新型陶瓷研磨介質在鐵礦石細磨節能降耗中的應用

聶鑫 王坤勝 周洪林 周洲

（1.萊蕪鋼鐵集團魯南礦業有限公司；2.景德鎮百特威爾新材料有限公司；3.贛州金環磁選科技裝備股份有限公司）

在我國已探明的金屬礦產資源中，鐵礦占所有金屬礦產資源總量的92.16%。多年來，鐵礦的平均年處理量占所有金屬礦產的90%以上［1］。我國的鐵礦存在“貧、細、雜”的特點，導致在被開發利用的過程中既難磨又難選，能耗和磨耗均較高，尤其是鐵礦石磨礦作業的能耗占選礦廠總能耗的30%～70%，特別是細磨作業，其能量利用率只有粗磨作業的10%～30%［2］，能耗大、效率低。因此，提高鐵礦石細磨效率，關乎選礦廠的經濟效益。

據相關資料記載，在磨礦能耗方面，以美國為首的發達國家處理每噸礦石耗電16～40 kW·h，我國為25～50 kW·h；在磨礦介質與襯板消耗方面，以美國為首的發達國家處理每噸礦石耗材0.9 kg，我國為1.75～2.25 kg。由此可見，我國在磨礦作業的節能降耗方面尚有很大的提升空間。新型陶瓷研磨介質在金屬礦細磨領域的成功應用，實現了鐵礦石細磨作業節電30%以上，磨礦介質成本降低10%以上，同時減少了鐵礦石的過磨泥化現象，為選別和脫水創造了更好的作業條件。

1 研磨介質在細磨設備中的粉碎特征

1.1 細磨作業

通常情況下將給料粒度0.3 mm 以下，產品粒度0.074 mm 以下的磨礦統稱為細磨作業［3］。細磨作業一般是由磨礦和分級設備組成的閉路作業，常規的細磨設備有球磨機和塔磨機，分級設備有旋流器和高頻細篩。

在磨機工作過程中，介質對礦物的粉碎作用主要有擠壓、剪切、擦洗和沖擊4 種方式。大量研究表明，當入磨物料較細時，采用較小尺寸的介質，磨礦效果較好。在生產實際中，選礦廠二、三段細磨的給礦粒度多在0.3～0.5 mm，很少存在大于1 mm 的情況，在這樣細的給礦粒度下，采用?30 mm 的球介質磨礦就能滿足要求，即使給礦粒度達到2 mm，采用?40 mm 的球介質也完全能夠滿足要求。

1.2 研磨介質在細磨設備中的粉碎特征

研磨介質作為磨機與礦物之間能量傳遞的媒介，其物理特性包括材質、形狀、尺寸，作業參數包括配比、充填率、補加制度、磨礦濃度、礦石硬度和閉路磨礦的分級效率等。

球磨機中研磨介質的工作區域大體分為研磨區和打擊區（圖1），研磨區內介質的工作狀態決定了產品粒度。由于鋼球的質量大，打擊作用強，容易造成能耗較高、易選粒級較窄、襯板與主機損耗較大等現象［4-5］。因此，增大研磨區域，調節細磨介質的尺寸與質量，以提高研磨作用的接觸面積和碰撞概率，同時降低過強的沖擊作用，是優化研磨作用的重要途徑。

塔磨機中螺旋攪拌器高強度攪拌，帶動研磨介質形成很多擠壓介質層。研磨介質在筒體內做整體的多維循環運動和自轉運動，物料在介質自身的重力和旋轉產生的壓力的雙重作用下被高效粉碎（圖2）［6］。在擠壓介質層中，由于介質與礦物的接觸十分緊密，形成了較大的研磨區域和研磨壓力［7］，為小尺寸、低密度、高硬度的介質提供了有利的應用場景。

2 傳統研磨介質在鐵礦石細磨作業的典型應用

在鐵礦石細磨作業中，傳統的研磨介質為鋼球（段）。某大、中、小型鐵礦細磨作業流程及主要工藝參數見表1，它們應用傳統研磨介質鋼球（段）的磨機類型、規格、充填率等參數見表2。

由表1、表2可知，球磨機的研磨介質尺寸大于塔磨機的研磨介質尺寸，小型球磨機的研磨介質充填率高于大型球磨機，磨礦濃度通常為65%～80%；另外，針對某大型鐵礦和某中型鐵礦的第三段球磨機細磨作業，鋼球（段）直徑最好不要超過30 mm，這將減少研磨介質對細粒礦物的粉碎機率。

3 新型陶瓷研磨介質的研磨特性

隨著材料科學與陶瓷技術的飛速發展，新型工程陶瓷因具有優異的耐熱、耐磨、耐酸堿等特性，部分取代了傳統的金屬材料，被運用到各種復雜及嚴苛的環境中。在鐵礦細磨作業中，相比于鋼球，新型陶瓷研磨介質展現出了良好的節能降耗優勢，對提高鐵礦石資源的利用率也產生了積極作用。

3.1 新型陶瓷研磨介質的物理特性

新型陶瓷研磨介質是以α-Al2O3為基料，添加了一些金屬元素和其他輔料的功能陶瓷。不同于傳統氧化鋁陶瓷，新型陶瓷研磨介質從原料制備、成型、燒結等各工藝環節都進行了創新。大體來說，粒徑均小于500 nm 的原料在高速離心狀態下以“滾雪球”的方式成型，接著進入自動化、智能化的爐窯中燒結，冷卻后最終形成耐磨、耐沖擊、高度致密、內外一致的球體［8］。

相比于鋼球，新型陶瓷研磨介質的密度低、沖擊作用弱，應用中需降低球徑，提高充填率，以達到擴大研磨區域、增加研磨面積和碰撞頻率的目的。同時，其硬度與磨耗更優異，這是降低球耗，增加易選粒級的重要因素。相比于傳統氧化鋁陶瓷，新型陶瓷研磨介質避免了由于原料粒度大、活性低造成的微觀結構粗糙、晶粒大、局部應力集中、易掉瓷等現象。新型陶瓷研磨介質與鋼球、傳統氧化鋁球的性能對比見表3。

注：磨耗為水泥建材行業的執行標準。

3.2 新型陶瓷研磨介質節能試驗

3.2.1 新型陶瓷研磨介質及鋼球不等沖填率試驗

試樣為某金礦工業生產中的尼爾森搖床尾礦，研磨設備為ZQM-?250×100 球磨機，配12～38 mm的鋼球和新型陶瓷研磨介質。試驗目的是在磨礦濃度65%、磨礦時間10 min、鋼球充填率35%、新型陶瓷研磨介質充填率45%的條件下，對比鋼球與新型陶瓷研磨介質的研磨效果（表4）。鋼球球徑為12～38 mm，新型陶瓷研磨介質球徑為13～25 mm。

由表4 可知，試樣中-0.074 mm 含量占3.64%，鋼球磨礦產品中-0.074 mm 粒級含量占42.97%，新型陶瓷研磨介質磨礦產品中-0.074 mm 粒級含量占29.57%。在新增-0.074 mm 含量方面，鋼球優于新型陶瓷研磨介質，各粒級磨礦產品鋼球的研磨效果也優于新型陶瓷研磨介質；由此可見，在充填率高10%的情況下，新型陶瓷研磨介質的研磨效果不如鋼球。因此，在等充填率的情況下，新型陶瓷研磨介質的研磨效果更不可能比鋼球優異；究其原因，等充填率的情況下，鋼球較新型陶瓷研磨介質密度大一倍、充填質量多近一倍，因此鋼球的沖擊力更強，粉碎動能更大，需要的能耗也更多。

3.2.2 新型陶瓷研磨介質及鋼球不等充填質量試驗

試樣為某鉛鋅礦浮選粗鉛鋅礦，原礦-0.041 mm粒級占82.2%，其粒度組成見表5。研磨設備為TGTM-5.5 塔磨機（50 L）。試驗目的是在礦漿濃度76%、磨礦時間分別為3，5，8 min的條件下，對比不同質量鋼球與新型陶瓷研磨介質的研磨效果，以期在低能耗的情況下，滿足-0.041 mm 占比大于90%的磨礦產品粒度。鋼球和陶瓷球的大、中、小球徑配比為5∶4∶1。鋼球的充填質量為37 kg，新型陶瓷研磨介質的充填質量分別為26，30 kg。TGTM-5.5塔磨機單機開路磨礦工藝參數及試驗結果見表6。

注：鋼球和陶瓷球球徑比分別為?18 mm:?15 mm:?13mm和?20 mm:?15 mm:?13 mm。

由表6可知，研磨時間為8 min時，鋼球和新型陶瓷研磨介質的研磨產品都能達到-0.04 mm 占90%以上。其中，26 kg 的新型陶瓷研磨介質的研磨效果略優于37 kg 的鋼球，但質量僅為70%，因此能耗更低。30 kg 的新型陶瓷研磨介質在研磨5 min時，就可以達到要求，但質量約為鋼球的80%。新型陶瓷研磨介質的充填質量越高，在研磨時間相同的情況下，新增-0.04 mm 越多。總體而言，新型陶瓷研磨介質相比鋼球，在充填質量少20%～30%的情況下，可以達到相同的磨礦效果；因此，針對同樣的細磨產品要求，新型陶瓷研磨介質需要的能耗更低。

綜上所述，在等充填率的情況下，由于新型陶瓷研磨介質的密度僅為鋼球的一半，總質量更低，研磨壓力更小，雖然能耗更低，但無法達到同樣的研磨效果。在新型陶瓷研磨介質的充填質量為鋼球的70%時，由于其充填率更高、充填球數更多，其研磨區域更大、碰撞概率和接觸面積更大，研磨效果略優于鋼球，能耗更低。因此，在細磨作業中，應考慮以鋼球質量的70%作為新型陶瓷研磨介質充填質量的基礎，提高其充填率，以達到替換鋼球，降低能耗，優化磨礦效果的目的。

4 新型陶瓷研磨介質在鐵礦細磨中的典型工業應用案例

新型陶瓷研磨介質在某中型鐵礦和某小型鐵礦細磨流程中的工業應用，取得了良好的節能降耗效果，主要體現在降低電耗、球耗、襯板損耗、主機損耗、工作噪音等方面［9］。

4.1 某中型鐵礦應用案例

在某磁鐵礦選礦廠中，新型陶瓷研磨介質用于第三段開路磨礦作業，球磨機型號為MQY-?2145，配置橡膠襯板。為了在第三段細磨作業中使用新型陶瓷研磨介質，磨礦濃度為65%～70%，并在磨機排礦口增加格柵進行改造（圖3），提高陶瓷球的充填率。

在球磨機內初裝11 t 新型陶瓷研磨介質，?30 mm∶?20 mm∶?10 mm 球徑配比為2∶5∶4。球磨機內新型陶瓷研磨介質情況見圖4，鋼球與新型陶瓷研磨介質使用情況對比見表7。

由表7 可知，在用新型陶瓷研磨介質替換鋼球后，球磨機的干礦處理能力未變，排礦細度更優，磨礦效果更好，球耗與電耗顯著下降。此外，該磨機使用的是橡膠襯板，其提升條抬高了介質沖擊作用的起始高度，增大了研磨區體積，且橡膠襯板具有一定的彈性，緩沖了介質沖擊作用的強度，加強了回彈效果，從而提高了介質間的碰撞頻率，使得研磨作用加強。研磨區域的擴大，研磨作用的加強，有助于生成更多的新生細粒級產品，加之新型陶瓷研磨介質本身的高硬度等特性，在與鋼球充填率相近的情況下，可得到略高的磨礦效率。

該礦山應用新型陶瓷研磨介質后，全年節約電費24 萬元，節約研磨介質成本28 萬元，年節能降耗直接經濟效益52 萬元。

4.2 某小型鐵礦應用案例

某小型鐵礦選礦廠采用兩段磨礦，第一段為球磨機與螺旋分級機閉路，第二段為塔磨機與水力旋流器閉路。第二段磨礦屬于細磨作業，塔磨機型號為TGTM-250，初裝球為?25 mm和?20 mm 的鋼球，補加球為?20 mm 的鋼球。第一段磨礦中的螺旋分級機溢流與第二段磨礦中的塔磨機排礦兩者合二為一，再經水力旋流器分級，其沉砂返回塔磨機，溢流進入下游的浮銅和磁選鐵工藝。

2022年2月10日，該礦將TGTM-250塔磨機中的鋼球全部替換為新型陶瓷研磨介質，其初裝球最大尺寸?25 mm，運行至今，鋼球與新型陶瓷研磨介質使用情況對比見表8。

由表8可知，在細磨作業使用新型陶瓷研磨介質替換鋼球后，塔磨機干礦處理量下降3～5 t/h，旋流器溢流-0.074 mm 含量提高了10 個百分點，兩者中和，下游作業需要的合格粒級量基本一致。由此說明，新型陶瓷研磨介質的研磨效果更優，新生合格粒級分布更寬。磨機補加球量由100 kg/d 降至37.5 kg/d，電流降幅達33%，球耗與能耗下降明顯。新型陶瓷研磨介質的使用在節能降耗方面優勢顯著，磨礦產品的可選粒級分布顯著增寬。

該礦山應用新型陶瓷研磨介質后，全年節約電費約55 萬元，節約研磨介質成本3 萬元，年節能降耗直接經濟效58 萬元。

5 結論

（1）試驗表明，與鋼球相比，在等充填率的情況下，新型陶瓷研磨介質無法達到同樣的研磨效果；但當新型陶瓷研磨介質的充填質量為鋼球的70%時，研磨效果略優于鋼球且能耗更低。因此，在細磨作業中，應考慮提高新型陶瓷研磨介質的充填率，以達到替換鋼球，降低能耗，優化磨礦效果的目的。

（2）某中型鐵礦選廠球磨機在使用新型陶瓷研磨介質后，年節能降耗直接經濟效益約52 萬元。某小型鐵礦選廠塔磨機在使用新型陶瓷研磨介質后，年節能降耗直接經濟效益約58 萬元。由此說明，新型陶瓷研磨介質在細磨作業中具備良好的節能降耗作用。

（3）通過試驗及分析工業應用中的細磨產品粒度組成發現，新型陶瓷研磨介質可改善磨礦產品粒度，新生合格粒級分布更寬。