單段半自磨流程在銅渣碎磨工藝中的應用

瞿 鐵，董節功

1中信重工機械股份有限公司 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洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

我 國是世界銅生產和消費大國，每年產出大量富含稀、貴金屬的銅冶煉渣。這些銅冶煉渣的堆存不僅占用土地，污染環境，還會造成資源浪費。因此，實現銅渣的資源化利用，不但可以為社會創造財富，而且有利于資源節約和環境保護[1-3]。銅渣選別技術是充分利用銅渣中寶貴銅鐵資源的重要手段，而碎磨工藝是銅渣選別的準備作業，常見的碎磨工藝有 2 種：三段或兩段一閉路破碎+兩段球磨的常規碎磨流程 (如大冶有色、方泰銅業)；粗碎+半自磨+一段或兩段球磨的半自磨流程 (如貴溪冶煉廠、祥光銅業、紫金銅業、銅陵金冠、金川銅業、白銀有色、廣西金川、云南錫業、中原黃金)。

生產實踐表明，半自磨流程已經取代常規碎磨流程，成為銅渣選礦工藝的主要碎磨流程。單段半自磨流程具有流程簡單、投資成本低等優點，如果能在銅渣選礦工藝中得以利用，將會進一步簡化碎磨工藝流程，降低選廠投資成本，但至今并無單段半自磨流程在銅渣碎磨工藝應用的實例。

在銅渣碎磨工藝中應用單段半自磨流程是否合理，需要對哪些流程及磨礦設備參數進行特殊設計，都是應用中面臨的主要問題。筆者結合某銅渣項目的選礦工藝特點，首次將單段半自磨流程應用于該項目碎磨工藝設計中，重點分析單段半自磨流程選擇的合理性、流程配置、磨機選型及關鍵參數設計、磨機運行工藝參數的合理選取等內容。同時，針對銅渣要求磨礦產品粒度 -43 mm (-325 目) 占 80%～90% 的特點，進一步分析單段半自磨+立式攪拌磨流程相比其他流程的優勢及應用前景。

1 銅渣選礦工藝

銅渣實際上是一種人造礦石，其主要礦物組成有鐵橄欖石和鐵尖晶石，其次為磁鐵礦、硫化銅和金屬銅，另外還有少量脈石組成的玻璃體。銅渣中的銅主要來自于銅精礦冶煉過程中殘留或再生的銅礦物，以金屬銅形式存在，占總銅量的 95%，具有很好的可浮性，因此可采用浮選法回收爐渣中的銅，此方法也是目前渣選廠最主流的選礦工藝[4-5]。典型的浮選工藝主要有 2 種，流程如圖 1、2 所示。

圖1 所示為階段磨礦階段選別工藝流程，主要用于處理品位較高的轉爐渣。在粗磨產品粒度 -74 μm(-200 目) 占 60% 條件下，快速浮選已單體解離的金屬銅或銅硫化物產品，直接得到高品位的銅精礦 (含銅40% 以上)，實現早收多收；尾礦再磨 (-43 μm 占 80%)再選，可保證銅的總回收率，如貴溪冶煉廠早期的轉爐渣選礦廠。

圖1 階段磨礦階段選別工藝流程Fig.1 Flowchart of stage grinding and stage beneficiation process

圖2 所示為目前廣泛采用的浮選工藝流程。在實際生產中，根據爐渣品位的變化隨時調整流程結構，實現在高品位銅精礦條件下，達到高回收率的目的。

圖2 一次磨礦集中選別工藝流程Fig.2 Flowchart of one-time grinding and centralized beneficiation process

2 單段半自磨流程合理性分析

結合銅爐渣結構致密、硬而脆、密度大、磨礦功指數高 (球磨功指數一般為 22.0～26.0 kW·h/t) 的碎磨特性，目前主要的碎磨工藝為半自磨+一段或兩段球磨。相比之前的三段或兩段一閉路破碎+兩段球磨工藝，該工藝已經簡化了工藝流程。對應圖1 的階段磨礦階段選別流程，碎磨工藝通常為半自磨+一段球磨，實現磨礦產品粒度 -74 μm 占 60%，再磨通過二段球磨細磨，實現磨礦產品粒度 -43 μm 占80%。對應圖 2 的一次磨礦集中選別工藝，碎磨工藝為半自磨+一段或兩段球磨，尤其是對于可磨性差的銅渣，要通過半自磨+兩段球磨才能實現磨礦產品粒度 -43 μm 占 80%。

單段半自磨流程中，半自磨機和振動篩、水力旋流器構成閉路磨礦系統，通過振動篩和旋流器兩次閉路，旋流器溢流產品即為磨礦合格產品。與傳統半自磨流程相比，具有流程更簡單、投資更省、生產成本更低等優點。國內外單段半自磨流程的應用實踐表明，采用單段半自磨工藝的磨礦產品粒度 (P80值) 最小可達到 -74 μm 占 80%[3-5]。如果將單段半自磨工藝引入銅渣磨礦中，將簡化碎磨工藝流程。對于圖 1 的階段磨礦階段選別工藝，采用單段半自磨工藝替代原有的半自磨+一段球磨工藝，可實現粗磨產品粒度 -74 μm 占 60%；對于圖 2 的一次磨礦集中選別工藝，采用單段半自磨工藝達到 -74 μm 占 60%，再通過二段磨礦達到 -43 μm 占 80%，更容易保證磨礦指標的實現。因此，將單段半自磨工藝引入銅渣磨礦中，將極大地簡化碎磨工藝流程，降低碎磨工藝的投資和運行成本。

某銅渣選礦項目處理自然冷卻的冶煉爐渣，包含鼓風爐熔煉渣、反射爐熔煉渣、閃速爐渣及轉爐渣。該項目銅渣選礦工藝采用階段磨礦階段選別流程，一段磨礦產品粒度P80=106 μm (-74 μm 約占67%)，對該粒級物料進行快速浮選；浮選尾礦再磨，磨礦粒度P80=37 μm (-43 μm 約占 90%)，再次浮選。該項目銅渣球磨功指數為 24.69 (74 μm) 和 33.93 (43μm) kW·h/t?？梢钥闯?，該項目銅渣球磨功指數非常大，可磨性差，現有磨礦流程方案為半自磨+一段球磨機+再磨球磨機的三段磨礦流程。筆者對該銅渣項目首次創新性地采用了單段半自磨+再磨球磨機流程，如圖 3 所示，代替現有的半自磨+一段球磨流程，以縮短工藝流程。該項目要求一段磨礦產品粒度-74 μm 約占 67%，在單段半自磨磨礦產品粒度的合理區間 (-74 μm 含量≤80%) 內，因此，選擇單段半自磨工藝是可行的。

圖3 某銅渣項目選礦工藝流程Fig.3 Mineral beneficiation flowchart of a copper smelting slag project

3 單段半自磨流程設計

3.1 流程配置

選擇合適的流程配置是發揮單段半自磨碎磨工藝優越性的重要保證。不同礦石性質對應的單段半自磨流程配置[6-8]如表 1 所列。

表1 單段半自磨流程配置Tab.1 Configuration of single-stage SAG circuit

結合銅渣硬而脆、可磨性差、銅渣球磨功指數大的特點，該銅渣項目選擇不含有頑石破碎機的單段半自磨工藝，同時采用長徑比大于 1 的長筒型半自磨機，以延長物料在筒體內的磨礦停留時間，實現細磨[9]。

3.2 半自磨機選型

半自磨機規格和電動機安裝功率決定了單段半自磨工藝磨礦產品的細度。因此，合理的半自磨機選型是項目達標達產的關鍵?；?JK 落重試驗或 SMC 試驗參數的半自磨機選型技術已成熟應用于各類礦山的半自磨機選型中。由于該項目銅渣來源的多樣性，未進行銅渣的落重試驗或 SMC 試驗，因此，主要基于銅渣試樣試驗數據庫和銅渣碎磨工藝數據庫，結合功耗法選型理論進行半自磨機的選型計算。

該銅渣選礦項目中，單臺半自磨機新給礦量為115 t/h，新給礦為顎式破碎機粗碎產品，半自磨系統采用不含有頑石破碎機的單段半自磨工藝流程，磨礦產品粒度P80=106 μm。查詢銅渣試樣試驗數據庫可知，現有銅渣落重試驗A×b值范圍為 50.49～74.40，礦石硬度屬于“中等偏軟-軟”的范圍，結合該項目提供礦樣球磨功指數試驗值進行半自磨機選型計算。同時，參考銅渣碎磨工藝數據庫可知，現有半自磨—球磨流程中半自磨機磨礦單位能耗為 11.6～16.7 kW·h/t，對比兩種流程中半自磨機磨礦細度的不同，選取該銅渣項目單段半自磨流程中半自磨機磨礦單位能耗?？紤]到該項目銅渣來源具有不確定性，以最硬礦石試驗參數及磨礦單位能耗最大值作為選型依據，并結合該項目銅渣球磨功指數試驗值，計算得到半自磨機磨礦單位能耗為 32.0 kW·h/t。因此，選擇半自磨機的規格為φ6.1 m×7.5 m (F/F) (F/F表示磨機長度值為筒體法蘭到法蘭長度)，主電動機安裝功率為 4 500 kW。滿足磨礦條件的半自磨機運行參數如表 2 所列。

表2 φ6.1 m×7.5 m (F/F) 半自磨機運行參數Tab.2 Operating parameters of φ6.1×7.5 m(F/F) SAG mill

根據計算結果，半自磨機在鋼球充填率為 14%，總充填率為 28% 時，能夠滿足該項目要求的處理量和產品粒度指標。考慮到該項目首次采用單段半自磨流程，使用經驗少，流程可調整參數少，且該項目銅渣來源情況復雜，未進行銅渣落重試驗，選取磨機主電動機安裝功率時，需考慮一定的富余能力。預選主電動機安裝功率可以滿足半自磨機 75% 轉速率下，最大鋼球充填率 18% 和最大總充填率 30% 的拖動需求，同時還可應對銅渣來料粒度和硬度的波動，確保項目實現達產達標。

3.3 磨機結構參數設計

3.3.1 筒體襯板結構設計

針對單段半自磨機磨礦產品粒度細的特點，設計有利于達到產品粒度的筒體襯板結構。磨機前段筒體襯板和后段筒體襯板的提升條高度、面角及頂部結構形狀采用不同的設計參數，從而使前段筒體襯板破碎效果更好，后段筒體襯板研磨效果更好。

同時，針對該項目半自磨機運行時鋼球充填率高、總充填率高的特征，結合襯板結構參數進行磨礦運動仿真分析，如圖 4 所示。分析目的是保證磨機運行時物料及鋼球運動軌跡合理，落點位置合理，實現襯板結構、使用壽命及磨礦效率的最優化。

圖4 特定襯板結構參數下物料運動仿真Fig.4 Motion simulation of charge at specific parameters of mill liner

3.3.2 格子板開孔方案設計

針對該項目鋼球充填率高及需要更多小直徑鋼球研磨的需求，格子板小端開孔孔徑設計為 20 mm，避免小直徑鋼球排出；格子板大端開孔位置增加盲板設計，保證半自磨機內物料和鋼球總充填率高的研磨狀態，實現磨礦產品粒度細的目標。同時，優化開孔方案，保證總的開孔率達到 10%，以確保礦漿能夠順利通過格子孔進入礦漿提升器，提高排礦效率；格子孔間設置加強肋，從而有效降低格子孔的沖擊延展變形，避免斷裂，保障排料粒度相對穩定[10]。

3.3.3 礦漿提升器結構設計

采用單段半自磨流程時，半自磨機的給礦包括新給礦、篩上返料、旋流器沉砂三部分。結合該銅渣項目信息，估算半自磨機篩上頑石返回率約為10%，旋流器循環負荷率約為 300%～400%，這種流程中，半自磨機礦漿流量遠大于常規的 SAB(C) 流程中半自磨機的礦漿流量。如果礦漿提升器內的礦漿不能及時排出磨機，則會通過格子孔回流到筒體內，從而形成礦漿池現象，如圖 5 所示。礦漿池的存在會減弱物料和鋼球的沖擊破碎力度，降低半自磨機的磨礦效率。因此，設計單段半自磨流程中的半自磨機時，需要核算礦漿提升器的提升能力，避免產生礦漿池現象。

圖5 半自磨機內有無礦漿池對比Fig.5 Comparison of SAG mill with and without slurry pool

對于φ6.1 m×7.5 m (F/F) 半自磨機，其礦漿提升器槽板高度基礎參數如下：礦石密度為 3.5 t/m3，半自磨機筒體內部礦漿質量分數為 75%，單臺磨機新給礦量為 115 t/h。按照 400% 的旋流器循環負荷率和 10% 的篩上返回率，計算得到半自磨機物料總通過量為 586.5 t/h，物料總流量為 363.5 m3/h。另據設計與選型，格子板開孔率為 10%，磨機臨界轉速率為75%，總充填率為 30%。則計算可得礦漿提升器槽板高度平均值為 400 mm。

采用半自磨機礦漿流量計算模型，根據半自磨機規格，礦漿流速，礦漿黏性，物料和鋼球的總充填率，磨機轉速，半自磨機排料端格子孔的開孔位置、開孔面積和開孔率，礦漿提升器槽板高度等因素，計算半自磨機內礦漿的動態充填率，如果該比例大于 100%，說明在物料和鋼球表面有礦漿存留，即會形成礦漿池，降低半自磨機的磨礦效率。對應上述參數，計算半自磨機礦漿的動態充填率為 65%，則半自磨機內不會形成礦漿池。半自磨機排料端格子孔開孔率 10% 和礦漿提升器槽板高度 400 mm 是保證該項目半自磨機內不形成礦漿池的關鍵設計參數。

同時，內圈礦漿提升器肋板采用長短優化配置，并優化排料器開口尺寸，保障排礦通道暢通，減少返料發生。

3.4 磨機運行參數選取

3.4.1 磨機轉速

單段半自磨流程與半自磨—球磨流程相比，缺少了球磨磨礦，因此，磨礦產品粒度易出現波動，調整能力受限。增加半自磨機變頻調速功能有助于磨礦產品粒度的調整。圖 6 是磨機在不同臨界轉速率 (分別為 65%、75% 和 85%) 下，礦石對應不同粒度時的破碎率曲線[11]。磨機轉速越低，大塊物料沖擊破碎效果越差，破碎率越低，但磨礦時研磨效果更好，小粒級物料的破碎率更高。因此，單段半自磨流程中可以通過改變磨機的轉速來調整磨礦產品粒度。推薦該銅渣項目半自磨機臨界轉速率為 75%，采用變頻調速，磨機臨界轉速率可以在 52.5%～82.5% 的范圍內調節。

圖6 磨機轉速對破碎率的影響曲線Fig.6 Curve of influence of rotary speed of SAG mill on breakage ratio

3.4.2 鋼球級配方案

磨礦時，研磨介質尺寸的選取對磨礦效率影響較大。大直徑的鋼球，磨礦沖擊和研磨時產生能量大；小直徑的鋼球，在同樣的鋼球充填率下，鋼球數量越多，磨礦時對物料沖擊和研磨的頻次越多。因此，需要在鋼球的破碎能量和破碎頻次之間找到一個平衡點，即最佳的鋼球尺寸級配方案。結合國內外其他單段半自磨應用經驗，推薦該銅渣項目半自磨機中鋼球最大直徑為 120 mm，確定初始鋼球級配方案如表 3所列，生產中可結合碎磨工藝運行參數進一步調整優化鋼球補加方案。

表3 半自磨機初始鋼球級配方案Tab.3 Initial proportion scheme of grinding balls in SAG mill

3.4.3 鋼球充填率和總充填率

結合銅渣礦硬度低、可磨性差的特點，磨機運行時，需要在高鋼球充填率和總充填率下運行，滿足磨礦時破碎率高和磨礦產品粒度細的要求。推薦磨機運行時的鋼球充填率為 14%，總充填率為 28%。電動機功率 4 500 kW 可以滿足磨機最大鋼球充填率 18% 和總充填率 30% 的拖動需求[12-13]。

4 單段半自磨流程應用實例

4.1 國內某銅礦應用情況

該銅礦礦樣試驗參數：落重試驗A×b=136.5，礦石硬度低；球磨功指數為 9.34 kW·h/t，礦石易磨。另外，設計處理量為 3 330 t/d。一段粗碎采用顎式破碎機破碎，破碎后產品進入磨礦系統研磨，碎磨工藝采用單段半自磨流程，半自磨機磨礦產品通過圓筒篩和水力旋流器兩段分級，粗粒級物料返回半自磨再次磨礦，旋流器溢流產品為選別工藝要求的磨礦產品，產品粒度 -74 μm 通過 95%，對應產品P80約為52 μm。筆者于 2012 年結合試驗參數和碎磨工藝參數進行了磨機選型計算，推薦 1 臺裝機功率為 1 600 kW的φ5.5 m×3.5 m 半自磨機作為該銅礦單段半自磨工藝的磨礦設備。針對此工藝設計磨機時，優化了筒體襯板和礦漿提升器結構參數。該銅礦 2014 年 1 月投產，2014 年 10 月原礦處理量達到 4 000 t/d，磨礦產品粒度P80=50 μm，系統達標達產。半自磨機運行功率為 1 200 kW，鋼球充填率為 15%，最大鋼球直徑為 100 mm，每噸原礦的鋼球消耗量約為 0.4 kg，總充填率約為 25%，礦漿質量分數為 70%，格子板孔徑為 35 mm，圓筒篩返料率為 8%，旋流器返砂率為260%。

4.2 國外某金礦應用情況[14]

該金礦位于加納西南部，試驗礦樣破碎功指數為21.2 kW·h/t，棒磨功指數為 20.3 kW·h/t，球磨功指數為 12.6 kW·h/t，磨蝕指數為 0.6。礦石硬度高，可磨性中等。設計處理量為 420 萬 t/a (525 t/h)，要求磨礦產品粒度P80=75 μm。碎磨工藝采用單段半自磨流程，半自磨機規格為φ8.2 m×12.8 m，裝機功率為 14 000 kW，設計磨機臨界轉速率為 60%～75%，鋼球充填率為 18%，循環負荷為 350%，格子板孔徑為 35 mm。該金礦采用長筒型半自磨機，為了防止磨機筒體內出現礦漿池現象，該磨機安裝了容積更大的礦漿提升器。同時，變頻調速對于單段半自磨流程中的半自磨機是必要的。在處理軟礦石時，磨機可以采取低轉速、高鋼球充填率的操作參數，提高磨礦介質的研磨能力，降低磨礦產品細度。由于設計階段考慮周全，有效降低了各種風險，該金礦于 2004 年 9 月投產，短時間內即達到并超過設計處理能力，磨礦產品細度P80在 75～150 μm 范圍內波動，但對回收率影響較小。總體來說，該金礦單段半自磨流程的應用是成功的。

單段半自磨工藝流程短、投資低，但在生產操作中調整措施有限，因此需要在工藝和磨機設計階段全面考慮。隨著半自磨機應用經驗的成熟，單段半自磨流程在許多礦山得到成功的應用，南非有超過 40 個金礦使用該流程；在澳大利亞、加拿大、美國等國家，單段半自磨流程也成功應用于鉛鋅礦、鎳礦、銅礦、鉬礦等有色金屬礦山；國內也有部分礦山成功應用了單段半自磨流程。

5 銅渣碎磨工藝展望

對于階段磨礦階段選別的銅渣選礦工藝流程，滾筒式球磨機是目前選礦廠應用最廣泛的磨機類型之一，具有磨礦效率高、操作簡便的優點。但是，其介質作用方式與磨機筒體轉速有關，選擇性磨礦效果較差，易過磨。同時，研磨作用易磨去物料的棱邊和尖角，磨礦產品顆粒圓形度較高，浮選時不利于其與氣泡碰撞黏附。筆者認為，相比于滾筒式球磨機，中礦再磨可考慮使用立式攪拌磨細磨設備。立式攪拌磨主要通過擠壓剪切作用使物料碎裂，磨礦壓力首先集中于大塊物料，其次才是粒度較小的物料，因而選擇性磨礦效果較好，不易過磨，產品粒度分布范圍較小。攪拌磨主要用于超細粉碎，磨礦時，物料和介質在磨筒內不斷地上下左右相互交換位置，通過介質重力以及介質與物料之間的擠壓力將物料粉碎，其產品粒度均勻，磨礦效率高[15]。

對于該銅渣項目，二段磨礦處理量約為 130 t/h，新給礦粒度F80=106 μm，產品粒度P80=37 μm，采用立式攪拌磨可以滿足碎磨工藝參數和礦石性質參數要求。結合與該銅渣項目給礦粒度和產品粒度范圍類似的其他項目應用數據，相比較球磨機磨礦，采用立式攪拌磨細磨設備可節能約 35%[16-17]。對于該銅渣項目，采用球磨機，磨礦單位電耗約為 25.3 kW·h/t；如果采用立式攪拌磨，磨礦單位電耗約為16.5 kW·h/t，中礦再磨節約電耗為 8.8 kW·h/t，1 臺立式攪拌磨年節省電費約為 400 萬元。

多數銅渣磨礦產品粒度要求 -43 μm 占 80%～90%，一段磨礦采用單段半自磨流程，可實現產品粒度P80約 106 μm，二段磨礦采用立式攪拌磨閉路流程，可實現產品粒度P80約 37～45 μm。無論銅渣碎磨工藝采用連續磨礦還是階段磨礦，單段半自磨可簡化流程，立式攪拌磨可降低能耗。因此，單段半自磨+立式攪拌磨流程是銅渣碎磨工藝最合理的、理想的流程。

同時，立式攪拌磨具有設備占地面積小、土建基礎成本低、磨礦能耗低、鋼耗低的優勢，能夠降低項目的投資成本和運行成本。因此，隨著單段半自磨流程在銅渣碎磨工藝的成功應用，單段半自磨+立式攪拌磨的工藝流程將會得到進一步的推廣應用。

6 結語

(1) 結合某銅渣項目選礦工藝流程和銅渣礦石性質，分析了采用單段半自磨流程代替現有半自磨+一段球磨磨礦的合理性。

(2) 參考單段半自磨流程在國內外其他礦山的應用經驗，基于該銅渣項目的礦石性質，選擇了一段粗碎+不含有頑石破碎機的單段半自磨工藝流程作為該銅渣項目一段碎磨工藝流程，并結合工藝要求進行了半自磨機設備選型，合理的流程配置和合適的磨機規格也是保證該項目達產達標的關鍵。

(3) 結合該銅渣項目的磨礦產品粒度和礦石性質，針對單段半自磨流程特征，對半自磨機的結構參數進行特殊設計，優化了筒體襯板結構、格子板開孔方案和礦漿提升器結構參數，并對磨機運行關鍵參數進行了合理選取，確保單段半自磨流程在銅渣碎磨工藝上的成功應用。

(4) 展望了單段半自磨+立式攪拌磨流程在銅渣碎磨工藝上的應用前景。該工藝具有流程短、設備數量少、土建成本低、運行能耗低、鋼耗低等優勢，將會進一步降低銅渣碎磨工藝的投資和運行成本。