礦山碎磨裝備選型試驗方法的研究發展

楊紀昌，仝麗娟，董運杰

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

3新奧泛能網絡科技服務有限公司 河北廊坊 065000

礦 山重型裝備國家重點實驗室 2010 年掛牌于中信重工機械股份有限公司 (以下簡稱“中信重工”)，多年來，一直致力于礦石碎磨礦試驗及礦山機械裝備選型試驗方法的研究，推動了破碎機、自磨機、半自磨機、高壓輥磨機、球磨機和立式攪拌磨機等重大礦山機械裝備的大型化研發及應用。通過國外引進和自主創新的方式，開發了中信重工特有的設備選型試驗方法，并深入研究開發了節能高效的碎磨工藝流程，建立了試驗及裝備選型數據庫，推動了礦山裝備及選廠工藝向大型化、綠色化及高效節能化方向的發展。

1 礦用自磨/半自磨機選型試驗方法的建設

隨著礦山選廠的日益大型化，工藝流程簡單、易于自動化管理的礦石自磨/半自磨碎磨系統日益得到認可和普遍應用，發展自磨/半自磨機裝備的選型及試驗技術勢在必行。中信重工于 2008 年率先引進了澳大利亞 JKTech 技術公司的落重試驗技術，以及JKSimMet 計算機設計計算模型軟件，應用于自磨/半自磨機磨礦系統的選型設計。

JKTech 技術公司的落重試驗技術是得到國際認可的自磨/半自磨機選型試驗技術，加拿大 SGS 實驗室、南非 MinTech 實驗室等均被授權聯合開展自磨/半自磨機選型試驗研究[1]。

JKSimMet 計算機設計計算模型軟件利用落重試驗結果，結合 Bond 球磨功指數試驗結果，可以綜合計算分析自磨/半自磨機+球磨機系統的物料平衡，實現系統處理量及運行參數的準確設計計算。圖 1 展示了自磨/半自磨機選型試驗流程。

圖1 自磨/半自磨機選型試驗流程Fig.1 Process of AG/SAG mill sizing test

2012 年中信重工又收購了由 S.Morrell 先生創建的澳洲 SMCC 公司，成立了澳洲 CITIC SMCC 工藝技術中心，為自磨/半自磨機工藝系統選型設計計算又添新手段。CITIC SMCC 計算分析軟件可以利用SMC 落重試驗結果，設計計算自磨/半自磨機裝備的功率消耗，為系統裝備計算電動機裝機功率提供了更為可靠的技術保證。

礦山重型裝備國家重點實驗室憑借其在礦用自磨機、半自磨機選型試驗方面的技術建設，分別對以下典型大型礦山項目的裝備選型及現場運行提供了多次技術保障：2009 年投產的中國黃金公司內蒙古烏山銅鉬礦一期 3 萬 t/d 項目，2 臺φ8.8 m×4.8 m 半自磨機(6 000 kW)和 2 臺φ6.2 m×9.5 m 球磨機 (6 000 kW)；2010 年投產的江西銅業公司德興銅礦 22 500 t/d 項目，1 臺φ10.37 m×5.19 m 半自磨機 (2×5 586 kW)和 1 臺φ7.32 m×10.68 m 球磨機 (2×5 586 kW)；2012 年投產的太鋼集團袁家村鐵礦 66 700 t/d 項目，3 臺φ7.32 m×12.50 m 半自磨機 (2×6 500 kW)和 3 臺φ7.32 m×11.28 m 球磨機 (2×5 500 kW)；2012 年投產的內蒙古烏山銅鉬礦二期 35 000 t/d 項目，1 臺φ11.0 m×5.4 m 自磨機 (2×6 343 kW)和 1 臺φ7.9 m×13.6 m 球磨機 (2×8 500 kW)；2012 年投產的澳大利亞SINO 鐵礦 230 000 t/d 項目，6 臺φ12.2 m×11.0 m自磨機 (Siemens 28 000 kW 環形電動機)和 6 臺φ7.9 m×13.6 m 球磨機 (2×7 800 kW)。

礦山重型裝備國家重點實驗室的礦用自磨/半自磨機選型試驗方法及試驗手段建立后，先后為 140 多家用戶進行了項目設備選型試驗服務及系統裝備選型設計服務，建立了逾 570 組物料試驗數據庫及 400 多組裝備選型設計數據庫，為選礦行業自磨/半自磨機裝備及工藝系統的發展應用奠定了良好的基礎。

2 礦用球磨機選型試驗方法的建設完善

球磨機是礦業行業普遍應用的可靠傳統的磨礦裝備，礦山重型裝備國家重點實驗室通過 2 000 多組試驗及操作方法的積累，完善建立了可靠的礦用球磨機選型試驗方法。該方法建立在粉碎第三理論的 Bond功指數試驗方法基礎上，并于 2018 年聯合礦山機械標委會起草報批了《球磨粉磨系統 礦物物料易磨性試驗方法》國家標準，目前正在排版印刷中。該標準規范定義了球磨粉磨系統礦物物料易磨性試驗方法及操作規范，為礦業行業球磨機選型試驗及裝備選型應用起到了全面推動及指導作用。圖 2 所示為礦用磨機選型試驗流程。

圖2 礦用磨機選型試驗流程Fig.2 Process of mine mill sizing test

3 高壓輥磨機選型試驗平臺建設及試驗方法研究

高壓輥磨機 (HPGR)是一種基于層壓粉碎原理的節能高效碎磨礦裝備，于 20 世紀 80 年代后期由中國建材局牽頭從德國洪堡公司引入中國，首先以輥壓機的名稱應用于建材行業的水泥粉磨工藝中。隨著水泥行業的普遍應用，其突出的節能高效性能得到了廣泛的認可，21 世紀初開始以高壓輥磨機的名稱應用于礦山冶金行業。

中信重工是引進該裝備技術的第一批參與單位，對 HPGR 層壓粉碎技術在水泥行業的應用起到了推廣作用；與此同時，中信重工依靠對 HPGR 輥面技術的獨特設計，推動了其在礦業粉碎工藝中的應用，大大推廣了多碎少磨、節能高效工藝流程的應用[2]。高壓輥磨機選型試驗流程如圖 3 所示。

圖3 高壓輥磨機選型試驗流程Fig.3 Process of HPGR sizing test

目前中信重工 HPGR 主要應用于三大行業的碎磨工藝中：①金屬礦山選廠的礦石粉碎工藝 (見圖 4)；② 水泥建材粉磨站的聯合粉磨/半終粉磨工藝，水泥原料輥壓終粉磨工藝 (見圖 5)；③冶金球團工藝中鐵精粉再磨工藝 (見圖 6)。

圖4 金屬礦山 HPGR 系統Fig.4 HPGR system in metal mines

圖5 水泥建材粉磨站 HPGR 粉磨系統Fig.5 HPGR grinding system in cement grinding station

礦山重型裝備國家重點實驗室針對 HPGR 在以上行業中的應用進行了大量的試驗研究，分別建立并完善了特有的試驗方法：①開路 HPGR 應用試驗；②分級閉路 HPGR 應用試驗；③邊料返回閉路 HPGR應用試驗；④ 鐵精粉再磨增加比表面積應用試驗。以上試驗均分別建立了相應可靠、準確有效的試驗方法及操作規范，尤其是礦用 HPGR 應用試驗方法與國際接軌，應用精確可靠的檢測手段，建立了國際認可的試驗方法及操作規范，得到了國內外多家用戶的肯定。

圖6 冶金球團工藝中鐵精粉再磨工藝Fig.6 Regrinding process of iron concentrate powder in metallurgical pelletizing process

在 HPGR 試驗中，利用擠壓輥軸轉矩及轉速推算物料凈功耗，指導裝備功率的計算；利用物料的Bond 金屬磨損指數，并結合 HPGR 運行數據庫估算HPGR 擠壓輥輥面壽命，指導輥面設計；規范設計了開路試驗、分級閉路試驗及邊料返回閉路試驗，并分析其試驗產品的邊緣料及中心料粒度分布，考察物料層壓粉碎的邊緣效應，指導 HPGR 裝備運行設計計算，推動 HPGR 工藝的可靠設計及應用。

在礦用 HPGR 應用試驗的基礎上，礦山重型裝備國家重點實驗室研究了礦料經 HPGR 層壓粉碎后Bond 球磨功指數的變化，并制定了高壓輥磨試驗物料 Bond 球磨功指數試驗操作規范，支撐高壓輥磨機后續球磨機的可靠選型設計及應用。

礦山重型裝備國家重點實驗室試驗數據庫統計顯示，礦石物料在經過 HPGR 層壓粉碎后，易磨性得到普遍改善，對應 Bond 球磨功指數相對原料普遍降低5% 左右，某些物料 Bond 球磨功指數降幅甚至達 10%以上[3]。

4 礦用立式攪拌磨機選型試驗平臺的建設及完善

中信重工立式螺旋攪拌磨機的開發應用，促進了大型立式螺旋攪拌磨機裝備國產化，助推了行業細粒級磨礦工藝技術的進步。與此同時，礦山重型裝備國家重點實驗室建設了 CSM-2.2 立式攪拌磨試驗平臺(見圖 7)，大力開展了細粒級物料攪拌磨磨礦研究工作。

圖7 實驗室立式螺旋攪拌磨試驗平臺Fig.7 Laboratory vertical spiral stirring mill test platform

大型立式攪拌磨機的選型試驗建立了 3 種試驗方法，分別是：①CSM-Bond 球磨功指數試驗方法；② CSM-Levin 試驗方法；③CSM-2.2 立式攪拌磨試驗平臺試驗。3 種試驗結果互相修正，用于支撐立式攪拌磨機的選型設計。

在研究 Bond 球磨功指數試驗方法應用于攪拌磨選型設計的基礎上，礦山重型裝備國家重點實驗室探索研究了細粒級物料 Bond 球磨功指數試驗的修正思路及方法[3]：主要是應用試驗結果，將細粒級功指數入料F80值修正為中信重工 Bond 球磨功指數數據庫標準入料的F80均值，使計算得到的球磨功指數更具有可靠性，指導細粒級球磨機以及立式攪拌磨機的選型設計計算，拓展深化了 Bond 功耗法在細粒級磨礦試驗中的應用[4]。

式中：P為控制篩孔徑，μm；Gbp為每轉凈生成，g/r；P80為產品中 80% 通過的篩孔孔徑，μm；F80為給料中 80% 通過的篩孔孔徑，μm。

5 破碎機選型試驗方法的建設與完善

礦山重型裝備國家重點實驗室在破碎機選型試驗技術研究中，主要應用了以下試驗方法：Bond 沖擊功指數試驗、物料抗壓強度試驗和 Bond 金屬磨損指數試驗。其中，Bond 沖擊功指數和抗壓強度用于判斷礦石物料的強度和破碎功，Bond 金屬磨損指數用于破碎機襯板磨耗的推算。

針對破碎機對物料的破碎效果及破碎產品粒度分布的研究，礦山重型裝備國家重點實驗室應用自磨/半自磨機選型試驗的落重試驗結果中的破碎模型參數，結合實驗室顎式破碎機破碎產品分析，預測不同硬度礦石的破碎效果。其中，實驗室開展的砂石骨料項目的試驗研究，支撐砂石骨料生產線設計的同時，具有類比支撐作用。

6 節能高效碎磨礦工藝的研究及推廣

礦山重型裝備國家重點實驗室不僅對礦山機械裝備選型試驗方法及傳統碎磨工藝系統進行了深入細致的研究，同時還推廣了交叉試驗研究，推動節能高效裝備及工藝的研究及應用。

中信重工率先提出了水泥原料輥壓機終粉磨工藝，相較原來的原料球磨機、原料立磨系統工藝，大大簡化了水泥原料制備工藝，使水泥原料生產工藝更加高效和綠色節能。

實驗室對十多家水泥公司的水泥原料進行了實驗室輥壓機終粉磨試驗，建立了試驗數據庫，創新利用-190 目 (-80 μm)單位產量的概念，建立各家物料輥壓機終粉磨粉碎效果的關聯關系，支撐水泥原料輥壓機終粉磨系統的裝備選型。圖 8 所示為目前廣泛應用的水泥原料輥壓機終粉磨流程系統。

圖8 水泥原料輥壓機終粉磨流程系統Fig.8 Final grinding process system of HPGR fed by cement raw material

6.1 HPGR 應用于自磨/半自磨頑石破碎

針對高壓輥磨機的應用研究，中信重工在國內率先研究了應用高壓輥磨機處理自磨/半自磨機系統頑石，將高壓輥磨機對硬脆難磨粒子的快速碎磨作用發揮到極致。圖 9 所示為高壓輥磨機應用于自磨/半自磨系統的頑石破碎系統。

6.2 破碎系統引入高壓輥磨機

圖9 自磨/半自磨系統 HPGR 頑石破碎系統Fig.9 HPGR pebble crushing system of AG/SAG system

依托高壓輥磨機對物料碎磨效果的研究，中信重工針對多家傳統的三段破碎+球磨機工藝系統，進行了提產增效的改造，將高壓輥磨機引進碎礦工藝，實現了物料多碎少磨，大大提高了碎礦產品中的成品率，降低了入磨物料的進料粒度，提高了物料易磨性。通常經過高壓輥磨機破碎后，球磨機系統可提產 30%～40%[5]，并且實現了該拋早拋，減少了磨礦量。圖 10 顯示了某選廠應用高壓輥磨機作為超細碎設備對其后續球磨流程的改善效果。

圖10 HPGR 系統改善球磨效果Fig.10 Improvement of ball milling effects after introducing HPGR system

6.3 高壓輥磨+立式攪拌磨工藝系統

基于高壓輥磨機及立式攪拌磨機高效節能的特點，中信重工積極開展試驗研究，率先提出了“高壓輥磨機+立式攪拌磨機”的高效節能碎磨礦工藝 (見圖 11)，并成功申報了專利。該工藝的試驗研究結果證明，不僅礦物得到高效的碎磨解離，同時礦物的回收率也得到了很大的提高。

圖11 高壓輥磨機+立式攪拌磨系統Fig.11 System of HPGR and vertical stirring mill

7 結語

礦山重型裝備國家重點實驗室自成立以來，一直致力于礦物碎磨礦技術及節能高效碎磨礦工藝的研究，大力推動了礦山機械裝備大型化，以及大型碎磨礦工藝的優化發展，為礦山選廠的綠色發展起到了較大的推動作用。獲得了以下創新研究成果：

(1)將 DW、SMC 落重試驗技術應用于自磨/半自磨機以及旋回破碎機、圓錐破碎機的選型設計；

(2)全面建設了 Bond 系列功指數試驗技術及應用，并完善了數據庫，支撐破碎機、球磨機、棒磨機裝備的選型設計；

(3)創新研發了水泥原料輥壓機終粉磨試驗方法，完善了礦用高壓輥磨選型試驗方法，大力支撐了輥壓機、高壓輥磨機的選型設計及工藝應用，拓展了層壓粉碎裝備的應用領域；

(4)創建了先進的 CSM-2.2 攪拌磨選型試驗系統平臺，建立了 CSM-Levin 試驗的修正應用方法及細粒級物料 CSM-Bond 球磨功指數試驗結果的修正計算方法，3 種試驗方法聯合支撐立式攪拌磨機選型設計計算；

(5)創新研究了高壓輥磨機+立式攪拌磨節能高效碎磨工藝技術的可行性，創立了更加高效節能的碎磨礦工藝技術。