羅河鐵礦精確化磨礦試驗研究

王小玉 吳貴琴 丁開振 胡炳勝 曹 然 程從文程 俊 陳郅隆

（1.安徽馬鋼羅河礦業有限責任公司；2.江西理工大學資源與環境工程學院）

磨礦過程在選礦廠占有重要地位，其工作原理是借助于磨礦介質（鋼球、瓷球、鋼棒、礫石等）和物料本身的沖擊和磨剝作用，使物料的粒度進一步變小，直至研磨成粉末［1-3］。如何充分發揮磨礦作業的作用，優化磨礦過程［4-5］，一直是選礦廠長期而艱巨的任務，也是選礦工作者致力研究的重大課題［6-8］。球磨作業的效果取決于鋼球，故在工業生產中，應根據礦石的性質、給料和磨礦產品的粒度特性以及其他工作條件，確定合理的球磨機裝補球制度［9-11］，精確化磨礦。石剛等［12］對張莊礦磨礦系統進行精確化磨礦后發現，通過精確化磨礦可以增加一段排礦細度，改善磁選指標；柳曉峰等［13］發現，通過精確化磨礦可以提升硫、鉬分離效率，閉路試驗可獲得鉬回收率93.08%的鉬精礦；張祖剛等［14］針對實際生產中出現的鋼球充填率不穩定的問題，使用精確化磨礦穩定了磨機充填率，提升了磨礦效果。

本文以羅河礦業一段磨礦系統為研究對象，針對一段球磨機磨礦溢流細度不足的問題，進行精確化磨礦試驗研究，探究通過精確化磨礦提升球磨機磨礦效果的可行性。

1 試樣及球徑計算

1.1 試 樣

試樣為羅河礦業一段磨機給礦，經晾干后縮分制樣，制成500 g 一袋供研究使用。采用環堆十字分割法取試驗代表樣，進行粒度篩析并化驗粒級品位，篩析結果見表1。為了便于磨碎后產品的質量分析，根據磁鐵礦磁選分離的共性，定義+0.15 mm 粒級為欠磨粒級，表征欠磨情況；0.023～0.150 mm 粒級為合格粒級，表征適合磁選分離的粒級；-0.023 mm粒級表示過磨粒級，表征過磨情況。

由表1 可知，試樣-0.075 mm 粒級產率14.83%，過磨粒級產率為6.43%，欠磨粒級產率為76.82%，欠磨粒級鐵分布率高達79.76%，說明樣品偏粗難磨。因此一段磨礦作業的主要目的是降低礦石整體粒徑，使欠磨粒級中的鐵盡可能地單體解離。

1.2 不規則礦塊力學性能測試

選取樣品中8，10，15，20，25，30 mm 等具有代表性的礦粒進行壓力試驗，并對試驗樣品進行編號，不規則礦塊壓碎后形態見圖1。

由圖1 可見，礦塊受壓后裂紋擴展，極易沿著礦塊中間裂開，或形成2 塊完整的礦粒，說明礦塊屬脆性較強的礦物。

經整理，統計得出各不規則礦粒的抗壓強度，結果見表2。

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由表2可知，抗壓強度不是線性變化，15～20 mm中間粒級的礦石抗壓強度高，說明該粒級的礦物最難破碎。較細粒級與較粗粒級抗壓強度較低，說明礦石的抗壓強度與礦石尺寸并無明顯關系，這種現象與礦石的嵌布特征有關，嵌布特征不同，導致礦石在破碎過程中產生裂紋的速度不同，礦石的抗壓強度變化規律不服從尺寸效應。

1.3 精確化球徑計算

磨礦作業中鋼球的大小影響磨礦效果，鋼球尺寸過大，易產生貫穿破碎；鋼球尺寸過小，不但過粉碎嚴重，而且整體排礦粒度偏粗，導致返砂過多，形成過磨和欠磨，惡化磨礦結果。

試驗采用段氏球徑半理論公式計算球磨機所需球徑，段氏球徑半理論公式為

式中，Db為磨機在特定條件下所需的球徑，cm；Kc為綜合修正系數，由相應專著提供的資料確定；?為磨機轉速率，%；σy為礦石的抗壓極限強度，σy≈100f，kg/cm2；ρe為鋼球的有效密度，g/cm3，ρe=ρs-ρn，ρs為鋼球密度，g/cm3，ρn為礦漿密度，g/cm3；D0為球荷“中間縮集層”直徑，cm；df為95%過篩最大粒度，cm。

根據試樣的粒度組成特性和段氏球徑半理論公式，得出羅河鐵礦試驗室精確化球徑?40 mm、?30 mm、?20 mm 配比為40%∶50%∶10%，混合球徑平均為33 mm。

2 條件試驗結果與討論

2.1 磨礦時間試驗

固定磨礦濃度67%，球徑?40 mm、?30 mm、?20 mm 配比為40%∶50%∶10%，混合球徑平均值33 mm，介質充填率35%，在磨礦時間分別為1，2，3，4 min 的條件下進行磨礦時間試驗，對磨礦產品采用標準套篩篩分法進行篩析，試驗結果見表3。

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由表3 可知，隨著磨礦時間的增加，-0.075 mm粒級產率增加，變化趨勢近似呈線性相關，說明預設的精確化裝球制度非常理想；當磨礦時間為3 min時，-0.075 mm 粒級產率為21.47%，較為接近實際生產情況；因此，磨礦時間選擇3 min。

2.2 磨礦濃度試驗

在磨礦時間試驗的基礎上，進行濃度分別為60%，67%，70%，75%，80%的磨礦濃度試驗，試驗結果見表4。

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由表4 可知，磨礦產品中+0.15 mm 和-0.075 mm粒級產率與磨礦濃度有較大關系，磨礦濃度偏低或偏高都會影響磨礦效果。當磨礦濃度為70%時，-0.075 mm 粒級產率最高，此時礦漿流動性與黏度處于最佳狀態，增加-0.075 mm 粒級產率的同時也可以減少粗顆粒的殘留，降低返砂量，提高磨機處理能力，因此磨礦濃度選擇70%。

2.3 鋼球充填率試驗

在磨礦濃度試驗的基礎上，選取介質充填率分別為30%，35%，38%，40%，43%，45%進行介質充填率試驗，試驗結果見表5。

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由表5 可知，隨著介質充填率的增加，-0.075 mm粒級產率先增加后減小，+0.15 mm 粒級產率先減小后增加。當介質充填率過低時，磨碎能力不足，鋼球充填率的增加提高了礦物與鋼球的碰撞幾率，但當鋼球充填率過高（大于40%）時，會對鋼球在磨機內的拋落運動造成阻礙，降低磨礦效率。當介質充填率為35%時，-0.075 mm 粒級產率最高，+0.15 mm 粒級產率也較低，且高充填率下磨礦鋼耗與能耗較大，增加生產成本，因此充填率選擇35%。

2.4 裝球制度試驗

設置3 組單一球徑對照組，并增加2 個對比裝球制度，①4#偏大球裝球制度?40 mm、?30 mm、?25 mm配比70%∶20%∶10%，混合球徑平均值36.5 mm；②5#偏小球裝球制度?30 mm、?25 mm、?20 mm 配比30%∶40%∶30%，混合球徑平均值25 mm，對比分析6#精確化裝球制度的效果。裝球方案見表6。

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在鋼球充填率35%、磨礦時間3 min、磨礦濃度70%的條件下進行磨礦，對磨礦產品采用標準套篩篩分法進行篩析，試驗結果見表7。

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由表7 可知，混合球徑磨礦效果優于單一球徑磨礦效果，混合球徑磨礦相較于單一球徑，磨礦產品粒度分布更均勻，證實了多種補球方案優于只添加1種鋼球；鋼球球徑過小時，單個鋼球的破碎力不足，對+0.15 mm 粒級的礦物磨碎效果不佳；精確化裝球制度磨礦產品-0.075 mm 粒級產率為28.18%，遠高于其他裝球制度。添加1 種合適的鋼球亦能形成混合球，但最終球荷特性會造成大球比例偏多，且當大球磨損至小球時，其力學穩定性已遭到破壞，容易發生失圓，從而影響磨礦效果。添加幾種不同鋼球形成的混合球，其球荷特性始終處于合適的比例，也不會因為失圓而降低磨礦效果，磨礦產品的粒度分布特性也最優。

3 精確化磨礦效果驗證試驗

3.1 開路磨礦試驗

在磨礦濃度70%，磨礦介質充填率35%，磨礦時間3 min，球徑?40 mm、?30 mm、?20 mm 配比40%∶50%∶10%的條件下，進行精確化磨礦開路試驗。由于羅河鐵礦生產采用單一球徑補球方式，因此采用單一球徑?40 mm 的裝球制度模擬現場運行情況，與精確化磨礦效果進行對比。試驗結果見表8。

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由表8可知，精確化開路磨礦產品粒度分布更加均勻，接近正態分布特性。精確化磨礦產品+0.15 mm 粒級產率（欠磨粒級）為36.11%，相較于模擬現場開路磨礦的40.03%，降低了3.92 個百分點；精確化磨礦產品-0.075 mm 粒級產率為43.01%，高于模擬現場的39.53%；精確化磨礦產品合格粒級產率為45.59%，高于模擬現場的39.58%；同時特定的鋼球配比減輕了過磨，采用精確化磨礦-0.023 mm 粒級產率降低了2.09個百分點。故在開路磨礦的條件下，精確化磨礦具有顯著優勢。

3.2 閉路磨礦試驗

在磨礦濃度70%，磨礦介質充填率35%，磨礦時間3 min，球徑?40 mm、?30 mm、?20 mm 配比40%∶50%∶10%的條件下磨礦，將磨礦產品用0.5 mm 細篩進行篩分分級，篩上產品返回磨礦形成閉路，直到所有產品全部過篩。閉路磨礦與現場一段磨機分級溢流的粒度組成對比見表9。

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由表9 可知，精確化磨礦可以改善粒度分布和金屬分布率。采用精確化磨礦與現場一段溢流相比，-0.075 mm 產率由41.46%提高至53.18%，提高了11.72 個百分點，+0.15 mm（欠磨粒級）粒級產率由38.81%降低至18.63%，降低了20.18個百分點。欠磨粒級的鐵分布率由37.81%降低至20.78%，合格粒級產率由39.04%提高至55.93%，合格粒級鐵分布率由42.32%提升至59.89%。-0.023 mm（過磨粒級）粒級產率由22.15%提升至25.44%，但其中鐵分布率不升反降，由19.87%降低至19.33%。說明精確化磨礦在提高磨礦產品質量上具有顯著優勢，在磨礦過程中具有一定的選擇性磨礦能力。

3.3 磁選驗證試驗

在閉路磨礦試驗的基礎上，采用不同的裝球制度磨礦，并對磨礦產品分別進行磁選作業，磁選試驗流程見圖2，試驗結果見表10。

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由表10 可知，精確化磨礦產品合格粒級鐵回收率相較于偏大球裝球制度提升了4.27 個百分點，相較于偏小球裝球制度提升了3.97 個百分點。采用精確化磨礦磁選，精礦產品鐵回收率為89.92%，均大于采用偏大球裝球制度和偏小球裝球制度。因此，精確化磨礦制度可以改善磨礦產品的粒度分布特性，提高磨礦產品的選別指標。

4 結 論

（1）羅河鐵礦入磨產品偏粗難磨，屬于脆性較強的礦石類型，其中間粒級15～20 mm的礦石抗壓強度最高，最難破碎。

（2）根據試樣的粒度組成特性和段氏球徑半理論公式，得出羅河鐵礦試驗室精確化磨礦裝球制度球徑?40 mm、?30 mm、?20 mm 配比為40%∶50%∶10%，混合球徑平均為33 mm。

（3）采用精確化磨礦進行閉路試驗，與現場一段溢流相比，欠磨粒級的鐵分布率由37.81%降低至20.78%，合格粒級產率由39.04%提高至55.93%，合格粒級鐵分布率由42.32%提升至59.89%；-0.023 mm 粒級產率由22.15%提升至25.44%，但其中鐵分布率由19.87%降低至19.33%；說明精確化磨礦可以改善粒度分布和金屬分布率，提高磨礦產品質量，并在磨礦過程中具有一定的選擇性磨礦能力。

（4）磁選試驗中精確化磨礦產品合格粒級鐵回收率相較于偏大球裝球制度提升4.27 個百分點，相較于偏小球裝球制度提升3.97 個百分點；采用精確化磨礦進行磁選，磁選精礦產品鐵回收率為89.92%，均大于采用偏大球裝球制度和偏小球裝球制度；說明精確化磨礦制度可以改善磨礦產品的粒度分布特性，提高磨礦產品質量。