纳米陶瓷球在卧式磨机中的磨矿性能研究.pdf

分类号 密 级 U D C 学 号 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 年 月 日 纳米纳米陶瓷球在卧式磨机中的磨矿性能研究陶瓷球在卧式磨机中的磨矿性能研究 Grinding Perance of Nano-ceramic Ball in Horizontal Mill 学 位 类 别 工学硕士 作 者 姓 名 雷阿丽 学 科、专 业 矿物加工工程 研 究 方 向 碎磨理论与矿物加工过程控制 指 导 老 师 吴彩斌 教授 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果， 也不包含已获得江西理工大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 研究生签名 时间 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解江西理工大学关于收集、保存、使用学位论文的规定即学校有 权保存按要求提交的学位论文印刷本和电子版本， 学校有权将学位论文的全部或者 部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编以供查阅和借阅； 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印 件和电子版。本人允许本学位论文被查阅和借阅，同意学校向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，并通过网络向社会公众提供信息服务。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名（手写） 导师签名（手写） 签字日期 年 月 日 签字日期 年 月 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 在磨矿过程中通常会出现过矿物颗粒过粉碎的情况， 矿物颗粒的过粉碎会给浮选目 的矿物带来难度，随尾矿而流失的目的矿物则变成损失的资源。而对矿物的过粉碎也会 带来电耗、能耗的增加等对选厂发展不利的因素，因此采取一定的措施来降低磨矿过程 中矿物过粉碎程度，如更换磨机类型，使用新型磨矿介质，调整磨矿浓度等操作。 本论文以-0.3mm 的磁铁矿和石英纯矿物、磁铁矿石英按质量 11 混合的二元混 合矿、三种实际矿石为研究对象，分析了在不同球径（Φ25mm、Φ20mm 和 Φ15mm）纳 米陶瓷球磨矿下， 单元矿物/二元混合矿/实际矿石的磨矿能耗特征及磨矿产品细度特征， 以及以及二元混合矿中的选择性磨矿行为，等质量转换 Φ16mm 钢球和 Φ20mm 陶瓷球 磨矿下单元矿石/二元混合矿/实际矿物的磨矿行为特征，主要包括产品整体细度 t10、新 生-0.075mm、新生合格粒级（0.0750.01mm）以及过粉碎粒级含量分析，采用能量分配 因子表征二元混合矿中各组分磨矿产品与能量的关系，并建立过粉碎粒度模型。通过上 述分析得出了以下规律 （1）对-0.3mm 的磁铁矿和石英纯矿物、磁铁矿石英按质量 11 混合的二元混合 矿及三种实际矿石，Φ20mm 陶瓷球磨矿时更节能，且磨矿产品合格粒级含量比其他两 种球径陶瓷球高。 （2）二元混合矿磨矿行为取决于二元混合矿中磁铁矿组分，磁铁矿比石英更容易 破碎。二元混合矿中不仅发生球介质对磁铁矿的选择性磨矿作用，且石英会促进球介质 对磁铁矿的被磨碎作用。能量分配因子 S 的大小证明混合矿中分离组分细度的大小。 （3）对于硬度越大的矿物磨矿，等质量转换纳米陶瓷球在能达到钢球磨矿效果的 同时，更加节能，且过粉碎程度更低。 （4）计算出纳米陶瓷球磨矿下，磁铁矿/石英/二元混合矿磨矿产品新生过粉碎粒度 模型。该模型能拟合并预测过粉碎含量的分布。 通过上述规律，纳米陶瓷球可作为未来磨矿中的有效降低过粉碎程度的研磨介质。 关键词关键词纳米陶瓷球；球磨机；磨矿性能；能耗特征；细度特征 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 Abstract II Abstract Overcomminution of mineral particles usually occurs in the grinding process. Overcomminution of mineral particles will lead to resource loss, increase of power consumption and energy consumption, which are unfavorable factors for the development of concentrators. Therefore, some measures are taken to reduce the degree of overcomminution of minerals in the grinding process, such as changing the type of grinder, using new grinding media and adjusting grinding concentration. In this paper, the grinding energy consumption characteristics and grinding fineness characteristics of single ore/binary mixed ore/actual mineral, as well as the grinding of unit ore and binary mixed ore and binary grinding product under different spherical diameters 25mm, 20mm and 15mm nano-ceramic ball grinding were analyzed, taking magnetite and quartz pure mineral and magnetite of -0.3mm as research objects. The energy consumption characteristics and product fineness characteristics of meta-ore grinding are compared, and the grinding behavior characteristics of mono-ore/binary mixed ore/actual mineral under equal mass conversion 16mm steel ball and 20mm ceramic ball grinding mainly include the overall fineness of the product t10, the new-born-0.075mm, the new qualified grade 0.075-0.01mm and the over-grinding grade content analysis. The energy distribution factor is used to characterize the binary mixed ore. The relationship between grinding products and energy of each component is established and the particle size model of overcomminution is established. Through the above analysis, the following rules are obtained For blow 0.3mm magnetite and quartz pure mineral, magnetite quartz mixed binary mineral and three kinds of actual minerals according to the mass of 11, the grinding of 20mm ceramic ball is more energy-saving, and the qualified grade content of grinding products is higher than the other two kinds of ball-diameter ceramic ball. The grinding behavior of binary mixed ores depends on the composition of magnetite in binary mixed ores. Magnetite is easier to break than quartz. The selective grinding of magnetite by spherical medium occurs not only in binary mixed ores, but also in quartz, which promotes the grinding of magnetite by spherical medium. The size of energy distribution molecule S proves the fineness of separation components in mixed ore. For the grinding of minerals with higher hardness, the nano-ceramic ball with equal 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 Abstract III mass conversion can achieve the grinding effect of steel ball, save more energy and have lower degree of overcomminution. Calculate the new supercomminution size model of magnetite/quartz/binary mixed grinding products under nano-ceramic ball milling. The model can fit and predict the distribution of overcomminution content. According to the above rules, nano-ceramic ball can be used as an effective grinding medium to reduce the degree of overcomminution in future grinding. Key words Grinding Medium; Nano Ceramic Ball; Mineral Intrinsic Property; Hardness; Over-grinding；Grinding Energy 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 目录 I 目目 录录 摘 要 ........................................................................................................................................... I Abstract ..................................................................................................................................... II 目 录 ........................................................................................................................................... I 第一章 文献综述 ...................................................................................................................... 1 1.1 课题来源 ...................................................................................................................... 1 1.2 磨矿作业在选矿中的地位 .......................................................................................... 1 1.2.1 选矿中的磨矿 .................................................................................................. 1 1.2.2 磨矿作业类型 .................................................................................................. 2 1.2.3 磨机种类 .......................................................................................................... 2 1.2.4 磨矿成本 .......................................................................................................... 3 1.3 影响磨矿的因素 ......................................................................................................... 3 1.3.1 矿石性质的影响 ............................................................................................... 3 1.3.2 设备性能及特性的影响 ................................................................................... 4 1.3.3 操作因素的影响 ............................................................................................... 4 1.4 纳米陶瓷球种类与应用 ............................................................................................. 5 1.4.1 纳米陶瓷球的种类及特点 .............................................................................. 5 1.4.2 纳米陶瓷球的应用 ........................................................................................... 5 1.5 国内外破碎模型的研究现状 ..................................................................................... 6 1.6 研究意义及研究内容 ................................................................................................. 8 1.6.1 研究意义 .......................................................................................................... 8 1.6.2 研究内容 .......................................................................................................... 8 1.6.3 技术路线 .......................................................................................................... 9 第二章 试验材料及方法 ........................................................................................................ 11 2.1 试验试样 .................................................................................................................... 11 2.1.1 试样的来源及制备 ........................................................................................ 11 2.1.2 试样的性质 ..................................................................................................... 11 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 目录 II 2.1.3 磨矿介质 ........................................................................................................ 14 2.2 试验设备 .................................................................................................................... 15 2.3 试验方法 .................................................................................................................... 15 2.4 数据分析 ................................................................................................................... 17 第三章 纳米陶瓷球对单元矿物颗粒的磨矿行为研究 ........................................................ 19 3.1 纯磁铁矿在不同球径纳米陶瓷球下的磨矿特征 ................................................... 19 3.1.1 磁铁矿在不同球径纳米陶瓷球下的能耗特征 ............................................. 19 3.1.2 磁铁矿磨矿产品磨矿细度分析 .................................................................... 20 3.1.3 磁铁矿磨矿产品新生-0.075mm 粒级含量分析 .......................................... 20 3.1.4 磁铁矿磨矿产品新生合格粒级（0.0750.01mm）含量分析 ................... 21 3.1.5 磁铁矿磨矿产品新生过粉碎粒级（-0.01mm）分析 ................................. 22 3.1.6 磁铁矿磨矿产品粒度特性分析 .................................................................... 23 3.2 纯石英在不同球径纳米陶瓷球下的磨矿特征 ....................................................... 23 3.2.1 石英在不同球径纳米陶瓷球下的能耗特征 ................................................. 23 3.2.2 石英磨矿产品细度分析 ................................................................................ 24 3.2.3 石英磨矿产品新生-0.075mm 粒级含量分析 .............................................. 25 3.2.4 石英磨矿产品新生合格粒级（0.0750.01mm）含量分析 ....................... 25 3.2.5 石英磨矿产品新生过粉碎粒级（-0.01mm）分析 ..................................... 26 3.2.6 石英磨矿产品粒度特性分析 ........................................................................ 26 3.3 等质量转换钢球和纳米陶瓷球对单元矿物颗粒磨矿的磨矿行为比较 ............... 27 3.3.1 等质量转换钢球和纳米陶瓷球对磁铁矿的磨矿行为研究 ........................ 27 3.3.2 等质量转换钢球和纳米陶瓷球对石英的磨矿行为研究 ............................ 29 3.3 本章小结 ................................................................................................................... 31 第四章 纳米陶瓷球对二元混合矿物颗粒的磨矿行为研究 ................................................ 33 4.1 纳米陶瓷球对二元矿物磨矿的能耗特征 ............................................................... 33 4.2 纳米陶瓷球对二元矿物体系下磨矿细度特征 ....................................................... 33 4.2.1 磨矿产品细度分析 ........................................................................................ 33 4.2.2 磨矿产品新生粒级（-0.075mm）分析 ....................................................... 35 4.2.3 磨矿产品新生合格粒级（0.0750.01mm）分析 ....................................... 37 4.2.4 磨矿产品新生过粉碎粒级（-0.01mm）分析 ............................................. 38 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 目录 III 4.3 纳米陶瓷球磨矿下单元矿物与二元矿物的磨矿细度和能耗对比 ........................ 39 4.3.1 单元矿物与二元矿物磨矿能耗对比分析 .................................................... 39 4.3.2 单元矿物与二元矿物磨矿产品细度分析 .................................................... 40 4.3.4 能量分配因子 ................................................................................................ 45 4.4 等质量钢球和陶瓷球作磨矿介质时二元矿物磨矿行为对比 ................................ 47 4.4.1 等质量转换钢球与陶瓷球磨矿下二元矿物能耗特征比较 ........................ 47 4.4.2 等质量转换钢球与陶瓷球磨矿下二元矿物磨矿行为对比 ........................ 48 4.5 本章小结 ................................................................................................................... 52 第五章 纳米陶瓷球对实际矿物颗粒的磨矿行为研究 ........................................................ 54 5.1 纳米陶瓷球对实际矿物磨矿的能耗特征和产品细度分析 ................................... 54 5.1.1 纳米陶瓷球对实际矿物磨矿的能耗特征分析 ............................................ 54 5.1.2 纳米陶瓷球对实际矿物的磨矿产品细度分析 ............................................ 55 5.2 等质量转换钢球和陶瓷球磨矿下实际矿物的磨矿能耗及细度分析 ................... 62 5.2.1 等质量转换钢球和陶瓷球磨矿下实际矿物的磨矿能耗特征 .................... 62 5.2.2 等质量转换钢球和陶瓷球磨矿下实际矿物的磨矿细度特征 .................... 63 5.3 本章小结 ................................................................................................................... 67 第六章 纳米陶瓷球磨矿产品新生过粉碎粒级-比能量 Ecs 模型化 ................................... 68 6.1 单元矿物磨矿产品新生过粉碎粒级-比能量 ECS模型化 ...................................... 68 6.2 二元矿物磨矿产品新生过粉碎粒级-比能量 ECS模型化 ...................................... 69 6.3 本章小结 ................................................................................................................... 70 第七章 结 论 .......................................................................................................................... 71 参考文献 .................................................................................................................................. 73 致 谢 ........................................................................................................................................ 76 攻读学位期间研究成果 .......................................................................................................... 77 万方数据 第一章 文献综述 1 第一章第一章 文献综述文献综述 1.1 课题来源课题来源 本论文课题来源与国家自然科学基金“磁铁矿/石英/方解石/多元矿物体系中选择性 磨矿机理研究”NO.51764015。 1.2 磨矿作业在选矿中的地位磨矿作业在选矿中的地位 1.2.1 选矿中的磨矿 磨矿作业在金属矿山、非金属矿山以及所有需要解离行为的领域均得到有运用。在 选矿中，只有少数有用矿物已单体解离的砂矿和部分高品位富矿可以直接选别，而不经 过磨矿作业的单体解离， 大多数矿石必须经过磨矿处理才能使常常紧密连生在一起的有 用矿物和脉石矿物充分解离 [1]。随着我国矿产资源“贫、细、杂”化，金属矿山必须采 用合适且新的磨矿工艺和技术处理这些低品位、嵌布粒度小且共生脉石多的矿石。磨矿 产品的好坏直接决定了后续浮选的指标， 同时也直接决定了磨矿中的能耗与钢耗等在投 资成本中的比例。一切选矿方法都受到颗粒大小的限制，颗粒过粗的矿物和颗粒过细都 会造成用现有的选矿方法难以回收。如小于 19μm 的矿粒在重矿时难以回收；5～10μm 以下的矿粒在浮选时难回收[2]。 任何磨矿过程中的过粉碎是不可避免的， 过粉碎程度过高将使得选矿回收率和精矿 品位降低且因为颗粒过细而无法回收的矿物资源随尾矿被丢弃。 许多磨矿专家学者认为， 磨矿工艺硬根据矿石性质的不同而选择，不能一概而论，还认为现代磨矿工艺的流程主 要在于增加矿物磨矿过程的选择性解离[3]以实现以最小能耗取得最大的矿物选择性解离， 在减轻过粉碎的同时获得适合入选物料的颗粒。 对选矿厂而言，磨矿作业的成本在选矿中的比例很大，许多磨矿专家深入研究对磨 矿过程的节能降耗进取得了丰硕的成果而磨矿车间的投资通常都占整个选矿厂的 5070[4]，占比非常大，因此优化和控制磨矿过程，提高磨矿效率、降低磨矿成本也 是一项长期的艰巨任务。 万方数据 第一章 文献综述 2 1.2.2 磨矿作业类型 磨矿可分为解离性磨矿、擦洗性磨矿、粉碎性磨矿和超细粉碎性磨矿[5-7]。 解离性磨矿的目的在于目的矿物和非目的矿物分离， 它让磨矿产品在达到一定粒度 时目的矿物最大程度解离，同时过粉碎程度更轻，通常它是矿石颗粒进入浮选作业的最 后一道作业，为后续工序提供适合选别的物料，当今选厂也有许多是阶段性磨矿。擦洗 性磨矿可以为目的矿物暴露新鲜表面， 这类磨矿类型主要用于处理含泥量较大矿石或容 易泥化的矿石，如含钙镁矿物的硫化铜矿。粉碎性磨矿是将物料粉碎的越细越好的一种 磨矿方式，目前在工业上广泛应用，主要是在水泥熟料、陶瓷原料以及一些精细的化工 产品的破碎上。超细粉碎性磨矿以实现入选料的超细粉碎为目标，通过碎磨行为达到改 变物料表面活性的作用，粉碎产物粒级一般情况下是在分布在-10m 中。 1.2.3 磨机种类 由于矿石本身的性质不同，导致矿石颗粒被磨碎所用的磨机也不同，目前，根据磨 矿的方式，矿山常用的磨矿设备有搅拌磨、振动磨、塔式磨、高压射流粉碎机等。根据 磨矿的环境中有无液相流体参加可分为干式和湿式磨矿。 湿法磨矿一般以实现有用矿物 单体解离为目的。 而干式磨矿则是直接加工粉体产品及直接对入磨料进行粉碎性磨矿行 为， 也称为粉磨。 根据磨矿过程中有无使用研磨介质可分为无研磨介质磨矿 （如雷蒙磨、 旋转磨）和有研磨介质磨矿（如棒磨、球磨、震动磨）等。根据磨矿介质种类可分为棒 磨、球磨、自磨和半自磨、砾磨等。 棒磨机是使用以钢棒为磨矿介质的磨机，常被用于细磨阶段和粗磨阶段，其特点是 能使入磨料磨矿产物粒度较为均匀，棒磨机的给料粒度为 300μm 至 50mm。钢棒直径 越小，总表面积越大，磨机的磨矿效率越高，实际应用的钢棒直径最大为 150mm，最小 为 25mm，且其最大直径不能大于给矿的最大粒度。棒磨机的筒体长度大于筒体直径， 筒体长度一般为半径的 1.52.5 倍。棒磨机可联合重选、粗粒磁选、球磨机和某些细泥 的浮选，也可用代替细碎机进行细碎[8]。 球磨机被广泛用于各种情况下的物料破碎，介质材料主要是铸铁、钢球或合金钢。 球磨机的优点是处理量大，缺点是在磨矿过程中易过粉碎，对矿物的选择性磨碎作用相 对较差。球介质由于其比表面积大而适合细磨作业，一般在磨矿工艺的最后阶段使用。 球磨机常用于矿山的开路和闭路磨矿，闭路磨矿与开路磨矿相比，具有循环负荷高、最 终产物粒级较窄、单位体积的产量高的特点。球磨机是目前选厂应用最为广泛的磨矿设 备，其长径比一般为 1.51.0，国产球磨机的长径比一般在 0.782.0，钢耗一般在 0.11.0kg/t。目前常用于工业的球磨机有两种