磨礦產品粒度優化方法研究進展

崔朝澤，王 巖

(黑龍江多寶山銅業股份有限公司)

在選礦廠生產中，磨礦階段的介耗、電耗、襯板損耗等成本很高，因此改善磨礦效果，降低磨礦階段的成本對選礦廠而言意義重大。同時，隨著低品位礦石的開發利用，為追求更大的利潤，選礦廠礦石處理量越來越大[1]，因此降低磨礦成本也是各金屬、非金屬選礦廠亟待解決的問題。本文介紹了鋼球配比、磨礦介質、添加助磨劑等優化磨礦產品粒度的方法，為選礦廠優化磨礦作業、降本增效提供有益借鑒。

1 磨礦產品粒度對礦物分選的影響

磨礦的目的是將礦物中的有用成分剝離成單體狀態，使其可以達到后續選礦作業所需的粒度，以便有效地進行回收。磨礦和選礦之間的關系密切，磨礦產品粒度分布情況對礦物分選具有直接影響，精礦產品的質量很大程度上取決于磨礦產品的質量。若磨礦產品粒度不足，無論采用何種選礦方法，目的礦物都很難得到有效回收；若磨機磨礦過度，產生大量小于10 μm的次生礦泥，不但會惡化產品指標，還將增加浮選藥劑用量，使藥劑在浮選階段失去選擇性，浮選流程受阻，浮選過程難以控制[2]。通過磨礦使礦物達到浮選所需粒度，產物中合格粒級的產率越高，說明磨礦系統的效率越高。如果分級機返砂中粗粒級含量過高，說明磨機對于粗粒級礦物磨礦效果差，導致大量粒級不合格礦物進入磨機再磨，降低了磨機的磨礦效率；如果分級機溢流中小于10 μm的細泥含量高，說明磨礦過程中存在一定程度的過磨；如果分級機返砂中含有較高比例的合格礦粒，說明分級效率需要進一步提高。由此可知，優化磨礦產品粒度，對降低成本、穩定生產、提高選礦指標具有重要意義。

2 鋼球配比優化方法

對于在運行的選礦廠而言，破碎與磨礦設備基本都已安裝完畢，僅能致力于減少磨礦系統的整體功耗，減小最終粒度來達到指標要求，如降低磨礦階段負荷、提高磨礦效率等。將礦石性質、磨機給礦粒度分布、初始充填率、鋼球損耗等參數作為原始數據，根據經驗公式對球磨機內鋼球進行不同球徑配比計算，在實際生產中獲得了較為理想的效果。生產中鋼球與礦石的摩擦和碰撞損耗會改變鋼球配比，從而影響磨礦階段和磨礦產品的粒度。因此，為了維持鋼球配比的精度，需要采用補加球的方法進行處理。較為理想的磨礦過程是將球磨機給礦進行粒度劃分，不同粒度礦石對應不同球徑的鋼球，使鋼球破壞力和礦石粒度合理匹配[3-5]，從而確保礦物受力合理，進而減少磨礦能耗。精確磨礦不僅使粉碎過程具有很大的選擇性，而且增加了各粒級礦物的破碎幾率[6-7]。

2.1 實驗室磨礦試驗

在實際充填率、磨機轉速、給礦粒度、磨礦濃度、鋼球直徑等因素固定的情況下，實驗室中直徑較大的球磨機具有一定模擬現場球磨機運行過程的能力，而磨礦效果可通過實驗室浮選閉路試驗中目的產物回收率進行評估。楊東[8]通過實驗室測試，判斷7.32 m×10.68 m溢流型球磨機適宜的最大球直徑為60 mm，推薦的初始球直徑分別為60 mm、50 mm、40 mm、30 mm，質量比為30 ∶25 ∶30 ∶15。在實驗室使用球磨機模擬現場磨礦過程中，發現磨礦產品-0.074 mm粒級及可浮(-0.20～+0.15 mm)、易浮(-0.15～+0.038 mm)粒級的產率比現場產率高2～5百分點，說明磨礦效果有所提高。柳曉峰等[9]計算了理論上適合-2 mm入料粒度輝鉬礦礦石對應磨礦系統的裝球制度，在精確的裝球制度下測試了鋼球充填率、磨礦濃度、磨礦時間，并進行了精確化裝球方案、偏大方案、偏小方案及單一球徑方案4種不同方案的磨礦試驗及閉路浮選試驗。結果表明：精確化裝球方案下易浮、可浮粒級回收率大幅度提高，同時精礦中硫含量和回收率大幅度降低；尾礦中的硫高達93.33 %，硫和鉬分離完全，表明精確化裝球方案能使磨礦產品達到理想的粒級組成，從而提高浮選指標。黃胤淇等[10]計算了江西某銅礦選礦廠φ3.2 m×3.1 m格子型球磨機鋼球的大小和配比，并進行了實驗室磨礦對比試驗，結果表明，鋼球的最佳直徑和配比為m(φ70) ∶m(φ50) ∶m(φ40) ∶m(φ30)=20 ∶30 ∶20 ∶30，該方案磨礦產品粒度均勻性最好，其中0.038～0.2 mm粒級產率最高，達到66.78 %。

2.2 礦石力學性質

礦物結構紋理的裂變、沖擊韌性、硬度等物理性質決定了礦樣的磨礦效果。區分規則礦樣及不規則礦樣的方法是按標準測定礦物泊松比、彈性模量、抗壓強度的界限，并評價其抗壓強度、硬度、沖擊韌性。襯板、礦樣及磨礦介質的接觸面積越小，電耗越小；相反，接觸面積越大，礦物損耗和鋼球消耗越大，所以礦物的容重等參數會影響生產效率。楊森等[11]從礦樣力學性質出發，將冬瓜山銅礦一段磨礦鋼球尺寸調整為m(φ60) ∶m(φ40) ∶m(φ30) ∶m(φ25)=25 ∶40 ∶10 ∶30，磨礦試驗結果表明，現場方案和推薦方案相比，0.01～0.1 mm粒級產率提高了2.27百分點，-0.074 mm粒級產率提高了3.2百分點，說明使用該方法提高中間粒級產率的同時也一定程度提高了磨礦產品精細度；在優化磨礦產品的粒度均勻性后，發現閉路浮選試驗目的產物回收率提高了1.34百分點，銅精礦品位提高0.94百分點；根據尾礦中金屬銅的分布，推薦方案的銅損失率比現場低3.38百分點，說明根據礦石性質改變鋼球配比來優化磨礦細度對于提高冬瓜山銅礦的浮選指標是有效的。肖慶飛等[12]基于磨礦的力學性能和相應的參數，采用球徑半理論公式進行了精確計算，推薦鋼球尺寸為m(φ70) ∶m(φ60) ∶m(φ40) ∶m(φ30)=20 ∶30 ∶20 ∶30，該配球方案對磨礦產品粒級分布具有很強的適應性。在返砂比為300 %條件下，球磨機排礦中-0.074 mm粒級、可浮粒級(0.01～0.02 mm)和易浮粒級(0.01～0.074 mm)產率分別提高了5.49百分點、1.67百分點和3.51百分點，且磨礦效率提高了3.29百分點；在返砂比為100 %條件下，球磨機排礦中-0.074 mm粒級、可浮粒級(0.01～0.02 mm)和易浮粒級(0.01～0.074 mm)產率分別提高了4.2百分點、1.85百分點、2.35百分點，磨礦效率提高了2.99百分點。

2.3 根據現場問題進行配球

針對現場磨礦工藝流程出現的問題進行鋼球重新配比是磨礦技術人員常用的手段之一。例如：球磨機排礦粗粒級產率較高，說明球磨機對粗粒級的磨礦效率較低，可通過增加大直徑鋼球比例實現；分級機溢流細粒級產率過高，則說明磨礦過程中泥化現象嚴重，可通過降低小直徑鋼球比例實現。沈傳剛等[13]分析了磨礦過程中返砂、排礦、溢流、給礦、旋流器沉砂等產品的粒度組成，得出現場磨礦系統存在不足，采用合理的鋼球充填計算方法得出介質配比m(φ100) ∶m(φ80) ∶m(φ60) ∶m(φ40)=20 ∶30 ∶20 ∶30；在磨礦濃度為65 %左右，使用球磨機且與現場磨礦條件相同的前提下，相對現場介質配比方案，+0.20 mm 粒級產率降低了9.8百分點，-0.074 mm粒級產率增加了10.65百分點，中間粒級0.010～0.20 mm產率增加了9.13百分點，0.019～0.10 mm粒級產率提高了8.32百分點，達到磨礦產品粒度均勻性的綜合優化效果。汪太平等[14]對于φ5.03 m×8.3 m溢流型球磨機，根據球磨機排礦產物粒度分布確定最佳配比，推薦方案為m(φ60) ∶m(φ40) ∶m(φ30)=30 ∶25 ∶45；將推薦方案與其他方案進行比較，表明推薦方案鋼球配比具有更小的過磨現象和更高的磨礦效率，提高了磨礦產品的粒度組成，取得了預期的效果。劉瑜等[15]在試驗研究中發現，磨礦過程容易產生中間粒級反復磨礦的現象，經過重新配球后，二級溢流產品細度增加了4.05百分點，中間粒級再磨現象減少，全面提高了磨礦產品質量，并且鋼球消耗量降低0.12 kg/t，磨機能耗降低0.45 kW·h/t，磨機利用率、一段分級效率都得到了顯著改善，從而起到了節能效果。

3 磨礦介質優化方法

3.1 改變磨礦介質形狀

國內外普遍使用的礦石磨礦方式是機械式，它借助磨機的擊打和磨礦摩擦剝離特性，把礦石顆粒粉碎，鋼球是最常見的磨礦介質。礦石破碎所需要的能量與鋼球配比是否合理匹配，決定了磨礦效果的好壞[16-17]。但是，鋼球并不適用于所有的磨礦作業，由于鋼球與礦石的接觸絕大多數為點接觸，若磨機中鋼球偏大，則容易發生沿著其作用力方向的貫穿性破碎，無法實現選擇性磨礦[18-19]，且使用鋼球強烈擊打會加大礦石的泥化。與此同時，在一定的磨機充填率下，大直徑鋼球的破碎幾率相對低，造成磨礦產品的粒度組成均勻性較差，不能達到選礦粒度要求。若鋼球直徑偏小，攜帶能量相對小，需要經過與物料的不斷沖擊產生疲勞破碎，造成磨機產能偏低[20-21],且小直徑鋼球價格高、球耗高，導致磨礦成本較高[22]。

目前，金屬礦山通常采用鋼球作為磨礦介質。而若干選礦廠磨礦實踐證明，細磨階段使用鋼鍛代替鋼球，不僅可以提高磨礦效率，而且可以有效減輕產品過磨[23-24]。王旭東等[25]針對大坪選礦廠細磨工段產品粒度均勻性較差、磨礦細度-0.074 mm占比不達標、過磨產物含量高的現象，進行了磨礦介質系統優化。經過實驗室磨礦試驗，得出使用鋼鍛效果較好，磨礦介質配比為m(φ35×40) ∶m(φ30×35) ∶m(φ25×30) ∶m(φ45×50)=20 ∶20 ∶30 ∶30。試驗研究表明，粗粒級+0.10 mm產率相對降低，過磨粒級-0.010 mm 產率減少，-0.074 mm粒級產率相對增加，而中間粒級0.10～0.038 mm產率相對提高，證明該方案可以更有效地磨碎粗粒礦物，并減少礦物的過磨，有效解決選礦廠磨礦階段出現過粗和過細產物含量多、中間產物含量小的問題，提升磨礦產品粒級均勻度。

此外，磨礦系統中，可采用六棱柱、短柱、凹形球面、圓錐體、圓柱體等適合磨礦的介質代替鋼球。此類介質能全面提高磨礦效率，且具有輕量化、磨礦成本低、過磨產品減少、單體解離度高、粒度均勻性好等特點。在磨礦過程中球面介質常見的接觸方式為點接觸，由于點接觸導致磨礦面積小，接觸點易產生高度的應力集中，容易發生過度磨礦現象。在棒磨介質的磨機中，棒與棒之間形成類似“篩”的平行間隙，細小的礦石顆粒難以破裂，使得磨礦過程也具有選擇性磨礦效果，磨礦產品顆粒尺寸均勻，過磨現象減少。童佳琪等[26]確認了磨礦的電能多消耗在磨礦過程中，且礦物比表面積與能耗的關系成反比，其采用六棱柱作為磨礦介質，介質與礦石之間的接觸面積成倍增大，尤其對于脆性礦物，六棱柱是較鋼鍛、鋼球更佳的選擇。六棱柱表面接觸形式為面接觸，比鋼鍛直線接觸形式更為有效。何逵[27]通過磨礦試驗表明，與鋼球相比，鋼鍛介質磨礦產品具有中間粒級產率高、兩端粒級產率低的特點，尤其對于大粒徑礦石的磨礦效率顯著高于鋼球。鋼鍛既有球形的優點，又有棒狀介質的優點。在磨礦過程中，其采用線接觸形式，有效防止了過磨現象。石貴明等[28]分別進行了鋼鍛、鋼球和混合鋼球磨礦試驗，發現在磨礦時間較長的情況下，鋼鍛的磨礦效果稍好于鋼球，明顯好于混合鋼球。在二段磨礦過程中，采用鋼鍛作為磨礦介質，溢流中易浮粒級(0.038～0.074 mm)產率提高8.9百分點，-0.01 mm粒級產率降低5.3百分點，說明采用鋼鍛作為磨礦介質可使二段磨礦產品的質量得到優化。

3.2 改變磨礦介質材料

磨礦介質的密度因材料而異，且在磨礦過程中鋼球容易碎裂成塊，將原本球與球之間點對點的沖擊力變為鋼球表面摩擦力，影響磨礦效果。黃金華等[29]通過優化鋼球的化學成分，使鋼球的沖擊疲勞壽命、芯部硬度和表面硬度分別比優化前提升25 %、13.6 %和22.2 %，說明優化后的鋼球具有良好的耐沖擊疲勞損傷和耐磨性。優化后，2臺半自磨機的效率分別提升了4.66 t/h和9.25 t/h；單位球耗分別減少0.200 kg/t和0.272 kg/t；單位成本分別減少20.57 %和27.68 %；球磨機排礦中+0.15 mm粒級分別減少3.27百分點、4.31百分點，-0.074 mm粒級產率分別提高3.25百分點和5.05百分點，磨礦效果得到優化。通過比較鋼球和納米陶瓷球，吳志強等[30]發現其磨礦產品具有相同的粒度分布，這與粒度破碎模型一致。其次，在相同的磨礦條件下，隨著給礦粒度的減小，納米陶瓷球磨機的生產能力逐漸高于鋼球，其磨礦優勢也開始顯現。此外，納米陶瓷球具有較小的密度和較高的能量利用率，可以防止磨礦過程中的過磨現象，尤其是對于細粒級礦物。

3.3 改善襯板結構

為了避免正在磨礦中的鋼球和礦石造成球磨機筒壁損傷，通常在筒壁上安裝耐磨性較強的襯板。但是，選礦廠的實踐表明，襯板的磨損也相當嚴重，增加了磨礦成本。鐵礦石選礦廠球磨機襯板采用磁性磨砂板，解決了襯板的磨損問題。磁性襯板是一種耐磨、節能、壽命長的新型襯板。球磨機內的磁系統可以在礦石表面產生強磁場，襯板可以在球磨機運行期間吸附表面的鋼球碎片和磁性礦物顆粒，形成厚度為20～30 mm的保護層。最初，襯板表面被相對摩擦和電化學腐蝕破壞，但隨著襯板厚度的減小，由磁性材料產生的磁場增加了保護層厚度，可有效保護襯板，提高耐磨性。

張浩[31]發現襯板在磨礦過程中主要起磨礦和剝離作用，而梯形錳鋼襯板在磨礦過程中可以最大限度地甩開礦料和介質進行磨礦，因此使用梯形錳鋼襯板能防止襯板材料過度消耗。此外，陶瓷襯磚的耐磨性能是錳鋼的266倍，與高鋁球配套使用，可使磨出的漿料細膩。

4 添加助磨劑優化方法

在磨礦過程中，助磨劑的作用是提高磨礦效率。磨機中添加少量助磨劑可影響磨礦作業中礦物的物理和化學性質，提高磨機的磨礦效率，降低磨礦能耗，從而降低選礦廠總成本。

4.1 添加焦磷酸鈉

采用焦磷酸鈉作為助磨劑，可以降低石英顆粒的硬度和表面張力，改善料漿的流動性。王瑛瑋等[32]采用自行研制的離心式強制循環破碎機，將石英與水的質量比設定為3 ∶7，助磨劑焦磷酸鈉用量為0.5 %，磨礦時間為3 h。在此條件下，得到了粒徑小于60 nm 的納米級超細石英粉，石英粉的結晶度顯著降低。盧敏等[33]通過試驗表明，焦磷酸鈉對釩尾礦具有良好的磨礦效果，顯著降低了磨機排礦粒度，優化了產品粒度分布。釩尾礦磨礦試驗中，在焦磷酸鈉用量為1.8 %，礦物質量濃度為1 g/mL，超細磨礦時間為30 min條件下，產品中d90=19.78 μm，d50=7.85 μm，相比未添加焦磷酸鈉，磨礦時間至少減少10 min。它的作用機理是提高顆粒表面電位，從而增加顆粒表面的斥力，減少細粒礦物在粗粒礦物表面的吸附，增加礦物的遷移率，最終形成粒度均勻的釩尾礦。

4.2 添加碳酸鈉

磨礦過程中礦物的pH對方鉛礦、閃鋅礦、黃鐵礦等礦物的浮選及礦物之間的相互作用有很大影響。pH調整劑Na2CO3具有絮凝和沉淀的作用。李海蘭等[34]優化了球磨機的工藝參數，并在釩鈦磁鐵礦磨礦過程中添加了Na2CO3，提高了料漿的整體流動性和磨礦效率。當Na2CO3用量為800 g/t時，磨礦產品中0.006～0.038 mm粒級產率可從56 %進一步提高到58 %。

5 模型和算法優化方法

隨著人工智能技術、控制理論、云計算的飛速發展，控制技術在磨礦系統中的應用前景越來越廣闊。

5.1 動力學模型分析法

經典力學的重要轉折點之一是動力學，它主要研究運動的變化及其引起變化的各種因素，即動力學主要研究力與物體運動的相互作用。郭潤楠等[35]采用相對可磨度、磨礦動力學分析等方法，比較了黃鐵礦和磁黃鐵礦的磨礦機理，磨礦細度-0.074 mm分別為4 %、5 %和6 %時，發現磁黃鐵礦和黃鐵礦的相對可磨度均大于1，若達到同樣的磨礦效果，黃鐵礦需要的時間更少。在2種礦物的磨礦作用下，黃鐵礦在短時間內達到較高的磨礦細度，而磁黃鐵礦由于磨礦時間延長而產生的磨礦細度變化更為顯著。因此，在生產過程中，應根據它們之間的性能差異合理安排磨礦時間，防止過度磨礦。在研磨作用下，礦石在粒級尺寸上的分布特性與一階線性動力模型吻合良好，可為后續磨礦分析理論研究提供依據。

5.2 數學分析和理論預測法

通過建立一個理論的預測模型并對系統進行數學分析，可以同時達到管理多個預測模型數據的目的。該預測方法可以根據礦物本身的硬度建立磨礦過程中的各種預測模式，實現多模式預測控制。王新昌等[36]根據半自磨—球磨的生產運行數據，對新技術方案的應用進行了理論預測分析和數學分析，研究了設備結構、礦物特性和其他影響因素及其對磨機的總體影響，并提出了技術優化措施。

5.3 Matlab編程技術算法

Matlab是多個計算算法的集合，有600多個數學函數用于工程領域，其可以實現對磨礦系統中各種過程的模擬和各種相應功能的計算。朱朋巖等[37]利用Matlab編程技術，構建了粒子群算法BP神經網絡磨礦產品粒度分布預測模型。研究結果為多金屬錫石硫化礦資源的粒度分布預測提供了新途徑，為多金屬錫石硫化礦磨礦的智能控制和優化提供了理論依據。

5.4 工藝分析及生產智能操作

陳貴民等[38]通過原礦工藝礦物學考查、分析和磨礦流程考查，把舊系統歸入新系統的生產流程中，對降低能耗、優化工藝等起到了重要作用。此外，將在崗員工進行了調整，加強了工藝流程規范操作，使得重選回收率提高了13.86百分點，增加了選礦廠整體收益。由于選礦生產是流程型的加工方式，選礦生產管理重點是保證每個生產環節穩定及運行物料的連續[39]。流程中設備運行穩定是生產的重要條件，設備智能運行系統可最大程度提升設備健康運轉率，從而實現節能降耗[40]。

6 結 論

1)磨礦效率主要表現在磨礦產品的粒度、均勻度和磨機利用系數等，且其效率與介質的形狀、配比直接相關，不同的磨礦介質會產生不同的力學行為特征及不同的粒度特性，從而會對磨礦效率有不同的影響。對鋼球、鋼鍛、納米陶瓷球等磨礦介質的應用，應結合實際生產情況，選擇與磨機、物料相適應的磨礦介質，達到理想的磨礦效果。

2)當磨礦介質配比與礦物各項特性相匹配時，磨礦介質破碎力與礦石需要的受力大小才會相對匹配，磨機電能消耗才會較小。磨礦不足會造成目標礦物解離度不夠，導致礦物中有用成分損失，而過度磨礦則會造成礦物泥化。生產中，應根據礦石性質、磨礦產品粒度要求等，確定適宜的磨礦介質及合理的配比，充分發揮磨機性能，提高磨礦效率。

3)磨礦產品粒度優化方法具有各自的優勢和適用性，盡可能在不改變選礦廠工藝的狀況下，對磨機介質充填率、補加球制度及磨礦濃度等指標進行合理調整，提升有用產品的產率。

4)磨礦作業成本在選礦廠生產成本中占比很高。通過優化磨礦產品粒度，提高磨礦效率，從而可進一步提高選礦指標，降低生產成本。運用動力學模型、數學模型、Matlab算法優化磨礦過程，為磨礦的智能控制和優化提供了理論依據。