球磨機鋼球精確化補加方案應用實踐

畢兵兵 張祖剛

(南京梅山冶金發展有限公司礦業分公司)

球磨機是選礦廠的重要設備之一，一般選擇鋼球作為磨礦介質。初裝球尺寸、比例大多根據經驗確定，隨著時間的推移，鋼球不斷磨損，鋼球配比與數量發生變化[1-2]。因此必須定期向球磨機內添加鋼球，以穩定鋼球配比和充填率在一個可以接受的范圍內，保證磨礦細度。球磨機內不同尺寸鋼球的比例即鋼球的組成特性。大鋼球占比過大，容易造成過粉碎，過小則造成排礦偏粗。為保證鋼球組成特性在合理范圍內波動，需要正確及時補加鋼球，因此掌握鋼球磨損規律，適時調整鋼球補加方案尤為重要。

1 鋼球磨損規律

球磨機筒體在外在動力作用下轉動，鋼球等磨礦介質隨筒體運動，從而研磨礦石實現磨礦。鋼球在筒體中的運動狀態不同，對礦石的作用形式也不同。鋼球隨筒體上升到一定高度后，再向下滾落，滾落過程中球荷之間的礦粒被研磨；鋼球從最高點滾落至筒體最低點時，沖擊礦石顆粒實現破碎。瀉落式的磨礦作用以研磨作用為主，沖擊作用為輔。球荷表面積越大，鋼球之間所夾的礦粒越多，研磨效果越明顯。

鋼球上升過程中，和瀉落式運動前半段一樣，鋼球研磨礦石實現磨礦。鋼球上升到最高點后脫離筒體向下作拋落運動，鋼球在下落過程中速度逐漸增大，當鋼球觸底接觸到其他球荷時，拋落鋼球因具有很大的動能，對礦石和其他鋼球產生強烈沖擊，從而破碎礦石。鋼球拋落運動時磨礦作用以沖擊為主，研磨為輔。球荷球徑越大，重力越大，沖擊效果越明顯[3-4]。

1.1 鋼球磨損速度與其重力關系

一般鐵礦山一段磨礦(粗磨)以拋落式為主，粗粒礦石磨礦靠鋼球拋落產生的強烈沖擊破碎作用實現，簡單認為鋼球磨損速度與其重力成正相關，見式(1)：

Gt=Gce-kt，

(1)

式中，t為鋼球磨損時間，d；Gt為磨損一段時間后鋼球的重力，N；k為比例系數；Gc為鋼球初始重力，N。

鋼球磨損到一定程度后會隨礦排除，格子型和溢流型球磨機稍有不同。簡單認為鋼球可以磨損至0(消失)，球磨機內所有鋼球重力為GT，則：

(2)

根據式(2)可得任意球徑D、重力G的鋼球，小于等于該球徑鋼球總重力GD，則：

(3)

根據式(2)、(3)及球體重力計算公式，可得到小于球徑D的鋼球粒度組成特性方程：

(4)

從而得出初裝球和補加一種尺寸鋼球的球磨機內鋼球粒度組成特性，同理可得初裝球添加幾種不同尺寸鋼球后的粒度組成特性。設根據要求需要分別裝入球徑為D1,D2,D3...,Dc(從大到小)的比例為γ1,γ2,γ3...,γn,則球徑大于Dn的鋼球占比見表1。

1.2 鋼球磨損速度與表面積關系

二段磨礦(細磨)以瀉落式為主，一般認為細磨鋼球磨損速度與其表面積成正相關。如果向球磨機內定期添加一種Dc尺寸的鋼球,根據皮列恩吉斯鋼球磨損理論可以推出球荷的粒度組成特性方程，球磨機內鋼球球徑小于D的鋼球粒度組成方程：

(5)表1 不同球徑范圍鋼球占比

根據表1，同理可推得不同球徑的鋼球占比：

(6)

2 精確化鋼球補加方案實踐

以某鐵礦山選礦山兩段球磨機磨礦為例，分析精確化鋼球補加方案的應用效果。

2.1 一段磨礦

當前確定球磨機鋼球尺寸的公式以段氏球徑半理論公式最為適用。某礦山采用段氏球徑半理論公式計算各段磨機鋼球球徑。

表2 某鐵礦一段磨礦球磨機工作參數

注：φ為磨機轉速率，%；δ為球徑在礦漿中的有效密度，g/cm3；Kc為綜合修正系數；df為磨機給礦粒度，cm；D0為球荷“中間縮聚層”直徑，cm；σ為礦石抗壓極限強度，kg/cm2；Db為所需鋼球球徑，cm；ρe為鋼球有效密度，g/cm3；C為礦漿重量百分濃度，%；K為與轉速率及充填率有關，計算中間縮聚層的參數。

按段氏球徑半理論公式和表2參數可計算出一段磨礦球磨機所需的鋼球理論球徑Db=90 mm。

為保證球磨機鋼球粒度組成特性在合理范圍內波動，需要控制不同球徑的鋼球數量比，一般根據經驗公式和生產實踐來確定合理的鋼球球徑與不同球徑鋼球的比例。根據經驗及段氏球徑半理論公式計算，按照球徑90 mm、80 mm、60 mm的鋼球數量分別占60%、20%、20%的方式進行初裝球，由表1可得出球磨機運轉平衡各球徑鋼球占比，然后根據一定磨損規律下各球徑鋼球占比(表3)和現場排礦粒度組成，確定精確化鋼球補加方案。

表3 一定磨損規律下各球徑鋼球占比

2.2 二段磨礦

按段氏球徑半理論公式計算二段磨礦所需的鋼球理論球徑Db=60 mm，根據經驗按球徑60 mm、40 mm鋼球數量分別占20%、80%進行初裝球，由式6可得出球磨機運轉平衡時各球徑鋼球占比，再根據一定磨損規律各球徑鋼球占比(表4)和現場排礦粒度組成，確定精確化鋼球補加方案。

表4 一定磨損規律下各球徑鋼球占比

2.3 精確化補加鋼球應用效果

對一段和二段磨礦球磨機實施精確化補加鋼球后磨礦效果見表5。

表5 精確補加鋼球前后磨礦效果

從表5 可以看出，相比原磨礦產品(二段磨礦排礦)，精確化補加鋼球后磨礦產品-0.074 mm粒級含量提高了10.13個百分點，-10 μm粒級含量提高1.05個百分點；0.3～10 μm合格粒級含量提高3.53個百分點，平均粒徑也由于0.21 mm降低到0.017 mm，產品粒度均勻性更好，粒度更細。

3 結 論

(1)鐵礦山選礦廠一段磨礦(粗磨)以拋落式為主，磨礦作用以研磨作用為主，沖擊作用為輔，鋼球磨損速度與其重力成正相關；二段磨礦(細磨)以瀉落式為主，磨礦作用以沖擊為主，研磨為輔，鋼球磨損速度與其表面積成正相關。

(2)某鐵礦山選礦廠應用精確化鋼球補加方案優化磨礦條件，相比優化前，二段磨礦產品細度-0.074 mm含量由30.80%增大到40.93%，0.3～10 μm合格粒級含量由71.10%提高到74.63%，產品粒徑更小，粒度更均勻，明顯改善磨礦效果，可在其他礦山球磨系統推薦實施。