納米復合陶瓷球在張莊礦高硅難磨鐵礦中的應用

張曉偉 潘 猛 齊美超 王 琦

（安徽馬鋼張莊礦業有限責任公司）

鐵礦資源是人類生存和發展的物質基礎，是生產、生活資料的重要來源［1-2］。在鐵礦資源生產過程中原材料的開采和選別是必不可少的，且極為重要［3］。據統計，粉碎作業的耗電總量占選礦廠總耗電量的60%以上，而磨礦作業的耗電量又占粉碎作業的90%以上，磨礦成本占選礦廠生產成本的40%～60%［4-5］。因此，磨礦是一項能耗高、效率低的作業。

近年來，陶瓷球作為新型磨礦介質開始嶄露頭角。實踐證明，陶瓷球替代鋼球作為磨礦介質，陶瓷球磨礦速度更快、能量利用效率更高［6］，可有效降低電耗、球耗，同時提高磨礦系統處理量和磨礦分級效果［7］，以致越來越多的礦山開始使用陶瓷球替代鋼球磨礦。張莊礦鐵礦具有含硅高、硬度高的特點，為實現節能降耗，開展了試驗室試驗，驗證陶瓷球替代鋼球的可行性。

1 試驗原料

1.1 試樣粒度組成及金屬量分布特征

試樣為張莊礦二段給礦樣，礦樣粒度組成及金屬量分布篩析結果見表1（以-0.023 mm 表征過磨粒級，以0.023～0.15 mm 表征合格粒級，以+0.15 mm 表征欠磨粒級，下同）。

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由表1 可知，試樣+0.15 mm 粒級產率僅為12.58%，鐵占有率5.29%，給礦粒度組成較細；合格粒級0.023～0.15 mm 產率82.93%，鐵占有率達89.75%；鐵品位隨著粒度變細而上升，說明樣品中含鐵礦物為易碎礦物，磨礦過程易發生過粉碎現象。對于該礦物的研磨要注意粗顆粒的磨細，同時應減少過磨粒級的產生，以增加礦物的有效回收。

1.2 納米陶瓷球

試驗用陶瓷球為景德鎮百特威爾新材料有限公司生產的高硬度、高耐磨的納米復合陶瓷球，其主要成分為Al2O3，密度3.7 g/cm3，莫氏硬度為9。該陶瓷球具有高耐磨性，其磨耗是一般陶瓷球的1/5左右、鋼球的1/8 左右，磨耗與氧化鋯球相當，價格僅是氧化鋯球的1/3 左右。陶瓷球的主要規格有?50 mm、?40 mm、?35 mm、?30 mm、?25 mm、?20 mm、?15 mm。納米陶瓷球與耐磨鋼球的參數對比結果見表2。

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2 全陶瓷球磨礦試驗

2.1 陶瓷球單一直徑試驗

為考察該磁鐵礦應用陶瓷球的磨礦規律，進行陶瓷球單一球徑磨礦試驗。每次磨礦量500 g，磨礦時間2 min，充填率38%，磨礦濃度75%，磨機轉速90 r/min，分別應用尺寸?20 mm、?25 mm、?30 mm、?35 mm、?40 mm 的單一陶瓷球進行磨礦，陶瓷球各直徑下的產品粒級分布及磨礦效果見表3。

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由表3可知，陶瓷球直徑越小，-0.075 mm 產率越高，當陶瓷球球徑為20 mm 時，磨礦產品-0.075 mm產率最高為66.14%，陶瓷球直徑越小越有利于對該磁鐵礦的研磨。當陶瓷球球徑為20 mm 時，欠磨粒級+0.15 mm 產率最低為1.15%，過磨粒級-0.023 mm產率最高為10.91%；當陶瓷球球徑為40 mm 時，欠磨粒級+0.15 mm 產率最高為4.10%，過磨粒級-0.023 mm 產率最低為7.05%；陶瓷球直徑越小，產品磨細的同時也會增加過磨粒級的產生。當陶瓷球球徑為25 mm 時，合 格 粒 級0.023～0.15 mm 產 率 最 高 為90.21%；當陶瓷球球徑為35 mm 時，合格粒級0.023～0.15 mm 產率最低為87.42%；故陶瓷球球徑并不是越大越有利于該磁鐵礦磨礦。

2.2 陶瓷球球徑配比試驗

在磨礦量500 g、磨礦時間2 min、充填率38%、磨礦濃度75%、磨機轉速90 r/min的條件下，進行7種不同球徑配比的陶瓷球磨礦試驗，陶瓷球配球制度方案見表4，磨礦產品各粒級產率變化趨勢見表5。

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由表5可知，隨著裝球制度中陶瓷球平均粒徑的減小，磨礦產品-0.075 mm 粒級產率增加，該現象與陶瓷球單一球徑磨礦結果相符，小直徑的陶瓷球有利于該磁鐵礦的研磨；隨著陶瓷球平均粒徑的減小，磨礦產品欠磨粒級+0.15 mm 產率有減小趨勢，6#、7#陶瓷球配比中欠磨粒級產率較低，分別為1.28%，0.98%；各陶瓷球配比中，1#、4#、6#和7#配比的過磨粒級-0.023 mm 產率較低，1#、6#配比過磨粒級-0.023 mm 產率分別為7.18%，7.56%，單一球徑磨礦效果好的20 mm 陶瓷球-0.023 mm 粒級產率為10.91%，混合球徑相同的單一?25 mm 陶瓷球-0.023 mm 粒級產率7.98%，陶瓷球混合配比較陶瓷球單一球徑減少了過磨，改善了磨礦效果；隨著陶瓷球平均粒徑的減小，合格粒級0.023～0.15 mm 產率先減小后增大，其中4#、6#和7#配比的合格粒級產率較高為91.64%，91.16%和91.48%，為保證陶瓷球磨礦-0.075 mm 粒級產率及陶瓷球中有一定比例的大直徑陶瓷球來破碎粗顆粒，最佳陶瓷球球徑配比選定6#。

2.3 陶瓷球充填率試驗

在磨礦量500 g，磨礦時間2 min，磨礦濃度75%，陶瓷球?30 mm、?25 mm、?20 mm 配比20%∶60%∶20%（混合球徑25 mm），磨機轉速9 r/min 的條件下，進行充填率試驗，試驗結果見表6。

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由表6 可知，隨著陶瓷球充填率的增加，磨礦產品-0.075 mm 產率增加；當充填率達40%時，-0.075 mm 粒級產率65.39%，欠磨粒級+0.15 mm 產率1.17%，過磨粒級-0.023 mm 產率9.11%，合格粒級0.023～0.15 mm 產率89.73%，磨礦效果最佳；當磨礦介質充填率超過45%時，陶瓷球在磨機內做拋落運動困難，沖擊作用降低，大部分陶瓷球做瀉落運動，磨礦作用以研磨為主，使欠磨粒級增加，降低磨礦效果，故最佳充填率為40%。

2.4 陶瓷球磨礦濃度試驗

在磨礦量500 g，磨礦時間2 min，充填率40%，陶瓷球?30 mm、?25 mm、?20 mm 配比20%∶60%∶20%（混合球徑25 mm），磨機轉速90 r/min的條件下，進行磨礦濃度試驗，試驗結果見表7。

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由表7 可知，當磨礦濃度為70%時，陶瓷球磨礦產品-0.075mm 粒級產率最高為65.87%，同時合格粒級0.023～0.15 mm 產率最高為88.99%，欠磨粒級+0.15 mm 產率為1.75%，過磨粒級-0.023 mm 產率最低為9.26%，產品粒度分布較均勻，有利于提高磨礦產品質量，故最佳磨礦濃度為70%。

與鋼球基準磨礦產品相比，在陶瓷球最佳磨礦條件下，陶瓷球磨礦產品中-0.075mm 產率從63.18%提至65.87%，合格粒級0.023～0.15 mm 產率從84.48%提高至88.99%，過磨粒級-0.023 mm 產率從13.16%降至9.26%，因此該磁鐵礦二段磨中可以用陶瓷球替換鋼球作為磨礦介質。

3 陶瓷球+鋼球混合磨礦規律

為近一步貼合生產實際，開展鋼球+陶瓷球混合磨礦試驗，每次磨礦量500 g，磨礦時間2 min，充填率40%，磨礦濃度70%，陶瓷球?30 mm、?25 mm、?20 mm 配比20%∶60%∶20%（混合球徑25 mm），使用球徑?30 mm、?40 mm 的鋼球，磨機轉速90 r/min，選取鋼球體積占比作為變量，具體裝球方案見表8，試驗結果見表9。

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由表9 可知，與全陶瓷球磨礦相比，通過在最佳陶瓷球配比中添加不同直徑的鋼球，磨礦產品中的欠磨粒級+0.15 mm 產率降低；鋼球密度大，對礦物的研磨能力更強，陶瓷球中添加鋼球的磨礦產品細度會大于全陶瓷球磨礦細度，陶瓷球+鋼球配比中的-0.075 mm 粒級產率均在65%左右；若選取陶瓷球+鋼球，3#為最佳配比，30 mm 鋼球體積占比6%，質量占比28%，陶瓷球?30 mm、?25 mm、?20 mm 配比20%∶60%∶20%，該配比合格粒級產率88.50%，欠磨粒級+0.15 mm 產率1.26%，過磨粒級-0.023 mm 產率10.24%，磨礦效果全面超越鋼球磨礦。

4 不同磨礦方案磨礦產品對比

根據現場實際情況，現場二段磨礦作業使用?40 mm 鋼球，充填率38%。鋼球（還原現場）磨礦條件磨礦量500 g，磨礦時間2 min，鋼球充填率38%，磨礦濃度75%，磨機轉速90 r/min。

陶瓷球磨礦條件磨礦量500 g，磨礦時間2 min，陶瓷球充填率40%，磨礦濃度70%，陶瓷球?30 mm、?25 mm、?20 mm 配比20%∶60%∶20%（混合球徑25 mm），磨機轉速90 r/min。

陶瓷球+鋼球磨礦條件磨礦量500 g，磨礦時間2 min，陶瓷球+鋼球總充填率40%，磨礦濃度70%，?30 mm 鋼球質量占比28%，陶瓷球?30 mm、?25 mm、?20 mm 配比20%∶60%∶20%，磨機轉速90 r/min。3種裝球制度試驗結果對比見表10。

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由表10 可知，陶瓷球磨礦在最佳配比條件下，可達到鋼球-0.075 mm 細度指標，陶瓷球+鋼球制度下-0.075 mm 粒級高于鋼球-0.075mm 粒級產率。從欠磨粒級+0.15 mm 產率來看，陶瓷球+鋼球＜陶瓷球＜鋼球，鋼球磨礦產品欠磨粒級含量最高，陶瓷球在+0.15 mm 粒級磨礦效果優于鋼球。從合格粒級0.023～0.15 mm 產率來看，陶瓷球＞陶瓷球+鋼球＞鋼球，陶瓷球的合格粒級大于鋼球，故對于鋼球磨礦，陶瓷球在一定條件下可增大合格粒級的產生，提高磨礦效果。從過磨粒級-0.023mm 產率來看，鋼球-0.023 mm 產率13.01%，陶瓷球過磨粒級產率8.85%，陶瓷球+鋼球過磨粒級產率10.24%。試驗室條件下的陶瓷球、陶瓷球+鋼球磨礦產品-0.023 mm粒級含量下降幅度分別達31.98%，21.29%，均能有效減少過磨粒級的產生。

試驗室階段已經充分驗證二段磨礦中陶瓷球可以替代鋼球，陶瓷球+鋼球混加磨礦效果也優于鋼球。

5 結 論

（1）張莊礦不同磨礦方案試驗結果表明，在相同的開路磨礦條件下，陶瓷球充填率為40%時，其磨礦能力優于鋼球充填率為38%時，陶瓷球的合格粒級0.023～0.15 mm 產率比現場鋼球合格粒級產率高4.77 個百分點；欠磨粒級+0.15mm 產率降低0.62 個百分點。試驗室條件下的陶瓷球、陶瓷球+鋼球磨礦產品粒度分布中-0.023 mm 含量下降幅度分別達31.98%，21.29%，均能有效減少過磨粒級的產生。

（2）推薦工業上陶瓷球磨礦初裝球?30 mm、?25 mm、?20 mm 配比為20%∶60%∶20%，一旦發現有粗顆粒磨不細，可采用鋼球+陶瓷球混合磨礦技術，只需添加?30 mm鋼球即可。

（3）納米復合陶瓷球能取代鋼球作為張莊礦二段磨礦介質使用。