碎磨工艺回路的设计和磨机选型方法的探讨

余浔

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

在选矿厂中，碎矿—磨矿虽然只是矿石入选前的准备作业，但这部分的投资和能耗约占整个选矿厂投资和能耗的50%～60%，有些选矿厂甚至更高，可能高达70%。因此如何选择经济合理、节能降耗、技术先进的碎磨工艺流程就显得尤为重要。

目前，金属及有色金属矿山最常用的碎磨工艺主要有以下几种：1）多段破碎—棒磨—球磨工艺。这种流程常见于20世纪50-60年代，现在的新建选厂已极少采用。2）多段破碎—球磨工艺。这种流程即通常所称的常规老三段碎磨工艺，仍是一种经常被采用的经典流程。3）一段破碎—全自磨/半自磨工艺。20世纪80-90年代以来，随着（半）自磨机技术的发展及磨机规格的大型化，大多数大中型新建选厂或改扩建选厂均采用了这种工艺。该工艺可有多种流程结构，如单段全自磨/半自磨工艺、SAB、SABC、AP、APC等。4）二段（或三段）破碎—高压辊磨—球磨工艺。这种工艺目前在许多铁矿山有应用。

通常碎磨工艺回路的设计选择主要是围绕磨机的选型进行的。针对上述几种碎磨工艺究竟要如何选择，首先必须弄清影响流程工艺选择的因素，在此基础上，再进行充分的试验研究，才能够确定合理的碎磨工艺及磨机的选型。

1 影响碎磨流程选择的因素

1.1 矿山地质特征和矿床的赋存状态[1]

由于均质的矿床是极少见的，常见的是由多种不同岩型的矿体组成的矿床，这会导致不同项目所选择的碎磨流程也可能是不相同的。以江西九江地区的城门山铜硫矿为例，该矿是由矽卡岩铜矿、斑岩铜矿和含铜黄铁矿3种类型矿石组成的矿床，有10多个矿体，地下水丰富，其中，氧化矿带深入到原生矿带，甚至延引到湖底。矿石遇水有被泡软的现象，故处理这种矿石不能用传统的老三段，而只能采用粗碎+半自磨+球磨的碎磨流程。福建马山铁矿是单一的磁铁矿矿床，品位较低。针对该矿特点，采用“多碎少磨”的破碎+单段球磨流程，并在碎矿段破碎至适合粒度时进行粗粒抛尾。该流程可以提高后续选别流程的入选品位，减少磨矿量，降低选矿成本，提高选矿经济效益，具有自磨/半自磨流程无可比拟的优势。

1.2 矿石的碎磨特性参数

矿石的特性，即矿石的碎磨特性参数，是影响碎磨流程选择的重要因素。这些参数需要通过实验手段获取[1]。

邦德球磨功指数是用于预测碎磨工艺的经典矿石碎磨特性参数。邦德球磨功指数在5～8 kWh/t时，表明矿石太软，不适合自磨/半自磨工艺，宜用传统老三段+球磨的磨矿工艺。邦德球磨功指数＞20 kWh/t时，表明矿石太硬，自磨/半自磨工艺会产生严重的“顽石”积累，适宜的流程应是高压辊磨+球磨。但炼铜炉渣是一个例外，它的球磨功指数虽然高达25 kWh/t以上，属极硬的物料，但其性脆、易碎、难磨，因此仍采用了半自磨工艺。由于入选粒度细，渣选工艺一般用大容量的球磨机。国内外大多数大型铜冶炼厂几乎都是采用这一流程。

半自磨工艺的邦德球磨功指数适应区间为8～20 kWh/t，其中小于15 kWh/t时可采用SAB流程；大于15 kWh/t时一般用SABC流程。全自磨工艺一般仅适于中等硬度矿石，邦德球磨功指数为12～20 kWh/t。由此可见，全自磨的适应范围略窄，而半自磨工艺几乎可适用于所有硬度的矿石，只是根据不同的工艺参数，其磨矿流程的结构有所不同。

1.3 后续选别工艺对碎磨产品粒度的要求[1]

碎磨工艺毕竟是后续选冶工艺的准备作业，因此后续选别工艺对碎磨产品粒度的要求也是影响碎磨流程选择的重要因素。

福建宁化行洛坑钨矿采用重选工艺，要求分选粒度为-0.5 mm；因此采用了传统的碎磨流程，设计了三段一闭路碎矿+一段棒磨的工艺流程。

刚果（金）希图鲁铜矿处理高品位的氧化铜矿石，经试验只能用搅拌浸出湿法冶金工艺产出阴极铜。试验确定最佳浸出粒度为-0.3 mm，而矿石风化严重，含泥含水，经碎磨流程比较，选择了粗碎+单段半自磨+高频细筛闭路的碎磨流程。投产后流程畅通，达到甚至超过了设计指标。

1.4 技术经济比较分析

在技术上拟定处理特定矿石的碎磨工艺流程，在经济上，仍然要综合环保、节能等因素，通过方案分析和比较，选择一个更为经济合理的流程。

太钢袁家村铁矿，规模 2.3×104kt/a，根据矿石特性参数和高压辊磨试验资料，拟定了半自磨+球磨、高能破碎+单段球磨和高压辊磨（即第三段破碎用高压辊磨）+单段球磨三个方案进行比较。最终，半自磨+球磨方案各项指标均优于另两个方案，为此选择了SABC流程。

1.5 工程特点及业主的愿望

对于一些改扩建工程，由于受现场条件限制，以及业主要求不影响现有生产的约束，不可能像新建选厂那样进行多方案流程比较，只能因地制宜。例如福建某钨矿选厂已生产十多年，随着开采深度延深，矿石性质变硬，碎磨工段产能达不到原设计能力，必须进行改造。经试验选用了国产的高压辊磨机作为第四段破碎设备，将棒磨机的给矿粒度从12 mm降至6 mm左右，磨矿生产能力提高了30%。

2 碎磨回路设计中磨矿段数的确定

磨矿段数主要取决于矿石的嵌布粒度特性和后续选别工艺所需的粒度，即磨矿产品粒度的要求。

当磨矿产品粒度P80＞106 μm （相当于-200目＜65%），应选择单段磨矿流程，可采用常规多段高能碎矿+单段球磨流程和单段（半）自磨工艺。而当产品粒度要求+150 μm在20%左右时，通常多选择单段全自磨或单段半自磨工艺。

当磨矿产品粒度P80=106～75 μm（相当于-200目65%～80%），通常选择两段磨矿流程，包括常规两段球磨，ABC、APC、SAB 及 SABC 的自磨/半自磨两段磨矿流程，但对于小型选厂也可考虑单段磨矿流程。

磨矿产品粒度为P80=75～55 μm（相当于-200目80%～90%）时，无论是常规磨矿还是自磨/半自磨流程均宜选择两段磨矿流程。

3 矿石碎磨性能参数的测试试验

碎磨回路设计前都必须对所处理的矿石进行充分的碎磨试验和碎磨参数的测试，包括邦德棒磨&球磨功指数、低能冲击指数、磨蚀指数或直接测定自磨&半自磨功指数和工艺流程的模拟或半工业性试验，以作为设计依据。各种试验方法及所需试样、粒度要求等如表1所示。

表1 矿石碎磨试验测试方法、样品量及粒度要求[2-3]

4 磨机选型计算方法

4.1 棒磨机和球磨机的计算

目前在工程设计上主要应用的是容积法和功耗法(亦称邦德功指数法）。容积法又叫类比法，以单位磨矿容积处理量(以新生成级别计)为基础，根据类似选矿厂的生产数据进行计算，应用方便，对小型磨机计算结果具有一定的可靠性。而功耗法是以单位矿石磨矿功耗为基础进行计算，目前在国内外已得到广泛应用。

容积法及功耗法在《选矿设计手册》上有详细的计算过程，在此不再详述。应该指出，容积法和功耗法虽然得到广泛应用，但还存在着某些缺陷，比如，给矿及产品粒度在两种方法中均以其粒度分布曲线上的某一点来表示(容积法一般是-200目含量，功耗法是80%通过筛孔的粒度)，并不能代表物料的整个粒度分布；一些影响磨矿效果的重要因素在计算中未考虑，如分级效率、循环负荷、磨矿浓度、磨矿介质(包括形状、尺寸及其组成)以及磨机衬板结构形式等。此外，容积法还未考虑磨机转速率及介质充填率的影响。

实践证明，直径为5.0 m及以下的球磨机，采用功耗法计算，结果与实际应用非常吻合，但随着磨机规格增大，采用邦德功指数法计算的球磨机处理能力与实际生产能力出入也随之增大[4]。这可能是由于球磨机直径达到一定的限度(如5 m)后再增大时，磨机内的介质内部会存在一个“惰性区”。为了降低这个惰性区的影响，磨机内的充填率应该相应地降低(即相当于球磨机的单位有效容积下降)，单位容积所需的输入功率也相应降低。这是大型磨机功率计算的一个应慎重考虑的问题。

4.2 自磨机和半自磨机的能耗计算

根据《选矿设计手册》，自磨机和半自磨机的能耗主要是依据半工业(或工业)试验结果来计算。然而由于半工业（或工业）试验需要矿量大、费用高、耗时长，已基本不再采用。目前，国外都是使用少量试样在试验室内完成所需的试验，再根据试验结果和大量实际生产数据，模拟（如JKSimMet)在不同条件下单位矿石的功耗，依此选择和确定自磨/半自磨工艺流程和自磨/半自磨机的型号规格。以下介绍两种计算方法。

1）S.Morrell方法。澳大利亚 SMCC公司的Stephen Morrell博士基于SMC试验提出的半自磨计算模型已广泛应用于半自磨机选型中。

粒度减少比功耗计算公式如下[5]：

式中：Mi为与破碎性质相关的功指数，kWh/t。对磨矿而言，从最终破碎产品粒度到P80为750 μm （粗颗粒）定义为Mia，而细颗粒从P80为750 μm到最终磨矿产品（细颗粒）定义为Mib。Wi为比功耗，kWh/t。X2为产品中80%过筛。X1为给矿中80%过筛。f(xj)=-(0.295+Xj/1 000 000)。

对筒形磨机而言，比功耗（Wi）与小齿轮的功率

式中：W为小齿轮的功率，kW；F80为给矿中80%通过的粒度，mm；DWi为 SMC试验落重指数，kWh/m3；J为钢球磨机的容积，%；Ø为磨机的临界转速率，%；f（A1）为磨机长径比A1的函数；g(x)为半自磨机圆筒筛筛孔尺寸的函数；式中a、b、c、d、e、f、g为常数；K为常规磨矿回路，K=1，在AG/SAG回路中，有砾石破碎时，K=0.95。

2）中信重工关于半自磨机单位能耗的计算模型。相关。对于无齿轮传动而言，相当于电机的功率；对高压辊磨而言，它是输入到辊轴的功率。同时，传统的破碎Wi的比功率定义为电机输入功率-空载功率。

小齿轮功率计算公式如下：

式中：ESAG为半自磨机单位能耗，kWh/t；A×b为矿石冲击性能，JK落重试验值；RWi为邦德棒磨功指数，kWh/t；BWi为邦德球磨功指数，kWh/t；F80为半自磨机给矿中80%通过的粒度，μm；T80为半自磨机排矿中 80%通过的粒度，μm；K1、K2、K3为常数。

上述计算模型已经成为磨矿回路设计和生产优化的主要手段。设计人员将矿石碎磨特性测试所得参数输入模型软件，即可算出单位能耗，再输入设计处理量，计算出工业磨机所需能耗，再参照数据库中生产实践案例和设备资料，初步拟定设备规格，模型软件即可计算出所选设备的处理能力。如发现设备选型太大或太小，设计人员需重复以上步骤，直至选出合理的设备。由于计算的模型都是根据经验公式建立的，同一矿石、不同模型计算的结果都有一些差异，特别是对半自磨机，因此在选用工业磨机时，要考虑一个安全系数，这个系数通常是计算总功率的15%～20%，也可理解为矿石的波动系数。

5 计算实例

5.1 用Morrell公式计算的实例[5]

一个经粗碎后P80=100 mm到磨矿最终产品P80=106 μm 的矿石，经 SMC 试验获得：Mia=19.4 kWh/t，Mic=7.2 kWh/t，Mih=13.9 kWh/t，邦德球磨功指数Mib=18.8 kWh/t，按半自磨—球磨—砾石破碎回路(SABC)、第二段破碎—高压辊磨—球磨回路(HPGR/B)、第二/第三段破碎—球磨回路(C/B)3种碎磨回路计算，其回路的单位矿石功耗的结果列于表2。

表2 三个碎磨回路单位矿石功耗的计算结果

从表2数据可看出，对这种硬矿石的处理，选择HPGR/B碎磨回路，单位功耗最低。虽然C/B碎磨回路的单位功耗与其接近，但三段破碎的最终产品能否达到P80=6.5 mm，值得怀疑。通常采用高能破碎机理想的P80也只能达到7.5 mm，这样破碎和单段球磨的单位功耗都会增大，总的单位功耗就可能接近SABC回路了。

用上述公式计算出的单位功耗，也就是该段作业处理矿石的净功率，再乘以所处理的矿量（t/h）即为该段作业的需用功率。

5.2 中信重工SMC试验及计算实例

中信重工对刚果（金）某铜钴矿项目进行了SMC试验及邦德球磨功指数试验，试验结果见表3、表4。

表3 SMC落重试验结果数据

表4 邦德球磨功指数试验结果

设计采用SAB流程，磨矿工艺参数为：F80≤150 mm，P80=82 μm(-200 目占 75%)，处理能力为 3 kt/d（125 t/h），设计波动系数为 1.15。

经JKSimMet模拟，半自磨的净功率为1 061.21 kW，考虑波动系数 1.15，其净功率为 1 222.514 kW，再考虑传动效率系数0.95，其安装功率应为1 286.86 kW，可选择1 300 kW电动机。而球磨机的净功率为1 364.5 kW，考虑波动系数 1.15，其净功率为 1 569.18 kW，再考虑传动效率系数0.95，其安装功率应为1 651.77 kW，可选择1 700 kW电动机。

根据以上计算结果，选择 Φ5.5×3.0 m(EGL)半自磨机 1 台，功率为 1 300 kW；Φ3.8×6.6 m 球磨机 1台，功率为1 700 kW。项目建成投产即达产，整个磨矿回路能力可以达到3 600 t/d。

6 经验总结

1）一定要全面了解所处理矿石的碎磨特性，进行充分的测试工作，包括邦德功指数、JK落重试验。这两项在国内都有条件做，而半自磨功指数（SPI）和半自磨工艺设计（SAG design）及自磨功指数（Macpherson试验）目前国内没有条件做，但在国外工程中，可能会有这方面的试验资料。只有在充分可靠的试验基础上，才能拟定正确的磨矿回路和设备选型。

2)要获得充分全面的试验数据，必须采集足够数量有代表性的矿样。矿样的采集需与地质学家和采矿工程师紧密合作才能完成，特别是矿床上、中、下部及软矿或硬矿的分布和数量的确定。

3)要了解和逐步熟悉各能耗模型的内容和碎磨参数的关系，从而判断设备厂家使用计算模型软件做出的结论是否正确，包括拟定的磨矿回路的操作参数、设备选型及其工艺参数，以便进行工艺水平的评估和经济评价。对于单段自磨／半自磨回路，目前还没有一个确切的模型软件来计算，一般通过生产实践资料来模拟。

4)随着磨矿设备的大型化、电力供应的保障程度提高、自动化水平日益提高，以及操作和维修人工费用的大幅增长，磨矿回路采用单系列配置已成一种趋势，如鹿鸣钼矿设计规模为50 kt/d，采用SABC流程，只用了一个系列。目前，30 kt/d以下的自磨／半自磨回路几乎都采用了一个系列的配置。