东鞍山烧结厂铁精矿细磨中立磨机与球磨机的比能耗研究

瞿铁，仝丽娟，杨纪昌

1中信重工机械股份有限公司 河南洛阳 471039

2矿山重型装备国家重点实验室 河南洛阳 471039

3洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039

东鞍山铁矿石是鞍钢矿业集团的主要铁矿原料[1]之一，为典型的复杂难选铁矿石，经过多年的开采，采部逐年加深，下部难选矿入选比例增加。现该铁矿石原矿 TFe 品位约为 31.7%，主要脉石矿物SiO2含量约为 49%，铁矿物主要为赤褐铁矿，其次是磁性铁矿物，包含磁铁矿和假象半假象赤铁矿物，碳酸铁矿物含量也较高，硅酸铁含量较少。

东鞍山烧结厂的破碎磨选工艺流程为“三段一闭路破碎筛分—两段连续磨矿—粗细分选—中矿再磨—重选—强磁—分步浮选”，该工艺对于深部铁矿石的适应性愈来愈差，造成了铁精矿产品品位浮动较大，选矿效率降低。因此，为了提高选矿产能，降低成本，拟进行“磁浮”工艺升级改造，采用“两段连续磨矿—弱磁—强磁—扫强磁—再磨”工艺。该工艺要求磁铁精矿再磨粒度为 -45 μm (-325 目) 含量为 90%～ 95%，利用传统的卧式球磨机不仅达不到所要求的产品细度，而且还影响后续浮选作业的铁精矿产品指标。由于东鞍山铁矿石嵌布粒度较细，磨矿粒度须达到 -45 μm 占 90% 以上，有用铁矿物才可以达到约 80% 的单体解离，因此，再磨设备拟将原溢流型球磨机改造为立式螺旋搅拌磨机 (以下简称“立磨机”)，以满足“磁浮”工艺的选别粒度要求，从而较好地发挥选别作用，得到指标良好、全铁品位为66% 的铁精粉。且相对于溢流型球磨机，立磨机的试验磨矿能耗可有效降低约 30%，更有利于降低选矿成本，提高经济效益。

立磨机是一种高效细磨装备[2]，具有产品粒度细、磨矿能耗低、粉磨效率高等特点。该设备操作简单，占地面积小，目前已经广泛应用于有色金属矿山、贵金属矿山等工业生产领域[3]，且越来越被证明在铁精矿再磨工艺中具有良好的再磨效果。

1 磨矿试验研究

1.1 试验样品

本次试验样品为东鞍山铁矿石经过弱磁—强磁—扫强磁选后的混磁精粉，全铁品位为 42.5%，-75 μm (-200目) 含量约为 80%，样品粒度筛分分析结果如图 1 所示。

图1 试验样品粒度筛分分析结果Fig.1 Analysis results of particle size distribution of test sample

由图 1 可知该样品中 -75 μm 含量为 79.80%，-45 μm 含量为 61.91%。根据矿石单体解离度测定结果，当磨矿粒度达到 -45 μm 含量为 90.37% 时，铁矿物的单体解离度达到 78.45%；当磨矿粒度达到-45 μm 含量为 95.81% 时，铁矿石的单体解离度达到83.33%。

另外还进行了不同磨矿粒度条件下的磁选管选别试验，磁选管磁场强度为 96 kA/m，试验结果如图 2所示。

图2 不同磨矿粒度磁选精矿结果Fig.2 Results of magnetic separation of concentrate with various grinding particle size

分析图 2 可知，当磨矿产品粒度达到 -45 μm 含量为 90% 时，磁选精矿品位为 66.64%；当磨矿产品粒度达到 -45 μm 含量为 95% 时，磁选精矿品位为67.36%。因此，若想获得铁精矿品位 66% 以上，需采用细磨设备，将该混磁精粉进行再磨。

1.2 磨矿试验

本次磨矿试验分别采用φ305 mm×305 mm BOND实验室球磨机和 CSM-2.2 立磨机试验平台进行。经过2 种磨矿方法的对比研究，分析东鞍山烧结厂混磁精粉在不同磨矿条件下的磨矿效果。

球磨磨矿试验采用 Levin 试验方法[4]，该方法为干法批次磨矿，其计算能耗代表湿法开路磨矿能耗，通过磨机转速预估不同磨矿时间的磨矿能耗，可与湿法立磨机试验进行对比。在球磨机中加入 1.5 kg 的混磁精粉，磨矿介质为钢球。

立磨机试验为湿法磨矿，电动机转速为 1 400 r/min，螺旋转速为 128 r/min，磨机内装φ8 mm 的钢球，介质充填率为 60%，磨矿质量分数为 62.5%，磨机主轴连接 1 台 KTR 扭矩传感器，用以检测磨矿能耗。

磨矿试验结果如图 3 所示。分析图 3 可知，随着磨矿比能耗的增加，磨矿产品都随之变细。在相同的磨矿比能耗下，立磨机的磨矿产品粒度更细，磨矿效率更高，且随着磨矿细度的增加，二者的磨矿比能耗相差更大。当磨至产品粒度为 -45 μm 约占 95%时，球磨机的磨矿比能耗约为 10.19 kW·h/t，立磨机的磨矿比能耗约为 7.84 kW·h/t，二者相差 2.35 kW·h/t，立磨机磨矿比能耗相比球磨机的磨矿比能耗低 23%。这说明在对该混磁精粉进行细磨时，立磨机的节能优势更加明显。

图3 磨矿试验结果Fig.3 Results of grinding test

1.3 磨矿产品粒度分布

对球磨机和立磨机的磨矿产品中 -45 μm 含量约为 93% 的样品进行激光粒度分析，对比 2 种磨矿方式产品的粒度组成，结果如图 4 所示。

图4 磨矿产品激光粒度分析结果Fig.4 Laser analysis results of particle size distribution of grinding products

分析图 4 可知，在 8～ 50 μm 的粒级范围内，立磨机磨矿产品含量比球磨机高，而在小于 8 μm 的粒级范围内，球磨机磨矿产品含量比立磨机要高，立磨机磨矿产品粒度分布相对更窄。这表明球磨机磨矿产品有一部分产生了过磨，而过磨会产生的大量的矿泥，将会对后续的分级、反浮选以及浓缩过滤作业造成不利影响。

2 磨矿机理研究

分别对球磨机和立磨机进行磨矿动力学分析，以探讨立磨机对该混磁精粉的磨矿优势；从数学模型角度分析立磨机的磨矿先进性，探讨其工作原理上的优越性。

2.1 磨矿动力学分析

根据n阶磨矿动力学方程 (式 (1))，对球磨机和立磨机的磨矿结果进行数学模型计算[5]192。

式中：Ri(t) 为产品中大于粒度i的累积产率，%；Ri(0) 为入料中大于粒度i的累积产率，%；ki为i粒级的选择参数；t为磨矿时间，min；n为与物料性质有关的参数。

又由于球磨机的磨矿比能耗与转速成正比 (根据Levin 试验预测)，而磨机转速与时间成正比 (磨机转速为 70 r/min)，因此认为球磨机的磨矿比能耗与时间成正比，即

式中：EBM为球磨机磨矿比能耗；b为与磨机有关的常数，取 0.94。

立磨机试验平台的磨矿比能耗是利用 KTR 扭矩传感器进行检测的，其与磨矿时间也呈正比关系，因此

式中：EVM为立磨机磨矿比能耗；m为与磨机有关的常数，根据扭矩传感器与时间关系求出m=0.33。

将球磨机和立磨机的入料和产品粒度 (-45 μm含量) 以及磨矿时间代入式 (1)，并利用最小二乘法对k45和n进行求解，得到球磨机的磨矿动力学模型方程k45球磨=0.052，n球磨=1.49；立磨机的磨矿动力学模型方程k45立磨=0.014，n立磨=1.59。同时将式 (2) 和式 (3)代入，从而得到球磨机的磨矿动力学方程为

立磨机的磨矿动力学方程为

其中R0=39.09%，式 (2) 回归方程的相关系数为R2=0.997，式 (3) 回归方程的相关系数为R2=0.998。

将式 (4) 和式 (5) 进行线性化，可得球磨机和立磨机对该混磁精矿的磨矿时间与磨矿粒度的线性回归方程分别为

绘制二者的线性回归曲线，如图 5 所示。

图5 线性回归曲线Fig.5 Linear regression curve

将式 (6) 和式 (7) 代入式 (2) 和式 (3)，即可得到磨矿能耗与产品粒度 (-45 μm 含量) 的关系分别为

对试验结果进行磨矿动力学分析，可以得到磨矿比能耗与磨矿产品粒度之间的函数关系。根据式 (8)、(9) 则可以估算出在不同的磨矿产品粒度 (-45 μm 含量) 时，球磨机和立磨机所需的磨矿比能耗，结果如图 6 所示。

图6 磨矿产品粒度与比能耗的回归拟合曲线Fig.6 Regression fitting curve of particle size of grinding product and specific energy consumption

分析图 6 可知，在达到相同的磨矿产品粒度时，立磨机的磨矿比能耗相比球磨机更低，且随着磨矿细度的增加，二者的差异更大 (见图 7)。在达到理想的单体解离度情况下，也就是 -45 μm 含量为 95% 时，立磨机磨矿比能耗相比球磨机低 31.2%，该差异比实际检测值高约 8%。因为根据磨矿动力学分析，通过数学模型拟合公式以及最小二乘法计算出的k和n值，和实测值存在一定的差距。该分析拟合公式可作为磨矿比能耗的预测依据，具有一定的可靠性。

图7 不同磨矿产品粒度的磨矿比能耗差异Fig.7 Difference in specific grinding energy consumption of various grinding products with various particle size

2.2 立磨机节能机理分析

磨矿作用的基本原理是赋予磨矿介质一定的动力，使介质间进行相对运动，运动产生机械力作用于物料，对物料进行冲击、剪切、研磨等物理作用，从而使物料达到粒度减小的过程。

传统的滚筒式球磨机通过一定的转速旋转时[5]45，带动磨矿介质到一定的高度后下落，下落的介质冲击筒体底部，产生冲击力，同时介质在底部又受到磨机的旋转带动至一定高度后下落，在筒体内相互碰撞、滚动，又产生了强烈的研磨力，冲击力和研磨力对物料进行冲击和研磨，达到粉碎物料的目的。

立磨机是通过筒体内部的螺旋搅拌器[6]带动磨矿介质进行自转和多维循环运动，由于距离搅拌器中心轴距离不同，介质之间会有转速差，从而产生相对的剪切作用，介质在这种相互运动过程中对其周围的物料进行剪切研磨作用，达到粉磨物料的效果。

根据物料粉碎功耗学说三大理论，尤其是邦德裂缝学说[7]，物料的破碎过程消耗的功与颗粒内新生成的裂缝长度成正比，即物料破碎过程消耗的有效功越多，其内部新生成裂缝越多，越有利于物料的粉碎。而在粉磨过程中，电能转化为磨机的机械能[5]84，又转化为介质的机械能，最后转化为物料的表面能时，会有大量能量损失，因此电能转化为最终的物料表面能效率越高，对于物料的粉碎效果则越好，同时也更加节能。

对比 2 种磨机的磨矿机理发现，球磨机的主要研磨方式为冲击和研磨作用，冲击作用于物料时具有一定的“随机性”，介质被抛落时，并非每一粒介质都能作用于物料从而产生粉碎作用。尤其在再磨或者细磨时，物料粒度很细，介质对其的冲击作用更显得随机而低效。直径较大的介质冲击能量大，由于接触面很小，不能有效作用于细颗粒；而直径较小的介质冲击能量小，对于细颗粒的作用力度小，也不能产生有效的冲击粉碎作用。因此推测球磨机中冲击粉碎作用对细粒级粉碎效率极低，亦即机械能转化为物料的表面能效率极低。因此球磨机在细磨或再磨过程中，主要的粉碎方式为介质之间的研磨作用，一大部分的冲击作用几乎在做无用功，能量损失巨大。此外，由于钢球的随机冲击作用，球磨机极易产生过磨现象，影响后续作业。

而立磨机的主要研磨机理为剪切研磨作用，内部螺旋搅拌器时刻带动介质进行多维循环运动，介质之间的速度差对于充填于其中的物料具有高效的研磨作用，细粒级物料在介质之间几乎无时无刻不被研磨，其能量转化为物料表面能的效率也较高。因此立磨机对于该混磁精矿的磨矿效率更高，同时节能效果也更加明显。

3 生产工艺分析

东鞍山烧结厂改造项目的再磨反浮选 (磁浮) 工艺如图 8 所示，按照可行性研究试验，要求磁选精矿再磨粒度为 -45 μm 占 90%～ 95%，才能达到铁矿物单体解离度约为 80%，此时的反浮选扩大连选试验产品可获得铁精矿品位为 66.45%、金属回收率为 78.30%、浮选尾矿品位为 18.47% 的良好指标。

图8 东鞍山烧结厂拟采用的再磨反浮选工艺Fig.8 Regrinding reverse flotation process to be applied in Donganshan Sintering Plant

要想获得良好的分选指标，关键的技术手段在于粉磨作业充分研磨，使有用矿物达到充分良好的单体解离度。根据本试验研究结果，采用立磨机作为混磁精矿再磨设备，可获得良好的磨矿效果以及更低的磨矿能耗，预计立磨机的磨矿能耗将比球磨机低约30%。

4 结论

(1) 对东鞍山难选铁矿石进行“磁浮”工艺改造，可优先考虑使用立磨机作为再磨设备，立磨机不仅具有磨矿效率高、占地面积小、设备操作简单等优势，相较于传统的滚筒式球磨机，其再磨比能耗可降低约30%，有利于降低选厂选矿成本，提高经济效益。

(2) 随着磨矿产品粒度的变细，立磨机相对于球磨机表现出更加节能的磨矿优势，磨矿产品粒度 -45 μm 含量从 70% 增加至 95%，立磨机磨矿比能耗相对降低变化率从 25% 提高至 31%，且节能效果随磨矿细度的增加更加明显。

(3) 立磨机相对于球磨机，其磨矿产品粒度分布更窄，不易产生过磨现象，因此对于后续的分选和浓缩过滤作业更加有利。

(4) 对立磨机试验结果进行磨矿动力学分析可知，入料粒度与产品粒度之比的双对数与磨矿时间的对数呈线性关系，同时由于磨矿比能耗与磨矿时间成正比，可根据该线性关系推测磨矿至不同的产品粒度时的磨矿比能耗，能较为准确地预测达到目标产品粒度时的磨矿比能耗，有助于工业设备的选型计算和功率的准确预测。