薛宏超，張 萌，田雅楠，朱黎明，呂冠男，李少卓

1洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2智能礦山重型裝備全國重點實驗室 河南洛陽 471039

3中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

礦石碎磨作業(yè)是礦物加工行業(yè)中最重要的環(huán)節(jié)之一，其主要目的是使礦石中的有用礦物得到充分解離，以便在下游工序中進行選別[1]。

目前大多數(shù)碎磨流程采用多段磨礦，初段采用半自磨機，再經(jīng)后續(xù)流程逐步將大塊礦石碎磨為最終產(chǎn)品。然而，隨著礦山企業(yè)對半自磨機的使用及調(diào)控越來越有信心，且單段半自磨流程相比半自磨+球磨流程更簡單、投資以及運行成本更低，越來越多的礦企采用單段半自磨流程，直接將礦山來料碎磨至最終產(chǎn)品。

作為設(shè)計人員，需要熟悉半自磨多段流程與單段半自磨流程的應(yīng)用特點，結(jié)合新項目的需求，確定合理的工藝流程，以確保所選半自磨機在處理礦山不同類型的礦石時，均能夠滿足產(chǎn)能和產(chǎn)品粒度的要求。對于單段半自磨流程，由于其在國內(nèi)應(yīng)用較少且經(jīng)驗不足，在選型階段應(yīng)重點考慮通過合理調(diào)整工況參數(shù)的方式，適應(yīng)礦石性質(zhì)與進料粒度的波動；并對排料裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)進行特殊設(shè)計，避免形成礦漿池，影響磨礦效率；還應(yīng)考慮后期擴產(chǎn)時，通過增加球磨機形成半自磨+球磨流程的可行性。

1 項目簡介

巴西某金礦項目，因供礦能力限制，前期設(shè)計產(chǎn)能為 200 萬 t/a (小時新給礦量 254 t/h)，后期設(shè)計產(chǎn)能為 400 萬 t/a (小時新給礦量 507 t/h)；半自磨新給料粒度F80=125 mm，要求磨礦產(chǎn)品粒度 (旋流器溢流)P80=0.105 mm；礦樣碎磨試驗的主要結(jié)果為：SG=2.8，A×b=48.2，BWi=18.1 kW·h/t。

考慮項目實際情況，決定項目前期采用單段半自磨流程，后期通過增加球磨機形成半自磨+球磨流程，達到產(chǎn)能翻倍的目的。半自磨機選型時，不僅需要前期單臺半自磨機能夠滿足產(chǎn)能與產(chǎn)品粒度要求，且避免形成礦漿池影響磨礦效率；還要兼顧后期采用半自磨+球磨流程時，半自磨機的高處理量與直接排礦粒度能否放粗的問題。

2 單段半自磨流程

2.1 流程特點

單段半自磨流程是指僅采用一段半自磨機磨礦即可達到要求產(chǎn)品粒度的流程[2]。與常規(guī)半自磨+球磨流程相比，其主要優(yōu)點是流程簡單、投資成本低以及用于粗磨時磨礦效率高[3]；缺點是缺乏靈活性，礦石性質(zhì)波動對單段半自磨運行性能的影響較為明顯，同時由于單段半自磨流程的礦漿通過量大，易在磨機內(nèi)部形成礦漿池，降低半自磨機的磨礦效率。

2.2 流程可行性分析

采用單段半自磨流程需要滿足一定條件，參考國內(nèi)外已運行單段半自磨流程的礦山項目，能否選擇單段半自磨流程的主要依據(jù)為磨礦產(chǎn)品粒度[4]。

(1) 產(chǎn)品粒度“粗”(P80＞ 0.106 mm)：單段半自磨流程在此產(chǎn)品粒度區(qū)間內(nèi)磨礦效率較高，若礦石很硬，采用單段半自磨+頑石破碎流程是最合適的選擇。

(2) 產(chǎn)品粒度“中”(0.074 mm ≤P80≤ 0.106 mm)：此區(qū)間是大多數(shù)單段半自磨流程的磨礦細度范圍，一般需要較一致的給料 (礦石硬度和進料粒度)，并且要求下游工藝能夠承受產(chǎn)品粒度波動帶來的影響。

(3) 產(chǎn)品粒度“細”(P80＜ 0.074 mm)：若半自磨新給料一致性較好、礦石硬度較高且可磨性較好，則單段半自磨流程仍屬于合適流程；若下游工序?qū)Ξa(chǎn)品粒度要求較敏感，則半自磨+球磨流程將是最合適的選擇。

該項目要求產(chǎn)品粒度屬于“中”(P80=0.105 mm)，且后續(xù)采用炭浸工藝，能夠適應(yīng)磨礦產(chǎn)品粒度的輕微變化，滿足單段半自磨流程的產(chǎn)品粒度要求，采用單段半自磨流程是可行的。同時，項目處理礦石與加納塔克瓦金礦處理礦石的礦石性質(zhì)近似，都屬于中碎難磨礦石。塔克瓦金礦采用單段半自磨流程投產(chǎn)運行后，在很短的時間內(nèi)各項指標均已達到設(shè)計值[5]，因此本項目從礦石性質(zhì)上來講也能夠采用單段半自磨流程。

3 流程重點考慮因素

單段半自磨流程的磨機選型設(shè)計遵循常規(guī)半自磨+球磨流程中的磨機設(shè)計程序[6]。所不同的是，常規(guī)半自磨+球磨流程通過多段磨礦達到要求磨礦細度，而單段半自磨流程僅采用一臺半自磨機就將粗碎產(chǎn)品磨至要求磨礦細度，這就需要深刻理解單段半自磨流程的影響因素和運行性能。

單段半自磨流程的磨礦產(chǎn)品粒度取決于許多設(shè)計和工況變量的組合，匯總單段半自磨流程設(shè)計和運行過程中影響磨礦性能的因素如下。

(1) 礦石性質(zhì) 礦石硬度 (A×b)、球磨功指數(shù)(BWi) 和半自磨新給料粒度F80。

(2) 磨機主參數(shù)設(shè)計 磨機規(guī)格 (主要指磨機長徑比) 和主電動機功率。

(3) 磨機輔助結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計 筒體襯板、格子板和礦漿提升器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計。

(4) 磨機運行參數(shù)設(shè)計 磨機轉(zhuǎn)速率、鋼球充填率與總充填率、鋼球級配等。

上述 4 個方面直接影響到單段半自磨流程的選型設(shè)計、運行工況和磨礦性能，筆者以巴西某金礦項目為例，重點討論上述 4 個因素，分析單段半自磨流程設(shè)計的關(guān)注點和解決措施。

3.1 礦石性質(zhì)

在項目產(chǎn)能和產(chǎn)品粒度一定的條件下，關(guān)于礦石性質(zhì)的討論應(yīng)主要包括礦石硬度 (A×b)、球磨功指數(shù)(BWi) 和半自磨新給料粒度F80。

3.1.1 礦石性質(zhì)決定磨礦需求功率

礦石性質(zhì)決定磨礦需求功率，而磨礦需求功率是半自磨選型最重要的依據(jù)。項目磨礦需求功率的計算如表1 所列。

表1 磨礦需求功率的計算Tab.1 Calculation of grinding demand power

3.1.2 礦石性質(zhì)影響磨機運行工況

礦石性質(zhì)影響磨機運行工況，若磨機運行工況與所處理礦石的礦石性質(zhì)不匹配，將會導(dǎo)致產(chǎn)能不達標、磨機運行不穩(wěn)定或更嚴重的襯板碎裂事件。

(1) 礦石很軟且磨機運行鋼球充填率偏低 由于軟礦石會很快在半自磨機內(nèi)破碎，礦石自身磨礦介質(zhì)不足或幾乎沒有，磨機可能在所謂的“出砂”條件下運行，導(dǎo)致產(chǎn)能和產(chǎn)品粒度達不到設(shè)計指標。磨機“出砂”工況如圖1 所示。

圖1 磨機“出砂”工況Fig.1 Photograph of “sand producing”working condition of mill

(2) 礦石很硬且半自磨新給料粒度F80值較大由于硬礦石較難破碎，磨機內(nèi)部將存在大量過粗粒度的硬礦石，磨機可能在所謂的“過載”條件下運行，導(dǎo)致產(chǎn)能明顯降低，并且產(chǎn)品出現(xiàn)過磨，甚至引發(fā)磨機“漲肚”而導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。磨機“過載”工況如圖2 所示。

圖2 磨機“過載”工況Fig.2 Photograph of “overload”working condition of mill

(3) 礦石較脆易碎且磨機運行鋼球充填率偏高較脆易碎的礦石在磨機內(nèi)部快速“消化”，磨機負荷嚴重不足，無法形成礦石負荷，磨機可能在所謂的“欠載”條件下運行，導(dǎo)致磨機內(nèi)部球-球、球-襯板接觸過多，將造成鋼球破碎和襯板碎裂。磨機“欠載”工況如圖3 所示[7]。

圖3 磨機“欠載”工況Fig.3 Photograph of “underload”working condition of mill

3.2 磨機主參數(shù)設(shè)計

3.2.1 磨機規(guī)格

研究結(jié)果表明，磨礦能量消耗隨著磨機長徑比的增加而增加，即磨礦比功耗的增加不能促使相應(yīng)磨機處理能力的增加，而是表現(xiàn)在磨礦產(chǎn)品粒度更細[8]。因此，對于單段半自磨流程，磨機長徑比是一個需要重點考慮的因素。

表2 所列為典型項目的單段半自磨機不同長徑比的設(shè)計和工況條件[9]。長筒型和方型半自磨機的磨礦產(chǎn)品粒度P80=0.074 mm，而短筒型半自磨機的磨礦產(chǎn)品粒度P80=0.125 mm。從文獻資料匯總的數(shù)據(jù)可知，一般短筒型半自磨機的磨礦產(chǎn)品粒度P80=0.106～ 0.212 mm (某特殊項目的磨礦細度 -0.074 mm 占比90%) 的范圍。

表2 不同長徑比設(shè)計與工況條件、磨礦細度的參考案例Tab.2 Reference cases of different length-diameter ratios,operating conditions and grinding fineness

結(jié)合項目礦石性質(zhì)與工藝參數(shù)要求，通過計算得到滿足單段半自磨流程的磨機選型方案，如表3 所列?？梢钥闯觯? 種半自磨機長徑比設(shè)計方案均能滿足項目前期單段半自磨流程時的產(chǎn)能和產(chǎn)品粒度要求。

表3 單段半自磨流程的磨機選型方案Tab.3 Mill selection scheme for single-stage SAG circuit

一般來說，單段半自磨流程中，物料在長筒型和方型半自磨機內(nèi)停留的時間較長，因此磨礦產(chǎn)品粒度更細，從產(chǎn)品粒度的控制角度分析，長筒型方案 ＞ 方型方案 ＞ 近方型方案 ＞ 短筒型方案；但磨機直徑和長度一旦確定，將無法將其轉(zhuǎn)變?yōu)楦咛幚砹?、粗磨礦產(chǎn)品的運行方式，因為無法克服物料在長筒型或方型磨機中停留時間過長的實際情況。為兼顧后期為提高產(chǎn)能采用的半自磨+球磨流程，分析上述 4 種方案在采用半自磨+球磨流程時半自磨機的處理能力，計算結(jié)果如表4 所列。

表4 不同長徑比設(shè)計方案的半自磨機處理能力Tab.4 Processing capacity of SAG mill with different length-diameter ratios

可以看出，由于物料在長筒型和方型半自磨機中停留時間過長，導(dǎo)致方案 1 和方案 2 中半自磨閉路篩下粒度偏細，在磨礦軸支取功率相同條件下，不能滿足項目后期小時新給礦量 507 t/h (400 萬 t/a) 的產(chǎn)能目標；而近方型和短筒型半自磨機方案能夠滿足項目后期產(chǎn)能要求。通過對項目產(chǎn)能和產(chǎn)品粒度的綜合分析，選擇方案 4 作為項目的磨機選型方案。

采用 JKSimMet 模擬計算軟件對該項目前、后期不同流程進行模擬計算。項目前期為單段半自磨流程，采用 1 臺φ7.9 m×6.0 m (F/F) 半自磨機，在半自磨轉(zhuǎn)速率為 75%、鋼球充填率為 14% 和總充填率為25% 的工況條件下，能夠滿足處理量為 254 t/h 和最終產(chǎn)品粒度P80=0.105 mm 的工藝要求，此時半自磨閉路篩篩下產(chǎn)品粒度T80=0.824 mm；項目后期為半自磨+球磨流程，采用 1 臺φ7.9 m×6.0 m (F/F) 半自磨機和 1 臺φ6.2 m×9.5 m (F/F) 溢流型球磨機，在半自磨轉(zhuǎn)速率為 75%、鋼球充填率為 11%、總充填率為25% 和溢流型球磨機轉(zhuǎn)速率為 75%、鋼球充填率為31% 的工況條件下，能夠滿足處理量為 507 t/h 和最終產(chǎn)品粒度P80=0.105 mm 的工藝要求，此時半自磨閉路篩篩下產(chǎn)品粒度T80=1.310 mm。

JKSimMet 模擬結(jié)果表明，當半自磨機長徑比介于方型與短筒型之間時，既能滿足項目前期采用單段半自磨流程的磨礦產(chǎn)品粒度要求，也能兼顧項目后期采用半自磨+球磨流程的產(chǎn)能翻倍和產(chǎn)品粒度要求。最終確定滿足項目前、后期要求的磨機選型方案如表5 所列。

表5 滿足項目工藝要求的磨機選型方案Tab.5 Selection scheme for mill that meet project process requirements

3.2.2 主電動機功率

單段半自磨流程的最終產(chǎn)品粒度P80=0.105 mm，為了保證流程達到要求的產(chǎn)品粒度，需要確保所設(shè)計的磨機主電動機功率能夠滿足磨礦需求功率要求。并且，由于前期單段半自磨流程的調(diào)整因素較少，因此磨機主電動機功率還必須考慮一定的富余能力以應(yīng)對礦石性質(zhì)的波動，設(shè)計主電動機功率應(yīng)能夠滿足鋼球充填率為 18%、總充填率為 35% 的運行工況。

結(jié)合該項目半自磨機軸支取功率的計算結(jié)果，在鋼球充填率為 18%、總充填率為 35% 的工況條件下，磨機的軸支取功率為 6 306 kW。采用異步傳動方案，考慮從電動機輸出端到磨機小齒輪軸之間存在傳遞效率損失。因此，確定該項目半自磨機主電動機功率為 6 800 kW，能夠確保項目實現(xiàn)達產(chǎn)達標。

3.3 磨機輔助結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

3.3.1 筒體襯板結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

針對本項目半自磨機前期產(chǎn)量低、通過量大、產(chǎn)品粒度細、磨機高充填率運行和后期產(chǎn)量高、通過量小、產(chǎn)品粒度粗、磨機低充填率運行的特點，結(jié)合半自磨機筒體襯板結(jié)構(gòu)參數(shù) (提升條高度、間距、面角及形狀等) 進行鋼球運動軌跡仿真分析。

通過進行不同襯板結(jié)構(gòu)參數(shù)的仿真分析，以及對應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，保證半自磨機在不同流程條件下，均能實現(xiàn)磨機運行時鋼球以及物料拋落軌跡合理，從而達到研磨效率與襯板使用壽命的最優(yōu)化。

3.3.2 格子板結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

格子板結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計主要包括開孔孔徑、開孔面積、孔的分布和開孔形狀等。針對該項目流程特點，半自磨機前、后期不同格子板結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計對比如表6 所列。

表6 半自磨機前、后期不同格子板結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計對比Tab.6 Comparison of different structural parameters of grid plate between early stage and later stage of SAG mill

3.3.3 礦漿提升器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

單段半自磨流程中礦漿量大，如果不能及時排出，可能會在半自磨機筒體內(nèi)形成礦漿池，減弱物料和鋼球的沖擊破碎效果，降低半自磨機的磨礦效率。因此，對單段半自磨流程中的半自磨機選型設(shè)計時，需要對礦漿提升器進行特殊設(shè)計，避免半自磨機內(nèi)“礦漿池”現(xiàn)象的發(fā)生。

通過綜合分析，確定半自磨機的礦漿提升器深度為 450 mm。同時，半自磨機內(nèi)圈礦漿提升器的肋板采用長短優(yōu)化配置，并優(yōu)化排料器開口尺寸，減少返料量，提高整體排料速率。

3.4 磨機運行參數(shù)設(shè)計

3.4.1 磨機轉(zhuǎn)速率

磨機轉(zhuǎn)速率不僅影響磨機軸支取功率、磨機載荷形狀、磨機內(nèi)物料拋落軌跡和礦漿提升器排料能力，還影響磨礦作用頻率，即沖擊粉碎頻率和物料提升過程中的研磨作用強度及頻率。

半自磨+球磨流程中，因采用了球磨機，能夠較好地控制磨礦產(chǎn)品粒度；而單段半自磨流程中，由于半自磨機調(diào)整手段有限，磨礦產(chǎn)品粒度受礦石性質(zhì)影響波動較大。因此，半自磨機采用變頻調(diào)速方案，有助于控制磨礦產(chǎn)品粒度。在其他因素相同的條件下，φ7.9 m×6.0 m 半自磨機不同轉(zhuǎn)速率對不同粒度礦石破碎率的影響曲線如圖4 所示。

圖4 磨機轉(zhuǎn)速率對不同粒度礦石的破碎率影響曲線Fig.4 Influence curves of mill speed rate on crushing rate of ores with different grain sizes

從圖4 可知，磨機臨界轉(zhuǎn)速率越低，對大塊物料的破碎率越小，對小塊物料的破碎率越高，這表明較低的磨機轉(zhuǎn)速率有助于細磨。因此，單段半自磨流程中，可通過改變磨機轉(zhuǎn)速來調(diào)整磨礦產(chǎn)品粒度，但降低磨機轉(zhuǎn)速需要增加額外的鋼球充填量，以保證磨礦需求功率要求。

3.4.2 鋼球充填率與總充填率

不同硬度和粒度的礦石對不同鋼球充填率的響應(yīng)不同，合理的鋼球充填率由給礦硬度、給礦粒度和產(chǎn)品粒度等決定。針對該項目礦石性質(zhì)，不同鋼球充填率對不同粒度礦石破碎率的影響如圖5 所示。

圖5 鋼球充填率對不同粒度礦石的破碎率曲線Fig.5 Influence curves of steel ball filling rate on crushing rate of ores with different grain sizes

從圖5 可知，鋼球充填率越高，大塊物料的破碎率增加越明顯，而對小塊物料的破碎率影響較小。這與日常生產(chǎn)實踐中觀察到的增加鋼球充填率將會大幅度提高半自磨處理能力相吻合。

雖然采用高鋼球充填率將有助于提高磨礦處理能力，但礦石充填率也不能太低，否則會對磨機襯板有巨大的負面影響。而且，磨機載荷對不同粒度礦石的破碎率影響也是不同的，增加磨機載荷通常會導(dǎo)致粗粒級礦石破碎率下降，而細粒級礦石破碎率提高。針對該項目礦石性質(zhì)，不同總充填率對不同粒度礦石破碎率的影響如圖6 所示。

圖6 總充填率對不同粒度礦石的破碎率曲線Fig.6 Influence curves of total filling rate on crushing rate of ores with different grain sizes

3.4.3 鋼球級配

半自磨機補加的鋼球尺寸一般為 100～ 140 mm，針對該項目礦石性質(zhì)，經(jīng)對沖擊破碎能量和沖擊破碎頻次的平衡點進行綜合分析，并參考國內(nèi)外礦山半自磨機應(yīng)用經(jīng)驗，提供適應(yīng)該項目最佳鋼球級配方案如表7 所列。

表7 半自磨機最佳鋼球級配方案Tab.7 Optimal scheme of steel ball size distribution for SAG mill

日常補加鋼球球徑為φ125 mm，在項目運行過程中，可結(jié)合礦石性質(zhì)和磨礦性能進一步調(diào)整優(yōu)化鋼球補加方案。

4 結(jié)論

在分析單段半自磨流程的工藝特點和適用條件，以及 4 個主要影響因素的基礎(chǔ)上，以巴西某金礦項目為例，重點討論和分析單段半自磨流程設(shè)計的關(guān)注點和解決措施。為保證該項目半自磨機既能在前期單段半自磨流程中更好地控制產(chǎn)品粒度，也能兼顧后期產(chǎn)能提高的要求，主要考慮如下方面。

(1) 從產(chǎn)品粒度和礦石性質(zhì)的角度分析，該項目采用單段半自磨流程是可行的。

(2) 通過綜合分析，提出該項目半自磨機的長徑比應(yīng)介于短筒型與方型之間，這與單段半自磨流程普遍采用的半自磨機長徑比介于方型與長筒型之間不同。

(3) 結(jié)合該項目的流程特點、磨礦工藝參數(shù)和礦石性質(zhì)參數(shù)，對半自磨機主參數(shù)進行精準設(shè)計。

(4) 針對該項目的流程特點，對半自磨機的主要輔助結(jié)構(gòu)參數(shù)進行特殊設(shè)計，優(yōu)化筒體襯板結(jié)構(gòu)設(shè)計、格子板開孔以及礦漿提升器結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對磨機運行關(guān)鍵參數(shù)進行合理選擇，確保磨機選型方案在該項目前、后期不同流程的成功應(yīng)用，保證項目達產(chǎn)達標。