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1、昆明理工大学博士论文 两段磨矿精确化装补球方法的开发及应用研究前 言球磨机作为传统的粉磨设备，已经有一百多年的历史。球磨机作为将固体物料细化制粉的重要设备，广泛应用于冶金、化工、水泥、陶瓷、建筑、火电、医药以及国防工业等部门。尤其是冶金工业中的选矿部门，磨矿作业更是具有十分重要的地位。在选矿工业中，磨矿是矿石入选前的一道重要工序，它接受破碎作业的产品，继而将矿石磨碎到选别作业所要求的粒度。除少数有用矿物单体解离度高的砂矿和部分高品位富矿不需要磨矿外，几乎都需要经过磨矿使有用矿物获得比较理想的单体解离度及合适的细度。随着全球性工业化进程的加速，矿产原料等粉体需要量剧增，仅我国每年需要经球磨机粉磨
2、的物料就有数十亿吨。国内外矿产资源的大量开发利用使得矿产资源日趋贫化，那些优质、易磨和易选的矿产资源逐渐枯竭，代之而来的是大量的低品位矿产资源。对低品位矿产资源的利用，需要将有用矿物与脉石矿物有效分离，并经过选别之后，才能成为适于工业应用的优质原料。因此，这就使需要用球磨机处理的固体物料量大大增加。碎矿和磨矿是选矿厂的领头工序，选矿厂的作业率和原矿的处理能力实际上取决于球磨机的生产率和处理能力。球磨机作业的优劣直接影响着整个选矿厂的经济技术指标。磨矿生产指标的改善，可使后续作业的生产指标得到改善，如提高有用矿物的单体解离度、降低有用矿物的过粉碎可以提高选别作业的精矿品位和有用矿物的回收率，减少
3、有用矿物的金属流失，提高选矿厂的过滤效率等。选矿厂中的碎矿和磨矿的投资占全厂总投资的60%左右，磁选厂甚至达75%以上，电耗也占选矿的50%60%，生产经营费用也占选厂的40%以上。同时，磨矿作业产品质量的高低也直接影响着选矿指标的高低。因此，碎矿和磨矿工段设计及操作的好坏，直接影响到选矿厂的技术经济指标，经济而合理的完成磨矿的基本任务，是每个磨矿工作者的职责。众多磨矿工作者长期以来，围绕着通过什么样的工艺或方法来全面改善磨矿效果，其中最有实际意义的是从磨矿介质这个因素入手，使磨矿效果全面改善，这是因为磨矿作业是通过磨矿介质实现的。然而，磨矿介质又受诸多因素如介质尺寸大小与形状、磨机装载量、介
4、质配比、合理补加钢球制度和磨机转速等因素的制约。任何一个环节的细小变化都会影响着磨矿效果的好坏。如钢球尺寸过大，则会导致钢球的破碎力太大，容易造成贯穿破碎，产生过粉碎；使用不同钢球配比的装球制度其磨矿效果明显比只装一种钢球的效果好；一天补一次或多次补少量球比一星期或一个月补加一次钢球，其效果也要好。国内外选矿厂的磨矿流程应用最广泛的是两段磨矿流程，其主要优势就是具有生产能力大、磨矿产品特性好及选别指标好等。然而，过去的研究却忽视两段磨矿的研究，李启衡教授主编的碎矿与磨矿中介绍的“合理平衡装补球方法”也是介绍一段磨矿的，在装补球制度上对两段磨矿的研究基本没有。课题组于2003年开发了一段磨矿中的
5、装补球方法，在许多厂矿应用效果显著，但是将此方法应用在两段磨矿时，处理量反而会大幅下降。可见，在两段磨矿流程简单机械的搬用一段磨矿的装补球方法是不行的，必须针对两段磨矿的具体特点分别开发粗磨段及细磨段的精确化装补球方法。本论文主要研究内容为：在两段磨矿中针对矿石的力学性质调节磨矿介质，使磨矿效果得到全面的改善，从而提高整个选矿厂的经济效益。即研究矿石的力学性质尤其是岩矿抗压强度的测定方法，研究钢球在磨矿中的作用并确定精确计算钢球尺寸的公式，运用破碎统计力学原理确定钢球的种类及配比并在实验室用四种方案验证其正确性，根据钢球的磨损规律进行精确简易的补加钢球，在粗磨段进行提高粗磨机转速的适应性研究，
6、在细磨段用新型细磨介质替代传统钢球，深化拓展两段磨矿中的精确化装补球方法，使磨机中随时都保持适合矿料组成的钢球配比，使磨机内的球荷特性始终处于最佳球荷范围内。本论文将开发的两段磨矿精确化装补球方法应用在云南狮子山铜矿后，磨机台时能力提高了15.38吨/时；一段磨电耗下降17.92%，选厂电耗降低21.33%；介质单耗降低30.64%。30个月中增收节支的经济效益达7451.98万元。本论文将在后续各章节详细介绍上述研究内容及实际应用的效果。第一章 文献综述 1.1 磨矿作业的分类与目的不同的磨矿过程有不同的性质和目的，并且对磨矿机械的施力状态也有不同的要求。认真分析一下各种粉磨作业的应用情况，
7、可以将磨矿作业大致分为以下四类1:（1）擦洗性磨矿。此类磨矿的目的既不是解离矿物，也不是粉碎矿料，而是为了使矿粒充分暴露新鲜表面，以利于和粘结剂粘结并得到好的粘结质量。建筑砂料的磨矿，水泥制件砂料的磨矿，冶金球团工艺中的润湿磨磨矿等等均属擦洗性磨矿。在此类磨矿中，过度磨矿是有害的，产生的矿泥将影响产品质量，矿砂遭受过度打击也降低产品强度。因此，充分暴露矿粒新鲜表面而尽量减少过磨是此类磨矿的基本要求。此类磨矿也属准备作业，磨矿产品质量严重影响后续作业的产品质量。（2）解离性磨矿。此类磨矿的目的主要是使矿石中的有用矿物和脉石矿物以及有用矿物之间实现充分的单体解离，并在粒度上符合后续作业的要求。属于
8、此类磨矿的有金属矿和非金属矿选矿前的磨矿，湿法冶金浸出前的磨矿等。有用矿物和脉石矿物以及有用矿物之间的充分单体解离是矿物分选的前提条件，而各种选矿方法由于受粒度限制，因而，让有用矿物与脉石矿物及有用矿物之间充分单体解离，并在粒度上符合选矿的要求是选矿前磨矿的基本要求。湿法冶金浸出前的磨矿，必须使待浸出矿物充分解离和暴露，使其与浸出剂有接触的机会，同时，要求磨得细些可以提高浸出速度。解离性磨矿在工艺上属准备作业，然而磨矿产品质量对后续作业的技术经济指标影响极大。解离性磨矿在现代矿物工程中占有极重要的地位，它处理的矿料也是最多的。（3）粉碎性磨矿。此类磨矿以粉碎矿料为目的，甚至粉碎得愈细愈好。如水
9、泥熟料磨得愈细，水泥的水化速度愈快，质量也愈高。火电厂磨煤机中也要求磨得愈细愈好，愈细的粉煤被喷入燃烧室后燃烧愈完全。农药和某些化工原料的磨细也属此类磨矿。粉碎性磨矿往往是矿物加工的最终作业，它的产品即是矿物加工的最终产品。此类磨矿处理的矿料量也是很大的，仅次于解离性磨矿。（4）超细粉碎。在前几类磨矿中，产品粒度相对是比较粗的。擦洗性磨矿的产品粒度最粗，解离性磨矿受选别粒度的限制也不能很细，即使细磨和超细磨的产品，粒度也在1020m以上。就是粉碎性磨矿，其产品粒度也是几个m以上。芬兰胡基教授提出磨矿产品的粒度范围为100.001mm，即以lm作为磨矿的极限，这称为“普通磨矿”范围。所谓超细粉碎
10、就是产品粒度比常规粉碎的更细，产品粒度达几个微米，甚至在微米级以下，超出胡基的“普通磨矿” 范围。超细粉碎主要用于非金属矿物的深加工。非金属矿物也称工业矿物，它们种类繁多，用途广泛，通常将它们粉碎成微米级或微米以下的粉体而用作填料、涂料、颜料、润滑剂、增量剂和陶瓷原料等等。工业矿物的超细粉碎是一类十分复杂的粉碎作业，其目的要求依粉体的用途而异，甚至同种矿物，因粉体用途不同也有不同的要求。因此，必须根据粉体的用途而确定目的要求，以便选择专用粉磨设备。从磨矿作业的分类可以看出，我们通常所说的金属矿与非金属矿的磨矿都是属于解离性磨矿。而关于入选前磨矿的任务，世界著名选矿学者A.F.塔加尔特早就指出2
11、：“磨矿的功用和目的依其所磨原料不同而不同。在选矿厂主要的任务是将矿物原料粉碎，以使有用矿物大部分得以从脉石中解离出来，并在许多情况下使两种矿物分离开来；其次一个任务就是将单体的有用矿物依其粒度的必要缩小程度，将粒度减少，以使它们在下一个选矿过程中得以有不同的性态表现。”我国著名的磨矿专家李启衡教授指出3：“没有充分的解离和发生了严重的过粉碎，都使选矿回收率和精矿品位低，这就不难理解碎矿和磨矿是怎样决定着选矿厂的技术指标了。因此，碎矿和磨矿就是要为选别准备好解离充分但过粉碎轻的入选物料，这就是碎矿和磨矿的基本任务。”两位学者对磨矿的论述指出了如下几点4：.选矿厂的磨矿是以解离有用矿物为主要目的
12、的解离性磨矿；.解离矿物是磨矿的首要任务，减小粒度则是第二位的任务；在磨矿中没有充分解离的过粗粒级及过细的过粉碎粒级都应该尽量减少，磨矿应为选别准备解离充分及过粉碎轻的入选物料。在实际磨矿过程中，矿物的解离行为总是伴随破碎行为发生的，没有不发生破碎就出现的解离，也没有发生了破碎而不出现的解离，矿石发生破碎而使粒度减小，有用矿物也就随之解离出来。一般地说，破碎与解离密切相关，破碎的粒度愈细，有用矿物的单体解离度也就愈高。但是，由于矿石的破碎中存在选择性解离行为，故破碎的粒度与有用矿物的单体解离度之间只存在密切的相关关系，而不存在正比例关系，解离和粉碎不能等同5。如果磨矿介质的力学状态调整得好，可
13、以提高选择性解离的比重，可以在较粗的磨矿粒度下获得较高的单体解离度；相反，如果磨矿介质的力学状态不佳，则可能使产品细度很高但单体解离度不高的现象出现。正因为这样，根据矿石的力学性质调整磨矿介质的力学状态就显得非常重要。1.2 磨矿作业的研究进展1.2.1 磨矿设备的改进研究磨机直径越大，所装的钢球就越少，大直径的磨机中钢球的位能较大可以弥补球径的不足。因此，国外绝大部分厂矿的球径都比较小，很少超过100mm的。目前，国外厂矿的磨机直径大都已达46m，如Hydralift Scanmee设计的9.656.5 m大型磨机，自1980年投入生产后，连续工作13年，与传统的小磨机相比，磨矿费用减少30
14、%6。磨机大型化的一个优势是简化系列及设备，节省建筑费用及操作维修费用，从而降低选矿成本。但是大型球磨机的利用系数却不如中小型磨机高。在挪威的克里舍斯正在试运转的磨机为DL达6.59.61米的球磨机7，虽然运转未出现不正常情况，但该机功率8100千瓦，钢球充填率仅20%，处理能力1000吨/时，算下来利用效率不高。AllisChalmers公司的的Rowland通过对6.1m8.5m和5.1m5.7m球磨机的对比试验得出：球磨机直径超过5.1m时，经济技术指标不好，能耗较高，衬板磨损较快，故建议球磨机直径不超过5m。Harris.C.C等在分析Bougaiualle选矿厂5.5米大型球磨机的基
15、础上，与PintoValley等矿进行对比，认为大直径球磨机的经济优越性可能被磨机内混合效果降低所抵消。Rougaiualle选厂的生产表明，处理每吨矿石的动力消耗比小规格磨机大1/3，建议球磨机直径不超过5米8。日本学者田中从粉磨速度论的观点出发，认为当磨机直径为14米时，粉磨效率随直径的增大有若干提高，但当其大于4米时，粉磨效率反而降低，并提出经济综合平衡的磨机最适宜直径为56米。前苏联学者查赫瓦特金认为湿式球磨机大型化的直径极限为5.56.5米。德国学者认为球磨机直径为46米时经济性最好。李启衡教授总结了国内外磨机比功耗的情况后指出，大磨机经济上有利的因素主要是简化设备的配置及利于自动化
16、。实际上国外大型磨机的功耗指标（千瓦时/吨）普遍比国内2.73.2m直径磨机的高，因为大型磨机转速及球荷充填率低9。A.C公司的C.A.Rowland也指出，磨矿效率随直径增加的趋势实际上到13.5英尺（3.81米）直径已经停止。所以从节能角度看，采用过大的磨机并无多少好处。我国在20世纪八十年代以前也进行磨矿设备大型化，80年代以后这种趋势已停止。磨矿机上的改进研究也不少。日本户部制钢所、野田水泥厂和野田工程公司报道了干式再磨水泥熟料的辊磨机使用情况，物料粒度与球磨机相同，电耗却低2530%10。为了省在传动系统的能耗损失，国外研制了无齿轮传动磨机，挪威西瓦兰格公司为提高产量，它装一台无传动齿轮的6.5m9.65m大型球磨机，磨机由环形电机驱动，通过频率控制而达到无级调速，启动电流很低，排矿端装有直径2m的螺旋分级筒
