磨矿试验及选型技术在某铅锌矿的应用研究.pdf

第 49 卷 2021 年第 12 期 编辑 翟晓华 破磨 18 磨矿试验及选型技术在 某铅锌矿的应用研究 瞿 铁1,2，董节功2,3 1中信重工机械股份有限公司 河南洛阳 471039 2矿山重型装备国家重点实验室 河南洛阳 471039 3洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039 摘要磨矿试验及磨机选型是确定磨矿工艺参数的关键。针对某铅锌矿的矿石性质，通过磨矿试验， 采用功耗法进行了磨机选型计算，确定了合理的磨机规格和电动机安装功率，并对处理量进行了预测 计算。结合该矿山投产后的运行数据，验证了基于磨矿试验的磨机选型计算参数与磨矿运行参数基本 一致。同时，基于选型计算参数与矿山投产初期运行参数的对比分析，提出了磨矿工艺优化措施，并 已成功应用于该矿山优化提产实践中。 关键词磨矿试验；磨机选型；落重试验；磨蚀试验；邦德功指数试验；功耗法 中图分类号TD453 文献标志码B 文章编号1001-3954202112-0018-05 Research on application of grinding test and mill sizing technology in a lead-zinc mine QU Tie1,2, DONG Jiegong2,3 1CITIC Heavy Industries Co., Ltd., Luoyang 471039, Henan, China 2State Key Laboratory of Mining Heavy Equipment, Luoyang 471039, Henan, China 3Luoyang Mining Machinery Engineering Design Institute Co., Ltd., Luoyang 471039, Henan, China AbstractThe grinding test and the mill sizing calculation are the key to determine grinding process parameters. According to the properties of the ore from a lead-zinc mine, the grinding test was conducted, and the power consumption was applied to carry out the mill sizing calculation, thus the reasonable mill size and installed motor power were identified, and the throughput was predicted. The operation data of the lead- zinc mine after it putting into use showed the mill sizing calculation parameters based on grinding test were basically consistent with the grinding operation parameters. Meanwhile, the mill sizing calculation parameters were compared with the initial operation parameters of the mine, and the optimization measures of grinding process were proposed and successfully applied to the productivity increase practice of the mine. Key Wordsgrinding test; mill sizing; dropweight test; abrasion test; Bond work index test; power consumption 某 铅锌矿始建于 1972 年，处理矿石类型属于低 铜、高铅锌硫多金属矿石，设计生产规模原矿 处理量 100 万 t/a，原碎磨矿系统采用三段破碎一闭 路 球磨流程。由于原流程作业点多、劳动定员多， 以及生产环境差、设备老旧，2017 年该选厂实施了选 矿技术及设备升级改造，改造后的碎磨矿流程为粗碎 半自磨 球磨流程 即 SAB 流程。项目改造仅用 7 个月就实现了竣工投产，并在投产后很快达产达标。 矿山重型装备国家重点实验室磨矿试验和选型技术在 该选厂碎磨工艺设计、设备选型、工艺调试及优化中 得到了充分的应用，为半自磨工艺的达产达标及优化 作者简介瞿 铁，男，1963 年生，教授级高级工程师，矿山 重型装备国家重点实验室主任，主要从事矿山重型装备的研发 和技术成果推广工作。 万方数据 第 49 卷 2021 年第 12 期 编辑 翟晓华 破磨 19 提供了合理的选型方案和可靠的理论依据。 1 磨机选型计算方法 功耗法是磨机选型的主要方法，其核心是比功耗 的计算[1]。磨机碎磨矿石的比功耗是将单位质量的矿 石从进料粒度 F80 新进物料 80％ 通过的尺寸 碎磨至 产品粒度 P80 产品 80％ 通过的尺寸 所需要的能量。 比功耗确定后，用该比功耗乘以要求的处理量就可以 计算出磨矿的需求功率，根据需求功率即可选取与之 匹配的磨机尺寸和电动机规格。 1.1 半自磨机比功耗的确定 目前半自磨机比功耗的确定方法大致有以下 4 种一是试验测定法，如用半工业试验、批次泻落式 试验、Macpherson 试验和 SPI 试验等，直接或者间接 测定比功耗的值；二是数学模型法，该方法结合特定 的试验，形成半自磨机比功耗的计算模型；三是软件 模拟法，目前国际上在选矿方面应用较多的是澳大利 亚昆士兰大学 JK 矿物中心的 JKSimMet 和法国地矿 研究局的 USIM PAC 等软件；四是数据库法，世界上 各大磨机供应商和各矿物研究中心都建有自己的试验 和工业数据库，根据矿石性质，结合数据库能够获得 比功耗的值。 1.2 球磨机比功耗的确定 球磨机比功耗的确定有 2 种一是数学模型法， 该方法结合邦德球磨功指数试验值，或由细粒功指 数 Mib 值，采用邦德功理论模型或者 SMCC 比功耗模 型，对不同流程的球磨机比功耗进行计算；二是软件 模拟法，需要结合邦德球磨功指数试验值，采用 JK SimMet 等软件进行碎磨流程参数模拟，判断磨机选 型的合理性，得到合理的比功耗值。 2 磨矿试验 矿石的磨矿试验参数是选矿厂磨矿工艺设计的重 要依据。矿山重型装备国家重点实验室于 2008 年率 先从澳大利亚昆士兰大学 JKTech 公司引进了国际知 名的 JK 落重试验平台和 JKSimMet 模拟计算软件， 为国内外上百家客户提供了试验和计算服务。2016 年 7 月，该铅锌矿选取有代表性的矿样寄送至实验室进 行落重试验、磨蚀试验和邦德球磨功指数试验，试验 参数作为该选厂半自磨机和球磨机的选型计算依据。 2.1 落重试验 落重试验是澳大利亚昆士兰大学 JKTech 公司开 发的一种测定和表征矿石抗冲击破碎特性的试验方 法[2]。落重试验是在落重试验机上利用下落锤头的冲 击作用来破碎矿石的单颗粒破碎试验。通过改变落锤 的释放高度和落锤质量，实现矿石颗粒在不同比功耗 下的冲击破碎。一个落重试验包含对 5 个粒级物料各 进行 3 个比功耗水平的单颗粒冲击破碎试验，一共有 15 个粒度-比功耗组合。落重试验要求的 5 个粒级分 别为 -63 53、-45 37.5、-31.5 26.5、-22.4 19 和 -16 13.2 mm，比功耗变化范围为 0.1～2.5 kW h/t。 试验后对破碎的矿石进行筛分，得到 15 个不同 比功耗对应的粒度分布数据，粒度和比功耗的函数关 系为 t10 A 1 - e-b E cs， 1 式中t10 为破碎后物料的粒度分布，为原始颗粒尺 寸的 1/10 对应粒径的筛下通过率，；Ecs 为比功耗 值，kW h/t；A 和 b 为常数。 将试验得到的 15 个数据点通过参数拟合可得到 粒度-比功耗分布曲线，如图 1 所示。同时可以拟合 出参数 A 和 b 的值，它们通常用于半自磨机的选型计 算，A 和 b 的乘积 即 Ab 值 用来反映矿石抗冲击 破碎能力的大小，Ab 值越小，表明矿石抗冲击破 碎能力越强，矿石越硬；反之，Ab 值越大，表明 矿石抗冲击破碎能力越弱，矿石越软。 2.2 磨蚀试验 半自磨机磨矿存在两种碎磨形式一是高能级的 冲击破碎，二是低能级的研磨破碎。落重试验参数表 征了矿石的抗冲击破碎能力，而矿石抗研磨能力需要 通过磨蚀试验来测定。 磨蚀试验选取重 3 kg、-53 7.5 mm 粒级的矿 样，加入 φ305 mm305 mm 的滚筒型磨机中 不添加 任何磨矿介质，磨机以 70 的临界转速率 转速为 53 r/min 运转，试验时间为 10 min。试验结束后，对 试验产品进行筛分，得到试验产品的粒度分布数据， 测量出 t10 值。磨蚀试验结果为 ta 值 ta t10/10，它表 征矿石的抗研磨能力，ta 值越大，表示矿石的抗研磨 能力越差，矿石越易磨。 2.3 邦德球磨功指数试验 邦德球磨功指数广泛应用于球磨机的选择计算 图 1 某矿样 t10- Ecs 关系曲线 Fig. 1 Relationship curve of t10 and Ecs of an ore sample 万方数据 第 49 卷 2021 年第 12 期 编辑 翟晓华 破磨 20 和磨矿过程的效率评价中，是表征矿石在球磨机中研 磨难易程度的一个指标，它通过邦德球磨功指数试 验间接测定。该试验通过标准的试验程序来进行， 要求试验的给矿粒度为 -3.35 mm，试验设备为 φ305 mm305 mm 实验室球磨机，磨机转速为 70 r/min， 磨机内的钢球需要按照规定的钢球规格和数量进行添 加。试验采用干式筛分闭路磨矿方式，同时保持每次 循环中磨机给料量不变。根据每次循环新生成的筛下 量预估并调整下一循环的磨机转速，直至在循环负荷 稳定在 250 时达到稳定状态，测出稳定状态下的每 转净生成量 Gbp 值，并测定磨矿试验产品 P80 值。根 据试验给矿粒度 F80 值和分级筛筛孔尺寸 P 值，结合 式 2 计算出邦德球磨功指数试验值。 BWi PG PF         4 45 1 102 1010 80 0 23 80 .. . bp 0.82 ， 2 式中BWi 为邦德球磨功指数试验值，kW h/t；P 为 分级筛筛孔尺寸，m；Gbp 为稳定状态下的每转净生 成量，g/r。 邦德球磨功指数越大，表明矿石在球磨机内越难 磨，需要的磨矿功耗越高。 2.4 试验结果 该铅锌矿矿样试验结果如表 1 所列。 由表 1 可知，矿样落重试验参数 Ab 393.8， 表明矿石的抗冲击破碎能力低，矿石硬度属于“很 软”的范围；磨蚀试验结果 ta＝2.37，表明矿石的抗 研磨能力低；邦德球磨功指数 BWi＝10.37 kW h/t， 表明矿石在球磨机磨矿时，可磨性属于“中等”的范 围。表 1 中的矿样试验参数可作为该铅锌矿磨机选型 计算的依据。 3 磨机选型计算 3.1 磨矿工艺参数要求 1 磨矿工艺为单系列半自磨 球磨工艺 SAB 工艺，半自磨给矿为颚式破碎机粗碎产品； 2 磨矿系统设计原矿处理量为 4 000 t/d； 3 球磨机采用格子型排矿方式，要求磨矿产品 粒度 -200 目 -75 m 通过 55 60。 3.2 磨机选型方法 根据功耗法原理，应用以下磨机选型计算方法 进行计算、模拟，综合分析后给出合理的磨机选型方 案。 1 中信重工 SMCC 模型及数据库软件计算 中信重工 SMCC 模型及数据库软件是中信重工收购澳 大利亚 SMCC 工艺技术公司及其数据库软件后，专用 的碎磨系统计算软件。 2 中信重工选型数据库计算软件计算 中 信重工选型数据库主要包括矿石性质、设备选型数 据、设备运行工业数据、磨机型谱数据以及设计参 数。中信重工选型数据库计算软件是在该数据库的基 础上编写的自磨机、半自磨机、球磨机、棒磨机及高 压辊磨机选型计算软件。 3 JKSimMet 软件模拟计算 JKSimMet 软件 为澳大利亚昆士兰大学矿物研究中心 JKTech 公司研 发的碎磨系统计算机模拟软件，可用于碎磨矿流程参 数的数质量平衡计算、参数拟合和碎磨矿设备运行参 数模拟计算。 3.3 磨机选型方案 结合客户要求的磨矿工艺参数和矿样试验结果， 采用上述 3 种选型方法，按照功耗法原理进行选型计 算[3]，推荐的磨机选型方案为φ5.0 m2.5 m 半自磨 机 1 台，主电动机安装功率 1 000 kW；φ3.8 m5.2 m 格子型球磨机 1 台，主电动机安装功率 1 300 kW。 结合选型磨机规格，计算满足不同处理量下半自 磨机运行参数如表 2 所列 计算时取半自磨机排料圆 筒筛筛缝尺寸为 10 mm。 由表 2 计算结果可知，满足 4 000 t/d 处理量时， 半自磨机的钢球充填率为 10.5，总充填率为 25， 对应半自磨机的运行功率为 700 kW；满足 4 400 t/d 表 1 矿样试验结果 Tab. 1 Test results of ore sample 参数 矿石密度 SG/t m-3 落重试验参数 A 落重试验参数 b 落重试验参数 Ab 磨蚀试验 ta 邦德球磨功指数 BWi/kW ht-1 数值 3.97 79.70 4.65 393.80 2.37 10.73 表 2 半自磨机运行参数及处理量计算结果 Tab. 2 Calculation results of operation parameters and throughput of SAG mill 半自磨机处理量/t d-1 半自磨机处理量/th-1 磨机数量/台 磨机直径 D/m 磨机长度/m 磨机临界转速率/ 最大钢球直径/mm 磨矿质量分数/ 钢球充填率/ 总充填率/ 磨矿功率/kW 4 000 167 1 5.0 2.5 75 125 75 10.5 25 700 4 400 184 1 5.0 2.5 75 125 75 15.5 25 766 4 800 200 1 5.0 2.5 75 125 75 18.0 28 839 万方数据 第 49 卷 2021 年第 12 期 编辑 翟晓华 破磨 21 处理量 1.1 富裕系数 时，半自磨机的钢球充填率为 15.5，总充填率为 25，对应半自磨机的运行功率 为 766 kW；满足 4 800 t/d 处理量 1.2 富裕系数 时， 需要半自磨机的钢球充填率为 18.0，总充填率为 28，对应半自磨机的运行功率为 839 kW。 结合选型磨机规格，计算满足不同处理量下球磨 机运行参数如表 3 所列 计算时取 P80＝150 m。 由表 3 计算结果可知，满足 4 000 t/d 处理量时， 球磨机的钢球充填率为 30.0，对应球磨机的运行功 率为 936 kW；满足 4 400 t/d 处理量 1.1 富裕系数 时，球磨机的钢球充填率为 35.0，对应球磨机的运 行功率为 1 031 kW；满足 4 800 t/d 处理量 1.2 富裕 系数 时，需要球磨机的钢球充填率为 43.0，对应 球磨机的运行功率为 1 120 kW。 经过上述计算分析，确定所选磨机规格合适的处 理能力为 4 000 4 400 t/d，最大处理能力为 4 800 t/d， 但最大处理能力要求磨机的钢球充填率较高。经过专 家论证，以及客户和项目设计方的综合评估后，客户 同意上述磨机选型方案，并按照该选型方案与中信重 工签订了磨机采购合同。 4 磨机现场运行效果及磨矿工艺优 化 4.1 现场运行效果 2017 年 10 月，项目开始投产运行，经过几个月 的调试，磨矿系统接近达标达产。2018 年 1 月，现场 调研该矿山半自磨机运行参数如表 4 所列，球磨机运 行参数如表 5 所列。 现场调研数据表明，至 2018 年 1 月，磨矿系统 处理量达到 3 920 t/h，接近设计处理量 4 000 t/d；两 台磨机的电动机负荷率均在 70 左右，表明半自磨 机和球磨机负荷分配基本平衡；70 的负荷率较低， 说明磨矿系统有进一步提产的空间。 4.2 磨矿工艺优化 根据上述调研参数及选型计算参数，并与现场技 术人员进行技术交流，确定了该矿山磨矿系统优化提 产措施如下[4] 1 降低半自磨机新给矿粒度[5] 根据现场提 供的一段粗碎破碎机产品粒度分布数据，显示当时破 碎产品粒度 P80 约为 120 125 mm，颚式破碎机工作 时紧边排矿口尺寸为 125 mm，结合破碎机型号，建 议将破碎机紧边排矿口尺寸调整为 90 100 mm，以 减小颚式破碎机排矿产品粒度，降低半自磨机的给矿 粒度。同时，建议优化采矿时的爆破参数，减小爆破 后的原矿粒度，提高原矿中的细粒级含量，降低磨矿 系统能耗，提高处理量。 2 提高半自磨机和球磨机钢球充填率 半自 磨机和球磨机的钢球充填率低，磨机运行功率低，要 进一步提高处理量，必须额外补加钢球量，提高磨机 表 3 球磨机的运行参数及处理量计算结果 Tab. 3 Calculation results of operation parameters and throughput of ball mill 球磨机处理量/t d-1 球磨机处理量 新给矿/th-1 磨机数量/台 磨机直径 D/m 磨机长度/m 磨机临界转速率/ 磨机排料形式 最大钢球直径/mm 磨矿质量分数/ 钢球充填率/ 磨矿功率/kW 4 000 167 1 3.8 5.2 75 格子型 80 70 30.0 936 4 400 184 1 3.8 5.2 75 格子型 80 70 35.0 1 031 4 800 200 1 3.8 5.2 75 格子型 80 70 43.0 1 120 参数 半自磨流程 半自磨机规格/m 数量/台 单台半自磨机运行功率/kW 单台半自磨机主电动机安装功率/kW 单台磨机新给矿处理量/t h-1 磨机转速/rmin-1 磨机临界转速率/ 磨矿质量分数/ 钢球充填率/ 总充填率/ 最大钢球直径/mm 筛上返料率/％ 格子孔开孔尺寸/mm 圆筒筛筛孔尺寸/mm 数值 SAB φ5.02.5 1 720 1 000 163.4 15 77.5 70 10 26 120 15.0 40 1216 表 4 半自磨机现场运行数据 Tab. 4 Field operation data of SAG mill 参数 排矿形式 球磨机规格/m 数量/台 单台球磨机运行功率/kW 单台球磨机装机功率/kW 单台磨机处理量/t h-1 磨机转速/rmin-1 磨机临界转速率/ 磨矿质量分数/ 钢球充填率/ 最大钢球直径/mm 旋流器溢流粒度 -200 目通过 / 旋流器溢流粒度 P80/m 数值 格子型 φ3.85.2 1 910 1 300 163.4 16.7 75 75 26.0 80 60 131 表 5 球磨机现场运行数据 Tab. 5 Field operation data of ball mill 万方数据 第 49 卷 2021 年第 12 期 编辑 翟晓华 破磨 22 的钢球充填率，将磨机的电动机负荷率提高至 90。 提高钢球充填率的同时增加了给矿量。 3 提高钢球质量，降低碎球率 现场调研时 发现，磨机筒体内的碎钢球较多，过多的碎球降低了 磨矿介质的碎磨作用，因此需提高钢球质量。 4 放粗磨矿产品粒度 球磨机磨矿产品细度 为 -200 目通过 60，设计要求磨矿产品细度为 -200 目 55 60，实际磨矿产品粒度较设计值偏细。结 合浮选指标，适当放粗磨矿产品粒度，提高磨矿系统 的处理量。 5 放大圆筒筛筛孔尺寸，将半自磨机负荷 部分转移至球磨机 球磨机产品粒度放粗后，球磨 机能耗降低，富余量增加，可以将半自磨机部分能耗 转移至球磨机，重新调整半自磨机和球磨机的负荷分 配。通过增加半自磨机分级圆筒筛的筛孔尺寸，放粗 半自磨机产品粒度，降低半自磨机能耗，同时也可降 低半自磨机排料端筛孔堵塞的概率，提高筛分效率。 经过现场磨矿工艺参数优化调整，2018 年 7 月份 再次调研该选厂时，磨矿系统平均处理量达到 4 800 t/d。半自磨机钢球充填率较高，为 18，运行功率为 840 kW；球磨机钢球充填率为 35，运行功率为 930 kW，磨矿产品粒度 -200 目通过 55。半自磨机运行 参数与表 2 中的计算参数一致，球磨机运行参数与表 3 中的计算参数略有偏差。 5 结论 1 通过落重试验、磨蚀试验和邦德球磨功指数 试验，确定了某铅锌矿的矿石性质参数，结合该矿山 要求的磨矿工艺参数，进行了磨机的选型计算，为磨 矿工艺设计提供了合理的磨机选型方案。 2 磨机选型计算时，预测常规运行参数下磨矿 系统处理量为 4 000 4 400 t/d，最大处理量为 4 800 t/d。项目投产运行后，实际处理量为 4 000 4 800 t/d， 运行数据与前期选型计算数据基本一致。 3 根据磨矿试验及磨机选型计算结果，结合该 铅锌矿现场运行初期调研数据，提出了磨矿工艺的优 化提产措施，并将该措施成功应用于该矿山的优化提 产中。 4 磨矿试验及磨机选型技术在该矿山碎磨工艺 中得到了成功的应用，该技术研究同时还需要结合矿 山运行数据库进行不断的验算、修正和优化，从而更 好地服务于其他新矿山的建设和现有矿山的工艺优 化。 参 考 文 献 [1] 姬建钢，潘劲军，董节功，等．功耗法在半自磨机选型中的 应用[J]．矿山机械，2013，41283-86. [2] 刘建远．关于矿石粉碎特性参数及其测定方法 [J]．金属矿 山，2011109-19. [3] 选矿设计手册编委会．选矿设计手册 [M]．北京冶金工业出 版社，1988135-137. [4] 董节功，姬建钢，祖大磊，等．半自磨流程常见改造方案分 析 [J]．矿山机械，2018，46537-42. [5] MORRELL S. The influence of feed size on autogenous and semi- autogenous grinding and the role of blasting in its manipulation [C]// Cape TownXXII International Mineral Processing Congress， 2003526-533. □ 收稿日期2021-10-21 万方数据