自磨/半自磨工藝提產方法的創新與實踐

鄭 競，姬建鋼，夏 霜

1中信重工工程技術有限責任公司 河南洛陽 471039

2洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

3礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

4大冶特殊鋼有限公司 湖北黃石 435001

自磨機 (簡稱“AG”)是一種利用礦石本身作為磨礦介質的筒式磨機。自 1959 年第一臺自磨機在金屬礦山應用以來，自磨技術也經歷了長足的發展，其設備選型、制造和工藝應用等技術均日臻成熟。目前，主流的自磨工藝主要有 2 種：一是在自磨機中添加一定充填率 (通常為 5%～15%)的鋼球，變成半自磨機 (簡稱“SAG”)，通常用于開路或者半開路流程；二是自磨機+頑石破碎工藝，通常用于閉路或者半開路流程。

20 世紀后期，相較于半自磨機，自磨機在選廠的應用較少，主要原因是：自磨流程選型計算和分析理論還不完善，自磨機處理量往往達不到設計要求；礦石性質對產量影響較大，生產管理較為困難。所以自磨工藝流程并沒有體現出其作業率高、運行成本低的優勢。而半自磨工藝生產穩定性更高，生產管理更方便，選廠成功應用案例較多。因此，近 20 年來，半自磨工藝逐漸替代“三段破碎+球磨”工藝，成為國內大中型選礦廠的主流工藝之一。而在國外選廠中，純自磨工藝流程卻有著廣泛的應用基礎，這為國內自磨工藝技術的創新和發展提供了良好的平臺，也為其他新建選廠的自磨流程設計提供了借鑒和依據。

1 自磨工藝特點分析

粗破之后的礦石進入自磨/半自磨機之后，在重力、離心力和摩擦力等的作用下，發生沖擊、剪切、磨削和研磨等作用，一般 +70 mm 礦石作為磨礦介質可對 -12 mm 礦石進行破碎和粉磨，而 -70 +12 mm 粒級礦石則作為難磨粒子——“頑石”需要單獨處理。頑石一般經過破碎之后返回自磨/半自磨機，而磨礦產品經過開路或者閉路之后進入下游的工藝流程。自磨工藝一般用于閉路或者半開路流程，其典型流程如圖 1、2 所示。自磨工藝流程雖短，但是影響其應用的因素較多。

圖1 自磨/半自磨全閉路流程Fig.1 Process flow of AG/SAG fully-closed circuit

圖2 自磨/半自磨半閉路流程Fig.2 Process flow of AG/SAG semi-closed circuit

1.1 自磨機的 3 個極限

自磨機本身有 3 個極限：一是充填率極限；二是運行功率極限；三是通過量極限。這“3 個極限”決定了自磨回路的最大生產能力。

(1)充填率 自磨機是依賴物料之間的相互作用力來完成磨礦過程的，適當的充填率能夠有效增加物料之間相互作用的概率，從而提高磨礦效率[1]。當充填率較低時，則磨機效率較低；但當充填率過高時，不但造成磨機“漲肚”，還會增加磨機載荷，嚴重時可能帶來磨機的機械損傷。因此合理的充填率是提高磨礦效率的重要途徑。

(2)運行功率 自磨/半自磨機運行的額定功率限制了自磨機產量，這主要取決于設計初期的選型方案。設計前期務必對所開采礦體進行全方位勘探，取代表性的巖心樣進行 SMC 試驗[2]，結合采礦工藝，從而獲得相對合理的設備選型。

(3)通過量或排礦速度 理論上，自磨/半自磨機的排礦粒度越大，處理量也越大，通過量一般不會成為磨機產量的限制因素；但是對于某些長徑比較大的自磨/半自磨機，其排礦能力決定了磨機的處理量。因為自磨機的磨礦質量分數較高，排礦產品粒級分布較寬 (一般為 -75 mm)，礦漿流動性較差，導致自磨機排礦速率較低，造成合格粒級的產品不能及時排出而產生過磨現象，有時還會出現“礦漿池”，影響磨礦效率[3]。

1.2 影響自磨工藝應用的因素

由于自磨工藝綜合了破碎和粉磨兩種功能，作業復雜程度較高，其產量受到礦石性質、操作和供配礦管理等多重因素的影響，給生產管理帶來了較大困難。影響自磨工藝應用的因素有以下幾個方面。

(1)給礦粒度組成[4]半自磨機使用鋼球作為磨礦介質，添加鋼球可以穩定磨礦介質比例，從而可以穩定半自磨機產量。而自磨機的磨礦介質主要來源于給礦中的塊礦，粒度通常為 100～350 mm。新給礦中必須含有足夠的塊礦，而且還必須要有足夠的粉礦，才能使自磨機產量最大化，這對上游的粗破和采礦爆破作業以及生產調配管理帶來了較大的挑戰。

(2)頑石破碎效率 自磨機的磨礦過程是“大塊碎成小塊，小塊粉碎成粉”的迭代過程，但其處理頑石的效率較低，必須要借助破碎機來完成頑石破碎作業。頑石破碎作業作為自磨回路中的重要一環，其作業效率和效果在很大程度上決定了自磨機產量的高低。

(3)自磨回路的產品分級效率 對于全閉路自磨流程而言，分級方法和分級效率將大幅度影響自磨機產量。

(4)新給礦礦石性質 一般的大型礦床中均有多個不同的礦體，礦體之間的礦石性質差異也較為明顯，尤其是礦石硬度和可磨性，礦石性質變化勢必會影響自磨機的穩定輸出[5]。

2 提產優化方法

在生產實踐中，自磨/半自磨機的優化和提產，原則上是通過調整自磨/半自磨回路中的各個影響因素，盡量平衡磨機本身的“3 個極限”，從而達到磨礦效率最大化。

2.1 供配礦方案優化

大多數礦山都是由多種不同性質的礦體組成的，在礦石開采過程中常遇到礦石的硬度、嵌布粒度及品位等的變化，造成自磨/半自磨機處理量和產品粒度的劇烈波動，這給生產的調控和管理帶來較大的難度。

此外，自磨/半自磨機給礦粒度也受到爆破系數和粗破參數等的影響，其給礦粒度決定了磨礦介質的比例，最優的給礦粒度配比對自磨機提產的重要性不言而喻。

如果用F80表示新給礦中 80% 的物料透過篩孔的尺寸，則在一定范圍內，F80越大，自磨機產量越大。例如，福建省潘洛鐵礦利用增加新給礦中的塊礦比例，提高了自磨機臺時約 10%[6]。某磁鐵礦選礦廠通過優化新給礦粒度實現了自磨機產量的提升，驗證了新給礦粒度對自磨機性能的影響。但當F80超過某一個極限之后，塊礦開始累積，細粒級物料比例變小，功率將升高，自磨機處理量將會有所下降[7]。圖3 是某大型自磨機在 3 個月內每班新給礦粒度與臺時和運行功率的關系曲線。由圖 3 可知，當F80逐漸增大到 170 mm 時，自磨機產量逐漸上升，磨機運行功率也逐漸升高；當粒度超過 170 mm 時，自磨機功率略有上升，而產量逐漸下降。

圖3 新給礦粒度 F80 與自磨機產量和功率的關系Fig.3 Relationship between feed size F80 and throughput and power of AG mill

調整自磨/半自磨機新給礦粒度的方法主要有以下 3 種。

(1)通過控制采礦爆破系數，合理控制爆破的炸藥量和鉆孔間距，盡量做到塊多粉足，同時控制最大塊尺寸小于粗碎破碎機的最大給礦粒度。Red dog礦山通過此方法提高了半自磨機效率，降低了磨礦能耗[8]。

(2)調整粗破破碎機排礦口，適當放大排礦口寬度可以在一定范圍內增加排礦粒度；另一方面，對于旋回破碎機還可以根據排礦口和破碎機的機械條件，選擇適合的運行偏心距。

(3)在磨機的給礦料堆設計上，主要以單點或者連續布料為主，料堆底部設置多個下料口，由于布料過程中物料會產生偏析，所以調整不同位置下料口的給礦速度可控制給礦粒度的變化。

自磨/半自磨機最佳的給礦粒度分配一般來源于生產實踐，給礦粒度必須穩定可控，避免帶來磨機產量和功率的劇烈波動。此外，自磨機最佳給礦粒度與礦石的硬度和密度均有一定關系，如礦石較硬時，新給礦粒度F80需要略微降低，以減少頑石在磨機內部的累積[9]。對于半自磨機而言，鋼球的添加保證了足夠的介質，只需要減少大塊比例，降低新給礦粒度F80，便可提高產能。

除給礦粒度的優化之外，對于礦石的可選性和可磨性等的匹配也需要進行優化，以實現采廠到選廠(Mine to Mill，簡稱“M2M”)的礦石品質控制。高效的 M2M 協同管理，能夠有效提高自磨/半自磨機的生產效率[10]。

2.2 頑石破碎作業優化

頑石作為難磨粒子，很難被自磨/半自磨機內部消化，大量的頑石累積容易造成自磨機運行功率率先達到瓶頸，從而嚴重影響自磨機產量。

頑石破碎效率越高，頑石破碎產品越細，自磨機產量越高，這符合選礦領域“多碎少磨”的磨礦原則。在實際生產中，美國 Empire 鐵礦在自磨回路增加單缸液壓破碎機進行頑石破碎作業之后，產量增加了 20%；之后又在頑石破碎機的基礎上，增加了高壓輥磨機對頑石進行進一步破碎。結果處理軟礦石時，自磨產量又提高約了 17%，能耗降低了 16%；處理硬礦石時，自磨產量提高幅度達到 40%[11]。

澳大利亞某大型磁鐵礦選礦廠采用自磨+頑石破碎工藝，通過加強頑石破碎作業能力，有效提高了自磨機產量，頑石破碎機功率越高，自磨機產量越高[12]。

加強頑石破碎作業提高自磨機產量的方法同樣適用于半自磨回路。墨西哥 Penasquito 鉛金貴金屬礦選廠初始設計使用圓錐破碎機進行頑石破碎，導致整個選廠產能達不到設計值，使用高壓輥磨機破碎頑石之后，產能提升了 30% 左右[13]。

澳大利亞 Cadia 銅金礦選礦廠采用了一種更為新穎的工藝，大幅度提高了半自磨機產量。其工藝流程如圖 4 所示。通過“閉路篩分+破碎機+高壓輥磨機”的工藝改造，既減少了新給礦的中間粒級 (頑石)含量，又利用該新增工藝處理半自磨機產生的頑石，增加了半自磨機給礦中的細粉比例，徹底改善了自磨機入料粒度配比，降低了磨礦單位功耗，達到了擴大產能的目的[14]。這一工藝流程對于半自磨流程更加有效，因為對于半自磨流程，磨礦回路中的頑石往往夾雜著很多碎鋼球，碎鋼球在頑石中難以被除凈，極易造成破碎機銅套損毀和高壓輥磨機輥面損毀。而Cadia 的工藝流程預先將中等塊度的“頑石”篩分出來，直接送入高壓輥磨機，減少了頑石返回量，降低了頑石除鐵的難度。

圖4 Cadia 選礦廠半自磨工藝流程Fig.4 Process flow of SAG circuit in Cadia concentrator

因此，使用高壓輥磨機進行頑石破碎作業是提高自磨/半自磨機產量的有效方法，其主要工藝優勢是既保持了整個磨礦回路的作業率，又降低了磨礦能耗和鋼耗，而且經過高壓輥磨機處理之后的礦石將產生微裂紋，有利于下游的磨礦作業。或者，為了突破自磨機通過量的瓶頸，也可將自磨機/半自磨機頑石進行單獨加工處理，不再返回自磨/半自磨回路，從而進一步提高自磨機產量。

2.3 襯板優化

自磨/半自磨機襯板優化一般有襯板材質和形狀的優化。襯板材質的優化可使襯板壽命延長，從而提高磨機的運行作業率；此外，還可以通過降低襯板質量來減少磨機機械負荷。襯板形狀的優化主要是礦漿排料器和筒體襯板的優化，包括筒體提升條的高度和角度、提升條的間距、排料格子板等。

2000 年以前，自磨機襯板的材質主要是錳鋼合金，錳鋼襯板雖然耐沖擊，但是并不耐磨，因此自磨機的襯板更換周期并不比半自磨機明顯更長，導致很多選廠將自磨機改造為半自磨機以提高處理量。經過多年的發展，大型自磨/半自磨機襯板的材質得到了長足的發展，目前主流襯板材質主要是鉻鉬合金鋼和高鉻鑄鐵[15]，布氏硬度可達到 325～600BHN，尤其是對于自磨機，襯板耐磨性增加使得襯板使用壽命一般可達到 6～10 個月，這大幅度提高了自磨機的運行作業率。近年來，隨著新材料和新工藝的發展，一些選廠開始使用合金鋼和橡膠復合襯板，大幅降低了襯板總質量，從而減少了自磨/半自磨機的運行負荷，為提高充填率創造了條件。

在襯板設計方面，隨著離散元和流體分析軟件的耦合應用，對物料、鋼球和礦漿在磨機內部的運動分析有了更加清晰的認識，同時自磨/半自磨機襯板形狀和排數的設計對其運動的影響也更加精確[16]。為了加快自磨/半自磨機排礦速度，減少礦漿返流，避免礦漿在筒體內形成礦漿池，中信重工設計了一種弧形礦漿排料結構，這種結構被證明是提高通過量的有效方法之一[17]。弧形排料襯板的成功應用提升了自磨/半自磨機排料速度，從而提高了自磨機通過量，有利于突破自磨機的通過量瓶頸[18]。

2.4 分級優化

對于閉路的自磨/半自磨回路，其分級效率的高低將嚴重影響磨機的通過量，因此分級優化的主要目的是提高分級效率。根據分級方法的不同，自磨/半自磨回路的分級有 2 種：旋流器分級和細篩分級。

一般來說，使用旋流器進行分級在閉路自磨工藝中較為常見，其優化方向主要是使用柱式的旋流器，并通過對比試驗確定合適的沉砂口和溢流口尺寸。不同于普通的錐形旋流器，柱式旋流器的底部一般為平底，可根據分級粒度的需要適當調整柱體的高度。平底旋流器的主要優點是在粗粒級的礦漿分級中，分級粒度更粗，分級效率更高，降低了自磨回路的循環負荷，可提高生產效率[19]。澳大利亞某大型鐵礦選廠通過對自磨分級進行柱形平底旋流器的升級改造，有效放粗了分級粒度，提高了磨機的磨礦能力[20]。

分級在磨礦回路中只是控制產品粒度和調節磨礦負荷的一種手段，提高分級效率，降低循環負荷，減少磨機通過量，有利于實現磨礦效率的最大化。

2.5 自動控制優化

雖然自磨/半自磨流程較短，但是它集成了較多的功能，因此，其生產操作在自動、智能控制上的難度更高。自動控制優化主要以平衡自磨/半自磨機的“3 個極限”為原則，提高產品和產量的穩定性。以帶頑石破碎作業的自磨閉路磨礦為例，自磨機的自動控制優化主要有以下幾個部分。

(1)新給礦控制回路 自磨機新給礦控制一般有 2 種策略：一是穩定給礦量，即以新給礦量為設定值，調節不同下料點的給礦速度，從而穩定自磨機的功率和輸入/出，配備變頻調速的磨機還可以通過調整轉速來控制自磨機穩定輸入/出；二是穩定自磨機充填率，即以自磨機充填率為設定值，以中空軸軸壓或者磨機載荷為設定值，控制新給礦量，然后新給礦量再與不同下料口給礦速度形成一個聯鎖控制。

(2)頑石破碎作業控制 頑石破碎作業的控制目標是破碎效率最大化。一般控制原則是擠滿給礦、破碎功率最大化，通過調節排礦口來調節破碎機處理量，從而維持頑石返回的平衡。

(3)磨礦質量分數控制回路 自磨/半自磨機的磨礦質量分數一般為 80%～85%，適當高的磨礦質量分數有助于減少礦漿池，提高磨礦效率，質量分數高于 85% 則不利于礦漿的流動和排出。

(4)分級控制回路 控制分級質量分數和壓力，旋流器的給礦質量分數越高，分級粒度越粗，循環負荷越低，分級溢流產量則越高，越有利于增加磨機的處理量。

隨著智能技術的發展，自磨/半自磨回路的多因素專家控制系統也得到了一定的應用。先進的智能技術除了能夠協同控制多因素變量，還能夠協同操作工在不同情形下的控制邏輯，減少人為操作失誤，并將生產效率最大化。Newmont Ahafo 礦山在集成控制系統方面就取得了成功[21]。

2.6 其他優化

除以上措施外，還可采取其他措施對自磨/半自磨回路進行優化。

(1)對大塊磁性礦石進行預選，以提高磨礦處理量。如西石門選廠使用預選拋尾之后，有效提高了入選品位[22]。

(2)減少頑石的含水率和含泥量，優化頑石破碎機的襯板腔型，以保證破碎機運行性能最大化。

(3)減少頑石破碎作業的給礦粒度偏析，以提高破碎作業的穩定性。

(4)使用圖像分析儀在線監測自磨/半自磨給礦粒度，為磨礦回路的控制創造條件。

3 結語

自磨/半自磨工藝優化主要圍繞配礦、頑石破碎作業和充填率 3 個核心因素展開，在生產管理上，做好 M2M 協同，綜合礦石的粒度、品位和可磨性等因素進行合理配礦，穩定磨機的輸入/出；在工藝上，利用高壓輥磨機技術提高頑石破碎效率；在生產上，通過襯板優化和先進的軟硬件控制，使磨機充填率達到最佳；在日常操作上，對自磨機的 3 個瓶頸進行探索和突破，可實現自磨/半自磨工藝的生產效率最大化，從而降低能耗、鋼耗等生產成本。

自磨/半自磨工藝流程的破磨比大、磨礦選擇性好、單體解離度高，是階段磨礦、階段選別、預先提取精礦的最佳工藝方案之一。其流程短、處理量大和節省投資等特點受到國外選礦廠的青睞。對于年處理千萬噸礦石以上規模的大型選廠，如果采用自磨/半自磨工藝，將能夠收獲非常可觀的經濟和社會效益。