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  • CN 62-1112/TF　
  • ISSN 1005-2518　
  • 创刊于1988年
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黄金科学技术, 2024, 32(4): 694-703 doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2024.04.031

采选技术与矿山管理

纳米复合瓷球作磁铁矿细磨介质磨矿特征研究

李哲阳,1, 许辉2, 谢峰1, 李龙龙3, 张小普1, 姚鑫1, 吴彩斌,1,4

1.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000

2.太原钢铁（集团）有限公司矿业分公司，山西 太原 030027

3.太原钢铁（集团）有限公司矿业分公司尖山铁矿，山西 太原 030301

4.战略金属矿产低碳加工与利用江西省重点实验室，江西 赣州 341000

Study on Grinding Characteristics of Nano-composite Ceramic Ball as Magne-tite Fine Grinding Medium

LI Zheyang,1, XU Hui2, XIE Feng1, LI Longlong3, ZHANG Xiaopu1, YAO Xin1, WU Caibin,1,4

1.School of Resources and Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，Jiangxi，China

2.Mining Branch，Taiyuan Iron & Steel （Group） Co. ，Ltd. ，Taiyuan 030027，Shanxi，China

3.Jianshan Iron Mine，Mining Branch，Taiyuan Iron & Steel （Group） Co. ，Ltd. ，Taiyuan 030301，Shanxi，China

4.Jiangxi Provincial Key Laboratory of Low-carbon Processing and Utilization of Strategic Metal Mineral Resources，Ganzhou 341000，Jiangxi，China

通讯作者: 吴彩斌（1972-），男，江西鄱阳人，教授，博士生导师，从事碎磨理论与工艺研究工作。caibin.wu@jxust.edu.cn

收稿日期: 2024-01-21   修回日期: 2024-04-08  

基金资助: 国家自然科学基金项目“磁铁矿/石英/方解石多元矿物体系中选择性磨矿机理研究”.  51764015

Received: 2024-01-21   Revised: 2024-04-08  

作者简介 About authors

李哲阳（2003-），男，陕西西安人，本科生，从事磨矿理论与工艺研究工作15579466047@163.com , E-mail：15579466047@163.com

摘要

三段磨矿工艺通常采用钢锻或钢球作为细磨介质，存在高能耗、高球耗和粒度分布特性差等问题。以尖山铁矿三段球磨机给矿作为研究对象，进行了批次磨矿试验，研究了钢锻和瓷球作为细磨介质下的磨矿动力学特征以及瓷球磨矿工艺参数对产品粒度特性的影响。结果表明：超细粒级磁铁矿磨矿动力学线性特征不明显，更倾向于一阶磨矿动力学特征，且瓷球的细磨能力优于钢锻。瓷球磨矿工业应用后，在相同溢流细度和铁精矿品位下，球耗降幅达17.52%，节电幅度达42.37%，综合磨矿成本下降32.11%。瓷球可作为新型介质完全替代钢锻磨矿。

关键词： 磨矿动力学 ; 纳米复合瓷球 ; 钢锻 ; 超细粒级磁铁矿 ; 磨矿能耗 ; 磨矿特征

Abstract

The three-stage grinding process commonly utilizes steel forging or steel balls as the fine grinding medium，resulting in issues such as high energy consumption，high ball consumption，and poor particle size distribution.Introducing a new grinding medium，nano-composite ceramic balls，offers a range of superior properties including high hardness，good wear resistance，low energy consumption，and reduced over-crushing.Despite these advantages，ceramic balls have not yet been incorporated into the three-stage grinding process or fine grinding operations.The study conducted a batch grinding experiment using the three-stage ball mill feed from Jianshan iron mine as the focus of research.The investigation examined the grinding dynamics and statistical properties of steel forging and ceramic balls as fine grinding media，and analyzed the impact of ceramic ball grinding process parameters on product particle size characteristics.Comparison of the mean values of R2 and error in kinetic fitting characteristic parameters revealed a poor fit for the degree of n and first-order linear fitting in ultra-fine grained magnetite.The linear characteristics of ultra-fine grained magnetite grinding dynamics are not readily apparent and exhibit a significant margin of error，yet they predominantly align with first-order grinding dynamics.A comparison of the grinding kinetic parameter k indicates that ceramic balls demonstrate superior fine grinding capabilities compared to steel forging.Additionally，the analysis of particle size characteristics in batch grinding products and fine grade regeneration rates suggests that optimal grinding conditions entail a grinding concentration of 75%，a medium filling rate of 38%，and an ideal mixing ratio of all-ceramic ball diameters at Φ25：Φ20：Φ15 of 50%：30%：20%.The optimal mixing ratio of ceramic balls and steel balls，with diameters of Φ25，Φ20，and Φ15 mm in proportions of 50%，30%，and 20% respectively，resulted in a filling rate of 32% for the mixed porcelain balls.In comparison，using single diameter 30 mm steel balls achieved a filling rate of 6%.Following the implementation of ceramic ball milling in an industrial setting，the power consumption，ball consumption，and overflow product particle size characteristics were monitored over a one-month period.Results showed a 17.52% decrease in ball consumption，a 42.37% reduction in power consumption，and a 32.11% decrease in comprehensive grinding costs，while maintaining the same overflow fineness and iron concentrate grade.The ceramic ball can be used as a new medium to completely replace the steel forging mill.

Keywords： grinding kinetics ; nano-composite ceramic ball ; steel forging ; ultrafine magnetite ; grinding energy consumption ; grinding characteristics

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本文引用格式

李哲阳, 许辉, 谢峰, 李龙龙, 张小普, 姚鑫, 吴彩斌. 纳米复合瓷球作磁铁矿细磨介质磨矿特征研究[J]. 黄金科学技术, 2024, 32(4): 694-703 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2024.04.031

LI Zheyang, XU Hui, XIE Feng, LI Longlong, ZHANG Xiaopu, YAO Xin, WU Caibin. Study on Grinding Characteristics of Nano-composite Ceramic Ball as Magne-tite Fine Grinding Medium[J]. Gold Science and Technology, 2024, 32(4): 694-703 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2024.04.031

随着铁矿石日趋贫、细、杂，必须增加磨矿段数以获得更高的单体解离度。磨矿产品细度越高，磨矿过程的能耗和球耗也会急剧增加，因此多段磨矿是一个高能耗、高球耗的工序（吴明珠，1981；吴彩斌，2022；顾帼华等，2023）。

钢锻是三段磨矿中常见的细磨介质，与钢球相比，钢锻具有可以改善磨矿产品粒度特性、减轻过粉碎等优点。但是，钢锻在细磨中仍存在高电耗和高球耗的问题（吴彩斌等，2016；叶景胜等，2018；曹成超等，2020）。纳米复合瓷球（以下简称瓷球）作为一种新兴的磨矿介质，与钢球、钢锻相比，具有硬度大、耐磨性好、能耗低以及可减轻过粉碎等优良特性，并逐渐应用于二段磨矿作业中（吴志强等，2019；Fang et al.，2022a，2022b；章恒兴等，2022；Tong et al.，2023）。陈郅隆等（2022）在铁矿再磨中使用瓷球作为磨矿介质，磨矿产品粒度特性得到改善，铁精矿的产率和回收率分别提高了3.97个百分点和2.78个百分点，球磨机电耗降幅高达30%，球耗成本降幅为52.11%。二段瓷球磨矿工业应用表明，相比钢球磨矿，瓷球节能降耗效果显著，磨矿产品质量也得到明显提高（方鑫等，2022）。

目前对于瓷球的理论研究主要集中于磨矿动力学分析、能量分布、能量利用率提升和磨矿产品粒度分布特性等方面，工艺研究主要集中于二段磨矿作业和再磨作业（粗精矿或中矿再磨）（余浔，2023）。其中，再磨作业属于细磨过程，给矿大多不超过0.3 mm，部分小到0.1 mm，多以立式搅拌磨作为细磨设备。瓷球替换钢球的磨矿特征对比研究及瓷球在二段球磨机磨矿中的应用日益完善，但是关于瓷球替换常见细磨介质——钢锻的磨矿特征对比研究及瓷球在三段磨矿中的应用相对空缺。在给矿粒度极细和磨矿比较高的要求下，球磨机细磨领域还缺乏研究。

鉴于此，为了服务“双碳”战略，推动瓷球在三段磨矿和细磨中的应用，替换高能耗、高球耗的钢锻，完善瓷球磨矿技术体系和球磨机磨矿技术体系，开展了应用瓷球进行球磨机细磨的探索。针对三段钢锻磨矿高能耗和高球耗的问题，以太钢尖山铁矿三段球磨机给矿为研究对象，进行了瓷球磨矿动力学和磨矿工艺参数研究，确定了瓷球工业应用方案，并成功应用，取得了较好的经济技术指标。

1 试验内容

1.1 试验材料及设备

试验样品取自尖山铁矿三段球磨机给矿，表 1为原矿粒度分布情况。由表1可以看出，给矿中-0.075 mm粒度占71.21%。

表1   原矿粒度分布特性

Table 1  Size distribution of raw ore

粒度/mm产率/%粒度/mm产率/%
0.1505.13-0.0077.25
-0.07523.66-0.01512.70
-0.03027.63-0.02323.63

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试验所用钢锻规格为25 mm（直径）×35 mm（长度）、瓷球规格为30 mm（直径），磨机为XMQ-240×90 mm锥形球磨机，磨机转速为70 r/min，磨矿介质充填率为40%，磨矿浓度为67%，磨矿时间分别为1，2，3，4，5 min。磨矿产品采用航空工业第五四零厂生产的筛孔尺寸为0.023 mm、0.038 mm、0.045 mm、0.75 mm和0.15 mm的标准套筛进行筛析。瓷球物理化学参数见表2。

表 2   瓷球物理化学参数

Table 2  Physical and chemical parameters of ceramic ball

项目内容或取值项目内容或取值
磨矿介质瓷球堆密度/（t·m-3）2.3
主要成分Al、Si莫氏硬度9.0
微量元素Ca、Mg破碎比例/%≤0.1
真密度/（t·m-3）3.7抗压强度/MPa300

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1.2 磨矿动力学

磨矿动力学是描述筛上累计产率与磨矿时间关系的方程，一般认为n阶磨矿动力学方程（段希祥，2012）如下：

R=R0e-ktm

式中：R为经过t时间后筛上累积产率（%）；R0为磨矿前筛上累积产率；t为磨矿时间（单位：min）；k为比例系数，取决于磨矿条件，负号表示粗粒级减少，也表示磨矿速度（侯英等，2013）；m为磨矿动力学参数，取决于被磨物料的均匀性和强度以及球荷粒度特性（段希祥，1988）。

当m=1时，称为一阶磨矿动力学，表示为

R0R=ekt

对式（2）取对数，可得：

lgR0Rt=klge

由式（3）可以发现一阶磨矿动力学在粒级离散下，拟合曲线的斜率只与比破碎速率k有关，且比破碎速率k不随时间变化（赖俊全等，2021）。

对式（1）取2次对数，可得：

lglgR0R=mlgt+lgklge

由式（4）可以发现，在一阶磨矿动力学中k与斜率有关；在n阶磨矿动力学中k与截距有关，m为斜率。

2 结果与讨论

2.1 2种磨矿介质磨矿动力学特征及破碎特征对比

混合粒级入磨时，除第一粒级仅会发生破碎行为导致含量逐渐降低，其他粒级在发生破碎行为的同时均有新生成的量，此时磨矿动力学特征更倾向n阶（袁程方等，2022；廖宁宁等，2022）。2种介质磨矿产品粒度特性随磨矿时间的变化情况如图1所示，n阶磨矿动力学的线性拟合结果如图2所示，线性拟合程度见表3，其中R12表示经过软件拟合调整后的R2。

图1

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图1   2种磨矿介质磨矿产品粒度分布

Fig.1   Particle size distribution of two grinding media


图2

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图2   磨矿动力学线性回归方程

Fig.2   Linear regression equation of grinding kinetics


表 3   磨矿动力学参数统计

Table 3  Grinding kinetic parameter statistics

介质种类截距斜率统计
均值误差均值均值误差均值R12误差均值
钢锻（n阶拟合）-1.5110.1831.4630.1340.9190.021
瓷球（n阶拟合）-1.3940.1031.3130.0840.9710.023
钢锻（一阶拟合）-0.0300.0100.0760.0190.9140.018
瓷球（一阶拟合）-0.0600.0190.0960.0270.9660.015

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由图1中-0.023 mm粒级产率随时间的变化情况可知，5 min时钢锻产率的增长明显乏力，而瓷球产率表现出明显的增长，这表明瓷球的细磨性能优于钢锻。

图2（a）所示为钢锻作为介质时n阶磨矿动力学线性拟合情况，图2（b）所示为瓷球作为介质时n阶磨矿动力学线性拟合情况。由图2（a）和图2（b）可以看出，线性变化特征不够显著，+0.075 mm和+0.023 mm粒级出现大幅度波动。由表3可知，瓷球作为介质磨矿时，斜率误差均值为0.084，截距误差均值为0.103，R12均值为0.971，最低值为0.914（+0.023 mm）；钢锻为介质磨矿时，斜率误差均值为0.134，截距误差均值为0.183，R12均值为0.919，最低值为0.8723（+0.023 mm）。2种介质磨矿均表现出不符合n阶磨矿动力学的行为，故进行一阶磨矿动力学拟合，如图2（c）和图2（d）所示，线性回归计算各项参数见表2。

图2（c）所示为钢锻作为介质通过一阶磨矿动力学的线性拟合情况，图2（d）所示为瓷球介质通过一阶磨矿动力学的线性拟合情况。由图2（c）和图2（d）可知，相较于n阶磨矿动力学拟合，一阶拟合精度更高，除第一粒级外，拟合直线基本经过所有数据点。由表2可知，采用瓷球作为介质磨矿时，斜率误差均值为0.027，截距误差均值为0.019，R12的误差均值为0.015，比 n阶动力学拟合降低了34个百分点；采用钢锻作为介质磨矿时，斜率误差均值为0.076，截距误差均值为0.010，R12的误差均值为0.018，比n阶动力学拟合降低了14个百分点。一阶磨矿动力学的统计学参数和精度均优于n阶动力学拟合，说明对于超细粒级磁铁矿磨矿来说，其磨矿行为更倾向于一阶磨矿动力学。

2种磨矿动力学拟合均不适用于钢锻磨矿的+0.038 mm粒级，这是因为原矿中r-45+38μm含量仅为7.25%，给矿粒度特性的微小波动均会引起较大的误差，这一现象同样出现在第一粒级。在一阶磨矿动力学中，线性拟合直线的斜率即为比破碎速率，比破碎速率是表征磨矿能力的一种方法（赵瑞超等，2018；韩跃新，2022）。可由式（3）求得比破碎速率k，2种磨矿介质的比破碎速率k如图3所示（罗圣乐等，2023）。

图3

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图3   不同磨矿介质的比破碎速率k

Fig.3   Specific crushing rate k of different grinding media


由图3可以看出，随着粒度的降低，2种介质磨矿比破碎速率均呈现出逐渐降低的趋势。理论上，钢锻的比重比瓷球大得多（钢锻堆密度为4.85 t/m3、瓷球堆密度为2.3 t/m3），钢锻磨矿能力应该远超于瓷球，但实际上瓷球磨矿的比破碎速率高于钢锻，说明瓷球磨矿对细粒级磁铁矿的磨矿能力优于钢锻。这是因为瓷球的表面硬度较高（瓷球莫氏硬度为9.0、钢锻莫氏硬度为6.8），磨矿过程切向应力显著高于钢锻，换言之瓷球磨矿的研磨能力较高，所以对细粒级矿物的破碎效率更高（Yuan et al.，2022，2023）。在无钢球磨矿工艺中常会添加少量钢球以改善磨矿效果，钢球和瓷球都是点接触的方式，不会互相干扰破碎行为。但是，钢锻是以面接触的方式进行破碎，与瓷球的破碎方式有着本质的区别，如果混合使用可能会干扰另一种介质对矿石的破碎（吴彩斌等，2016）。此外，根据面积占比概算，瓷球破碎的作用点有很大的概率会分布在钢锻上，从而增加球耗。对此，目前尚未开展相关研究，若直接在工业上应用风险较大，因此本文仅对瓷球+钢球混合细磨工艺进行了研究。

2.2 瓷球磨矿工艺参数对产品粒度特性的影响

为了考察磨矿工艺参数对磨矿产品粒度特性的影响，依次进行磨矿浓度试验和磨矿介质充填率试验，结果分别如图4和图5所示。由图4可知，随着磨矿浓度的增大，-0.075 mm产率先增大后减小，当磨矿浓度为70%时-0.075 mm产率达到最大值。分析其原因，是因为当磨矿浓度从60%增大至70%时，矿浆黏度逐渐增加，有利于矿浆附着于瓷球表面，增大了碎磨概率（卜显忠等，2018）；当磨矿浓度大于70%时，瓷球受到的浮力变大，冲击破碎效果变差（曾春水，1998）。

图4

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图4   不同磨矿浓度下磨矿产品对比

Fig.4   Comparison of grinding products under different grinding concentrations


图5

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图5   不同充填率下磨矿产品对比

Fig.5   Comparison of grinding products under different filling rates


由图5可知，随着瓷球充填率的增加，碰撞概率提高，磨矿产品中-0.075 mm粒级产率逐渐增加；但当充填率从40%提高至42%时，-0.075 mm粒级产率与-0.045 mm粒级产率的变化方向却相反。这是因为细磨以瓷球的研磨作用为主，当介质充填率过高，瓷球抛落运行受阻，反而使得矿物磨碎概率降低（曾冲等，2022）。

2.3 瓷球球径混合磨矿对产品粒度特性的影响

在磨矿浓度为75%和充填率为38%的条件下进行单一瓷球球径试验，图6所示为不同瓷球球径下磨矿产品对比。由图6可知，粒级不同，最佳的瓷球球径也不同，但是不同球径的粒级产率变化方向却是相同的。

图6

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图6   不同瓷球球径磨矿产品产率及负累积产率分布

Fig.6   Distribution of yield and negative cumulative yield of different ceramic ball diameter grinding products


结合瓷球单一球径试验结果进行瓷球球径配比条件试验，瓷球球径混合配比试验结果如图7所示。由图7可知，不同的瓷球配比，磨矿效果和磨矿产品粒度特性相差甚远，磨矿产品-0.045 mm粒级产率最高为62.10%，最低为52.11%，极差高达10个百分点。混合瓷球配比磨矿试验整体趋势为混合球径越小，磨矿效果越好，且添加15 mm瓷球会显著改善磨矿效果，11#配比是兼顾磨矿效果和工业化的最佳配比，其配比为25 mm∶20 mm∶15 mm=50%∶30%∶20%，混合球径为21.5 mm。

图7

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图7   瓷球混合球径磨矿产品产率

Fig.7   Yield of grinding products of ceramic ball with mixed ball diameter


2.4 钢瓷球混合磨矿对产品粒度特性的影响

在磨矿浓度为75%、瓷球充填率为38%和瓷球球径最佳配比条件下，进行添加30 mm钢球的试验，其中钢球不同充填率占比分别为2%、4%、6%、8%和10%，试验结果如图8所示。

图8

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图8   钢球不同充填率占比下磨矿产品粒度分布特性

Fig.8   Particle size distribution characteristics of grinding products under different filling ratio of steel balls


由图8可知，随着30 mm钢球占比的增大，-0.075 mm和-0.045 mm产率先增大后减小。当钢球占比为8%时，-0.075 mm粒级产率为85.31%，-0.045 mm粒级产率为56.71%，但其过磨粒级产率较大。当钢球占比为6%时，-0.075 mm粒级产率为83.40%，-0.045 mm粒级产率为53.99%，过磨粒级产率相比减小。

2.5 工业应用

（1）粒度特性对比

根据实验室研究结果，采用“瓷球+钢球”混合磨矿方式进行工业应用。工业磨机规格为Φ3200×4500 mm，原初装钢锻充填率为40%，补加球制度为1 158 kg/d。现初装瓷球充填率为 30%，配比为Φ25∶Φ20∶Φ15 mm=50%∶30%∶20%；钢球充填率为6%，规格为Φ30 mm，补加球制度为“瓷球：200 kg/d；钢球：330 kg/d”，磨矿浓度为75%，充填率为36%。

在工业试验初期稳定运行一个月后，对2种磨矿介质溢流产品进行粒度特性分析，表4所示为2种磨矿介质溢流产品和磁选精矿品位对比。由表4可知，在瓷球+钢球磨矿方式下，当充填率较低时，瓷球+钢球磨矿分级系统产品的粒度特性与钢锻接近，且铁精矿品位稳定在65.50%。

表4   2种磨矿介质溢流产品技术指标

Table 4  Technical indicators of two kinds of grinding media overflow product

技术指标/%瓷球+钢球钢锻
r-75μm92.3792.41
r-45μm65.3965.99
精矿TFe65.5065.58

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（2）磨矿成本对比

功率是衡量磨矿能耗的重要指标，图9所示为对瓷球+钢球磨矿电机功率和台时量的统计结果。由图9可知，瓷球+钢球磨矿电机的平均功率为273.85 kW，平均台时量为186.62 t/h。根据选厂以往的生产资料计算，钢锻磨矿电机的平均功率为475.26 kW，平均台时量为187.90 t/h。

图9

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图9   瓷球+钢球磨矿电机功率和台时量

Fig.9   Ceramic ball + steel ball grinding motor power and table hours


磨矿成本主要集中于球耗和电耗。设定钢锻价价格4 750元/t、钢球价格为5 752元/t、瓷球价格为13 274元/t，工业电费为0.69元/度，处理量为4 560 t/d，工业磨机运行天数为330天。由表5可知，球耗成本可从钢锻磨矿的1.21元/t降至瓷球+钢球混合磨矿的0.998元/t，降幅达17.52%，每年球耗成本可节省31.9万元。电耗成本可从钢锻磨矿的1.726元/t降至瓷球+钢球混合磨矿的0.995元/t，降幅达42.37%，每年电耗成本可节省110万元。每年综合磨矿成本下降了32.11%，每年可节省磨矿成本共计141.9万元。将瓷球更换为钢锻后，节能降耗效果显著，在响应“双碳”战略的同时企业降本增效成果显著，为瓷球在细磨中应用提供了参考依据。

表5   2种磨矿介质功率与磨矿成本对比

Table 5  Comparison of power and grinding cost of two grinding media

介质种类功率/kW

球耗成本

/（元·t-1）

电耗成本

/（元·t-1）

综合成本

/（元·t-1）

钢锻475.261.2101.7262.936
瓷球+钢球273.850.9980.9951.993

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3 结论

（1）磨矿动力学特征研究表明，超细粒级磁铁矿磨矿动力学线性特征不明显，但更趋向于一阶磨矿动力学，且瓷球的细磨能力优于钢锻。

（2）经过一系列批次磨矿试验得出实验室最佳磨矿参数，即磨矿浓度为75%，介质充填率为38%，全瓷球球径混合最佳配比为Φ25∶Φ20∶Φ15 mm=50%∶30%∶20%，瓷球+钢球最佳配比为Φ25∶Φ20∶Φ15 mm=50%∶30%∶20%的混合瓷球，充填率为32%；单一直径30 mm钢球，充填率为6%。

（3）工业应用结果表明，在相同溢流细度和铁精矿品位的情况下，磨矿球耗降幅达17.52%，磨矿节电幅度达42.37%，综合磨矿成本下降了32.11%。

中国黄金报）

http://www.goldsci.ac.cn/article/2024/1005-2518/1005-2518-2024-32-4-694.shtml

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