高壓輥磨在某鎢礦碎磨系統(tǒng)優(yōu)化改造中的應(yīng)用研究

趙亞偉，張 萌，張興麗，王 琴，董節(jié)功

1洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計研究院有限責(zé)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

3中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽 471039

某鎢選廠采用傳統(tǒng)的三段破碎+球磨碎磨工藝，現(xiàn)場處理能力為 3 500 t/d，目前選廠規(guī)劃將產(chǎn)能擴(kuò)大到 4 500 t/d，但因磨礦車間場地限制，無法采用直接增加球磨機(jī)的方案達(dá)到提產(chǎn)目標(biāo)。考慮到選廠破碎系統(tǒng)仍有富余能力，而且破碎區(qū)域場地利用潛力較大，擬采用在破碎系統(tǒng)后增加高壓輥磨超細(xì)碎作業(yè)的優(yōu)化改造方案。高壓輥磨優(yōu)化改造方案不僅能夠有效地減小球磨機(jī)入磨粒度[1]，而且礦物經(jīng)高壓輥磨輥壓后，研磨特性得以改善[2]，能夠更有效地利用現(xiàn)有球磨機(jī)，大幅度提高磨礦效率[3]，達(dá)到選廠提產(chǎn)增效、節(jié)能降耗的優(yōu)化改造目標(biāo)。筆者以高壓輥磨對某鎢礦碎磨系統(tǒng)的優(yōu)化改造為主線，論述高壓輥磨優(yōu)化改造的整體思路、關(guān)鍵設(shè)計步驟和設(shè)計參數(shù)，包括高壓輥磨超細(xì)碎參數(shù)的確定、高壓輥磨設(shè)備選型、中細(xì)碎破碎機(jī)和篩分設(shè)備的工藝參數(shù)與運行工況調(diào)整，以及優(yōu)化后選廠碎磨工藝運行狀況與指標(biāo)的預(yù)測和分析等。

1 選廠碎磨系統(tǒng)現(xiàn)狀與優(yōu)化目標(biāo)

某鎢選廠采用傳統(tǒng)的三段破碎+球磨碎磨工藝。原礦經(jīng)粗碎后給入雙層復(fù)頻篩，篩上產(chǎn)物進(jìn)入中碎作業(yè)，中碎產(chǎn)物返回復(fù)頻篩；底層篩篩下產(chǎn)物作為合格礦進(jìn)入粉礦倉；中間粒級產(chǎn)物進(jìn)入智能光選系統(tǒng)。進(jìn)入光選系統(tǒng)的礦石經(jīng)雙層直線振動篩，篩下產(chǎn)物進(jìn)入磨浮流程，中間產(chǎn)物進(jìn)入細(xì)碎，篩上產(chǎn)物進(jìn)入光選機(jī)選別 (相對原礦拋尾率約 27%)，選別后拋出的廢石進(jìn)入井下回填。細(xì)碎產(chǎn)物給入細(xì)碎雙層復(fù)頻篩，篩下產(chǎn)物進(jìn)入粉礦倉，兩層的篩上產(chǎn)物全部返回細(xì)碎，形成閉路。磨礦作業(yè)采用單段球磨工藝，球磨機(jī)設(shè)計入磨粒度為 -12 mm，磨礦產(chǎn)品 -0.074 mm 含量為 50%～60%。碎磨工藝流程如圖1 所示。

選廠自建成投產(chǎn)以來，經(jīng)過多次試驗和調(diào)整，確定了合理的破碎磨礦工藝參數(shù)，處理能力達(dá)到 3 500 t/d，選廠目前破碎磨礦主要設(shè)備參數(shù)如表1 所列。

表1 破碎磨礦主要設(shè)備參數(shù)Tab.1 Main equipment parameters for crushing and grinding

由表1 可以看出，現(xiàn)場粗、中、細(xì)碎破碎機(jī)運行負(fù)荷較低，破碎系統(tǒng)具有較大的富余能力；但現(xiàn)場 4臺格子型球磨機(jī)運行功率已超電動機(jī)功率，磨機(jī)已滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)，磨礦系統(tǒng)的處理能力已達(dá)當(dāng)前條件下的最大值。

同時，選廠對磨礦分級流程進(jìn)行了考察，球磨機(jī)粒級篩析結(jié)果如表2 所列。根據(jù)磨機(jī)溢流粒度分析，-0.045 mm 產(chǎn)率為 24.72%，存在過磨問題；根據(jù)磨機(jī)排礦粒度分析，+0.18 mm 產(chǎn)率為 62.26%，可見磨礦效果不理想，磨礦產(chǎn)品跑粗較多；根據(jù)磨機(jī)返砂粒度分析，-0.125 mm 產(chǎn)率為 24.62%，占比較大，返砂中存在的合格粒級過多，分級效果不佳。綜合分析，現(xiàn)場球磨機(jī)磨礦效果較差，存在粒度跑粗和過磨問題，亟需解決。

表2 球磨機(jī)粒級篩析Tab.2 Particle size screening analysis of ball mil

針對現(xiàn)場存在的問題，選廠希望在綜合利用現(xiàn)有破碎、磨礦設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過對碎磨系統(tǒng)的優(yōu)化改造，將磨礦系統(tǒng)處理能力提升至 4 500 t/d，同時解決現(xiàn)在球磨系統(tǒng)磨礦效率低、生產(chǎn)波動過大等問題，達(dá)到提產(chǎn)增效、節(jié)能降耗的目的，提高選廠的市場綜合競爭力。

2 碎磨系統(tǒng)優(yōu)化方案與關(guān)鍵設(shè)計步驟

2.1 優(yōu)化方案

針對選廠提產(chǎn)增效、節(jié)能降耗的優(yōu)化改造目標(biāo)，通過對現(xiàn)場碎磨設(shè)備運行工藝參數(shù)分析，初步擬定了兩種碎磨工藝優(yōu)化改造方案。

(1) 方案 1：直接增加球磨機(jī) 保持現(xiàn)有球磨設(shè)備不變，在現(xiàn)有磨礦系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，額外增加一臺球磨機(jī)，與現(xiàn)有球磨機(jī)并聯(lián)工作，以滿足磨礦系統(tǒng)提產(chǎn)要求。

該方案優(yōu)點為：破碎設(shè)備的工藝參數(shù)和運行工況無需大幅調(diào)整，僅延長作業(yè)時間即可；只需增加一臺球磨機(jī)，且員工對球磨機(jī)操作熟練。該方案缺點為：碎磨總體工藝流程沒有改變，只是設(shè)備重復(fù)增加，無法達(dá)到多碎少磨、節(jié)能降耗的目的；因磨浮車間場地限制，難以實施。

(2) 方案 2：增加高壓輥磨超細(xì)碎作業(yè) 在細(xì)碎后增加高壓輥磨機(jī)超細(xì)碎作業(yè)，符合多碎少磨的節(jié)能工藝要求[4]，能夠降低球磨機(jī)入磨粒度，增加給料中的粉料量，降低礦石硬度，從而降低磨礦系統(tǒng)能耗，達(dá)到提產(chǎn)要求。

該方案優(yōu)點為：高壓輥磨的層壓破碎工作機(jī)理[5]，使得輥壓破碎產(chǎn)品產(chǎn)生大量微裂紋，能夠有效降低破碎產(chǎn)品粒度，降低礦物的抗研磨能力，提高物料易磨性[6]，降低磨礦功指數(shù)，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的；采用高壓輥磨超細(xì)碎作業(yè)，符合多碎少磨的節(jié)能工藝要求，明顯提高球磨機(jī)磨礦效率，從而提高磨礦系統(tǒng)的處理能力，而且能大幅降低磨礦能耗、磨礦介質(zhì)消耗量[7]；由于增加高壓輥磨超細(xì)碎作業(yè)段，現(xiàn)有破碎設(shè)備的排礦口可以適當(dāng)調(diào)整放大，不僅能降低破碎設(shè)備的負(fù)荷率，而且可以延長破碎設(shè)備的襯板使用壽命，降低鋼耗。該方案缺點為：整個碎磨系統(tǒng)中，設(shè)備的工藝和工況參數(shù)需要較大幅度的調(diào)整和設(shè)計，以滿足現(xiàn)場的產(chǎn)能、細(xì)度要求并達(dá)到電耗、鋼耗下降的優(yōu)化目標(biāo)；新增設(shè)備數(shù)量多，設(shè)備投資成本高。

本次改造根據(jù)現(xiàn)場布置總圖和廠房內(nèi)部設(shè)備配置等實際情況，綜合對比分析，確定最有效可行的方案是，利用現(xiàn)有三段碎礦系統(tǒng)，新建高壓輥磨系統(tǒng)，降低球磨機(jī)入磨粒度，提高礦石的可磨性，從而提高現(xiàn)有球磨機(jī)的生產(chǎn)能力。

優(yōu)化后的碎磨系統(tǒng)采用三段破碎+高壓輥磨+球磨工藝，高壓輥磨機(jī)采用干式篩分閉路工藝，與磨礦系統(tǒng)同步作業(yè)，物料經(jīng)高壓輥磨機(jī)輥壓作用后進(jìn)入磨礦系統(tǒng)，改造后的工藝流程如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化改造后的碎磨工藝流程Fig.2 Optimized crushing and grinding process for HPGR

2.2 關(guān)鍵設(shè)計步驟

高壓輥磨優(yōu)化改造方案的關(guān)鍵設(shè)計步驟有：球磨機(jī)能力核算、高壓輥磨機(jī)能力核算、破碎及篩分設(shè)備的能力核算及改造后效果分析與預(yù)測等，各關(guān)鍵步驟的主要目的和工作內(nèi)容如表3 所列。

表3 主要目的和內(nèi)容Tab.3 Main purpose and content

3 碎磨系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

3.1 球磨機(jī)生產(chǎn)能力核算

礦物經(jīng)高壓輥磨機(jī)輥壓后，預(yù)測其球磨功指數(shù)降低了 10%，即為 12.85 kW·h/t，并以此為礦石性質(zhì)依據(jù)。用于球磨機(jī)產(chǎn)能核算的參數(shù)如表4 所列。其中，系列 1 包括 1、2 號球磨機(jī)，系列 2 包括 3、4 號球磨機(jī)。

表4 用于球磨機(jī)產(chǎn)能核算的參數(shù)Tab.4 Parameters for ball mill productivity calculation

利用原磨礦設(shè)備，保持球磨機(jī)運行工況不變 (磨機(jī)滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)狀態(tài))，4 臺格子型球磨機(jī)在滿足處理量4 500 t/d 的提產(chǎn)要求時，采用功耗法對最大入磨粒度進(jìn)行計算，主要計算結(jié)果如表5 所列。

表5 主要計算結(jié)果Tab.5 Main calculation results

3.2 高壓輥磨機(jī)生產(chǎn)能力計算

(1) 確定高壓輥磨閉路篩孔徑 由表5 可知，若保持原設(shè)計磨礦設(shè)備數(shù)量不變，球磨機(jī)最大入磨粒度需降低至 -3.0 mm，此時，磨礦系統(tǒng)總產(chǎn)能達(dá) 4 512 t/d，能夠滿足項目提產(chǎn)要求。球磨機(jī)入料為高壓輥磨產(chǎn)品，即高壓輥磨閉路篩孔徑需確定為 3.0 mm。

(2) 確定循環(huán)負(fù)荷 根據(jù)給礦粒度與產(chǎn)品粒度的關(guān)系，結(jié)合礦山數(shù)據(jù)庫與類似現(xiàn)場數(shù)據(jù)，確定閉路篩混合料 -3.0 mm 占比為 50%，閉路篩篩分效率為90%，由此分析高壓輥磨的工作循環(huán)負(fù)荷為 120%。

(3) 確定高壓輥磨機(jī)通過量 根據(jù)磨礦系統(tǒng)的最大處理能力，推算高壓輥磨新給礦量為 188 t/h，同時考慮 10% 的富余能力，高壓輥磨機(jī)通過量約為 455 t/h。

(4) 計算高壓輥磨機(jī)的能力 通過選型計算，確定采用 1 臺 GM150-80 型高壓輥磨機(jī)作為改造后的超細(xì)碎設(shè)備，設(shè)備主要參數(shù)如表6 所列。

表6 GM150-80 型高壓輥磨機(jī)主要參數(shù)Tab.6 Main parameters of GM150-80 HPGR

3.3 破碎及篩分設(shè)備的工況調(diào)整

破碎智能光選系統(tǒng)相對原礦拋尾率為 27%，優(yōu)化改造后，磨礦系統(tǒng)產(chǎn)能提升至 4 512 t/d，破碎系統(tǒng)產(chǎn)能也相對提升。因此，需要對現(xiàn)有破碎系統(tǒng)及輔機(jī)設(shè)備的處理能力進(jìn)行核算。同時，需要對原破碎系統(tǒng)各破碎機(jī)排礦口尺寸及篩分設(shè)備的篩孔尺寸重新進(jìn)行調(diào)整。

(1) 粗碎顎式破碎機(jī)保持不變，排礦口 CSS 調(diào)整為 150 mm，最大排礦粒度由現(xiàn)在的 110 mm 調(diào)整至200 mm，破碎機(jī)產(chǎn)能提升至 344 t/h。

(2) 中碎圓錐破碎機(jī)需優(yōu)化腔型，增加作業(yè)時長，排礦口CSS調(diào)整為 50 mm，最大排礦粒度調(diào)整至 100 mm，破碎機(jī)通過量提升至 330 t/h。

(3) 優(yōu)化改造后，粗、中碎后需要新增 1 臺原型號復(fù)頻篩。

(4) 細(xì)碎圓錐破碎機(jī)需優(yōu)化腔型，增加作業(yè)時長，排礦口CSS調(diào)整為 30 mm，最大排礦粒度調(diào)整至 35 mm (高壓輥磨進(jìn)料粒度)，破碎機(jī)通過量提升至200 t/h。

(5) 細(xì)碎破碎機(jī)后直線振動篩篩孔調(diào)整為 30～ 35 mm。

(6) 新增 1 臺篩孔為 3.0 mm 的直線振動篩，作為高壓輥磨閉路篩分設(shè)備。

碎磨系統(tǒng)優(yōu)化改造前后，破碎及篩分設(shè)備工況對比如表7 所列。

表7 破碎及篩分設(shè)備工況對比Tab.7 Comparison of operating conditions for crushing and screening equipment

4 改造后效果預(yù)測與分析

4.1 碎磨系統(tǒng)產(chǎn)能預(yù)測

根據(jù)改造后工藝參數(shù)及礦石性質(zhì)，對碎磨系統(tǒng)產(chǎn)能進(jìn)行預(yù)測，并與改造前的產(chǎn)能進(jìn)行對比，結(jié)果如表8 所示。可以看出，碎磨流程優(yōu)化改造后，選廠處理能力達(dá) 4 512 t/d，提產(chǎn)比例約 29%，能夠滿足提產(chǎn)至4 500 t/d 的優(yōu)化目標(biāo)。

表8 碎磨系統(tǒng)改造前后產(chǎn)能對比Tab.8 Comparison of productivity before and after optimization of crushing and grinding system

4.2 經(jīng)濟(jì)效益對比分析

碎磨流程優(yōu)化改造前后，主機(jī)設(shè)備的電耗與鋼耗對比分析如表9 所示。結(jié)果表明，碎磨流程優(yōu)化改造后，主機(jī)設(shè)備的總電耗降低約 5%；預(yù)測粗碎、中碎和細(xì)碎破碎機(jī)整體襯板鋼耗降低約 6%，球磨磨礦的鋼球和襯板鋼耗降低約 40%。隨著產(chǎn)能提升，其余選礦成本也有不同程度的降低，能夠?qū)崿F(xiàn)選廠節(jié)能降耗的目標(biāo)。

表9 碎磨設(shè)備的電耗與鋼耗對比分析Tab.9 Comparative analysis of power consumption and steel consumption of crushing and grinding equipment

5 結(jié)論

(1) 針對某鎢選廠磨礦系統(tǒng)存在的磨礦效率低、生產(chǎn)波動大、磨機(jī)超負(fù)荷運轉(zhuǎn)等問題，綜合分析現(xiàn)場碎磨設(shè)備運行工況、布置總圖及設(shè)備配置等實際情況，設(shè)計新增高壓輥磨超細(xì)碎作業(yè)優(yōu)化改造方案，將磨礦系統(tǒng)的處理能力提升至 4 500 t/d，同時改善碎磨系統(tǒng)運行工況，實現(xiàn)選廠提產(chǎn)降耗目標(biāo)。

(2) 重點分析了高壓輥磨優(yōu)化碎磨工藝的主要思路、關(guān)鍵設(shè)計步驟和設(shè)計結(jié)果等，并進(jìn)行了優(yōu)化后碎磨設(shè)備的運行工況與指標(biāo)預(yù)測與分析。結(jié)果表明，高壓輥磨超細(xì)碎作業(yè)能夠有效降低球磨機(jī)的入磨粒度，符合多碎少磨節(jié)能工藝要求，提高了球磨機(jī)磨礦效率及產(chǎn)能。同時，碎磨總電耗、總鋼耗均有明顯下降，達(dá)到了提產(chǎn)增效、節(jié)能降耗的目的。