半自磨工藝在礦山選礦中的應用現狀及發展趨勢

曾 明

江西銅業集團有限公司德興銅礦 江西德興 334224

破 碎磨礦作業是礦物選別前的重要一環，其投資約占選礦廠總投資的 50%～ 60%，裝機功率占選礦廠總裝機功率的 60%～ 70%。因此，在綜合考慮項目的投資成本、效益及運營費用時，碎磨工藝的選擇就變得尤為重要[1]。傳統的碎磨工藝存在設備多、流程較長、作業環境較差等缺點，而流程相對簡單、占地面積小、粉塵少、投資少的半自磨工藝逐漸進入選礦工作者的視野。20 世紀 50 年代以前，國外基本上還是采用以常規的兩段破碎或三段破碎+球磨為主的碎磨工藝。隨著自動化技術的發展，半自磨工藝成為一些新建或改建的鐵礦、銅礦、金礦等金屬礦山廣泛應用的碎磨工藝[2]。20 世紀 60 年代末，我國在鐵礦中開始應用自磨工藝，2000 年第一次將半自磨工藝應用在銅陵冬瓜山礦山。2004 年之前，半自磨工藝主要應用在小型選廠，2004 年之后，在一些新建選廠，尤其是在一些大型選礦廠得到了大規模應用。

1 半自磨機工作原理

自磨機是一種兼有破碎和磨礦功能的破碎設備，主要是利用礦石自身作為磨礦介質，通過沖擊和磨剝作用達到粉碎物料的目的。半自磨機是利用自磨機在對礦石物料進行磨礦作業時產生一部分磨礦能力差，而在筒體中加入少量 (一般為 8%～ 12%) 的鋼球，以處理自磨時產生的難磨顆粒 (粒徑在 20～ 80 mm)，從而提高磨礦效果[3]。半自磨機同球磨機一樣，筒體內的鋼球介質和礦石物料在離心力和摩擦力的作用下，隨著筒體轉動被提升到一定的高度后，按一定的線速度形成拋落運動，礦石物料受下落鋼球的撞擊，以及鋼球與鋼球之間、鋼球與磨機和礦石物料之間的附加壓碎和磨剝作用，而達到粉碎物料的目的，被磨碎的合格物料借助水的沖擊力送出筒體。隨著半自磨機直徑的增大，其容積也逐漸增大，鋼球拋落得越高，破碎效率也越高，處理量也越大，但同時也會導致礦石物料在半自磨機中停留時間縮短，單位容積處理量下降，增加了半自磨單位能耗[4]。

2 半自磨工藝特點

(1) 流程短、易操作、成本低 半自磨工藝流程一般是原礦直接進入半自磨機，或經粗碎后進入半自磨機+球磨機，減少了常規的二、三段破碎和篩分作業，使半自磨流程縮短，簡化了工藝流程，同時也減少了常規碎磨流程在處理礦性復雜的礦石時導致的流程不穩定現象。由于工藝流程的簡化，且無需設置破碎系統的中細碎、篩分、除塵、帶式輸送機以及中間緩沖倉等設備及相應廠房，減少了占地面積和基建投資費用，以及材料消耗和人工成本，有效降低了選廠的應用成本。

(2) 利于礦物選別 半自磨機主要是以礦石和鋼球作為磨礦介質，特別是在處理多金屬硫化礦時，礦漿中會產生一定量的 Fe2+離子，影響礦物表面的電化學性質，從而改變了礦物的可浮性。

(3) 自動化程度高 半自磨機主要以礦石自身和少量的鋼球作為磨礦介質，因此易受礦石性質的影響。在實際生產中，為達到一定的磨礦效果，需通過自動控制來調節，特別是在一些大型選廠，單靠人工調節已不能滿足生產要求，需要通過在線監測磨機各項工藝參數并及時做出調整，以保證系統的穩定運行。

3 半自磨工藝的應用

目前半自磨工藝主要有：單段半自磨流程 (SS SAG)、半自磨+球磨流程 (SAB)、半自磨+球磨+破碎流程 (SABC)[5]。

3.1 SS SAG 流程

由于 SS SAG 流程受給礦粒度、磨機長徑比、磨機轉速、分級回路等因素的影響，選用該流程替代碎磨流程存在一定的風險，目前在國內礦山應用較少。

某銅礦[6]在對碎磨流程進行改造時，要求設計處理量為 3 330 t/d，產品粒度 -74 μm 占 90%。根據邦德功指數試驗和 JK 落重試驗結果可知，該礦礦石具有較好的破碎性和研磨性，屬易碎易磨銅礦。由于處理量較小，且礦石經一段粗碎后含泥量較大，決定采用 SS SAG 流程替代原有的三段破碎—磨礦流程。經JK 軟件模擬和設備選型計算，最終選用φ5.5 m×3.5 m 半自磨機，裝機功率為 1 600 kW，取得了較好的應用效果。

SS SAG 流程不僅僅適用于金屬礦，在一些非金屬礦山也能達到碎磨的目的。某光鹵石礦 (KCl·MgCl2·6H2O)[7]礦石硬度低易破碎，采用 SS SAG 工藝來簡化破碎磨礦流程，采用半自磨—冷結晶—正浮選工藝連續化生產。經采取多項改進措施后，半自磨機處理能力從原來的 120 t/d 增加至 150 t/d，磨礦產品粒度得到一定優化，不僅提高了磨礦效率，增加了處理量，同時也大大降低了生產成本。

SS SAG 工藝在國外應用比較普遍，尤其是在南非的金礦礦山，在美國、加拿大、澳大利亞等地區的銅礦、鎳礦、鉬礦和鉛鋅礦等有色金屬礦山經常使用。董節功等人[8]在對剛果某多金屬礦項目設計中，要求設計處理量為 83.71 t/d，產品粒度P80=106μm。通過 SMC 試驗數據可知，該礦屬于易磨易碎礦石，結合國內某銅礦已成功應用 SS SAG 的實例，擬采用 SS SAG 工藝流程，結合功耗法和數學模型，對半自磨機進行設備選型，根據軟件計算結果，最后確定選用φ5.03 m×3.5 m 半自磨機，裝機功率為 1 200 kW。

Yanacocha 金礦[9]于 2008 年 12 月投產，該礦采用由 1 臺安裝功率為 16 500 kW 的φ9.75 m×9.75 m半自磨與一組φ650 mm-10 型旋流器組成的 SS SAG閉路流程，設計處理量為 620 t/h，產品粒度P80=75μm。投產初期，由于受礦石性質變化、磨礦介質、格子板以及分級效率等方面的影響，除產品粒度未達標外，其余指標均已達到設計指標。為提高選廠的處理能力，需增大對產品的粒度要求，經多年的優化改造，該廠處理能力已經超出設計值的 30%?？傮w來說，SS SAG 流程在 Yanacocha 金礦的應用取得了成功。

Tarkwa 金礦[10]設計規模為 525 t/h，磨礦產品粒度P80=75～ 125 μm。該礦礦石主要以石英礫巖為主，金賦存在硅化礫巖中，與赤鐵礦關系密切，礦石性質較硬。在考慮碎磨工藝時，對 SS SAG 工藝與 SABC工藝進行了綜合對比，比較結果是，雖然 SABC 流程生產成本低于 SS SAG，但在基建投資上高于 SS SAG流程。綜合各方面考慮，最終選擇 SS SAG 流程。選用裝機功率為 14 000 kW 的φ8.2 m×12.8 m 半自磨機，鋼球填充率為 18%，循環負荷 350%。投產后，處理能力超出設計值，磨礦產品粒度P80=75～ 150μm，與設計值相差不大，對金礦回收率無影響，取得了較好的應用效果。

SS SAG 流程具有流程短、投資少、操作靈活等特點，在一定條件下是一個較好的選擇，但同時也受礦石性質、設計和操作參數影響。隨著在國外成功案例的增多，國內也有一部分選廠按照 SS SAG 流程設計，應用前景廣闊。

3.2 SAB 流程

SAB 碎磨工藝流程是在 SS SAG 流程的基礎上添加 1 臺或幾臺球磨機構成的閉路碎磨流程，是目前各大礦山比較主流的碎磨工藝之一。

冬瓜山銅礦[11]是我國首次引進半自磨設備，采用 SAB 碎磨工藝。SAB 流程由 1 臺裝機功率為 4 850 kW 的φ8.53 m×3.96 m 半自磨機和 2 臺功率為 3 300 kW 的φ5.03 m×8.3 m 溢流型球磨機組成，2 組φ660 mm 旋流器分別與 2 臺球磨機構成閉路循環，半自磨機的給礦粒度為 -250 mm，產品粒度P80=2.5 mm。

大寶山 7 000 t 銅硫選廠 SAB 流程由 1 臺φ8.5 m×3.8 m 半自磨機和 1 臺φ6.2 m×9.5 m 溢流型球磨機構成。由于該廠礦石采礦點較多，礦石性質較復雜，為保證半自磨流程高效穩定生產，對半自磨機筒體襯板、鋼球、格子板進行優化后，處理量由原來的7 000 t 提高到 9 000 t[12]。

通過對國內某大型銅礦礦石屬性進行分析，以及通過 JK 落重試驗對礦石的抗沖擊破碎性能測試和Bond 功指數試驗，可知該礦礦石主要為花崗巖型銅礦石，破碎、研磨難易程度均屬于中等水平。碎磨工藝最終采用一段粗碎+半自磨機+球磨機的 SAB 流程，半自磨機采用中信重工自主研發的φ11.0 m×5.4 m 雙驅變頻磨機，功率為 2×6 500 kW。礦石經粗碎后進入半自磨機，出料經振動篩分級后，篩上頑石直接進入堆浸廠，不返回半自磨機，頑石與半自磨機不構成閉路循環，篩下產品經旋流器分級后與球磨機構成閉路循環系統。該半自磨機于 2016 年 10 月投入試運行，經過后期各方面的優化，目前取得了較好的效果[13]。

內蒙古某低品位銅鉬礦山，經過對礦石性質的碎磨特性試驗，礦石的抗沖擊破碎能力和磨蝕能力都屬中軟范圍，頑石的抗沖擊破碎能力和磨蝕能力屬偏硬范圍。該選廠一期處理量為 42 000 t/d，SAB 流程采用 2 臺安裝功率為 6 000 kW 的國產φ8.8 m×4.8 m 半自磨機和 2 臺功率為 6 000 kW 的φ6.2 m×9.5 m 球磨機。2012 年二期處理量為 42 500 t/d，采用 1 臺安裝功率為 12 686 kW 的φ11.0 m×5.4 m 半自磨機和 1 臺功率為 17 000 kW 的φ7.9 m×13.6 m[14]球磨機。

楊應林等人[16]在對西部礦業錫鐵山鉛鋅礦進行選礦技術升級改造時，經 JK 落重試驗和球磨功指數以及 JK-SimMet 軟件模擬流程，確定新選廠碎磨流程采用 SAB 工藝，經多次試驗論證，最終選用安裝功率為 1 000 kW 的φ5.0 m×2.5 m 半自磨機和功率為 1 300 kW 的φ3.8 m×5.2 m 格子型球磨機。

SAB 流程不僅適于礦石選礦中，在爐渣選礦中也得到了廣泛應用。貴溪冶煉廠[17]爐渣碎磨系統采用 SAB 流程，經顎式破碎機粗碎后的爐渣給入半自磨機，半自磨機產品進入球磨機進行二段磨礦，分級后最終產品粒度在 -45 μm 占 80%，經一定處理后進入浮選作業。貴冶采用奧托昆普公司生產的安裝功率為 2 000 kW 的φ5.2 m×5.2 m 半自磨機，以及中信重工生產的φ5.03 m×8.3 m 球磨機。西北某銅爐渣選礦廠[18]在對銅爐渣處理時，碎磨流程同樣采用 SAB 工藝，該渣選廠年處理能力在 100 萬 t 以上，經粗碎后的爐渣給入 1 臺φ5.8 m×5.8 m 半自磨機，產品經直線振動篩分級后，篩下產品經一組旋流器分級后，沉砂返回 1 臺φ5.5 m×9.5 m 球磨機，篩上產品返回半自磨機。該渣選廠 2012 年 6 月試生產，11 月已實現達產達標。

隨著 SAB 碎磨工藝在渣選廠的成功應用，目前在金川集團渣選廠、紫金礦業渣選廠、湖南水口山渣選廠、山東祥光渣選廠都相繼采用 SAB 碎磨工藝，均取得了較好的效果。

3.3 SABC 流程

SABC 流程是在 SAB 流程的基礎上增加一套頑石破碎系統，頑石經破碎系統破碎后再返回半自磨機。增加了破碎系統后，減少了半自磨機內難磨粒子的積累，降低了半自磨機的負荷，增強了流程連續性，目前已應用在國內外各大礦山。

德興銅礦[19]大山選礦廠 2.25 萬 t/d 半自磨系統采用 SABC 流程，流程采用 1 臺電動機功率為 2×5 586 kW 的φ10.37 m×5.19 m 國產半自磨機與 1 臺電動機功率為 2×5 586 kW 的φ7.32 m×10.68 m 型溢流型球磨機。半自磨機產品經 2 臺直線振動篩分級，篩上產品經 1 臺 MP800 型圓錐破碎機破碎后返回半自磨機，篩下產品進入 2 組φ836-6 旋流器分級，旋流器溢流進入浮選作業，沉砂返回球磨機，球磨機與兩組旋流器構成閉路循環。

位于秘魯的特羅莫克銅礦碎磨工藝同樣采用SABC 流程，原礦經 NT 1 500 mm×φ2 800 mm 旋回破碎機破碎后進入 1 臺功率為 28 000 kW 的φ12.2 m×7.9 m 半自磨機，半自磨機排料經滾筒篩和雙層振動篩分級后，篩上產品由 2 臺 XL1100 型頑石破碎機破碎后返回半自磨機，篩下產品進入 4 組 762×660 mm 旋流器分級處理，旋流器溢流進入浮選作業，旋流器沉砂返回 2 臺φ8.5 m×13.4 m 球磨機進行進一步磨礦，球磨機與 4 組旋流器構成閉路磨礦流程[20]。普朗銅礦[21]一期設計規模 40 000 t/d，選廠分 2 個系列，碎磨工藝采用 SABC 流程，半自磨機型號為φ9.75 m×4.72 m，φ6.7 m×11.76 m 球磨機與φ660 m旋流器組構成閉路磨礦，破碎系統每個系列采用 2 臺HP300 圓錐破碎機，分別與半自磨機構成閉路。

SABC 流程也常應用在硫化鉛鋅礦選礦中。楊征和[22]在研究半自磨機在硫化鉛鋅礦中應用的合理性時，通過實驗室 JK 落重試驗、JKSimMet 軟件模擬試驗，最終選擇 SABC 碎磨流程，并對硫化鉛鋅礦選礦中半自磨機規格進行了設備選型，確定選用 1 臺電動機功率為 1 250 kW 的φ6.0 m×2.6 m 半自磨機，2 臺單機裝機功率為 1 250 kW 的φ3.6 m×6.0 m 球磨機，以及 1 臺圓錐破碎機構成 SABC 流程。并對 SABC 碎磨流程與常規三段破碎流程方案進行了對比，結果表明，要達到礦石粒度要求，常規三段破碎流程磨礦作業需要進行兩段磨礦，而 SABC 流程僅需采用一段球磨就能達到磨礦要求，因此在硫化鉛鋅礦中采用SABC 流程是合理的。

SABC 工藝流程在國外[23-24]應用較為廣泛，已成為比較主流的碎磨工藝之一。澳大利 Cadia Hill 銅金礦選廠碎磨工藝采用 SABC 工藝，破碎工藝由 1 臺φ12.2 m×6.71 m 半自磨機、2 臺φ6.71 m×11.1 m 球磨機和 2 臺 MP1000 圓錐破碎機構成。在坦桑尼亞Geita 金礦、加拿大 Inmet Troilus 金銅礦、Asarco 銅礦等選礦廠同樣也采用 SABC 工藝，均取得了較好的效果。

4 結語

國內半自磨工藝是從國外引進，半自磨設備主要都是以進口為主，但隨著國內對半自磨工藝的不斷探索和創新，對半自磨設備的不斷研發，半自磨機已逐漸朝著國產大型化、智能化方向發展。半自磨工藝較常規碎磨流程具有流程短、設備少、投資少、自動化程度高等優點，目前已廣泛應用于國內外各大礦山。隨著半自磨工藝技術的發展，半磨工藝流程在未來國內外礦山具有廣闊的應用前景。