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球磨机精确化装补球方法 段希祥,周 平,潘新潮 昆明理工大学,昆明,650093 摘 要用球径精确化理论改进现有选厂球磨机的装补球方法。新的装补球方法提高了磨机生产率及选别指标,并降低了 球耗和电耗。工业试验证明,新方法效果显著且简单易行。 关键词选矿工程;球磨机;装补球方法;精确化装补球方法 中图分类号TD92114;TD952 文献标识码A 文章编号1001-0211200403-0075-04 收稿日期2003-03-03 作者简介段希祥1941- , 男,云南弥勒县人,教授,博士生导师, 主要从事磨矿理论及工艺方面的研究。 众所周知,磨矿对选厂的技术经济指标有重大 影响,而磨矿过程是靠磨内的磨矿介质完成的,因 此,选矿工作者对球磨机的装补球方法曾做过大量 的研究。然而,由于影响球磨机过程的因素错综复 杂,至今仍难以找到一个效果显著又简单易行的装 补球方法。总结过去的研究,结合磨矿技术的现状, 研究新的装补球方法是磨矿技术发展的需要。 1 装补球方法的现状与存在的问题 111 装补球方法的现状 从19世纪末叶磨矿机进入工业化生产以来,磨 矿生产实践已经历了100多年,积累了丰富的磨矿 经验。然而,磨矿的理论研究却落后于生产实践,即 使研究最深入的钢球抛落运动状态,理论成果与生 产实际也存在较大偏差,难以指导生产实际工程计 算。因此,磨矿中碰到的各类问题,包括装补球问 题,只有通过试验解决。在多年的磨矿实践中,选矿 工作者在球磨机的装补球方法上作过许多试验研 究[1],解决了不少实际问题。 球磨机的装补球方法以原苏联研究得最多也最 系统,20世纪40年代原苏联的选矿工作者研究出 合理平衡装球法。50年代初,我国从东北地区开 始,曾掀起推广合理平衡装球的热潮,普遍取得了提 高磨机生产率10左右的显著效果[2]。直到六七 十年代,还有厂矿进行合理平衡装球的工业试验。 但是,由于此方法过程繁琐,试验工作量大,试验周 期也长,加上取得的效果不太显著,因此,风行一时 以后也就停用了。认识上的误区也影响到装补球方 法的应用,有观点认为大球磨小,小球磨了,加一种 大球就行了等等。现行的球磨机装补球方法多种多 样,有些选矿厂球磨机球径及配比不合理、 磨矿效率 不高、 钢材消耗高、 磨矿产品质量不好,进而影响选 别效率。 112 简单装补球方法 生产实践表明,多种球的磨矿效果比单种球好。 一种解释是大矿块要用大球打,细矿粒要用小球磨, 磨机给矿中有粗细不等的矿粒,故要用多种球来磨。 另一种解释是小球充填于大球空隙中间,增强了磨 矿效果。但由于补加球是定期地连续补加,故即使 定期只补加一种大球,由于磨损的原因也会使先后 加入的球按顺序形成一个自然的大小配比。初装球 无论是加一种大球,或是加多种混合球,经历一段时 间后初装球必然因磨损而自然消失,因此,磨内的球 荷组成终究是由补加球形成的。这样,就出现了初 装球时装多种球及补加时加一种大球的简单装补方 法[1]。这种方法简单,初装球的尺寸及种类可凭经 验或经验公式计算,生产管理上也简化及方便,这一 优点也可能是这种方法得以生存的原因。但是,这 种方法针对性很差,与待磨物料的性质不相适应,加 上球径过大,磨矿效率低,钢材消耗大,用差的磨矿 及选别效果来换得磨机操作上的装补球方法简单实 在不合算,特别是在市场经济条件下的今天更不可 取。为实现企业效益最大化,在磨机装补球上应多 采取点措施,以获得好的磨矿效果及选别指标。 单纯补加一种大球在技术上是十分不合理的。 按照戴维斯的钢球磨损假说,球的磨损速度与质量 成正比,由此可推得单纯补加一种直径Dm的大球 时,磨至直径D时磨内大于D的球荷粒度特性方程 第56卷 第3期 2004年8月 有 色 金 属 NonferrousMetals Vol156,No13 August 2004 式由式1所示[3]。 Z 100[1- D/ Dm 3 ]1 C.E.安德烈耶夫曾做过理论模拟计算,得出单 独补加 75mm球与同时补加4种球 75∶ 50∶40∶ 3035∶25∶20∶20时,磨损平衡后在磨内形成的球 荷粒度特性曲线,如图1所示。 式1是立方抛物线方程,即定期补加一种大球 形成的球荷粒度特性曲线是一条凸曲线,表明磨内 大球严重偏多。而补加规格不同的4种球合理装 球时,虽然每种球形成的也是凸曲线,但由4小段 凸曲线构成的综合曲线比单一种球形成的凸曲线要 好得多,更适合于对角线虚线分布。一般来说,磨 机新给矿加返砂的给矿曲线是凹曲线,居于对角线 以下。因此,合理装球的球荷特性更适合磨机给矿 特性的要求,而单补加一种大球形成的球荷,大球严 重偏多。 图1 单独补加一种大球及同时补加四种混合 球时形成的球荷粒度特性曲线 Fig.1 ingsizeconstituentcharacteristiccurve underonl yabi gballand4sizeballs 生产实践证实,单独加一种大球时磨内大球严 重偏多。对云南某选厂一台115m310m格子球磨 机所作的清球结果显示,磨机装球时装多种球100 ∶ 80∶ 6060∶30∶10加权平均为90mm ,补加球时 只补加一种 100mm大球,磨机运转两个月,磨内形 成的球荷特性如表1所示。从表1可见,球荷加权 平均直径为80mm,太大了,因为待磨物料的最大粒 度只有16mm,而加权平均粒度也不过为4mm。 球径过大存在较大的危害。同样装载量下球的 个数少,磨机每转的打击次数少,球荷研磨面积小, 因而生产率低。同时,产品不均匀化程度加大,过粗 及过细的粒级增多,还有球耗增大,对衬板的磨损加 剧。另外,大球在磨内的滑动使同样装载量下装大 球的单位电耗提高。因此,单纯补加一种大球的装 补球方法在技术上无可取之处。 表1 只补加 100mm球时形成的球荷粒度组成特性 Table1 Ballsizeconstituentcharacteristicwith only100mmballaddition 直径/mm9590807060合计 质量/k g20321022371018301014281011838710 γ/2313425168211011613913158100100 加权平均球径/mm80 113 合理平衡装补球方法 由原苏联选矿工作者提出的合理平衡装补球方 法,针对性强也比较完善。我国选矿专业的 碎矿与 磨矿 教科书上系统地介绍了此种方法[4]。 该方法的针对性强体现在3个方面。1对磨 机新给矿及返砂作筛析,然后按返砂比情况折算待 磨物料的粒度组成,并将待磨物料按粒度分组,求出 各组物料所需的钢球尺寸,最后,根据钢球尺寸配比 大致和计算所依据的各组矿粒百分率相当的原则进 行配球。即所确定的球配比是适合于待磨物料的粒 度性质的。2用待磨矿料进行实验室磨碎试验,确 定K.A.拉苏莫夫球径公式D idn中的参数i及 n ,得到针对该矿石性质的球径公式。3把磨矿效 果好的情况下的球荷粒级组成当作补球计算的依 据,力求使补球以后达到好的球荷组成情况。 但该方法也存在一些弊病。1依据矿石粒度 确定钢球尺寸时使用的是K.A.拉苏莫夫公式,公 式考虑的因素少,计算出的球径偏差大。尽管用实 际矿石做试验来确定公式的参数i及n ,但在实验 中只能做5mm以下的两组试验,而5mm以下是力 学强度大的粒级,求出的i及n值偏大,由此计算的 各个粒级所需球径自然偏大。工业试验求i及n 时,不仅工作量大,误差也大,而且人为的干扰因素 更多。确定的球径偏差大,无论其他步骤如何细致 认真,得到的结果只能是大的方面不精确而小的方 面精确。2试验程序多,过程长,工作量大。初装 球时需作一次清球,为求得补球计算依据的钢球平 衡球荷特性资料,初装球后进行磨矿调试最少要一 个月以上,而且还要再清一次球。初装球时要试验, 计算补球时又要再清球计算。由于过程长,步骤繁, 工作量大,此方法难于在工业上推广开并坚持下来。 3从国内外的资料报道来看,合理平衡装补球方法 只能提高生产率10左右,这可能是球径不精确的 原因,或许试验工作不全面。如果保留此方法针对 性强的优点,克服其球径不精确的弱点,并且简化试 67有 色 金 属 第56卷 验程序,也可能找到一种更好的装补球方法。 2 选矿对磨矿的要求 在选矿厂中,磨矿是为选别准备入选物料的,选 别要求磨矿产品中矿物的单体解离度高,过粗的磨 不细级别要少,过粉碎的微粒级别要少,中间易选粒 级要多,也即产品粒度较均匀。磨矿使矿物单体解 离及使粒度适合选别,这两个任务中塔加尔特规定 前者是第一位的,后者是第二位的[1]。因此,选别 前的磨矿属于以解离矿物为首要目的的解离性磨 矿。现代磨矿技术发展中,提出针对不同矿石性质 采用不同的磨矿工艺,并认为现代矿石准备流程的 主要发展趋势,应在磨矿过程中增加矿物解离的选 择性[5-6],以争取在最小能耗下获得最大的矿物选 择性解离[7]。 选矿厂中的动力及钢材消耗中磨矿占的比重较 大,要降低磨矿成本,磨矿过程必须节能降耗。磨机 是选矿厂中噪音最大的设备,而且车间的噪音常常 超过100dB,超过工业卫生的规定,故要求磨矿应该 降低噪音水平。 球径过大时,打击力过大,矿粒虽然破碎了,但 多为贯穿性破碎,破碎沿力的最大方向进行,因此, 粒度虽然磨细了,但属机械性的破碎,单体解离度不 高,连生体较多。因此,球径过大时难以满足解离性 磨矿的要求。另外,球径过大时,产品粒度不均匀, 过粗的及过粉碎的均多,产品粒度不均匀,也难于满 足选别的要求。球径过大也是球耗高、 衬板寿命短 及电耗高的根源之一。因此,合理平衡装补球方法, 因为难以使球径精确,满足不了要求。 从矿石力学性质分析,矿石是力学不均匀体,矿 石中各种矿物相互结合的相界面是力学脆弱面,相 界面上的结合力大约只是内部质点结合力的75。 当矿块受破碎力作用时,受力精确时矿物首先沿结 合力弱的相界面发生断裂,出现了选择性解离现象, 故破碎力精确时磨矿产品的单体解离度高,而且破 碎力精确时磨矿产品的粒度较均匀,过粗及过粉碎 的级别均少,中间易选级别的产率高[8]。而破碎力 的大小实际是由钢球的大小决定,只有球径精确了, 破碎力才精确,才能实现入选矿石质量好、 目的矿物 回收率和精矿品位高的目标,磨机噪音也才会有所 降低。 然而,靠目前国内外常见的一些经验球径公式 是难以实现球径精确的,因为那些经验公式中,考虑 了少数磨矿的影响因素,计算结果偏差较大。欧美 各国目前广泛应用的是阿里斯 查尔默斯公司 D b [F/ Km 1/2 S sWi/ CsD 1/21/3 ] 及诺克斯洛德 公 司 的 球 径 公 式 D b [FWi/ CsKm S s/ D1 /21/2 ]1/ 2 。 这两个公式虽也为经验公式,但 考虑了矿石的力学强度、 给矿粒度、 磨机转速及直径 等重要因素,考虑比较全面,计算结果也较精确[9]。 但这两个公式在我国应用不太方便,我国多数厂矿 只有矿石的普氏硬度系数f的资料,而无功指数Wi 的资料,公式中的给矿粒度是80的过筛粒度,我 国多用95的过筛粒度,两种粒度虽可换算[10],但 毕竞麻烦一些。加之,公式中的修正系数是在国外 磨机较大的情况下总结出来的,对磨机直径较小的 我国磨机计算球径,也可能有不适合之处。鉴于此, 从我国的实际情况出发,利用矿石破碎力学原理及 戴维斯钢球运动理论,推导出适合我国国情的球径 半理论公式 D b015224 K/ Ψ2-Ψ6[σ压 / 10ρD0 1/3 d ] [11-12] ,经验证,该公式的计算结果 比国内外任何一球径公式都精确,球径半理论公式 的提出及运用,为磨机内球径精确化铺平了道路。 3 精确化装补球方法 只有精确化的装补球方法才能满足选矿厂对磨 矿的要求,而球径半理论公式的提出为球径的精确 化提供了方法。总结分析简单装补球方法及合理平 衡装补球方法的优缺点,择其优点,弃其缺点,提出 精确化装补球的新方法,其要点如下 1 针对特定 矿石进行筛析,确定待磨矿石的粒度组成特性,按粒 度大小进行多级分组 ; 2 分析特定矿石抗破碎性 能,用球径半理论公式计算各组矿粒所需的精确球 径 ;3 根据待磨物料粒级组成特性用破碎统计力学 原理指导配球,以求得最大破碎概率为原则进行各 种钢球的配比,或者根据磨矿中存在的问题要加速 某些粒级的磨碎速度而进行特殊配球,完成初装球 配比 ;4 装补球计算一次完成,既然初装球比例认 为是适合物料粒度特性的,而且配比是科学的,就以 其作为补球计算的依据进行补球计算,减少一次清 球及简化补球计算,减少补球种类,补加2～3种即 可。此方法保留了合理平衡装补球法针对性强的优 点,克服了球径不精确的弊病,综合了简单补球及合 理补球两种方法。在球径确定这个大方面上是精确 的,而在补球计算中则又是粗放的,便于生产中推广 应用,但存在一些小的不精确性,因此,此方法是大 精确而小粗放,结果必然是效果既显著而又便于推 77第3期 段希祥等球磨机精确化装补球方法 广应用。曾在几个厂矿做过精确化装补球新方法的 工业试验,取得了比合理平衡装补球法更显著的效 果,主要表现在 1 在给排矿粒度不变下,提高磨机 生产率10～15; 2在磨矿细度不变的情况下 提高矿物的单体解离度5～6个百分点 ; 3 在选矿 条件不变下提高回收率1～3个百分点,精矿品位同 时提高 ; 4 在钢球材质不变时,降低球耗10～ 20; 5装球不变,减少磨机功率3～5; 6降 低磨机噪音5dB以上 ; 7 延长衬板寿命约30。 可以说,精确化装补球方法的应用全面改善了磨矿 及选别过程,是一种推广前景很好的装补球方法。 以云南某小选厂为例,原来采用简单装补球方 法,初装球时也装4～5种尺寸的钢球,但补加时只 补加一种大球。生产上反应出的问题是磨矿产品细 度不够,-74μm只能达65～68,达不到70的要 求,而返砂过大,返砂比达700左右。采用精确化 装补球方法取代原来的简单装补球方法后,经过3 个月的测定及生产统计,取得显著效果。1磨机生 产能力显著提高,在产品中-74μm细度提高4122 个百分点的同时还提高处理量417,单位容积生 产率提高13132。2磨矿产品粒度特性有所改 善,分级溢流中74μm及-10μm减少3152个百 分点,粒度均匀性提高,分级的质效率及量效率均提 高10个百分点以上。3磨矿循环有所改善,返砂 比由过大的700左右降至450左右。4磨矿产 品中镍矿物及铜矿物的单体解离度提高5～8个百 分点。5镍的回收率提高2118个百分点,精矿镍 品位提高013个百分点,铜精矿中铜金属含量提高 3109个百分点。6钢球单耗下降16103,衬板磨 损明显减轻。7磨机电耗下降2173,单位矿量 电耗下降11175。精确化装补球制度在该厂得以 应用并坚持下来。 理论分析及实践验证说明,精确化装补球方法 从我国实际情况出发,吸收了过去装补球的经验教 训,以创新的球径精确技术为核心,具有十分显著的 磨矿效果及选别效果,因而,是一种值得大力推广应 用的新的装补球方法。 参考文献 [1]塔加尔特AF1 选矿手册 1 第二卷第二分册[M]1 冶金部选矿研究院译 1 北京冶金工业出版社,195963-931 [2]崔 巍 1 球磨机的合理平衡装球[M]1 北京冶金工业出版社,19591 [3]安德烈耶夫CE,茨维列维奇BB,别洛夫BA1 有用矿物的破碎、 磨碎和筛分[M]1 北京矿业学院选矿教研室译,北京中 国工业出版社,1963271-2831 [4]李启衡 1 碎矿与磨矿[M]1 北京冶金工业出版社,1980185-1911 [5]段希祥 1 选择性磨矿及其应用[M]1 北京冶金工业出版社,199131-411 [6]段希祥,曹亦俊 1 球磨机介质的工作理论与实践[M]1 北京冶金工业出版社,199972-791 [7]段希祥 1 碎散物料P80和d95粒度及相互换算[J]1 有色金属选矿部分 ,1985,5 27-311 [8]段希祥 1 球磨机钢球尺寸的理论计算研究[J]1 中国科学A辑,1989,198 856-8631 [9]段希祥 1 钢球直径半理论公式的修正研究[J]1 中国科学E辑,1997,5712 510-5151 AccurateforBallLoadandAdditioninMill DUANXi2xian g; ZHOU Ping; PAN Xin2chao Kunmin g Universit y of Science and Technology ,Kunmin g650093, China Abstract Anovelonloadingandaddingballsinballmillisestablishedbyaccurateballsizetheory1The pro2 ductivityofmill,separatin gindsofdressing processareincreased,andtheconsumptionsofmaterialsand poweraredecreasedbyado ptionoftheaccurateforballloadandaddition1Itisprovenb ycommercial experimentsthatthenewiseffectiveandeasyino peration1 Keywords mineral processing;ballmill;ofloadingandaddingball;accurateforballload andaddition 87有 色 金 属 第56卷