某铁矿石球磨与立式搅拌磨磨矿能耗对比研究.docx
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某铁矿石球磨与立式搅拌磨磨矿能耗对比研究
某铁矿石立式搅拌磨与球磨
磨矿能耗对比研究
仝丽娟1,2,,杨纪昌1,2，姬建钢1，2，潘卫宁1,2，王亚珍1,2，孙小阵1,2
1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司河南洛阳471039
2矿山重型装备国家重点实验室（中信重工机械股份有限公司）河南洛阳471039
摘要：
立式搅拌磨机通常用来作为粗精矿再磨或者原矿细磨设备，本文利用立式螺旋搅拌磨试验机对某铁矿石进行磨矿试验研究，同时与滚筒球磨机磨矿效果进行了对比，以研究立式螺旋搅拌磨及滚筒球磨机对该铁矿石的磨矿效果。
研究显示，在适应的粒度范围内，立式搅拌磨与球磨都具有各自的优势，都能够达到更加高效节能的磨矿效果。
关键词：
铁矿石；立式搅拌磨；球磨;磨矿效果。
StudyOntheEnergyConsumptionofVerticalStirringMillandBallMillforanIronOre
TongLijuan1,2,YangJichang1,2,JiJiangang1,2,PanWeining1,2,
WangYazhen1,2,SunXiaozhen1,2
1StateKeyLaboratoryofMiningHeavyEquipment,Luoyang471039
2LouyangMiningMachineryEngineeringDesignInstituteCo.,Ltd.,Luoyang471039
Abstract:
Verticalstirringmillisusuallyusedasagrindingequipmentforconcentrateorfinegratedore.Inthispaper,thegrindindenergyconsumptionofverticalstirrmillwascomparedwithadrumballmill,tofindthegrindingeffectdifferenceoftheirsforthesameironore.Researchshowsthatverticalstirringmillandballmillhavetheirimpactfuladvantages,adapttotherangeofparticlesize,tobeabletoachievemoreefficientenergysavinggrindingeffect.
Keywods:
IronoreVerticalstirringmillBallmillGrindingeffect
引言
立式螺旋搅拌磨机是一种高效的磨矿设备，在铁矿、有色金属矿山都有应用。
通常作为细磨设备，主要进行粗精矿再磨或者超细粉磨。
立式螺旋搅拌磨机结构是一种外部筒体垂直安装[1]，内部装有螺旋搅拌装置的磨矿设备，螺旋搅拌器通过搅拌使筒体内部的研磨介质和物料一起上下循环运动，同时研磨介质与物料之间产生冲击和剪切的作用，对物料产生研磨效果。
物料一般从筒体的下部入料管泵送给入或从上部入料管泵送给入，通过研磨介质的磨剥剪切作用被高效磨细，粗细不同的颗粒在外力和重力的共同作用下产生分离，细粒级物料不断上升直至在筒体上部溢出，粗粒级物料则留在筒体中继续被研磨直至达到合格的溢流细度。
通常立式搅拌磨机与水力旋流器组成回路进行工作[2]。
滚筒式球磨机是通过筒体转动带动研磨介质和物料进行抛落和泻落运动达到对物料的磨矿效果。
本文中利用球磨机和立式螺旋搅拌磨机对某铁矿石样品进行了各种细度要求的磨矿试验，以对比二者针对不同磨矿细度要求的磨矿效率，分析其各自的磨矿适宜性。
1试验设备和试验样品的制备
1.1试验设备
试验设备主要包括：
实验室颚式破碎机；BOND标准球磨功指数试验机；中信重工CSM-2.2立式螺旋搅拌磨试验系统；Φ200标准筛振筛机以及粒度分析仪器设备。
1.2试验样品制备
磨矿入料样品：
利用实验室颚式破碎机将部分代表性铁矿样品破碎至-1mm，再经过混匀、缩分，制备出Levin试验和立式搅拌磨磨矿试验所需的物料。
Bond功指数试验样品：
利用实验室颚式破碎机将其余部分代表性铁矿样品破碎至-3.35mm，用于Bond球磨功指数的试验测定。
1.3试验样品分析
将-1mm的磨矿入料样品进行粒度筛分分析，考察其磨矿初始粒度组成情况。
如图1。
图1磨矿试验样品粒度双对数分布曲线
Fig1DoubleLogarithmicDistributionCurveforGrindingTestSampleSize
经过分析计算，磨矿产品入料最大粒度为1mm，F80（80%产品通过的粒径）值为724μm。
2试验结果
2.1立式搅拌磨机磨矿试验结果
本次试验采用的是中信重工实验室CSM-2.2立式搅拌磨机，磨机参数为：
磨机有效容积115L；驱动电机2.2kW；φ280mm螺旋搅拌器。
磨矿条件为：
磨矿料浆固含55%，磨矿介质为8mm的钢球。
该试验中的功耗是利用KTR扭矩转速测试仪测量并计算得出。
试验中将-1mm样品缩分为5份平行样，每份约30kg。
分别利用立式搅拌磨进行批次磨矿试验，每次试验磨矿时间分别为：
10min、20min、30min、40min、60min，记录每次磨矿搅拌磨扭矩，并计算磨矿吨功耗。
最后对磨矿一定时间结束后的卸磨产品烘干取样，进行粒度筛分分析，并找到相应的P80，汇总后，绘制产品P80和吨功耗的变化曲线，该立式搅拌磨试验属于开路湿法磨矿试验。
图2产品P80与磨矿吨功耗的变化关系图
Fig2DiagramofProductP80andThePowerConsumption
根据图2分析可知，随着磨矿时间的变化，磨矿吨功耗不断提高的情况下，磨矿产品的粒度逐渐变细，P80越来越小。
当吨功耗达到20kWh/t时，产品P80达到37μm，功耗继续增大，产品细度变化将越来越轻微，直至吨功耗达到35.5kWh/t时，产品细度P80达到25μm，之后随着吨功耗增大，产品细度将基本不再变化。
2.2Levin试验研究
Levin试验是J.LEVIN在1989年1月所发表的关于“Bond标准可模型试验研究和细粒级物料的标准可模型试验研究”的论文中提出的[3]。
J.LEVIN认为，Bond功指数均使用-3.35mm的物料，由于Bond球磨机的操作条件是特定的，认为Bond球磨机的每一转能耗等效于实际选厂磨机特定的比能耗，因此J.LEVIN将Bond球磨机的每转等效能耗设定为B值，通过大量的实验室试验和现场数据采集，推断B值是个接近特定值的常数，所以利用Bond球磨机对矿石进行磨矿的输入能耗可以通过B值和磨机磨矿转数的乘积计算。
本论文中应用Levin试验对某铁矿石进行了球磨试验研究，用于与立式搅拌磨的磨矿能耗进行对比。
该磨矿试验属于干法开路批次磨矿。
试验方法如下：
（1）制取一定量的磨矿样品，加入Bond球磨机中进行碎磨试验；
（2）首先粉磨一定转数后，停机取样并进行粒度分析，之后将剩余样品加入球磨机继续粉磨特定转数后，再次取样粒度分析，如此再依次粉磨两次不同的转数，同样每次都取样进行粒度分析。
（3）计算不同转数时的球磨机能耗，并与相应的产品粒度进行分析，绘制相关变化曲线。
在磨机输入能耗分别约为5kWh/t、10kWh/t、20kWh/t、40kWh/t和78kWh/t时，磨矿得到磨矿产品进行粒度筛分分析，绘制能耗和产品粒度的关系曲线，分析二者的变化关系。
图3Levin试验吨功耗与产品P80变化关系图
Fig2DiagramofProductP80andthePowerConsumptioninLevinTest
通过对Levin试验结果的分析，随着磨机转数的增多，磨机的输入能耗增大，磨矿产品粒度逐渐变细，当输入能耗达到40kWh/t时，产品P80为38μm，当磨矿能耗继续增大，产品细度变化越来越微弱，直至吨功耗增大为78kWh/t，产品P80减小为26μm，之后再随着磨矿吨功耗的输入，产品细度基本不会再发生变化。
2.3Bond球磨功指数试验
Bond球磨功指数是Bond对裂缝学说的数学表达，是表征某种矿石可磨度的一个参数[4]。
本试验是按照标准Bond球磨功指数试验流程进行的。
将某铁矿石样品分别进行了以150μm、106μm、75μm、45μm和38μm方孔筛为试验筛孔的球磨功指数试验，并测得其相应的F80、P80以及Gbp，根据式1计算对应的功指数Wib（kWh/t）：
式1
式中：
F80-入料中80%通过的筛孔尺寸（μm）；
P80-产品中80%通过的筛孔尺寸（μm）；
P1-试验筛孔尺寸（μm）；
Gbp-球磨机每转新生成的试验筛孔一下的物料量（g）。
磨矿样品的Bond球磨功指数试验结果以及功指数的计算结果如表1所示：
表1Bond球磨功指数试验结果
Tab1BondBallMillWorkIndexTestResults
序号
参数
试验编号
1#
2#
3#
4#
5#
1
P1（μm）
150
106
75
45
38
2
F80（μm）
1965
1965
1965
1965
1965
3
P80（μm）
118
87
63
37
27
4
Gbp（g/r）
1.439
1.172
0.998
0.668
0.522
5
Wib（kWh/t）
16.54
17.40
17.59
20.05
21.31
当试验测得Bond功指数之后，按照Bond标准公式2计算球磨磨矿的吨功耗W（kWh/t）。
式2
式中：
F-入料粒度，入料中80%通过的筛孔尺寸（μm）；
P-产品粒度，产品中80%通过的筛孔尺寸（μm）；
3试验结果计算与分析
3.1立式搅拌磨试验结果分析计算
根据立式搅拌磨试验结果，计算立式搅拌磨对该铁矿石的磨矿吨功耗。
立式搅拌磨试验属于湿法开路磨矿，因此试验中测定的吨功耗即为其磨矿吨功耗，因此立式搅拌磨磨矿入料为-1mm，F80为724μm，磨矿产品P80分别为314μm、110μm、70μm、30μm、27μm、25μm时的磨矿吨功耗见表2所示：
表2立式搅拌磨磨矿吨功耗
Tab2SpcialPowerConsumptionofVerticalstirringmill
磨矿入料粒度（μm）
吨功耗（kWh/t）
F80（μm）
P80（μm）
-1000
6.63
724
314
9.60
110
12.56
70
20.12
37
24.80
27
35.50
25
3.2Bond球磨功指数试验结果分析计算
利用Bond球磨功指数计算磨矿吨功耗是根据Bond公式2计算的。
由于根据Bond功指数所计算的磨矿吨功耗属于湿法闭路磨矿能耗，因此为了与Levin试验和立式搅拌磨开路试验对比，选择了1.2的开路球磨系数，因此根据公式3计算得到球磨湿法开路磨矿的球磨吨功耗。
式3
根据表1中的功指数，计算磨矿入料为-1mm，F80为724μm，P80分别为118μm、87μm、63μm、37μm、27μm时的球磨吨功耗，计算结果见表3。
此时计算的球磨吨功耗可直接与立式搅拌磨磨矿能耗进行对比。
表3依据Bond球磨功指数计算的球磨吨功耗
Tab3SpcialPowerConsumptionofBallmillAccordingtoBondBallMillWorkIndex
磨矿入料粒度（μm）
吨功耗（kWh/t）
F80（μm）
P80（μm）
-1000
10.91
724
118
14.65
87
18.78
63
30.64
37
39.71
27
3.3Levin试验结果分析计算
Levin试验的磨矿吨功耗是根据Levin试验的理论的B值和磨机转数计算的，其计算结果就相当于球磨的磨矿吨功耗，但是由于Levin试验属于干法磨矿，要与立式搅拌磨和球磨功指数计算的吨功耗进行对比，需要考虑干式磨矿系数，此时选择干式磨矿系数为1.3，则根据Levin试验计算结果如表4所示。
表4依据Levin试验结果计算的球磨吨功耗
Tab4SpcialPowerConsumptionofBallmillAccordingtoLevinTest
磨矿入料粒度（μm）
吨功耗（kWh/t）
F80（μm）
P80（μm）
-1000
3.74
724
298
7.49
163
14.97
73
29.94
39
59.88
26
3.4试验结果分析
根据立式搅拌磨试验结果、Bond球磨功指数结果以及Levin试验结果计算的磨矿吨功耗以及产品粒度，绘制功耗&产品粒度的变化曲线如图4所示，搅拌磨曲线代表湿法搅拌磨开路磨矿，levin试验和BOND功指数曲线代表湿法球磨开路磨矿，二者基本重合，可用于比较搅拌磨和球磨磨矿功效对比。
图4功耗&粒度变化曲线
Fig4ChangeCurveofPowerConsumption&Size
（图中粒度为产品P80，为磨矿产品80%通过的粒径）
由图4分析可知，该铁矿石在磨矿产品粒度接近105μm时，搅拌磨与球磨的功耗一致。
产品粒度大于105μm时，球磨的磨矿能耗相比于搅拌磨更低，此时使用球磨进行磨矿更节能。
而产品粒度小于105μm时，搅拌磨的磨矿能耗相比于球磨更低，此时使用搅拌磨进行磨矿更加节能。
4结论
（1）磨矿试验结果表明，对于该铁矿石的磨矿，立式搅拌磨可以在一定的粒级范围可明显发挥其效能优势。
立式搅拌磨机是通过内部螺旋搅拌器的旋转，带动磨矿介质和物料进行运功，运动方式包括多维循环运动和自转运动[5],磨机物料在磨矿介质的重压力和螺旋旋转的挤压力下产生剥磨、擦洗等作用，使得物料产生磨细效果。
其中只有很少量的冲击作用在物料上，所以立式搅拌磨更加适用于细磨。
因此，该铁矿石磨矿产品P80小于105μm时，立式搅拌磨的磨矿效果则更加明显，能够充分发挥其碎磨效果。
（2）球磨磨矿试验结果表明，对于该铁矿石的磨矿，输入一定的能耗，其磨矿细度也可以达到较理想的效果。
但是由于球磨机自身的磨矿特点，筒体的转动带动磨矿介质和物料进行运动，磨矿介质对于物料更多的是冲击作用，也有一部分的研磨作用，因此在磨矿产品要求较粗的情况下，P80大于105μm时，球磨磨矿效果更为明显，随着产品粒度变细，球磨的磨矿能耗会急剧的提高，体现出了球磨的不适应性。
（3）该铁矿石的磨矿能耗在球磨和立式搅拌磨磨矿时各有不同，在不同的粒级范围内，两种磨矿方式的磨矿能耗体现出不同的变化趋势。
产品粒度P80大于105μm时，球磨机的磨矿能耗相对于立式搅拌磨较低，而磨矿产品P80小于105μm后，立式搅拌磨进行磨矿则更加节能。
（4）本次研究对于该铁矿石磨矿工艺流程的选择具有很大的指导意义，在设计师进行选型计算时，根据磨矿产品粒度要求，可以选择其更加节能高效的磨矿工艺。
参考文献
（1）张洪建,塔磨机在铁精矿细磨中的应用.有色金属设计[J].2012.12:
7-9.
（2）张国旺,李自强,赵湘等,大型立式螺旋搅拌磨矿机的研制及其在矿业工程中的应用.中国矿业[J].2009.7:
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（3）丁凯,仝丽娟,姬建钢,杨纪昌,潘卫宁,高压辊磨层压破碎对某铁矿石磨矿效果的影响.矿山机械[J].2016.6:
40-43.
（4）祖大磊.王坷刚.潘劲军.张萌.董节功.高压辊磨机工作比能耗的计算预测.矿山机械[J].2012.7:
77-79.
（5）张国旺,李自强等,立式螺旋搅拌磨矿机在铁精矿再磨中的应用.[J].2008.5:
93-96.
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