關于提高半自磨機產能方法的實踐和探討

武 釗, 謝衛紅

(1.昆明坤澤礦業技術有限責任公司, 云南 昆明 650000;2.江西銅業集團公司德興銅礦, 江西 德興 334200)

1 前言

1.1 礦石組成

某銅礦礦石物質成分比較復雜,金屬礦物以黃鐵礦、黃銅礦為主,輝鉬礦次之,再次是黝銅礦、自然銅、磁鐵礦、褐鐵礦、孔雀石、藍銅礦、銅藍、斑銅礦、方鉛礦、閃鋅礦等,與世界典型矽卡巖銅礦的金屬硫化物礦物組合基本一致;非金屬礦物主要為石榴石(鈣鋁榴石-鈣鐵榴石是該銅礦中主要的非金屬礦物)、輝石(透輝石-鈣鐵輝石)、硅灰石、方柱石、角閃石、浮山石、綠簾石、綠泥石、陽起石、石英、絹云母、綠泥石、方解石、高嶺土等。礦石的礦物共生組合地表為孔雀石-藍銅礦-高嶺石-褐鐵礦-銅藍,主要為黃銅礦-黃鐵礦-石英組合和輝鉬礦-石英組合。

1.2 磨礦現狀

該銅礦選礦廠設計處理能力為8 000 t/日,采用粗碎—半自磨—球磨機作為碎磨回路,碎磨工藝成熟可靠,已經在許多中大型礦山廣泛應用。

磨機設備選型按照9 000 t/日進行選型和SAB流程進行選型計算,磨礦產品-0.074 mm通過65%,即產品粒度P80=112 μm,應用選型數據庫計算軟件和JKSimMet模擬計算、以SMC結構代入CITIC SMCC 模型及數據庫程序進行計算,結合設備廠家的磨機產品型號選擇合理的設備規格。

半自磨機:φ7.5 m×3.2 m(F/F),1臺,裝機功率2 600 kW。

球磨機:φ5.5 m×8.5 m(F/F),1臺,裝機功率4 500 kW。

根據選型結果,磨礦工藝采用SAB流程,具體流程為:粗碎產品進入半自磨機,半自磨機排出料經孔徑為14×26 mm的圓筒篩進行篩分,篩下產品進入分級—球磨系統,篩上產品(頑石)則返回半自磨機。半自磨選型依據見表1。

表1 半自磨機選型依據

根據設備廠家選型數據庫計算軟件、CITIC SMCC計算程序和JKSimMet軟件模擬三種方法的計算,得到不同碎磨流程下磨機的比功耗見表2。

表2 半自磨-球磨流程比功耗計算

上述計算的半自磨機比功耗4.84 kWh/t作為SAB流程中半自磨機的選型依據,球磨機比功耗8.83 kWh/t作為SAB流程中球磨機的選型依據。

根據比功耗的計算,可以計算出各段磨礦的需求功率及相應的電機安裝功率,計算結果見表3。

表3 半自磨-球磨流程需求功率計算

表4 φ7.5 m×3.2 m半自磨機的參數

最后,結合附近礦山類似銅礦礦石性質數據進行計算預測,結果表明上述選型磨機規格在處理類似銅礦最硬礦石時,能夠滿足5 600 t/d 處理能力;在處理類似銅礦最軟礦石時,能夠滿足9 800 t/d處理能力。

開展半自磨機選型試驗時,由于未進行較為合理的試驗采樣設計工作,導致礦石的代表性較差,在投產初期,選礦廠磨礦系統平均臺效只有218.6 t/h,平均日處理量為5 246.4 t/d,半自磨機雖然超負荷運行,但生產能力遠遠低于設計要求。

1.3 半自磨機的技術特點

半自磨機由一臺同步電機驅動,傳動系統有變頻調速系統,同時帶有定速旁路運行系統。電機通過空氣離合器及齒輪結構驅動磨機筒體旋轉,磨機設計轉速為11.74 r/min(75%臨界轉速)。

該半自磨機設計最大裝球量為69 t,最大鋼球充填率為13%。設計處理干礦石臺效為333.34 t/d,具體參數見表3。

2 選礦廠采取的提升半自磨機產能的措施

根據投產初期的情況,選礦廠從增加鋼球直徑、減小半自磨機入料粒度、增加礫石板數量和尺寸等方面進行了調整,取得了顯著的效果,半自磨機處理能力從5 246.4 t/d提高至7 200 t/d。

2.1 增加鋼球直徑

目前選礦廠采用的鋼球主要為φ130 mm鍛球,同時礦石難磨時也添加φ150 mm鍛球,現場備用鍛球包括φ180 mm。

1)根據破碎沖擊能力理論計算公式

B=F2f頻

(1)

式中:B為半自磨機的沖擊破碎能力,定義為單位時間的沖擊破碎工作量;F為鋼球礦石拋落產生的沖擊破碎力,kN;f頻為鋼球礦石拋落沖擊破碎頻率,次/s。

推導出F為

F=f沖QU沖(kN)

(2)

式中:f沖為下落沖擊力系數;Q為鋼球礦石的單位時間拋落量,為半自磨機的沖擊破碎幾率,t/s;U沖為鋼球礦石下落平均沖擊速度,m/s。

由式(1)、式(2)推導出

(3)

Bth=B÷A(m2hs-3)

(4)

式中:Bth為沖擊破碎能力消耗系數。它與邦德功指數一樣,與礦石性質、粒度有關,為某一常數,由試驗測得或現狀推算出來;A為單位時間處理量,t/h。

2)礦石及鋼球的沖擊破碎能力

在工況和粒度相同的條件下,同體積的鋼球和礦石下落,它們的f沖、U沖和體積V相同,其沖擊破碎力與密度成正比:F礦∶F球=r礦∶r鋼。其中r礦=3.1 t/m3(取通常值),r鋼=7.7 t/m3(取通常值)。鋼球礦石下落沖擊破碎頻率f頻不變。代入式(1)可知:

按半自磨最小球礦比0.309/0.272=1.14推算,裝69 t鋼球,礦石量61 t,礦石體積為鋼球(7.7÷3.1)÷1.14=2.18倍。半自磨機中,礦石的沖擊破碎能力也只有鋼球的16.2%×2.18=35.3%。則半自磨機沖擊破碎能力鋼球占1÷(1+35.3%)=73.9%,且隨著球礦比增加而增大。因此,半自磨機礦石的沖擊破碎能力較小,生產能力大小大部分決定于鋼球沖擊破碎能力的大小。

3)鋼球沖擊破碎能力與球徑立方成正比

在工況條件下,其下落沖擊力系數f沖和下落沖擊速度U沖是不變的,則鋼球下落的沖擊破碎力與球徑立方成正比

(5)

在鋼球重量不變的條件下,磨機中鋼球的總個數與球徑立方成反比,相應鋼球拋落的頻率與球徑立方成反比,即:

(6)

把式(5)、式(6)代入(1)式可得

(7)

若將現用d1=130 mm鋼球加大到d2=150 mm鋼球。其鋼球沖擊破碎能力增加到B2∶B1=(150÷130)3=1.54倍,按上所述,鋼球沖擊破碎能力占半自磨機破碎能力的73.9%,和其他因素影響系數0.9計算,半自磨機處理量為1.54×68.95%×0.9=102.42%,理論上添加150 mm鋼球處理能力和添加130 mm鋼球處理相當;若使用180 mm鋼球代替130 mm的鋼球,則理論上將提高約60%的處理能力。

根據鋼球對處理能力的計算結果,結合生產實際情況發現,通過添加150 mm并不能有效提高半自磨機產能,反而增加了襯板碎裂的風險,如果要通過加大鋼球直徑提高半自磨機產能,則需要添加超過150 mm直徑的鋼球,但考慮到鋼球變大,將對磨機襯板形成較大的沖擊,縮短了襯板使用壽命,尤其當礦石性質變化較大,出現難磨礦石及粉礦交替給礦時,鋼球直徑增加帶來的對襯板的傷害將進一步加大,所以選礦廠決定只添加130 mm鋼球作為磨礦介質。

2.2 減小半自磨機前粗碎的排料粒度

對于礦石碎磨性質的變化,使用SAB(C)流程比常規破碎流程更為敏感,礦石難碎難磨時,半自磨機處理能力急劇下降,礦石易碎好磨時,半自磨機處理能力迅速上升。分析得知,有效減小礦石給料粒度,可以減少礦石碎磨所需要做的功,從而增加了半自磨機處理量。

選礦廠將粗碎顎式破碎機排礦口尺寸由≥180 mm降至135～140 mm,使粗碎產品粒度得到大幅度下降,最大塊從原來的300 mm降到了200 mm,粗碎產品粒度下降后半自磨機給礦粒度組成見表5,調整粗碎排礦口前后情況見表6。

表5 減小粗碎排礦口后半自磨機給礦粒度組成

表6 半自磨給料粒度降低處理能力

通過降低半自磨機給料粒度,半自磨機處理能力提高近31%,是整個選礦廠產能提升最為關鍵的調整內容。

2.3 增加礫石板數量和孔徑

該廠半自磨系統流程為SAB流程,頑石直接返回半自磨機,設備調試初期,半自磨機頑石返回量為給礦量的8%左右,格子板和礫石板使用一段時間后,半自磨機格子板存在翻邊和堵孔,頑石返回量和粒度均有下降。翻邊堵孔如圖1所示。

圖1 半自磨機格子板使用后翻邊堵孔照片

增加礫石板數量和放大礫石板孔徑,可以提高頑石及小鋼球的排出速度,其中,將小鋼球進行收集處理,不再返回半自磨機,可以提高鋼球有效沖擊效率;同時,頑石的有效排除,可以避免頑石在磨機排料端大量累積,使格子板排礦孔出現翻邊堵孔等情況,將頑石通過破碎或直接返回半自磨進料,在磨機內實現二次碎磨,可以提高處理能力。

該選礦廠最初礫石板孔徑為40 mm,礫石板數量為4塊(外圈格子板及礫石板數量合計為32塊),通過將礫石板改為55 mm,數量增加至12塊,大幅增加了磨機排礦速度,同時,將小于50 mm隨頑石排出的鋼球進行回收處理,半自磨機的處理能力提高了7%～8%,通過分析發現,進一步增加礫石板數量,還能提高半自磨機的處理能力,但是,由于給礦性質變化較大,當出現粉礦較多時,半自磨機內混合充填率會大幅下降,從而增加了鋼球直接沖擊襯板的風險,所以,選礦廠在礫石板增加至12塊后,未進一步增加礫石板數量。通過對礫石板數量及孔徑調整后,半自磨機頑石返回量占給礦量的比例達到12%～18%,選礦廠的處理能力由平均6 876.9 t/d提高到了7 200 t/d左右。具體情況見表7。

表7 增加礫石板數量和孔徑后的處理量情況

3 關于半自磨機產能進一步提升的思考

對于半自磨機的碎磨系統,破碎流程的設計、礦石在礦堆上的粒度偏析、采礦方式的變化、碎磨給礦粒度變化和礦石硬度的變化都會影響半自磨機的處理能力,根據這些情況,我們進一步的思考了可以提高半自磨機產能的一些方法,計劃在今后條件成熟后實施改造,同時,也給大家提供一些參考。

3.1 增加頑石破碎機

目前該廠半自磨系統流程為SAB流程,其中因為礦石含鐵,所以前期并未設計頑石破碎機,但根據其它礦山經驗和某些設備公司對除鐵方面所積累的技術能力,增加頑石破碎機是提高處理能力的一個重要方向。

例如,國內某礦山采用深井開采模式,其礦石硬度大,其最大的頑石率可達到50%左右,磨機內大量的頑石累積,嚴重影響了選礦廠的處理能力,為研究頑石對處理能力的影響,采取頑石返回和不返回進行工業對比試驗,將頑石進行開路不返回半自磨機,磨礦系統處理能力提高33%左右,頑石返回與否半自磨機處理量對比見表8。

表8 某礦山頑石返回與否半自磨機處理量對比

尤騰勝、李兆峰、何榮權等人對云南某多金屬選礦廠頑石進行開路工藝流程及閉路返回工業流程的工業研究,發現開路時頑石量將減少8%,通過JKSimMet流程模擬試驗,預計頑石經破碎后返回將提高磨礦系統產能6.25%[2]。

許鴻國等人在河南某鉬礦開展了頑石破碎機排礦口大小對半自磨機處理量影響的試驗,試驗證明,加強頑石破碎機的破碎能力,可減小甚至消除頑石返回對半自磨機的處理量的影響[3]。

3.2 在粗碎后增加預先破碎

由于礦石性質變化大,頑石破碎不能完全解決礦石性質帶來的問題,有的礦山,隨著開采深度的增加和礦石品位的下降,原生礦石和硬度較高的脈石嚴重影響了半自磨機的生產,所以,他們選擇在粗碎系統后增加預先破碎系統,預先破碎作為一段高處理量大破碎比的二次破碎,可有效提高半自磨機的處理能力。

智利的Codelco公司研究了與半自磨機聯合的預先破碎概念,并已對銅礦進行擴大試驗,試驗表明磨礦單位能耗可節省10%～30%,半自磨的處理能力提高了15%。南非Mintk也報道了類似案例,他們對全自磨前的鈾礦石進行了類似試驗。

澳大利亞的Kiddston金礦山最早在半自磨機前增加了二次破碎,它使用7英尺西蒙斯圓錐破碎機進行半自磨前的預先破碎,后來又改為NordbetgMP1000的圓錐破碎機,通過增加二次破碎,磨礦的處理能力從500 t/h增至1 200 t/h,在礦石硬度變大的情況下,處理量仍然得到了提高。

在加拿大北部的金礦山中對半自磨機前的預先破碎進行了類似的試驗。二段破碎安裝了HP700型圓錐破碎機,粗碎后-152.4+25.4 mm粒級產品與二段破碎產品合并,給入半自磨機中。給料粒度的減小,即所謂半自磨機前的臨界粒度產品的處理,使碎磨回路的處理量增加了28%,從525 t/h增至670 t/h;增加的破碎能耗為0.63 kW/t,但磨礦的單位能耗從18.3 kW/t降至14.4 kW/t;并且,由于現在對給入磨礦中的粒度控制更好,所以過程波動更小。

美國某銅礦山露天采礦量減少,正在向更深部位開采,同時礦石的硬度變硬。經多次試驗和研究以后,選擇預先破碎來增加產量。初步模擬研究表明,將半自磨給礦中的-152.4+76.2 mm粒級進行破碎可提高磨礦能力的25%。

為了提高預先破碎的效率,預先破碎前可使用大型篩分設備進行篩分,并選取一定粒度組成的礦石進行二次破碎,對不同粒級范圍的礦石進行硬度、粒度組成等分析,選取較為合適的設備進行對影響半自磨機處理能力的粒度的礦石進行二次破碎,通過預先破碎后,碎磨回路操作穩定,對后續選別作業波動和干擾小。

3.3 襯板優化

1)改變筒體襯板形狀

半自磨機設計的最大鋼球球徑通常為Φ125 mm,但根據實際生產需要,鋼球球徑會在設計基礎上有所增加,然而,襯板的面角不同,鋼球的提升高度和拋落情況就會有所差異,所以,根據不同磨礦介質和磨礦條件對襯板進行優化非常必要[4]。

但是,襯板優化過程中需注意以下幾點:①襯板重量不能過多增加,因為現在選礦廠的半自磨機運行功率較高,增加襯板重量勢必會影響磨機混合充填率;②優化后襯板盡量適用于鋼球直徑的要求;③襯板材質無較大變化為宜。

但改變襯板形狀,尤其是提高襯板提升條的高度,會增加磨機運行負荷,根據國際知名廠家提出的方案,將等高筒體襯板優化成高低配筒體襯板,經過模擬,可提高處理量約15%,但功率消耗將有所增加,約5%～10%。

2)改變襯板材質,減輕襯板重量

在磨機電機超負荷或滿負荷運轉的情況下,如何在保證負荷不再上升條件下增加處理能力,需要給現有的磨機“減負”,降低襯板重量是一個可以研究和比較的途徑。

經計算,相比目前使用的耐磨合金襯板,如采用鋼襯橡膠復合襯板,筒體襯板可以減輕30%,減重約15.3 t,出料提升器內圈可減輕40%、外圈減輕60%,共減重約15.8 t。筒體襯板及出料提升器合計減重約31 t,一定程度上可減輕磨機負荷,從而通過增加鋼球數量或提高襯板提升高度等,進一步提高產能。

但是,有案例表明,鋼襯橡膠復合襯板由于在鋼球和礦石拋落過程中,一部分沖擊力會被橡膠吸收,影響了礦石的破碎效果,從而降低處理能力,鑒于此原因,我們建議生產企業根據自身情況確定是否通過更換復合襯板[5-6]。

3.4 調整半自磨后篩分能力

通常情況下,SAB(C)流程中,半自磨機及球磨機的選型依據均來自處理礦石量和礦石性質,但當半自磨機處理能力不能達到設計產量時,則會導致球磨機負荷較輕,所以提高半自磨機后的篩分效率,或增加篩下產品數量,在一定程度上可將半自磨負荷轉移一部分至球磨機,達到整體提能的效果。

3.5 使用智能系統對半自磨機的操作進行優化

智能系統[7]可以實時對磨機的磨音、功率、軸壓、頑石量,甚至襯板磨損情況等進行監測,通過對人操作習慣的模仿和學習,對臺效、濃度進行及時有效的調整,發出風險提示,避免因人的行為、疏忽或其它客觀因素影響設備本身的高效運轉。

實踐表明,半自磨機智能控制系統可根據服務器設定的控制策略,實時采集半自磨機過程參數,自動找出最優的半自磨機過程參數的特點,可以提高磨機處理量、延長襯板使用壽命、降低噸礦能耗。有數據表明,智能系統的投運從長期來看,可提高半自磨機處理量1～2個百分點,可降低半自磨能耗 5%～10%,延長襯板壽命15%～20%。

但智能系統的建立,需要在基礎自動化設施方面進行大量投入,例如:通過原礦塊度監測、磨音監測、筒體振動監測、礦石計量、水量計量等手段建立分析數據,并通過調整給礦量、水量、磨機頻率、原礦配礦等方式,實現調整所需要的控制手段,以供專家系統進行分析決策[8]。

同時,監測和執行儀器的可靠性,是整個系統建立的最重要環節,在儀器選擇時,需要選擇可靠穩定的儀器,并提升儀器的標定、維護程度。

4 結論

選礦廠通過減小半自磨機給料前的粗碎產品粒度、調整礫石板數量和孔徑,并在加大鋼球直徑方面進行嘗試,將半自磨機處理能力由5 246.4 t/d提升至7 200 t/d。

從目前來看,提高半自磨機處理能力方法較多,對破碎流程的結構上進行調整,通常是最為有效的辦法;其次,通過一些半自磨工藝和設備上的優化,同樣可以有效提高半自磨機的產能。但是,根據實際情況,選礦廠往往會選擇不同的方法進行試驗研究。

隨著礦山規?；?、大型化、環保等需求,半自磨機逐漸得到大量的應用實踐,很多好的想法會進一步實踐驗證,并且,通過對半自磨機理論研究的深入,將會找到更多提高半自磨機產能辦法。