半自磨流程的優(yōu)化措施研究
發(fā)布時間： 2017/7/26 15:58:59
半自磨流程的優(yōu)化措施研究
半自磨流程以其粉塵少、流程短、便于實現(xiàn)自動化控制以及易于處理泥化礦石等優(yōu)點，在國外大型礦山上已得到廣泛應(yīng)用。近十幾年來，國內(nèi)一些大型礦山也開始采用半自磨流程，如安徽銅陵冬瓜山銅礦 13 000 t/d 半自磨流程、江銅德興銅礦大山選廠 22 500 t/d 半自磨流程、中國黃金集團(tuán)烏山一期 30 000 t/d 和二期 35 000 t/d 半自磨流程、中國黃金集團(tuán)甲瑪銅礦二期 40 000 t/d 半自磨流程、太鋼袁家村鐵礦 66 700 t/d 半自磨流程、陜西金堆城汝陽東溝鉬礦 20 000 t/d 半自磨流程及中鐵資源伊春鹿鳴鉬礦 50 000 t/d 半自磨流程等。隨著這些項目的投產(chǎn)應(yīng)用，半自磨流程的優(yōu)化提產(chǎn)將是礦山生產(chǎn)中的一個重要課題，通過流程優(yōu)化，能大大提高半自磨系統(tǒng)的產(chǎn)能。例如智利的COLLAHUASI 銅礦通過對襯板形狀、礦漿提升器、圓筒篩和鋼球充填率進(jìn)行優(yōu)化，3 條半自磨生產(chǎn)線的處理能力都得到大幅度提高，同時也延長了襯板的使用壽命，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
筆者針對半自磨流程的給料、磨礦、排料及分級等環(huán)節(jié)，探討該流程的優(yōu)化措施，并結(jié)合磨礦理論，深入分析這一些優(yōu)化措施對磨礦效果的影響，為半自磨流程工藝參數(shù)的合理制定提供理論指導(dǎo)，也為產(chǎn)能的優(yōu)化提供可行的參考建議。
1 半自磨機(jī)給料粒度的優(yōu)化
1.1 給料粒度對產(chǎn)能的影響
通過對國內(nèi)部分礦山的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前有些礦山還存在一種觀念，認(rèn)為半自磨機(jī)的給料粒度越粗越好。這種觀念源自自磨機(jī)的使用經(jīng)驗，因為對于自磨機(jī)，一些大塊的礦石要充當(dāng)研磨介質(zhì)，因此要求自磨機(jī)的給料要粗。但是若將自磨機(jī)給料的使用經(jīng)驗應(yīng)用于半自磨機(jī)流程中，將會造成相反的結(jié)果。對于半自磨機(jī)，已經(jīng)有鋼球作為磨礦介質(zhì)，因此給料越細(xì)越好，尤其是對于硬度較大的礦石，給料粒度對半自磨機(jī)的處理量和能耗影響更大。
CITIC SMCC 公司技術(shù)顧問 S. Morrell 博士結(jié)合某礦山進(jìn)行了半自磨機(jī)給料粒度對產(chǎn)能影響的研究，結(jié)果如圖 1 所示。隨著半自磨機(jī)給料粒度的增大，其比能耗增加，而處理量降低。因此，在半自磨流程中，為了提高處理能力，降低能耗，應(yīng)盡可能減小給料粒度。
圖 1 某礦山給料粒度對半自磨機(jī)的影響
1.2 給料粒度的影響因素
采礦場爆破后的礦石經(jīng)過一段破碎機(jī)的粗碎，輸送至料堆，然后通過給料機(jī)、帶式輸送機(jī)再輸送至半自磨機(jī)的給料漏斗中，因此半自磨機(jī)的給料主要受以下幾個因素的影響。
(1) 采礦時的爆破方式 爆破也是礦石的一道破碎工序，爆破方式選擇是否合理、安放炸藥量的多少都直接影響爆破后礦石的粒度組成，尤其是對細(xì)粒級含量的影響更大。圖 2 所示為不同爆破強(qiáng)度對礦石的粒度分布影響，顯然，高強(qiáng)度爆破后，礦石的粒度更細(xì)，更適和半自磨機(jī)的給料粒度要求。
圖 2 不同爆破強(qiáng)度對礦石的粒度分布影響
(2) 礦石自身的硬度 礦石的節(jié)理組成及其自身的硬度對半自磨機(jī)給料粒度的影響很大，礦石的硬度越大，越難被破碎機(jī)破碎，進(jìn)入半自磨機(jī)的物料粒度越粗。
(3) 一段破碎機(jī)緊邊排礦口寬度 一段破碎機(jī)緊邊排礦口寬度影響破碎機(jī)的產(chǎn)品粒度，從而影響半自磨機(jī)的給料粒度，尤其對大顆粒物料的粒級影響更大。緊邊排礦口尺寸越小，產(chǎn)品粒度越細(xì)，則半自磨機(jī)的給料粒度越細(xì)。
1.3 降低半自磨機(jī)給料粒度的措施
針對上述半自磨機(jī)給料粒度的影響因素，在礦石硬度一定的情況下，可以通過以下措施降低半自磨機(jī)的給料粒度。
(1) 采礦時，選擇合理的爆破方式，包括炸藥種類、數(shù)量和分布等，優(yōu)化爆破設(shè)計，使爆破后的礦石中含有更多的細(xì)粒級顆粒。
(2) 調(diào)整一段破碎機(jī)緊邊排礦口尺寸，在保證一段破碎機(jī)處理能力和襯板消耗的前提下，盡可能減小緊邊排礦口尺寸。由于破碎機(jī)的能耗要比半自磨機(jī)低，這樣不僅能降低半自磨機(jī)的給料粒度，同時也能降低能耗。
(3) 對一些特別硬的礦石，增加二段破碎工藝，以降低半自磨機(jī)的給料粒度。
降低半自磨機(jī)的給料粒度，能大幅度提高半自磨流程的產(chǎn)能。Newmont金礦于 2009 年對采礦爆破方式 (爆破鉆孔的孔徑和炸藥的類型) 及一段破碎機(jī)排礦口尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，大大降低了半自磨機(jī)的給料粒度，優(yōu)化后系統(tǒng)處理量增加了 18%。加拿大 Agnico-Eagle 公司的 Goldex 金礦由于半自磨系統(tǒng)不達(dá)產(chǎn)，于 2008 年在半自磨機(jī)前增加了二段破碎機(jī)，從而降低了半自磨機(jī)的給料粒度，使系統(tǒng)處理量增加了 36.7%。
2 鋼球直徑和充填率的優(yōu)化
半自磨機(jī)能得到廣泛應(yīng)用的一個重大原因就是其具有適應(yīng)礦石硬度變化的靈活性，這種特性正是通過改變鋼球直徑和充填率才得以實現(xiàn)的。因此，在半自磨流程中，優(yōu)化鋼球直徑和充填率也是提高系統(tǒng)產(chǎn)能的一個重要途徑。
2.1 鋼球直徑對半自磨機(jī)磨礦的影響
由于半自磨機(jī)的給料粒度較大，所以對物料的破碎起關(guān)鍵作用的是高能級的沖擊破碎，因而需要增大半自磨機(jī)的鋼球直徑來增加高能級的沖擊破碎效果。增大鋼球直徑對礦石的破碎效果的影響有兩種：其一，可增加鋼球?qū)挝坏V石的沖擊破碎能量，提高礦石的破碎效果；其二，在同樣的鋼球充填率下，鋼球的數(shù)目減少，礦石被破碎的頻次降低，即降低了礦石被破碎的頻率。因此，大幅增加鋼球直徑會增加礦石的處理能力，但同時又會使半自磨機(jī)的產(chǎn)品粒度變粗，造成下游磨礦球磨機(jī)的負(fù)荷增加；而且過大直徑的鋼球?qū)δC(jī)襯板以及筒體的沖擊增大，降低了襯板的使用壽命，甚至造成襯板過早失效，不僅增加了磨機(jī)的非正常停機(jī)時間，還會影響到磨機(jī)的筒體壽命。因此，對半自磨機(jī)鋼球直徑的選擇需要根據(jù)具體情況合理選擇。
2.2 鋼球充填率對半自磨機(jī)磨礦的影響
鋼球充填率對不同粒級物料的破碎效果不同，如圖 3 所示。從圖 3 可以看出，在處理 0.1 ~ 1.0 mm 粒級的物料時，鋼球充填率越高，破碎效率越低；但在處理大于 10 mm 粒級的物料時，鋼球充填率越高，破碎效率越高。
圖 3 鋼球充填率與破碎效率的關(guān)系
提高鋼球充填率，最主要是增加了粗粒級物料的破碎效果，因此，增加鋼球充填率會大幅度提高系統(tǒng)的產(chǎn)能。例如 Batu Hijau 礦，于2002年將鋼球充填率由 14% 提高到 18%，系統(tǒng)的處理量增加了 5%～10%，目前該礦鋼球充填率穩(wěn)定在 16%～18%。但是增加鋼球充填率，產(chǎn)品的粒度將變粗，在系統(tǒng)優(yōu)化時應(yīng)該注意到這點，因為半自磨機(jī)產(chǎn)品粒度變粗，將會增加后續(xù)球磨機(jī)的磨礦負(fù)荷。
3 半自磨機(jī)襯板形狀的優(yōu)化
磨機(jī)襯板一方面為磨機(jī)提供耐磨表面；另一方面，磨機(jī)轉(zhuǎn)動時，通過筒體襯板的提升作用帶動物料、鋼球運動，實現(xiàn)粉磨作用，因此襯板的設(shè)計對于磨機(jī)破碎、磨礦效果影響非常大。如伊朗的 GOL-E-GOHAR 鐵礦，將襯板優(yōu)化后，磨機(jī)的處理量增加 27%。目前襯板形狀的優(yōu)化研究已經(jīng)成為專項課題，襯板設(shè)計的豐富經(jīng)驗和日趨成熟的計算機(jī)模擬技術(shù)都被用于襯板設(shè)計及優(yōu)化中。襯板優(yōu)化的目的主要有兩個：一是增加鋼球和物料的提升效果；二是改變鋼球的運動軌跡，在提高粉磨效果的前提下，充分保護(hù)筒體襯板。襯板形狀的優(yōu)化主要包括以下幾個方面。
3.1 提升條間距設(shè)計
在半自磨機(jī)運行過程中，一些松散的物料會黏附在襯板提升條之間的空隙中，這些物料越聚越多，最終永久性地粘在一起，稱之為物料“包裹”現(xiàn)象，如圖 4 所示。
圖 4 筒體襯板提升條空隙的物料“包裹”現(xiàn)象
物料包裹的存在減少了筒體襯板提升條的有效高度及磨礦空間，減小了襯板提升鋼球和物料的能力，削弱了半自磨機(jī)的沖擊破碎作用，降低了磨礦效率，造成處理能力的下降。筒體襯板提升條間隙有無包裹現(xiàn)象時的物料運動軌跡如圖 5 所示。實點線表示無包裹現(xiàn)象時的物料運動軌跡；虛點線表示有包裹現(xiàn)象時的物料運動軌跡。很明顯，在有包裹發(fā)生時，物料及鋼球被提起的高度降低，且下落后不能被拋落到“趾部”區(qū)域，降低了物料被破碎的效果。
圖 5 筒體襯板有無包裹現(xiàn)象時的物料運動軌跡
一些大磨機(jī)為了最大程度發(fā)揮提升條的作用，都力圖消除這種物料包裹現(xiàn)象，因此需要對筒體襯板的設(shè)計做一些改進(jìn)。研究表明，增大提升條之間的間距，將會大大減少提升條之間包裹的形成，因此目前一些大磨機(jī)襯板逐步采用寬間距的提升條設(shè)計，以減少包裹現(xiàn)象的發(fā)生。
3.2 提升條高度設(shè)計
半自磨機(jī)的鋼球直徑較大，所以提升條的高度較高，目的是增加鋼球被提升的效果，進(jìn)而增加磨機(jī)的破碎效果。提升條的高度與最大鋼球的直徑有關(guān)，選擇不同的最大鋼球直徑，需要對襯板提升條的高度作出合理的選擇。
3.3 提升條面角設(shè)計
決定鋼球運行軌跡的關(guān)鍵因素是提升條的面角。合理的面角使鋼球落在磨機(jī)的“趾部”區(qū)域，這樣既能使鋼球的沖擊破碎效果達(dá)到最大化，又能避免鋼球?qū)σr板直接造成沖擊破壞。
借助計算機(jī)模擬技術(shù)，將離散元方法 (DEM) 應(yīng)用于筒體襯板提升條的設(shè)計中，結(jié)果表明，改變提升條的面角，能夠改變鋼球的拋落軌跡。圖 6 為不同提升條面角下鋼球的拋落軌跡，隨著面角的增大，鋼球的落點降低，更靠近磨機(jī)的“趾部”區(qū)域。
圖 6 不同提升條面角下鋼球的拋落軌跡
4 排料端格子板開孔的優(yōu)化
排料端格子板開孔設(shè)計不合理，不僅會使磨機(jī)筒體內(nèi)出現(xiàn)礦漿池現(xiàn)象，嚴(yán)重的還會出現(xiàn)“脹肚”現(xiàn)象，在生產(chǎn)中表現(xiàn)為產(chǎn)品粒度過細(xì)，產(chǎn)量較低。磨機(jī)排料端襯板的格子孔優(yōu)化需要注意以下幾個問題。
4.1 開孔位置
半自磨機(jī)在旋轉(zhuǎn)過程中，礦漿并非 100% 充滿到物料和鋼球的間隙中，而是從物料的最外層 (緊鄰磨機(jī)筒體的物料層) 向內(nèi)層充滿，因此，應(yīng)將格子孔的開孔位置開到排料端襯板的最外邊，保證低料位排料，這樣才能加快磨機(jī)的排料速度。圖 7 顯示排料端襯板的最外邊沒有開格子孔，且開孔比例過小，導(dǎo)致排料不暢，造成筒體內(nèi)出現(xiàn)礦漿池現(xiàn)象。
圖 7 半自磨機(jī)筒體內(nèi)形成礦漿池
4.2 開孔面積和開孔比例
如果排料端襯板上的格子孔和頑石孔的開孔面積或者開孔比例過小，也會使半自磨機(jī)排料不暢，因此，半自磨機(jī)排料端的開孔面積和開孔比例必須經(jīng)過嚴(yán)格計算，以保證礦漿的通過能力。
4.3 增加頑石孔
對于一些硬的礦石，在磨礦過程中可能會產(chǎn)生大量的30～70mm 粒徑的頑石，這些頑石需要及時排出，通過頑石破碎機(jī)進(jìn)行破碎。如果在半自磨機(jī)的排料端沒有開設(shè)頑石孔或者頑石孔的開孔比例過小，則會在磨機(jī)筒體內(nèi)集聚大量的難磨難破的頑石，造成磨機(jī)處理能力大大降低。在一些礦山，有的磨機(jī)的格子孔全部為大的頑石孔，如澳大利亞的 Cadia 金礦，由于礦石較硬 (JK 落重試驗參數(shù) A×b＝37.0)，頑石量較大，磨機(jī)排料端格子孔全部為 70 mm 的頑石孔。
5 礦漿提升器的優(yōu)化
被磨碎了的礦石通過格子孔或者頑石孔排至排料腔，然后由礦漿提升器提至一定的高度后流向排料端中空軸排出磨機(jī)筒體。如果礦漿提升器設(shè)計不合理，提升能力達(dá)不到設(shè)計的通過量，則會造成礦漿回流、礦漿遺留、頑石遺留和頑石回流等情況 (見圖 8)，嚴(yán)重影響礦漿的排出，造成礦漿在筒體內(nèi)集聚，形成礦漿池，大大降低磨礦效率，進(jìn)而降低磨機(jī)的處理能力。當(dāng)磨機(jī)的轉(zhuǎn)速較高時，或者是采用單段半自磨、自磨流程時，更易出現(xiàn)這些情況。
圖 8 礦漿和頑石遺留在礦漿提升條上
5.1 礦漿提升條形狀優(yōu)化
針對上述礦漿回流、頑石回流等現(xiàn)象，國外某公司開發(fā)了一項新的礦漿提升條專利設(shè)計，用于防止回流的發(fā)生，如圖 9 所示。將礦漿提升條分成兩部分，即格子部分 (GS) 和傳動部分 (TS)，兩部分通過開孔連接起來。隨著磨機(jī)的轉(zhuǎn)動，通過格子孔的礦漿先流入 GS 區(qū)域，接著沿箭頭指向的通道流入 TS 區(qū)域，一旦礦漿進(jìn)入 TS 區(qū)域，就再也不會與排料格子板接觸，從而阻擋了礦漿的回流。
圖 9 礦漿提升條新型專利設(shè)計
美國鋁公司的 9 臺半自磨機(jī)都是應(yīng)用單段半自磨流程，由于返砂量大，礦漿的流量增大，原來的礦漿提升器能力受限，導(dǎo)致半自磨機(jī)內(nèi)的礦漿池現(xiàn)象嚴(yán)重。后來全部更換成這種專利設(shè)計的新礦漿提升條，礦漿池現(xiàn)象隨之消失，半自磨機(jī)產(chǎn)量增加了 15%。
5.2 其他優(yōu)化措施
普通的礦漿提升器多采用輻射狀設(shè)計，可以通過加大提升條的寬度、增加提升器型腔的有效容積 (見圖 10) 及改變礦漿提升條的布排方式 (見圖 11) 來提高礦漿的提升能力。
圖 10 增大礦漿提升器型腔的有效容積
圖 11 礦漿提升條的布排方式
6 旋流器的優(yōu)化
在閉路流程當(dāng)中，分級工序極為重要，在很大程度上影響著磨礦效率和下游工序的工藝。對于半自磨流程，不管是單段半自磨流程，還是半自磨-球磨流程，磨礦的最終產(chǎn)品多數(shù)都通過水力旋流器的分級作用，由溢流端排出合格產(chǎn)品，而底流產(chǎn)品返回磨機(jī)再磨。因此，旋流器的分級效率對整個半自磨流程影響很大，不合格的旋流器將會導(dǎo)致滿足粒度要求的產(chǎn)品不能及時排出，而再次返回磨機(jī)，出現(xiàn)過磨現(xiàn)象，同時過大的返砂量也會降低系統(tǒng)的產(chǎn)能。因此，旋流器的優(yōu)化是半自磨流程優(yōu)化的一項重要措施，旋流器的分級效果與其結(jié)構(gòu)參數(shù) (旋流器的進(jìn)料口形狀和尺寸、旋流器的直徑 (即圓柱體直徑)、圓柱體的長度、溢流管的直徑和插入深度、底流口直徑以及錐角等) 和工藝參數(shù) (進(jìn)料中顆粒的粒度和形狀，進(jìn)料密度、濃度和黏度以及進(jìn)料壓力) 有關(guān)。在對旋流器的分級工藝優(yōu)化時，要多進(jìn)行流程取樣工作，聯(lián)合旋流器生產(chǎn)廠家開展優(yōu)化工作。
7 結(jié)論
(1) 針對半自磨流程進(jìn)料、磨礦、排料和分級各個工藝環(huán)節(jié)，結(jié)合磨礦理論，深入分析了相關(guān)磨礦工藝參數(shù)對磨礦工藝的影響規(guī)律，為合理制定半自磨流程的工藝參數(shù)提供理論指導(dǎo)。
(2) 探討了半自磨流程優(yōu)化的一些重要措施，為實現(xiàn)半自磨流程的優(yōu)化提產(chǎn)提出了明確的途徑，可以在生產(chǎn)實踐中實現(xiàn)半自磨流程的產(chǎn)能最大化。
(3) 半自磨工藝流程的優(yōu)化工作是一項系統(tǒng)工程，在對半自磨機(jī)的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時，既要考慮上游工藝中破碎機(jī)參數(shù)的調(diào)節(jié)能力，同時還要考慮對下游工藝球磨機(jī)負(fù)荷的影響，要在保證最終磨礦產(chǎn)品粒度的前提下，提高半自磨系統(tǒng)的處理能力，實現(xiàn)優(yōu)化提產(chǎn)的目標(biāo)