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钢球对磨矿过程的影响

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(一)钢球充填率的影响
    球磨机的磨矿作用是由钢球完成的,则磨机内钢球充填的多少自然决定磨矿作用的强弱。从物理现象上分析,装球多,打击次数多,研磨面积大,磨矿作用强;反之,装球少时打击次数少,研磨面积小,磨矿作用弱。力学现象上分析,装球多时耗功大,磨机生产率也大,装球少时耗功也小,磨机生产率也低。
    由于球荷充填率和磨机转速率共同起作用,因此,在分析充填率的影响时也不能丢开转速率,只能二者结合分析。磨机处于较低转速时,球荷在磨机内形成一个倾斜面,球升到高处时沿球荷斜面滚下,形成泻蔊运动状态。随着球荷充填率增加,球荷倾斜面角度增大,球荷下滑力矩增大,磨机需用功率也增大,按戴维斯和列文松等人的理论,球荷充填率达50%时磨机功率达最大值,如图1所示。当充填率超过50%时,磨机功率开始下降,这是由于球荷上升过高,球向下滚动时落回点也高,又将能量传回筒全,故磨机实际需要的功率下降。当球荷充填率为100%时,速个磨机实际上成为一个滚筒,磨机只需维持此滚筒转动需要的能量,因此磨机的功率很低。如果磨内装有矿石和水,磨机功率的实际曲线(图1中实线)与理论曲线(虚线)产生差异,达到最大功率的充填率值下移,这是由于矿石和水的加入使球荷实际充填率上涨之故。


 图1  功率消耗与装球率的关系

    球荷在较高的转速率下将处于抛落式状态。抛落状态下情况复杂,见图3-5-6所示。一定的充填率下随着转速度的提高球荷将由泻落状态变为抛落状态,但不同的充填率下球由泻落转为抛落所需的转速率也均不相同,球荷充填率愈大,转为抛落状态所需的转速愈高。
    以上分析说明,无论球荷是泻落状态还是抛落状态,一定的转速率下均有对应的适宜的充填率,并非充填率愈高愈好。检验充填率最好的标准是磨机生产率的大小,通过试验找到最大生产率对应的充填率即是最佳充填率。当然,当磨机规格不太大和球荷处于抛落运动时,用康托诺维奇公式是可以计算转速率所对庆的充填率。但普遍适用的仍是试验确定的方法。另外,从磨矿过程是功能转变的过程这一原理出发,可以认为磨机最大生产率必然对应着最大的磨碎功,因此,也可用最大磨碎功来作为最佳充填率的判据。


   图2  功率消耗与筒体转速之间的关系

 

    大型球磨机中球荷充填率要降低,磨机直径愈大,球荷充填率愈低,表1中列出了目前国外大型磨机的直径与充填率的关系。因此,大型球磨机能简化生产系列,节省基建投资和操作维修费用,故在70年代获得大量应用。但随着生产应用,发现它的磨矿效率低,单位容积生产率低,这一缺点正来源于大型球磨机球荷充填率太低这一特性。球的充填率太低,导致单位时间球的打击次数大幅度减少和研磨面积大幅度减少,因而磨矿作用减弱,磨机生产率下降。

表1  国外大型球磨机的磨机直径与球荷充填率的关系

 

大型球磨机直径/m
3.2
4.0
5.0
5.5
6.0
生产中采用的充填率/%
48~50
45
40
30
20
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   (二)钢球尺寸的影响
    当磨机转速度和充填率一定时,即球荷运动状态一定时,钢球尺寸的大小严重地影响着磨矿的产品粒度特性、解离度和消耗指标等,主要有如下6点:
   (1)影响磨机生产率大小,球径过大时因打击次数少和研磨面积小而使生产率下降,球径过小时也因打击力不足而使生产率下降。球径精确化时可使磨机生产率大幅
度提高。笔者在若干选厂的工业试验中证明,使球径由过大变为精确时,磨机按-0.074mm计的利用系数值可提高15%~40%。
   (2)影响磨矿产品粒度分布的均匀性。过大的球径使打击次数少而导致磨不细的粗级别多,过大的打击力又使打击时过粉碎增多。故过大球径下产品粒度不均匀,过粗的和过粉碎的均多,对选别不利。笔者的若干工业试验证明,使球径由过大调为精确时,磨矿产品的最大粒度和平均粒度均有所减小,且过粉碎也减少3%~4%,产品粒度更为均匀,中间易选粒级增多,对选矿更有利。
   (3)影响磨矿产品中矿物单体解离度高低。过大的球径因打击力过大而使矿石产生贯穿破碎,只是粒度机械地变细,矿物的单体解离度不高。球径精确化后矿物沿结合面解离的几率增加,产品中矿物单体解离度提高。笔者的工业试验证明,球径精确化后可使有用矿物的单体解离度提高4%~6%,进而提高精矿品位和回收率。
   (4)影响球耗的高低。按戴维斯的钢球磨损理论,球的磨损速度与其重量成正比,大球磨损速度大,耗量大;小球磨损速度小,耗量低。这一点早已为a.f.塔加尔特的《选矿手册》所收集总结。笔者的工业试验也证明这一点。若干工业试验证明,球径由过大调整为精确后,钢球单耗可降低10%~20%。
   (5)影响电耗高低。当球的装载量不变时,小球的电耗也比大球的低。这一点在国内外均有人研究过,有的专著列出每吨钢球需要输入的功率KWb为:

    式中  D —磨机有效直径,m; 
          VP —球荷充填率,%;
          CS —磨机转速率,%;
          SS —钢球直径大小系数,其值为:
    
    B为最大球径,mm。
    由公式(1)和SS值看出,每吨大球的输入功率比小球的大,笔者的工业试验证实,球径减小后磨机功率可下降2%~3%。
   (6)影响磨机工作噪声的大小。大球由于具有的能量大,相互撞击或打击衬板时声能损失也大,故噪声大。使球径精确化后可以降低噪声,经笔者的多次工业试验证明,由球径过大经调整为精确后,磨机工作噪声可下降3~4dB。由以上可见,钢球尺寸对磨矿的各项指标有很大影响,精确选择钢球尺寸有重大意义。
   (三)钢球质量的影响
    钢球质量好坏既影响生产率大小,也影响球耗高低,进而影响磨矿介质成本。单纯追求高硬度低单耗是不对的。高硬度及低单耗并不等于低成本,高硬度及低单耗的球往往也价格甚高。高硬度不一定使生产率增加,甚至会下降,只有生产率高才能使各项单耗指标下降。因此,选择钢球的首要标准应该是磨机生产率大及磨矿介质成本低。只有高生产率和低的磨矿介质成本才能有好的经济效益。经济效益是企业生存及发展的必要条件。
    选择钢球时,有两个问题常被忽视:①钢球并非愈硬愈好,而是有其恰当的硬度值;②钢球密度也是一个不可忽视的问题。关于硬度的影响,一般地说,随着硬度增加,只要不发生破碎,钢球单耗下降;而且可使球体变形小,在破碎中球体吸收变形能小,能量可更多地用于破碎矿粒,可使磨机的生产率增加。但钢球硬度的增加只能是适度的,有个恰当范围,并非愈硬愈好。如果只考虑球耗,是硬度愈高消耗愈低。但对磨机生产率而言,在一定范围内生产率随钢球硬度增大而增加,但当硬度超过一定范围时则对磨机生产率产生不利影响,使磨机生产率下降。钢球硬度过高时对磨矿不利的原因有两个:①钢球回弹跳动严重,在回弹中造成部分能量损失,故钢球能量不是更多地用于破碎,故而影响破碎;②钢球硬度过高时,球与球之间相互接触时滑动厉害,不能有效地啮住球间的矿粒,使矿粒的磨碎作用减弱。A.B.基尔波申(KирпоциН)在研究钢球硬度对磨矿指标的影响时指出,实验室试验证明,钢球对各种类型的矿石都存在一个最佳硬度的问题。按此说法,各种矿石的硬度最佳值均不相同。这个说法是有道理的,值得进一步研究。我国首钢大石河矿的生产应用有力说明这个问题。大石河铁矿1981~1983年使用了4种不同硬度的钢球,各种球磨矿时的磨机利用系数如表2所示。[next]

表2  大石河铁矿选厂使用四种硬度球时的磨矿效果

 

指标
铸球
稀土中
铸铁球
低合锻钢球
20MnV
锻钢球
 
硬度(HRC)
58.5
47
HB90~120
(硬度最低)
30~40
 
磨机利用系数
q/t·(m3·h)-1
1.04
1.23
1.28
1.48
 

 

    表2 说明:①不同硬度钢球有不同磨矿效果,但并非硬度最大的效果好,而是硬度恰当时效果才最好,20MnV锻钢球生产率最高,但HRC仅30~40,硬度恰当。②不同硬度钢球之间磨机利用系数(即容积生产率)可相差20%~40%,说明硬度对磨机生产率的影响是相当显著的,单纯追求高硬度低球耗而忽视生产率降低是不可取的。
    关于钢球密度对磨矿的影响,一般地说,尺寸相同的球密度大的生产率大,密度小的生产率小。钢球密度受三个因素影响:①材质影响,钢、铸铁、合金钢等,不同材质的密度不同,钢的密度比铸铁的大,合金钢则依主要合金元素的密度及含量不同而不同。②钢球制造方法的影响,轧制及锻打的钢球其组织致密,故密度大,铸造的铸钢球、铸铁球或铸造合金球等的组织不甚致密,甚至其中有气孔,故密度小一些。轧制钢球及锻钢球的密度可达7.8g/cm3,铸钢球则只能达7.5g/cm3,铸铁球更低,只7~7.1g/cm3。③钢球金相组织的影响,马氏体、奥氏体、贝氏体、铁素体等不同晶体结构下密度也不相同,对结晶细度也有影响。
    密度对生产率的影响也是不可忽视的,同是Φ100mm钢球,不同球种的质量会相差200~400g。云南某地金矿,使用锻钢球时虽耗量高一些,但生产率也高,换为某种耐磨球后,球耗是降了,但生产率也下降10%~15%,只得放弃耐磨球的使用,仍然使用锻钢球。
   (四)钢球材质成分对选矿工艺的影响
    钢球在磨矿过程中自身也遭矿石磨损,被磨成铁粉或铁片留在矿浆中。这个量虽然不大,按我国目前水平,磨一吨矿耗球1.5kg左右,但对后续的有些作业是有影响的。如果磨矿产品下一步是用酸处理的化工过程,则磨矿产品中的铁粉将首先消耗硫酸,使酸耗升高。正由于这个原因,南非及北美的一些矿或金矿中常采用砾磨机磨矿,目的就是为了减少铁质对后面湿法化工过程的影响。在实验室中为了减少铁质对产品的影响而采用磁球磨矿。这些已是选矿工程技术人员共知的了。
    而磨矿中铁质对选矿的影响则往往会被忽视。近年来的许多研究表明,磨矿中磨损下来的铁粉将很快氧化而消耗矿浆中的氧,同时导致矿浆和矿物表面电位的变化,进而影响浮选行为。有的研究指出,湿式磨矿时,矿物和钢球之间电化学相互作用,磨损的铁抑制了矿物的天然可浮性,浮选时要消耗较多的捕收剂。R.L.波佐(Pozzo)的研究指出,在研磨和未研磨条件下,矿物与磨矿介质间的两电极或三电极组合产生的电流作用与矿物的可浮性有密切关系。在未研磨时,电化学作用产生氢氧化铁覆盖层降低了矿物可浮性。在研磨条件下,磨矿介质产生的金属碎片与矿物之间的相互作用对矿物的抑制起主要作用,对磁黄铁矿这种作用尤为显著。H.W.Xiang的研究指出,当磨矿介质与硫化矿相接触时,形成了伽伐尼电流,由于磨矿介质与硫化矿开路电位的不同会发生氧化还原反应。这种伽伐尼反应可通过混合电位原理控制,具有较低开路电位的物料充当阳极并受到表面氧化作用,因此硫化矿分选的选择性可能提高或降低。硫化物的机械—化学反应会降低分选的选择性,最后指出硫化物的分选选择性可通过选择适宜的磨矿介质和条件来实现。为了减少钢球的铁质对选矿工艺影响,科研人员多半从选择抗腐蚀的材料制造磨球。R.H.塞勒斯(Saiors)的研究指出,现在南美地区广泛使用铸造高铬钢球(含C2%~3%,Cr12%~25%),这种钢球的磨损速度比普通钢球低75%~80%。文章中用磨矿试验、扫描电镜结构分析和电化学测量法测量腐蚀电流,研究了这种钢球的抗腐蚀机理。结果表明,这种钢球具有碳化结构与马氏体结构,硬度大,耐磨蚀,同时含铬高而不易腐蚀。这种特点使它有很强的耐磨能力。J.W.简(Jang)的研究指出,磨矿介质的磨损行为与介质的化学组成、硬度、相结构和矿浆的腐蚀9 磨蚀特性有关。已有的研究表明,马氏体结构的钢球硬度大,这种结构的高碳钢球磨损较小。而在高铬钢球中,单一马氏体结构的磨损大于马氏体与铁素体两者共存的结构。文章中报道用热处理工艺制造三种结构类型的钢球:马氏体球、铁素体球、马氏体+铁素体球。通过试验、电化学测量、浮选,发现具有马氏体和铁素体结构的高铬球磨损小的原因是:马氏体结构硬度大、耐磨蚀和耐冲击,铁素体和高铬含量易形成钝化层,使磨蚀磨损减少。高铬球具有耐腐蚀和耐磨的特性,但铬的价格并不低,且我国是个缺铬国家,这不是我国钢球发展的方向。还有前面指出过的,不可忽视钢球密度的影响。铬金属的密度7.4g/cm3金属密度8.9g/cm3,故高铬球的密度比锻钢球明显偏低,而硬镍合金钢球的密度与锻钢球相当,所以使用高铬球会导致生产率降低,而用硬镍合金钢球不会降低生产率。这个问题值得在生产中观察研究及证实。我们还可以从其它方向寻找耐磨耐腐蚀材料来制造钢球。V.Rajagopal的文章中报道,添加有助于降低湿磨中的磨蚀速率。而前面提的硬镍合金钢球也有高硬度,耐高温及耐腐蚀的性能,也是理想的耐磨球。目前我国还无硬镍合金钢球及衬板的生产,笔者正在作开发研究,以结束我国无硬镍合金钢球及衬板的状况。过去镍产量少,价格昂贵,镍金属作为战略物资控制使用,不具备发展硬镍合金钢球及衬板的条件。但目前情况大大改变,镍产量大增,世界上形成供大于求,镍金属价大跌,要求寻找新的镍金属消费渠道。而且,我国第二大镍矿———元江镍矿为硅酸镍矿,生产金属镍或氧化镍均不可行,而生产镍铁则可行,且生产出的镍铁正在寻找销路。用镍铁生产硬镍合金钢球及衬板应该是我国发展耐磨耐腐蚀钢球的一个重要方向。

 

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