Experimental study of grinding system optimization for a tungsten polymetallic ore
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摘要: 针对易碎、性脆的某钨多金属矿，通过实验室的磨矿优化条件试验，确定了实验室磨矿条件为充填率 45 %、磨矿时间 4 min、磨矿浓度 67 %、磨机转速 200 r/min、精确化球径的配比为 ：Φ50∶ Φ40∶ Φ30=25 %∶25 %∶50 %. 然后通过精确化实验验证了在上述条件下，19~74 μm 范围内的品位最高，符合钨矿的嵌布粒度区间和解离区间，小于 10 μm 的金属分布比现场有所降低，磨矿产品的粒度特性和金属分布特性全面得到改善.Abstract: This paper describes the grinding optimization of a fragile, brittle tungsten polymetallic ore. According to the laboratory conditions test, the laboratory grinding conditions of filling rate of 45 %, grinding time of 4 min, grinding concentration of 67 %, ratio of speed 200 r/min, precision ball diameter: Φ50∶Φ40∶Φ30 = 25 %∶25 %∶50 % were obtained. Then verified by precision experiments under the above conditions, the interval of 19~74 μm is the highest grade which is in line with the range of dissemination size and dissociation for tungsten ore, the interval of -10 μm metal distribution is decreased than that of the site. The characteristics of particle size and metal distribution of the grinding product are improved comprehensivly.
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0 引言
作为一种复杂多变的生产过程，磨矿系统的好坏会显著影响选厂处理量大小和后续选别指标的高低.石贵明等[1]研究了云南锡业的磨矿作业过程，得出了球径精确化可以改善选别指标的结果.肖庆飞等[2]对磨矿介质制度的发展和优化进行了综述性研究.王鹏等[3]对新型磨矿介质形状和大小选择原则进行了研究，提出要充分认识磨矿介质研究是边缘学科，要全面深入研究.朱一民等[4]对铝土矿进行了选择性磨矿实验研究，河南长城铝业公司铝硅比为4.4 的一水硬铝石型铝土矿适宜的选择性磨矿条件为：湿式磨矿，介质充填率40 %，介质配比Φ30 ∶Φ20 ∶Φ15 =60%∶20%∶20%，料球比1.2，磨矿浓度70 %，磨矿细度＜74 μm占53.58 %.按此条件，磨矿产品中＞0.18 mm 粗粒级的铝硅比达到7.5 以上，其产率为27 %，Al2O3回收率为30 %.磨矿系统中很多因素会决定磨矿过程的好坏，如：磨矿时间、磨矿浓度、磨机转速、介质形状和尺寸、分级效率等[5-9].此次对某钨多金属矿的磨矿系统优化没有考虑分级设备因素，仅从磨矿过程进行了研究.
1 实验前取样点粒度分布及金属分布特性
试样取自某钨多金属矿选厂，取样点布置在图 1中8 个点，其中1 个点在原矿仓（运矿小车）取大块样若干，在球磨机-分级回路中取7 个点，分别为一段球磨给矿、一段磨矿排矿、螺旋分级机返砂和溢流、水力旋流器沉砂和溢流、二段磨排矿.
对钨多金属选厂取来的除原矿外的7 个样品进行筛析和化验，各样品粒度分布特性分别如图 2~图 8所示，各样品的易选粒级和金属分布规律列于表 1.
表 1 磨矿分级回路各产品的粒度和金属分布规律表/%
从图 2~图 8 可以看出，无论是一段磨矿产品还是二段磨矿产品，其筛下累积曲线基本遵循凹形分布，一段螺旋分级溢流产品和二段水力旋流器溢流产品的筛上累积曲线同样遵循凹形分布，说明该矿物属易碎产品，易造成过粉碎.
从表 1 可以看出一段分级沉砂品位和一段磨机排矿品位明显高于螺旋分级溢流品位； 二段水力旋流沉砂品位和二段磨机排矿品位明显高于二段水力旋流器溢流品位.二段水力旋流器溢流品位仅为0.32 %，比原矿平均品位低近50 %，整个磨矿-分级回路中的小于10 μm 品位均比溢流品位高，这些损失的金属主要存在于小于10 μm 粒级.所以在磨矿-分级回路中优化磨矿过程，尽量减少过粉碎粒级的产生是研究的主要目的.
2 实验室磨矿过程影响因素研究
本实验在保持实验室磨机充填率45 %不变的情况下，对一段球磨的给矿各磨矿因素做了条件实验.
2.1 磨矿时间
实验室球磨机为圆筒形，每次磨矿样量为200 g，磨机充填率为45 %、转速为170 r/min、矿浆浓度为70 %.磨矿时间分别为2、3、4、5、6、7 min 时进行磨矿，如图 9 所示.
从图 9 可以看出，随着磨矿时间的延长，磨矿产品中新生＜74 μm 产率逐渐增加，合格粒级10~74 μm 产率和＜10 μm 过粉碎产率同样也是逐渐增加.考虑到合适的磨矿＜74 μm 排矿产率，取磨矿时间为4 min较为合适.
2.2 磨矿浓度
固定每次磨矿样量为200 g，磨机充填率为45 %、转速为170 r/min、磨矿时间为4 min.磨矿浓度分别为55 %、60 %、65 %、70 %、75 %、80 %浓度下进行磨矿，磨矿结果如图 10 所示.
从图 10 可以看出，＜74 μm、10~74 μm 级别产率在不同浓度下波动很小，但在磨矿浓度为65 %时，其＜10 μm 产率是最小的，说明在此浓度下过粉碎最轻.综合考虑，最终选取65 %浓度作为最佳浓度.
2.3 磨矿转速
固定每次磨矿样量为200 g，磨机充填率为45 %、磨矿时间为4 min、磨矿浓度为65 %.磨矿转速分别为140、170、200、230、260 r/min 下进行磨矿，磨矿结果如图 11 所示.
从图 11 可以看出，随着磨矿机转速由小增大，钢球的运动越趋向于离心化，磨矿效果达到峰值后越来越差；在转速170 r/min 时产率达到峰值，但此时＜10 μm 过粉碎粒级也最大； 在200 r/min 虽然产率有所下降，但＜10 μm 过粉碎粒级也减小了，综合考虑，取磨矿机转速为200 r/min 较为合适.
2.4 磨矿钢球直径
固定每次磨矿样量为200 g，磨机充填率为45 %、磨矿时间为4 min、磨矿浓度为65 %、磨机转速为200 r/min，分别在单一钢球尺寸Φ50 mm、Φ40 mm、Φ30 mm、Φ20 mm 下进行磨矿，磨矿结果如图 12 所示.
从图 12 可以看出，随着钢球尺寸的增大，钢球与颗粒的接触概率越小，磨矿产品中新生＜74 μm 产率逐渐减少，合格粒级10~74 μm 产率和＜10 μm 过粉碎产率同样也是逐渐减少.在钢球尺寸为Φ40 mm时，＜10 μm 产率最小，说明实验室中采用Φ40 mm 是最合适的.在此条件下得到了新生γ＜74 μm为18.16 %，新生γ＜10 μm为4.64 %.但在工业上由于磨机尺寸变大，工业上应用的钢球尺寸也应该有所放大，所以选择合适的钢球直径大小对磨矿过程非常重要.
3 精确化装球实验验证
为了考查不规则矿块最优化磨矿的效果，实验室针对一段球磨机给矿进行验证实验.因实验室只有小型锥形球磨机，故磨矿时现将＞7mm 物料先过筛，过筛后物料的粒度和品位分布组成如表 2 所示.
表 2 ＜7mm 物料的粒度和金属分布特性
根据表 2 所示的粒度组成和不同粒级组群产率所对应球径配比的原则，确定磨矿精确化球径的配比为：Φ50∶Φ40∶Φ30=25 %∶25 %∶50 %，磨矿时的工作条件取正交实验的优化结果.试验时取2 个边界条件（实验（1）C=63.86 %、T=4.24 min、Φ=45 %；实验（2） C=60 %、T=4 min、Φ=40 %）分别进行磨矿，磨矿结果如表 3、表 4 所示.
表 3 实验（1）条件下的粒度和金属分布特性
表 4 实验（2）条件下的粒度和金属分布特性
为便于说明问题，将上述3 个表格中一些关键数据汇总于表 5 中.
表 5 精确磨矿条件下的磨矿效果汇总表/%
从表 5 可以看出，新生γ＜74μm分别为：22.10 %和22.16 %；新生γ＜10μm分别为：3.36 %和4.04 %；从金属品位大小来看，19~74 μm 范围内的品位最高，累积金属回收率分布为34.02 %和43.11 %，符合钨矿的嵌布粒度区间和解离区间，也有利于后续选矿作业回收；从＜10 μm 的金属分布来看，新生金属回收率仅为3.48 %和3.14 %； 金属品位分别为0.52 %和0.45 %，比原矿品位0.54 %降低.通过实验，由此得出：实验结果说明这种精确化装球方案是可行的，符合前述优化结果，磨矿产品粒度特性和金属分布特性全面得到改善.
4 结论
（1）一段磨矿产品还是二段磨矿产品，其筛下累积曲线基本遵循凹形分布，一段螺旋分级溢流产品和二段水力旋流器溢流产品的筛上累积曲线同样遵循凹形分布，说明该矿物属易碎产品，易造成过粉碎.整个磨矿-分级回路中的＜10 μm 品位均比溢流品位高，这些损失的金属主要存在于＜10 μm 粒级.所以在磨矿-分级回路中优化磨矿过程，尽量减少过粉碎粒级的产生.
（2） 通过各种实验室条件实验确定了充填率45 %、磨矿时间4 min、磨矿浓度67 %、磨机转速200 r/min、精确化球径的配比为：Φ50∶Φ40∶Φ30=25 %∶25 %∶50 %.
（3）通过精确化实验验证了在上述条件下，19~74 μm 范围内的品位最高，符合钨矿的嵌布粒度区间和解离区间，从＜10 μm 的金属分布来看，比现场有所降低.由此得出：磨矿产品粒度特性和金属分布特性全面得到改善.
（4） 由于工业磨机尺寸比实验室磨机尺寸大得多，所以实验室得到的各因素条件需要作一定的放大或修正才能应用到工业中，建议下一步对各因素条件作放大系数或修正系数研究.
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