影響半自磨機頑石產(chǎn)率的因素研究

譚文才，夏 林，劉 俊，田振華，杜自彬，張樹輝

1洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

3紫金礦業(yè)集團股份有限公司紫金山金銅礦 福建上杭 364200

4中信重工工程技術(shù)有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

在 自磨/半自磨工藝中，會產(chǎn)生臨界尺寸的物料，這些物料被稱為頑石。部分過大粒度頑石在自磨/半自磨機中不能被大塊礦石或鋼球破碎，并且與磨機的研磨介質(zhì)相比，其塊度小、質(zhì)量輕，不能對其他礦石形成有效的破碎研磨作用，如果不及時排除，會在磨機內(nèi)累積，對磨礦產(chǎn)生較大負面影響[1]。

頑石的產(chǎn)生受礦石物料性質(zhì)、給料粒度分布、磨機轉(zhuǎn)速及鋼球配比等多種因素的影響，頑石的產(chǎn)率直接影響半自磨的處理能力。筆者通過研究給料粒度分布及磨機轉(zhuǎn)速與頑石產(chǎn)率的關(guān)系，給現(xiàn)場半自磨機生產(chǎn)提供相關(guān)建議。

1 某半自磨機設(shè)計及生產(chǎn)情況介紹

福建某選廠半自磨機設(shè)計產(chǎn)能為 4.5 萬 t/d，碎磨工藝采用 SAB+頑石開路堆浸處理磨礦工藝流程。選廠使用中信重工機械股份有限公司研發(fā)生產(chǎn)的φ11.0 m×5.4 m 半自磨機，裝機功率為 2×6 500 kW[2]。選廠設(shè)計時，通過 JKSimMet 軟件，對半自磨機的處理能力進行計算分析。軟礦樣和硬礦樣的計算模擬結(jié)果分別如圖 1、2 所示。

根據(jù)模擬結(jié)果，處理軟礦石 (半自磨機磨礦參數(shù)A×b=55.51)時，半自磨系統(tǒng)的處理量為 1 880 t/h (即45 120 t/d)，振動篩篩孔尺寸為 12.5 mm 時，頑石產(chǎn)率為 21.3%；處理硬礦石 (半自磨機磨礦參數(shù)A×b=46.31)時，半自磨系統(tǒng)的處理量為 1 638 t/h (即 39 312 t/d)，振動篩篩孔尺寸為 12.5 mm 時，頑石產(chǎn)率為24.5%。

目前，該選廠半自磨機處理量可穩(wěn)定在 1 720 t/h，高于硬礦設(shè)計處理能力，低于軟礦設(shè)計處理能力，頑石產(chǎn)率為 11% 左右。如果按選廠半自磨機設(shè)計產(chǎn)能4.5 萬 t/d、頑石產(chǎn)率 25% 計算，半自磨機處理量應(yīng)為1 875 t/h，頑石量為 468.8 t/h，給入球磨機的新給料量為 1 406 t/h。而目前半自磨機的處理能力為 1 720 t/h，頑石量為 189 t/h，球磨機新給料量為 1 531 t/h。這說明，因為實際頑石產(chǎn)率比設(shè)計值大幅降低，雖然半自磨機未達到設(shè)計產(chǎn)能，但球磨與浮選系統(tǒng)已經(jīng)超過設(shè)計產(chǎn)能，可見頑石產(chǎn)率對現(xiàn)場生產(chǎn)產(chǎn)生了重大影響。

圖1 軟礦樣模擬結(jié)果Fig.1 Simulation results of soft ore

圖2 硬礦樣模擬結(jié)果Fig.2 Simulation results of hard ore

頑石的存在不僅影響磨機的處理量，對磨礦效率也有較大影響。頑石是難磨粒子，如果不及時排出，會在磨機內(nèi)低效率研磨，一方面占據(jù)磨機內(nèi)有效空間，另一方面還會導(dǎo)致磨機單位能耗升高，處理量下降，并且容易導(dǎo)致產(chǎn)品粒度過細。

在影響頑石產(chǎn)率的因素中，半自磨機給料粒度分布與磨機轉(zhuǎn)速起著重要作用。由于多種因素綜合作用，短時間內(nèi)給料粒度分布和轉(zhuǎn)速對半自磨機頑石產(chǎn)率的影響往往具有偶然性，不具備代表性。筆者對 2019 年 2-4 月份的 3 個整月數(shù)據(jù)進行分析，能真實反映給料粒度分布與磨機轉(zhuǎn)速對頑石產(chǎn)率的影響，3 個月內(nèi)磨機鋼球充填率穩(wěn)定在 12% 左右，總充填率穩(wěn)定在 25% 左右，磨礦質(zhì)量分數(shù)穩(wěn)定在 80%左右。

2 給料粒度分布對頑石產(chǎn)率的影響

2019 年 2-4 月份半自磨給料粒度分布和頑石產(chǎn)率的關(guān)系如圖 3 所示。將圖 3 中給料粒度分布及頑石產(chǎn)率數(shù)據(jù)列表，如表 1 所列。

圖3 2-4 月份半自磨機給料粒度分布與頑石產(chǎn)率關(guān)系Fig.3 Relationship between distribution of feed particle size and pebble yield of SAG mill from February to April

表1 2-4 月份給料粒度分布和頑石產(chǎn)率平均值統(tǒng)計Tab.1 Statistics of feed size distribution and average of pebble yield from February to April

由圖 3 及表 1 分析可得，2 月份，給料粒度分布和頑石產(chǎn)率最穩(wěn)定，頑石產(chǎn)率平均值最低；3 月份，粒度分布和頑石產(chǎn)率穩(wěn)定性均居中，頑石產(chǎn)率平均值居中；4 月份，給料粒度分布波動較大，頑石產(chǎn)率最低且波動最大。

給料粒度分布穩(wěn)定時，半自磨機內(nèi)各粒度礦石破碎比穩(wěn)定，頑石產(chǎn)率相對穩(wěn)定，并且當給料中超大粒度礦石占比低時，對部分中間粒度礦石破碎作用弱，所以 2 月份頑石產(chǎn)率高且穩(wěn)定。給料粒度分布波動較大時，半自磨機內(nèi)各粒度礦石破碎比波動較大，頑石產(chǎn)率相對波動較大，并且當給料中超大粒度礦石占比高時，對中間粒度礦石破碎作用強，所以 3 月份與 4月份頑石產(chǎn)率波動相對大，且頑石產(chǎn)率低，而 3 月份給料粒度較 4 月份穩(wěn)定，所以 3 月份頑石產(chǎn)率高于 4月份。

半自磨機給料粒度的穩(wěn)定性和配比對頑石產(chǎn)率均有影響，當半自磨機給料粒度穩(wěn)定，粒度分布合理，特別是超大粒度礦石分布合理時，半自磨機頑石產(chǎn)率高；當粒度分布波動大時，頑石產(chǎn)率較粒度穩(wěn)定時波動大且低；超大粒度礦石的存在會影響頑石產(chǎn)率，超大粒度礦石多時破碎作用強，中間粒度礦石容易被破碎，頑石產(chǎn)率低，但超大粒度礦石對頑石產(chǎn)生的影響要低于給料波動產(chǎn)生的影響。

3 磨機轉(zhuǎn)速對頑石產(chǎn)率的影響

目前現(xiàn)場半自磨機電動機為變頻電動機，可以根據(jù)半自磨油壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。如果半自磨機達到工頻轉(zhuǎn)速，油壓仍超過正常范圍值，則需降低礦量。現(xiàn)場實際情況是，當半自磨機轉(zhuǎn)速調(diào)高時，半自磨機排料速度加快，半自磨機后直線篩篩上頑石量短時間內(nèi)明顯增多，頑石輸送機皮帶秤的數(shù)值也明顯升高。

2-4 月份半自磨機轉(zhuǎn)速率與頑石產(chǎn)率的關(guān)系如圖 4 所示。由圖 4 可知，半自磨機轉(zhuǎn)速率與頑石產(chǎn)率呈正相關(guān)，半自磨機轉(zhuǎn)速增加，加快了磨機的排礦能力，頑石量加大，如果半自磨機給料穩(wěn)定，運行一段時間后，磨機總充填率降低，油壓降低，此時如果不降低轉(zhuǎn)速，磨機一段時間內(nèi)將保持低油壓運行。

圖4 2-4 月份半自磨機轉(zhuǎn)速率與頑石產(chǎn)率關(guān)系Fig.4 Relationship between SAG mill speed ratio and pebble yield from February to April

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)節(jié)經(jīng)驗，在相同的運行條件下，磨機相對較高的油壓、較低的轉(zhuǎn)速與相對較低的油壓、較高的轉(zhuǎn)速兩種調(diào)節(jié)策略相比，后者更有利于頑石的排出，磨礦單位功耗降低，只要油壓保持在一定范圍內(nèi)，磨機就不會出現(xiàn)砸襯板現(xiàn)象。

因為磨機實際的頑石產(chǎn)率與設(shè)計值相差太大，導(dǎo)致半自磨機實際產(chǎn)能與設(shè)計產(chǎn)能有一定差距，現(xiàn)場為了增大頑石產(chǎn)率采取了增大了頑石窗比例的措施，但從實際運行效果來看，增大頑石窗比例對頑石產(chǎn)率的影響不是很明顯。

決定頑石產(chǎn)率的因素是礦石性質(zhì)，如果礦石性質(zhì)不發(fā)生較大的變化，頑石產(chǎn)率就不會大幅度變化。給料粒度分布與磨機轉(zhuǎn)速會對頑石產(chǎn)率產(chǎn)生一定影響，合適的給料粒度分布和相對較高的磨機轉(zhuǎn)速對頑石產(chǎn)率的增加有一定影響，可以在一定范圍內(nèi)增大半自磨機的處理量。

在磨礦過程中某一粒級礦石質(zhì)量的消失量為該礦石的磨礦速率。磨礦速率的影響因素主要包括給礦粒度、磨機轉(zhuǎn)速及鋼球添加量。根據(jù) JK 半自磨磨礦速率模型，磨礦速率用三次樣條描述，共有 5 個磨礦速率 (破碎率)值，每個值都與特定的顆粒尺寸有關(guān)，共同表征了整個磨礦速率的分布。選擇 0.25、4.00、16.00、44.00 與 128.00 mm 5 種粒級，對應(yīng)的磨礦速率分別標記為R1、R2、R3、R4和R5，其磨礦速率函數(shù)如圖 5 所示。

圖5 磨礦速率分布特征曲線Fig.5 Characteristic curve of grinding rate distribution

圖5 反映了半自磨機磨礦特征，較粗粒度磨礦速率R4、R5與磨機內(nèi)部的破碎過程相關(guān)，隨著大塊粒度礦石的減少，磨礦速率降低，達到頑石粒級時降至最低。較細粒度磨礦速率R1、R2與磨機內(nèi)部的粗磨過程相關(guān)，磨礦速率隨粒度的增加而增加，R3的低速率反映了頑石在磨機內(nèi)累積，導(dǎo)致磨礦速率下降。

將磨礦速率R1～R5相對于操作條件進行回歸，確定操作條件和磨礦速率分布之間的關(guān)系，得到如下方程式：

式中：Sa為磨機轉(zhuǎn)速放大比例；Sb為磨機臨界轉(zhuǎn)速放大比例；DB為鋼球放大比例；JB為鋼球充填率；Rr為頑石返回比例。

由上述方程式可知，細粒級的磨礦速率是由粗粒級的磨礦速率決定的，粗粒級磨礦速率R4與R5、鋼球充填率和新給料粒度分布相關(guān)，磨礦速率R5與磨機轉(zhuǎn)速、給料粒度分布和鋼球充填率等相關(guān)。

由式 (3)可得

當半自磨機給料粒度穩(wěn)定，從式 (1)～(6)可以看出，各粒級破碎率穩(wěn)定，頑石產(chǎn)率穩(wěn)定；當產(chǎn)品粒度不穩(wěn)定，給料F80變大時，磨礦速率R5、R4和R3變大，頑石產(chǎn)率降低。

由式 (3)可知，當磨機轉(zhuǎn)速上升，Sa增大，磨礦速率R5與R4變大，lnR4變大，頑石返回比例Rr增大，即頑石產(chǎn)率增大。

4 現(xiàn)場調(diào)節(jié)建議

(1)通過計算，2-4 月份 3 個月的平均轉(zhuǎn)速基本相同，分別為 96.56%、96.44% 和 96.47%，但頑石產(chǎn)率仍然有一定差距，說明礦石粒度分布與磨機轉(zhuǎn)速都是影響頑石產(chǎn)率的重要因素。

(2)半自磨機給料粒度分布對頑石產(chǎn)率有較大影響，給料粒度分布越穩(wěn)定，各粒度配比越合理，頑石產(chǎn)率越高；給料粒度分布波動越大，頑石產(chǎn)率越低[3]。現(xiàn)場可將礦石在線粒度分析系統(tǒng)與重板給料機進行有效結(jié)合，形成半自磨機給料的智能控制，穩(wěn)定半自磨機給料，保證半自磨機較高的頑石產(chǎn)率，釋放半自磨機產(chǎn)能。

(3)自磨機轉(zhuǎn)速的增大，加快了磨機的排礦能力，頑石量加大，如果半自磨機給料穩(wěn)定[4]，運行一段時間后，磨機總充填率降低，油壓降低，現(xiàn)場如有提產(chǎn)需求，可增大給礦量，直至轉(zhuǎn)速升至工頻轉(zhuǎn)速。通過保持高轉(zhuǎn)速和相對較高的油壓，可以將電動機功率在合理范圍內(nèi)使用至最大。

(4)目前該選廠在保持處理量穩(wěn)定的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，但人工調(diào)節(jié)不及時，有一定滯后。如果礦石性質(zhì)或粒度分布發(fā)生變化，磨機轉(zhuǎn)速應(yīng)該調(diào)高時，卻在低轉(zhuǎn)速運行，此時，頑石產(chǎn)率低，在磨機內(nèi)部逐漸累積，可能會使油壓短時間內(nèi)快速上升，出現(xiàn)“漲肚”現(xiàn)象。現(xiàn)場可以在 DCS 中增加磨機轉(zhuǎn)速智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，保持合理的頑石產(chǎn)率，防止“漲肚”現(xiàn)象發(fā)生，釋放磨機產(chǎn)能，降低單位功耗[5]。

5 結(jié)語

半自磨機頑石產(chǎn)率對半自磨機的生產(chǎn)有較大影響，如果頑石在磨機內(nèi)累積，會影響磨機產(chǎn)能，增大磨礦單位功耗。半自磨機給料粒度分布和轉(zhuǎn)速對頑石產(chǎn)率有較大影響，通過研究給料粒度分布及轉(zhuǎn)速對頑石產(chǎn)率的影響，找出其中的規(guī)律性，可以指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)。