“雙碳”戰略下礦山碎磨工藝的現狀與發展

呂冠男，張 萌，郭彥成，王 琴

1洛陽礦山機械工程設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

選 礦是礦石有用元素富集提取的必要手段，而磨礦過程是選礦不可缺少的工序，磨礦質量的高低往往決定著選礦指標的優劣[1]。無論是建設投資還是運營成本，碎磨過程均占有較大比重。碎磨系統投資往往占選礦廠總投資的 60% 以上，碎磨能耗占選礦廠總能耗的 65%～ 70%，介質和襯板消耗占選礦廠總生產費用的 80%～ 90%[2-4]。隨著工業礦床貧、細、雜的特點日益顯現，選礦給礦粒度持續走低，碎磨系統所承擔的作業比例將不斷提高，能耗逐漸增加，尤其在超細磨作業中，傳統臥式磨機的能耗隨產品粒度的減小呈指數級增長[5]。根據我國《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》中的“雙碳”工作目標要求，到 2025 年，綠色低碳循環發展的經濟體系初步形成，重點行業能源利用效率大幅提升，單位國內生產總值能耗比 2020 年下降 13.5%。為貫徹落實國家“雙碳”戰略決策部署，礦業行業應主動推動綠色轉型發展，切實做好本行業尤其是碎磨工藝與裝備的節能降碳行動規劃，助力我國“雙碳”目標順利實現。筆者通過介紹礦業領域常規碎磨工藝的發展現狀以及高效節能碎磨設備的應用現狀，闡述了礦業行業圍繞高壓輥磨機、攪拌磨進行碎磨流程新工藝的開發與應用是未來礦山碎磨工藝的發展趨勢。

1 常規碎磨工藝的發展現狀

1.1 兩段或三段破碎+球磨工藝

自 1891 年法國人 Konow 和 Davidson 發明球磨機以來，以兩段破碎為主的多段破碎+球磨工藝普遍用于大宗物料的粉磨作業。但是相比于磨礦，球磨機碎礦的效果不甚理想，因此人們試圖把球磨機碎礦的任務移到磨機外，由破碎機來完成，即推行“多碎少磨”工藝，減小入磨物料的粒徑。這項舉措經實踐證明，的確有提產、節能的效果。早在 20 世紀 60 年代，國外粉磨工作者就已主張在兩段破碎的基礎上，再增加一段細破，將入磨物料的平均粒徑從 25～ 30 mm 降到 15 mm 以下。自此，兩段或三段破碎+球磨工藝作為常規碎磨工藝在國外廣為流行[6]。國內細破設備在 20 世紀 80 年代以后發展迅速，大多以同期國外產品為藍本加以改進而成；90 年代后結合國內應用實際有了不少改進與創新，對我國推行“多碎少磨”工藝、降低粉磨作業成本貢獻卓著。

目前，常規三段一閉路破碎+球磨工藝是國內外應用最廣泛的碎磨工藝，如美國的西雅里塔銅礦，國內的江銅德興大山選廠、紫金多寶山銅礦一期選廠等，其工藝流程如圖1 所示。該工藝技術成熟可靠，對礦石性質的變化適應性強，現場操作管理經驗豐富，生產較為穩定；但工藝流程復雜，生產環節多，投資建設成本高，設備維護保養工作量大。隨著國外半自磨技術的引進，這種流程短、投資少的碎磨工藝越來越受國內金屬礦山項目的青睞，傳統的兩段或三段破碎工藝不再是此類項目的首選。

圖1 常規三段一閉路破碎+球磨工藝Fig.1 Conventional process of three-stage and one closed-circuit crushing+ball mill

1.2 半自磨工藝

半自磨工藝是在礦石自身作為介質的自磨基礎上，通過補加一定比例的鋼球來彌補自身介質不足的磨礦過程。從 20 世紀 90 年代，隨著半自磨技術的成熟，以半自磨機為核心的半自磨工藝在金屬礦山得到了廣泛的應用和推廣。國內的半自磨工藝在 2004 年以前主要應用在小規模鐵礦山，且多為原有自磨機改造；2004 年以后，半自磨工藝才開始在一些新建選廠，尤其是一些大型礦山選廠得到廣泛應用[7-8]。以半自磨機為核心的半自磨工藝流程，從簡單到復雜主要包括單段半自磨 (SS SAG)、半自磨+球磨 (SAB)以及半自磨+球磨+頑石破碎 (SABC)。常規半自磨工藝流程如圖2 所示。

圖2 常規半自磨工藝Fig.2 Conventional process of semi-autogenous grinding mill

由于 SS SAG 流程受工況參數、磨機參數、分級回路等因素的影響，存在一定的風險，目前在國內礦山應用較少，但在國外礦山應用比較廣泛，比如南非的金礦礦山，美國、加拿大、澳大利亞等地區的銅礦、鎳礦、鉬礦和鉛鋅礦等有色金屬礦山[9]。國內礦山應用較多的半自磨工藝是 SAB 和 SABC 流程，比如在我國首次引進半自磨設備、采用 SAB 流程的銅陵冬瓜山銅礦，同樣采用 SAB 流程的太鋼袁家村鐵礦，采用 SABC 流程的內蒙古烏山銅鉬礦選廠、黑龍江伊春鹿鳴鉬銅礦選廠等。此外，德興銅礦、白馬鐵礦、普朗銅礦、紫金山金銅礦、金川銅鎳礦等知名礦山都相繼采用 SAB 或 SABC 半自磨工藝，這兩種工藝在國內積累了大量的應用實踐[10]。國外采用 SAB流程的主要有澳大利亞芒特肯斯鎳選廠、加拿大洛耐克斯銅鉬礦、美國皮馬四期銅礦等，采用 SABC 流程的主要有印尼 Freeport 銅金礦、智利 Escondida 銅礦等。到目前為止，世界上約有 1 200 多臺各類 (半) 自磨機應用于銅、金、鐵等金屬礦山[11]。

半自磨工藝具有破碎比大、流程短、設備少、投資低、維護量少的優點，便于生產和管理，容易實現自動控制；但相比于常規 3CB 流程，半自磨工藝對礦石性質的變化較為敏感，在設備運轉率、磨礦效率以及電耗方面也要比常規球磨工藝高。現場配置半自磨設備時，通常傾向于采用變速驅動裝置，通過調節轉速率和鋼球充填率來適應礦石性質的波動以及不同工況的要求。目前，國產半自磨機正朝著大型化、智能化的方向發展，隨著半自磨工藝技術的進步，未來半自磨工藝在國內外礦山必將有更為廣闊的應用前景。

2 高效節能碎磨設備在碎磨工藝中的應用

2.1 高壓輥磨機在碎磨工藝中的應用

高壓輥磨機是 20 世紀 80 年代德國克勞斯塔爾工業大學 Sch?nert 教授基于層壓粉碎原理研發的一種高效節能粉碎設備，其工作原理如圖3 所示。相較于常規破碎設備，高壓輥磨機的節能優勢體現在：一方面，高壓輥磨機能夠將物料破碎到 6 mm 以下，相比常規三段破碎，入磨的粒度進一步減小，這有助于降低后續磨礦作業的能耗，從而提高產量；另一方面，經高壓輥磨機破碎的物料內部會有不可避免的晶格損傷和微小裂紋，能夠使物料的可磨性得到改善，降低磨礦功指數，進而降低磨礦能耗。高壓輥磨機自1985 年問世以來，在水泥、化工、球團礦細磨等領域得到了廣泛的應用[12]。1995 年，隨著高壓輥磨機在美國亞利桑那州銅礦的成功應用，它在世界各地的金屬礦山不斷得到應用和推廣[13]。國內金屬礦山應用高壓輥磨機起步較晚，2006 年首次應用在馬鋼凹山鐵礦，金堆城鉬業是我國首個使用高壓輥磨機的有色金屬礦山[14]。

圖3 高壓輥磨機的工作原理Fig.3 Working principle of high-pressure grinding roll

高壓輥磨機具有破碎比大、適應性強、產品粒度細、能量利用率高等特點。它在礦石碎磨工藝中的應用主要有 3 種：取代三段細碎 (見圖4)、用于四段超細碎、用于自磨或半自磨流程的頑石破碎。這種高效節能破碎設備在碎磨流程中的大量使用，不僅能在工藝上降低產品粒度，簡化工藝流程，提高生產效率，而且對實現“多碎少磨”、礦山節能降耗意義重大。當前，得益于高壓輥磨機的工藝特點和節能優勢，越來越多的礦山在碎磨流程及改造項目中選擇使用高壓輥磨機，并且國內外部分企業和研究單位已經開始圍繞高壓輥磨機進行新工藝的研發和試用。在現如今實施“雙碳”戰略的大環境下，高壓輥磨機必將在今后的礦山行業得到更廣泛的應用。

圖4 常規高壓輥磨機取代三段細碎工藝Fig.4 Conventional process of high-pressure grinding roll replacing three-stage fine crushing

2.2 攪拌磨在碎磨工藝中的應用

攪拌磨的概念是 Klein 和 Szegvari 博士于 1928年提出來的，日本的河端重勝博士在 1952 年發明了立式攪拌磨 (下文簡稱“立磨”)，第一臺用于選礦行業的立磨由日本 Kubota 公司制造。立磨的工作原理如圖5 所示。除此之外，攪拌磨還包括臥式攪拌磨，其代表機型為 ISA 磨，但國內應用很少。20 世紀 40 到60 年代，攪拌磨在日本、美國等國家發展迅速[15]；而國內應用起步較晚，從 80 年代末的油漆、顏料行業小型磨機發展到如今金屬、非金屬礦廣泛應用的大型磨機[16]。在礦山領域，攪拌磨主要應用于礦石的細磨作業，相較于傳統臥式球磨機，攪拌磨依靠介質和礦石間表面摩擦來粉碎磨礦，更有利于細磨，能耗節約可達 35% 左右。

圖5 立磨的工作原理Fig.5 Working principle of vertical mill

在礦山碎磨工藝中，攪拌磨主要應用于二段或三段精礦再磨流程，采用立磨的典型工藝如圖6 所示。因其具有能量密度高、磨礦效率高、產品粒度分布均勻的特點，攪拌磨作為高效細磨關鍵設備，在礦山節能降耗方面發揮著重要作用。在當前“雙碳”戰略背景下，圍繞攪拌磨進行的碎磨工藝創新也將成為礦業從業者的熱門研究方向。

圖6 常規立磨再磨工藝Fig.6 Regrinding process of conventional vertical mill

3 “雙碳”戰略下碎磨工藝的創新

高壓輥磨機和攪拌磨是礦山板塊節能降耗的核心產品，借助這兩種高效節能碎磨設備，不少礦業從業者開始了碎磨系統新工藝的研究與嘗試，這不僅是“雙碳”戰略對行業節能降耗的要求，也是礦業企業提產增效的實際需要。

3.1 自/半自磨+立磨工藝

自/半自磨流程可簡化工藝、降低投資，立磨的應用不僅具有節能優勢，還可以提高磨礦效率，避免礦石過粉碎。隨著自/半自磨工藝和立磨工藝技術的逐漸成熟，自/半自磨+立磨工藝逐漸進入礦業從業者的研究視線。自 2003 年起，澳大利亞 BHP Billiton公司 Cannington 銀鉛鋅礦選廠就在運行自磨+立磨工藝，其工藝流程如圖7 所示。該廠一段磨礦采用一臺φ8.5 m×4.0 m (6 800 HP) 自磨機與φ400 mm 旋流器組成閉路磨礦，頑石破碎采用美卓 HP300 圓錐破碎機；二段磨礦采用一臺 VTM1500WB (1 100 kW) 立磨與φ250 mm 旋流器組成閉路，磨礦產品粒度能達到P80=95 μm，處理能力從改造前的 250 t/h 提高到 350 t/h，并且隨著工藝的完善和操作的成熟，該工藝的處理量還將進一步提高[17]。Cannington 銀鉛鋅礦選廠的應用實踐證明，自/半自磨+立磨工藝能有效地節能降耗、提產增效。此工藝在國內的首次應用是在某鐵礦選廠，該選廠立磨在 2019 年安裝完畢，目前已進入生產階段[18]。

圖7 自磨+立磨工藝流程Fig.7 Process flow of autogenous grinding mill+vertical mill

目前，對半自磨+立磨工藝的研究多見于銅渣礦磨礦方面。銅渣礦是一種人造礦石，我國現今主流的銅渣礦碎磨工藝采用半自磨流程，多為半自磨+球磨的多段磨礦，比如紫金銅業、金川銅業等。研究發現，大多數銅渣礦項目要求磨礦產品粒度 -43 μm占 80%～ 90%。一段半自磨磨礦能夠達到的產品粒度P80約為 106 μm，立磨的給礦粒度F80一般為 74～ 300μm，一段半自磨的產品在粒度上可以滿足立磨機的入磨要求；并且二段采用立磨閉路磨礦，可實現產品粒度P80約為 74～ 20 μm，完全可以滿足銅渣礦的磨礦要求[19]。再加上單段半自磨對流程的簡化，以及立磨的節能特點，半自磨+立磨工藝在銅渣礦項目上有著十分廣闊的應用前景。

3.2 高壓輥磨+立磨工藝

高壓輥磨+立磨工藝是當前礦業從業者在碎磨系統新工藝上的研究熱點。如今，礦石性質貧、細、雜的問題日益凸顯，高壓輥磨機和立磨的聯合碎磨工藝具有巨大的節能降本優勢。理論上，高壓輥磨機破碎后的產品粒度較粗，不能直接進入立磨，兩者的聯合碎磨需要制定合適的工藝，使高壓輥磨機的破碎產品粒度能夠達到立磨機的入磨要求。目前，主流研究的高壓輥磨+立磨工藝有兩種：多段高壓輥磨機串聯 +立磨、高壓輥磨機的雙閉路破碎+立磨，前者在國外的研究比較廣泛，后者在國內比較流行，目前已在鉛鋅礦和磁鐵礦碎磨領域推廣使用。

2002 年，澳大利亞昆士蘭大學 Valery 和 Jankovic首次提出高壓輥磨機和立磨聯合碎磨的概念，工藝流程如圖8 所示。該工藝采用二段高壓輥磨破碎+立磨細磨。仿真結果表明，該工藝能夠降低將近 45% 的能耗[20]17。2007 年，Daniel 博士等人在中試型高壓輥磨機上進行多段串聯的高壓輥磨機破碎效率試驗。結果表明，高壓輥磨機的破碎效率在三段以后變得很低，由此得出兩段串聯是高壓輥磨機粉碎礦石的最佳選擇[21]。目前，多段高壓輥磨+立磨工藝尚沒有實際應用，但高壓輥磨機的雙閉路破碎+立磨工藝已在國內得到推廣使用，其工藝流程如圖9 所示。該工藝的首次工業實踐是在黑龍江某鐵鋅礦，礦石在高壓輥磨機中閉路破碎到 -1 mm，再給入旋流器+立磨機組成的閉路磨礦系統，磨礦細度可達到 -74 μm 占 85%，處理量達到 650 t/h。隨后，湖南某銅鋅多金屬礦也應用了該工藝。高壓輥磨+立磨的短流程碎磨工藝雖然尚未成熟，但其帶來的節能效果和成本效益仍吸引著眾多礦業從業者進行研究。

圖8 二段高壓輥磨+立磨工藝流程Fig.8 Process flow of two-stage HPGR+vertical mill

圖9 粗碎+中碎+高壓輥磨細碎+立磨工藝流程 (黑龍江某鐵鋅礦選廠)Fig.9 Process flow of coarse crushing+medium crushing+highpressure grinding roll fine crushing+vertical mill (an iron and zinc ore concentrator in Heilongjiang)

3.3 高壓輥磨 (+立磨)+ISA 磨工藝

ISA 磨由澳大利亞 MountIsa 礦山和德國Netzsch-Feinmahltec 公司共同研制而成，20 世紀 90年代獲得工業應用，如今在國外已廣泛應用于銅、鉛、鋅等有色金屬礦石的細磨。ISA 磨在國內的應用還處于起步階段，目前有代表性的應用案例為黑龍江多寶山銅礦選廠銅鉬混合粗精礦的再磨作業，其產品細度可達 -28 μm 占 80%。有關 ISA 磨的碎磨工藝創新多為與高壓輥磨機的聯合流程，目前在國內外尚處于研究設想階段。2006 年，昆士蘭大學 Pease 等人提出了一種假設的高壓輥磨機和 ISA 磨的聯合工藝[22]。2008 年，肯特大學 Ayers 等人在英國鉑科冶金實驗室運行了第一個中試規模的高壓輥磨+ISA 磨流程，工藝流程如圖10 所示。該流程中，高壓輥磨產品經 5 mm 干篩和 850 μm 濕篩后給入 M250 ISA 磨，給礦粒度F80為 300 μm，磨礦產品P80能達到 45 μm；但是，相對于傳統流程平均 30～ 35 kW·h/t 的能耗，該工藝的能耗高達 80 kW·h/t，高壓輥磨和 ISA 磨的節能優勢并沒有體現[20]29。國內江西某大學教授也提出了一種高壓輥磨+立磨+ISA 磨的聯合碎磨工藝，工藝流程如圖11 所示。該工藝最大程度上發揮了高壓輥磨機、立磨機和 ISA 磨的節能特點，總能耗可比常規 SABC 流程下降 30%。

圖10 高壓輥磨+ISA 磨工藝流程Fig.10 Process flow of high-pressure grinding roll+ISA Mill

圖11 高壓輥磨+立磨+ISA 磨工藝流程Fig.11 Process flow of high-pressure grinding roll+vertical mill+ISA mill

4 “雙碳”戰略下碎磨工藝的發展方向

4.1 傳統工藝改造

近年來，為響應國家“雙碳”戰略以及礦山選廠提產增效的實際需要，礦業行業一方面對傳統碎磨設備進行升級改進，使其整體朝大型化、自動化、高效低耗的方向發展；另一方面，在選廠傳統碎磨流程改造項目中，偏重于使用高效節能的碎磨設備，新礦山項目的技術經濟性比較也逐漸離不開這些設備的參與。基于“多碎少磨”的原則，高壓輥磨機作為細碎或超細碎設備能有效減小入磨粒度，攪拌磨作為細磨設備能顯著提高磨礦效率，整體上能夠達到礦山選廠節能降耗的目的。但是，目前對這些高效節能碎磨設備的選擇，仍缺乏行業認可的選型計算標準，設備大型化、智能化的開發也進展緩慢，未來在這些方面仍需努力。

4.2 新工藝研發

圍繞高壓輥磨機和攪拌磨進行碎磨新工藝的開發，是當前礦業從業者致力于礦山節能降耗的熱門研究方向。到目前為止，自/半自磨+立磨工藝以及高壓輥磨+立磨工藝雖然尚不成熟，但在礦山選廠已有工業應用，生產實踐會加快這類工藝的改進與完善；ISA 磨的新工藝開發雖然困難重重，但也是高效節能碎磨設備在新工藝應用上的發展方向。未來的礦業行業應加強對這類新工藝的試驗研究與工業化試驗，以適應礦石性質變化，并滿足日益頻繁的礦山建設和碎磨流程技術改造的需要。

5 結語

(1) 高效節能碎磨設備是礦山節能降耗、踐行國家“雙碳”戰略的有力武器。礦業行業要逐步淘汰或改進高能耗、低效率的碎磨設備，圍繞高效節能碎磨設備進行新工藝的開發研究與工業化試驗。

(2) 國內應加快高效節能碎磨設備大型化、智能化的開發與研究，加強碎磨試驗研究，完善高效節能碎磨設備的選型計算方法。

(3) 加快推進高效節能新工藝的應用與推廣，充分發揮高壓輥磨機、攪拌磨在礦山碎磨工藝上的節能降本優勢，使其逐漸在生產實踐中發展為礦業行業高效先進的碎磨工藝技術，從而推動整個行業的技術進步。