研磨作用下磨矿产品粒度特性研究_郭润楠.pdf

收稿日期2019-07-18 基金项目广西自然科学基金项目 （编号 2018GXNSFAA281204） ， 国家自然科学基金项目 （编号 51874105） 。 作者简介郭润楠 （1991） ， 男， 硕士研究生。通讯作者杨金林 （1973） ， 男， 副教授， 博士， 硕士研究生导师。 总第 527 期 2020 年第 5 期 金属矿山 METAL MINE 研磨作用下磨矿产品粒度特性研究 郭润楠 1 杨金林 1， 2 马少健 1， 2 帅智超 11 （1. 广西大学资源环境与材料学院， 广西 南宁 530004； 2. 广西有色金属及特色材料加工重点实验室， 广西 南宁 530004） 摘要磨矿是冲击和研磨共同作用的结果， 但前人并未对单一研磨作用进行系统研究。基于此， 以2种常见 矿物黄铁矿和磁黄铁矿为研究对象， 在磨矿介质处于泻落状态条件下， 采用相对可磨度、 磨矿动力学分析等方法， 研究矿物在研磨作用下磨矿产品粒度分布特征及规律， 初步探讨磨机在介质泻落状态时的磨矿特性。结果表明， 相同条件下， 矿物入料粒度越细， 磨矿产品粒度随磨矿时间变化越明显； 黄铁矿在很短的时间会获得较高的磨矿细 度， 而随着磨矿时间的延长， 磁黄铁矿的磨矿细度变化更为明显， 磁黄铁矿受磨矿时间影响更大； 磨矿产品粒度分 布特征对于磨矿一阶线性动力学模型有很好的拟合度。试验结果可为后续研究泻落状态下磨矿介质的运动规律 及磨矿特性提供理论依据。 关键词研磨作用相对可磨度粒度分析磨矿动力学 中图分类号TD921.4文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -05-210-05 DOI10.19614/ki.jsks.202005031 Study on Particle Size Characteristics of Grinding Products under Grinding Guo Runnan1Yang Jinlin1， 2Ma Shaojian1， 2Shuai Zhichao12 （1. College of Resources， Environment and Materials， Guangxi University， Nanning 530004， China； 2. Guangxi Key Labora- tory of Processing for Nonferrous Metallic and Featured Materials， Nanning 530004， China） AbstractGrinding is the result of the combined action of impact and abrasion，but the single abrasion effect wasnt systematically studied in the previous studies． Two common minerals pyrite and pyrrhotite were taken as research objects． The particle size distribution characteristics and rules of grinding products under the action of grinding were studied using the s of relative grindability and grinding kinetics analysis，so as to preliminarily discuss the grinding characteristics of grinding machine in the falling state． The results showed that under the same conditions，the finer the particle size of mineral feeding，the more obvious the change of grinding product particle size with the grinding time． Pyrite will obtain a higher grinding fineness in a short time，but with the extension of the grinding time，the change of grinding fineness of pyrrhotite is more obvious，and the influence of grinding time on pyrrhotite is greater． The particle size distribution characteristics of the grinding products have a good fit for the first-order linear dynamic model of grinding． Based on the test results，it can provide a theoretical basis for the follow-up study of the motion law and grinding characteristics of the grinding media under the condi- tion of abrasion． KeywordsGrinding action， Relative grindability， Particle size analysis， Grinding kinetics Series No． 527 May 2020 磨矿作业广泛应用于矿山、 冶金、 建材、 化工等 国民经济基础行业 ［1-2］。在选矿作业中， 除少数已经 单体解离的矿石和部分高品位富矿不需要磨矿外， 绝大多数矿石都要经磨矿作业使有用矿物得到单体 解离， 磨矿作业不仅生产费用占选厂的50左右， 其 产品质量也直接影响选厂选别指标和沉淀过滤作业 质量 ［3］。因此， 长期以来， 国内外矿山、 冶金、 化工、 材 料等领域科研工作者一直关注和重视有关磨矿作业 的研究， 共同推动磨矿理论体系的形成和进步。 磨矿过程现象十分简单， 主要表现为固体物料 粒度的不断减小， 但是其过程影响因素很多， 导致磨 矿解析难度大。由于磨机筒体内磨矿介质的运动状 210 ChaoXing 态受诸多因素影响且无法对其进行实时监测， 长期 以来虽有很多学者对磨矿介质的运动规律进行了大 量研究且取得了一定成果， 但其仍有一定的限制条 件和局限性。过去进行的磨机工作理论研究， 主要 是基于磨矿介质处于抛落运动状态的情况， 这方面 有代表性的是戴维斯、 列文逊等人的钢球运动理论， 在他们的研究基础上， 多年来研究者不断地修正和 完善了他们的理论 ［4-7］。目前， 对于磨机内球介质作 抛落运动的规律可以运用数学理论公式对其进行定 量的计算描述， 但对于磨矿介质的泻落运动只能进 行简单的定性描述。在磨矿过程中， 磨矿介质在不 同的运动状态下具有不同的磨矿机理， 抛落状态以 冲击作用为主， 泻落状态以研磨作用为主， 且两种作 用的磨矿机理差异明显， 现有的磨矿理论公式只适 用于抛落运动， 具有较大的局限性， 对磨矿实践理论 指导有限。 基于上述磨矿理论研究现状， 本文以2种常见的 金属矿物黄铁矿和磁黄铁矿为研究对象， 通过对比 两者在研磨作用下产品粒度分布特征、 不同入料粒 级条件下的相对可磨度以及研磨产品粒度分布特征 的磨矿动力学分析等， 研究分析研磨作用对2种不同 矿物的作用差异， 初步探讨磨机在介质泻落状态条 件下的磨矿特性， 为后续研究泻落状态下磨矿介质 的运动规律及磨矿特性提供理论依据。 1试验原料、 设备及方法 1. 1试验原料、 设备 本次试验原料采用天然纯矿物磁黄铁矿和黄铁 矿， 经过破碎、 筛分、 混匀、 缩分， 装袋制备出试验所 需物料。试验所用磨矿设备为 XMB-φ200240圆 筒型棒磨机， 将磨机里的棒介质用球介质取代， 改为 圆筒型球磨机。 1. 2试验方法 研究表明， 磨矿介质处于泻落状态时， 物料主要 受到研磨作用。本次试验通过磨机来研究磁黄铁矿 和黄铁矿的研磨特性， 为使2种矿物在磨机内只受研 磨作用， 通过变频器将磨机调至适当转速， 使磨矿介 质在磨矿时处于泻落状态， 以此来满足试验要求。 磨机内最外层介质距离磨机中心最远， 使它抛 落化所需的转速最低， 最内层介质距离磨机中心最 近， 使它抛落化所需的转速最高 ［6-7］。为了使磨机内 各层介质都处于泻落状态， 只需保证磨机最外层介 质处于泻落状态即可， 磨机内介质最外层介质运动 轨迹如图1所示。 通过理论计算 ［7-11］可得， 当磨矿介质尺寸 D25 mm时， 磨机转速n≤10.1 r/min， 磨机内磨矿介质处于 泻落状态， 磨矿作用以研磨作用为主。本次试验分 别对磁黄铁矿、 黄铁矿 3 个不同粒级 （-3.352.36 mm、 -2.361.7 mm、 -1.71.18 mm） 物料进行磨矿研磨 试验， 试验条件为 磨机转速10 r/min， 磨矿浓度75， 介质充填率40， 介质尺寸D25 mm， 磨矿时间分别 为0.5、 1、 2、 4、 6、 8 min。 2试验结果及分析 2. 1不同给料粒度条件下磨矿产物粒度分布 按照试验条件设计， 黄铁矿、 磁黄铁矿2种纯矿 物在不同给料粒度条件下， 磨矿产物各粒度筛下累 计产率随时间变化如图2、 图3所示。 2020年第5期郭润楠等 研磨作用下磨矿产品粒度特性研究 211 ChaoXing 由图2、 图3可以看出， 随着磨矿时间的延长， 2 种矿物在不同磨矿条件下， 产物粒度筛下累计曲线 都向上偏移， 即在相对粒度一定的情况下， 筛下累计 产率不断增加。这说明随着磨矿时间的增加， 物料 在研磨作用下破碎得更为充分， 且入料粒度越细， 随 着磨矿时间的增加曲线向上偏移得更为明显。物料 在磨机内受研磨作用时， 主要存在物料与磨矿介质、 物料与磨机内壁、 物料与物料之间的相互作用， 物料 较细时， 整个物料与介质及筒壁接触的面积较大， “有效面积” 也更大， 整体受到的研磨作用更大。因 此， 相较于粗粒级， 同一矿物细粒级磨矿产物粒度筛 下累计曲线随磨矿时间变化更为明显。 比较图2、 图3还可以看出， 其它条件一定的情况 下， 相较于黄铁矿， 磁黄铁矿磨矿产物各粒度筛下累 计曲线随磨矿时间的变化更为明显。这说明在研磨 作用下， 相同条件下磨矿时间对磁黄铁矿影响更大。 2. 2不同条件下矿物相对可磨度 引入矿石相对可磨度概念， 对研磨作用下磁黄 铁矿和黄铁矿 2种矿物的可磨度进行比较。2种矿 石相对可磨度K定义为单位时间、 单位容积 2 种矿 石-0.074 mm粒级新生成量之比 ［12］， 计算公式为 Kqa/ qb［ Qaβa2- βa1/Vta ］ / ［ Qbβb2- βb1/Vtb］， （1） 式 中 ，qa、qb分 别 为 矿 石 a、 b 单 位 时 间 、 单 位 容 积-0.074 mm粒级新生产量， kg/ （L min） ； Qa、Qb分别 为待磨矿石a、 b质量， kg； βa1、βb1分别为磨前矿石a、 b 中-0.074 mm粒级含量， ； βa2、βb2分别为磨后矿石a、 b中-0.074 mm粒级含量， ； V为试验用磨机容积， L； ta、tb分别为矿石a、 b磨矿时间， min。 由于试验中QaQb、 βa1βb1、 βa2βb2， 因此， 矿石a、 b 的相对可磨度K可表示为 Kqa/qbtb/ta.（2） 从公式 （2） 可以看出， 试验矿物的相对可磨度与 磨矿时间相关。2种矿物在不同入料粒级条件下磨 矿产物的细度 （-0.074 mm粒级含量） 与磨矿时间之 间的关系如图4所示。 利用软件对图4中不同磨矿条件下产物细度与 磨矿时间变化曲线进行非线性拟合， 其结果如表1所 示。 由图4和表1可知， 磨矿产物细度与磨矿时间之 间有很好的收敛性， 拟合效果良好。由上述拟合方 程结合磨矿产物-0.074 mm新生成量， 可以得到不同 条件下磨矿产物细度-0.074 mm粒级占4、 5、 6 时所需的磨矿时间如表2所示。 根据公式 （2） 计算得到黄铁矿和磁黄铁矿在不 同入料粒级条件下， 磨矿产品磨至不同细度时的相 金属矿山2020年第5期总第527期 212 ChaoXing 对可磨度如表3所示。 计算结果表明， 入料粒级为-3.352.36 mm时， K （-0.074mm 粒级占 4） 1.285， 入料粒级为-2.36 1.7 mm时， K （-0.074mm粒级占4） 1.102， 入料粒级 为-1.71.18 mm时， K （-0.074 mm粒级占4） 3.936， K （-0.074 mm 粒级占 5） 1.710、 K （-0.074 mm 粒 级占6） 1.290， 不同入料粒级下黄铁矿和磁黄铁 矿的相对可磨度K均大于1， 在获得相同的磨矿细度 时， 黄铁矿所需的磨矿时间更短。 2. 3不同条件下磨矿动力学分析 对黄铁矿和磁黄铁矿磨矿产物进行磨矿动力学 拟合分析。Sedlatsschek与Bass运用统计学原理推出 粗粒级磨矿动力学理论公式 （3） 为 ［13-15］ WtW0 e-kt，（3） 式中， W0为入料中所含粗粒级量， g； t 为磨矿时间， min； Wt为经磨矿时间t后产品中所含粗粒级量， g。 一般情况下， 判断合格磨矿产物粒度以细粒级 或筛下累积产率为准， 因此， 在磨矿动力学理论基础 上， 推导出的细粒级磨矿动力学公式为 ln[ ] 1 - Xt/1 - X0-k t，（4） 式中， Xt1-Wt， X01-W0。同时可以将公式 （4） 转化为 线性关系式 ytk tb .（5） 基于上述理论分析， 结合式 （4） 、 式 （5） ， 利用软 件对试验数据进行拟合， 结果见图5和表4。 由图5和表4可知， 磨矿动力学线性模型公式描 述不同磨矿时间下磨矿产物粒度分布特征表现出很 好的收敛性， 拟合效果较好， 可以为研磨作用下磨矿 动力学理论研究提供一定的理论依据。 3结论 通过研究研磨作用下黄铁矿和磁黄铁矿磨矿产 物粒度特性， 得出以下结论 （1） 相同条件下， 同一矿物入料粒级越细， 磨矿 2020年第5期郭润楠等 研磨作用下磨矿产品粒度特性研究 213 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ 产品粒度随磨矿时间变化越明显； 其它条件一定的 情况下， 磨矿时间对磁黄铁矿的影响更大。 （2） 当磨矿细度分别为-0.074 mm 粒级占 4、 5、 6时， 不同入料粒级的磨矿产品中， 黄铁矿和磁 黄铁矿的相对可磨度都大于1； 在获得相同磨矿细度 时， 黄铁矿所需的时间更短。 （3） 2种矿物处于研磨作用下， 黄铁矿在很短的 时间会获得较高的磨矿细度， 而随着磨矿时间的延 长， 磁黄铁矿的磨矿细度变化更为明显。因此， 在生 产过程中应根据两者之间的性质差异合理安排磨矿 时间， 以防止出现过磨现象。 （4） 研磨作用下， 磨矿产品粒度分布特征对于磨 矿一阶线性动力学模型有很好的拟合度， 以此可为 后续磨矿解析理论研究提供一定的理论基础。 参 考 文 献 赵敏， 卢亚平， 潘英民．粉碎理论与粉碎设备发展评述 ［J］ ．矿 冶， 2001 （2） 36-41， 30． Zhao Min， Lu Yaping， Pan Yingmin．Development of comminution theory and equipment ［J］ ．Mining and Metallurgy， 2001 （2） 36-41， 30． 张国旺 ．破碎粉磨设备的现状及发展 ［J］ ．粉体技术， 1998 （3） 37-42． Zhang Guowang．Status and development of crushing and grinding equipment ［J］ ．China Powder Science and Technology， 1998 （3） 37- 42． 应灵灵．球磨机介质运动规律的实验研究 ［D］ ．昆明昆明理工大 学， 2009． Ying Lingling． Experimental Research of Kinematic Regularity of Mediums in Ball Mill．KunmingKunming University of Science and Technology， 2009． Fuerstenau D W， Phatak P B， Kapur P C， et al．Simulation of the grinding of coarse/fine（heterogeneous）systems in a ball mill ［J］ ． International Journal of Mineral Processing， 2011 （99） 32-38． Claude B， Patricia O．Should the slurry density in a grinding mill be adjusted as a function of grinding media size ［J］ ．Minerals Engineer- ing， 2007 （20） 810-815． 段希祥．碎矿与磨矿 （第三版） ［M］ ．北京冶金工业出版社， 2012 134-178． Duan Xixiang．Crushing and Grinding （Third Edition） ［M］ ．Beijing Metallurgical Industry Press， 2012134-178． 陈炳辰．磨矿原理 ［M］ ．北京冶金工业出版社， 198935-83． Chen Bingchen．Grinding Principle ［M］ ．BeijingMetallurgical Indus- try Press， 198935-83． 孙军锋， 董为民， 张建勇， 等．基于试验的球磨机临界转速率的 分析与研究 ［J］ ．机械科学与技术， 2010， 7 （10） 1302-1305． Sun Junfeng， Dong Weimin， Zhang Jianyong， et al．Analysis of the critical speed rate of a ball mill by experiment ［J］ ．Mechanical Sci- ence and Technology for Aerospace Engineering， 2010， 7（10） 1302-1305． 刘基博．球磨机钢球抛落运动中的第四种最优转速率研究 ［J］ ． 矿山机械， 2012， 23 （4） 78-83． Liu Jibo．Study on fourth optimal rotary velocity of grinding balls flinging in ball mills ［J］ ．Mining Processing Equipment， 2012， 23 （4） 78-83． 刘基博 ． 球磨机钢球抛落点切向分速度分析 ［J］ ． 矿山机械， 2013， 23 （2） 80-83． Liu Jibo． Study on tangential velocity at dropping points of steel balls in ball mill［J］ ．Mining Processing Equipment，2013， 23 （2） 80-83． 薛天利．锡石多金属硫化矿选择性磨矿行为研究 ［D］ ．南宁广西 大学， 2014． Xue Tianli． Study on Selective Grinding Behavior of Cassiterite Polymetallic Sulfide Ore ［D］ ．NanningGuangxi University， 2014． 曹钊， 屈奇奇， 曹永丹， 等．破碎方式对贫磁铁矿预选效率和 磨矿特性的影响 ［J］ ．矿冶工程， 2017， 37 （3） 50-53． Cao Zhao， Qu Qiqi， Cao Yongdan， et al．Effect of crushing s on preconcentration efficiency and grinding characteristics of lean magnetite ore ［J］ ．Mining and Metallurgical Engineering， 2017， 37 （3） 50-53． 杨金林， 周文涛， 马少健， 等．锡石多金属硫化矿磨矿目标粒度 产率预测模型研究 ［J］ ．矿业研究与开发， 2016， 36 （7） 22-25． Yang Jinlin， Zhou Wentao， Ma Shaojian， et al．Study on the predic- tion model for production rate of target grinding size in cassiterite polymetallic sulfide ore［J］ ． Mining Research and Development， 2016， 36 （7） 22-25． Austin L G．Introduction to the mathematical description of grinding as a rate process ［J］ ．Powder Technology， 1971 （5） 1-17． 杨金林， 周文涛， 马少健， 等．响应曲面法优化锡石多金属硫化 矿磨矿速率影响参数研究 ［J］ ．矿业研究与开发， 2016， 36 （4） 68-72． Yang Jinlin， Zhou Wentao， Ma Shaojian， et al．Study on optimization parameters for grinding rate of cassiterite polymetallic sulfide ore by response surface ology ［J］ ． Mining Research and Devel- opment， 2016， 36 （4） 68-72． 金属矿山2020年第5期总第527期 214 ChaoXing