磨矿过程理论及设备研究进展.pdf

第51卷第2 期2023年4月文章编号：10 0 1-357 1（2 0 2 3）0 2-0 0 0 1-0 8摘要：解离是矿物分选回收的重要前提，矿物解离程度直接影响分选指标。磨矿作业是使矿物解离的主要环节，鉴于磨矿作业能耗与材料消耗较高，从磨矿机理层面对磨矿过程中的能耗、动力学、助磨剂、过程模拟进行了分析，并详细介绍了球磨机、搅拌磨、塔磨机、立磨机、高压辊磨机等磨矿设备的结构、工作原理和技术特点，以及磨矿介质和辅助磨矿技术，并简要阐述了磨矿过程控制技术。文章为进一步提高磨矿效率，降低磨矿能耗，促进矿产资源的综合开发和利用提供了参考，也为其他材料的解离研究提供了方法和借鉴。关键词：矿物解离；磨矿；磨矿动力学；助磨剂；磨矿设备；磨矿介质；磨矿能耗；磨矿效率中图分类号：TD941.4Progress of research on grinding process theory and equipment(Shaanxi Xinneng Coal Preparation Technology Co.Ltd.,Xian 710000,China)Abstract:Liberation is an important prerequisite for mineral separation and recovery,and the degree ofliberation has a direct bearing on mineral separation indices.Grinding is the key link in mineral liberationprocess.In view of the fact that grinding operation is high in consumption of energy and materials,an a-nalysis is made in the paper of the grinding mechanisms,energy consumption and grinding aids used ingrinding process,and grinding process simulation.Following a detailed description of the structures,working principles and technical features of the ball mill,stirring mill,tower mill,vertical mill and high-pressure roll mill,as well as the grinding mediums and auxiliary grinding technologies applied in grindingprocess,a brief account of the grinding process control technologies currently available is presented.Thestudy made provides a theoretical basis for further improvement of grinding efficiency,reduction of energyconsumption,promotion of exploitation and comprehensive utilization of mineral resources,and also pro-vides the methods and reference for the study of liberation of other minerals.Keywords:mineral liberation;ore grinding;grinding dynamics;grinding agent;grinding equipment;grinding medium;grinding energy consumption;grinding efficiency磨矿过程中，矿石在研磨介质产生的冲击力与研磨力联合作用下粉碎成符合下阶段作业要求的产品。因此，磨矿作业在整个流程中起着承上启下的作用，关系着生产指标的好坏及经济效益的高低。在重介质选煤厂，磨矿作业用于生产符合所需粒度的重介质；在洁净煤领域，磨矿作业用于油煤浆、选煤技术COAL PREPARATIONTECHNOLOGY磨矿过程理论及设备研究进展姚雷，吴迪，谢永鑫（陕西新能选煤技术有限公司，陕西西安7 10 0 0 0）文献标志码：AYAO Lei,WU Di,XIE Yongxin水煤浆、煤粉燃烧发电和煤系伴生矿物综合回收利用等方面；在选矿厂，磨矿作业主要使嵌布粒度细的有用矿物与脉石矿物实现分离，以提高有用矿物的回收率。据统计，全国每年磨碎约上百亿吨物料，消耗约上百万吨钢材 。此外，作为选矿生产中能耗Vol.51No.2Apr.2023收稿日期：2 0 2 3-0 1-2 1作者简介：姚雷（19 8 5一），男，陕西咸阳人，工程师，从事选煤技术管理工作。E-mail：3532 8 46 9 3 q q.c o m，T e l：18 6 9 10 7 2 8 50。引用格式：姚雷，吴迪，谢永鑫，磨矿过程理论及设备研究进展J】：选煤技术，2 0 2 3，51（2）：18.YAO Lei,WU Di,XIE Yongxin.Progress of research on grinding process theory and equipment J.Coal Preparation Technology,2023,51(2):1-8.11责任编辑：李志斌D0I：10.16 447/j.c n k i.c p t.2 0 2 3.0 2.0 0 1第51卷第2 期最大的作业，选矿厂总投资的6 0%、能耗的50%60%、生产运营费用的40%都消耗在粉碎上2 。因此，磨矿作业的增效降耗具有十分重要的意义。基于上述分析，文章详细分析了磨矿过程中涉及的理论和设备，以期为磨矿的节能减排及设备的大型化、智能化提供理论支持。1磨矿理论及方法1.1磨矿能耗磨矿作业以其能耗与材料消耗高成为矿山行业关注的热点。磨矿过程涉及功能转变，工作过程中出现两次电能损失，分别出现在电动机与传动装置内。电动机带动传动装置，传动装置带动磨机筒体转动，电能转化成筒体机械能；筒体带动钢球运动，钢球输送到一定高度后自行落下，撞击矿石做功，矿石受挤压变形从而产生破裂；矿石破碎后形成新生表面能。磨碎过程中，钢球能量大量损失在矿浆内，用于新表面积生成的能量不多。因此，根据功能转变，需输入更多能量，或提高能量转换效率以增加新生表面积。针对磨矿过程能耗，国内外学者进行了诸多研究。文书明等3 以破碎比和磨矿比为自变量，能耗为因变量，推导出矿石破碎和磨细所需要的能耗与破碎比和磨矿比之间的统一数学模型。宗路等4 以衬板条数、填充率、转速率、料球比作为半自磨机磨矿能耗的影响因子，以有用功率作为评价指标，采用Designe x p e r t 软件设计了试验方案。1.2磨矿动力学磨矿动力学主要研究物料磨碎速率与磨矿时间之间的关系。影响磨矿动力学的因素主要包括：物料、磨矿介质和磨矿方式、磨机转速、添加剂等5。通过建立磨矿过程中的动力学模型，分析和预测磨矿情况，从而为磨矿过程的优化提供指导。一阶磨矿动力学方程为：R=Roe.式中:R为磨矿后粗粒级物料的质量分数,%;R。为磨矿前粗粒级物料的质量分数，%；t为磨矿时间，min;k为比例系数。一般多阶磨矿动力学方程更符合实际情况，具体如下：R=Roe,式中：为磨矿动力学方程的阶数。2选煤技术当m=1时,式（2）即为一阶磨矿动力学方程。对时间求导数，根据式（2）可得到磨矿速度公式：dR _ d(Roe)=-R.kt-/me,(3)dtdt式中：u为磨矿速度，%/min;R。为未磨矿时粗级别物料的质量分数，%;t为磨矿时间,min;k为比例系数;m为磨矿动力学方程的阶数。R。、k 和m都是粒度的函数；负号表示粗粒级所占比例减少。田鹏程等6 从物料性质、磨矿介质及配比、磨矿方式及参数、化学添加剂等几个方面分析了影响磨矿动力学模型的因素，介绍了磨矿动力学模型在矿物加工工程领域的应用现状，并展望了未来发展方向。1.3助磨剂磨矿过程中通过添加药剂，可以改变物料硬度或表面化学性质，从而改善矿浆流动性，提高磨矿效果，该药剂称为助磨剂。与其他方法相比，助磨剂的使用无需新增设备，也不改变生产流程，较为方便7 。助磨剂通过减轻颗粒之间的相互作用，改善矿粒的可磨性，提高磨机内矿浆的流动性；或通过降低矿物表面硬度，提高颗粒的破碎速度，从而提高磨矿效率8-9 周文波等10 以新疆某微细粒磁铁矿石为研究对象，研究了三聚磷酸钠的助磨机理，结果表明：三聚磷酸钠能够通过降低矿浆黏度、改变矿粒表面的吸附特性、减少吸附的微细矿粒、增加微细裂隙等方式促进磁铁矿颗粒的粉碎，从而提高磨矿效率。印万忠等I研究了DA分散剂、十二胺、氯化铵和硅酸钠的助磨作用，结果表明，DA分散剂和硅酸钠的助磨效果显著。朱照强12 分别选取三聚磷酸钠、六偏磷酸钠及水玻璃作为助磨剂，研究了其对某微细粒嵌布磁铁矿磨矿效果的影响。1.4选择性磨矿矿石中各组分之间存在机械性差异，导致了不同的磨碎行为。硬度大的矿物磨碎的程度较小，产品粒度较粗；硬度小的矿物磨碎的程度较大，产品(1)粒度较细，该现象称为矿物的选择性磨矿，适用于日趋贫、细、杂的矿产资源。选择性磨矿一方面可以减少有用矿物的泥化；另一方面可以减少不必要的破碎，降低能耗。选择性磨矿有利于后续作业甚至取代某些分选作业。影响选择性磨矿效果的因素有矿石性质、磨机(2)类型、操作条件等。磨机的长径比等结构能够通过改变磨机内物料和介质的运动状态，从而影响矿物2023年4月2 5日第51卷第2 期间的磨矿效果；而介质的材质、形状、大小、强度、填充率以及磨机转速和磨矿浓度等人为可操作条件也能改变矿物间的选择性磨矿作用13。若目的矿物与脉石矿物的硬度存在较大差异，利用选择性磨矿，在磨矿分级中间过程中，通过简单地设置筛分设备，提前甩去难磨、低品位的废石，可减少进人浮选的矿量，提高球磨机的处理能力，从而达到节能降耗的目的14-18 。1.5磨矿过程模拟由于影响磨矿过程的因素较多，对磨矿过程进行模拟，分析运行效果能够更好地指导实践。蔡改贫等19 建立了半自磨机模型对半自磨机的转速、衬板条数、衬板高度进行数值模拟，获得了不同参数下半自磨机筒体内部载荷颗粒的状态流线图，结合筒体内部颗粒断裂键的断裂情况，得到工艺参数对半自磨机生产能力的影响规律。宗路等2 0 利用EDEM软件模拟了偏心式球磨机，与传统球磨机相比，偏心式球磨机中的物料具有更高的动能，所受的切向接触力与法向接触力更大，轴向流动性更高，磨矿效果更好。李臣等2 1 也采用EDEM软件对比分析了椭圆腔形结构球磨机与传统的圆筒腔形球磨机的磨矿效果，结果表明：与传统的圆筒腔形球磨机相比，新型的椭圆腔形结构球磨机的磨矿效果更优。肖庆飞等2 2 采用离散元仿真42姚雷等：磨矿过程理论及设备研究进展对磨矿介质形状及级配进行研究，结果表明：多级配锥柱体处理不同粒度难磨矿石时，在切向碰撞能量分布上优势明显。2磨矿设备及介质2.1磨矿设备矿产资源开发利用过程中，磨矿作业能耗高、成本高、对后续作业影响大，因此节能型磨矿设备的研发具有重要意义。目前，选矿厂常采用球磨机、棒磨机、自磨机、半自磨机、砾磨机、立磨机等对矿石颗粒进行研磨。不同磨机的研磨方式不同，因此对矿石的研磨效果不同。2.1.1球磨机球磨机（图1）是磨矿作业中重要的磨矿设备，常用的磨矿介质有砾石、钢棒或钢球等。磨矿过程中，筒体在一定转速旋转条件下，矿石和磨矿介质在摩擦力和离心力的联合作用下随筒内壁上升再抛落，矿石在不断的冲击和磨剥作用下被磨碎，最后通过排矿端口排出。球磨机对矿物适应性强、操作简单、维护方便、可靠性高，但同时能耗大、工作效率低。实际工作过程中，磨机转速、磨矿介质、衬板型式等对介质的运动状态、运动轨迹、冲击能量等影响很大。因此，提高磨矿效率、降低能耗至关重要2 3-2 6 2023年4月2 5日给料排料U1一筒体；2 一端盖；3一轴承；4一大齿轮图1球磨机结构示意图Fig.1Structural sketch of the ball mill2.1.2搅拌磨搅拌磨（图2）工作过程中，筒体固定不动，内部搅拌装置带动介质运动，在冲击力、剪切力和摩擦力的作用下粉碎矿石。作为一种新型的粉磨设备，搅拌磨磨矿效率高、磨矿效果好，已经应用在铅锌矿、铜矿、银矿、石英、陶瓷等行业的细磨和再磨作业中2 7-2 9 。FAITLI等30 在线监测了搅拌介质磨机中悬浮液的流变特性及其对磨矿过程的影响。悬浮液流变行为在颗粒比表面积、尺寸分布和磨矿能量方面影响着磨矿性能。李留政等3 采用离散单元法研究了立式螺旋搅拌磨机的关键参数对磨矿介质球运动特性的影响，结果表明：介质球速度与搅拌器转速及介质球在径向所处的位置关系较大；搅拌器转速和介质球填充率在很大程度上影响了介质球碰撞力的大小；介质球的碰撞次数与介质球填充率密切相关。3第51卷第2 期选煤技术冷却水2023年4月2 5日磨机搅拌器磨机衬板密封轴6研磨室门(a)立式搅拌磨32 图2 搅拌磨结构示意图33Fig.2 Structural sketch of the stirring mill2.1.3塔磨机塔磨机（又名立式螺旋搅拌磨）是一种超细磨矿设备，磨矿介质一般为钢球或陶瓷球。塔体上部的传动装置带动悬挂于塔体内的螺旋搅拌器顺时针转动，粉碎介质在筒体内做多维循环运动和自转运动，物料在磨矿介质重力和螺旋回转产生的挤压力下被有效粉碎。筒体溢流进人旋流器，旋流器底流由渣浆泵重新打回筒体内重复粉碎过程，溢流则成为合格产品进人下一流程。塔磨机工作原理示意图如图3所示。电动机隔板弹性联轴研磨室冷却套冷却水(b）卧式搅拌磨粒度、人料压力、磨矿浓度等。与卧式球磨机相比，塔磨机具有高效节能、噪声小、粉碎比大、占地小、基建费用低、防止过磨、对物料适应性强等优点3。2.1.4立磨机立磨机（图4）是节能高效型磨矿设备，最早主要应用于非金属矿的研磨，因其安装面积小、动载荷低、振动小等优点，于2 0 世纪8 0 年代中后期开始应用于有色金属矿的再磨及细磨作业中36-38 O立磨机研磨物料时，主要以表面磨剥为主。随着矿石粒径减小，表面裂隙减少，冲击研磨物料时效率较低，表面磨剥方法优势凸显。立磨机的磨矿机理较为复杂，螺旋直径、螺距大小、运行参数及磨矿介质粒径、介质填充率、转速等都会影响磨矿搅拌轴效率。粗选机3入口球形端口图3塔磨机工作原理示意图Fig.3 Sketch showing working principle of tower mill塔磨机的突出特征是：粗重物料颗粒更易下沉到研磨力最大的研磨室底部，研磨介质与物料接触密实，能量利用率高；研磨介质与塔磨机内壁碰撞接触少，塔磨机支撑系统和轴承受力小，工作能耗低；塔磨机在磨矿的同时，螺旋搅拌器的外围区域发挥着分级功能，合格粒度的物料不易沉降，因而过粉碎现象大大减少34。作为塔磨机的关键部件，螺旋搅拌器的结构参数与耐磨性决定了塔磨机的使用状况。除了塔磨机本体结构参数外，影响塔磨机磨矿效率的主要因素还有介质粒度、装球量、入料4451一电动机；2 一传动装置；3一入料口；4一螺旋搅拌器；5一筒体；6 一出料口图4立磨机结构示意图39 Fig.4 Structural sketch of the vertical millALTUN等人40 使用磨机中试装置研究了黄铜矿矿石磨矿工艺，结果表明：与常规流程相比，可以节省高达18%的能耗，且减少了内部组件磨损。VAN等41 将立磨机用于锌矿石的磨矿，与AG/SAG-ball磨矿流程相比，能耗从2 0.11kWh/t降第51卷第2 期低至11.40 kWh/t。CERO LD 等42 研究表明：与传统磨矿流程相比，立磨机研磨铜矿和矿渣的能耗分别降低了2 2.9%和34.4%。2.1.5高压辊磨机高压辊磨机（图5）在每个单元中结合了破碎、研磨、分级和干燥过程，被认为是节能高效型磨矿设备，最早主要应用于非金属矿的研磨，因磨矿效率较高，于2 0 世纪8 0 年代中后期开始应用于有色金属矿的粉磨。氮气瓶油缸移动轧辊图5高压辊磨机结构示意图43Fig.5 Structural sketch of the high-pressure roll mill2.2磨矿介质2.2.1钢球由于钢球具有较好的转动性能，广泛应用于球磨领域。作为主要的研磨介质，钢球对磨矿细度、后续工艺指标起着非常重要的作用。依据生产加工工艺不同，钢球分为锻造钢球、铸造钢球和研磨钢球。目前，在选矿、水泥、制药、化工等行业44。磨矿作业中，不同尺寸钢球按一定比例配比，以达到最佳的磨矿效果。2.2.2钢锻除钢球之外，钢锻是应用最广的高效、实用、经济的磨矿介质。大直径钢锻适合粗磨，不易导致过磨；小直径钢锻适合细磨，磨矿效率高。钢锻结合了棒磨和球磨各自优势，是未来磨矿尤其是二段磨矿的发展方向。在磷矿反浮选脱除碳酸盐类脉石矿物的磨矿中，钢锻适合应用于细磨，以解决钢球细磨时过磨量大的问题45。朱志强等46 采用钢球、钢锻研究了不同磨矿时间下橄辉岩型钒钛磁铁矿磨矿行为，研究结果表明：钢锻更适用于选择性磨矿，采用钢球磨矿细粒级产品较钢锻多，磨矿时间越大，产品分布越均匀，短时间内钢锻对粗颗粒的破碎效果要优于钢球。2.2.3 顽石 使用顽石作为再磨惰性介质，不但可降低钢球姚雷等：磨矿过程理论及设备研究进展消耗量，而且可减少再磨过程中的污染，对改善选矿指标，提高磨矿效率具有重大意义。顽石作磨矿介质，有利于硫化矿表面的适度氧化，避免钢球磨矿过程中有沉淀形成，最终使浮选回收率得到提高14-4。但与钢球相比，顽石作为磨矿介质时损耗量偏大。吴云志49 对银山矿业选矿厂VTM-800型立磨机进行了钢球、顽石、陶瓷球的磨矿效果研究，结果表明：顽石和陶瓷球作为磨矿介质时，磨矿产品中的铁离子含量低；与钢球相比，顽石、陶瓷球介耗下降近9 0%，电耗分别下降33%和15%。入料具产品2023年4月2 5日2.2.4自生介质所谓自生介质，就是将矿石本身作为磨矿介质来磨碎矿石。传统的碎磨方法流程长，设备多，而且耗费大量钢材，因此出现了在一台磨矿机中将原矿磨至选别粒度的想法，并设想用矿石自相磨细，固定轧辊于是研发出了自磨机，用矿石本身作为磨矿介质，不仅能减少磨矿介质消耗，还能减少杂质的污染。由于自磨机内的磨矿介质是矿石自身，矿石性质的变化必然使破碎行为主体的磨矿介质也发生变化，因此磨矿过程不稳定，可通过调节自磨机的转速实现稳定磨矿。2.2.5陶瓷球陶瓷球作为研磨介质应用于细磨磨矿领域已有多年，主要应用于高速旋转细磨设备领域，这类设备的特点是依靠介质间高速运动形成的速度差产生的磨削作用来粉磨物料。纳米陶瓷球可提高硫化矿物的可浮性，优化分选指标。使用纳米陶瓷球后，立磨机溢流细度稳定，工作电流下降，电耗降低，球耗下降。同时，采用纳米陶瓷球后，磨机负荷大大降低，有利于延长立磨机和螺旋衬板的使用寿命，提高磨机作业效率，降低工人劳动强度。普通陶瓷球密度较轻，硬度较低。随着耐磨材料技术的发展，近年来出现了一种以氧化铝或氧化锆为基材的新型纳米陶瓷球，相对于普通陶瓷球，具有节能、球耗低、污染小等优点，具有一定的应用前景。新型陶瓷球应用于立式搅拌磨的再磨作业，能够大幅降低选厂介质消耗成本，但陶瓷球能否在立式搅拌磨领域全面推广应用，是需要一个长期探索的过程50 赵前飞等51以氧化锆及普通铸铁研磨球为球磨介质，采用化学法和分析测试技术系统研究了磨矿介质对方铅矿氰化浸出过程中矿浆和界面性质变5第51卷第2 期化的影响，结果表明：与铁球介质相比，瓷球介质能够降低NaCN消耗量，减少SCN-的产生，同时溶解氧含量明显较高。罗圣乐等52 以0.30.6mm的钾长石作为研究对象，进行以陶瓷球和钢球为磨矿介质的磨矿动力学试验，结果表明：当介质充填率或磨矿介质质量相同时，陶瓷球磨矿速度较钢球慢，且在较粗粒级磨矿时尤为明显53。2.3辅助磨矿技术原矿矿石的品位较低，金属含量较少，通常需要通过浮选和富集等工艺得到适用于冶炼提取的合格精矿。微波选择性加热的独特优势使其广泛应用在矿石的辅助磨碎中。当微波辐照在矿石上时，脉石等矿物对微波的吸收作用很弱，升温速率很慢；而有价矿物如磁铁矿等物质在微波作用下升温效果很好。合理利用微波选择性加热的特点，使矿石不同组分之间，即有价矿物与脉石之间可以形成显著的温差，从而产生热应力。当产生的热应力达到一定值时，矿物界面上即可产生裂缝，从而强化有价矿物的解离，最终达到降低磨矿能耗的目的。微波辅助磨碎示意图如图6 所示。严妍54 采用微波助磨工艺试验探究了矿石粒度、微波功率密度、微波时间、预处理总时间等因素对磁铁矿、黄铜矿、锡矿三种矿物助磨效果的影响。图6 微波辅助磨碎示意图Fig.6Picture showing the microwave-assisted grinding process3磨矿过程控制作为选矿过程中的重要环节，磨矿直接影响后续作业效率。磨矿过程能耗高、效率低，如何实现以提高磨矿效率、实现低能耗为目的的优化控制已成为磨矿控制研究的热点。随着自动控制技术的不断发展和广泛应用，实现工艺过程的数字化、信息化已成为必然趋势。目前，磨矿过程自动化程度低，导致的生产效率低、能源消耗大、工艺指标差成为制约整个选矿生产效率提高的瓶颈。磨矿过程具有大惯性滞后、多变量耦合、边界条件波动等特性，难以准确地测量磨机6选煤技术负荷，引人综合自动化系统是解决上述问题的关键55-57 。杨佳伟等58 通过使用磨机负荷检测、矿石粒度图像处理和模型仿真测量技术，并结合专家系统和模糊控制算法优化了磨矿分级过程，实现了生产的智能操作，优化了运行指标。4结论与展望（1）随着技术的发展，磨矿作业已得到了较大程度的优化，但仍存在一些问题，如磨矿作业能耗仍然很高，占选矿厂能耗的50%左右；目前选矿厂普遍采用的定速磨机不能较好适应人磨矿石可磨性及磨矿细度的变化。（2）磨矿介质形状选用不合理，材质选择不合理，使得介质成本过高。这些问题影响了选矿厂的生产能力，增加了投资，阻碍了发展，需要很好地解决。（3）磨矿作业的影响因素很多，如磨矿设备、磨矿介质、助磨剂的选择以及磨矿流程等，都会影响磨矿效果。针对磨矿过程中存在的问题，结合国家、行业方针政策，磨矿作业今后的发展方向将会以节能降耗为中心，如通过研发新的助磨剂、优化磨矿介质形状、完善磨矿工艺、发展智能化磨矿控制系统等，以进一步提高磨矿效果。参考文献：1尹自信，王、楠不同转速率下球磨机介质运动状态分布行为研究J】：有色金属（选矿部分），2022(3):118-123.2QINYH,HANYX,GAOP,et al.Characterization ofchalcopyrite ore under high voltage pulse discharge:Particle size distribution,fractal dimension,specific en-ergy consumption,grinding kinetics J.MineralsEngineering,2022,184:107631.3文书明，刘建，李成必，等矿石碎磨能耗数学模型J：中南大学学报（自然科学版），2 0 18，49(9):2115-2120.4宗路，李旭，蔡改贫，等，基于响应曲面法的半自磨机磨矿能耗研究J】化工矿物与加工，2018,47(4):18-21,53.5 侯英，印万忠，朱巨建，等不同碎磨方式下紫金山金铜矿石的磨矿动力学行为J：中南大学学报（自然科学版），2 0 17，48（5）：112 7-1133.6田鹏程，王泽红，毛勇：磨矿动力学研究现状及应用J】中国矿业，2 0 2 2，31（7）：112-12 1.7孙春宝，卢寿慈，唐海大冶铁矿铜铁矿石助磨剂的研究J】：金属矿山，2 0 0 0（5）：2 7-2 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