羅河鐵礦精確化磨礦試驗研究

王小玉 吳貴琴 丁開振 胡炳勝 曹 然 程從文程 俊 陳郅隆

（1.安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司；2.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院）

磨礦過程在選礦廠占有重要地位，其工作原理是借助于磨礦介質(zhì)（鋼球、瓷球、鋼棒、礫石等）和物料本身的沖擊和磨剝作用，使物料的粒度進一步變小，直至研磨成粉末［1-3］。如何充分發(fā)揮磨礦作業(yè)的作用，優(yōu)化磨礦過程［4-5］，一直是選礦廠長期而艱巨的任務(wù)，也是選礦工作者致力研究的重大課題［6-8］。球磨作業(yè)的效果取決于鋼球，故在工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)礦石的性質(zhì)、給料和磨礦產(chǎn)品的粒度特性以及其他工作條件，確定合理的球磨機裝補球制度［9-11］，精確化磨礦。石剛等［12］對張莊礦磨礦系統(tǒng)進行精確化磨礦后發(fā)現(xiàn)，通過精確化磨礦可以增加一段排礦細度，改善磁選指標(biāo)；柳曉峰等［13］發(fā)現(xiàn)，通過精確化磨礦可以提升硫、鉬分離效率，閉路試驗可獲得鉬回收率93.08%的鉬精礦；張祖剛等［14］針對實際生產(chǎn)中出現(xiàn)的鋼球充填率不穩(wěn)定的問題，使用精確化磨礦穩(wěn)定了磨機充填率，提升了磨礦效果。

本文以羅河礦業(yè)一段磨礦系統(tǒng)為研究對象，針對一段球磨機磨礦溢流細度不足的問題，進行精確化磨礦試驗研究，探究通過精確化磨礦提升球磨機磨礦效果的可行性。

1 試樣及球徑計算

1.1 試 樣

試樣為羅河礦業(yè)一段磨機給礦，經(jīng)晾干后縮分制樣，制成500 g 一袋供研究使用。采用環(huán)堆十字分割法取試驗代表樣，進行粒度篩析并化驗粒級品位，篩析結(jié)果見表1。為了便于磨碎后產(chǎn)品的質(zhì)量分析，根據(jù)磁鐵礦磁選分離的共性，定義+0.15 mm 粒級為欠磨粒級，表征欠磨情況；0.023～0.150 mm 粒級為合格粒級，表征適合磁選分離的粒級；-0.023 mm粒級表示過磨粒級，表征過磨情況。

由表1 可知，試樣-0.075 mm 粒級產(chǎn)率14.83%，過磨粒級產(chǎn)率為6.43%，欠磨粒級產(chǎn)率為76.82%，欠磨粒級鐵分布率高達79.76%，說明樣品偏粗難磨。因此一段磨礦作業(yè)的主要目的是降低礦石整體粒徑，使欠磨粒級中的鐵盡可能地單體解離。

1.2 不規(guī)則礦塊力學(xué)性能測試

選取樣品中8，10，15，20，25，30 mm 等具有代表性的礦粒進行壓力試驗，并對試驗樣品進行編號，不規(guī)則礦塊壓碎后形態(tài)見圖1。

由圖1 可見，礦塊受壓后裂紋擴展，極易沿著礦塊中間裂開，或形成2 塊完整的礦粒，說明礦塊屬脆性較強的礦物。

經(jīng)整理，統(tǒng)計得出各不規(guī)則礦粒的抗壓強度，結(jié)果見表2。

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由表2可知，抗壓強度不是線性變化，15～20 mm中間粒級的礦石抗壓強度高，說明該粒級的礦物最難破碎。較細粒級與較粗粒級抗壓強度較低，說明礦石的抗壓強度與礦石尺寸并無明顯關(guān)系，這種現(xiàn)象與礦石的嵌布特征有關(guān)，嵌布特征不同，導(dǎo)致礦石在破碎過程中產(chǎn)生裂紋的速度不同，礦石的抗壓強度變化規(guī)律不服從尺寸效應(yīng)。

1.3 精確化球徑計算

磨礦作業(yè)中鋼球的大小影響磨礦效果，鋼球尺寸過大，易產(chǎn)生貫穿破碎；鋼球尺寸過小，不但過粉碎嚴重，而且整體排礦粒度偏粗，導(dǎo)致返砂過多，形成過磨和欠磨，惡化磨礦結(jié)果。

試驗采用段氏球徑半理論公式計算球磨機所需球徑，段氏球徑半理論公式為

式中，Db為磨機在特定條件下所需的球徑，cm；Kc為綜合修正系數(shù)，由相應(yīng)專著提供的資料確定；?為磨機轉(zhuǎn)速率，%；σy為礦石的抗壓極限強度，σy≈100f，kg/cm2；ρe為鋼球的有效密度，g/cm3，ρe=ρs-ρn，ρs為鋼球密度，g/cm3，ρn為礦漿密度，g/cm3；D0為球荷“中間縮集層”直徑，cm；df為95%過篩最大粒度，cm。

根據(jù)試樣的粒度組成特性和段氏球徑半理論公式，得出羅河鐵礦試驗室精確化球徑?40 mm、?30 mm、?20 mm 配比為40%∶50%∶10%，混合球徑平均為33 mm。

2 條件試驗結(jié)果與討論

2.1 磨礦時間試驗

固定磨礦濃度67%，球徑?40 mm、?30 mm、?20 mm 配比為40%∶50%∶10%，混合球徑平均值33 mm，介質(zhì)充填率35%，在磨礦時間分別為1，2，3，4 min 的條件下進行磨礦時間試驗，對磨礦產(chǎn)品采用標(biāo)準(zhǔn)套篩篩分法進行篩析，試驗結(jié)果見表3。

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由表3 可知，隨著磨礦時間的增加，-0.075 mm粒級產(chǎn)率增加，變化趨勢近似呈線性相關(guān)，說明預(yù)設(shè)的精確化裝球制度非常理想；當(dāng)磨礦時間為3 min時，-0.075 mm 粒級產(chǎn)率為21.47%，較為接近實際生產(chǎn)情況；因此，磨礦時間選擇3 min。

2.2 磨礦濃度試驗

在磨礦時間試驗的基礎(chǔ)上，進行濃度分別為60%，67%，70%，75%，80%的磨礦濃度試驗，試驗結(jié)果見表4。

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由表4 可知，磨礦產(chǎn)品中+0.15 mm 和-0.075 mm粒級產(chǎn)率與磨礦濃度有較大關(guān)系，磨礦濃度偏低或偏高都會影響磨礦效果。當(dāng)磨礦濃度為70%時，-0.075 mm 粒級產(chǎn)率最高，此時礦漿流動性與黏度處于最佳狀態(tài)，增加-0.075 mm 粒級產(chǎn)率的同時也可以減少粗顆粒的殘留，降低返砂量，提高磨機處理能力，因此磨礦濃度選擇70%。

2.3 鋼球充填率試驗

在磨礦濃度試驗的基礎(chǔ)上，選取介質(zhì)充填率分別為30%，35%，38%，40%，43%，45%進行介質(zhì)充填率試驗，試驗結(jié)果見表5。

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由表5 可知，隨著介質(zhì)充填率的增加，-0.075 mm粒級產(chǎn)率先增加后減小，+0.15 mm 粒級產(chǎn)率先減小后增加。當(dāng)介質(zhì)充填率過低時，磨碎能力不足，鋼球充填率的增加提高了礦物與鋼球的碰撞幾率，但當(dāng)鋼球充填率過高（大于40%）時，會對鋼球在磨機內(nèi)的拋落運動造成阻礙，降低磨礦效率。當(dāng)介質(zhì)充填率為35%時，-0.075 mm 粒級產(chǎn)率最高，+0.15 mm 粒級產(chǎn)率也較低，且高充填率下磨礦鋼耗與能耗較大，增加生產(chǎn)成本，因此充填率選擇35%。

2.4 裝球制度試驗

設(shè)置3 組單一球徑對照組，并增加2 個對比裝球制度，①4#偏大球裝球制度?40 mm、?30 mm、?25 mm配比70%∶20%∶10%，混合球徑平均值36.5 mm；②5#偏小球裝球制度?30 mm、?25 mm、?20 mm 配比30%∶40%∶30%，混合球徑平均值25 mm，對比分析6#精確化裝球制度的效果。裝球方案見表6。

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在鋼球充填率35%、磨礦時間3 min、磨礦濃度70%的條件下進行磨礦，對磨礦產(chǎn)品采用標(biāo)準(zhǔn)套篩篩分法進行篩析，試驗結(jié)果見表7。

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由表7 可知，混合球徑磨礦效果優(yōu)于單一球徑磨礦效果，混合球徑磨礦相較于單一球徑，磨礦產(chǎn)品粒度分布更均勻，證實了多種補球方案優(yōu)于只添加1種鋼球；鋼球球徑過小時，單個鋼球的破碎力不足，對+0.15 mm 粒級的礦物磨碎效果不佳；精確化裝球制度磨礦產(chǎn)品-0.075 mm 粒級產(chǎn)率為28.18%，遠高于其他裝球制度。添加1 種合適的鋼球亦能形成混合球，但最終球荷特性會造成大球比例偏多，且當(dāng)大球磨損至小球時，其力學(xué)穩(wěn)定性已遭到破壞，容易發(fā)生失圓，從而影響磨礦效果。添加幾種不同鋼球形成的混合球，其球荷特性始終處于合適的比例，也不會因為失圓而降低磨礦效果，磨礦產(chǎn)品的粒度分布特性也最優(yōu)。

3 精確化磨礦效果驗證試驗

3.1 開路磨礦試驗

在磨礦濃度70%，磨礦介質(zhì)充填率35%，磨礦時間3 min，球徑?40 mm、?30 mm、?20 mm 配比40%∶50%∶10%的條件下，進行精確化磨礦開路試驗。由于羅河鐵礦生產(chǎn)采用單一球徑補球方式，因此采用單一球徑?40 mm 的裝球制度模擬現(xiàn)場運行情況，與精確化磨礦效果進行對比。試驗結(jié)果見表8。

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由表8可知，精確化開路磨礦產(chǎn)品粒度分布更加均勻，接近正態(tài)分布特性。精確化磨礦產(chǎn)品+0.15 mm 粒級產(chǎn)率（欠磨粒級）為36.11%，相較于模擬現(xiàn)場開路磨礦的40.03%，降低了3.92 個百分點；精確化磨礦產(chǎn)品-0.075 mm 粒級產(chǎn)率為43.01%，高于模擬現(xiàn)場的39.53%；精確化磨礦產(chǎn)品合格粒級產(chǎn)率為45.59%，高于模擬現(xiàn)場的39.58%；同時特定的鋼球配比減輕了過磨，采用精確化磨礦-0.023 mm 粒級產(chǎn)率降低了2.09個百分點。故在開路磨礦的條件下，精確化磨礦具有顯著優(yōu)勢。

3.2 閉路磨礦試驗

在磨礦濃度70%，磨礦介質(zhì)充填率35%，磨礦時間3 min，球徑?40 mm、?30 mm、?20 mm 配比40%∶50%∶10%的條件下磨礦，將磨礦產(chǎn)品用0.5 mm 細篩進行篩分分級，篩上產(chǎn)品返回磨礦形成閉路，直到所有產(chǎn)品全部過篩。閉路磨礦與現(xiàn)場一段磨機分級溢流的粒度組成對比見表9。

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由表9 可知，精確化磨礦可以改善粒度分布和金屬分布率。采用精確化磨礦與現(xiàn)場一段溢流相比，-0.075 mm 產(chǎn)率由41.46%提高至53.18%，提高了11.72 個百分點，+0.15 mm（欠磨粒級）粒級產(chǎn)率由38.81%降低至18.63%，降低了20.18個百分點。欠磨粒級的鐵分布率由37.81%降低至20.78%，合格粒級產(chǎn)率由39.04%提高至55.93%，合格粒級鐵分布率由42.32%提升至59.89%。-0.023 mm（過磨粒級）粒級產(chǎn)率由22.15%提升至25.44%，但其中鐵分布率不升反降，由19.87%降低至19.33%。說明精確化磨礦在提高磨礦產(chǎn)品質(zhì)量上具有顯著優(yōu)勢，在磨礦過程中具有一定的選擇性磨礦能力。

3.3 磁選驗證試驗

在閉路磨礦試驗的基礎(chǔ)上，采用不同的裝球制度磨礦，并對磨礦產(chǎn)品分別進行磁選作業(yè)，磁選試驗流程見圖2，試驗結(jié)果見表10。

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由表10 可知，精確化磨礦產(chǎn)品合格粒級鐵回收率相較于偏大球裝球制度提升了4.27 個百分點，相較于偏小球裝球制度提升了3.97 個百分點。采用精確化磨礦磁選，精礦產(chǎn)品鐵回收率為89.92%，均大于采用偏大球裝球制度和偏小球裝球制度。因此，精確化磨礦制度可以改善磨礦產(chǎn)品的粒度分布特性，提高磨礦產(chǎn)品的選別指標(biāo)。

4 結(jié) 論

（1）羅河鐵礦入磨產(chǎn)品偏粗難磨，屬于脆性較強的礦石類型，其中間粒級15～20 mm的礦石抗壓強度最高，最難破碎。

（2）根據(jù)試樣的粒度組成特性和段氏球徑半理論公式，得出羅河鐵礦試驗室精確化磨礦裝球制度球徑?40 mm、?30 mm、?20 mm 配比為40%∶50%∶10%，混合球徑平均為33 mm。

（3）采用精確化磨礦進行閉路試驗，與現(xiàn)場一段溢流相比，欠磨粒級的鐵分布率由37.81%降低至20.78%，合格粒級產(chǎn)率由39.04%提高至55.93%，合格粒級鐵分布率由42.32%提升至59.89%；-0.023 mm 粒級產(chǎn)率由22.15%提升至25.44%，但其中鐵分布率由19.87%降低至19.33%；說明精確化磨礦可以改善粒度分布和金屬分布率，提高磨礦產(chǎn)品質(zhì)量，并在磨礦過程中具有一定的選擇性磨礦能力。

（4）磁選試驗中精確化磨礦產(chǎn)品合格粒級鐵回收率相較于偏大球裝球制度提升4.27 個百分點，相較于偏小球裝球制度提升3.97 個百分點；采用精確化磨礦進行磁選，磁選精礦產(chǎn)品鐵回收率為89.92%，均大于采用偏大球裝球制度和偏小球裝球制度；說明精確化磨礦制度可以改善磨礦產(chǎn)品的粒度分布特性，提高磨礦產(chǎn)品質(zhì)量。