郑金香，任文礼,2， 陈国岩， 施建军

(1.鞍钢集团齐大山铁矿，辽宁 鞍山114002；2.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063009；3.东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)



齐大山铁矿石适宜介质尺寸试验

郑金香1，任文礼1,2， 陈国岩1， 施建军1

(1.鞍钢集团齐大山铁矿，辽宁 鞍山114002；2.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063009；3.东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

球磨机；最佳介质尺寸；窄级别；磨矿速率

针对齐大山铁矿一段球磨机处理能力低的现象，以细碎排矿为研究对象，展开对窄级别给矿最佳介质尺寸优化试验研究。将原矿分成+6 mm、-6+2 mm、-2 mm 3个窄级别，采用Φ460 mm×600 mm球磨机对每个窄级别都分别进行不同尺寸的单一直径球介质磨矿试验。运用磨矿动力学，通过对各窄级别不同球介质的平均磨矿速率的分析，确定+6 mm、-6+2 mm、-2 mm粒级最适宜介质尺寸分别为100 mm、80 mm、70 mm，为工业试验提供了参考。

磨矿在选矿工业中具有非常重要的地位，在磨矿作业众多影响因素中，磨矿介质是磨矿效率和磨矿产物粒度最显著、最直接的影响因素之一。因此，磨矿介质优化在生产实践中备受关注[1-5]。磨矿过程是一个矿石粒度不断减小，矿石比表面积持续增大的动态过程。根据热力学原理，比表面积增大是一个内能增加的过程，这个过程不能自发进行，需要依靠外界对矿石做功来实现。磨机通过磨矿介质对矿石做功，使矿石内能增加而发生变形，当变形达到极限时即发生碎裂现象。因此，在磨矿过程中，介质实际上充当能量的载体，传递能量，介质尺寸的合适与否直接决定着能量传递的精确性，从而显著改善磨矿过程、提高磨矿效率、优化磨矿指标[6-7]。

齐大山铁矿选矿车间一段Φ5.59 m×8.83 m球磨机生产过程生产率、处理能力等技术参数一直未达到设计指标，造成磨矿能耗较高、生产能力较低。本文从优化齐大山一段磨矿介质尺寸出发，提出了一种用磨矿动力学模型求适宜钢球球径的方法[7]，即采用窄粒级给料和单一尺寸介质磨矿的试验方法研究了各种给料条件下的最佳介质尺寸，并对磨矿后产品进行磨矿动力学分析[8-9]，为齐大山工业试验提供参考。

1试验原料及研究方法

1.1试验原料

矿样为取自鞍钢矿业集团齐大山铁矿细碎排矿。矿样的化学多元素分析结果如表1所示，XRD分析结果见图1，粒度筛分结果见表2。

表1　齐大山铁矿化学多元素分析(%)

图1　原矿的XRD分析

从表1可以看出，矿石中TFe品位为31.13%，FeO含量为7.90%，SiO2含量为51.35%，自然碱度为0.055，属酸性矿石，有害元素硫、含量较低，分别为0.13%、0.032%。试验结果表明，该矿主要有价元素为铁，主要杂质成分为SiO2、Al2O3、CaO、MgO等。

从图1可见，矿石中含铁矿物主要有磁铁矿和赤铁矿，脉石矿物主要为石英和浅闪石。

表2　试样粒度分析详细试验结果

根据试样筛分结果，为了使每次试验所需窄级别比例大体一致，将原矿样筛分成+6 mm、-6+2 mm、-2 mm 3个窄级别，分别作为磨机给料，结果如表3所示。

表3　齐大山球磨给矿粒度筛分结果

1.2研究方法

采用东北大学选矿实验室Φ460 mm×600 mm型球磨机，有效容积为0.089 m3，磨机转速52 r/min，充填率为26%，料球比为0.6，干式磨矿，磨矿介质均为圆球形钢球。对于任一窄级别给料，分别采用不同尺寸介质进行不同时间的批次磨矿试验。其中每次试验矿量和球量分别按式(1)和式(2)计算。经计算，各批次磨矿试验每次加矿量和加球量分别为13.75 kg和120.86 kg。

加矿量G=V有效Φ介×η×χ×δ堆

(1)

加球量W=V有效×Φ介δ球堆

(2)

式中V有效为球磨机有效容积，m3；Φ介为介质充填率；δ堆为矿石堆密度，t/m3；δ球堆为介质堆密度，t/m3；η为球间孔隙率；χ为料球比。

根据试验结果，按磨矿动力学方程分别计算出+6 mm粒级(以+6 mm为考查指标)、-6 mm+2 mm(以+2 mm为考查指标)、-2 mm粒级(以+0.074 mm为考查指标)在不同尺寸单一直径球介质磨矿试验粗颗粒消失速率，即磨矿速率k值，最后通过比较各窄级别不同球径在不同磨矿时间的平均磨矿速率，从而得出结果。磨矿动力学公式如式(3)所示

R=R0e-kt

(3)

取式(3)一次对数，得

磨矿速率:

(4)

式中，R为经过时间t后，磨矿产品中大于指定粒级颗粒的含量，%；R0为给料中中大于指定粒级颗粒的含量，%；k相当于大于该指定粒级颗粒被粉磨的选择函数；t为磨矿时间。

2一段球磨适宜球介质尺寸优化试验

2.1+6 mm 粒级最适宜尺寸实验

+6 mm 粒级分别进行Φ100 mm、Φ90 mm、Φ80 mm 3种不同直径球的试验，其中Φ100 mm试验磨矿时间为2～8 min；Φ90 mm和Φ80 mm磨矿时间均为3～10 min。结果如图2所示。

图2　+6 mm粒级矿石不同球径磨矿速度曲线

根据图2可知，+6 mm粒级Φ100 mm、Φ90 mm单球径试验磨矿速率在磨矿时间2 min到8 min内，分别由0.627 346、0.507 698下降至0.354 124、0.291 006，Φ80 mm单球径试验磨矿速率在磨矿时间3 min到10 min内，由0.448 279下降至0.209 927，并且磨矿速率在相同时刻均存在Φ100 mm>Φ90 mm>Φ80 mm，以平均磨矿速率为依据，可知Φ100 mm球介质磨矿效果最好。因此，+6 mm最佳介质尺寸为100 mm。

2.2-6+2 mm粒级最适宜尺寸试验

-6+2 mm粒级分别进行Φ90 mm、Φ80 mm、Φ70 mm 3种不同直径球的试验，其中Φ90 mm、Φ80 mm、Φ70 mm试验磨矿时间均为1～4 min，试验结果如图3所示。

图3　-6+2 mm粒级矿石不同球径磨矿速度曲线

由图3可知，-6+2 mm粒级Φ90 mm、Φ80 mm和Φ70 mm单一球径试验磨矿速率随时间呈小幅上升，但变化不大，可以认为磨矿速率基本在1 min到4 min内处于同一水平，以平均磨矿速率为考查指标，Φ90 mm、Φ80 mm和Φ70 mm的平均磨矿速率分别为0.616 652、0.675 835、0.671 336综合考虑，确定-6+2 mm粒级Φ80 mm球介质磨矿效果最好。因此，-6+2 mm最佳介质尺寸为80 mm。

2.3-2 mm粒级最适宜介质尺寸试验

-2 mm粒级分别进行Φ80 mm、Φ70 mm、Φ60 mm 3种不同直径球的试验，磨矿时间均为2～8 min，试验结果如图4所示。

图4　-2 mm粒级矿石不同球径磨矿速度曲线

根据图4可知，以 -2 mm粒级Φ80 mm、Φ70 mm、Φ60 mm单一球径试验磨矿磨矿速率分别从2 min时的0.028 697、0.069 981、0.059 879下降至8 min时的0.019 527、0.055 561、0.024 307，综合考虑不同介质尺寸磨矿平均速率，从Φ80 mm到Φ60 mm，平均磨矿速率先快速上升再缓慢下降，在Φ70 mm球介质平均磨矿速率最大，其次是Φ60 mm，Φ80 mm平均磨矿速率最低。因此可知，对于-2 mm粒级的矿物，最佳介质尺寸为70 mm。

3结论

(1)+6 mm粒级Φ100 mm、Φ90 mm单球径试验在磨矿时间2 min到8 min内，磨矿速率分别由0.627 346、0.507 698下降至0.354 124、0.291 006，Φ80 mm单球径试验在磨矿速率从3 min时的0.448 279下降至10 min时的0.209 927，确定+6 mm最适宜球径为100 mm；

(2)-6+2 mm粒级Φ90 mm、Φ80 mm和Φ70 mm单一球径试验磨矿速率随时间变化不大，确定-6+2 mm最适宜球径为80 mm；

(3)-2 mm粒级Φ80 mm、Φ70 mm、Φ60 mm单一球径试验在磨矿时间2 min到8 min内，磨矿的磨矿速率分别从0.028 697、0.069 981、0.059 879下降至0.019 527、0.055 561、0.024 307，确定-2 mm最适宜球径为70 mm。

(4)窄级别最佳介质尺寸试验得出3种不同尺寸最佳磨矿介质，磨矿是一个多种不同尺寸介质共同起冲击和磨削作用的过程，因而，后续介质配比试验可以考虑搭配Φ50 mm、Φ40 mm或者更小球径的介质。

[1]于福家,韩跃新.磨机细磨介质优化研究[J].金属矿山,1997(03):29-31.

[2]何建璋.锂辉石磨矿中球径和补加球制度的合理选择[J].新疆有色金属,1997(04):24-26.

[3]段希祥.提高磨矿过程中矿物单体解离度及改善磨矿产品质量研究[J].有色金属,1998(03):33-38.

[4]段希祥.球磨机的钢球尺寸探讨[J].有色金属(选矿),1983(05):52-57.

[5]吴明珠.磨矿动力学在磨矿操作中的应用[J].有色金属(选矿), 1989(05):10-15.

[6]马少健,陈建新,胡志流.窄粒级物料磨矿最佳尺寸介质研究[J]. 矿产保护与利用,2000 (05),34-38.

[7]陈炳辰.磨矿原理[M]. 北京：冶金工业出版社,1989.

[8]刘炯天,樊民强,试验研究方法[M]. 徐州：中国矿业大学出版社,2006:195.

[9]于福家,印万忠,刘 杰,等. 矿物加工实验方法[M].北京：冶金工业出版社,2010:25-27.

Experiment on Optimum Media Size for Qidashan Iron Ore

ZHENG Jin-xiang1, REN Wen-li1,3, CHEN Guo-yan1, SHI Jian-jun1

(1.Qidashan Mineral Processing Plant of Anshan Iron and Steel Group, Anshan Liaoning 114002, China;2.College of Mining Engineering,North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063009,China;3.College of Resources and Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang Liaoning,110819,China)

ball mill;optimum size of media;narrow size;grinding efficiency

In view of low processing capacity of ball mill in the first grinding from Qidashan iron ore, taking fine crushing ores as study object, study on optimum media size of single size feed was conducted. The Ore was divided into three single sizes of +6 mm, -6+2 mm and -2 mm, in which Φ460 mm×600 mm ball mill was used to study optimum size media of each single size feed respectively. Using the grinding kinetic equation followed by analyzing average grinding rate of different media sizes, the results showed that: the optimum size media of +6 mm, -6+2 mm and -2 mm single size feed was Φ100 mm, Φ80 mm, Φ70 mm respectively, which provided a reference for the industrial test.

2095-2716(2015)04-0012-05

TD951

A