“雙碳目標(biāo)”下陶瓷球替換鋼球的應(yīng)用研究

鄒沖，曹恩源，楊有智，王明細(xì)

（湖北大江環(huán)保科技股份有限公司，湖北 黃石 435005）

碎礦和磨礦是礦石選別過程中的重要組成部分，而磨礦過程，是礦石選別前的一次加工過程[1-2]。磨礦的目的是使礦石有價組分充分或大部分達到單體分離，方便進行后續(xù)的分選工作[3]。在浮選過程中，礦石選別指標(biāo)(如精礦品位，回收率)在很大程度上取決于磨礦細(xì)度及單體解離度[4]。當(dāng)磨礦粒度太粗時，目的礦物不能實現(xiàn)單體解離；而磨礦粒度太細(xì)時容易產(chǎn)生泥化現(xiàn)象，惡化礦石分選，同時，也增加了選礦的能耗[5]。因此，在選礦過程中，有效合理地控制磨礦細(xì)度是保證選別指標(biāo)和提高經(jīng)濟效益的重要因素。

隨著國家“雙碳”戰(zhàn)略不斷深化，資源不斷消耗，節(jié)能降耗目前已成為礦山企業(yè)可持續(xù)發(fā)展中一項十分重要的任務(wù)，因此，積極采取有效措施，提高生產(chǎn)效率，降低能源消耗，對提高選礦廠的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益具有重要意義[6]。在選礦廠生產(chǎn)過程中，磨礦能耗約占選礦廠的50%左右，磨礦過程中的能耗是選礦廠耗能的主要部分，降低磨礦介質(zhì)消耗是降低選礦廠磨礦能耗的關(guān)鍵，也是降低選礦成本的有效途徑，目前，有研究表明將磨機中鋼球部分替換為陶瓷球可大幅減少磨礦介質(zhì)消耗[7]。

目前，為降低礦山生產(chǎn)成本，湖北大江環(huán)?？萍脊煞萦邢薰巨D(zhuǎn)爐渣選廠迫切需要采用新的技術(shù)節(jié)能降耗，維持生產(chǎn)正常運行。本文對磨礦階段節(jié)能降耗進行探索性研究，研究方案為：采用陶瓷球替換立磨機中的鋼球，考察其對大冶諾蘭達轉(zhuǎn)爐渣磨礦效率及后續(xù)分選效率、藥劑消耗及能耗等指標(biāo)的影響，為該選廠的節(jié)能減排提供有益思路。

1 實驗部分

1.1 試樣性質(zhì)

礦樣為大冶諾蘭達轉(zhuǎn)爐渣，取代表性塊礦樣磨片，進行掃描電鏡測試，分析其樣品礦物組成及礦物間嵌布粒度，測試結(jié)果見圖1。其余礦樣采用對輥機破碎、2 mm 標(biāo)準(zhǔn)篩檢查篩分，混樣縮分后進行化學(xué)多元素分析，分析結(jié)果見表1。

由圖1 可知，樣品中目的金屬銅和銅硫化物為轉(zhuǎn)爐渣中銅的主要賦存礦物，其他銅礦物含量較少，脈石礦物主要為磁鐵礦、鐵橄欖石、玻璃體及少量鐵酸鈣和石英等，其中金屬銅和輝銅礦嵌布在鐵橄欖石中。表1 可知，銅、鉛、鋅為有價組分，目前該爐渣只考慮的對銅的回收，因此后續(xù)瓷球替代鋼球選礦過程只考慮對銅選別過程中的藥耗及精礦指標(biāo)影響。

表1 試樣化學(xué)多元素分析結(jié)果/%Table 1 Results of multielement chemical analysis of sample

圖1 轉(zhuǎn)爐渣掃描電鏡Fig.1 SEM of converter slag

1.2 實驗流程

小型磨礦實驗在240×90 mm 錐形球磨機上進行，每次實驗稱取試樣1 kg，實驗共計分為6 組，每組在相同條件下做平行磨礦實驗三次，共計磨礦18 次，每次磨礦1 kg，磨礦濃度80%，一段磨礦時間15 min，二段磨礦時間20 min，陶瓷球按同體積與鋼球進行替換，磨礦產(chǎn)品分別測量-0.074 mm、-0.045 mm 含量。

工業(yè)實驗中，將立磨機中的鋼球部分替換成陶瓷球，每次替換為一個階段，一個階段實驗根據(jù)需求決定測試天數(shù)，測定工業(yè)實驗過程中磨礦細(xì)度-0.045 mm 含量、電量消耗、物料消耗、浮選藥劑用量消耗及銅精礦/尾礦品位等指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 銅礦物解離度分析

為確定磨礦過程礦物細(xì)度與解離度的變化，首先進行該試樣的解離度分析，該轉(zhuǎn)爐渣中含銅礦物的解離度隨磨礦細(xì)度變化見表2，由表2 可知，試樣中的金屬銅和銅硫主要表現(xiàn)為粒度分布不均，有微細(xì)粒銅粒分布在玻璃體基底內(nèi)；該銅渣需要磨礦細(xì)度達到-0.045 mm 90%，單體解離度可達75%，富連生體和單體共占88.84%。依據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗二段磨礦細(xì)度達-0.045 mm 90%以上才能有效降低銅分選過程中的尾礦指標(biāo)。

表2 不同磨礦細(xì)度銅礦物的解離度Table 2 Dissociation degree of copper minerals under different grinding fineness

2.2 陶瓷球比例對實驗室磨礦細(xì)度影響

實驗室磨礦過程中，陶瓷球替換同體積的鋼球?qū)δサV細(xì)度的影響見圖2、3。由圖2 可知，隨陶瓷球比例增加，一段磨礦的-0.074 mm 和-0.045 mm，以及二段磨礦的-0.045 mm 占有率呈降低趨勢，在陶瓷球替換比例小于40%時，對-0.074 mm 和-0.045 mm 的含量影響較小。其原因在磨機中鋼球提升到某一高度后拋落，以一定的速度對礦料產(chǎn)生沖擊而粉碎物料[3]，而將比重較輕的陶瓷球替換鋼球后，沖擊作用較鋼球要小，導(dǎo)致陶瓷球添加比例較高時磨礦效率降低。

圖2 陶瓷球比例對一段磨礦細(xì)度影響Fig.2 Effect of ceramic sphere ratio on the fineness of primary grinding

圖3 陶瓷球比例對二段磨礦細(xì)度影響Fig.3 Effect of ceramic sphere ratio on the fineness of secondary grinding

當(dāng)將陶瓷球替代所有鋼球時，球磨機中給礦量對一段磨礦細(xì)度影響示于圖4，由圖4 中結(jié)果可知，隨著給礦量的降低，一段磨礦的-0.074 mm和-0.045 mm 占有率呈升高趨勢，當(dāng)給礦量為800 g時，采用全瓷球的磨礦效率與1000 g 采用全鋼球磨礦的效率接近（圖4 中虛線部分為1000 g 給礦，采用全鋼球時所對應(yīng)的磨礦細(xì)度）。因此，可推測出，全陶瓷球時，給礦量需要降低至全鋼球的80%，可以基本實現(xiàn)等同的磨礦效果。

圖4 全陶瓷球作用下給礦量對一段磨礦細(xì)度影響Fig.4 Effect of feed amount on the fineness of primary grinding under all ceramic sphere condition

2.3 工業(yè)實驗指標(biāo)分析

生產(chǎn)過程中所采用的立磨機型號為CSM-300，總裝球質(zhì)量42 t，實驗分為三個階段，第一階段實驗為4 月5 日至4 月29 日，此階段主要是全鋼球?qū)嶒炿A段，測量當(dāng)前狀態(tài)下生產(chǎn)的細(xì)度、藥劑消耗和指標(biāo)以及立磨機當(dāng)前能源消耗和物料消耗。第二階段實驗為5 月11 日至5 月28 日，此階段主要是將立磨機中14%的鋼球替換為同體積的陶瓷球，測量所對應(yīng)的相關(guān)指標(biāo)，第三階段實驗為6 月10 日至6 月28 日，此階段主要是將立磨機中38%的鋼球替換為同體積的陶瓷球，測量所對應(yīng)的相關(guān)指標(biāo)。

在工業(yè)實驗期間，取立磨機排礦進行旋流器分級的試樣進行篩分實驗，每個階段取樣六次，測定-0.045 mm 占有率，結(jié)果見圖5。由圖5 中篩分實驗結(jié)果可知，第一階段采用全鋼球作用時，每次取樣篩分-0.045 mm 90.90%；第二階段采用14%的陶瓷球替換鋼球時，取樣篩分-0.045 mm 91.39%；第三階段采用14%的陶瓷球替換鋼球時，取樣篩分-0.045 mm 90.74%，三個階段磨礦細(xì)度變化不大，說明在工業(yè)生產(chǎn)中將立磨機中部分鋼球替換成陶瓷球，對該轉(zhuǎn)爐渣的磨礦細(xì)度變化基本不影響。

圖5 不同實驗階段對磨礦細(xì)度影響Fig.5 Effect of different test stages on the fineness of grinding

在工業(yè)實驗期間，分三個階段，（4 月11 日～4 月24 日，全鋼球）、第二階段（5 月11 日～5 月24 日，陶瓷球占14%）和第三階段（6 月11 日～6 月24 日，陶瓷球占38%）對選礦的藥劑消耗進行了統(tǒng)計，結(jié)果見圖6，并分析了各階段的浮選精礦和尾礦銅品位見圖7。圖6 結(jié)果表明，三個階段選礦過程中黃藥及松醇油的消耗變化不大，圖7 結(jié)果表明，三個階段所對應(yīng)的指標(biāo)，銅精礦中銅品位分別為29.25%、29.99%及29.80%，尾礦中銅品位分別為0.187%，0.193%和0.188%，以上結(jié)果表明，采用一定量的陶瓷球替換鋼球?qū)︺~選礦過程中藥劑消耗及銅精礦指標(biāo)基本無影響。

圖6 不同實驗階段下浮選過程藥劑消耗Fig.6 Reagent consumption during flotation at different test stages

圖7 不同實驗階段下銅礦物選別指標(biāo)Fig.7 Copper mineral separation index at different test stages

工業(yè)實驗過程中，為測定磨礦過程中的能耗，以立磨機日電耗指標(biāo)為參考，測定第一階段（4 月11 日～4 月24 日）、第二階段（5 月11 日～5 月24 日）和第三階段（6 月11 日～6 月24 日）的日均耗電5767.5 kwh，平均值見圖8，圖8 中結(jié)果表明，當(dāng)采用全鋼球時，日均耗電當(dāng)陶瓷球比例14%時和38%時，日平均耗電量分別為5185 kwh 和4591 kwh，為采用全鋼球日均耗電量的89.90%和79.60%，可顯著降低磨礦過程介質(zhì)的消耗。

圖8 不同實驗階段下磨機的日平均耗電量Fig.8 Average daily power consumption of the mill at different test stages

3 結(jié) 論

（1）實驗室實驗研究表明，轉(zhuǎn)爐渣試樣磨礦效率隨陶瓷球的比例增加而降低；但陶瓷球體積比例控制在40%以內(nèi)時，對磨礦效率影響較小。而采用全陶瓷球磨礦，給礦量降低到全鋼球的80%，可實現(xiàn)與全鋼球時等同的磨礦效率。

（2）工業(yè)實驗表明，當(dāng)立磨機中陶瓷球比例14%為38%時，基本不影響磨礦效率、藥劑消耗及銅精礦指標(biāo)，但磨礦過程中的能耗分別降低為全鋼球的89.90%和79.60%，減少了磨礦過程中介質(zhì)的消耗，研究結(jié)果對選礦廠生產(chǎn)過程中節(jié)能降耗提供了參考與借鑒。