東鞍山混磁精礦攪拌磨與球磨對比試驗

蘇興國 ， 楊光 ， 陳國榮 ， 白哲

1.鞍山鋼鐵集團有限公司 東鞍山燒結廠，遼寧 鞍山 114000；

2.東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819

引 言

中國鐵礦資源儲量豐富，但普遍具有鐵品位低、礦物結晶粒度細、組成復雜的特點，97%以上的鐵礦石需要經過選礦才能入爐冶煉[1]。近年來，我國鐵礦石進口量高達10億t/a左右，持續高位運行。近五年我國鐵礦石進口量及對外依存度如表1所示。對外依存度連續5年超過80%，屢創新高，已嚴重威脅到我國的戰略資源安全[2-5]。

表1 我國鐵礦石供需量及對外依存情況Table 1 The iron ore supply, demand and foreign dependence of China

磨礦作業作為選前準備的重要一環，不僅直接影響著后續選別指標，還大幅增加了選別成本。攪拌磨機作為一種新型粉磨設備具有能效高、節省介質、安裝簡便和易于操作等顯著優點[3,6]。與普通球磨機不同，攪拌磨裝備的筒體靜止，通過攪拌裝置旋轉帶動筒體內研磨介質和礦物相互作用。研究及應用實踐表明，在礦物粒度小于100 μm時，攪拌磨裝備的細磨效率遠高于普通臥式球磨機，這主要因為其允許研磨介質更小，攪拌裝置線速度更高，使得能量盡可能耗散在細磨礦物中[7-10]。同時，其細磨物料的主要方式為研磨，單位容積能量密度高，在相同處理量下其規格較小。另外，采用陶瓷球作為磨礦介質，還可以大幅降低介質損耗[11-14]。因此，立式攪拌磨機在細磨作業中有很好的應用前景。

東燒廠原礦中有用礦物與脈石礦物嵌布關系復雜，主要鐵礦物大多以細粒或極細粒嵌布為主，易產生過磨泥化現象。現場采用球磨機磨礦，存在產品粒度粗細不均、磨礦效率低、有用礦物單體解離度不夠及磨礦能耗較高等問題[15-16]。為此，本試驗采用新型陶瓷球攪拌磨展開試驗，對東燒廠混磁精礦進行了磨礦工藝優化和對比研究，得到最優工藝條件并對比了陶瓷球攪拌磨機和傳統球磨機的-0.038 mm比生產率、-0.038 mm磨礦效率、產品粒度分布及有用礦物單體解離度等指標。本研究期望對類似選廠細磨技術優化提供參考，實現礦石的高效粉磨和降本減耗。

1 試驗原料

本試驗原料為東鞍山燒結廠球磨機給礦，礦石主要呈浸染狀構造、條紋狀和波紋狀構造，礦物構造主要表現為赤鐵礦的自形晶結構，磁鐵礦的半自形晶結構，兩種及兩種以上礦物之間交代結構等。其化學多元素分析結果見表2，鐵化學物相分析結果見表3。

表2 鐵礦石樣品的化學多元素組成 /%Table 2 Chemical multi-element composition of iron ore samples

表3 東鞍山鐵礦石鐵化學物相分析結果 /%Table 3 Chemical phase analysis of iron ore in Donganshan

由表2可知，礦石中TFe品位33.35%，FeO含量5.84%，磁性率17.51%，該礦石為氧化礦石；礦石中SiO2含量為45.78%，初步判定主要脈石礦物為石英；P含量0.08%，S含量0.02%，說明礦石中硫、磷等有害元素含量不高；CaO和MgO含量偏高。

由表3可知，礦石中的鐵主要分布在赤褐鐵礦中，含量為24.05%，分布率達71.65%；其次分布在磁性鐵和碳酸鐵中，分布率分別為20.69%和7.30%；還有少量鐵礦物分布在硅酸鐵和硫化鐵中。

采用XRD進行了礦物組成分析，結果如圖1所示。礦石中的主要礦物為石英、赤鐵礦、磁鐵礦及綠泥石。結合光學顯微鏡對礦石光片、薄片的鑒定分析，進一步查明礦石的礦物組成及含量如表4所示。該鐵礦石中的金屬礦物主要為赤鐵礦和磁鐵礦，含量分別為29.29%和16.78%，另有少量黃鐵礦和褐鐵礦。非金屬礦物主要為石英、綠泥石和碳酸鹽礦物，含量分別為34.12%、12.57%和7.08%。

表4 礦石中礦物組成及含量統計結果 /%Table 4 Statistics of mineral composition and content in ore

圖1 原礦XRD分析結果Fig. 1 XRD analysis results of raw ore

原礦粒度分布見表5，礦石中赤鐵礦和磁鐵礦的嵌布粒度見表5。

表5 原礦粒度組成 /%Table 5 Grain-size composition of raw ore

由表6可知，磁鐵礦和赤鐵礦的細度以細粒嵌布為主，且在細粒級中分布率高，分別為30.25%和34.43%，這部分鐵礦物較難從脈石中解離出來，易損失在尾礦中。通過工藝礦物學研究可知，磁鐵礦和赤鐵礦主要呈浸染狀分布在脈石中，二者之間的嵌布關系較密切，彼此難以完全解離，尤其次生赤鐵礦與磁鐵礦多呈連晶體顆粒，彼此難以解離，對鐵的回收有較大影響。

表6 主要礦物嵌布粒度分布 /%Table 6 Distribution of main mineral dissemination size

2 試驗方法

(1)攪拌磨機試驗：采用SLJM-2L型立式超細攪拌磨機進行實驗室攪拌磨試驗，攪拌磨筒高180 mm、直徑120 mm，攪拌軸直徑18 mm，銷釘長31 mm，銷釘直徑12 mm，共5組銷釘，銷釘間距為30 mm。

(2)球磨機試驗：采用XMQ-Φ240×90型錐形球磨機進行球磨試驗。

(3)反浮選試驗：采用XFD 0.75 L單槽浮選機，抑制劑為淀粉，活化劑為CaO，捕收劑為現場捕收劑。分別對兩種磨礦產品進行反浮選試驗。

(4)采用比生產率和磨礦效率對磨機的磨礦效果進行定量評價。

比生產率是評價磨機在單位時間、單位有效體積新生成某個粒級的質量；磨礦效率是指單位能耗下，新生成某個粒級的質量。對于本研究以磨礦產品中新生成-0.038 mm的比生產率和磨礦效率作為評價指標。

(1)

(2)

q-0.038為-0.038 mm比生產率，t/(m3·h)；μ-0.038為-0.038 mm磨礦效率，t/kW·h；Q為新給入磨機內物料質量，kg；βP，βF分別為磨礦產品和給料中-0.038 mm含量，%；V為磨機有效容積，m3；P為磨機功率，W；t為磨礦時間，h。

3 試驗結果與討論

3.1 攪拌磨工藝優化

3.1.1 介質充填率試驗

攪拌磨機的介質充填率普遍比球磨機更大，一般達70%～80%。粉磨過程中，合適的充填率可使攪拌器充分攪動磨礦介質[17-18]。試驗用攪拌磨機有效容積為1.79 L，固定料球比為0.5，磨礦濃度(質量濃度)為60%，攪拌器轉速為300 r/min，介質尺寸為4 mm，磨礦時間為3 min，進行充填率試驗，結果見圖2。

圖2 充填率對磨礦效果的影響規律Fig. 2 Influence of filling rate on grinding effect

由圖2可知，當介質充填率由70%增加到100%時，-0.038 mm比生產率由835.03 kg/(m3·h)逐漸增加至1 744.74 kg/(m3·h)；磨礦效率由21.43 kg/(kW·h)逐漸增加到36.72 kg/(kW·h)。綜合考慮，確定適宜的陶瓷球充填率為100%。

3.1.2 料球比試驗

料球比是指物料的堆體積與介質之間的間隙體積之比。料球比過小會使處理量過小、球耗增大；料球比過大，會導致研磨不充分并降低磨礦效果[19-20]。料球比試驗固定介質充填率為100%，試驗結果見圖3。

圖3 料球比對磨礦效果的影響規律Fig. 3 Effect of material ball ratio on grinding effect

由圖3可知，當料球比由0.5增加到0.8時，-0.038 mm比生產率由1 744.74 kg/(m3·h)逐漸增加至1 926.74 kg/(m3·h)；磨礦效率從36.72 kg/(kW·h)逐漸增加到44.11 kg/(kW·h)；繼續增加料球比，比生產率和磨礦效率均降低。綜合考慮，選擇適宜的料球比為0.8。

3.1.3 磨礦濃度試驗

磨礦濃度試驗固定陶瓷球充填率為100%，料球比為0.8，試驗結果見圖4。

圖4 磨礦濃度對磨礦效果的影響規律Fig. 4 Effect of grinding concentration on grinding effect

由圖4可知，當磨礦濃度由50%增加到70%時，-0.038 mm比生產率由1 808.51 kg/(m3·h)逐漸增加至2 767.09 kg/(m3·h)；磨礦效率由39.97 kg/(kW·h)升至59.68 kg/(kW·h)；當磨礦濃度繼續增加至90%時，磨礦效率逐漸降低。綜合考慮，確定適宜的磨礦濃度為70%。

3.1.4 不同介質尺寸攪拌器轉速試驗

攪拌磨機作為一種中低速型細磨機械，其轉速和介質尺寸對生產能力和產品細度有很大影響。攪拌轉速越大，其物料粉磨效果越好，但轉速過大，轉軸會由于離心作用會出現粉磨死區，惡化磨礦效果。

試驗固定充填率為80%，料球比為0.9，磨礦濃度為60%，攪磨礦時間為3 min，進行不同介質尺寸條件下，攪拌器轉數對磨礦效果的影響試驗。分別選擇陶瓷球尺寸為2 mm、4 mm和6 mm進行試驗，結果見圖5。

圖5 不同介質尺寸條件下攪拌器轉速對磨礦效果的影響規律Fig. 5 Effect of agitator speed on grinding effect under different medium sizes

由圖5可知，2 mm、4 mm和6 mm介質的最佳轉速分別為1 050 r/min、750 r/min和650 r/min，各球徑最佳攪拌轉速的磨礦效果見表5。

由表7可知，隨著球徑增加，-0.038 mm比生產率及磨機功率都呈先升高后降低趨勢，當球徑由2 mm增加至4 mm時，磨機功率由85.78 W上升至112.30 W，比生產率由2 878.93 kg/(m3·h)增加至4 296.55 kg/(m3·h)；磨礦效率則呈逐漸上升趨勢，當球徑由2 mm增加至6 mm時，磨礦效率由60.08 kg/(kW·h)逐漸增加至71.39 kg/(kW·h)。綜合考慮，選擇陶瓷球尺寸為6 mm，轉速為650 r/min。

表7 不同球徑最佳攪拌轉速的磨礦效果對比Table 7 Comparison of grinding effect of different ball diameter and optimum stirring speed

3.2 球磨工藝優化

采用實驗室錐形球磨機進行優化試驗。試驗固定鋼球m(32 mm)：m(25 mm)：m(19 mm)配比為5：3：2、磨礦時間為10 min、輸出功率為0.55 kW。分別進行介質充填率、料球比和磨礦濃度的條件優化試驗，結果見圖6。

圖6 球磨工藝條件對磨礦效果的影響Fig. 6 Influence of ball milling process conditions on grinding effect

由圖6可知，當介質充填率、料球比和磨礦濃度逐漸增大時，磨礦產品-0.038 mm比生產率和磨礦效率都呈現先升高、后降低的趨勢。當充填率為40%時磨礦效果最好，比生產率和磨礦效率分別達到603.90 kg/(m3·h)和6.86 kg/(kW·h)；當料球比為1.0時，比生產率和磨礦效率分別達到972.16 kg/(m3·h)和11.05 kg/(kW·h)；當磨礦濃度為70%時，比生產率和磨礦效率分別達到981.91 kg/(m3·h)和11.16 kg/(kW·h)；最終確定適宜的鋼球充填率為40%、料球比為1.0、磨礦濃度為70%。

3.3 磨礦產品對比研究

3.3.1 混磁精礦磨礦粒度曲線繪制

3.3.1.1 攪拌磨磨礦粒度曲線

根據3.1節試驗，選取攪拌磨參數為：充填率100%、料球比0.8、磨礦濃度70%、6 mm陶瓷球、攪拌器轉速650 r/min，測定磨礦粒度曲線見圖7，產品粒度組成見圖8。

圖7 攪拌磨磨礦粒度曲線Fig. 7 Particle size curve of stirred mill

圖8 攪拌磨機磨礦產品粒度組成分析Fig. 8 Analysis of particle size composition of stirred mill products

由圖7、圖8和表8可知，隨著磨礦時間增加，磨礦產品中粗粒級含量明顯減少，-45+38 μm、-38+10 μm、-10 μm粒級含量明顯上升；結合單體解離度分析，隨著磨礦時間增長，鐵礦物單體解離度也逐漸升高，由51.35%增至89.10%。

表8 攪拌磨產品鐵礦物單體解離度 /%Table 8 Dissociation degree of iron mineral monomer in stirred mill products

3.3.1.2 球磨磨礦粒度曲線

由3.2節可知，混磁精礦最佳球磨參數為：介質配比m(32 mm)：m(25 mm)：m(19 mm)為5：3：2、充填率為40%、料球比為1.0、磨礦濃度為70%。該條件下測定磨礦粒度曲線見圖9，產品粒度組成見圖10。

圖9 球磨機磨礦粒度曲線Fig. 9 Grinding particle size curve of ball mill

圖10 球磨機磨礦產品粒度組成分析Fig. 10 Analysis of particle size composition of ball milled products

由圖9、圖10和表9可知，隨著磨礦時間增加，磨礦產品中粗粒級含量明顯減少，-38+10 μm、-10 μm粒級含量明顯上升；結合單體解離度分析，隨著磨礦時間增長，鐵礦物單體解離度由由51.35%逐漸增至85.99%。

表9 球磨產品鐵礦物單體解離度Table 9 Dissociation products of ball mill products /%

3.3.2 兩種磨礦工藝效果對比

3.3.2.1 產品細度及單體解離度對比

根據3.3.1節得到的兩條磨礦粒度曲線，分別繪制了-0.038 mm含量為60%、70%、80%、90%的磨礦樣品，并對其進行粒度組成分析及解離度分析，結果見圖11和圖12。

圖11 磨礦產品粒度組成對比Fig. 11 Comparison of grain size composition of grinding products

圖12 磨礦方式對鐵礦物單體解離度的影響Fig. 12 Effect of grinding methods on the dissociation of iron minerals

由圖11所示試驗結果可知，隨著磨礦粒度逐漸增加，攪拌磨產品中過細粒級和過粗粒級含量均相對較少，說明攪拌磨機不易出現過磨現象，不易泥化。由圖12所示數據可知，相同磨礦粒度下，攪拌磨產品的單體解離度更高。-0.038 mm含量占70%時，攪拌磨產品單體解離度比球磨高6.19個百分點。

由于微細粒級鐵礦物不利于選別回收，因此陶瓷球攪拌磨更適合混磁精礦的再磨作業，相同細度條件下，攪拌磨機磨礦效果更佳，有用礦物單體解離度更高，更有利于后續選別。

3.3.2.2 浮選指標對比

兩種磨礦產品“一粗一精三掃”反浮選閉路試驗的數質量流程見圖13、圖14，浮選指標對比情況見表10。

圖13 攪拌磨產品反浮選閉路試驗數質量流程Fig. 13 Quality flow chart of closed circuit test data for reverse flotation of stirred mill products

圖14 球磨產品反浮選閉路試驗數質量流程Fig. 14 Quality flow chart of closed circuit test data for reverse flotation of ball milled products

表10 兩種磨礦產品反浮選指標對比 /%Table 10 Comparison of reverse flotation indexes of two grinding products

由表10可知，在最優浮選條件下，攪拌磨產品比球磨產品的精礦鐵品位高0.94個百分點、回收率提高2.99個百分點。說明攪拌磨產品具有更好的可選性，有利于東燒廠混磁精礦的磨礦及反浮選。

4 結論

(1)東燒廠礦石中含鐵礦物主要以赤鐵礦和磁鐵礦為主，其相對含量分別為29.29%和16.78%，脈石礦物主要為石英和綠泥石等。鐵礦物主要為細粒嵌布，需要細磨才能實現有效解離。

(2)該礦石攪拌磨磨礦的適宜條件為：充填率80%、料球比0.9、磨礦濃度60%、介質尺寸6 mm、攪拌器轉速650 r/min；球磨適宜條件為：介質配比m(32 mm)：m(25 mm)：m(19 mm)為5：3：2、充填率40%、料球比1.0、磨礦濃度70%。此時攪拌磨機-0.038 mm比生產率比球磨機高2 654.29 kg/(m3·h)，達到3 636.20 kg/(m3·h)；-0.038 mm磨礦效率比球磨機高60.77 kg/(kW·h)，達71.93 kg/(kW·h)。

(3)對相同細度磨礦樣品分析表明，攪拌磨產品中過細和過粗粒級含量均相對較少；有用礦物的單體解離度比球磨高4.5%～8%；最優條件反浮選精礦鐵品位及回收率分別比球磨高出0.94和2.99個百分點。由此可知，陶瓷球攪拌磨機比球磨機的磨礦效果更好，不易產生過磨現象，并有利于提高有用礦物的單體解離度和浮選指標。