喀拉通克銅鎳礦球磨機(jī)磨礦作業(yè)質(zhì)量優(yōu)化試驗研究

張謙 肖慶飛,楊森,馬帥,王旭東

(1. 昆明理工大學(xué)省部共建復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國家重點實驗室，云南 昆明 650093；2. 礦物加工科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100070；3. 昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；)

銅和鎳是必不可少的基礎(chǔ)材料，也是國民經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源。我國銅、鎳礦資源相對稀缺，約有90% 鎳資源是含鎳的硫化礦石，只有大約10%是氧化鎳礦石，85% 的可回收銅來自硫化礦。喀拉通克銅鎳礦的銅、鎳礦物含量均不高，并以硫化物為主，其中銅硫化物為2.39%，鎳硫化物為 0.87%，且該銅鎳礦石呈浸染狀構(gòu)造，單體解離度低，回收銅和鎳難度較大[1-4]。球磨機(jī)是磨礦作業(yè)的重要物料粉碎設(shè)備，其通過運(yùn)轉(zhuǎn)的筒體帶動研磨介質(zhì)在磨機(jī)內(nèi)產(chǎn)生沖擊研磨作用，使礦物實現(xiàn)高效解離[5-7]。但球磨機(jī)工作時，影響其磨礦效果的因素眾多。目前，鋼球介質(zhì)配比優(yōu)化被廣泛認(rèn)為是礦石生產(chǎn)企業(yè)提升球磨機(jī)磨礦效果、增加經(jīng)濟(jì)效益的最有效方式之一[8-13]。因此，當(dāng)磨礦效果未達(dá)到實際生產(chǎn)要求時，合理優(yōu)化鋼球介質(zhì)配比，成為優(yōu)化磨礦產(chǎn)品質(zhì)量的重要研究手段。

喀拉通克銅鎳礦選廠于2010 年投產(chǎn)，經(jīng)改擴(kuò)建后該選廠具有兩個平行系列，見圖1。

圖1 磨礦工藝流程Fig. 1 Flowsheet of grinding process

兩個系列的球磨機(jī)-0.074 mm 磨礦產(chǎn)品合并后，進(jìn)入Φ350 mm 旋流器分級。目前，一系列Φ(2.7×3.6) m 球磨機(jī)磨礦作業(yè)質(zhì)量問題主要表現(xiàn)在磨礦產(chǎn)品均勻性差、磨礦技術(shù)效率低兩個方面，嚴(yán)重影響后續(xù)選別作業(yè)指標(biāo)。本研究以該銅鎳礦一系列球磨機(jī)鋼球介質(zhì)為研究對象，對比不同鋼球介質(zhì)配比方案的磨礦效果，確定較佳鋼球介質(zhì)配比，為選礦廠后續(xù)生產(chǎn)及改造工作提供可參考的依據(jù)。

1 試 驗

1.1 試驗原料

在喀拉通克采礦場選取6 塊形狀規(guī)則且具有代表性的礦塊用于力學(xué)性質(zhì)測定。在選礦廠生產(chǎn)穩(wěn)定時期每間隔兩小時取一次礦樣，球磨機(jī)排礦、螺旋分級機(jī)返砂和溢流礦樣分別取100 kg、200 kg、100 kg，其中球磨機(jī)排礦、螺旋分級機(jī)返砂和溢流礦樣供球磨機(jī)磨礦循環(huán)粒度篩析使用，部分螺旋分級機(jī)返砂作為磨礦對比試驗礦樣使用。

1.2 試驗方案

鋼球尺寸是影響磨礦過程各項技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要參數(shù)，球磨機(jī)的設(shè)計與運(yùn)行都要考慮鋼球尺寸及配比，實際生產(chǎn)通常希望能夠利用最快捷、準(zhǔn)確的方式計算鋼球尺寸，影響因素眾多的球徑半理論公式具有重要參考價值。礦石力學(xué)性質(zhì)及礦石粒度特性作為影響球徑半理論公式的重要因素，目前，礦石力學(xué)性質(zhì)測定方式為，選取代表性礦塊對其上下兩個面進(jìn)行打磨直至光滑，用以避免試件表面出現(xiàn)局部凹陷等影響測定結(jié)果的缺陷，將礦塊鋸磨加工成符合規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)試件后，將試件放入烘箱烘干，利用DE50A 型壓力試驗機(jī)測定已烘干試件的力學(xué)性質(zhì)。礦石粒度特性測定是按照不同粒度對礦石進(jìn)行篩析，+2.5 mm 礦石采用一套篩孔大小不同的篩子進(jìn)行篩分，-2.5 mm 礦石取樣1 kg，采用干濕聯(lián)合篩析法，先將試樣倒入0.074 mm 細(xì)孔篩中進(jìn)行篩分，篩上物料干燥后采用實驗室標(biāo)準(zhǔn)套篩篩析，篩下物料取50 g 做水析，對各粒級礦石烘干、稱重，獲得該礦石粒度特性。將礦石力學(xué)性質(zhì)及粒度特性測定結(jié)果帶入球徑半理論公式，計算磨細(xì)各粒級礦石所適宜的鋼球球徑，最后，利用球磨機(jī)給礦的級別產(chǎn)率確定鋼球配比。即將待磨礦石分為五個級別: +10 mm、-10～+2.5 mm、-2.5～+0.45 mm、-0.45～+0.2 mm、-0.2 mm，除去不需要磨碎-0.2mm 的級別，重新確定的待磨碎各級別產(chǎn)率即為推薦球比，推薦方案鋼球尺寸及配比見表1。

表1 球磨機(jī)鋼球尺寸及配比計算Table 1 The calculation table of ball size and ratio

為確定推薦方案是否為解決現(xiàn)有工藝生產(chǎn)問題較佳方案時，需要設(shè)置磨礦對比試驗驗證，磨礦對比試驗方案見表2，磨礦對比試驗條件見表3。

表2 球磨機(jī)磨礦方案 Table 2 Contrast of ball charge schemes of ball mill

表3 球磨機(jī)試驗條件Table 3 Test condition of ball mill

2 結(jié)果與討論

2.1 礦石力學(xué)性質(zhì)分析

礦石力學(xué)性質(zhì)測定結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)試件容重和抗壓強(qiáng)度Fig .2 Unit weight and compressive strength of standard specimens

圖3 標(biāo)準(zhǔn)試件靜彈性模量和泊松比Fig .3 Modulus of elasticity and Poisson’s ratio of standard Specimens

由圖2、圖3 可以發(fā)現(xiàn)：（1）該銅鎳礦石容重最大值為4.56 g/cm3，最小值為3.05 g/cm3，平均值為3.37 g/cm3，說明該銅鎳礦石屬于中等比重礦石，在磨礦過程中容易發(fā)生過磨現(xiàn)象，產(chǎn)生較多粉礦；（2）由單軸抗壓強(qiáng)度可知該礦石普氏硬度系數(shù)最大值為11.6，硬度較硬，最小值為6.16，硬度較軟，平均值為7.9，該礦石硬度差異較大，整體偏硬，可通過礦石普氏硬度系數(shù)判斷礦石能承受的破碎力強(qiáng)度，說明該選廠礦石對破碎力的需求差異較大；（3）彈性模量最大值為3.96×104MPa，最小值為2.11×104MPa，平均值為3.11×104MPa，說明部分礦石脆性較大；（4）礦石泊松比最大值為0.30，最小值0.22，平均值為0.26，說明礦石總體表現(xiàn)為韌性較大，可磨性較差。（5）綜上，確定鋼球介質(zhì)配比時既要考慮礦石容重大易過磨，又要考慮礦塊硬度大韌性高較難磨，同時不能忽視脆性礦石的存在，這樣制定出的鋼球尺寸及配比，將有效優(yōu)化磨礦產(chǎn)品粒度組成，提高磨礦作業(yè)質(zhì)量。

2.2 球磨機(jī)磨礦循環(huán)產(chǎn)品粒度組成分析

篩析取自喀拉通克選礦廠的球磨機(jī)排礦、螺旋分級機(jī)返砂和溢流礦樣的粒度組成，并繪制負(fù)累積粒度特性對數(shù)曲線，見圖4。

圖4 球磨機(jī)磨礦循環(huán)產(chǎn)品負(fù)累積粒度特性對數(shù)曲線Fig .4 Semi-logarithmic curve of negative cumulative particle size characteristics of ball mill grinding cycle products

由圖4 可以發(fā)現(xiàn)：（1）螺旋分級機(jī)返砂最大粒度為22.9 mm，-0.074 mm 級別產(chǎn)率為3.87%，返砂粒度較粗，這是由于螺旋分級機(jī)的分級效率較低造成的；（2）溢流+0.20 mm 級別產(chǎn)率為8.96%，-0.074 mm 級別產(chǎn)率為61.53%，其中-0.01 mm 級別產(chǎn)率占-0.074 mm 級別產(chǎn)率的23.03%，說明產(chǎn)品中過粗級別及過粉碎級別產(chǎn)率較高，中間級別產(chǎn)率較低，不利于進(jìn)一步選別；（3）球磨機(jī)排礦-0.074 mm 級別產(chǎn)率為46.04%，一次性新生成的-0.074 mm 級別產(chǎn)率為42.17%，-0.01 mm 級別產(chǎn)率為10.38%，過粉碎級別偏多，這是由于螺旋分級機(jī)返砂比偏小，僅為36.73%，造成礦石在磨機(jī)中停留時間偏長，達(dá)到目的粒度后未能及時排出，出現(xiàn)過磨的負(fù)面影響。除螺旋分級機(jī)的影響外，磨礦產(chǎn)品粒度特性與磨機(jī)球徑關(guān)系密切，現(xiàn)場磨礦產(chǎn)品粒度特性不好說明選廠目前使用的鋼球介質(zhì)配比不合理，未能將物料的過粗粒級充分轉(zhuǎn)化成合格粒級。因此，合理改進(jìn)鋼球介質(zhì)配比，有望實現(xiàn)提高磨礦產(chǎn)品粒度均勻性。

2.3 不同磨礦方案球磨機(jī)磨礦作業(yè)質(zhì)量對比

磨礦產(chǎn)品粒度均勻性和磨礦技術(shù)效率作為評價磨礦作業(yè)的重要質(zhì)量指標(biāo)，可以從不同方面評價球磨機(jī)磨礦過程的好壞[14-15]。

2.3.1 不同磨礦方案球磨磨礦產(chǎn)品粒度均勻性

磨礦是以改變礦石粒度為最終目的的作業(yè)行為，磨礦產(chǎn)品粒度均勻性能夠評價磨礦產(chǎn)品是否符合粒度細(xì)而均勻的要求，對解決球磨機(jī)磨礦效果差及選擇較佳磨礦介質(zhì)配比方案具有實際參考價值[16-17]。不同磨礦方案球磨磨礦產(chǎn)品篩析結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 +0.2 mm 與-0.01 mm 級別產(chǎn)率對比Fig .5 Comparison of +0.2 mm and -0.01 mm yield

圖 6 -0.15+0.019 mm 與-0.074 mm 級別產(chǎn)率對比Fig. 6 Comparison of -0.15+0.019 mm and -0.074 mm yield

由圖5、圖6 可以發(fā)現(xiàn)：（1）與其他方案相比，偏大方案-0.01mm 級別產(chǎn)率最低，這是由于在保持充填率不變的情況下，該方案平均球徑偏大，鋼球個數(shù)偏少，礦粒受到打擊和磨剝的次數(shù)也減少，則過粉碎級別產(chǎn)率最少。但發(fā)現(xiàn)該方案降低過粉碎含量的同時，易對其他粒級含量產(chǎn)生負(fù)面作用，該方案+0. 20 mm 不合格級別產(chǎn)率較推薦方案提高了12.66 個百分點，-0.15 ～ +0.019 mm、－0.074 mm 級別產(chǎn)率較推薦方案分別降低了9.25 個百分點、12.8 個百分點，說明偏大方案磨礦產(chǎn)品粒度均勻性較差，不利于提升浮選選別指標(biāo)；（2）偏小方案+0.20 mm、-0.01 mm 兩頭有害級別產(chǎn)率較推薦方案分別提高了0.35 個百分點、1.55 個百分點，這是由于該方案鋼球直徑偏小，鋼球能量小且沖擊力不足導(dǎo)致+0.2 mm 含量偏多，在增大粗粒級含量的同時，偏小方案增加-0.01 mm 過粉碎級別含量，顯著影響磨礦產(chǎn)品中間級別含量的積累；（3）推薦方案+0.20 mm 級別產(chǎn)率為2.82%，現(xiàn)場方案+0.20 mm 級別產(chǎn)率為8.37%，前者較后者降低了5.55 個百分點 ，推薦方案易選級別-0.15 ～+0.019 mm 產(chǎn)率、-0.074 mm 級別產(chǎn)率較現(xiàn)場方案分別提高了2.75 個百分點、10.68 個百分點，說明推薦方案磨礦產(chǎn)品粒度均勻性顯著優(yōu)于現(xiàn)場方案，更能滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需求。因此，推薦方案Φ100:Φ80:Φ60:Φ40=30:20:20:30 為 球 磨 機(jī) 較 佳 鋼球介質(zhì)配比方案。

2.3.2 不同磨礦方案球磨機(jī)磨礦技術(shù)效率對比

磨礦效果好壞是鋼球介質(zhì)配比合理與否在一定時間內(nèi)疊加現(xiàn)象的結(jié)果，也是鋼球介質(zhì)配比合理與否的最終表現(xiàn)。磨礦技術(shù)效率作為評價磨礦效果的重要依據(jù)之一，對比各磨礦方案下磨礦技術(shù)效率，有助于判斷各鋼球介質(zhì)配比方案的優(yōu)劣[18-19]。磨礦過程設(shè)置目的粒度為x，過粉碎粒度為y，則介于x 與y 之間的粒級為合格粒級。磨礦技術(shù)效率作為評價合格粒級的表達(dá)式見式（1）：

式中：γ1為待磨礦物中小于x 的級別產(chǎn)率（%），γ2為待磨礦物中小于y 的級別產(chǎn)率（%），γ 為磨礦產(chǎn)品中小于x 的級別產(chǎn)率（%），γ3為磨礦產(chǎn)品中小于y 的級別產(chǎn)率（%）。

不同磨礦方案下磨礦技術(shù)效率對比結(jié)果見圖7。

圖7 不同磨礦方案磨礦技術(shù)效率對比Fig .7 Comparison of Technical efficiency in different schemes

從試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)推薦方案的磨礦技術(shù)效率最高，達(dá)到了79.74%，現(xiàn)場方案與之有一定差距，前者較后者提高了3.35 個百分點，偏大方案及偏小方案磨礦技術(shù)效率分別為68.39%、77.77%，較推薦方案分別降低了11.35 個百分點、1.97 個百分點，說明從技術(shù)角度出發(fā)，推薦方案可以更有效的將過粗顆粒磨至合格粒級，并且過磨粒級極少，磨礦效果最為理想。綜上，推薦方案Φ100:Φ80:Φ60:Φ40=30:20:20:30 為球磨機(jī)較佳鋼球介質(zhì)配比方案，與磨礦產(chǎn)品粒度均勻性試驗結(jié)果相吻合。

3 結(jié) 論

（1）礦石力學(xué)性質(zhì)是影響磨礦產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素，試驗所取礦樣在容重、普氏硬度系數(shù)、彈性模量、泊松比方面均有明顯差異。整體來說，該銅鎳礦石礦石又硬又脆，且韌性較大，需綜合上述礦石力學(xué)性質(zhì)確定適宜的鋼球介質(zhì)配比以獲取較佳磨礦效果。

（2）通過原礦力學(xué)性質(zhì)測定、現(xiàn)場礦樣粒度篩析、磨礦對比試驗研究，確定推薦方案能顯著提高磨礦產(chǎn)品粒度均勻性及磨礦技術(shù)效率，磨礦產(chǎn)品質(zhì)量更理想。推薦方案：Φ100:Φ80:Φ60:Φ40=30:20:20:30為球磨機(jī)較佳介質(zhì)配比方案。

（3）對比試驗結(jié)果表明：推薦方案+0.20 mm 級別產(chǎn)率較現(xiàn)場方案降低了5.55 個百分點，其-0.15 ～ +0.019 mm、-0.074 mm 級別產(chǎn)率較現(xiàn)場方案分別提高了2.75、10.68 個百分點，磨礦技術(shù)效率提高了3.35個百分點，可為后續(xù)選別提供粒度合適的原料。