纳米陶瓷球在金属矿细磨中的应用及前景

周洪林

（1.浙江天磨矿业科技有限公司；2.景德镇百特威尔新材料有限公司）

铁矿石作为中国经济发展的战略资源，每年约80% 需要进口。中国的金属矿产资源具有贫、杂、细的特点，且地质开采赋存条件复杂。同比国外的高品位、低杂质、易开采的金属矿产资源，中国金属矿石加工的采选工艺复杂，生产成本明显高于国外同类企业。从短期来看，中国铁、铜、锰、铬、钴、锂等金属矿产的原料端难以改变依赖进口的局面。

陶瓷材料具有很好的耐磨、耐腐、耐热等特性，在工业领域得到了广泛应用。随着高强耐磨、高韧抗碎、表面磨削力强、内外性能一致的纳米陶瓷球在金属矿细磨领域的成功应用，为金属矿山选厂细磨（0.074～0.038 mm）作业的节能降耗及产品粒度改善带来了革命性变化，可助力金属矿产资源开发，提升国家金属矿产战略资源安全储备能力。

1 纳米陶瓷球的细磨特性

1.1 纳米陶瓷球的材料特性

纳米陶瓷球是以氧化铝为主要成分的工程应用陶瓷，不同于传统氧化铝陶瓷，从原料制备、成型和烧结成球的各工艺环节都具有创新性。所有生产纳米陶瓷球的原料全部加工至-100 nm，在高速离心状态下以“滚雪球”的方式成型，然后在自动化、智能化控制的炉窑条件下烧结为最终成品。

传统氧化铝陶瓷存在成瓷结构粗糙、晶粒大、局部应力集中的问题，容易引发掉瓷现象，这是由于粉体粒度偏大、活性低造成的。纳米陶瓷研磨体具有高强度、高耐磨性、研磨效率高、低消耗的特点［1］。从现有磨介材料的应用性能对比（表1）可知，纳米陶瓷研 磨体是综合性能最佳的品种，其市场应用潜力巨大［2］。

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1.2 纳米陶瓷球的细磨特性

传统氧化铝陶瓷球在水泥干式粉磨系统、建筑陶瓷的湿式间歇式球磨机和非金属矿物加工防止铁质污染的连续式球磨机中均已经得到广泛应用。在研磨过程中，纳米陶瓷球对细颗粒物料的破碎作用力主要包括挤压、剪切、擦洗和冲击4种方式（图1）。

介质研磨的效果不完全取决于介质的总质量，介质数量的增加在很大程度上也提高了物料参与粉磨的几率，对粉磨效果也有提升作用；陶瓷球表面硬度高，单颗粒介质与物料接触后在微观上产生的挤压磨削能力较钢球要强［3］，所以与钢球研磨介质同质量的纳米陶瓷球的磨矿效率和耐磨性高于钢球，从而可降低球磨机和塔磨机的运转负荷，实现节能降耗。

纳米陶瓷球的比重约为钢球比重的一半，在对矿物的细磨过程中，确保磨细产品的同时，可有效减少矿石的过磨，为后续的选别工艺创造更好的粒度条件。很多非金属矿物的磨矿工艺为降低铁杂质，在其加工过程中通常要进行除铁，若在细磨阶段使用陶瓷球研磨介质，能有效减少铁杂质污染［3］。金属矿选别中同样存在铁质污染，增加后续浮选和氰化药剂的消耗。纳米陶瓷球研磨介质的应用，可避免铁质污染对有用金属矿物选别的负面影响。

陶瓷球内外硬度均匀，磨损后始终呈圆形，保持表面光滑；而钢球因硬度不均匀，磨损后多呈“棱角”或“凹陷”的不规则多边体，故钢球比纳米陶瓷球对衬板的冲击磨损严重。纳米陶瓷球取代钢球的应用实例也证实了应用纳米陶瓷球可延长球磨机和塔磨机衬板的使用寿命，缩短维检周期，节省购置费用。

1.2.1 纳米陶瓷球在球磨机中的细磨特征

金属矿细磨作业采用湿式连续式球磨机，分为开路磨矿和闭路磨矿2 种，实现有用矿物的单体解离，为选别提供合格的产品粒级。纳米陶瓷球因其特有的脆性材料特性，不适合“抛落式”的研磨运动状态（图2），仅适合“泻落式”（图3）或“混合式”（图4）的研磨运动状态。

在金属矿的球磨机磨矿作业流程中，通常第一段球磨机的磨矿介质为抛落式运动方式，第二段和后续段球磨机的磨矿介质为泻落式或混合式运动方式。目前，大型金属矿山选厂采用自磨和半自磨工艺流程，后续的球磨作业因来料粒度粗，仍需要以抛落为主的研磨运动方式，不适合选用纳米陶瓷球作为研磨介质。

金属矿细磨给料最大粒级通常不超过0.3 mm，细磨时应大幅减小球径以增大表面积，同时应创造有利于钢球研磨的工作条件，如泻落式工作状态，而不应采用以打击作用为主的抛落式工作状态［4］。现有选矿厂的生产实践中，无论是第二、三段磨矿还是粗精矿再磨，使用的钢球直径一般为50～60 mm，尺寸大的甚至达到70～80 mm。大量的研究结果显示，目前生产实际中使用的球介质尺寸偏大，考虑到各方面因素，以采用30～40 mm的球为宜［5］。

鉴于纳米陶瓷球的材料特性以及球磨机的磨矿原理，用于金属矿细磨的纳米陶瓷球直径不应大于同等工况的钢球直径。实际应用中，大幅减小了纳米陶瓷球的球径，增加了瓷球研磨介质的总表面积和总个数，实现磨矿效率的最大化。目前，在金属矿细磨的球磨机中，纳米陶瓷球的初装球径最大不超过35 mm，补加球径不超过30mm。在适宜精确化装补球制度下，入磨物料中各粗、中、细粒级均能被有效破碎，其磨矿效果最佳，即产品粒度组成特性最佳［6］。因此，目前满足金属矿细磨的纳米陶瓷球直径主要为8、10、13、15、17、20、25、30、35 mm 等9种规格。

1.2.2 纳米陶瓷球在塔磨机中的细磨特征

塔磨机的磨矿介质一般为钢球或陶瓷球，塔体上面的传动装置使螺旋搅拌器顺时针转动，从而使粉碎介质在筒体内做整体的多维循环运动和自转运动，物料在磨矿介质重量压力和螺旋回转产生的挤压力下被有效地粉碎［7］。与球磨机相比，塔磨机优点：①高效细磨，可防止过磨的优越性；②节省能耗，磨矿产品粒度越细，节能效果越显著；③易于操作和维修；④安装简单、周期短；⑤改善工作环境，噪声低，振动小；⑥占地面积小；⑦设备基础简单，基建费用省［8］。

高铬钢球是立式搅拌磨的传统研磨介质，其硬度高、耐磨性能良好，但纳米陶瓷球的硬度较传统高铬钢球更高，且其球体内外硬度均匀，更耐磨，二者性能对比见表2［3］。

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因纳米陶瓷球具备高耐磨、高耐撞击、内外强度一致的性能，塔磨运行半年后，纳米陶瓷球磨至4 mm仍然完整，并无变形、碎裂等现象（图5）。与钢球同质量的纳米陶瓷球，在塔磨机中的充填率更高，可增大有效磨矿表面积，提升磨矿效率，增加磨矿细度，稳步提升指标。钢球变形后表面会出现凹陷，进行研磨时，物料“躲”在凹陷区内得不到研磨，形成“无效”表面积，降低了磨矿效率［9］。安徽东鑫矿业铁矿石选厂TGTM-250塔磨机的细磨作业中，钢球研磨介质在塔磨机螺旋搅拌器的快速搅动下，直径20 mm的高铬钢球在使用一段时间后，从直径18 mm就开始变形，小于8 mm时，已经完全失圆（图6）。

纳米陶瓷球密度较钢球比重轻近一半，与钢球相同充填率的纳米陶瓷球不足以产生与钢球相同的挤压力、剪切力、擦洗力和冲击力来粉磨物料。若将钢球替换为纳米陶瓷球，须提高纳米陶瓷球的充填率，但充填的纳米陶瓷球总质量较钢球下降30%～40%，即可保证原有钢球的磨矿能力和产品细度。

2 纳米陶瓷球在金属矿细磨中的应用实例

在湖南、山东、安徽、江西、云南、河南、陕西、河北等地的金属矿选厂，细磨中应用纳米陶瓷球替代钢球的应用案例很多，其应用效果主要体现在可节省磨矿分级作业的介质及能耗，促进有用矿物的单体解离，延长球磨机衬板和塔磨机螺旋衬板的使用寿命和更换周期，有效降低了选矿生产成本。

2.1 纳米陶瓷球在球磨中的典型应用案例

以安徽某铁矿和山东某铁矿选矿厂为例，重点介绍纳米陶瓷球替代钢球磨矿介质后，在节能降耗和减少有用矿物过磨取得的应用效果。

2.1.1 纳米陶瓷球在安徽某铁矿的应用

该铁矿为单一磁铁矿，纳米陶瓷球在第二段φ3660 溢流型球磨机和高频细筛的闭路磨矿分级中应用，主要磨矿指标见表3，纳米陶瓷球应用前后生产技术指标对比见表4。

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由表3可知，球磨机排矿细度提升了6.47%，不仅使筛下产品稳定实现-74 μm 70% 以上的细度目标，而且分级效率显著提高，其中分级量效率提高30.84%，分级返砂比下降41.45%，促进了球磨机利用系数的提高，提升幅度达到108.82%。

由表4可知，纳米陶瓷球磨矿保证了全钢球磨矿时选矿厂的台时处理能力，且台时量提高了8.19%，单位电耗下降了30%，单位球耗下降了53.25%，同时还保证了铁精矿品位和精矿产量。

此外，纳米陶瓷球磨矿后，全面改善了入选产品的粒度分布，高频细筛筛下产品中-19 μm 粒级产率从4.96% 降低到3.35%，幅度达32.46%；金属分布率从4.67% 降低到1.18%，幅度达到74.73%，为后续磁选创造了更好的入选粒度条件，同时缩短了精矿过滤和尾矿浓缩时间。

2.1.2 纳米陶瓷球在山东某铁矿的应用

该矿从露天转入地下开采后，矿石性质发生变化，需要更细的磨矿产品粒度。选矿厂将已闲置的1台橡胶衬板材质的φ2145球磨机重新启用，作为第三段开路磨矿，采用钢球磨矿介质。因φ2145磨机能力不足，给入磨机固体干量65～70 t/h 的部分矿浆分流后同磨机排矿混合，进入后续的磁选流程。2021年7月4日开始在该铁矿选厂应用11 t最大球径为30 mm的纳米陶瓷球，替代了第三段φ2145 球磨机中的钢球。φ2145球磨机使用钢球时，混合排矿细度-74 μm粒级含量能提高约11 个百分点；而使用纳米陶瓷球时，混合排矿细度-74 μm 粒级含量能提高约14 个百分点，比使用钢球多提高3 个百分点，提升了矿石的单体解离度，有效提高和稳定了铁精矿品位。纳米陶瓷球应用前后主要磨矿指标对比见表5。

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由表5可知，①纳米陶瓷球的磨矿浓度略低于钢球；②球磨机的运行电流降低30% 以上；③钢球每天的补加量为500 kg，纳米陶瓷球的补加量为钢球的20%；④纳米陶瓷球39%～40% 的充填率仅比钢球的38% 多出1～2 个百分点，同样的磨矿量却得到更细的磨矿产品粒度，而锰钢和磁性衬板的球磨机用纳米陶瓷球取代钢球时，须比钢球多出约10 个百分点的充填率，才可实现钢球对应的磨矿量和磨矿产品粒度。

通过分析认为，由于橡胶衬板的提升条抬高了纳米陶瓷球的泻落高度，纳米陶瓷球以抛落和泻落“混合式”的运动状态，才可能在与钢球充填率相近的情况下得到相同甚至略高的磨矿效率。此外，橡胶衬板的弹性避免了纳米陶瓷球在刚性衬板中的冲击破碎，纳米陶瓷球几乎一直保持圆形，有利于磨矿过程中更有效地“啮合”矿粒，实现矿物的破碎。由于橡胶衬板的弹性，纳米陶瓷球冲击橡胶表面后的回弹效应，增加了球与球之间的打击次数，有助于新生更多的细粒级产品。2021 年10 月15 日磨机停产检修，φ2145球磨机内磨损后的纳米陶瓷球以及球磨机进料端和出料端研磨介质的充填位置见图7。

2.2 纳米陶瓷球在塔磨中的典型应用案例

以山东金翅岭金矿VTM-400塔磨机和安徽东鑫矿业TGTM-250塔磨机为例，介绍纳米陶瓷球的应用效果。

2.2.1 纳米陶瓷球在山东金翅岭金矿VTM-400 塔磨机的应用

在该矿的浮选金精矿再磨氰化工艺中，采用纳米陶瓷球取代VTM-400塔磨机中的高铬钢球作为磨矿介质后，主要技术经济指标如下。

（1）纳米陶瓷球应用后，立磨机电耗从16.04 kW·h/t 下降到8.16 kW·h/t，球耗从7.720 元/t 降至0.191 元/t，螺旋衬板年耗从3 套降至1.69 套，总计年可节省费用249.15 万元。

（2）纳米陶瓷球与高铬钢球磨矿产品金浸出率一致，但纳米陶瓷球磨矿产品浸出液中杂质铁含量减少约43%，降低了杂质铁对NaCN 和CaO 用量的影响［10］。

2.2.2 纳米陶瓷球在安徽东鑫矿业TGTM-250 塔磨机的应用

东鑫矿业的铁矿石选厂采用两段磨矿，第一段为球磨机与螺旋分级机闭路，第二段为TGTM-250塔磨机与水力旋流器闭路。塔磨机给入铁矿石干量80 t/h（新补加量），初装球为直径25 mm和20 mm的高铬钢球，补加球直径为20 mm。一段球磨螺旋分级机溢流与塔磨机排矿合并，经直径350 mm旋流器分级，沉砂进入塔磨机，溢流进入后续浮选铜和磁选铁流程。塔磨机入磨粒度-74 μm 含量50%，磨矿浓度70%，旋流器溢流产品粒度-74 μm 含量75%～80%，每天需补加约100 kg 的高铬钢球。塔磨机正常运行电流16.2～16.3 A，最大运行电流17.2 A（最大额定工作电流19.1 A）。

2022年2月开始应用纳米陶瓷球替代高铬钢球，初装球最大球径25 mm，取得的主要技术经济效果：①立磨机运行电流从16.2～16.3 A 下降到11.0～11.1 A，下降了三分之一；②塔磨机每天仅需添加25～30 kg 的纳米陶瓷球，仅为高铬钢球的四分之一；③当矿石性质发生变化时，塔磨机入磨粒度-74 μm 含量仅20%，旋流器溢流-74 μm 含量仍然达到75%～80%，并保持磨矿产能几乎不减少。

3 适应纳米陶瓷球的球磨机和塔磨机的优化设计

3.1 球磨机的优化设计

虽然纳米陶瓷球的初装球质量比钢球低，可实现钢球磨矿的产能和细度指标，但纳米陶瓷球的初装球体积必须比钢球的初装球体积大。现有金属矿山大部分采用溢流型球磨机进行细磨作业，筒体尺寸、结构、强度、容积、衬板、驱动装置和磨矿浓度等全部按照钢球研磨介质设计，并没有专门适合纳米陶瓷球的细磨球磨机。为此，矿山机械制造企业须加大对新型纳米陶瓷球磨机的研制和优化设计，且在优化设计中应重点关注以下方面。

（1）适应纳米陶瓷球的球磨机的刚度、强度和驱动功率都比应用钢球的球磨机低。因此，可考虑减少球磨机自身的质量和驱动功率。

（2）适应纳米陶瓷球的球磨机的产能和磨矿产品粒度与钢球介质相同时，需要的初装球充填率更高。因此，需优化球磨机的结构型式，最大限度地增加纳米陶瓷球的充填体积。

（3）针对不同的金属矿细磨应用，研究适应纳米陶瓷球的球磨机的磨矿浓度区间，以便为现场提供更适合的球磨机规格。因为在细磨作业时，随着矿粒粒度变细，表面电化学力增强，矿浆的黏度显著增加。只有采用较稀的矿浆浓度，使矿浆中矿粒的体积减小，以抵消附加黏度增大所产生的影响［11］。

（4）适应纳米陶瓷球的球磨机衬板材质和结构型式。纳米陶瓷球比重轻，对衬板的冲击比钢球低，更多的是对衬板的磨损破坏。细磨以研磨非冲击破碎物料为主，须尽可能保持纳米陶瓷球的圆度，才能保证磨矿效率。

（5）纳米陶瓷球直径小、比重轻，导致研磨介质体的能量过小而弱化细磨作用，需对研磨介质体适度提升，实现“混合式”的研磨状态。因此，建议重点探索具有提升条的橡胶衬板的应用效果，既可适度提升纳米陶瓷球研磨介质体，又可避免对陶瓷球的冲击破坏，还可增加纳米陶瓷球对细磨物料的研磨几率。

（6）适应纳米陶瓷球的磨机操作因素主要有磨机转速、球料比、返砂比、助磨剂、介质制度等。

3.2 塔磨机的优化设计及应用

常规塔磨机均采用高铬钢球作为研磨介质，设备的功率、容积及结构均与钢球相匹配。为适应新型的陶瓷研磨介质，对传统塔磨机进行了优化设计，开发了新型的KLM-L型塔磨机并在云南某多金属矿取得应用，应用结果表明，该立磨机具有介质消耗低、能耗低、衬板使用寿命长等优势［12］，其主要优化设计重点如下。

（1）研制筒体容积更大的塔磨机，适应陶瓷研磨介质的细磨特性，提高细磨效率的同时降低设备能耗。陶瓷研磨介质的整体充填质量比钢球低30%～40%，对辅助提升介质的功率需求降低，对重载启动的要求也降低。

（2）大直径、小倾角的新型螺旋搅拌装置，提升陶瓷球研磨介质下的细磨和再磨效率。

（3）塔磨机筒体采用聚氨酯衬板寿命更长、噪音更低、工人劳动强度更小。

（4）优化了主轴抗摆动自稳定技术和结构，降低了加工制造成本，提升了产品性价比。

目前，国内的矿山机械制造企业已成功研制出了适合纳米陶瓷球的塔磨机，且已有数十台该种塔磨机应用在金属矿山的细磨作业中，都取得了比钢球更好的节能降耗和减少过磨的显著效果。

4 纳米陶瓷球在金属矿细磨领域的应用前景

（1）纳米陶瓷球应用于球磨机和塔磨机的细磨作业，从金属矿山选厂的应用实例表明，纳米陶瓷球可大幅降低选矿厂的介质消耗成本和磨机电耗成本，为选别提供更好的磨矿分级产品粒度，减少过磨和泥化，改善精矿过滤和尾矿浓缩效果。惰性的纳米陶瓷球无铁杂质污染，可减少有用金属矿物的浮选药剂消耗。

（2）纳米陶瓷球在金属矿山选厂细磨作业中的全面推广应用，还需纳米陶瓷球生产企业研发高密度、高硬度和高韧性的陶瓷球；矿山机械制造企业研制适合纳米陶瓷球的球磨机和塔磨机；金属矿山企业、高校及设研机构联合开展纳米陶瓷球细磨应用的工艺参数优化，如磨矿浓度、球径、球配、充填率和补加球制度等，并探索纳米陶瓷球在大型球磨机和塔磨机中的应用效果。

（3）纳米陶瓷球带来了金属矿山细磨介质的材料革命，颠覆了“非金属介质具有硬度高，但密度小，破碎过程中携带的能量密度小，细磨效果不如金属介质，且非金属介质脆性大，磨矿过程中的磨损及破碎率均较高，介质消耗较大”的传统认知［13］。纳米陶瓷球在金属矿山细磨领域的推广应用，在降低金属矿山企业成本及提高资源利用率的同时，还可助力我国2030 年实现“碳达峰”和2060 年实现“碳中和”的碳减排战略目标。