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某大型銅礦磨礦試驗及選型技術應用研究
發布時間：
2023-03-30
來源：
http://www.yuexiu.org.cn/
某大型銅礦處理礦石為斑巖性銅礦，礦石硬度高，可磨性差。一期碎磨系統采用常規三段一閉路+球磨流程 (3CB 流程)，處理量為 25 000 t/d；二期碎磨系統采用半自磨+球磨+頑石破碎流程 (SABC)和三段破碎+球磨流程的組合型碎磨工藝，處理量為 55 000 t/d，整體構成了處理量為 80 000 t/d 的碎磨大系統。這種組合型碎磨工藝在國內的首次創新使用，既充分發揮了半自磨流程短的優勢，又合理利用了多碎少磨的碎磨工藝理念，將半自磨磨礦產生的頑石引入三段破碎系統進行破碎和磨礦，降低了整個碎磨系統的能耗和鋼耗。生產過程中，結合給礦礦石硬度變化，兩種碎磨工藝互通互聯，發揮各自碎磨工藝的優勢和兩者的協同效應。二期改擴建項目從生產調試到達標達產，結合現場條件經歷了不同工藝流程的調整和操作參數的優化。筆者結合該銅礦項目，研究了基于礦石試驗和磨機選型技術的碎磨工藝應用情況，并對不同生產階段的工藝運行情況進行分析和總結。
1 磨礦試驗
礦石的碎磨試驗參數是選廠碎磨工藝設計的重要依據。半自磨機破碎物料時，同時存在 2 種碎磨形式，一種是高能級的沖擊破碎，另一種是低能級的研磨、磨蝕破碎，如圖 1 所示。JK 落重試驗參數反映了礦石的抗沖擊破碎能力，磨蝕試驗參數反映了礦石的抗研磨能力。針對該銅礦半自磨+球磨流程的工藝設計，采用了 JK 落重試驗、磨蝕試驗和邦德球磨功指數試驗來獲取試驗參數，用于半自磨機和球磨機的選型計算和碎磨礦工藝參數的確定。
1.1 JK 落重試驗
JK 落重試驗是澳大利亞昆士蘭大學 JKTech 公司開發的一種測定礦石抗沖擊破碎特性的試驗方法。該試驗是在落重試驗機上利用錘頭下落的沖擊作用來破碎礦石的單顆粒破碎試驗。通過改變落錘的釋放高度和落錘質量，實現礦石顆粒在不同比功耗水平下的沖擊破碎。一個落重試驗包含對 5 個粒級物料各進行3 個比功耗水平的單顆粒沖擊破碎試驗，一共有 15個粒度-比功耗組合。落重試驗制樣的 5 個粒級為：-63 +53 mm，-45 +37.5 mm，-31.5 +26.5 mm，-22.4+19 mm，-16 +13.2 mm；比功耗變化范圍為 0.1～2.5 kW·h/t。
試驗后對破碎的礦石進行篩分，得到 15 個不同比功耗對應的粒度分布數據，粒度和比功耗關系的函數表達式為
式中：t10 為破碎后物料的粒度分布，定義為礦樣原始粒級的 1/10 對應粒徑的篩下通過率，%；Ecs 為比功耗值，kW·h/t；A 和 b 為常數。將試驗得到的 15 個數據點通過參數擬合得到 A 值和 b 值，主要用于半自磨機的選型計算。
通常用落重試驗參數 A 和 b 的乘積 (即 A×b 值)來反映礦石抗沖擊破碎能力大小，A×b 值越小，表明礦石抗沖擊破碎能力越強，礦石越硬；A×b 值越大，表明礦石抗沖擊破碎能力越弱，礦石越軟。
1.2 磨蝕試驗
磨蝕試驗選取質量為 3 kg、粒級為 -53 +7.5 mm的礦樣，放入 φ305 mm×305 mm 的滾筒型磨機中 (不添加任何磨礦介質)，且磨機以 70% 的臨界轉速率(轉速為 53 r/min) 運轉，試驗時間為 10 min。試驗結束后，對試驗產品進行篩分，得到試驗產品的粒度分布數據，測量出 t10 值。磨蝕試驗結果為 ta 值 (ta=t10/10)，表征礦石的抗研磨能力，ta 值越大，表示礦石的抗研磨能力越差，礦石越易磨。
1.3 邦德球磨功指數試驗
邦德球磨功指數廣泛應用于球磨機的選型計算和磨礦過程的效率評價，是表征礦石在球磨機磨礦中研磨難易程度的一個指標，它通過邦德球磨功指數試驗間接測定。該試驗采用標準的試驗程序，要求試驗的給礦粒度為 -3.35 mm，試驗設備為 φ305 mm×305 mm 實驗室球磨機，其轉速為 70 r/min，磨機內的鋼球需要按照試驗程序規定的鋼球規格和數量進行添加。試驗過程采用干式篩分閉路磨礦方式，同時保持每次循環中磨機給料量不變。根據每次循環新生成的篩下量預估并調整下一循環的磨機轉數，直至閉路磨礦過程在循環負荷穩定在 250% 時達到穩定狀態，測出此時的每轉凈生成量 Gbp 值，并測定磨礦試驗產品粒度 P80 值。根據試驗給礦粒度 F80 值和分級篩篩孔尺寸 P 值，可計算出邦德球磨功指數試驗值。
式中：P 為分級篩篩孔尺寸，µm；Gbp 為穩定狀態下的每轉凈生成量，g/r；P80 為磨礦試驗產品 80% 通過的篩孔尺寸，µm；F80 為磨礦試驗入料 80% 通過的篩孔尺寸，µm。邦德球磨功指數越大，表明礦石在球磨機磨礦時越難磨，需要的磨礦功耗越高。
1.4 試驗結果
2016 年，該銅礦選取有代表性的 10 個礦樣，寄送至礦山重型裝備國家重點實驗室進行礦石碎磨特性參數試驗，試驗參數作為該選廠半自磨機和球磨機的選型計算依據。該銅礦礦樣試驗結果統計分析如表 1所列。對 10 個礦樣試驗數據，分別統計了最軟礦樣試驗參數、最硬礦樣試驗參數、礦樣試驗參數平均值和覆蓋所有礦樣 75% 硬度范圍的百分位值。
由試驗數據可知，10 個礦樣落重試驗參數 A×b值從 24.0 到 39.8，表明礦石硬度波動較大，礦石抗沖擊破碎能力屬于中等偏硬到很硬的范圍。磨蝕試驗參數 ta 值從 0.22 到 0.38，表明礦石的抗研磨能力屬于中等偏硬到很硬的范圍。上述兩個試驗參數表明用半自磨機處理該銅礦礦石時，礦石很難被破碎和研磨，需要的磨礦能耗很高。
礦樣邦德球磨功指數從 16.40 kW·h/t 到 19.42 kW·h/t，表明礦石采用球磨機處理時，可磨性屬于難磨的范圍。
磨機選型時，采用所有礦樣試驗參數 75% 百分位值作為該銅礦磨機選型計算的依據。以此所選規格磨機，在生產中處理 75% 硬度范圍的礦石，能夠達到或者超過設計處理量；處理 25% 更硬的礦石時，低于設計處理量。
2 磨機選型計算方法
功耗法是磨機選型的主要方法，該方法的核心是單位能耗的計算。單位能耗確定后，用該單位能耗乘以要求的處理量就可以計算出磨礦的需求功率，根據需求功率選取與之匹配的磨機尺寸和電動機規格。目前半自磨機單位能耗的確定方法有 4 種：
(1) 試驗測定法 如用半工業試驗、批次瀉落式試驗、Macpherson 試驗、SPI 試驗等可以直接或者間接測定單位能耗的值；
(2) 數學模型法 該方法結合特定的試驗，形成半自磨機單位能耗的計算模型；
(3) 軟件模擬法 在選礦方面，目前國際上應用較多的是澳大利亞昆士蘭大學 JK 礦物中心的 JKSim Met 和法國地礦研究局的 USIM PAC 等軟件；
(4) 數據庫法 世界上各大磨機供應商和各礦物研究中心都建有自己的試驗和工業數據庫，根據礦石性質，結合數據庫能夠獲得單位能耗的值。
球磨機單位能耗的確定方法有 2 種：
(1) 數學模型法 該方法結合邦德球磨功指數試驗值，或間接得到細粒功指數 Mib 值，采用邦德功理論模型或者 SMCC 單位能耗模型對不同流程的球磨機單位能耗進行計算；
(2) 軟件模擬法 需要結合邦德球磨功指數試驗值，采用 JKSimMet 等軟件進行碎磨流程參數模擬，判斷磨機選型的合理性，得到合理的磨機規格和電動機功率。
3 磨機選型計算
3.1 磨礦工藝參數要求
該銅礦改擴建二期項目設計原礦處理量為 55 000 t/d，碎磨工藝采用頑石開路 SABC-B 流程與 3CB流程相結合的組合型工藝，要求球磨機磨礦產品粒度 -0.074 mm (-200 目) 通過 68%，總體碎磨工藝如圖2 所示。頑石開路 SABC-B 流程中，半自磨設計處理量為 40 000 t/d，頑石產率為 25%，排出頑石 10 000 t/d 輸送到 3CB 流程的中細碎和磨礦作業段。頑石開路 SABC-B 流程中的 1 號球磨設計處理量為 30 000 t/d；3CB 流程中的 2 號球磨設計處理量 25 000 t/d。
3.2 磨機選型方案
結合客戶要求的磨礦工藝參數和礦樣試驗結果，按照功耗法原理進行選型計算，推薦的磨機選型方案為：半自磨機 φ11 mm×6.4 m (F/F) 1 臺，主電動機安裝功率為 18 000 kW；溢流型球磨機 φ7.9 mm×13.6 m(F/F) 2 臺，單臺磨機主電動機安裝功率為 18 000 kW。
結合選型磨機規格，計算滿足不同處理量下磨機的運行參數，如表 2 所列計算時，半自磨機排料振動篩篩縫尺寸取 10 mm。
4 磨機現場運行情況及工藝優化
4.1 階段 1 (SAB 流程)
2018 年 10 月，項目開始試車運行。在此階段，由于原有三段破碎系統的中細碎改造工作尚未完成，半自磨機排出的頑石暫不能給入三段破碎系統，篩上頑石沒有經過破碎直接返回半自磨機再次碎磨，即此階段半自磨系統實際上為 SAB 流程，不同于原設計工藝流程。此流程中系統處理量為 31 000 t/d，運行功率為 17 000 kW，半自磨機電耗高，處理量低，對產能影響很大。1 號球磨機運行功率為 15 600 kW。該階段磨礦系統運行情況如下。
(1) 磨礦流程為 SAB 流程，尚未實現設計的SABC-B 開路流程。待原有三段破碎系統的擴產改造完成，此問題將得到解決。
(2) 礦石硬度高。2018 年于粗碎現場取樣進行邦德沖擊功指數試驗，試驗參數為 21.83 kW·h/t，說明礦石硬度很高。
(3) 半自磨機新給礦粒度粗。粗碎設備為 PXZ62-75 旋回破碎機，期間對粗碎旋回破碎機破碎產品進行粒度篩析，產品粒度 P80=170 mm。具體粒度篩分數據如表 3 所列。
(4) 半自磨機充填率高，鋼球充填率約 20%，總充填率約 38%。球磨機鋼球充填率正常，約為 30%。
(5) 半自磨機磨礦單位能耗高，能耗約為 11.5～13.1 kW·h/t。
(6) 半自磨機頑石產率高，約 20%。現場半自磨機排料端襯板全部采用 70 mm 的頑石孔縫。
針對階段 1 半自磨系統的運行情況，現場探討了一些優化措施，例如在采礦時增強爆破強度，合理控制采礦后粒度分布，降低半自磨機的給礦粒度；同時，逐步提高磨機轉速，適當降低半自磨機的鋼球充填率，逐步降低半自磨機磨礦的單位能耗。
4.2 階段 2 (SABC-B 流程，頑石開路)
2019 年 9 月，項目改擴建工程基本完成，半自磨流程改為設計的頑石開路流程，半自磨機篩上頑石不再返回半自磨機，而是送至三段破碎系統，經過中細碎后給入 2 號球磨機進行磨礦。半自磨機原礦處理量為 31 200 t/d (硬礦石)、33 600 t/d (軟礦石)，運行功率為 14 800 kW；1 號球磨機處理量為 30 000 t/d，運行功率為 16 000 kW；三段破碎系統 2 號球磨機處理量為 25 000 t/d，運行功率為 17 200 kW。1 號球磨機和 2 號球磨機共計處理礦石 55 000 t/d，滿足設計處理量要求。該階段半自磨系統實現了頑石開路運行，運行情況如下。
(1) 半自磨機鋼球充填率降低至 15%，總充填率降低至 28%，半自磨機運行功率降低至 14 800 kW，為之前運行功率的 87%。
(2) 半自磨系統中的 1 號球磨機鋼球充填率34%，轉速為臨界轉速率的 70%。
(3) 半自磨機頑石產率較低，為 10%～ 15%，低于設計值 25%。
(4) 三段破碎系統中的 2 號球磨機鋼球充填率34%，轉速為臨界轉速率的 75%。
通過半自磨系統和三段破碎系統的工藝互補，1號球磨機和 2 號球磨機共計處理礦石 55 000 t/d，達到設計處理量。但半自磨機處理硬礦石時處理量為 1 300 t/h，處理軟礦石時處理量為 1 400 t/h，并未達到設計處理量 1 667 t/h (即 40 000 t/d)，主要原因是頑石開路流程中，半自磨機頑石產率設計值與實際值偏差較大。
在處理硬礦石時，半自磨機新給礦量為 1 300 t/h，頑石產率為 15%，振動篩篩下物料為 1 105 t/h，低于 1 號球磨機設計處理能力 1 250 t/h，造成 1 號球磨機給礦量不足。同時，由于半自磨系統處理量低，要保證 55 000 t/d 的原礦處理量，三段破碎系統就必須要處理更多的礦石，造成 2 號球磨機給礦量過大，磨礦產品粒度跑粗。因此，現場通過 1 條臨時輸送帶將三段破碎系統細碎產品引入到 1 號球磨機，解決 1 號球磨機給礦量不足，2 號球磨機給礦量過大的問題。半自磨系統如果要繼續提高產能，只有繼續補球，提高鋼球充填率和磨機的運行功率。
在處理軟礦石時，半自磨機新給礦量為 1 400 t/h，頑石產率為 10%，振動篩篩下物料為 1 260 t/h，達到1 號球磨機設計處理量 1 250 t/h。如果繼續提高半自磨機給礦量，會造成篩下給入 1 號球磨機的物料過多，影響磨礦細度和浮選作業。
上述兩種情況下，如果半自磨機頑石產率能夠達到設計值 25%，超過實際的 10%～ 15%，半自磨機單位能耗將進一步降低，處理量將得到提高，同時進入1 號球磨機的物料量將得到合理控制。因此，實際的頑石產率低于設計值，是項目采用頑石開路流程工藝參數不達標的主要原因。對于頑石開路流程，頑石產率是流程設計的關鍵參數，頑石產率選取是否合理會直接影響磨礦工藝指標的實現。
結合本項目礦石性質和半自磨機給礦粒度，頑石開路流程的頑石產率一般為 15%，會低于常規 SABC流程中半自磨機的頑石產率。這是由于常規 SABC流程中，半自磨機排出的頑石直接取回或者經過頑石破碎后又返回半自磨機再次碎磨，而頑石相對新給礦更難破碎，在頑石的一次循環中，返回半自磨機筒體內的頑石并沒有全部被破碎，未被破碎部分作為頑石再次排出磨機，因此，這種流程頑石產率高。而頑石開路流程中，半自磨機處理的礦石沒有返回的頑石，全部為新給礦，更容易被破碎，因此，頑石產率相對較低。
為了提高階段 2 時半自磨機的頑石產率，現場也論證了半自磨機排料端襯板的結構優化方案，包括以下 2 種：增大現有直形襯板頑石孔縫和開孔率、將直形襯板改為弧形襯板。通過增加半自磨機排料粒度和排料速度，提高頑石產率。2 種不同結構的排料襯板如圖 3 所示。
4.3 階段 3 (SABC 流程)
2021 年，項目現場選取 3 個礦樣進行礦石碎磨特性試驗，礦樣試驗結果如表 4 所列。
根據試驗結果，礦樣落重試驗參數 A×b 值為26.01～ 28.87，說明礦石屬于很硬的范圍；礦樣邦德球磨功指數為 18.02～ 22.43 kW·h/t，說明礦石的可磨性很差，很難磨。隨著礦石硬度增加、磨蝕性增加，磨礦系統的單位能耗將會進一步增加，處理量會繼續降低。原有頑石開路流程受給礦硬度、粒度的波動影響，磨機處理量變化較大，項目現場又對工藝流程進行優化改進，加強頑石破碎效果，并將破碎后的頑石返回半自磨機，整個半自磨系統改為常規 SABC流程。半自磨機系統原礦處理量為 33 000 t/d，三段破碎系統原礦處理量為 24 000 t/d，總處理量為 57 000 t/d，滿足該項目二期改擴建系統設計處理量 55 000 t/d 要求。
表4 中礦樣 3 為現場半自磨機給礦帶式輸送機上的取樣，最能反映現場磨機處理礦石的物理特性。根據礦樣 3 試驗參數，采用選型計算軟件對半自磨系統磨機和三段破碎系統球磨機處理量和運行參數進行預測計算，并和現場磨機的運行參數進行對比，如表 5～ 7 所列。通過對比，只有 1 號球磨機計算預測值與工業實測值偏差較大，其中一個原因是現場 1 號球磨機通過高循環負荷 (旋流器分級循環負荷 500%)實現磨礦產品細度，選型計算時，選取的循環負荷為250%，有一定的偏差。半自磨機和 2 號球磨機計算預測值與工業實測值基本一致。
5 結論
(1) 通過 JK 落重試驗、磨蝕試驗和邦德球磨功指數試驗，以覆蓋該礦山 75% 硬度范圍的礦石試驗參數作為某銅礦項目磨機選型依據，結合該項目要求的碎磨工藝參數，進行了磨機選型計算，為碎磨工藝設計提供了合理的磨機選型方案。
(2) 本項目結合實際生產條件，采用了不同的碎磨流程方案，并針對各種流程進行了工藝參數優化，確保產能最大化，能耗最小化。筆者總結分析了針對不同碎磨工藝流程的生產操作實踐經驗，為其他項目工藝設計和優化提產提供借鑒。
(3) 對于不同碎磨工藝流程操作參數，是基于礦石試驗參數和選型計算參數確定的，并結合現場運行參數進行優化調整。礦石試驗和選型技術在碎磨工藝參數的確定和優化選取中得到了成功的應用。
(4) 結合本項目半自磨機頑石開路流程實踐，發現頑石產率的合理確定是該流程參數設計的關鍵，頑石產率既影響半自磨機的能耗和產量，也影響下游球磨機的產量和磨礦產品細度，在如今應用越來越多的SABC-B 流程設計中，必須重視頑石產率的合理取值。
(5) 本項目礦石硬度高，可磨性差，采用了三段破碎+球磨流程和半自磨+球磨流程相結合的組合型碎磨工藝，該組合型工藝是一種創新，為今后處理硬礦石的大型化礦山建設，提供了工藝設計參考。
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