纳米陶瓷球在立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 二〇一九 年 五 月二十二日 纳米纳米陶瓷球陶瓷球在立式磨机中的在立式磨机中的磨磨矿性矿性能研究能研究 Grinding Properties of Nano- ceramic Ball in Vertical Stirred Mills 学 位 类 别 工学硕士 作 者 姓 名 廖宁宁 学 科、专 业 矿物加工工程 指 导 教 师 吴彩斌 教授 研 究 方 向碎磨理论与矿物加工过程控制 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 日 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 中国乃至世界的矿产资源开发正朝着“贫、细、杂”发展。这些矿产资源需要细磨或 者超细磨才能实现矿物的单体解离。立式磨机逐渐取代球磨机作为细磨设备。细磨常用钢 球作为磨矿介质，钢球磨矿能耗高且产生铁质污染。纳米陶瓷球是一种新型能量利用率高 的磨矿介质。本文采用纳米陶瓷球、钢球作为磨矿介质，在一元/二元矿物体系中以磁铁 矿、石英、二元混合矿物作为磨矿物料，探讨了磨矿产品粒度分布和能耗特征。最后采用 实际铁矿石进行验证。本文得出以下结论 相同的磨矿细度下，随着纳米陶瓷球直径的减少，磁铁矿、石英、二元混合矿物、实 际铁矿石的比能量先减小后增大，在 15mm 的纳米陶瓷球的比能量最低。在相同的比能量 时，随着纳米陶瓷球直径的减少，磁铁矿、石英、二元混合矿物、实际铁矿石磨矿产品的 新生合格粒级含量也是先增大后减少，15mm 的新生合格粒级含量最大。因此 15mm 的纳 米陶瓷球磨碎能力最强。 在相同的比能量时，纳米陶瓷球与等质量钢球相比，磁铁矿、石英、二元混合矿物、 实际铁矿石磨矿产品的新生合格粒级含量都更多，因此纳米陶瓷球的比等质量钢球磨碎能 力更强。在相同的磨矿细度时，纳米陶瓷球比等质量钢球的比能量低，纳米陶瓷球是一种 能耗利用率高的细磨介质。 二元混合矿物受到组分矿物硬度的影响。磁铁矿的能量分配因子大于 1，石英的能量 分配因子小于 1。磁铁矿的比破碎速率较大，石英的比破碎速率较小。二元混合矿物的磨 矿过程为不均匀磨碎。硬度小的磁铁矿优先磨碎，硬度大的石英对硬度小的磁铁矿起到助 磨作用。因此，软硬矿物的磨碎过程中存在选择性磨碎。 纳米陶瓷球比等质量钢球的磨矿性能好，纳米陶瓷球是一种立式磨机中新型的节能磨 矿介质，具有较好的应用前景。 关键词关键词纳米陶瓷球；立式磨机；磨矿性能；粒度特征；能耗特征 万方数据 Abstract II Abstract The development of mineral resources at home and abroad is moving towards “low-grade, fine-grained dissemination and complex”.These mineral resources require fine grinding or ultrafine grinding to achieve valuable mineral liberation.Vertical mill is gradually replaced ball mill as fine grinding equipment.Steel ball is commonly used as grinding medium for fine grinding.Nano- ceramic ball is a new grinding medium with high energy efficiency.In this paper, nano-ceramic ball and steel ball are used as grinding medium and magnetite, quartz, and binary mixed minerals are used as grinding materials. The particle size distribution and energy consumption characteristics of ground products are discussed in the mono-binary mineral system. Actual iron ore was used for verification. This paper comes to the following conclusions With the same grinding fineness, the specific energy of magnetite, quartz, binary mixed minerals and actual iron ore first decreases and then increases as the diameter of nano-ceramic ball decreases, and the specific energy of 15mm nano-ceramic ball is the lowest. At the same specific energy, with the decrease of the diameter of the nano-ceramic ball, the qualified particle size content of magnetite ,quartz, binary mixed minerals and the actual iron ore ground products first increases and then decreases. The qualified particle size content of 15mm is the largest. Therefore, the grinding ability of 15mm nano -ceramic ball is the best. At the same specific energy, compared with same mass of steel ball, the content of newly qualified particle size content of magnetite, quartz, binary mixed minerals and actual iron ore ground products of nano-ceramic ball are more than that of steel ball, so the grinding ability of nano-ceramic ball is stronger than that of steel ball in the same mass. At the same grinding fineness, the specific energy of nano-ceramic ball is lower than that of steel ball. Binary mixed minerals are affected by the hardness of component mineral. The energy split factor of magnetite is greater than 1, while that of quartz is less than 1.The specific breakage rate of magnetite small hardness is larger, and that of quartz large hardness is smaller. The grinding process of binary mixed minerals is non-uni grinding，and the component minerals with low hardness have priority broken. The quartz high hardness can accelerate magnetite small hardness to broken . Therefore, there is selective grinding in the grinding process of hard and soft minerals. 万方数据 Abstract III The grinding perance of nano-ceramic ball is better than that of steel ball with the same mass. Nano-ceramic ball is a new type of energy saving grinding medium in vertical mill, which has a better application prospect. Key Words Nano-ceramic ball; Vertical mill; Grinding Properties; Particle size characteristics; Energy consumption characteristics 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 目录 I 目目 录录 摘摘 要要 ........................................................................................................................................I Abstract .................................................................................................................................. II 第一章 绪论 ........................................................................................................................ 1 1.1 课题来源 .................................................................................................................. 1 1.2 研究背景 .................................................................................................................. 1 1.3 文献综述 .................................................................................................................. 2 1.3.1 立式磨机 ....................................................................................................... 2 1.3.2 磨矿介质 ....................................................................................................... 3 1.3.3 立式磨机的磨矿效果的影响因素 ............................................................. 4 1.3.4 粉碎模型研究进展 ...................................................................................... 6 1.4 研究内容与技术路线 ............................................................................................. 8 1.4.1 研究内容 ....................................................................................................... 8 1.4.2 技术路线 ....................................................................................................... 9 第二章 试验材料与研究方法 ........................................................................................... 10 2.1 试验材料 ................................................................................................................ 10 2.1.1磁铁矿纯矿物的制备 .................................................................................. 10 2.1.2 石英纯矿物的制备 .................................................................................... 10 2.1.3 二元矿物体系的制备 ................................................................................ 11 2.1.4 实际铁矿石的制备 .................................................................................... 11 2.2 试验材料粒度分析 ............................................................................................... 12 2.3 磨矿过程能耗测定 ............................................................................................... 13 2.4 磨矿介质 ................................................................................................................ 14 2.4.1 纳米陶瓷球 ................................................................................................. 14 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 目录 II 2.4.2 钢球 ............................................................................................................. 15 2.5 试验方法 ................................................................................................................ 16 2.6 试验设备与仪器 ................................................................................................... 17 2.7 试验材料的硬度指标 ........................................................................................... 17 2.8 本章小结 ................................................................................................................ 18 第三章 立式磨机中一元矿物体系下矿物颗粒磨碎行为研究 ..................................... 19 3.1 磁铁矿的粒度特性和能耗特征分析 .................................................................. 19 3.1.1 不同直径纳米陶瓷球磨矿产品的粒度分布特性和能耗特征.............. 19 3.1.2 纳米陶瓷球和钢球磨矿产品粒度分布特性和能耗特征对比.............. 23 3.2 石英的粒度特性和能耗分析 .............................................................................. 25 3.2.1 不同直径纳米陶瓷球磨矿产品的粒度特性和能耗特征 ...................... 25 3.2.2 纳米陶瓷球和钢球磨矿产品粒度分布特性和能耗特征对比.............. 29 3.3 本章小结 ................................................................................................................ 31 第四章 立式磨机中二元矿物体系下矿物颗粒磨碎行为研究 ..................................... 32 4.1 磁铁矿和石英的粒度分布特性和能耗特征比较 ............................................. 32 4.1.1 最佳直径纳米陶瓷球磨矿产品粒度分布特性和能耗特征 .................. 32 4.1.2 钢球磨矿产品粒度分布特性和能耗特征 ............................................... 34 4.2 磁铁矿和石英二元混合矿物的磨碎特性和能耗分析 ..................................... 35 4.2.1 不同直径纳米陶瓷球磨矿产品的粒度特性和能耗特征 ...................... 35 4.2.2 纳米陶瓷球和钢球磨矿产品粒度分布特性和能耗特征 ...................... 38 4.3 磁铁矿和石英二元矿物能量分配因子研究 ..................................................... 40 4.4 二元矿物与分离后的一元矿物磨碎行为对比研究 ....................................... 42 4.5 二元混合矿物与一元矿物的单独磨碎行为对比研究 ..................................... 44 4.6 本章小结 ................................................................................................................ 46 第五章 立式磨机中实际矿石体系中矿物颗粒磨碎行为研究 ..................................... 47 万方数据 江西理工大学硕士学位论文 目录 III 5.1 实际矿石的磨碎行为特性研究 .......................................................................... 47 5.1.1 不同直径纳米陶瓷球磨矿产品的粒度特性和能耗特征 ...................... 47 5.1.2 纳米陶瓷球和钢球磨矿产品粒度分布特性和能耗特征 ...................... 49 5.2 实际矿石与一元矿物的磨碎行为特性对比研究 ............................................. 51 5.3 实际矿石与二元混合矿物磨碎行为特性对比研究 ......................................... 53 5.4 磨矿产品粒度分布和过粉碎模型拟合 .............................................................. 56 5.5 本章小结 ................................................................................................................ 58 第六章 研究结论与展望 ................................................................................................... 59 6.1 研究结论 ................................................................................................................ 59 6.2 展望 ........................................................................................................................ 60 参 考 文 献 ........................................................................................................................ 61 致 谢 ................................................................................................................................... 65 攻读学位期间的研究成果 ................................................................................................. 66 万方数据 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题来源课题来源 本课题来源于国家自然科学基金“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）；江西省重点研发计划项目“磨矿条件定向调控强化白钨矿与 共生含钙脉石高效分离技术开发”（NO.S2017YBYFE0475）。 1.2 研究背景研究背景 磨矿的主要任务是实现有用矿物的单体解离，其次是为后续选别作业提供合适的入选 物料。磨机通常与分级机构成闭路工艺流程，磨矿产品中过粗的粒度返回磨机进行再磨 细，而过粉碎的物料则不能再回收[1]。因此，充分单体解离、粒度均匀性好以及过粉碎轻 的磨矿产品是选矿厂追求的目标。然而，由于磨矿过程的复杂性，我国选矿厂存在过磨情 况。根据过粉碎造成浮选回收率损失 5计算，将造成每年全国有色金属选矿厂经济价值 损失达到几百亿元。 过去一段时间，金属选矿厂常采用球磨机用以细磨作业，但随着高品位、易选的矿石 的日益枯竭，对于低品位、嵌布粒度细的矿石的开发利用显得尤为重要，采用传统的球磨 机的细磨效率不高，因此需要寻找新的细磨装备用以替代球磨机。立式搅拌磨机是一种搅 拌研磨的细磨设备，目前已经应用于金属矿山的细磨、再磨作业，它可以有效实现矿物的 单体解离并且显著降低能耗，在细磨领域具有很好的应用前景。 粉碎是一个消耗能量的过程，据统计粉碎消耗了世界上工业用电的 3，在传统的选 矿厂中，50的能耗用粉碎过程，磨矿是粉碎的最后一个作业并且是消耗能量最多的一个 作业，磨矿的电耗和钢耗占选矿成本很大一部分 [2-3]。降低磨矿过程的能耗可以给选厂带 来很大的经济效益，现在多数有色金属选矿厂大多采用钢球作为细磨介质，钢球在磨矿过 程能耗大、易产生铁质污染，这对后面的选别作业造成影响。目前，部分有色金属选矿厂 在再磨中采用纳米陶瓷球作为细磨介质，使用纳米陶瓷球磨矿介质的后，具有电耗低、不 易产生铁质污染、选别指标好的优点，但是国内对于该纳米陶瓷球的节能理论研究却较 少。 万方数据 第一章 绪论 2 1.3 文文献献综综述述 1.3.1 立式立式磨机磨机 通过多年的开采，富矿、易选的金属矿日益消耗，“贫、细、杂”的矿产资源的利用 显得尤为重要，此类矿物嵌布粒度较细，需要进行细磨或者超细磨，才能使矿物单体解 离。为得到细粒级的矿物，采用传统的球磨机作为磨矿设备，能耗高、钢耗高、磨矿效率 低，对于选矿厂来说，这是不经济的。为了节约生产成本、提高细磨效率，探索新的细磨 方法，研制高效细磨设备，其中立式搅拌磨机就是一种高效的细磨设备。早在 20 世纪 90 年代，对于 0.1mm 以下的矿粒，国外就提出采用搅拌磨机比传统的球磨机更有优势[4-7].主 要是由于传统的球磨机采用最小为 15mm 磨矿介质，而搅拌磨机可以采用更小直径的磨矿 介质，这就为细磨提供了一个合适的粒度和磨矿介质的比值，此外，在相同的处理能力 下，由于搅拌磨机的能量利用率高， 搅拌磨机的磨机尺寸比传统球磨机小，占地面积小[8- 11]。 立式磨机分为塔式磨机、立式螺旋搅拌磨机[12-13]。立式搅拌磨机由驱动装置、传动装 置、工作部件、筒体和机架 5 部分组成。立式搅拌磨机是在旋转螺旋杆搅拌，带动筒体内 的磨矿介质运动，使处在磨矿介质之间、介质与搅拌装置之间以及介质与筒体衬板之间的 物得到研磨，从而实现物料的磨碎[14]。给矿从磨机的底部给入，经磨矿介质磨碎后，合格 的产品从磨机的顶部溢出，沉砂留在磨机内继续被研磨。目前国内外主要生产商芬兰 Metso 公司和德国 Eirich 公司、中国长沙矿冶研究院等，其设备分别称为 KW-Tower Mill （塔磨机）、VTM-Vertimil立磨机、JM-立式螺旋搅拌磨机等。立式搅拌磨机已经广泛应 用于在黄金、金属矿、稀土和无机非金属等领域的再磨和细磨作业 [15]。 塔磨机立磨塔磨机由日本 Kubmn 塔磨公司研发。主要有 Metso 公司生产的塔磨机 和德国 Eirich 公司生产的立磨机。世界上最大的立磨机安装功率最大为 1120kW，处理能 力大于 100t/h，常用于有色金属矿山的再磨回路[16]。墨西哥的某选矿厂使用了立式螺旋搅 拌磨机，磨矿介质消耗量减少 48，由于改变了介质之间的碰撞形式，因此磨矿介质消耗 减少[17]。南非某镍矿中为了确保最终精矿内的硅石低于 1012，使用塔磨机对粗精矿 进行了再磨，再磨实现了硫化矿和硅酸盐矿物的单体解离[18]。山东焦家金矿的精炼厂采用 塔磨机后，提高了磨矿细度，降低了电耗和材耗，取得了良好的经济效益[19-21]。江铜银山 选厂采用 VTM-800 立磨机用于粗精矿再磨，与球磨机相比，电能节约 40，单位钢耗约 0.2 kg/t，年均节约生产成本 200 多万[22-23] 。 JM-立式螺旋搅拌磨矿机JM-立式螺旋搅拌磨矿机是由长沙矿冶研究院和秦皇岛黑色 冶金设计研究院联合研发的，磨机主要由传动装置、螺旋搅拌器、立式筒体和支座等组成 万方数据 第一章 绪论 3 主要应用于黄金、有色金属、稀土矿及冶金、材料等行业[24]。湖南柿竹园多金属选厂铁粗 精矿采用搅拌磨细磨，磨矿细度-38μm 占 96时，铁精矿品位可以达到 63.22；云南某铜 选矿厂选用 JM1800 型立式螺旋搅拌磨机用于粗精矿再磨，铜精矿品位和回收率都得到显 著提高；云南华联锌铟有限公司采用立磨机用以锌粗精矿再磨，锌精矿品位和回收率也得 到了提高；洛钼集团采用立式磨机用于细磨，提高了钼精矿的品位和回收率 [25]。 SMD 磨机SMD 磨机是 Metso 公司制造，该磨机是由砂磨机演变而来，在磨机中心 轴上设有呈辐射状布置的长棒作为搅拌器，由于磨机内存在筛网可以将砂介质留在磨机 中。磨矿介质一般为 1～5mm 的河砂。澳大利亚 Zinifex Century 铅锌矿在超细磨作业中使 用 SMD 磨机，磨细效果显著。澳大利亚的塔斯马尼亚铜矿在铜的中矿再磨选用 SMD 磨 机，有利于铜精矿的品位和回收率[26]。澳大利亚昆士兰州的塞兰加铜矿采用 SMD 磨机， 用于最终粗精矿和扫选中矿的再磨。铜精矿品位、回收率、处理量均有所提高[27]。 1.3.2 磨矿介质磨矿介质 选矿厂粉碎（碎磨）作业占总投资的 60 ，生产运营费用也达到 40以上。其中， 磨矿占运营成本的 30-50％，而衬板磨损和介质消耗占磨矿运营成本的一半左右。在某些 情况下，磨矿介质消耗占到磨矿运营成本的 40-45％。因此，研究磨矿介质对磨矿的节能 降耗有重要意义[28-29]。磨矿介质分为钢球、钢棒、钢锻、陶瓷球等。磨矿介质接触方式为 点、线、面接触以及混合接触方式。磨矿介质以形状划为主要为以下几种[30-31]。 （1）球形磨矿介质球形磨矿介质是当下选矿厂最常用的一种介质。球形磨矿介质 的接触方式为点接触，点接触有利于粗磨，但是过粉碎较为严重，主要是因为在接触点上 作用力大、破碎精确性差，贯穿破碎作用多。当球径太小时，每个球的破碎力不够因而磨 不细；因此球径太大太小都不合适，需进行球径的精确化计算。段希祥教授从破碎力学原 理出发，提出了球径半理论公式，该公式为工业上选择合适大小的钢球提供了理论依据。 （2）棒状磨矿介质棒状磨矿介质是钨矿选矿厂的常用磨矿介质之一，主要是线接 触，它主要用于粗磨，它的优点是磨矿效率较高、粒度均匀性好、过粉碎程度低。但是由 于棒状磨矿介质只有绕轴向转动，并且该介质的单位体积的表面积比较小，因此不适合细 磨。 （3）柱状磨矿介质柱状磨矿介质是球和棒的结合体，其接触方式既有点、线接触 还有面接触，它适用粗磨、细磨作业。柱状磨矿介质以线、面接触方式为主，因此磨矿产 品中过粉碎轻、对矿物产生选择性破碎，适合粗磨作业。它的优点是单体解离速度快、产 品均匀性好，过粉碎较轻。缺点是钢耗、材耗大。 万方数据 第一章 绪论 4 对于粗磨，钢球是一种较好的磨矿介质，由于钢球的破碎力大，可以有效破碎矿石， 但是钢球破碎也存在一些不足，钢球的运动是随机的，容易产生贯穿破碎，磨矿产品粒度 均匀性差。对于细磨作业，主要依靠研磨力实现矿物的磨碎，介质的表面积越大，研磨力 越大。钢球的表面积比非球形的介质的小，不利于研磨矿石，此外钢球容易生产过粉碎， 因此对于细磨，钢球不是一个很理想的磨矿介质[32-33]。正是由于钢球磨矿的不足，国内外 专家学者采用钢锻、六棱柱、立方体块等作为磨矿介质来替代钢球[34-36]。通过和钢球的磨 矿效果进行对比，钢锻的磨矿产品可以有效减小过粉碎且磨矿产品粒度均匀性好，钢锻具 有和钢球一样好的磨矿效果，既可以磨碎矿物，同时可以降低过粉碎[37-39]。施等比较了钢 锻和钢球的磨矿性能，钢锻主要是线接触为主，而钢球是点接触为主，在同样的表面积和 粒度分布条件下，钢锻的磨矿产品更粗，因为钢锻与钢球相比，比能量更小[39]。邓禾淼等 以铸铁锻作为磨矿介质在冬瓜山铜矿的试验研究，在相同的磨矿条件下，与钢球相比，铸 铁锻作为磨矿介质，提高了磨矿产品的易选级别、磨矿细度和降低了过粉碎含量[40]。赵汝 全等采用六棱柱对黑钨矿进行磨矿发现六棱柱对细颗粒的黑钨矿磨矿选择性好，减轻了过 粉碎现象[41]。吴彩斌等对不同磨矿介质的钨矿磨矿动力学分析研究发现钢球为点接触， 钢锻为线接触，六棱柱为面接触，从磨矿产品均匀性、易选级别的粒级含量、泥化程度进 行了三种磨矿介质的对比，面接触的六棱柱磨矿效果最好[42]。 在立式搅拌磨机中，通过搅拌器的搅拌带动磨矿介质运动，物料在运动的介质中碰撞 实现磨碎，采用不同类型的磨矿介质磨矿会产生不同的磨矿效果。磨