（矿物加工工程专业论文）大红山铁矿石自磨可行性研究及强化自磨过程的探讨.pdf

摘要 、r、( 、( 自5 0 年代应用自磨以来，自磨技术不断完善和发展辟文介绍了自磨技术进 展的有关情况，包括自磨矿理论、自磨设备、工艺、试验设计及自动控制等方面，指 出了自磨技术尚待解决的问题及我国的差距所在。 弋提出了以n o r m 数为基准，参考自磨介质功指数，并结合矿石的粉碎特性及 原矿石粒度组成的介质能力评价方法。对大红山铁矿石介质能力评价证明该方法 是合理可靠的。分析了主要操作参数对自磨过程的影响，其中着重讨论了充填率 和功率消耗的关系。半工业试验和初步经济评价说明：大红山铁矿石采用全自磨 或半自磨工艺，试验过程稳定、选别指标先进，技术上是可行的，且采用半自磨一 球磨弱磁加强磁的阶段磨选流程经济上更为合理。 矿石性质是影响自磨效率的主要因素。通过合理配矿、预先抛尾及难磨顽石 的破碎或( 和) 干选等方法在矿石入磨之前或在自磨过程中改变矿石性质是强化 自磨过程，提高自磨效率的有效途径r 关键词自磨自磨介质动耗可行性强化 绦协， 7 a b s t r a c t a u t o g e n o u sg r i n d i n gt e c h n o l o g y i s b e i n gp e r f e c t e da n dd e v e l o p e ds i n c e i t w a su s e di n1 9 5 0 s t h ep a p e ri n t r o d u c e ss o m ee a s e s r e l e v a n tt oa u t o g e n o u s g r i n d i n gt e c h n o l o g yp r o g r e s ss u c ha sa u t o g e n o u sg r i n d i n gt h e o r i e s , e q u i p m e n t s c r a f t s ，t e s td e s i g na n da u t o m a t i cc o n t r o le t c i ta l s op o i n t s o u tt h ep r o b l e mr e m a i n i n gt ob es e t t l e da n dw h e r eo u rc o u n t r y f a l l sb e h i n di nt h i sa r e a r e f e r i n gt ow o r ki n d e xo fa u t o g e n o u sg r i n d i n gm e d i u m c o m b i n i n g w i t h c r u s h i n gp r o p e r t i e so fo r e sa n dg r a d u a t i o nc o m p o s i t i o n so fr a wo r e s ，t h em e t h o d t oa s s e s sm e d i u mc a p a c i t i e si sr a i s e do nt h eb a s i so fn o r mf i g u r e s i ti sp r o v e n r e a s o n a b l ea n dd e p e n d a b l eb ya p p r a i s a lo fm e d i u mc a p a c i t i e st oi r o no r e so fd a h o n g s h a n m a i no p e r a t i n gp a r a m e t e r si n f l u e n c e st ot h ea u t o g e n o u sg r i n d i n gp r o c e s sa r ea n a l y s e d a n dt h er e l a t i o nb e t w e e nf i l l i n gr a t i oa n dp o w e rc o n s u m p t i o ni s d i s c u s s e de s p e c i a l l y - p i l o tt e s ta n de c o n o m i ce s t i m a t i o ns h o wt h a tt e s tp r o c e s s w i l lb es t a b l e ，u p g r a d i n ge f f i c i e n c yp e r f o r m a n c ew i l lb ea d v a n c e da n di ti sf e a s i b l e i n t e c h n o l o g yi ff u l l o rs e m i a u t o g e n o u sg r i n d i n gc r a f ti s a d o p t e d w h a t ，s m o r e ，i tw i l lb em o r er e a s o n a b l ei ne c o n o m yt oa d o p ts t a g eg r i n d i n gp r o c e s s i n g c i r c u i tw i t hs e m i - - a u t o g e n o u sg r i n d i n g - - b a l lg r i n d i n g - - l o wi n t e n s i t ym a g n e t i c s e p a r a t i o n - - h i g hi n t e n s i t ym a g n e t i cs e p a r a t i o nc i r c u i t c o n c l u s i o n s ：o r ep r o p e r t i e sa r em a i nf a c t o r si n f l u e n c i n ga u t o g e n o u sg r i n d i n ge f f i c i e n c y t h ee f f e c t i v ew a yi ns t r e n g t h e n i n ga u t o g e n o u sg r i n d i n gp r o c e s s a n di m p r o v i n ga u t o g e n o u sg r i n d i n ge f f i c i e n c yi st oc h a n g eo r e sp r o p e r t i e sb e f o r e o r e sg r i n d i n go ri nt h ea u t o g e n o u sg r i n d i n gp r o c e s s i nt h i sc a s e ，m e a s u r e ss u c h a sr a t i o n a lo r ec o m p o u n d i n g ，t a f l i n g st h r o w i n gi na d v a n c e ，i n s e n s a t er o c k sc r u s h i n ga n dd r yc l e a n i n gc a nb eu s e d k e yw o r d sa u t o g e n o u sg r i n d i n g ；a u t o g e n o u sg r i n d i n g m e d i u m ；p o w e rc o n s u m p t i o n ；f e a s i b i l i t y ；s t f e n g t h e n i n g 中南i 大硕士学位论文 太红山铁矿石自蘑介质适应性研究 第一章绪论 1 1 自磨技术的发展概况 传统的破碎和磨矿流程经多年的生产实践检验，一方面证明是可靠雨适用 的，另一方面也表现出工艺流程长，所用设备型号和数量多，金属消耗量大，基建 投资和生产费用高等缺点o 。于是，缩短破碎磨矿流程及降低金属消耗量必然成 为破碎领域中的愿望及研究课题。自本世纪初叶起人们就开始进行这方面的研究 工作，利用矿石相互破碎及磨碎的矿石自磨的出现及应用就是这方面的一项重要 研究成果。 世界上第一台自磨机于1 9 3 2 年制成翻。此后经连续不断的试验、改进，5 0 年 代末，自磨机开始应用予矿山生产。6 0 年代中期以后，自磨技术有了相当大的发 展，有较多的矿山( 主要是铁矿) 采用了自磨。7 0 年代，除了铁矿外，铜矿及其它有 色金属矿山也大量的采用了自磨，而且自磨机的规格愈来愈大。8 0 年代以来，随着 自动控制技术的发展，自磨技术愈加成熟，越来越多的新建选矿厂采用自磨工艺， 且许多历史较长的矿山在设备更新改造和扩建中也采用了自磨 3 8 。据报道 9 8 ， 至8 0 年代末，前苏联7 0 的原矿用自磨机磨矿，国外其它地区5 0 的矿石采用自 磨。工程与采矿杂志编辑部和西方的许多粉磨专家一致认为，自磨工艺将成为特 大型铜矿开发及2 1 世纪选矿厂的主导碎磨工艺踊1 ”。 我国于7 d 年代初开始在工业上应用自磨，至8 0 年代初期自磨技术发展较 快，已有6 0 多个厂矿安装了1 5 0 多台自磨机n ”，自磨机最大规格也发展到0 7 5 x 2 8 m u “。此后，常规碎磨流程和自磨工艺流程进行了长时间的争论，自磨技术 在国内几乎处予停滞状态，新建矿山很少采用自磨。9 0 年代初，在含泥、含水矿石 使常规碎磨流程不能畅通，生产无法正常的矿山又启用了自磨工艺 ” 。近几年，自 磨工艺的应用逐步开始复苏，已有新建选矿厂考虑采用自磨” 。 矿石自磨能获得很快的发展，主要原因是经济上有利口 。在特别注重企业效 益的国外矿山，近年来几乎所有的有色金属矿山在扩建或改造中都采用了自磨工 艺，即使没有采用也考虑过这种可能性，这本身就是由于经济效益所产生的结果。 因此国内有必要对自磨技术在我国选矿业中的位置认真考虑。 1 中南i 大硕士学位论文 绪论 实践表明，自磨与常规碎磨方法相比，电耗一般较高 自磨对矿石性质( 包括 粒度及可磨性) 变化敏感，因而生产波动性较大；设备作业率偏低。但采用自磨可 以减少选矿厂生产环节，简化车间组成；不耗或少耗磨矿介质( 钢球或钢棒) ；对某 些矿石来说，基建投资和( 或) 生产费用较低；特别是对含泥含水较高的粘性矿石 可避免常规碎磨流程破碎、筛分等生产环节难以畅通的问题u 刈；自磨产品有用矿 物解离度好，选别指标较高，特别是对有色多金属矿石，可以消除或减少磨矿介质 给矿物浮选带来的不利影响 1 ” 。自磨的上述特点已逐渐被人们所认识，因此自 7 0 年代以来，国外新建矿山不管最终是否采用自磨工艺，在选矿厂设计时一般都 将其作为一个主要方案来考虑。 由于矿石自磨出现得晚而又发展得快，因此从理论到实践的各个方面均不如 传统的碎磨方法那样研究得透彻，也不如传统方法成熟，这表现在；( 1 ) 矿石自磨 的应用需要进行较广泛的试验。矿石自磨初期必须进行工业试验才能确定应用矿 石自磨的可能性，目前也仍需作半工业试验。尽管多年来有人试图研究用少量矿 样的试验室试验代替半工业试验的工作，也取得了一定的进展，但多数人仍认 为l l “，“不经某种半工业性试验而直接建设成功的自磨厂是没有的，只有进行深入 细致的研究，自磨才能戏功的应用”。因此进一步减小试验规模，减少半工业试验 量，为自磨应用提供方便是研究自磨技术的一项重要课题。( 2 ) 自磨机的结构因素 还处于不断研究及完善之中。( 3 ) 自磨机的工作评价，包括功率及生产率计算仍处 于研究之中，还没有象球( 棒) 磨机那样成熟并为大家广泛接受的计算办法。( 4 ) 自 磨机的应用技术正在不断提高，对自磨机的性能认识正逐步深入等等。 1 2 本研究的目的、意义及成果 纵观国内自磨技术的发展，虽然在一些厂矿获得了成功的应用，取得了一定 的经验，但整个技术水平与国外相比，差距较大。这主要表现在： 1 自磨机的规格小。目前通常认为，自磨机直径8 m 以上经济上才比常规方法 有利u 。美国在7 0 年代初，就有直径9 l l m 的自磨机，前苏联在8 0 年代初直径 l o m 的自磨机也开始用于工业生产c 。目前，国外已能设计和制造中1 5 2 4 m 的特 大型自磨机“。而国内应用最多的自磨机规格仅为0 5 5 x 1 8 m ，我国自行设计 制造中7 - 5 2 8 m 自磨机，设备本身的设计还存在一些不合理的地方材质和制 造质量方面的问题也较多n “。因此，磨机的故障率较高，检修难度大，对设备运转 率和生产能力的影响很大。 中南工大硕士学位论文 绪论 2 自动控制程度低。由于矿石性质因矿体、矿段、成因不同而差异很大，往往 使自磨机的磨矿效率有很大的波动性，特别是矿石硬度的变化，严重影响磨枕的 生产稳定性。西方各国在磨矿过程数学模型的研究和开发上投入了大量人力和财 力，为自动控制的实现莫定了基础，对自磨系统的稳定控制采用了比较先进的控 制方式。国内大多数自磨选厂缺少自动控制系统”，仍凭几年一贯制的经验操作 法来控制生产，少数几家采用了自动控制系统，但由于工艺检测仪表、控制手段和 工人素质等原因，难以达到预期效果。 3 试验不充分，导致自磨工艺和自磨设备设计不合理。矿石是否适台于自磨， 主要取决于矿石性质，而自磨效果在很大程度上则决定于自磨( 选) 流程、工艺操 作参数以及自磨机结构参数等对矿石特征的适应程度。由于缺乏坚实充分的试验 工作，设计不尽合理，国内不少自磨选厂脚“2 3 投产后暴露出磨机生产能力低，电耗 高等问题而不得不进行技术改造，有的设计合理，遇到一些难处理矿石时没有恰 当的措施进行有效的处理，难以充分发挥自磨的优势 2 ”。 尽管矿石自磨这种工艺不是万能的，对于有些矿石还不能采用或不够经济。 但是如果矿石性质适合自磨，那么在适当情况下，采用自磨在技术、经济方面的优 越性是勿容置疑的。加强自磨技术的研究，对于改善我国自磨技术的落后局面，提 高选矿厂的劳动生产率和经济效益具有重要意义。 武钢矿研所拥有完善的自磨试验设备，近几年先后完成了程潮西区铁矿石， 太和铁矿石和大红山铁矿石自磨半工业试验。其中大红山铁矿石自磨半工业试验 是为了配合昆钢建设大红山铁矿面进行的，试验规模大，内窖全面。经过鉴定，与 会专家一致认为：自磨试验充分，工艺流程合理，试验过程稳定，参数测试准确，试 验指标可靠，在选别工艺研究及选别指标上达到了国内领先水平，其研究报告可 以作为昆钢大红山铁矿新建4 d o 万t a 自磨工艺选厂的设计依据。笔者在参加其 研究工作的基础上，作了进一步探索，从介质能力评价、自磨工艺参数的控制及半 自磨工艺经济评价等方面作了深入分析，较为全面深入地论证了大红山铁矿石采 用半自磨工艺及其流程的可行性，并结合另两项半工业试验和矿山生产实践对提 高自磨效率、强化自磨过程进行了探讨。 由于本人水平所限，文中错误和不妥之处，敬请批评指正。 中南i 大硕士学位论文 太红山铁矿石自蘑介质适应性研究 第二章文献综述 2 1 自磨机内物料的运动规律 自磨机结构与常规磨矿设备不同，因此杨料( 或介质) 在磨机内的运动形态也 有区别。 2 1 1 自磨机中物料的运动 从2 0 年代戴维斯较系统地提出球磨机中介质运动的研究成果以来，冒内外 学者曾在这方面进行了大量的试验研究工作，并先后提出了许多不同的观点，形 成了纯二相运动理论、三相混合运动理论和肾形运动理论等不同学派 2 “。对一段 自磨机中物料运动的研究，都不同程度地利用了球介质运动理论的原理。 韦斯顿( d w e s t o n ) 瞄3 最先提出了一段自磨机内物料的运动方式。根据他的研 究，进入直径( d ) 与长度( l ) 之比为3 ：l 的圆筒型磨机中的物料，是在下落的矿块 冲击磨机底部物料时发生变形的。当装有提升板和异形端盖衬板的简体旋转时， 物料向上提升。与此同时，物料按粒度产生部分析离：小块物料集中于简体的周 边，大块物料贴近旋转轴，中等粒度物料在中间层。在外层的物料，抛落运动较多； 在内层的物料，泻落运动较多。他还提出了自磨机中物料运动的许多数学模型。 以雅申啦! 为代表的研究者认为提升衬板在自磨机中起着重要的作用，它决定 着物料的运动情况。自磨机在某一转速率1 l 】( o 6 0 m 卟 0 9 0 n 。) 和充填率c p ( 2 0 c p 5 0 ) - r 作范围内，物料的运动特性可分为三个主要的区：提升区( i ) 、瀑落 区( ) 和泻落区( ) ( 图1 ) 。对工业自磨机工作的观察和用透明的模型磨杌研究 的结果表明，提升区内物料沿圆形轨迹提升的高度，一般要比在球磨机中见到的 高得多。在自磨机的中心部分( 横断面) ，集中着较大的矿块，主要是光滑的矿块， 物料的运动不是纯抛落状态，部分物料还有泻落。最内层物料运动的半径有一极 限值，小于此极限值，物料作泻落运动；大于它，物料作抛落运动。 宫荣章等人口列研究了我国拍摄的c p l 5 0 0 x6 0 0 m m 自磨机内物料运动形态的 照片，证实在通常选用的自磨机工作转速为6 5 9 0 n 。范围内，物料的运动状态 不是单纯作抛落运动，而属于多相混合形态。在靠近磨机的中心部分，存在一个泻 葺o 中南i 大硕士学位论文 太红山铁矿石自蘑介质适应性研究 落区与抛落区之间的过渡区一肾形区，该区物料的运动不很明显，仅作蠕动， 冒1 自磨机物羁运动区壤示意固 2 1 。2 物料的运动方程 居于磨机外层的中等粒度和较细的矿粒，在提升衬板的直接提升下沿园轨道 上升，在上升过程中，矿粒受到重力和离心力的作用。重力的切向分力 m g s l n o , ) ， 酞旋 广陵敏锋r k ：弘 圈2 物辑在宫枣机中运动形态巴 其方向垂直于提升衬板表面，它与提升板或其它层物料之间的摩攘系数f 0 构成磨 擦力，阻止矿粒向径向方向运动，而重力的法向分力( m g c o s a ) 促使物料沿提升衬 s 中南i 大硕士学位论文 太红山铁矿石自蘑介质适应性研究 板向径向分向运动( 图2 ) 。脱离点的位置方程为2 7 3 矿耳+ ，o 厅干i 丽 1 了焉一 式中k 一孚，r 。为自磨机筒体有效内半径，r 为物料层半径。 物料通过平衡点后，紧贴提升板部分的物料沿提升板滑动，并绕筒体轴线随 简体旋转，此后才开始进入抛落阶段；提升板之间的物料立即进入抛落阶段。对提 升区物料运动参数以及提升区中贴近提升板和提升板之间的物料进行计算的结 果说明，工业磨机中贴近提升板部分的物料相对量并不大，且随其直径的增大而 减少，在研究工业自磨机中物料运动的特性时，贴近提升板的物料影响可忽略不 计口 。因此对于工业磨机提升区的物料来说，运动参数应由提升板之间物料运动 的参数来决定，物料作抛落运动落回点的坐标方程( 坐标原点置于脱离点) 为 2 “： x 一2 r ( c o s a - - f o d a ) 甄n a c ds c 【( 1 + a )( 2 ) y 一一2 r ( c o 一f 。赢a ) 威。2 。i ( 1 + i )( 3 ) # 式中a 一1 + 丽百蔷面面 把自磨机中心部分作为半径为r 2 的假想匿筒型磨机来研究磨机中心部分的 物料由泻落状态转变为抛落状态的条件。在泻落状态下，物料与磨机简体一起沿 园形轨迹运动( 不考虑滑动) ，然后沿角e 的斜线滚动。磨机中心部分物料保持泻落 和抛落时的q 临界值为 2 ： 口= 2 ( 1 8 0 。一。一a )( 4 ) 2 2 自磨的碎磨机理 2 2 1 自磨机中的粉碎方式 在自磨机中，磨矿介质是被磨矿石的一部分。因此，在磨矿过程中不仅介质本 身的粒度要减小，而且必须能使磨机装料中的较细粒级得到有效的粉碎。细粒 级物料的粉碎基本上是靠破碎作用，即颗粒受应力作用和冲击作用影响使碎裂裂 隙遍及整个颗粒，导致颗粒完全地或至少部分地碎解。由于它们的粒度比磨矿介 质小，所以细颗粒所受应力作用及碎裂的出现率较低。相反，磨矿介质受到应力作 用的可能性却很大，如果每次这样的应力作用都导致矿块的完全粉碎，那么块矿 6 中南i 大硕士学位论文 太红山铁矿石自蘑介质适应性研究 的比例会迅速减小，以致磨机会完全停止磨矿。为了成功地进行自磨，磨矿介质应 从其表面逐渐磨碎，粒度慢慢减小，并使极细粒级物料的数量逐渐增加，由此保持 磨矿介质有足够大的比例，这样的粉碎方式即为磨剥。因此在成功的自磨过程中， 粒度的减小以两种主要方式出现 2 n ：粗粒级为磨剥方式，细粒级为破碎方式。在 所有粒级中，这两种方式在相当程度上是共存的。在磨剥粉碎和碎解粉碎之间有 一个过渡区，此区的界限取决于给矿的粒度分布。通常，从“全磨剥”到“全碎解”的 过渡区占有6 个2 粒级范围。即自磨机中的“临界粒度”。 根据自磨机内物料的运动形态分析，从提升衬板端面到筒壁之间的环形空 间，物料在提升衬板的直接提升下，作园形曲线运动上升。在上升过程中，矿块受 到相互之间或与衬板之间的磨剥作用；位于最内层的大块矿石，随简体作园曲线 上升，当其偏转角超过它的自然安息角时，便从这里顺着矿料自身形成的斜坡滚 下，矿块沿园曲线上升和向下滚动途中受到很大的密剥作用；居于外层的中等粒 度和较细的矿粒，随筒壁作园曲线运动提升到一定高度，然后纷纷作抛物线落下， 遭受到强烈冲击，在靠近磨机中心部分的肾形区，物料仅作蠕动，磨矿作用甚微。 2 2 2 矿石粉碎的主要原因 韦斯顿认为在于式自磨机中使矿石粉碎的主要原因有三个方面：( 1 ) 自由落 下时的冲击力；( 2 ) 由压力状态突然改变至张力状态的瞬时应力i ( 3 ) 颗粒之间的 相互摩擦口”。他曾将被粉碎矿石放入高压蒸汽箱中，然后突然除去压力，使矿石在 瞬时内由受压状态转变至张力状态而粉碎。在显微镜下观察这些颗粒的粉碎特 性，发现大部分颗粒都是沿晶粒界面粉碎的，只有少数颗粒的结晶遭到破坏。韦斯 顿据此得到两点结论：( 1 ) 使物料从受压状态突然转变至张力状态，可使物料沿晶 粒界面破裂而很少过粉碎及连生体；( 2 ) 类似状态也发生在干式自磨机中，而且是 干式自磨机中粉碎矿石的重要原因之一。但是，从现象分析，磨机的线速度是不大 的，作用在物料上的应力是逐渐消除的，并不存在“突变”。因此颗粒受应力作用状 态变化的影响主要是使其自然缺陷扩大，降低其坚固性。 狄格瑞( m d i g r e ) i s 2 讨论了自磨机的磨矿作用与棒磨和球磨的差异。他认为 在自磨机中磨碎主要是沿颗粒的边界和硬粒子的周围进行的，很少横穿粒子。在 自磨机中较之在棒磨和球磨机中，更多的是磨剥作用或者摩擦作用，而冲击作用 较少。狄格瑞的观点虽然被广泛引用 黯3 “3 ”，但与实际情况并不相符。伯格斯戴特 ( b e r g s t e d i ) 和法格瑞莫( f a s r e m o ) e 3 6 1 9 7 8 年用一台直径3 米，长0 9 米的瀑落式 自磨机作了一次很有意义的自磨研究后指出，在自磨机中破磨的枕械作用主要取 7 中南i 大硕士学位论文 太红山铁矿石自蘑介质适应性研究 决于冲击作用。当一块矿石进入磨机时，角和锐边很快就被磨掉了，接着矿石因研 磨作用而变小，直至与衬板或其它矿石相撞而使之破裂成更小的颗粒，并且又一 次被“抛光”。 宫荣章等人 3 7 对自磨机内物料运动的主要参数计算结果说明，即使自磨机在 中等转速( 1 j l = 7 6 ) 工作时，它仍然是以冲击力为主的磨矿设备，物料的运动以抛 物线运动占优势。作抛落运动的物料在落回点的总动能中，用于冲击矿石的动能 约占9 0 ，径向分速比切向分速大得多，使矿块落下时的动能迅速转变为矿石的 形变位能，有助于发生应力集中，促使矿石沿晶粒交晃面的解离。因此，自磨机的 产品有解离粒度粗，且沿晶粒交界解离占优势，过粉碎轻，选择性磨矿作用强等特 点。自磨机处理铁矿石产品，一般具有类似冲击破碎产物的特征 2 7 3 。 。 最近，b k 洛夫戴等人唧3 利用0 6 0 0 x 5 0 0 m m 的磨机( 内部全部用橡胶作衬 层) 研究了自磨作业中的磨剥问题。通过对砾石表面进行检查，并研究滚动料荷所 产生的噪声，提出磨剥作用是由于多次冲击使颗粒松驰而产生的，而不是由于表 面摩擦所产生的。这一观点还有待避一步的试验验证。 2 2 3 粗粒的粉碎机理 在预言磨矿产品时，重要的是要知道大块矿石是如何被磨小的，因为这是了 解磨机内粒度分布变化的关键，并且它影响到细粒的破碎。对粗粒来说，主要的粉 碎机理是磨剥，此外还有劈碎和断裂。 圉3 染色粒子的重量与时问的函数美系 8 中南i 大硕士学位论文 太红山铁矿石自蘑介质适应性研究 时问( 口血) 圉4 染色颗粒尺寸与时间的函数关系 曼拉皮格( e v m a l l l a p i b ) 等人p 如采用西1 8 3 0 6 l o m m 瀑落式自磨机，对粗 粒磁铁矿一黄铜矿矿石用批次磨矿的方法，对一些标有记号( 用渗透性染料染色) 的试料在重量和体积上随时间的变化进行了分析。图3 为对数直线坐标图，显 示出一个被密粒子的重量变化情况，图4 显示其轴向尺寸的相应变化。 棱角分明的粗粒矿石，在其点和角上，应力高度集中，这些区域很容易破碎， 并且这些区域受到碰撞的频率也高最初主要的破碎机理是劈碎，它使粗粒矿石 的棱角及棱边或者园形介质的冲击破碎产品的棱角及棱边很快地磨掉，颗粒重量 减小速率较快。在劈碎阶段，颞粒中长轴s 。与长辕s 。和短轴s s 的尺寸桶比减小 得较快。随着这些薄弱区被磨掉，磨剥作用变得更为突出。在这一磨矿阶段中，颗 粒重量变化较慢，三个轴向长度的减小速率几乎相等。狄格瑞曾指出，在这一磨矿 阶段中，由于摩擦力超过基岩对粒子的固结力，因而磨损了团形矿石表面上一些 单个粒子。因磨剥作用而从母岩中被磨碎下来的分布于细粒级中的物料，曼拉皮 格认为它们大部分接近于产品粒度。威克哈姆( w i c k h a m ) h 1 提出：假定粗级别物 料粒级的粒度比为2 ，如果其中某一粒级中的颗粒由于受磨剥作用而失去的重 量为x ( 占该颗粒总重的份数) ，则出现于下一个较小的2 粒级的量为( = ) 3 x ， 2 1 剩余的 1 一( ) 3 x 将以碎解粒级的形式分布于几个小得多的粒级之中。在时 2 间为t 。处，由于磨机中的大块矿石与大块矿石之阊以及大块矿石与磨机衬板之 间相互碰撞弓i 起沿矿石裂馥i 骋破碎一断裂破痨，矿藏钧羹曩簇缀突变，其轴向尺 9 + 中南i 大硕士学位论文 太红山铁矿石自蘑介质适应性研究 寸也发生相应变化。断裂破碎也可以发生在具有明显断裂面的矿石上，如果断裂 面在矿石进入磨机以前就有( 固有的或在采矿过程中产生的) ，那么断裂导致的破 碎在矿石进入磨机以后几分种内即会发生。在断裂破碎发生以后，磨剥又成为主 要的碎磨方式，磨剥速率仍保持不变，最短轴的尺寸没有发生显著的变化。 2 2 4 细粒的粉碎机理 给矿中的细粒进入磨机后，均匀地落予简体底郝中心，然后向两侧扩散。由于 简体的转动，矿石在提升衬板之间处于受压状态，随着位置迅速提高，矿石很快由 压力状态转变为张力状态。当重力克服离心力时即脱离简体以抛物线轨迹运动， 在落回点与筒体衬板之间发生强烈冲击作用，随后进入破碎区时，即遭遇到最大 压力，而通过磨剥区时又受到较粗粒转动时造成的研磨作用。应力状态的改变及 与简体村板之间的冲击使细粒矿石的裂隙网络扩展，导致颗粒完全地或至少部分 地碎解。而夹在粗粒之间或粗粒与磨机衬板之闽时可通过摩擦力面被碾碎，这种 破碎概率取决于粗细粒间的相对尺寸，粒子的形状和园度以及与磨机有关的其它 参数。 曼拉皮格等人l 2 7 “叼采用连续磨矿的测试法，分析瞬时投入磨机中的脉冲示踪 物( 9 5 纯度的3 0 0 + 2 1 2 “m 的磁铁矿) 数量上随时间而减少的变化速率，认为 细小颗粒的碎解与粗大颗粒的磨剥一样也符合一阶动力学。 2 3 湿式自磨机的选择计算 湿式自磨机的选择计算主要是磨机有用功率n 有和生产率q 的计算。 2 3 1 有用功率的计算 磨机有用功率为实际用于磨矿所消耗的功率。根据介质运动理论，有用功率 为 ： n 有= a d 2 5 l y s o( 5 ) 式中a 一常数； y 一磨机内负荷堆比重，t m 3 ； d ，l 一磨机筒体内径，有效长度，m ； s o 一无因次系数，是磨机转速率咄和充填率平的函数。 磨机转速率及充填率一定时，有用功率与磨机长度l ，负荷堆比重丫及简体直 1 0 中南i 大硕士学位论文 太红山铁矿石自蘑介质适应性研究 径的2 5 次方成正比；磨机有用功率还是转速率及充填率的函数。计算自磨机有 用功率的公式主要是以此为基础的。 自磨机有用功率的计算大多采用经验公式，这些公式可以分为两种，一种是 根据半工业试验磨机功率“按比例放大”计算工业磨机功率；另一种是按磨机尺寸 和操作条件直接计算。6 0 年代及7 0 年代初期，国外都是按半工业试验磨机有用 功率用外推法( 按比例放大) 计算工业磨机的有用功率，试验磨机的直径一般不小 于1 8 0 0 m m ，常用的一种放大公式为 | 副： n z - - - - n - ( 安) 25 ( 鲁) ( 卷) ( 宝) ( 酱) ( 6 ) 式中n 。，n 。一工业及半工业试验磨机的有用功率，k w ； d z ，d - 一工业及半工业试验磨机的有效直径，m f l 2 ，l ，一工业及半工业试验磨机的有效长度，i t i ； 她，邛，一工业及半工业试验磨机的转速率，“； p 。，p ，一工业及半工业试验磨机的以功率( ) 表示的充填率系数； y 2 蝴一工业及半工业试验磨机中物料( 半自磨时包括钢球) 堆比重，t m 3 。 美国科帕斯( k o p p e r s ) 公司 “ ，加拿大贝尔切特公司口5 等都提出了各自的放 大公式，这些公式的主要区别在于从半工业试验磨机过渡到工业磨机的直径指数 不同。试验及有关迹象表明，自磨机尤其是短筒型自磨机的功率往往大于理论公 式的计算值。这种情况的一般解释为“端壁效应”的影响0 3 ”，即磨机端部衬板对 其附近的物料起到一个附加的磨矿作用，增加了磨机功率。在一定的衬板结构形 式下，这种影响的大小取决于磨机的直径与长度之比h “：当直径大于长度时，r i 值 可达到2 5 5 2 6 ；当磨机长度大于2 倍的直径时，n 值小于理论值2 5 。料帕斯公 式提出的放大公式为h “： n 2 = n 1 ( 警) 2 “笋警 ( 7 ) 式中符号的解释同上式，适用于直径与长度比约为3 ；1 的湿式自磨机。 由于半工业磨机规格小，长度短，容易产生“端壁效应”，而工业磨机特别是长 筒型磨机u ”，其长度比半工业磨机大得多，“端壁效应”的影响不明显。因此往往造 成按半工业磨机推求工业磨机有用功率的方法误差较大。近年来许多人m 眠一，3 认 为虽然可以用半工业试验的单位净功耗计算磨矿需要的总功率，但不能按半工业 试验磨机有用功率推求工业磨机有用功率，外推法只适用于工业规格磨机之间。 基于工业磨机的外推法公式的一般形式为 1 “： n 宥= k k l k 2 y i ) m( 8 ) l l 中南i 大硕士学位论文 太红山铁矿石自蘑介质适应性研究 式中k 一常数； k ，一与磨机转速率有关的系数，如两种磨机规格相同，k ：= 1 ； k 。一与磨机充填率有关的系数，如两种磨机规格相同，k ：= 1 ； m 直径指数，湿式自磨机一般为2 5 2 6 5 ，常用2 5 。 根据磨机尺寸及操作条件直接计算磨机有用功率最具代表意义的是卡尔马 金经验公式”1 ： n i = 3 3 2y d “l 呻中o9 k c k b ( 9 ) 式中k 。一由干式磨矿转为湿式磨矿所甩系数，k c ；1 1 1 2 ； k 。一磨矿浓度系数，当磨矿浓度t ( ) 介于5 5 7 5 之间时。 k b = 0 9 3 + 0 0 0 7 ( t 一5 5 ) 计算与实测结果对比表明，该公式适用于充填率介于3 5 4 0 ，转速率介于 7 5 8 0 的条件。 瑞典法尔斯特朗( p h f a h l s t r o m ) h 叼推荐的公式为： n 有= c 1 d 2 6 l v 巾甲 ( 1 0 ) 式中c t 一常数，c ，= 4 ，5 4 7 。其它符号同前。 利用外推法计算功率时必须有试验( 或工业) 磨机的实测值，另外，磨机工作 条件也应相似，这大大限制了这类公式的应用。陈丙辰 2 刀利用计算球磨机磨矿功 耗的主要理论公式计算了自磨机的有用功率，并与实测值进行了对比。按照e w 戴维斯公式，b 列文逊公式和b a ，奥列夫斯基公式的计算结果与实测值差距较 大；按c e 安德列也夫公式和陈丙辰公式，其计算结果均与实测值比较接近。c e 安德列也夫提出的公式为哺“： n 有= 0 ，8 6 4 y v d “5 咄3 e 9 ( 1 - - k4 ) 一萼。( i - - k6 ) ( 1 1 ) 陈丙辰提出的公式 2 7 3 为： n 有= 3 4 6 5 y v d “矿( 1 一k4 ) 2 2 5 1 i 4 ( 1 + k 2 ) ( 1 2 ) 上述( 1 1 ) ，( 1 2 ) 式中，v 为磨机有效容积( m 8 ) ；k 是充填率印和转速率咄的复 杂函数，可用下式近似计算 5 1 ： k = ( 1 - - 1 2 4 6 6 薷) “5 ( 1 3 ) 2 3 2 生产率的计算 由于自磨机生产率的影响因素很多，因此至今还缺乏很完善的公式用来计算 自磨机的生产能力。在我国采用自磨工艺初期，大多根据半工业试验的结果依一 1 2 中南i 大硕士学位论文 文献综述 定的扩大指标进行推算。在其它条件相同的情况下，自磨机的生产率与磨机直径 的n 次方及长度成正比，经验公式为”： q = q o ( 芋p ( 1 4 ) 式中q ，qo 一工业及试验磨机的生产率，t h ； d ，d o 一工业及试验学机的有效直径，m ； l ，l 一工业及试验磨机的有效长度，m ； n 一直径指数，湿磨时通常取2 6 。 利用( 1 4 ) 式推算设计选用工业磨机的生产率时，不仅要求其几何形状与工业 试验磨机相似，而且生产条件( 转速率讪，充填率印，磨机排矿格子板的格孔尺寸) 也应相同，还要考虑两种规格磨机给矿粒度的差异。然而实际上常常由于某种原 因发生不能保证所采取条件的情况，因此还必须根据自磨条件的变化加入修正系 数。 对于同一种矿石，半工业试验得到的单位矿石净功耗和工业磨机指标是很接 近的口3 “一”。如果半工业试验磨机的给矿及产品粒度与工业磨机相同，半工业试 验的单位矿石净功耗可直接用来计算工业磨机的生产能力；如果半工业试验与工 业磨机的给矿或产品粒度不同，则需按邦德公式进行调整得到工业磨机的单位矿 石净功耗。磨机的处理能力可由下式 4 z , 5 0 , 5 1 计算： n q 。铲蕊 ( 1 5 ) 式中w 一单位矿石净功耗；k w h t ； k 3 一安全系数，k 3 = 1 1 5 ； n 有一自磨机有用功率，k w 。 对于可采用自磨技术的小型选矿厂，可参照处理类似矿石性质的生产厂指标 确定自磨机的生产能力。翦苏联米啥诺布尔研究设计院使用“类比法”确定设计拟 选用的自磨机规格，其中计算自磨机生产能力的公式为5 “： q = k l k 2 ks k k s k 6 q d( 1 6 ) 式中q n 一类似矿山自磨机的处理能力，t h ； k 一给矿粒度变化系数； k ：一产品粒度变化系数； k s 矿石密度修正系数； k ；矿石硬度修正系数； k s 一原矿含泥变化系数； k e 球荷率修正系数。 中南i 大硕士学位论文 文献综述 2 4 自磨技术的研究和应用 自5 0 年代工业应用自磨以来，采用自磨的选厂数量越来越多，并且发展势头 不减。近十几年来，国外在自磨设备、工艺、试验及自动化控制等方面均取得了较 大进展。 2 4 1 大型自磨机的研究和应用 自磨与常规磨矿基建投资的高低分界点。一般来说取决于自磨机的大小，直 径越大，投资越省。设计人员通过技术经济比较，大致以直径8 米为分界点。如自 磨机直径小于8 米，则常规磨矿方法的投资省些；如自磨机直径大于8 米，则自磨 方法的基建投资省些【2 ，l e 。 6 0 年代，受自磨机制造的限制，自磨机的直径只有6 7 米，所以大型及特大 型选矿厂都是设置多系列甚至1 0 多个系列的生产线。7 0 年代，出现了双电动机传 动，使自磨机的直径达到9 l l 米，大大减少了选矿厂生产系列的设置。如美国铁 燧石公司希宾选矿厂 5 3 采用世界上最大的湿式自磨机，规格为0 1 0 9 7 4 5 7 m 。 一些厂矿 1 0 , 1 2 3 扩大生产时，最明显的标志之一就是以大型磨机去扩建或改造。据 不完全统计 ” ，至7 0 年代末，黑色和有色金属选矿厂采用直径8 米以上的大型自 磨机已超过7 0 台。8 0 年代以来。环形电机的出现使自磨机实现了无齿轮传动 5 “， 有效地解决了双电机传动时两台电机输入能量难以平衡的问题。1 9 9 1 年投产的智 利埃尔恩特铜矿 i d , 5 4 就采用了无齿轮传动的大型自磨机。目前，国外已能设计和 制造直径1 5 2 4 米的特大型自磨机。由于采用大型自磨机，一个生产系列处理能 力可达2 3 万t d ，选矿厂生产系列减少，有利于采用自动化控制，极大地提高了 劳动生产率。随着矿石资源盼桔竭，矿石品位下降，选矿厂规模随之扩大，采用大 型自磨机可进一步显示出自磨技术的优越性。 近年来，部分矿山安装的大型半自磨机采用变速电机驱动来处理可磨性变化 很大的矿石 5 ”。变速电机可调整磨机转速保持磨机内物料充填水平，避免钢球损 坏磨机的村板。如阿夫顿洛耐克斯铜矿 5 4 和智利的丘基卡马塔铜矿 m 3 均采用 了变速电机驱动的半自磨机。 2 4 2 湿式自磨机的长径比 湿式自磨机长径比( l d ) 的范围很宽，从0 3 到2 0 。按长径比不同，湿式自 磨机有长筒和短筒两种型式。长筒型自磨机长径比一般为1 0 2 0 ，主要应用在 南非及瑞典、挪威、芬兰等国家；短筒型自磨机长径比一般为o 3 o 5 ，主要应用 在美国、加拿大、澳大利亚、前苏联、中国等国。目前，世界上多数国家湿式自磨机 属短筒型。 中南i 大硕士学位论文 文献综述 国内外选矿界及设备制造部门对两种型式自磨机的采用持有不同观点，并各 有其理论和实践方面的依据 峨蜘。比较两种型式自磨机的工艺效果( 见表1 ) 可以 认为，就磨矿效果而言短筒型磨机要优越一些“m 踟。 表1 两种型式自磨机工艺效果的对比 影响因素短简自磨机长筒自磨机 冲击作用 较强，有利于磨矿不如短筒 较短，有利于矿浆及时排出，减少过 较长，较易过磨，适合细 矿浆在磨机内停留时间蘑，适于粗磨，但生产易波动，不易 磨，生产较稳定，易操作 操作 较易偏析，但实践上不明 物料( 或钢球) 粒度偏折不易偏析，有利磨矿 显 端壁效应明显，有利于增加功率及磨矿作用不明显 衬板磨损较快 较慢 自磨机的长径比还直接影响其造价。对大直径短筒型自磨机来说，端盖及大 齿轮的加工比较复杂，成本较高；对长筒型自磨机来说，由于两端轴承间跨距大， 因此简体需要有较大的强度，也增加了成本。美国的多尔( a a d o r ) 研究认为 6 。 ， 自磨机长径比为0 6 0 7 时，磨机内表面积即简体、端盖及其衬板的面积最小， 磨机重量及造价最低。因此就磨机的造价以及衬板磨损而言，稍长的磨机是好 的 6 1 , 6 2 。 由于两种型式自磨机在工艺效果等方面各有其优缺点，并受其制造能力，使 用习惯和经验的局限，因此，目前两种型式自磨机在国外仍然同时采用和发展。对 于短筒型自磨机，出于降低造价方面的考虑，近些年来筒体有逐渐加长的趋势，6 0 年馋长径比一般为0 3 o 4 ，7 0 年代后有些厂口“踟采用了长径比为0 5 的自磨 机。目前，国产自磨机其长径比为1 ：3 ，不管磨机规格大小或所处理的矿石性质 的差异基本如此，这显然是不合理的。国内设备制造部门应根据矿石性质及试验 结果做具体分析，对自磨机的结构型式进行适当调整。 2 4 3 自磨方式和工艺流程的改进 自磨作业有干式和湿式两种6 “。干式自磨采用风力排矿、输送和分级。由于 干式自磨机筒体短，物料在磨机中停留时间短，加上风力排矿方式具有强制排矿 作用，因此产品粒度均匀，过粉碎现象较轻，产量比相i 霹规格处理相同矿石的湿 1 5 中南i 大硕士学位论文 文献综述 式自磨机高。但干式自磨对给矿湿度要求严格，一般需添加热干燥设备，且风力 分级及输送系统复杂，因此在基建投资及能耗等方面高于湿式自磨。另外，干式 自磨还存在粉尘污染，风力系统磨损等问题。5 0 年代主要是干式自磨，6 0 年代干 式自磨和湿式自磨的应用大致各占一半，7 0 年代开始湿式自磨占主导地位，许多 选矿厂已将干式自磨改为湿式自磨口“，如美国雷伊选矿厂。有的在改扩建中采用 了湿式自磨，如卡罗尔湖选矿厂。新建工程除非在干旱缺水地区或必须干式选别 时采用干式自磨，否贝! 一般都采用漫式自磨。 自磨流程的选择主要取次于矿石性质刚。除了矿石的嵌布粒度( 决定磨矿段 数) 外，矿石在自磨过程中能否产生及如何处理临界粒度物料的积累问题是考虑 自磨流程的主要因素之一，国外磨矿专家认为，将破碎、棒磨甚至球磨等多段作 业应完成的粉磨任务集中在一个作业来完成，即一段自磨或半自磨，在经济上是 不合算的，磨矿效率也不会高，多主张两段作业l 1 。经过几十年的应用实践，自 磨流程不断变化和完善，目前用得较多的自磨流程有：半自磨一球磨( s a b ) 流 程，( 半) 自磨一球磨一破碎( a b c 或s a b c ) 流程，自磨一砾磨( a p ) 流程和 自磨一砾磨一破碎( a