许道刚，廖宁宁，吴彩斌，吕清纯，谢加文

1湖南柿竹园有色金属有限责任公司 湖南郴州 423037

2江西理工大学资源与环境工程学院 江西赣州 341000

磨矿分级是目前选厂必不可少的作业工序，磨矿是矿石粒度进一步减小的过程，分级是矿石粒度分离分级的过程，磨矿分级介于碎矿工序之后和浮选工序之前，起着为浮选准备适宜粒度矿石的重要作用[1-2]。磨矿分级是一个相辅相成的系统，单独调节其中一个部分很难达到预想的效果[3]。球磨机是选厂常用的磨矿设备，影响球磨机磨矿效果的因素总体而言有3 类：矿石性质、磨机结构和操作因素。其中矿石性质与磨机结构一般不易改变，而操作因素主要包括磨矿介质的尺寸、配比、充填率及衬板结构，其中较为直观的是钢球尺寸及配比。有研究表明，最佳磨矿介质尺寸及配比可使磨矿效率提高30% 左右[4]。旋流器是选厂常用的矿浆分级设备，矿浆以一定压力从旋流器的进浆管切线方向给入旋流器，由于颗粒之间存在粒度差，其在离心力、向心浮力、流体曳力和重力等的共同作用下，大部分粗颗粒由底部的沉砂嘴排出，而细颗粒则由上部的溢流管排出，从而达到分离分级的目的[5-6]。针对湖南某多金属矿3 000 t/d 选厂的实际工艺，在不改变磨矿分级流程的前提下，笔者对一段磨矿介质装补球制度和旋流器结构参数进行优化，以达到提质增效的目的。

1 矿石性质及磨矿分级系统

该选矿厂矿石密度为3.0 kg/m3，普氏硬度为12～ 15，矿石性脆，主要有用矿物有辉钼矿、辉铋矿、黄铁矿、磁铁矿、黑白钨和萤石等，主要脉石矿物有石英、石榴子石、透辉石和碳酸钙等。如图1 所示，该选矿厂采用两段全闭路磨矿分级流程，一段磨矿分级由 MQY4067 型球磨机与1 组 FXφ660旋流器组成，二段磨矿分级由 MQY4067 型球磨机与1 组 FXφ500旋流器组成。MQY4067 型球磨机装机功率为1 600 kW，有效容积为78 m3，转速为16 r/min。

图1 磨矿分级工艺流程Fig.1 Process flow of grinding classification

2 原磨矿分级回路粒度特征

原磨矿分级回路中产品粒度特性曲线如图2 所示，产品粒级分布如表1 所列。

图2 原磨矿分级回路粒度分布特性曲线Fig.2 Granularity distribution characteristic curve of original grinding classification circuit

表1 磨矿分级产品粒级分布Tab.1 Granularity distribution of grinding classification product %

从图2 及表 1 可以看出，破碎产品中 -12 mm 的含量不高，只有70% 左右。一段沉砂、一段排矿和一段溢流P80分别为0.95、0.44 和0.30 mm，一段排矿中过粗及粗粒级颗粒较多，粒度均匀性较差，一段分级溢流曲线和一段排矿曲线几乎重合，旋流器分级效率较低；二段沉砂、二段排矿和二段溢流P80分别为0.310、0.230 和0.078 mm，这 3 条曲线呈平行状态，二段磨矿分级的破碎程度及分级效果不错，且处理能力有富余；磨矿分级中球磨机排矿与溢流中间粒级含量不理想，过磨现象严重，二段溢流产品中-0.074 mm 含量为78.06%，-0.010 mm 含量为22.1%。

3 磨矿分级优化试验

3.1 精确化装补球制度

球磨机中的钢球作为能量的媒介质将外界输入的能量转变为对矿块的做功，实施磨碎任务[7-9]。精确化装补球有利于优化磨矿介质的配比，进而利于解离出更多更强的有活性位点的解离面。因此，在磨矿过程中精确化装补球不但可以优化钢球对矿块的磨碎力，达到优化磨矿产品质量的目的，还可以增大目的矿物与捕收剂的作用能[10]。

通过球径半理论公式计算矿石粒度与钢球尺寸，结果如表2 所列。根据图 1 中给矿与返砂的粒度分布特性计算出待磨产率，运用破碎统计力学原理进行精确化补加球计算，确定补加球比为φ100 mm∶φ80 mm∶φ60 mm=10%∶55%∶35%。

表2 矿石粒度与钢球尺寸Tab.2 Ore granularity and grinding ball size mm

3.2 一段旋流器优化试验

旋流器主要由进料管、柱段、锥体、溢流管及沉砂嘴等部件组成，不同的物料性质及分级要求需要配置不同的旋流器结构参数，通过选型计算及现场实际操作参数调整（如给料质量分数、压力、处理量等）可得到最佳的结构参数配置[11-13]。在进行球磨机补加球优化的同时，对旋流器的结构参数也要进行优化，主要从沉砂嘴直径及溢流管直径这两方面进行优化。

3.2.1 沉砂嘴直径试验

在一定的旋流器给料质量分数及适合的给料压力下，溢流管直径为240 mm，溢流管插入深度为387 mm，进行沉砂嘴直径分别为90、100 及120 mm 的条件试验，试验结果如表3 所列。

表3 沉沙嘴直径试验结果Tab.3 Results of test for desilting nozzle diameter %

由表3 可知，随着沉砂嘴直径的减小，沉砂产率降低，球磨返砂量减少，磨矿效率提高，物料能够得到较充分的细磨并从溢流排出，溢流细度及分级效率有所提高，溢流量增加实现了负荷往二段磨矿分级转移的目的，提高了二段磨矿分级效率。因此，结合现场情况选择沉砂嘴直径为90 mm。

3.2.2 溢流管直径试验

在一定的旋流器给料质量分数及适合的给料压力下，沉砂嘴直径为90 mm，溢流管插入深度为387 mm，进行溢流管直径分别为240、280 mm 的条件试验，试验结果如表4 所列。

从表4 可知，随着溢流管直径增大，溢流量增大，球磨返砂量减少，磨矿效率提高，优化一段磨矿有利于提高粒度的均匀性；溢流量增加及粗粒级增加有利于将负荷往二段磨矿分级转移，降低了一段磨矿分级的负荷，提高了二段磨矿分级效率。因此，结合现场情况选择溢流管直径为280 mm。

表4 溢流管直径试验结果Tab.4 Results of test for overflow pipe diameter %

4 试验结果分析

4.1 磨矿分级产品粒度特性

运用精确化磨矿理论进行补加球优化及旋流器结构参数优化后，磨矿分级回路中产品的粒级分布如表5 所列，与优化前的对比[14]结果如表6 所列，产品粒度分布特性曲线如图3 所示。

表5 优化后磨矿分级产品粒级分布Tab.5 Granularity distribution of grinding classification product after optimization %

表6 优化前后磨矿分级产品粒级分布对比Tab.6 Comparison of granularity distribution of grinding classification product before and after optimization %

从表5、6 及图3 可以看出，优化后，一段沉砂、一段排矿和一段溢流P80分别为0.73、0.56 和0.18 mm，与优化前相比均有所降低，一段排矿中过粗及粗粒级含量有明显改善，一段磨矿粒度均匀性变好，一段分级溢流曲线和一段排矿曲线呈平行状态，分级效率得到了较大的提高；二段沉砂、二段排矿和二段溢流P80分别为0.28、0.18 和0.089 mm，与优化前相比，沉砂与排矿有所降低，溢流有所升高，这3 条曲线呈平行状态，说明球磨机磨碎程度和分级效果均较好；磨矿分级系统中球磨机排矿与溢流中间粒级占比则有所增加，过磨量减少，二段溢流产品中-0.074 mm 含量降至 74.19%，-0.010 mm 含量降至18.94%。

图3 优化后一段磨矿分级回路粒度分布特性曲线Fig.3 Granularity distribution characteristic curve of first-stage grinding classification circuit after optimization

4.2 优化前后技术经济指标对比

为了更加准确地反映磨矿分级优化后各项指标变化情况，通过粒度分布数据计算出优化前后各技术经济指标，对比分析结果[15-16]如表7 所列。

表7 优化前后磨矿分级技术经济指标对比Tab.7 Comparison of grinding classification before and after optimization in technical and economic indexes

从表7 可以看出，优化后，一段球磨机处理能力提高了7 t/h，提高幅度为 5.6%；一段球磨机的利用系数从 0.57 t/（h·m3）提升至0.79 t/（h·m3），提升了0.22 t/（h·m3）；一段水力旋流器分级质效率从 29.39%提高到 50.53%，提高了21.14 个百分点；二段水力旋流器分级质效率从 42.24% 提高到 50.32%，提高了8.08 个百分点；一段分级返砂比从57.46% 提高到150.58%，二段分级返砂比从334.53% 降至 202.56%，一段返砂比控制在150%～200%、二段返砂比控制在200%～250% 的最佳范围内；一段球磨机钢耗降低了0.017 kg /t，磨机电耗降低了0.53 kW·h/t。

5 结论

根据矿石的力学性质及一段球磨分级给矿与返砂的粒度特性，确定了一段球磨机补加球的球径和配比，对一段旋流器结构参数进行优化，选择溢流管直径为280 mm，沉沙嘴直径为90 mm，通过优化一段磨矿分级系统来实现负荷往二段磨矿分级转移，不仅提高了磨矿分级效率，改善了磨矿分级中排矿、返砂、溢流中的粒级分布，同时还降低了一段球磨机的钢球及电耗，节能降耗效果显著。最终磨矿产品-0.074 mm 含量从78.06% 降至 74.19%，-0.010 mm含量从22.1% 下降至 18.94%，降幅为 14.3%，为后续浮选作业提供了易选粒级的原料。