng)產(chǎn)品粒度較細(xì)。銅渣礦半自磨產(chǎn)品粒度分布如表5 所列。匯總大型銅渣礦項(xiàng)目半自磨系統(tǒng)產(chǎn)品粒度分布 (-0.106 mm 占比) 如表6 所列。

表5 銅渣礦半自磨產(chǎn)品粒度分布Tab.5 Particle size distribution of products after semi-autogenous mill grinding in copper slag ore

表6 大型銅渣礦項(xiàng)目半自磨系統(tǒng)產(chǎn)品粒度Tab.6 Product particle size of semi-autogenous mill grinding system in large copper slag ore project %

2.3 半自磨+塔磨工藝可行性研究

上述分析表明，半自磨+塔磨 (SAT) 工藝的主要制約因素為：

(1) 半自磨閉路振動(dòng)篩篩下產(chǎn)品中存在 +1 mm -10 mm 的部分粗粒級(jí)物料；

(2) 半自磨閉路振動(dòng)篩篩下產(chǎn)品粒度 (-0.074 mm 占比 30%～40%)，比常規(guī)塔磨機(jī)的進(jìn)料粒度 (-0.074 mm 占比 50%～80%) 要粗。

為使 SAT 新型節(jié)能工藝應(yīng)用于銅渣礦磨礦作業(yè)，需要盡可能減小半自磨閉路振動(dòng)篩篩下產(chǎn)品的最大粒度?？紤]到篩孔尺寸過小 (-1 mm)，易導(dǎo)致篩分效率降低，參考四川某鐵礦項(xiàng)目 (半自磨機(jī)長徑比L∶D＜ 0.6，系統(tǒng)采用 2～3 mm 篩孔進(jìn)行閉路隔粗，生產(chǎn)暢通)，初步設(shè)定某銅渣礦項(xiàng)目半自磨系統(tǒng)閉路篩篩孔為 3 mm。

2.4 銅渣礦半自磨工藝建模與仿真

通過 JKSimMet 模擬計(jì)算軟件分析銅渣礦半自磨系統(tǒng)的粒度分布[6]。設(shè)置半自磨機(jī)長徑比L∶D=1，格子孔尺寸為 20 mm，分別采用 12、9、6、3 mm 篩孔進(jìn)行半自磨工藝閉路控制，半自磨篩下粒度分布模擬結(jié)果如圖2 所示。

圖2 半自磨篩下粒度模擬結(jié)果Fig.2 Simulation results of particle size under semi-autogenous grinding sieve

上述模擬中，半自磨直接排礦T80=0.9～1.1 mm，半自磨振動(dòng)篩篩下T80=0.36～0.80 mm (后續(xù)塔磨系統(tǒng)新給料F80值)。由模擬結(jié)果可知，銅渣礦半自磨系統(tǒng)產(chǎn)品粒度較細(xì)，粗粒級(jí)含量較少，能夠?qū)崿F(xiàn)通過小篩孔尺寸進(jìn)行半自磨產(chǎn)品閉路隔粗作業(yè)。

2.5 塔磨機(jī)磨礦試驗(yàn)

2.5.1 樣品制備

按照半自磨系統(tǒng) -3 mm 篩下產(chǎn)品粒度分布的模擬結(jié)果，采用破碎+球磨方式進(jìn)行塔磨機(jī)磨礦入料樣品的配制，半自磨系統(tǒng)產(chǎn)品粒度分布模擬結(jié)果與制樣粒度分布結(jié)果如圖3 所示。

圖3 模擬結(jié)果及制備樣品粒度分析Fig.3 Particle size analysis of simulation results and prepared sample

本次試驗(yàn)中某銅渣礦樣品入料粒度 -0.043 mm 占比為 30.65%，與模擬半自磨系統(tǒng) -3 mm 篩下產(chǎn)品中 -0.043 mm 占比為 33.10% 相比稍微偏粗，但在試驗(yàn)允許誤差之內(nèi)，可作為塔磨機(jī)試驗(yàn)進(jìn)料粒度依據(jù)。

2.5.2 塔磨機(jī)磨礦試驗(yàn)

試驗(yàn)采用 CSM-2.2 塔磨機(jī)，有效容積為 115 L，電動(dòng)機(jī)功率為 2.2 kW。進(jìn)行批次磨礦、一次加料、分時(shí)取樣分析，直至超過需要的磨礦產(chǎn)品細(xì)度，停止磨礦。

(1) 鋼球級(jí)配 1 (總重為 150 kg)φ8 mm：φ12 mm：φ16 mm=80%∶7%∶13%，進(jìn)行 5 批次磨礦試驗(yàn)，磨礦時(shí)間分別為 20、25、30、32.5 和 35 min，分別編號(hào)為 1、2、3、4 和 5 號(hào)。

(1) 鋼球級(jí)配 2 (總重為 150 kg)φ12 mm 鋼球含量為 100%，磨礦時(shí)間為 30 min，編號(hào)為 6 號(hào)，用于和鋼球級(jí)配 1 的磨礦效果進(jìn)行對(duì)比。

-3 mm 樣品磨礦試驗(yàn)結(jié)果如表7 所列。分析磨礦產(chǎn)品的粒度分布，繪制磨礦試驗(yàn)比功耗與產(chǎn)品粒度的變化關(guān)系曲線，如圖4 所示。

表7 -3 mm 樣品磨礦試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Grinding test results of -3 mm sample

圖4 -3 mm 樣品磨礦試驗(yàn)比功耗與產(chǎn)品粒度變化關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between specific power consumption and product fineness changes in -3 mm sample grinding test

分析磨礦試驗(yàn)結(jié)果，在鋼球級(jí)配 1 的條件下，隨著磨礦時(shí)間的延長，磨礦產(chǎn)品粒度逐漸變細(xì)，在磨礦 35 min 時(shí)，磨礦產(chǎn)品中的 -0.043 mm 占比達(dá)到 86.21%，超過所要求的磨礦指標(biāo) -0.043 mm 占比 85%。

-3 mm 樣品磨礦試驗(yàn)產(chǎn)品全粒度分析結(jié)果見表8 所列。

表8 -3 mm 樣品塔磨機(jī)試驗(yàn)入料及產(chǎn)品粒度分析結(jié)果Tab.8 Analysis results of feed and product particle size in -3 mm sample tower mill test

磨礦時(shí)間為 30 min 情況下，鋼球級(jí)配 2 的磨礦效果略好于鋼球級(jí)配 1 的磨礦效果，更易出現(xiàn)粗粒級(jí)累積的現(xiàn)象。因此，對(duì)于 -3 mm 模擬出料的塔磨機(jī)磨礦，選用較大尺寸鋼球作為磨礦介質(zhì)更有益于磨礦效果。

2.6 塔磨機(jī)與球磨機(jī)比能耗對(duì)比

對(duì)比塔磨機(jī)比能耗與球磨機(jī)邦德計(jì)算比能耗，結(jié)果如表9 所列。

表9 比能耗對(duì)比Tab.9 Comparison of specific energy consumptions

塔磨機(jī)替代球磨機(jī)作為二段磨礦設(shè)備，能夠承接一段磨礦半自磨機(jī)的篩下產(chǎn)品[7]，相同進(jìn)出料粒度條件下，塔磨機(jī)比功耗相比邦德理論計(jì)算比功耗，降低了 36.20%，節(jié)能效果明顯。

2.7 半自磨+塔磨工藝優(yōu)勢

相比常規(guī) SAB 工藝，SAT 新型節(jié)能工藝具有磨礦能耗低、鋼耗低、占地面積小、土建成本低、設(shè)備管理與維護(hù)方便等顯著優(yōu)勢，能夠大幅降低項(xiàng)目的投資成本與日常運(yùn)行、維護(hù)成本。

塔磨機(jī)相比球磨機(jī)，其選擇性磨礦效果較好，產(chǎn)品粒度分布范圍較小且粒度均勻，不易產(chǎn)生過磨，后續(xù)浮選回收率較高。

3 某銅渣礦項(xiàng)目 SAB 與 SAT 工藝對(duì)比

某銅渣礦項(xiàng)目年處理量為 100 萬 t，半自磨新給料F100=250 mm，磨礦產(chǎn)品 -0.043 mm 占 85% (對(duì)應(yīng)P80=0.038 mm)，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表10 所列。

表10 某銅渣礦項(xiàng)目主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.10 Main design parameters of a copper slag ore project

3.1 選型方案

滿足上述設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)應(yīng)的磨機(jī)選型方案以及磨機(jī)運(yùn)行工況如表11 所列。常規(guī) SAB 工藝流程如圖5 所示，SAT 新型節(jié)能工藝流程如圖6 所示。

表11 磨機(jī)選型方案以及運(yùn)行工況Tab.11 Mill selection scheme and operating conditions

圖5 常規(guī)半自磨+球磨 (SAB) 工藝流程Fig.5 Conventional process of semi-autogenous mill grinding+ball mill grinding (SAB)

圖6 半自磨+塔磨 (SAT) 新型節(jié)能工藝流程Fig.6 New energy-saving process of semi-autogenous mill grinding+tower mill grinding (SAT)

3.2 電耗對(duì)比

SAB 與 SAT 工藝磨礦電耗對(duì)比如表12 所列?？梢钥闯觯啾瘸Ｒ?guī) SAB 工藝，SAT 新型節(jié)能工藝可降低能耗 23% 以上，100 萬 t 選礦廠年節(jié)省電費(fèi) 630.50 萬元。

表12 SAB 與 SAT 工藝的磨礦電耗對(duì)比Tab.12 Comparison of grinding power consumption between SAB and SAT processes

3.3 鋼球消耗對(duì)比

SAB 與 SAT 工藝磨礦鋼球消耗對(duì)比如表13 所列?？梢钥闯觯啾瘸Ｒ?guī) SAB 工藝，SAT 新型節(jié)能工藝可降低鋼球消耗 20% 以上，100 萬 t 選礦廠年節(jié)省磨礦介質(zhì)費(fèi)用為 120 萬元。

表13 SAB 與 SAT 工藝的磨礦鋼球消耗對(duì)比Tab.13 Comparison of grinding steel ball consumption between SAB and SAT processes

4 結(jié)論

(1) 針對(duì)銅渣礦廣泛采用的半自磨+球磨 (SAB) 工藝存在球磨磨礦過程能耗、鋼耗過高的問題，結(jié)合銅渣礦易碎難磨的礦石性質(zhì)以及產(chǎn)品解離粒度較細(xì)的特點(diǎn)，提出半自磨+塔磨 (SAT) 的新型節(jié)能碎磨工藝。從半自磨+塔磨工藝的制約因素出發(fā)，根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)以及試驗(yàn)結(jié)果，論證了 SAT 新型節(jié)能工藝更適合處理銅渣礦，且工藝完全具有可行性。

(2) 在滿足某銅渣礦項(xiàng)目工藝要求條件下，相比常規(guī) SAB 工藝，預(yù)計(jì) SAT 新型節(jié)能工藝可降低能耗 23% 以上，可降低磨礦介質(zhì)鋼耗 20% 以上；100 萬 t 選礦廠年節(jié)省電費(fèi) 630.50 萬元，年節(jié)省鋼耗費(fèi)用 120 萬元。

(3) 國產(chǎn)大型半自磨機(jī)的應(yīng)用，為降低基建投資，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率創(chuàng)造了條件，使“老三段”碎磨工藝朝著流程簡單、高度自動(dòng)化的半自磨工藝轉(zhuǎn)變，當(dāng)前半自磨工藝已成為大、中型選礦廠的首選方案。國產(chǎn) 2 250 kW 大型塔磨機(jī)在現(xiàn)場的成功應(yīng)用，將引領(lǐng)當(dāng)前磨礦工藝進(jìn)一步優(yōu)化升級(jí)，SAT 新型節(jié)能工藝的推廣使用為降低運(yùn)行成本、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)創(chuàng)造了有利條件。