两段磨矿精确化装补球方法的开发及应用研究讲课教案.doc

Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。两段磨矿精确化装补球方法的开发及应用研究-前言球磨机作为传统的粉磨设备，已经有一百多年的历史。球磨机作为将固体物料细化制粉的重要设备，广泛应用于冶金、化工、水泥、陶瓷、建筑、火电、医药以及国防工业等部门。尤其是冶金工业中的选矿部门，磨矿作业更是具有十分重要的地位。在选矿工业中，磨矿是矿石入选前的一道重要工序，它接受破碎作业的产品，继而将矿石磨碎到选别作业所要求的粒度。除少数有用矿物单体解离度高的砂矿和部分高品位富矿不需要磨矿外，几乎都需要经过磨矿使有用矿物获得比较理想的单体解离度及合适的细度。随着全球性工业化进程的加速，矿产原料等粉体需要量剧增，仅我国每年需要经球磨机粉磨的物料就有数十亿吨。国内外矿产资源的大量开发利用使得矿产资源日趋贫化，那些优质、易磨和易选的矿产资源逐渐枯竭，代之而来的是大量的低品位矿产资源。对低品位矿产资源的利用，需要将有用矿物与脉石矿物有效分离，并经过选别之后，才能成为适于工业应用的优质原料。因此，这就使需要用球磨机处理的固体物料量大大增加。碎矿和磨矿是选矿厂的领头工序，选矿厂的作业率和原矿的处理能力实际上取决于球磨机的生产率和处理能力。球磨机作业的优劣直接影响着整个选矿厂的经济技术指标。磨矿生产指标的改善，可使后续作业的生产指标得到改善，如提高有用矿物的单体解离度、降低有用矿物的过粉碎可以提高选别作业的精矿品位和有用矿物的回收率，减少有用矿物的金属流失，提高选矿厂的过滤效率等。选矿厂中的碎矿和磨矿的投资占全厂总投资的60%左右，磁选厂甚至达75%以上，电耗也占选矿的50%60%，生产经营费用也占选厂的40%以上。同时，磨矿作业产品质量的高低也直接影响着选矿指标的高低。因此，碎矿和磨矿工段设计及操作的好坏，直接影响到选矿厂的技术经济指标，经济而合理的完成磨矿的基本任务，是每个磨矿工作者的职责。众多磨矿工作者长期以来，围绕着通过什么样的工艺或方法来全面改善磨矿效果，其中最有实际意义的是从磨矿介质这个因素入手，使磨矿效果全面改善，这是因为磨矿作业是通过磨矿介质实现的。然而，磨矿介质又受诸多因素如介质尺寸大小与形状、磨机装载量、介质配比、合理补加钢球制度和磨机转速等因素的制约。任何一个环节的细小变化都会影响着磨矿效果的好坏。如钢球尺寸过大，则会导致钢球的破碎力太大，容易造成贯穿破碎，产生过粉碎；使用不同钢球配比的装球制度其磨矿效果明显比只装一种钢球的效果好；一天补一次或多次补少量球比一星期或一个月补加一次钢球，其效果也要好。国内外选矿厂的磨矿流程应用最广泛的是两段磨矿流程，其主要优势就是具有生产能力大、磨矿产品特性好及选别指标好等。然而，过去的研究却忽视两段磨矿的研究，李启衡教授主编的碎矿与磨矿中介绍的“合理平衡装补球方法”也是介绍一段磨矿的，在装补球制度上对两段磨矿的研究基本没有。课题组于2003年开发了一段磨矿中的装补球方法，在许多厂矿应用效果显著，但是将此方法应用在两段磨矿时，处理量反而会大幅下降。可见，在两段磨矿流程简单机械的搬用一段磨矿的装补球方法是不行的，必须针对两段磨矿的具体特点分别开发粗磨段及细磨段的精确化装补球方法。本论文主要研究内容为：在两段磨矿中针对矿石的力学性质调节磨矿介质，使磨矿效果得到全面的改善，从而提高整个选矿厂的经济效益。即研究矿石的力学性质尤其是岩矿抗压强度的测定方法，研究钢球在磨矿中的作用并确定精确计算钢球尺寸的公式，运用破碎统计力学原理确定钢球的种类及配比并在实验室用四种方案验证其正确性，根据钢球的磨损规律进行精确简易的补加钢球，在粗磨段进行提高粗磨机转速的适应性研究，在细磨段用新型细磨介质替代传统钢球，深化拓展两段磨矿中的精确化装补球方法，使磨机中随时都保持适合矿料组成的钢球配比，使磨机内的球荷特性始终处于最佳球荷范围内。本论文将开发的两段磨矿精确化装补球方法应用在云南狮子山铜矿后，磨机台时能力提高了15.38吨/时；一段磨电耗下降17.92%，选厂电耗降低21.33%；介质单耗降低30.64%。30个月中增收节支的经济效益达7451.98万元。本论文将在后续各章节详细介绍上述研究内容及实际应用的效果。第一章文献综述1.1磨矿作业的分类与目的不同的磨矿过程有不同的性质和目的，并且对磨矿机械的施力状态也有不同的要求。认真分析一下各种粉磨作业的应用情况，可以将磨矿作业大致分为以下四类1:（1）擦洗性磨矿。此类磨矿的目的既不是解离矿物，也不是粉碎矿料，而是为了使矿粒充分暴露新鲜表面，以利于和粘结剂粘结并得到好的粘结质量。建筑砂料的磨矿，水泥制件砂料的磨矿，冶金球团工艺中的润湿磨磨矿等等均属擦洗性磨矿。在此类磨矿中，过度磨矿是有害的，产生的矿泥将影响产品质量，矿砂遭受过度打击也降低产品强度。因此，充分暴露矿粒新鲜表面而尽量减少过磨是此类磨矿的基本要求。此类磨矿也属准备作业，磨矿产品质量严重影响后续作业的产品质量。（2）解离性磨矿。此类磨矿的目的主要是使矿石中的有用矿物和脉石矿物以及有用矿物之间实现充分的单体解离，并在粒度上符合后续作业的要求。属于此类磨矿的有金属矿和非金属矿选矿前的磨矿，湿法冶金浸出前的磨矿等。有用矿物和脉石矿物以及有用矿物之间的充分单体解离是矿物分选的前提条件，而各种选矿方法由于受粒度限制，因而，让有用矿物与脉石矿物及有用矿物之间充分单体解离，并在粒度上符合选矿的要求是选矿前磨矿的基本要求。湿法冶金浸出前的磨矿，必须使待浸出矿物充分解离和暴露，使其与浸出剂有接触的机会，同时，要求磨得细些可以提高浸出速度。解离性磨矿在工艺上属准备作业，然而磨矿产品质量对后续作业的技术经济指标影响极大。解离性磨矿在现代矿物工程中占有极重要的地位，它处理的矿料也是最多的。（3）粉碎性磨矿。此类磨矿以粉碎矿料为目的，甚至粉碎得愈细愈好。如水泥熟料磨得愈细，水泥的水化速度愈快，质量也愈高。火电厂磨煤机中也要求磨得愈细愈好，愈细的粉煤被喷入燃烧室后燃烧愈完全。农药和某些化工原料的磨细也属此类磨矿。粉碎性磨矿往往是矿物加工的最终作业，它的产品即是矿物加工的最终产品。此类磨矿处理的矿料量也是很大的，仅次于解离性磨矿。（4）超细粉碎。在前几类磨矿中，产品粒度相对是比较粗的。擦洗性磨矿的产品粒度最粗，解离性磨矿受选别粒度的限制也不能很细，即使细磨和超细磨的产品，粒度也在1020µm以上。就是粉碎性磨矿，其产品粒度也是几个µm以上。芬兰胡基教授提出磨矿产品的粒度范围为100.001mm，即以lµm作为磨矿的极限，这称为“普通磨矿”范围。所谓超细粉碎就是产品粒度比常规粉碎的更细，产品粒度达几个微米，甚至在微米级以下，超出胡基的“普通磨矿”范围。超细粉碎主要用于非金属矿物的深加工。非金属矿物也称工业矿物，它们种类繁多，用途广泛，通常将它们粉碎成微米级或微米以下的粉体而用作填料、涂料、颜料、润滑剂、增量剂和陶瓷原料等等。工业矿物的超细粉碎是一类十分复杂的粉碎作业，其目的要求依粉体的用途而异，甚至同种矿物，因粉体用途不同也有不同的要求。因此，必须根据粉体的用途而确定目的要求，以便选择专用粉磨设备。从磨矿作业的分类可以看出，我们通常所说的金属矿与非金属矿的磨矿都是属于解离性磨矿。而关于入选前磨矿的任务，世界著名选矿学者A.F.塔加尔特早就指出2：“磨矿的功用和目的依其所磨原料不同而不同。在选矿厂主要的任务是将矿物原料粉碎，以使有用矿物大部分得以从脉石中解离出来，并在许多情况下使两种矿物分离开来；其次一个任务就是将单体的有用矿物依其粒度的必要缩小程度，将粒度减少，以使它们在下一个选矿过程中得以有不同的性态表现。”我国著名的磨矿专家李启衡教授指出3：“没有充分的解离和发生了严重的过粉碎，都使选矿回收率和精矿品位低，这就不难理解碎矿和磨矿是怎样决定着选矿厂的技术指标了。因此，碎矿和磨矿就是要为选别准备好解离充分但过粉碎轻的入选物料，这就是碎矿和磨矿的基本任务。”两位学者对磨矿的论述指出了如下几点4：.选矿厂的磨矿是以解离有用矿物为主要目的的解离性磨矿；.解离矿物是磨矿的首要任务，减小粒度则是第二位的任务；在磨矿中没有充分解离的过粗粒级及过细的过粉碎粒级都应该尽量减少，磨矿应为选别准备解离充分及过粉碎轻的入选物料。在实际磨矿过程中，矿物的解离行为总是伴随破碎行为发生的，没有不发生破碎就出现的解离，也没有发生了破碎而不出现的解离，矿石发生破碎而使粒度减小，有用矿物也就随之解离出来。一般地说，破碎与解离密切相关，破碎的粒度愈细，有用矿物的单体解离度也就愈高。但是，由于矿石的破碎中存在选择性解离行为，故破碎的粒度与有用矿物的单体解离度之间只存在密切的相关关系，而不存在正比例关系，解离和粉碎不能等同5。如果磨矿介质的力学状态调整得好，可以提高选择性解离的比重，可以在较粗的磨矿粒度下获得较高的单体解离度；相反，如果磨矿介质的力学状态不佳，则可能使产品细度很高但单体解离度不高的现象出现。正因为这样，根据矿石的力学性质调整磨矿介质的力学状态就显得非常重要。1.2磨矿作业的研究进展1.2.1磨矿设备的改进研究磨机直径越大，所装的钢球就越少，大直径的磨机中钢球的位能较大可以弥补球径的不足。因此，国外绝大部分厂矿的球径都比较小，很少超过100mm的。目前，国外厂矿的磨机直径大都已达46m，如HydraliftScanmee设计的9.65×6.5m大型磨机，自1980年投入生产后，连续工作13年，与传统的小磨机相比，磨矿费用减少30%6。磨机大型化的一个优势是简化系列及设备，节省建筑费用及操作维修费用，从而降低选矿成本。但是大型球磨机的利用系数却不如中小型磨机高。在挪威的克里舍斯正在试运转的磨机为D×L达6.5×9.61米的球磨机7，虽然运转未出现不正常情况，但该机功率8100千瓦，钢球充填率仅20%，处理能力1000吨/时，算下来利用效率不高。AllisChalmers公司的的Rowland通过对6.1m×8.5m和5.1m×5.7m球磨机的对比试验得出：球磨机直径超过5.1m时，经济技术指标不好，能耗较高，衬板磨损较快，故建议球磨机直径不超过5m。Harris.C.C等在分析Bougaiualle选矿厂5.5米大型球磨机的基础上，与PintoValley等矿进行对比，认为大直径球磨机的经济优越性可能被磨机内混合效果降低所抵消。Rougaiualle选厂的生产表明，处理每吨矿石的动力消耗比小规格磨机大1/3，建议球磨机直径不超过5米8。日本学者田中从粉磨速度论的观点出发，认为当磨机直径为14米时，粉磨效率随直径的增大有若干提高，但当其大于4米时，粉磨效率反而降低，并提出经济综合平衡的磨机最适宜直径为56米。前苏联学者查赫瓦特金认为湿式球磨机大型化的直径极限为5.56.5米。德国学者认为球磨机直径为46米时经济性最好。李启衡教授总结了国内外磨机比功耗的情况后指出，大磨机经济上有利的因素主要是简化设备的配置及利于自动化。实际上国外大型磨机的功耗指标（千瓦·时/吨）普遍比国内2.73.2m直径磨机的高，因为大型磨机转速及球荷充填率低9。A.C公司的C.A.Rowland也指出，磨矿效率随直径增加的趋势实际上到13.5英尺（3.81米）直径已经停止。所以从节能角度看，采用过大的磨机并无多少好处。我国在20世纪八十年代以前也进行磨矿设备大型化，80年代以后这种趋势已停止。磨矿机上的改进研究也不少。日本户部制钢所、野田水泥厂和野田工程公司报道了干式再磨水泥熟料的辊磨机使用情况，物料粒度与球磨机相同，电耗却低2530%10。为了省在传动系统的能耗损失，国外研制了无齿轮传动磨机，挪威西瓦兰格公司为提高产量，它装一台无传动齿轮的6.5m×9.65m大型球磨机，磨机由环形电机驱动，通过频率控制而达到无级调速，启动电流很低，排矿端装有直径2m的螺旋分级筒，免去外面的分级机和循环泵。磨机转速2.513.1r/min，最高处理能力1000t/h。工业试验表明，其衬板和钢球消耗以每吨产品的能耗比普通磨机低15%11、12。无齿轮传动磨机出现后，推广应用较快，到1984年止大约有40台无齿轮传动磨机投入运转，主要用于水泥熔渣矿磨矿，布干维尔是世界上第二家用于湿磨的，铜矿是第一家13。Magman铜矿选矿厂对磨机格子板的孔面积、循环负荷及磨矿介质重量开展并行研究改进，结果使磨机能耗降低17.7%，磨矿介质耗量减少14%14。美国SanManual选矿厂将格子型球磨衬板改为螺旋状衬板，并取消笨重的联合给矿器，所有给矿直接给入鼓式给矿器，节约能耗17%以上15。奥地利华格纳比罗（WaagnerBiro）股份公司研制的角螺旋衬板在3.05m×3.05m磨机上进行试验，结果比一般衬板的生产率提高1.4%（细度相同），电能节省16.7%，钢耗节约16%16。1.2.2自磨代替常规磨矿对于常规磨矿来说，介质的磨损及添加是一个不易把握的问题，有人就在想，如果在磨机内不加任何的介质，让矿石磨矿石，应该可以解决介质的问题，于是产生了自磨。自磨工艺研究始于二十世纪三十年代，但进入工业应用则为五十年代，而且在六、七十年代获得大的发展。八十年代有人作过统计，自磨机的使用占碎磨设备的1/3左右17。多年的自磨实践表明，由于自磨机规格大，可以简化系列及设备，从而大幅度节省建筑物及建筑费用，减少操作维修费用，从而降低选矿成本，这是自磨的最大优势，而且，国外的研究认为，自磨机规格小于8米时，自磨成本不如常规碎磨，只有当自磨机规格大于8米时，自磨的优势才显示出来，因此，国外的自磨机发展到直径12米的及15米的，目前又见直径16米的湿式自磨机投入试验生产中18。多数研究者也认为，自磨的能耗高于常规碎磨。Flavel阐明了粉碎能利用率的重要性和它对精矿成本的影响，并指出自磨流程耗电比常规碎磨流程超过35%，磨矿粒度相同时自磨需要的能量比一般磨矿多一倍多。随着矿石品位的降低，自磨对生产成本的不利影响显著增大，因为能源价格上涨的速度高于磨矿介质的上涨速度19。在自磨中，给矿粒度组成对生产能力影响太大，生产能力随给矿粒度组成变化而变化很大。为了保持足够的破碎力及生产稳定，目前多有将自磨改为半自磨的态势。由于半自磨生产能力大而稳定，能耗也将低于自磨。根据美国AerofallMillLed试验数据20，半自磨单位能耗比全自磨要降低40%（当最佳球荷充填率为8.5%时），并解释为：在半自磨机中冲击力与磨剥力达到了自然平衡条件，产品粒度特性严格遵守著名的GaudinSchuman粒度特性方程式。因此，近年来美国和加拿大倾向于从自磨转为半自磨21。Bassaorfar认为，国外自磨的发展趋势是：半自磨加球磨，自磨加球磨，自磨加砾磨22。因为自磨要磨到更细粒度时生产能力降低，能耗升高，所以后面再接上球磨或砾磨更划算。即使这样，前面的自磨流程功率仍然比较高，有人认为非经工业试验有十分把握才能选用，否则会冒风险23。1.2.3合理的磨矿分级流程研究磨矿机是与分级机联合工作的，分级效率的高低直接影响磨机生产率，也就影响磨矿电耗。过磨是磨矿过程中能量损失的主要因素之一。导致过磨的重要原因是分级效率低。磨矿回路中的分级设备，我国绝大多数选矿厂仍采用螺旋分级机，分级效率只有2030%，研究和使用各种型号水力旋流器取得了一定进展，但分级效率也只能为3O40%。由于分级效率低，在返砂量中夹杂相当数量的合格产品度，有的选矿厂高达7O%，返回磨机再磨，既影响产量，又使矿物过磨增加能耗。芬兰海诺宁教授研究表明24：分级效率从5O%提高到8O%，可使球磨机效率提高25%，电耗减少20%。近几年，国内外一直致力于改善分级，提高分级效率，尤其是提高细粒产品的分级效率。芬兰哈马斯拉蒂铜矿采用二次分级，分级效率达7O85%，使磨机产量提高420%，能耗降低1020%；南斯拉夫麦坦佩克选矿厂采用二次分级，使磨矿效率提高7.7%，节电6.9%25；印度斯坦铜公司卡克哈铜选厂采用水力旋流器进行二次分级，使循环负荷从335%降至270%，使选厂能耗降低。瑞典学者经研究证明，采用圆锥分级机对水力旋流器沉砂进行辅助分级，可以改善分级效率，降低磨矿能耗20%。长沙矿冶研究院研制的高频细筛代替水力分级机，分级效率提高1O29个百分点，磨矿处理能力提高34%26。鞍钢齐大山选矿厂用直线振动筛取代双螺旋分级机使分级效率提高1020%，使磨浮车间年节电l10×104kwh。鞍钢大孤山选矿厂用KZSI632型直线振动筛取代1200型双螺旋分级机，分级效率提高1024%，磨矿能力提高1.58t/h，年节电lO×lO4kwh27、28。1.2.4新型衬板的研制衬板是磨矿消耗的主要备件之一，是研磨的主体，衬板的材质和型式是影响磨矿生产成本、磨矿效率及磨矿作业率的重要因素。目前仍以高锰钢衬板为主，它具有较高的韧性和良好的加工硬化特性。但在加工硬化的同时又引起衬板的膨胀，发生弯曲变形，易使衬板的连接螺栓切断、钢耗大、成本高和效率低等缺陷。高锰钢衬板在第一段磨机上平均使用寿命为610个月，在第二段磨机上平均使用寿命为1018个月。更换磨机衬板要占用大量工作时间，影响整个选矿厂的作业率。因此，研究和应用新型磨机衬板，延长衬板使用寿命，降低衬板消耗，提高磨机作业率，一直很受重视。角螺旋衬板又称为节能衬板，系二十世纪六十年代初期的产物，最早由奥地利的比鲁公司所研制应用。至1982年末，已在奥地利、美国、澳大利亚、智利、秘鲁、赞比亚、菲律宾、朝鲜等国家的建材和金属矿山约50余台磨机装上了角螺旋衬板。大量的生产实践证明29、30，采用角螺旋衬板后，单位产量电耗下降l025%，磨机台时产量提高l520%，单位产量球耗下降l020%，此外还具有运转平稳、产品过粉碎少、噪音小(比普通衬板磨机下降45分贝)等优点，所以自问世以来发展很快。当前国外使用这种衬板的磨机最大直径已发展到5.5m，我国使用这种衬板的磨机直径已达2.8m。我国首先采用角螺旋衬板的单位是甘肃金川有色金属公司选矿厂，于1975年l0月将一台2700mm×3600mm磨机装上角螺旋衬板，运转一年六个月，节省电能68.5kwh，能耗下降19.9%。1984年以后又先后在湖北大冶有色金属公司丰山铜矿等6个矿山进行了工业试验，都取得了不同程度的节能效果3133。早在二十世纪二十年代美国就着手研制磨矿橡胶衬板，1936年开始应用于矿山生产,成功地应用在球磨、砾磨、棒磨以及自磨机上,至今国外已有50多个国家在3000多台各类湿式磨机上安装使用了橡胶衬板。橡胶衬板的比重为1.11.2，同等规格的磨机，橡胶衬板的重量约为锰钢衬板的四分之一，所以节能效果十分显著，节电率都在1O%以上。由于橡胶比较耐磨，一般金属矿二段磨矿作业一套橡胶衬板配用两套压条使用寿命可达35年，这就大大降低了磨矿成本。通常橡胶衬板的厚度较锰钢衬板薄，增加了磨机有效容积，致使磨机生产能力也有所提高。此外，橡胶衬板还具有成本低、噪音小、减少球耗、磨机运转平稳、产品过粉碎少、改善劳动强度等优点。进入八十年代以后，橡胶衬板在金属矿山大型球磨机上应用，取得了明显的节能效果，其节电率为1O15%，单机年节电3050万kwh，噪音下降51O分贝。至今首钢、鞍钢、武钢等各大钢铁公司和金川、白银、铜陵、中条山等各有色金属公司等70多家单位都成功地使用了橡胶衬板。大量的生产实践证明，金属矿山二段磨矿或粗精矿(中矿)再磨作业使用橡胶衬板是非常成功的。至于第一段磨矿作业，因原矿粒度粗，钢球直径大，尚处于工业试验阶段3436。磁性衬板首先在瑞典的基律纳铁矿二段磨矿作业一台5900m×7700mm砾磨机进行试验，结果降低能耗1.14%，运转5000多个小时未见磨损。之后便很快在一段磨矿作业上应用也获得了成功，至此北美各国都在推广。我国近些年来，在磁性衬板的研制方面也取得了可喜的进展。长沙矿冶研究院研制的金属磁性衬板，在河北邯郸炼铁厂的1500mm×3O00mm球磨机上进行工业试验，取得了满意的结果，其耐磨度为普通锰钢衬板的l5倍，节约衬板耗量30%，节省球耗22.8%，提高产量10%，节能单耗达10%以上。北京矿冶研究总院研制的磁性橡胶衬板在首钢大石河铁矿2700mm×3600mm二段磨矿作业运转一年多，衬板表面未见磨损，使用寿命肯定会超过普通锰钢衬板和橡胶衬板3740。1.2.5磨矿介质制度的研究进展41球磨机中的球荷特性是影响产品质量的重要因素。当磨机开始连续工作以后，钢球逐渐被磨损，球荷的重量不断减少，为了补偿球的损失，保持磨机内球荷特性基本不变，需要定期向磨机按一定的配比添加一定数量的钢球。磨矿介质制度是指在工业生产中根据矿石性质、给料及磨矿产物粒度特征以及其他工作条件而选定的磨机中的介质形状、材质、尺寸、配比、充填率以及合理补给。在磨矿介质优化的理论基础研究方面，利用照相机、摄影机等记录球磨机中球的运动，并通过离散元方式分析球的运动规律，然后再通过试验验证。这一方法可较好的预测球的冲击力、速度、磨损及能量消耗等，且与工业试验结果相吻合。通过磨机转速、处理量及球径等不同磨矿条件的单体解离度测试结果，确定矿物解离的最佳条件。还有简单的磨矿模型计算破裂速度并用影像分析技术来分析矿物的解离，建立解离模型。B.K.Misra和Raj.K.Rajamai利用离散元数学法和计算机对磨机介质运动形态进行了模拟研究，并且建立了介质运动的数学模型42、43。模型中，球介质的冲击频率是作为一种能量函数来定义的。因此，根据模型可以得到磨机中介质冲击能量的分配和高、中、低冲击能的位置，而这正是磨矿介质优化的关键之一。这一模型被用来模拟工业磨机中的介质行为，并且根据模型推导的结果均合理地接近实验测定值。在确定磨机适宜介质尺寸和形状方面，东北大学的陈炳辰教授创立了一种新的计算机模拟算法44，即应用磨矿动力学原理和线性迭加原理，根据所要求的磨矿产物粒度，利用实验室试验结果，可以计算出合适的介质尺寸和配比，这一做法已被工业实践所证实。昆明理工大学的段希祥教授从钢球冲击动能必须大于矿石破碎所需能量这一力学基本要求出发，根据Davis钢球抛落运动理论，推导出了选择计算球磨机介质的球径半理论公式45，该公式考虑了众多磨矿因素，包括磨机转速率、矿石抗压极限强度、磨机直径、给料粒度和钢球有效密度等，并且对岩矿力学性质的不均匀性、粘度等采用了综合经验修正系数，因此，这一半理论公式较以前的许多公式更为准确有效，通用性也更高，并且在实际推厂应用中取得了一定的经济效益。东北大学的于福家和韩跃新通过对细磨过程中介质优化的研究，认为在细磨阶段宜采用小尺寸介质和小尺寸介质配比构成的介质群46。对于介质形状的研究，东北大学采用柱球、柱、球等三种不同类型的磨矿介质进行磨矿实验后发现:不论在粗磨或是细磨过程中，柱球磨矿效果均优于球，而在粗磨中甚至柱介质的磨矿效果也比球好。苏惠明和王雅富分别将椭球体和棒球与圆球的磨矿效果进行了对比，根据实验考查和生产数据统计，证明所选介质磨矿效果均优于圆球介质47、48。昆明理工大学的段希祥教授则从细磨过程的原理及要求出发，采用短圆柱体和截头圆锥体铸铁锻取代传统的球介质，并在云南、广西、四川、甘肃等几十个选厂中推广应用，取得了良好的经济效益4951。在装补球方面，以前选矿厂在补球时为图方便省事，常常只补加一种大球，造成磨机内球荷平均粒度的增大、磨矿细度不够等缺点。意识到这一问题的严重性，国外厂矿在加球时也趋向合理化加球。如巴布亚新几内亚布干维铜矿公司利用9台5.5×6.4m及2台5.5×7.3m大直径溢流型磨机将-12.5mm给矿磨至1719%+300µm，磨机补加80mm和50mm钢球各一半；金阳光公司用4.5×6.1m磨机将金矿磨至35%+150µm，磨机补加64mm和50mm钢球各占一半；美国田纳西洲马戈托克斯公司研究的球磨机自动添加系统有助于改善磨矿过程和显著提高效益5255。球磨机的装补球方法以原苏联研究得最多也最系统，20世纪40年代原苏联的选矿工作者研究出合理平衡装球法。50年代初，我国从东北地区开始，曾掀起推广合理平衡装球的热潮，普遍取得了提高磨机生产率10%左右的显著效果。直到六七十年代，还有厂矿进行合理平衡装球的工业试验。但是，由于此方法过程繁琐，试验工作量大，试验周期也长，加上取得的效果不太显著，因此，风行一时以后也就停用了。段希祥教授创立的精确化装补球方法在一段磨矿中应用效果显著，初装球一次完成，补加球简易操作56。本论文就是将精确化装补球技术延伸到两段磨矿作业中，使此技术在所有磨矿作业都能广泛适用。1.2.6助磨剂的实验研究在磨矿过程中，使用某些化学添加剂能降低矿物的硬度，或改变矿浆的流变性质，从而提高磨矿效率，在磨机内添加的化学药剂称为助磨剂。关于助磨剂的研究，最初始于20世纪30年代，1931年，列宾捷尔在测定物料硬度时发现固体表面覆有介质薄膜后，其硬度小于表面光滑的固体。于是系统地考察了周围介质对物料破坏过程中力学性能的影响57。对水、无机盐、表面活性剂的试验研究结果表明:方解石硬度降低程度与加入物浓度的关系曲线具有吸附等温线特征。他还着重研究了表面活性剂的吸附对降低固体强度的效应。列宾捷尔的这一研究成果，奠定了一门新兴边缘学科物理化学力学的基础。继此之后，很多研究者先后开展了各种化学药剂对固体力学性能影响的探讨58。1975年第十一届国际选矿会议上发表了前苏联和保加利亚共同对保加利亚乌尔梯若夫矿床铁矿石进行的研究59，用低分子脂肪酸做助磨剂，促进了中矿颗粒的解离，有利于选择性磨矿，使铁精矿品位提高11.5%，回收率增加23%；同时还提高了磨矿机的处理能力。1977年在十二届国际选矿会议上公布了克里帕尔使用助磨剂XF-4272的研究结果6062。他全面地考察了助磨剂与矿浆浓度、矿浆粘度和磨矿速率之间的关系。XF-4272为一种聚合物，具有分散作用的化合物。该药剂已在美国、智利和加拿大一些铜矿和铁矿完成工业试验。试验结果证明是一种效果好、适应性强，对浮选、脱水、直至精矿烧结、团矿均无不利影响的助磨剂。1984年，伊尔一歇尔撰写的有机药剂助磨剂的作用机理一文中，详细地探讨了十二烷基氯化钱对石英磨细时的作用机理63。研究结果表明，在碱性矿浆中，即pH=10.5时，石英磨碎容易，磨矿速度增大，矿浆流动性获得较大改善，但易絮凝。国外一些人的研究指出，在磨矿过程中添加抗腐蚀剂（亚硝酸钠、铬酸钠和硅酸钠等），可使锻钢球的磨损减少49%之多64、65。据李启衡教授的研究，磨矿中的电耗与钢耗是成正比的66，抗腐蚀剂能显著降低钢耗，则也必然能显著降低电耗。我国对助磨剂的应用研究始于六十年代。杨家仗子铝矿选厂于1967年开始，将水玻璃加到分级机返砂中，提高了磨矿分级效率，改善了浮选指标。此外还有广东凡口铅锌矿选厂，荆襄矿务局王集磷矿选厂等均进行工业半工业性试验，取得良好的指标6770。1.2.7磨矿自动控制的研究7177球磨机磨矿是能量密集的单元作业，在一般选厂，其能耗通常占总能耗很大比例。因此，通过对磨矿回路的优化设计并使其在最佳工艺条件下运行就可获得很大的经济效益，这就要求有精确的模拟控制技术。磨矿过程的自动控制不仅是节省劳动力的问题，更重要的是稳定操作，把条件控制在最佳水平，以达到提高产量，降低消耗的目的。磨矿过程自动控制自20世纪50年代美国、原苏联和日本等国率先实现了磨矿分级机组给矿、分级溢流浓度的单参数回路模拟仪表的定值控制以来，进入70年代，随着矿浆粒度在线分析仪的研制成功，开始引入电子计算机，实现了对磨矿分级机组的综合控制。80年代己开发出较实用的静态过程控制模型，实现了调优控制。80年代末，开始研究磨矿过程控制专家系统，并采用电子计算机组成两级集散控制系统，实现了磨矿生产过程的综合控制和管理。NEI国际燃料工程公司的声频磨机控制器是一种根据磨机运转时的噪音来控制磨机给矿率的装置78。对于同一种矿物，都有与其理想载荷相对应而互不相同的噪音水平。给矿率太低会使磨损过度，产量降低，并且噪音增大；给矿率太高又会降低磨矿效率，减少噪音。由于声频磨机是通过自动调节给矿量来保持噪音水平，从而也就使磨机载荷水平处于最佳状态。P.C.Kampur提出了一种多矩阵模型79，该模型在磨机速度变化较宽、有负荷充填、磨机衬板以稀矿浆铺层情况下，用公开的转矩数据进行了广泛试验，证明该模型可用于设计、操作和控制滚磨机，包括棒磨机和自磨机。A.Montini等介绍了一种测量球磨机内矿浆流变性的新技术80，该新技术对磨机操作性能的控制很有意义，它能节省钢球和功率的消耗，使得磨矿作业的操作更加稳定。吴彦春等建立的离心自磨机的单片机自适应系统81，通过电流来监测填充率，并通过粗矿块量来调整填充率;通过控制电压来稳定电机输出转速，从而使磨机能动态地维持在最佳粉磨条件下，以提高磨机的处理能力。在山东焦家金矿磨矿分级回路通过采用S9000集散控制系统，对球磨机的给矿、磨矿浓度和溢流浓度进行控制，实现了磨矿分级作业的优化控制，磨机平均台时处理能力提高了9.7%，每吨金矿电耗下降了13.3%，取得了良好的经济效益82、83。1.3影响磨矿作业的因素分析84影响磨矿作业的因素很多，这些影响因素大致可以分为三大类:第一类物料性质方面包括矿石的可磨度、给料粒度、产品细度等；第二类磨机结构方面包括磨机的类型、尺寸、衬板形状、转速及装球率等；第三类磨机操作方面包括介质添加制度(如介质尺寸配比以及材质、介质充填率)、磨机给料量、磨矿浓度等。（1）物料的性质主要体现在矿石的可磨性系数上，该系数与矿石的机械强度、嵌布特性和磨矿比等有关。矿石愈硬，可磨性愈小，磨细它所消耗的能量较多，磨机的生产率也较低。此外，矿石中各矿物的性质也有差别，有易磨的和难磨的，因而会有选择磨细的现象。矿石愈细愈难磨，随磨矿比增大可磨性系数也会发生变化；对于给矿粒度，给矿愈粗，由于将它磨到规定细度需要的磨矿时间较长，功耗较多，磨机生产率也较小。给矿粒度的改变对磨矿机生产率的影响与矿石性质和产品细度有关。磨机生产率通常是随给矿粒度的降低而增加，但其增加幅度随产品的变细而减少，粗磨时增加的幅度较细磨时要大些，非均质矿石较均质矿石更为明显。一般情况下，当要求提高磨机生产能力时，在一定范围内，降低给矿粒度有重大作用。当然，磨机的给矿粒度小一些一般来说总是有益的，但最适宜的给矿粒度，要根据技术经济计算的结果来决定。因为磨机给矿粒度细，碎矿车间消耗的费用就高。而磨机给矿粒度粗，碎矿车间消耗的费用虽低，但磨矿车间所消耗的费用较高。综合考虑碎矿及磨矿的总费用最低才是最有利的磨矿给矿粒度。对于产品细度，不同性质的矿石的影响不同，对均质矿石，磨粗粒原矿至规定细度时，随着磨矿时间的增长，被磨物料的平均粒度皆愈来愈小，磨矿机的生产能力因而愈到后期愈高。而对非均质矿石，由于磨矿的选择作用，易磨部分已被磨细，剩余的都是难磨部分，因而磨矿机的生产能力愈到后期愈低。磨矿产品粒度过粗，有用矿物和脉石没有获得充分解离，太细了又引起较严重的过粉碎，能量消耗和介质消耗量增加，生产率降低。总之，矿石愈硬，给矿愈粗，产品愈细，磨机的生产率愈小。（2）在磨机类型上，棒磨机生产率比格子型球磨机的小15%，比溢流型球磨机小5%。中心排料棒磨机的磨碎产品是经排矿端空心轴颈溢出，为此，筒内矿浆的液面必须高于排矿轴颈最低母线所在的平面。而周边排矿棒磨机是通过周边孔排出的。研究显示，周边排料棒磨机与中心排料棒磨机相比，当磨机规格及给排矿粒度均相同时，不仅生产能力高20%30%，而且产品中小于19µm的过粉碎级别也少3个百分点左右，而回收率及精矿品位均高23个百分点，同时，产出的精矿粒度也粗10%左右。因此，在粗磨中一般用周边排料棒磨机取代中心排料棒磨机。格子型球磨机虽然排矿快，能有效减少矿石过粉碎，但是由于绝大多数格子型磨矿机的格子孔达2030mm，因而不利于选择小钢球，此时钢球尺寸选择过大，也会造成磨不细和过粉碎现象严重，况且大多数选厂细磨中主要问题不是过粉碎而是磨不细，所以将格子型球磨机改为溢流型球磨机，以增加产品细度，减少磨不细现象。但是也应注意到，细磨溢流型球磨机的钢球充填率通常不超过40%，并且钢球尺寸也难于降至15mm以下，因而介质的研磨面积就受到很大的限制；另外溢流型球磨机的排矿靠两端面矿浆面的高度实现，物料的这种运动方式使得一个参数的改变牵动若干个因素的变化，不利于磨矿条件的调整。但是综合因素考虑，溢流型球磨机还是优于格子型球磨机。一般来说，两段磨矿时通常一段用格子型，二段用溢流型。磨机的转速是与磨机的充填率联系在一起的。一般来说，磨机的转速率愈高，磨机的生产能力就愈高。但随着转速率提高，钢球和衬板的磨损量也增加，磨机的振动较厉害，导致设备管理与维修工作增加。所以转速率大致在6685%，多数在85%以下。对于衬板类型，用平滑衬板的生产率比不平滑的小。使用过厚的衬板，将减少磨机的有效容积，生产率也降低；衬板磨损后，磨机的直径将增大，这是装球率显得偏低，使生产率减少，此时可多加一些球，使磨机获得大的生产率。（3）在操作因素中，给矿速度是其中之一。给矿速度小时，磨矿机内矿量少，不但磨机生产率低，而且容易形成钢球空打的结果，使钢球和衬板的磨损及矿物的过粉碎严重；如果给矿速度超过了定额时，磨机将发生过负荷，出现排出钢球，吐出大块矿石及涌出矿浆等现象，甚至被堵塞。另外一个因素就是矿浆浓度。一方面矿浆浓度大即液固比小，容积矿浆内所含固相量也多，被钢球打着的物料也较多；但矿浆愈浓，矿浆比重也随之增大，钢球受到的浮力较大，有效比重就较小，相应之下就减小了球的磨矿作用。另外矿浆浓度过大，它的粘性也大，流动性愈小，通过磨机较慢，因此流出的单位容积矿浆中的固含量虽多，但总的矿浆流出量将减少。另一方面矿浆浓度小即液固比较大，球的有效比重及活动性增强，磨矿作用也增强。但若矿浆过稀，由于矿浆在球磨机内流动性太大，也会将矿粒带出；同时，由于球的周围将附不上矿粒，相应的降低了磨矿效果。因此，磨矿浓度过大或过小均不利。磨矿介质工作制度在操作因素中是占最大的影响，也是最不容易调整的。磨矿介质工作制度是指在工业生产中根据矿石性质、给料及磨矿产物粒度特征以及其他工作条件而选定的磨机中的介质形状、材质、尺寸、配比、充填率以及合理补给。在磨矿过程中，物料粒度的减小主要是通过介质对物料的直接作用来实现的，磨矿介质制度直接决定着磨矿效率的高低。由于实际生产中矿石性质多变、矿浆性质及成份的复杂多样化、加工介质材质的多样化，使得最优化磨矿介质制度不能简单确定。上述因素中，第一类影响因素是磨矿过程中干扰的主要来源，但一般视为不可改变的。第二类影响因素在当磨矿机被确定后，理想情况下一般就不改变了，但可作局部调整，如调整衬板类型等。第三类影响因素则是球磨机的工作条件，如果设备维修以及添加钢球的材质都是正常的，可以通过调节加球制度(介质配比和数量)、磨机给料量和磨矿浓度等条件，使磨矿效果达到最佳。而我们开发的两段磨中的精确化装补球方法就是在不增加设备投资的基础上，主要针对磨机中的介质制度进行优化，从而达到增产增效的目的。1.4本章小结1.金属矿与非金属矿的磨矿都是属于解离性磨矿，磨矿的首要任务是将矿物充分解离，矿物的解离行为总是伴随破碎行为发生的，应根据矿石的力学性质调整磨矿介质的力学状态。2.磨矿作业的研究进展不少，主要体现在磨矿设备的改进、自磨取代常规磨矿、合理的磨