半自磨+塔磨新型節能工藝在銅渣礦磨礦的應用研究

張志勇，薛宏超，張 萌，楊紀昌，王星星，郭彥成，呂冠男

1中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

2洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

3智能礦山重型裝備全國重點實驗室 河南洛陽 471039

隨著我國銅冶煉工業的快速發展，銅冶煉爐渣處理量逐年增加，每產出 1 t 金屬銅會制造大約 2.2 t 銅渣礦。據不完全統計，銅渣礦總量已達到 8 000 萬 t/a，其含銅品位在 0.8%～3.0% 之間，部分銅渣礦中的金屬銅含量高于原生銅礦中的金屬銅含量。按平均銅渣礦品位 1.5%、回收率 80% 計算，可年產金屬銅 96 萬 t/a，占我國礦產銅總產量的 10%。因此，銅渣礦選礦技術在選礦領域占有非常重要的地位[1]。

銅渣礦選礦廠的整個磨選工藝過程中，碎磨系統能耗占選廠總能耗的 60%～70%[2]，碎磨系統鋼耗 (磨礦介質消耗) 占選廠總消耗的 30%～40%，采用高效、節能、低耗的碎磨工藝，是降低整個選礦廠運行成本的關鍵。

1 銅渣礦及其磨礦特點

1.1 銅渣礦礦石性質

銅渣礦是一種復雜的氧化物與硅酸鹽的共融體，其主要成分是鐵橄欖石，其次是磁鐵礦、玻璃質、石英等。銅渣礦中銅礦物主要以自然銅、斑銅礦為主，其次是輝銅礦、黃銅礦和藍輝銅礦等，礦物嵌布特征復雜多樣[3]。

1.2 銅渣礦碎磨特性

1.2.1 DW 落重試驗參數

DW 落重試驗廣泛應用于自磨/半自磨機的選型計算，是表征礦石在自磨/半自磨機磨礦中抗沖擊破碎能力的一個重要指標[4]。

通過 DW 落重試驗，獲得 5 種不同粒級，分別對應 3 個不同能量級別下的產品粒度。對 15 組破碎物料按照設定的粒級進行篩分分級，獲得各種選定粒級在不同破碎能量下的粒度分布曲線；對t10(破碎粒度 10% 的篩下累積) 按照破碎量與破碎能量的關系方程t10=A[1 -exp (-bECS)]擬合，繪制出ECS-t10關系曲線 (見圖1)，并得出半自磨機高能沖擊破碎選型參數A、b；通過磨蝕試驗機進行磨蝕試驗，獲得低能磨蝕破碎參數ta。DW 落重試驗參數如表1 所列。

表1 礦石落重試驗參數Tab.1 Parameters of drop weight test for ore

圖1 ECS- t10 關系曲線Fig.1 ECS- t10 relationship curve

由表1 可知，該銅渣礦的高能級沖擊破碎參數A×b=68.38，礦石可破碎性屬于“軟”；低能級研磨破碎參數ta=0.43，礦石抗磨蝕能力屬于“硬”。

1.2.2 邦德球磨功指數

邦德球磨功指數廣泛應用于球磨機的選型計算，是表征礦石在球磨機磨礦中抗研磨破碎能力的一個重要指標。

通過邦德球磨功指數試驗，得到 0.053 mm (270 目) 控制篩對應的球磨功指數BWi，如表2 所列。

表2 邦德球磨功指數試驗結果Tab.2 Test results of BOND ball milling work index

由表2 可知，該試驗篩孔對應球磨功指數BWi=21.42 kW·h/t，礦石抗研磨能力屬于“很硬”。

1.2.3 邦德金屬磨損指數

邦德金屬磨損指數廣泛應用于評估破碎機/磨機的鋼材 (襯板與磨礦介質) 消耗，是表征礦石在碎磨中消耗鋼材的一個重要指標。通過邦德金屬磨損指數試驗得到的各項數據 (見表3)，可以計算出邦德金屬磨損指數Ai=0.299 4 g，屬于“中等磨損”。

表3 邦德金屬磨損指數試驗結果Tab.3 Test results of BOND metal wear index

由礦石碎磨試驗結果可得，某銅渣礦表現出明顯的“易碎難磨”特點，需要較高的碎磨能量來實現礦石的有效解離。

1.3 銅渣礦磨礦工藝特點

生產實踐表明，常規半自磨工藝流程簡單，自動化水平高，已經成功取代“老三段”碎磨工藝，成為當前大型銅渣選礦項目的首選工藝。目前，銅渣礦應用的常規半自磨工藝主要有 3 種：

(1) 以銅陵金冠銅業渣選磨礦流程為代表的半自磨+一段球磨閉路 (SAB) 工藝；

(2) 以中原冶煉廠渣選磨礦流程為代表的半自磨+兩段球磨閉路 (SAB+B) 工藝；

(3) 以南國銅業渣選磨礦流程為代表的半自磨+球磨閉路+塔磨閉路 (SAB+T) 工藝。

上述常規半自磨工藝中，半自磨產品直接進入球磨系統進行細磨作業，能耗、鋼耗過高。結合銅渣礦易碎難磨的礦石性質以及產品解離粒度較細的特點，提出直接采用半自磨+塔磨 (SAT) 新型節能碎磨工藝。半自磨產品直接進入塔磨機進行細磨作業，取消常規半自磨工藝中高耗能的球磨作業，對選廠節能降耗具有重要意義。

2 半自磨+塔磨工藝分析

2.1 半自磨+塔磨工藝的制約因素

常規 SAB 流程中，通常采用短筒型半自磨機 (長徑比L∶D=0.5) 進行磨礦，采用 8～12 mm 篩孔進行閉路隔粗，物料在磨機內停留時間較短，半自磨系統產品粒度較粗。常規 SAB 流程半自磨產品粒度分布如表4 所列。

表4 常規 SAB 流程半自磨產品粒度分布Tab.4 Particle size distribution of products after semi-autogenous mill grinding in conventional SAB process

目前，塔磨機廣泛應用于處理中礦和粗精礦再磨領域，物料多來自球磨磨礦產品，塔磨機進料細度一般為 -0.074 mm 占比 50%～80%，最大進料粒度一般為 1 mm 以下[5]。

由于常規 SAB 流程中半自磨系統篩下產品粒度較粗，即塔磨機進料粒度較大，該粒度能否直接進入塔磨機，是否對磨礦性能有影響，是否仍有節能效果等技術難點未能得到有效解決，因此限制了半自磨+塔磨工藝的推廣應用。

2.2 銅渣礦半自磨磨礦特點

目前，處理銅渣礦普遍采用長筒型半自磨機 (長徑比L∶D≥ 1) 進行磨礦，采用 8～12 mm 篩孔進行閉路隔粗，物料在磨機內停留時間較長，半自磨系統產品粒度較細。銅渣礦半自磨產品粒度分布如表5 所列。匯總大型銅渣礦項目半自磨系統產品粒度分布 (-0.106 mm 占比) 如表6 所列。

表5 銅渣礦半自磨產品粒度分布Tab.5 Particle size distribution of products after semi-autogenous mill grinding in copper slag ore

表6 大型銅渣礦項目半自磨系統產品粒度Tab.6 Product particle size of semi-autogenous mill grinding system in large copper slag ore project %

2.3 半自磨+塔磨工藝可行性研究

上述分析表明，半自磨+塔磨 (SAT) 工藝的主要制約因素為：

(1) 半自磨閉路振動篩篩下產品中存在 +1 mm -10 mm 的部分粗粒級物料；

(2) 半自磨閉路振動篩篩下產品粒度 (-0.074 mm 占比 30%～40%)，比常規塔磨機的進料粒度 (-0.074 mm 占比 50%～80%) 要粗。

為使 SAT 新型節能工藝應用于銅渣礦磨礦作業，需要盡可能減小半自磨閉路振動篩篩下產品的最大粒度。考慮到篩孔尺寸過小 (-1 mm)，易導致篩分效率降低，參考四川某鐵礦項目 (半自磨機長徑比L∶D＜ 0.6，系統采用 2～3 mm 篩孔進行閉路隔粗，生產暢通)，初步設定某銅渣礦項目半自磨系統閉路篩篩孔為 3 mm。

2.4 銅渣礦半自磨工藝建模與仿真

通過 JKSimMet 模擬計算軟件分析銅渣礦半自磨系統的粒度分布[6]。設置半自磨機長徑比L∶D=1，格子孔尺寸為 20 mm，分別采用 12、9、6、3 mm 篩孔進行半自磨工藝閉路控制，半自磨篩下粒度分布模擬結果如圖2 所示。

圖2 半自磨篩下粒度模擬結果Fig.2 Simulation results of particle size under semi-autogenous grinding sieve

上述模擬中，半自磨直接排礦T80=0.9～1.1 mm，半自磨振動篩篩下T80=0.36～0.80 mm (后續塔磨系統新給料F80值)。由模擬結果可知，銅渣礦半自磨系統產品粒度較細，粗粒級含量較少，能夠實現通過小篩孔尺寸進行半自磨產品閉路隔粗作業。

2.5 塔磨機磨礦試驗

2.5.1 樣品制備

按照半自磨系統 -3 mm 篩下產品粒度分布的模擬結果，采用破碎+球磨方式進行塔磨機磨礦入料樣品的配制，半自磨系統產品粒度分布模擬結果與制樣粒度分布結果如圖3 所示。

圖3 模擬結果及制備樣品粒度分析Fig.3 Particle size analysis of simulation results and prepared sample

本次試驗中某銅渣礦樣品入料粒度 -0.043 mm 占比為 30.65%，與模擬半自磨系統 -3 mm 篩下產品中 -0.043 mm 占比為 33.10% 相比稍微偏粗，但在試驗允許誤差之內，可作為塔磨機試驗進料粒度依據。

2.5.2 塔磨機磨礦試驗

試驗采用 CSM-2.2 塔磨機，有效容積為 115 L，電動機功率為 2.2 kW。進行批次磨礦、一次加料、分時取樣分析，直至超過需要的磨礦產品細度，停止磨礦。

(1) 鋼球級配 1 (總重為 150 kg)φ8 mm：φ12 mm：φ16 mm=80%∶7%∶13%，進行 5 批次磨礦試驗，磨礦時間分別為 20、25、30、32.5 和 35 min，分別編號為 1、2、3、4 和 5 號。

(1) 鋼球級配 2 (總重為 150 kg)φ12 mm 鋼球含量為 100%，磨礦時間為 30 min，編號為 6 號，用于和鋼球級配 1 的磨礦效果進行對比。

-3 mm 樣品磨礦試驗結果如表7 所列。分析磨礦產品的粒度分布，繪制磨礦試驗比功耗與產品粒度的變化關系曲線，如圖4 所示。

表7 -3 mm 樣品磨礦試驗結果Tab.7 Grinding test results of -3 mm sample

圖4 -3 mm 樣品磨礦試驗比功耗與產品粒度變化關系曲線Fig.4 Relationship between specific power consumption and product fineness changes in -3 mm sample grinding test

分析磨礦試驗結果，在鋼球級配 1 的條件下，隨著磨礦時間的延長，磨礦產品粒度逐漸變細，在磨礦 35 min 時，磨礦產品中的 -0.043 mm 占比達到 86.21%，超過所要求的磨礦指標 -0.043 mm 占比 85%。

-3 mm 樣品磨礦試驗產品全粒度分析結果見表8 所列。

表8 -3 mm 樣品塔磨機試驗入料及產品粒度分析結果Tab.8 Analysis results of feed and product particle size in -3 mm sample tower mill test

磨礦時間為 30 min 情況下，鋼球級配 2 的磨礦效果略好于鋼球級配 1 的磨礦效果，更易出現粗粒級累積的現象。因此，對于 -3 mm 模擬出料的塔磨機磨礦，選用較大尺寸鋼球作為磨礦介質更有益于磨礦效果。

2.6 塔磨機與球磨機比能耗對比

對比塔磨機比能耗與球磨機邦德計算比能耗，結果如表9 所列。

表9 比能耗對比Tab.9 Comparison of specific energy consumptions

塔磨機替代球磨機作為二段磨礦設備，能夠承接一段磨礦半自磨機的篩下產品[7]，相同進出料粒度條件下，塔磨機比功耗相比邦德理論計算比功耗，降低了 36.20%，節能效果明顯。

2.7 半自磨+塔磨工藝優勢

相比常規 SAB 工藝，SAT 新型節能工藝具有磨礦能耗低、鋼耗低、占地面積小、土建成本低、設備管理與維護方便等顯著優勢，能夠大幅降低項目的投資成本與日常運行、維護成本。

塔磨機相比球磨機，其選擇性磨礦效果較好，產品粒度分布范圍較小且粒度均勻，不易產生過磨，后續浮選回收率較高。

3 某銅渣礦項目 SAB 與 SAT 工藝對比

某銅渣礦項目年處理量為 100 萬 t，半自磨新給料F100=250 mm，磨礦產品 -0.043 mm 占 85% (對應P80=0.038 mm)，主要設計參數如表10 所列。

表10 某銅渣礦項目主要設計參數Tab.10 Main design parameters of a copper slag ore project

3.1 選型方案

滿足上述設計參數對應的磨機選型方案以及磨機運行工況如表11 所列。常規 SAB 工藝流程如圖5 所示，SAT 新型節能工藝流程如圖6 所示。

表11 磨機選型方案以及運行工況Tab.11 Mill selection scheme and operating conditions

圖5 常規半自磨+球磨 (SAB) 工藝流程Fig.5 Conventional process of semi-autogenous mill grinding+ball mill grinding (SAB)

圖6 半自磨+塔磨 (SAT) 新型節能工藝流程Fig.6 New energy-saving process of semi-autogenous mill grinding+tower mill grinding (SAT)

3.2 電耗對比

SAB 與 SAT 工藝磨礦電耗對比如表12 所列。可以看出，相比常規 SAB 工藝，SAT 新型節能工藝可降低能耗 23% 以上，100 萬 t 選礦廠年節省電費 630.50 萬元。

表12 SAB 與 SAT 工藝的磨礦電耗對比Tab.12 Comparison of grinding power consumption between SAB and SAT processes

3.3 鋼球消耗對比

SAB 與 SAT 工藝磨礦鋼球消耗對比如表13 所列。可以看出，相比常規 SAB 工藝，SAT 新型節能工藝可降低鋼球消耗 20% 以上，100 萬 t 選礦廠年節省磨礦介質費用為 120 萬元。

表13 SAB 與 SAT 工藝的磨礦鋼球消耗對比Tab.13 Comparison of grinding steel ball consumption between SAB and SAT processes

4 結論

(1) 針對銅渣礦廣泛采用的半自磨+球磨 (SAB) 工藝存在球磨磨礦過程能耗、鋼耗過高的問題，結合銅渣礦易碎難磨的礦石性質以及產品解離粒度較細的特點，提出半自磨+塔磨 (SAT) 的新型節能碎磨工藝。從半自磨+塔磨工藝的制約因素出發，根據現場生產經驗以及試驗結果，論證了 SAT 新型節能工藝更適合處理銅渣礦，且工藝完全具有可行性。

(2) 在滿足某銅渣礦項目工藝要求條件下，相比常規 SAB 工藝，預計 SAT 新型節能工藝可降低能耗 23% 以上，可降低磨礦介質鋼耗 20% 以上；100 萬 t 選礦廠年節省電費 630.50 萬元，年節省鋼耗費用 120 萬元。

(3) 國產大型半自磨機的應用，為降低基建投資，提高勞動生產率創造了條件，使“老三段”碎磨工藝朝著流程簡單、高度自動化的半自磨工藝轉變，當前半自磨工藝已成為大、中型選礦廠的首選方案。國產 2 250 kW 大型塔磨機在現場的成功應用，將引領當前磨礦工藝進一步優化升級，SAT 新型節能工藝的推廣使用為降低運行成本、實現“雙碳”目標創造了有利條件。