攪拌磨機磨礦工藝參數對產品粒度特征的影響

李國峰 李椿楠 栗艷鋒 劉立偉

(華北理工大學礦業工程學院,河北 唐山 063210)

相比于傳統球磨機，攪拌磨機具有磨礦能耗低、磨礦效率高、粉磨產品粒度細等優點，在處理微細粒連生體、提高礦物單體解離度等方面具有明顯優勢[1-3]。張國旺等[4]以JM800B立式攪拌磨機代替柿竹園鐵精礦再磨再選工藝中的球磨機，使得磨礦產品細度由-0.043 mm占60%提高到-0.038 mm占95%，最終精礦鐵品位相應提高10個百分點以上;孫小旭[5]采用GJM型攪拌磨機開展了黑龍江某石墨選礦廠再磨工業試驗，在保證后續浮選品位的前提下，攪拌磨機的運行電流和研磨介質消耗分別降低28%和50%左右;王學東等[6]采用立式螺旋攪拌磨機對凡口鉛鋅礦鋅粗精礦再磨，利用-0.04 mm粒級生產能力、能耗、球耗綜合評價，確定最佳運行參數為:介質充填率55%、轉速45 r/min、介質尺寸15～20 mm。

隨著攪拌磨機磨礦效果研究的深入，發現攪拌磨機粉磨產品的粒度較球磨產品更為均勻。李艷軍等[7]以大孤山再磨給礦為原料，對比了攪拌磨機和球磨機的磨礦產品粒度特性、比生產率和磨礦能耗，得出攪拌磨機磨礦產品粒度分布曲線的峰值是5.75%，而球磨機磨礦產品曲線的峰值是5.05%，攪拌磨機產品中微細粒和粗顆粒的含量均有所減少，產品粒度分布均勻性更佳;黃胤淇[8]采用立式攪拌磨機對安徽某銅礦石進行粉磨，詳細研究了產品中-0.038+0.010 mm粒級含量的變化，在攪拌器轉速2 200 r/min、礦漿濃度45%、磨礦時間2 min的條件下，-0.038+0.010 mm粒級含量達53.35%。

當前，攪拌磨機磨礦工藝參數對產品中合格粒級產率的變化規律仍有待進一步完善，故本文采用立式螺旋攪拌磨機對弓長嶺選礦廠再磨給礦進行細磨，考察磨礦參數對合格粒級和過粉碎粒級含量的影響規律，并采用R-R方程對不同磨礦工藝參數下的產品進行描述。

1 試驗原料

試驗原料為遼陽弓長嶺選礦廠再磨給礦，化學成分及XRD分析結果分別見表1、圖1。

表1 試樣化學成分分析結果Table 1 Analysis results of the chemical composition of the samples%

圖1 試樣XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of the samples

由表1可知，試樣全鐵品位為47.86%，雜質組分主要有SiO2和CaO，含量分別為29.45%和4.94%，有害元素S、P含量較低;由圖1可知，試樣中主要礦物為磁鐵礦和石英。

使用全自動激光粒度分析儀對試樣進行粒度分析，結果見圖2。

由圖2可知，該試樣的中位粒徑為61.79 μm，粒度分布區間為0～350 μm，主要集中在25～250 μm。

圖2 試樣粒度分布曲線Fig.2 Particle size distribution curve of the samples

2 試驗方法

將試樣放入QHJM-1立式螺旋攪拌磨機中，磨礦介質為鋼球，進行不同工藝參數(介質配比、礦漿濃度、料球比、充填率、攪拌器轉速)的單因素條件試驗，采用NKT6100-D激光粒度分析儀檢測粉磨產品粒度，對產品累計粒度特性、粒度分布特征、新生成粒級量等進行分析，結合羅辛-拉姆勒(Rosin-Rammler，R-R)粒度特性方程式，確定最優的粉磨工藝條件。R-R粒度特性方程為:

R0=100·exp(-bdn)，

式中:R0為粒度大于d的正累計產率，%;d為顆粒直徑，μm;b為顆粒特征參數，表示產物的細度，b越大，產物粒度越細;n為均勻性系數，表示粒度分布的均勻程度，n越大，產物粒度分布越均勻。

3 試驗結果與討論

3.1 介質配比試驗

將試樣篩分成+0.074 mm和-0.074 mm 2個粒級，在固定礦漿濃度50%、料球比0.5、充填率50%、攪拌器轉速300 r/min、磨礦時間5 min的條件下，分別采用直徑為3、5、8 mm的鋼球對其進行粉磨，+0.074 mm和-0.74 mm粒級給礦的粉磨試驗結果如表2所示。

表2 +0.074 mm粒級樣及-0.074 mm粒級樣粉磨試驗結果Table 2 Results of grinding test of the samples over 0.074 mm or bellow 0.074 mm particle size

由表2可得，不同球徑的介質對于+0.074 mm粒級物料均有不同程度的磨碎作用，相同磨礦時間內直徑為5 mm的介質球粉磨產品中-0.043 mm粒級與-0.074 mm粒級含量分別為32.22%、59.24%，其含量均大于直徑為3 mm或8 mm的介質球粉磨產品中對應粒級含量，3種尺寸介質球粉磨產品中-0.010 mm粒級含量差別較小;可見，對于+0.074 mm粒級物料，采用直徑為5 mm的介質球磨礦效果最好。對于-0.074 mm粒級物料，相同時間內直徑為3 mm的介質球粉磨產品中-0.043 mm粒級物料含量為78.90%，高于直徑為5 mm及8 mm介質球粉磨產品中-0.043 mm粒級含量，3種尺寸介質球粉磨產品中-0.010 mm粒級含量差別不大;可見，對于-0.074 mm粒級物料，采用直徑為3 mm的介質球磨礦效果最好。+0.074 mm、-0.074 mm 2個粒級物料的產率分別為40.84%和59.16%，通過“線性疊加原理”[9]，確定最終介質配比為m(φ5mm)∶m(φ3mm)=2∶3。

3.2 礦漿濃度試驗

固定介質配比2∶3、料球比0.5、充填率50%、攪拌器轉速300 r/min、磨礦時間5 min，考察礦漿濃度對磨礦效果的影響。不同礦漿濃度下累計粒度特性曲線、粒級含量變化、粒度分布曲線及R-R方程擬合曲線變化規律如圖3所示，不同礦漿濃度下粉磨產品R-R方程回歸結果如表3所示。

圖3 不同礦漿濃度粉磨試驗結果Fig.3 Grinding test results of different pulp concentrations

表3 不同礦漿濃度粉磨產品R-R方程回歸結果Table 3 Regression results of R-R equation for grinding products with different pulp concentrations

由圖3(a)可知，隨著礦漿濃度的增加，累計粒度特性曲線小幅度向左偏移，即粉磨產品粒度逐漸變細。當礦漿濃度由60%增加至65%時，曲線向左偏移幅度相對較大，繼續增大礦漿濃度至70%時，曲線左移幅度微小，即粉磨產品粒度減小速率變緩。

由圖3(b)和(c)可以看出，礦漿濃度由50%增加至65%時，-0.074 mm粒級和-0.043 mm粒級含量分別由85.44%和60.72%升高至87.58%和63.89%，-0.010 mm粒級含量由16.48%增加至17.97%;礦漿濃度繼續增大至70%，各粒級含量無明顯變化。整體來講，料球比、攪拌器轉速等條件的初始值選擇較低時，礦漿濃度對粉磨產品粒度影響的顯著性受到一定程度的降低。

由圖3(d)和表3可以看出，R-R粒度特征方程式中顆粒特征參數b隨礦漿濃度的增大而逐漸增大、顆粒均勻性系數n在1.180 0附近波動。當礦漿濃度為65%時，均勻性系數n為1.181 5，顆粒特征參數b為0.012 1。

3.3 料球比試驗

固定介質配比2∶3、礦漿濃度65%、充填率50%、攪拌器轉速300 r/min、磨礦時間5 min，考察料球比對磨礦效果的影響。不同料球比下累計粒度特性曲線、新生粒級含量變化、粒度分布曲線及R-R方程擬合曲線變化規律如圖4所示，不同料球比下粉磨產品R-R方程回歸結果如表4所示。

圖4 不同料球比粉磨試驗結果Fig.4 Grinding test results of different ratio of material to ball

表4 不同料球比粉磨產品R-R方程回歸結果Table 4 Regression results of R-R equation for grinding products with different ratio of material to ball

由圖4(a)可知，隨著料球比的增加，粉磨產品累計粒度特性曲線逐漸右移，表明粉磨產品粒度逐漸增大。

由圖4(b)可知，當料球比由0.4增加至0.6，粉磨產品的新生成-0.074 mm和-0.043 mm粒級量顯著增加，分別由0.051 3 t/(m3·h)和0.042 3 t/(m3·h)增加至0.066 6 t/(m3·h)和0.048 7 t/(m3·h)，新生成-0.010 mm粒級量僅由0.010 3 t/(m3·h)增加至0.010 4 t/(m3·h);當料球比增加至0.8時，新生成-0.074 mm、-0.043 mm和-0.010 mm粒級量均有所降低，分別降低至0.063 2 t/(m3·h)、0.035 5 t/(m3·h)和0.003 5 t/(m3·h)。當料球比較小時，介質球撞擊、研磨作用于物料的幾率也相應較小，粉磨效果差;隨著料球比的增大，介質球與物料顆粒之間的碰撞、研磨幾率相應增加，粉磨效率增大，各粒級新生成量增大;料球比過大時，磨機內存料過多，攪拌器旋轉帶動介質球間的撞擊、研磨幾率及強度相應減小，研磨效率下降[10-11]。

由圖4(c)可知，當料球比由0.4增加至0.8時，粉磨產品粒度分布區間逐漸變寬且粒度分布曲線逐漸右移，即粉磨產品粒度變粗，產品粒度分布范圍變大、均勻性變差。綜合考慮，料球比為0.6時，粉磨效果較好。

由圖4(d)和表4可知，料球比由0.4增加至0.8時，R-R粒度特征方程式中均勻性系數n由1.194 3降低至1.124 5，顆粒特征參數b由0.013 0減小到0.010 8;當料球比為0.6時，均勻性系數n為1.164 8，顆粒特征參數b為0.011 9。

3.4 充填率試驗

固定介質配比2∶3、礦漿濃度65%、料球比0.6、攪拌器轉速300 r/min、磨礦時間5 min，考察充填率對磨礦效果的影響。不同充填率下累計粒度特性曲線、新生粒級含量變化、粒度分布曲線及R-R方程擬合曲線變化規律如圖5所示，不同充填率下粉磨產品R-R方程回歸結果如表5所示。

表5 不同充填率粉磨產品R-R方程回歸結果Table 5 Regression results of R-R equation for grinding products with different filling rates

由圖5(a)可知，當充填率由50%增加至75%時，粉磨產品累計粒度特性曲線逐漸左移且當充填率為75%時左移幅度最大，說明粉磨產品粒度隨充填率的增大而逐漸減小。

由圖5(b)可知，當充填率由50%增加至70%，新生成-0.074 mm、-0.043 mm粒級分別由0.066 6 t/(m3·h)和0.048 1 t/(m3·h)增加至0.091 6 t/(m3·h)和0.075 1 t/(m3·h)，新生成-0.010 mm粒級由0.007 2 t/(m3·h)增加至0.022 2 t/(m3·h);繼續增加充填率至75%，各粒級新生成量均明顯增加，分別增至0.139 0 t/(m3·h)、0.147 3 t/(m3·h)和0.067 5 t/(m3·h)。

圖5 不同充填率粉磨試驗結果Fig.5 Grinding test results of different filling rates

由圖5(c)可知，當充填率由50%增加至70%時，其粉磨產品對應的粒度分布區間逐漸小幅度變寬，當充填率為75%時其粉磨產品對應的粒度分布曲線明顯左移且分布區間變窄，-0.010 mm粒級含量明顯增多，表明產品過粉碎粒現象較為嚴重且粒級分布均勻性變差[12]。介質充填率過小，介質與介質間碰撞的可能性就小，物料被介質碰撞、擠壓的次數少，導致較低的粉磨效率。適當提高攪拌磨機的充填率有利于介質與物料的充分接觸，進而提高磨機的效率。當介質的填充率過高時，介質與介質之間的無效碰撞增多，介質被攪拌軸旋轉加速提升的空間變小，介質運動速度相應減小，不利于粉磨[13]。綜合考慮，充填率選擇70%更為合理。

由圖5(d)和表5可以看出，當充填率由50%增大至75%時，R-R粒度特征方程式中均勻性系數n逐漸減小，由1.149 0減小至1.063 3，顆粒特征參數b逐漸增大，由0.011 5增大至0.032 5。充填率為70%時，均勻性系數n為1.073 0，顆粒特征參數b為0.018 1。

3.5 攪拌器轉速試驗

固定介質配比2∶3、礦漿濃度65%、料球比0.6、充填率70%、磨礦時間5 min，考察攪拌器轉速對磨礦效果的影響。不同攪拌器轉速下累計粒度特性曲線、粒級含量變化、粒度分布曲線及R-R方程擬合曲線變化規律如圖6所示，不同攪拌器轉速下粉磨產品R-R方程回歸結果如表6所示。

表6 不同攪拌器轉速粉磨產品R-R方程回歸結果Table 6 Regression results of R-R equation for grinding products with stirring shaft rotation speeds

由圖6(a)可知，當攪拌器轉速由300 r/min提高至450 r/min，粉磨產品累計粒度特性曲線逐漸左移，產品粒度明顯減小;當攪拌器轉速由450 r/min繼續增大至500 r/min，粉磨產品累積粒度特性曲線右移，粉磨產品粒度變粗。

由圖6(b)可知，當攪拌器轉速由300 r/min增加至450 r/min，-0.074 mm和-0.043 mm粒級含量分別由85.84%和68.43%增加至99.86%和92.23%，-0.010 mm粒級含量由20.38%增加至35.97%;當攪拌器轉速增大至500 r/min時，-0.074 mm和-0.043 mm粒級含量分別降至98.73%和90.18%，-0.010 mm粒級含量為35.96%。在攪拌器轉速為450 r/min時-0.074 mm粒級與-0.043 mm粒級含量出現了最高值，合格粒級產率最高。

由圖6(c)可知，當攪拌器轉速由300 r/min提高至450 r/min，粒度分布曲線明顯左移，粉磨產品粒度減小明顯，當攪拌器轉速繼續增大至500 r/min，粒度分布曲線繼續小幅度左移。攪拌器轉速增大，介質球在磨機中的運動加劇，介質球對物料的沖擊、擠壓等作用相應增強，單位時間內介質球與物料顆粒相互作用次數增加[14]。綜合考慮，攪拌器轉速為450 r/min時，粉磨產品粒度較細、分布較均勻。

圖6 不同攪拌器轉速粉磨試驗結果Fig.6 Grinding test results of different stirring shaft rotation speeds

由圖6(d)和表6可知，當攪拌器轉速由300 r/min增大至450 r/min時，R-R粒度特征方程式中均勻性系數n由1.073 0增大至1.177 7，顆粒特征參數b由0.018 1增大至0.031 4;攪拌器轉速增大至500 r/min時，均勻性系數n減小至1.153 4，顆粒特征參數b減小至0.030 8。

4 結 論

(1)弓長嶺選礦廠再磨給礦TFe品位為47.86%，主要礦物為磁鐵礦和石英，試樣中位粒徑為61.79 μm，主要集中在25～250 μm。

(2)適當增加礦漿濃度有利于提高產品中合格粒級產率;增加料球比使得產品粒度變粗、均勻性變差;隨著充填率的增加，產品粒度減小，充填率過大導致產生較明顯的過粉碎現象;適當增加攪拌器轉速同樣有利于獲得細粒級產品。

(3)在介質配比為2∶3、礦漿濃度為65%、料球比為0.6、充填率為70%、攪拌器轉速為450 r/min、磨礦時間為5 min的條件下，獲得了-0.043 mm含量92.23%、均勻性系數n為1.177 7、顆粒特征參數b為0.031 4的粉磨產品。