立磨机磨矿关键影响因子研究.pdf

2 0 2 1 年第2 期有色金属 选矿部分 1 1 5 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 9 4 9 2 ．2 0 2 1 ．0 2 ．0 1 9 立磨机磨矿关键影响因子研究 祝启恒1 ，卢世杰1 ’2 ⋯，何建成1 ’2 ⋯，孙小旭1 ’2 ⋯， 姚建超1 ’2 ⋯，周宏喜1 ’2 ’3 1 ．矿冶科技集团有限公司，北京1 0 0 1 6 0 ； 2 ．北矿机电科技有限责任公司，北京1 0 0 1 6 0 ； 3 ．矿物加工科学与技术国家重点实验室，北京1 0 2 6 2 8 摘要立磨机因为能耗低，效率高的特点，逐渐取代球磨机成为细磨和再磨的主要设备。但立磨机的磨矿基本理论研 究还不够完善，设备的设计、介质球的匹配等还依赖于工程经验和试验探索，存在着成本高、效率低的问题。针对立磨机的两 个结构参数环形间隙，螺径比和三个运行参数螺旋外缘线速度，介质球直径，介质充填率，以石英作为试验矿样，基于实验 室K L M - 1 0 立磨机，设计了五因素四水平正交试验，以磨矿能耗与时间作为考核指标，探索影响立磨机磨矿效果的关键结构 参数和工业运行参数，得到了单因素对于磨矿效果的影响规律，以及运行参数与结构参数的最佳匹配方案，为立磨机的设计 运行提供理论依据。 关键词立磨机；细磨；正交实验 中图分类号T D 4 5 3文献标志码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 2 1 0 2 一。儿5 一0 8 S t u d yo nK e y F a c t o r so fV e r t i c a lM i l lG r i n d i n g Z H U Q g 挖9 1 ，L U S 五巧i e l ，2 ⋯，H E ，i a 咒c 五e 7 2 9 1 ，2 ～，S U NX i 口o z “1 ’2 ～， Y _ A 0J i n 咒c 九以0 1 ，2 ⋯，Z H O U H o 咒g z i l ，2 ，3 】．B G R I M MT g c 五咒o Z o g yG r o “乡，B 8 i 歹i 挖gI D O j 6 0 ，C 矗i 挖a ； 2 ．B G R J M MA 纪c 矗i 咒8 r y A “￡o m 口￡j o 咒T P c 矗挖o Z o g yC o ．，L ￡岔，B P i 歹i ，z gj0 0 j6 0 ，C i 咒以； 3 ．S f n 抛K 8 yL 盘6 0 r n f o ，yo 厂A 以n 8 7 一a ZP r o f e s s i ，2 9S c i 8 咒c en 咒d 心c 矗咒o Z D g y ，B e i 歹i 咒gj 0 2 6 2 8 ，C i n n A b s t r a c t B e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so f1 0 we n e r g yc o n s u m p t i o na n dh i g he f f i c i e n c y ， t h ev e r t i c a l m i l lh a sg r a d u a l l yr e p l a c e dt h eb a l lm 订la st h em a i ne q u i p m e n tf o rf i n eg r i n d i n ga n dr e g r i n d i n g ．B u tt h eb a s i c g r i n d i n gt h e o r yo ft h ev e r t i c a lm i l li s n o tp e r f e c t ，t h ed e s i g no ft h ee q u i p m e n ta n dt h em a t c h i n go ft h e m e d i u mb a l ls t 订1d e p e n do nt h ee n g i n e e r i n ge x p e r i e n c ea n de x p e r i m e n t a le x p l o r a t i o n ，t h e r ea r ep r 。b l e m so f h i g hc o s ta n dl o we f f i c i e n c y ．A i m i n ga tt w os t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h ev e r t i c a lm i l l ，n a m e l yt h ea n n u l a r c l e a r a n c ea n dt h es c r e w d i a m e t e rr a t i o ，a n dt h r e eo p e r a t i o np a r a m e t e r s ， n a m e l yt h es p i r a lo u t e re d g el i n e a r s p e e d ， t h em e d i u mb a Ud i a m e t e ra n dt h em e d i u mf i U i n gr a t e ，a n dt a k i n gq u a r t za sat e s to r es a m p l e ，a f i v e f a c t o rf o u r l e v e lo r t h o g o n a lt e s ti sd e s i g n e db a s e do nal a b o r a t o r yK L M 一1 0v e r t i c a lm i l l ．T a k i n gt h e g r i n d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o na n dt i m ea st h ea s s e s s m e n ti n d e x ， t h ek e ys t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n di n d u s t r i a l o p e r a t i o np a r a m e t e r sa f f e c t i n gt h eg r i n d i n ge f f e c to fv e r t i c a lm 订1w e r ee x p l o r e d ， a n dt h ei n f l u e n c e1 a wo f s i n g l ef a c t o r o ng r i n d i n ge f f e c tw a so b t a i n e d ， a sw e Ua st h e o p t i m a lm a t c h i n gs c h e m e o fo p e r a t i o n p a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ， w h i c hp r o v i d e dat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e s i g na n do p e r a t i o no f v e r t i c a lm i l l ． K e yw o r d s t o w e rm i l l ；f i n em i l l ； o r t h o g o n a lt e s t 收稿日期2 0 2 0 一0 4 2 9 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 6 7 4 0 3 3 ，5 1 6 0 4 0 2 7 作者简介祝启恒 1 9 9 3 一 ，男，辽宁本溪人，硕士研究生，主要从事磨矿设备设计优化等研究。 通信作者卢世杰 1 9 7 2 一 ，男，河北景县人，教授级高级工程师，主要从事选矿及磨矿装备设计优化等研究。 万方数据 1 1 6 有色金属 选矿部分2 0 2 1 年第2 期 我国经济的高速发展对于各种矿产资源的需求 逐步提高，但由于我国矿物经过长期粗放型开采，易 处理、高品位的矿产资源逐步枯竭，贫、细、杂等难处 理矿产资源开采大大增加，回收细粒嵌布矿物中的有 用成分越来越受到重视，对矿物再磨提出了更高的要 求，通常需要经过多段细磨或再磨才能满足分选要 求[ 1 。3 ] 。立式螺旋搅拌磨机是一种新型的高效细磨设 备，筒体固定，搅拌机构旋转，解决简体自转耗能过大 的问题，其磨矿以研磨为主，冲击、剪切作用为辅。不 同于球磨机的泻落式磨矿，立式螺旋搅拌磨机的上部 区域具有一定的分级作用，可以有效防止过磨现 象[ 4 。9 ] 。因此，立磨机的研究已经成为一个热点。 在立磨机的实际工作过程中，有很多参数对立 磨机的工作效果产生影响，这些参数主要分为两大 类，一类是立磨机的结构参数，如搅拌轴的螺径比、 搅拌轴外缘距筒壁的间隙等，这类参数是立磨机结 构设计的重要依据；一类是立磨机的实际工艺条件 参数，如介质球的直径、充填率、螺旋外缘线速度等， 这类参数对实际的工况有着直接的影响。因此，对 这两类参数的研究十分重要。选择螺旋外缘线速 度、介质直径、介质充填率、螺径比、搅拌轴外缘到筒 壁间隙五个参数，进行五因素四水平正交试验，探究 不同的因素对磨矿作用的影响效果。 1 试验方案 1 ．1 试验因素水平设置 综合考虑实际工业应用设备与实验室设备的参 数，得到五因素四水平正交试验参数设置如表1 所 示，共计1 6 组实验。 表1五因素四水平试验参数 T a b l e1T e s tp a r a m e t e r so ff i v ef a c t o r s a n df 0 1 】r1 e v e l 介质直径／螺旋外缘线速度／环形间隙／ 螺径比充訾7 ％ 试验中螺旋外缘直径不变，如图1 所示，通过调 整筒体内径获取不同的环形间隙。试验中螺旋外缘 直径及螺旋高度不变，如图2 所示，通过调整螺距获 得不同的螺径比。试验中为了便于比较，项目统一了 不同试验中筒体内的液面高度；由于介质直径不同，介 质之间的缝隙不同，为了控制充填率的准确性，选用介 质球的真密度作为依据来计算试际加入的介质质量。 图1试验用不同直径的有机玻璃筒 F i g ．1P l e x i g l a s sc y l i n d e r so fd i f f e r e n t d i a m e t e r sf o rt e s t i n g 图2 试验用不同螺距的搅拌轴 F i g ．2S t i r r i n gs h a f t sw i t hd i f f e r e n t p i t c h e sf o rt e s t i n g 1 ．2 试验物料选择 试验中以石英砂为研磨对象，莫氏硬度为7 ，真 密度为2 ．6 8g ／c m 3 ，堆密度1 ．6g ／c m 3 ，物料主要组 分如表2 所示。 表2磨矿物料主要组分分析结果 T a b l e2 A n a l y s i sr e s u l t so fm a i n c o m p o n e n t so fg r i n d i n gm a t e r i a l／％ 1 ．3 试验设备 试验采用北矿机电科技有限责任公司研制的 M一加∞∞∞∞加∞加∞∞加∞等纛臻篡蘧篡黼竖；。；。。m笔MM 万方数据 2 0 2 1 年第2 期祝启恒等立磨机磨矿关键影响因子研究 1 1 7 K L M 一3 型立式螺旋搅拌磨机作为试验设备。K L M 一3 型立式螺旋搅拌磨机与工业型立磨机具有完全相同 的搅拌器结构，上部轴连接一个变频电机，其转速范 围为o ～8 0 0r ／m i n 。搅拌装置下部轴及试验所用筒 子可以拆卸与更换。试验所用立磨机主轴连接一个 功率传感器与扭矩传感器，可以实时记录磨矿过程 中的主轴转速和主轴的功率。试验系统示意图与实 验室设备如图3 所示 图3 试验系统示意图 F i g ．3 S c h e m a t i cd i a g r a mo ft e s ts y s t e m 【．* 2 试验结果与分析 门异 F 一 呈二里 坚 门、 2 ．1 能耗分析 一 M ”7 立磨机的运行功耗很大，能耗的多少是选矿其中T 为至取样为止的磨矿时间，h ；M 为磨机 厂评价立磨机的一个重要参数。试验中由于加矿中的物料质量，t ；P 、P 。分别为磨机的带矿及空载功 量的不同，选择单位能耗E 作为评价参数，其含率，k w ；E 为单位能耗，k w h ／t 。 义为将单位质量的矿料磨到指定粒度所消耗的试验选取将一3 8 扯m 矿物含量从4 0 ％磨到 能耗。磨矿的单位能耗E 则通过式 1 进行7 0 ％作为评价范围区间，试验结果如表3 所示。 表3能耗统计表 P 7 0 3 8 “m T a b l e3 E n e r g yc o n s u m p t i o ns t a t i s t i c s P 7 0 3 8 弘m 万方数据 1 1 8 有色金属 选矿部分2 0 2 1 年第2 期 表3 中忍表示任一列水平号为i 时所对应的试 验结果之和；R 为极差，其表示托中最大值与最小值 之差。极差越大，表示该列因素数值在试验范围内的 变化会导致试验指标在数值上有更大的变化，极差最 大的一列就是因素的水平对试验结果影响最大的因 素，该因素即为主要因素。从表3 中可以看出，对于 环形间隙／m m a 环形间隙 能耗E ，影响因素主次顺序为环形问隙一螺旋边缘线 速度一介质直径一介质充填率一螺径比。其中介质直 径和螺旋外缘线速度的极差R 分别为7 ．1 7 和7 ．3 8 4 ，表 示两者的影响作用相近；螺径比和充填率的极差R 分 别为2 ．8 9 5 和3 ．5 1 8 ，表示两者的影响作用相近。单独 分析五个因素对能耗的影响，其影响趋势如图4 所示。 图4 各因素对磨矿功耗的影响趋势 F i g ．4 I n f l u e n c et r e n do fv a r i o u sf a c t o r so ng r i n d i n gp o w e rc o n s u m p t i o n 根据图4 a ，能耗E 随着环形间隙的增大而减 小，但减小的速率逐渐减小，最大值与最小值之间相 差1 0 0 ％；这是因为随着环形间隙的增大，外缘的几 排介质相对运动较小，几乎没有相对运动，因此，无 万方数据 2 0 2 1 年第2 期祝启恒等立磨机磨矿关键影响因子研究 1 1 9 用的热损耗比较小。试验现象可以说明这一点，当 环形间隙比较小时，简体发热明显。根据图4 b ，能 耗E 随着螺旋外缘线速度的增大而增大，基本成线性 关系，最大值与最小值之间相差2 9 ．o ％，这是因为随 着转速的提高，电机的输入功率也就越高，且介质的 碰撞摩擦也越剧烈，能量损耗也就越高；根据图4 c ， 随着介质直径的增大，能耗E 先减小后增大，在介质 直径为7 ．5m m 和1 0m m 时较低，直径为7 ．5m m 时 能耗最小，最大值与最小值之间相差2 7 ．7 ％，这是因 为介质过大，螺旋提升小球所需要的力增加，导致所 需功耗增加；根据图4 d ，能耗随着充填率的增加先 增大后减小，但相差不是很大，最大值与最小值之间 仅相差1 3 ．3 ％，这是因为如果充填率过小，介质不 足，无法对矿料进行充分研磨，导致时间增加，充填 率过大，则会有多余介质在做无用功，无用功耗增 加；根据图4 e ，能耗随着螺径比的增加先减小后增 大，在螺径比为1 ．2 7 时能耗最低，最大值与最小值 相差也不是很大，为1 0 ．5 ％。说明该因素对能耗影 响不明显。按照已有的单因素作用规律，能耗最低 的组合如表4 所示。 表4能耗最优值组合 T a b l e4 O p t i m a lc o m b i n a t i o no f e n e r g yc o n s u m p t i o n 2 ．2 磨矿时间分析 实际生产中，除了能耗以外，磨矿时间也是一个 重要关注点，磨矿时问越短，表示设备处理量越大。 试验同样选取将矿物从一3 8 肛m 占4 0 ％磨到一3 8 扯m 占7 0 ％的磨矿时间￡进行分析。 对1 6 组试验所需时间￡统计结果如表5 所示，综 合分析1 6 组数据，发现不同条件下所消耗时间相差 很大，能耗最大的是试验1 ，达到了1 0 7 ．5 4m i n ，最小 的是试验1 5 ，所消耗时间仅为2 0 ．9 9r 1 1 i n ，前者是后者的 5 ．1 2 倍，说明所选取的5 个因素对磨矿时间影响很大。 表5磨矿时间统计表 P 7 0 一3 8 肚m T a b l e5 G r i n d i n gt i m es t a t i s t i c s P 7 0 一3 8 “ m 试验序号介质直径／m m螺旋外缘线速度／ m s 一环形间隙／m m螺径比充填率／％时间／m i n 因素影响主次顺序环形间隙一介质直径一充填率一螺径比一线速度 表5 中K i 与极差R 的含义与表4 相同。极 差越大表示该因素对实验结果的影响越大。从表 5 中可以看出对于时间￡，影响因素主次顺序为 环形间隙一介质直径一充填率一螺径比一线速 度。其中环形间隙的极差R 为3 6 ．4 0 3 ，在五种因 素中最大，说明该因素影响最大，螺径比与充填率 的极差分别为19 ．3 7 7 与2 0 ．4 1 3 ，两者比较接近， 表示这两种因素对磨矿时间￡的影响程度接近。 单独分析五个因素对时间的影响，其影响趋势如 图5 所示。 o o ，o o加n心坞MM m 地聃碰R 万方数据 1 2 0 有色金属 选矿部分2 0 2 1 年第2 期 环形间隙／m m f a 环形间隙 介质直径／m m h 介质直径 图5 各因素对磨矿时间的影响趋势 F i g ．5 I n f l u e n c et r e n do fe a c hf a c t o ro ng r i n d i n gt i m e s 根据图5 a ，磨矿时间￡随着环形间隙的增大 先有略微较减小后逐渐增大，几乎成线性关系，最大 值与最小值之间相差9 5 ％，这是因为随着环形间隙 的增大，外圈的几层介质受到搅拌轴影响较小，几乎 相对运动，这与试验中观察到的现象是一致的；根据 图5 b ，磨矿时间≠随着介质直径的增大而减小，在 直径大于7 ．5m m 后逐渐趋于平稳，最大值与最小 值之间相差5 5 ．6 ％，这与前面功耗的分析相一致；根 据图5 c ，随着充填率的增大，磨矿时间￡逐渐减 小，且减小的速率逐渐变快，最大值与最小值之间相 差5 1 ．1 ％，这是因为随着充填率的增加，磨矿介质增 加，相同时间内会有更多的介质参与研磨作用，使得 磨矿时问大大缩短，但与此同时，磨矿功耗也会增 加，这与前文功耗分析相吻合；根据图5 d ，磨矿时 问￡随着螺径比的增加逐渐减小，最大值与最小值 之间相差4 4 ．7 ％，这是因为螺径比越大，介质会被提 万方数据 2 0 2 1 年第2 期祝启恒等立磨机磨矿关键影响因子研究 1 2 1 升到更高的高度，矿料会得到更充分的捕捉，同时介 质具有的势能也越大，掉落时对矿料的冲击作用也 越大；根据图5 e ，磨矿时问f 随着线速度的增加先 减小后有略微增大，在线速度为1 ．8 5m ／s 时磨矿时 问￡最少，最大值与最小值相差3 5 ．2 ％。按照已有 的单因素作用规律，磨矿时间￡最少的组合如表6 所示。 表6单项因素最优值组合 T a b l e6 0 p t i m a lv a l u ec o m b i n a t i o n o fs i n 9 1 ef a c t o r 介质直径7螺旋外缘线速度7环形间隙7 螺径比充填予7 m m m s1 m m％ 7 ．51 ．8 53 01 ．5 34 0 综合分析这两种评价指标，可以发现以吨能耗 与磨矿时问分别为考核指标时，两者最优条件均不 一致，能耗高低是重要的经济性指标，磨矿时间长短 是重要的效率指标。设备研制过程中需要结合矿物 特性，寻找两者的最优匹配机制。 3结论 1 选取介质直径、线速度、环形间隙、螺径比、充 填率进行五因素四水平正交试验，以吨能耗E 作为 考核指标，影响因素主次顺序为环形间隙一线速度 一介质直径一充填率一螺径比。单因素影响方面， 能耗E 随着环形间隙的增大而减小，随着螺旋外缘 线速度的增大而增大，随着介质直径的增大，能耗E 先减小后增大，随着充填率的增加先增大后减小，随 着螺径比的增加先减小后增大。 2 以磨矿时问￡作为考核指标，影响因素主次 顺序为环形间隙一介质直径一充填率一螺径比一 线速度，单因素影响方面，磨矿时间￡随着环形间隙 的增大先有略微较小后逐渐增大，随着介质直径的 增大而减小，随着充填率的增大，磨矿时间￡逐渐减 小，随着螺径比的增加逐渐减小，随着线速度的增加 先减小后有略微增大。 3 能耗高低是重要的经济性指标，磨矿时间长 短是重要的效率指标。设备研制过程中需要结合矿 物特性，寻找两者的最优匹配机制。 参考文献 [ 1 ] 段希祥．碎矿与磨矿[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 1 2 1 9 41 9 9 ． D U A Nx i x i a n g ．C r u 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J ] ．N o n f e r r o u sM e t a l s M i n e r a lP r o c e s s i n gS e c t i o n ，2 0 1 8 1 9 0 ～9 3 ． [ 1 1 ] 孙小旭，卢世杰，周宏喜，等．细磨用K L M 型立磨机选 型试验研究[ J ] ．铜业工程，2 0 1 8 6 7 3 7 6 ． s u Nx i a o x u ，L us h 幻i e ，z H 0 uH o n g x i ，e ta 1 ．s e l e c t i o n [ 1 3 ] e x p e r i m e n t a ls t u d y o fK L Mv e r t i c a lm i l lf o rf i n e g r i n d i n g [ J ] ．c o p p e rE n g i n e e r i n g ，2 0 1 8 6 7 37 6 ． [ 1 2 ] 姚建超，何建成，孙小旭，等．擦洗机中叶片倾角对流场 分布及输入功率的影响分析[ J ] ．有色金属 选矿部分 ， 2 0 1 8 1 9 4 9 9 ． Y A OJ i a n c h a o ，H EJ i a n c h e n g ，S U NX i a o x u ，e ta 1 ． A n a l y s i so fb l a d ea n g l e ’si n f l u e n c eo nt h ed i s t r i b u t i o n o ff l o wf i e l da n di n p u tp o w e ri ns c r u b b i n gm a c h i n e [ J ] ． N o n f e r r o u sM e t a l s M i n e r a lP r o c e s s i n gS e c t i o n ，2 0 1 8 1 9 4 9 9 ． 卢世杰，刘佳鹏，何建成，等．几种典型搅拌磨机磨矿机 理的研究进展[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 1 7 增刊1 1 32 1 ． L US h 巧i e ，L I UJ i a p e n g ，H EJ i a n c h e n g ，e ta 1 ．R e s e a r c h a d v a n c e sa b o u tg r i n d i n gm e c h a n i s mo fs o m et y p i c a l s t i r r e dm i l l s [ J ] ．N o n f e r r o u sM e t a l s M i n e r a lP r o c e s s i n g S e c t i o n ，2 0 1 7 S 1 1 3 2 1 ． 上接第9 2 页 C H E NJ i a n f e n g ，L E IM a n q i 。T h ee x p e r i m e n tr e s e a r c h o fm i n e r a ls e p a r a t i o no na no r ec o n t a i n i n g1 0 wg r a d e [ 7 ] m o l y b d e n u m a n d c o p p e r [ J ] ． H u n a nN o n f e r r o u s M e t a l s ，2 0 1 0 2 6 4 7 ． [ 6 ] 张宝元．铜钼矿石的浮选及铜钼分离工艺[ J ] ．化工技 术与开发，2 0 1 0 5 3 6 3 9 ． Z H A N G B a o y u a n ．R e v i e wo nf l o t a t i o na n ds e p a r a t i o no f c o p p e ra n dm 0 1 y b d e n u 脚r e S [ J ] ．T e c h n o l o g y D e v e l o p m e n t o fC h e m i c a lI n d u s t r y ，2 0 1 0 5 3 6 3 9 ． 张红英，张军，刘建国，等．西藏某铜钼混合精矿分离 试验研究[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 19 6 2 3 2 6 ，4 9 ． Z H A N GH o n g y i n g ，Z H A N GJ u n ，L I UJ i a n g u o ，e ta 1 ． S e l e c t i v ef l o t a t i o no fa c o p p e r m 0 1 y b d e n u m b u l k c o n c e n t r a t ef r o mT i b e t [ J ] ．N o n f e r r o u sM e t a l s M i n e r a l P r o c e s s i n gS e c t i o n ，2 0 1 9 6 2 3 2 6 ，4 9 ． 万方数据