新型低铬钢球在磨矿装置生产中的应用

吴兴买 沈成元

（云南云天化红磷化工有限公司）

随着市场经济的深化和国际、国内经济一体化的进程，化肥行业的发展目标由单纯追求总量的增长转变为提高企业的竞争能力和经济效益上来，依托市场推进品种结构、企业结构、原料结构、技术水平等方面的调整［1］。如何降低生产成本、提高产品品质已成为各化工企业的共同目标。云南云天化红磷化工有限公司自2019年以来，从优化产品生产技术、降低产品杂质含量等方面着手，在降低产品生产成本的同时，从原料生产开始降低产品铬含量，生产出了具有国际竞争力的产品。

1 现状分析

在目前磷肥产能严重过剩的情况下，各磷肥生产企业都在追求提升产品内在质量、降低生产成本。磷矿石的磨矿制浆是湿法磷酸萃取加工的重要准备环节，有效降低磨矿环节的磨矿介质消耗是降低制酸原料成本的途径之一。随着国家对生态环境的高度重视和环保要求的不断加强，专业生产磨矿介质的厂家不断减少和相对集中，不少厂家开始转型生产重金属含量低的低铬耐磨钢球。为此，使用低铬甚至无铬磨矿介质将成为未来的一种趋势。

云南云天化红磷化工180万t/a磨矿生产线于2009年5月建成投产，于2017年4月技改为脱镁磨矿生产线，3台磨机均为3 600 mm×9 000 mm溢流型球磨机，原设计一直使用的磨矿介质为70Mn2钢球，充填率约为30%。从磨机实际使用情况看，此介质的主要优点是价格低，主要缺点是耐磨性差、失圆率偏高、重金属含量偏高、磨耗高。2018年折标磷精矿平均磨矿介质消耗达0.536 kg/t，磨矿介质费用为2.52元/t，磨矿介质费用偏高。同时，因用量大，人工加球的劳动强度较大。为此，红磷化工从磨矿介质材质着手，研究使用新型耐磨低铬磨矿介质，以达到降低成本，提高企业竞争力的目的。

2 技术原理

从实际使用情况分析可知，磨矿介质的主要成分是影响介质消耗量的关键。

2.1 磨矿介质工况条件的影响

（1）矿石力学性质。云南磷矿石主要为沉积型磷块岩矿石，矿石类型以混合型硅钙质型磷块岩为主。红磷化工磷酸制酸磷矿浆生产大多使用云南昆明滇池附近昆阳磷矿区域的磷矿石，以昆阳磷矿的矿石性质作为基准，其矿石平均普氏硬度为9.7，泊松比为0.264，属于中等硬度且韧性不高的矿石，矿石的平均真密度为2.95 g/cm3，属中等难磨矿石。

（2）给矿和产品粒度。按设计的最大给矿粒度为25 mm（-25 mm含量≥90%），3台磨机溢流产品细度为-0.074 mm粒级含量≥75%，给矿粒度、产品细度要求中等，磨矿相对有利。

（3）磨矿使用脱镁工艺循环水，pH值约为5.5，呈弱酸性，对磨矿介质有弱腐蚀性。

（4）矿石流动性。磷矿石在粉磨成矿浆的过程中，矿浆都有其流动的最低含水量，不同品种的磷矿在粉磨成能流动的矿浆时，其最低含水量见表1［2］。昆阳磷矿矿石流动的起点水分为28%～32%，矿石流动性尚可。

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2.2 介质运动状态

球磨机内磨矿介质的运动状态通常与磨机转速、磨机内存料量及矿石的性质有很大关系。由于筒体的转速决定着矿石和钢球产生的惯性离心力的大小，当筒体处于不同的转速时，磨矿介质和矿石的运动呈现出3种运动状态：①筒体转速过低，磨矿介质和矿石因重力作用产生下滑，呈倾泻滑移运动状态，对矿石的冲击作用很小，几乎只起研磨作用，磨矿效果不佳，生产能力降低；②筒体转速过高，磨矿介质和矿石黏附在筒体内壁上，随筒体一起旋转而不泻落，呈圆周运动状态，磨矿介质对矿石起不到冲击和研磨作用；③筒体转速适中，磨矿介质被提升到一定高度后抛落下来，呈抛落运动状态，对矿石有较大的冲击和研磨作用，起到较好的磨矿效果［3］。磨矿选用的低铬奥贝体钢球其球径尺寸（120，100，80，60 mm）和磨机设计的额定转速匹配，磨矿介质在磨机内处于较佳运动状态，能起到较好的冲击研磨效果。

3 磨矿介质的选择及使用效果

根据环保要求及化肥产品的特殊性，要求带入产品的重金属离子越少越好，因此，磨矿介质使用低铬甚至无铬介质成为未来的一种趋势。磨矿介质的材质及加工工艺对介质的磨损有很大影响。磨矿钢球介质常用的材料为铸铁（包括稀土镁铸铁）、碳素钢（低碳、中碳、高碳）及合金钢（包括Cr、Ni或Mn），加工工艺有铸造、锻造、轧制、热轧、锻轧等，一般认为低碳钢介质单耗比中、高碳钢介质单耗高1～2倍，淬火铸铁球代替普通铸铁球单耗可下降40%左右［4］。

（1）经市场考察和调研，磨矿介质钢球的加工生产因环保和高能耗的原因，红河州周边磨矿介质的生产厂家急剧减少。

（2）目前使用的磷矿磨矿介质主要有钢球和钢棒，红磷化工使用的磨机为溢流型球磨机，选用钢球作为磨矿介质较为合适。从铸球、热扎球的性质及价格等方面进行比较，选择铸球较为经济。

（3）经过比较，红磷化工最终选用奥贝体钢球作为新的磷矿磨矿介质（表2），新型磨矿介质与原70Mn2磨矿介质相比，大大减少了重金属铬离子的带入量。

（4）新型奥贝体钢球的技术性能：冲击韧性值≥8 J/cm2、直径偏差≤1 mm、表面硬度≥60、钢球芯部硬度≥56、破碎率≤3%、变形率≤5%，不允许有裂纹、夹渣、砂眼、气孔、缩松、缩孔等铸造缺陷。

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（5）为不影响正常生产及减少换球浪费，采用直接补加奥贝体钢球逐步置换原有钢球的方式更换钢球，从2019年9月20日开始使用新型奥贝体钢球，前3个月按原磨机测算消耗0.536 kg/t进行补加，3个月后根据实测数据逐步减少补加量，半年后按0.39 kg/t消耗定额补加。2020年10月测定统计的磨机充填率、加球量、磨矿量、单位原矿磨矿费用见表3。

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（6）2020年9月18日对2#、3#磨机两段两闭路磨矿流程的磨矿产品溢流和沉砂进行取样筛析，取样时3台磨机均满负荷生产，筛析结果见表4、表5。

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由表4可知，矿浆溢流细度-0.074 mm粒级含量为75.50%，满足生产实际需求。

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红磷化工以经济最优化和磨矿介质带入产品重金属离子尽量低为原则，通过多方市场考察和调研，确定选用新型低铬奥贝体钢球作为磨矿介质，经过不断优化调整磨矿介质的充填率、级配，保证了磨矿产品的细度、浓度及生产能力。

4 运行控制情况

（1）由于给矿中有粗细不同的粒级，钢球的尺寸比例应与物料粒度相适应，尺寸是球形介质的重要参数，它决定着磨机内打击次数的多少及研磨面积的大小，也决定着磨矿作用的强弱、球耗及电耗的高低［5］。钢球直径大、个数少时，研磨面积小，但每个钢球的打击力大；钢球直径小、个数多时，研磨面积大，但每个钢球的打击力小。一般来说，粗粒物料宜用大钢球，细粒物料宜用小钢球。钢球直径按D=25.4d计算，其中d为按80%过筛计的物料最大粒度。

（2）根据以上原则，同时为避免磨矿介质直径过大对磨机衬板造成损伤，确定选用120，100，80，60，50 mm不同直径的磨矿介质，根据测定的磨矿细度，调整磨矿介质级配。磨碎率一般随充填率增加而上升，但磨矿介质充填率过高，磨矿介质的运动受到阻碍，中心部分呈蠕动状态，从而使磨碎率下降。从使用前后的充填率对比来看，磨机正常开车情况下，维持每天每台磨机加1 t磨矿介质的频率，各台磨机充填率均不同程度地上升（控制在30%～35%），可延长至1.5～2 d添加1次磨矿介质。

（3）在磨机更换衬板期间，检测从磨机内倒出的钢球，失圆率、碎球率均控制在指标要求范围内。

（4）在磨机满负荷生产情况下，每天监测的矿浆细度满足浮选装置生产要求。

（5）奥贝体钢球使用量较70Mn2磨矿介质下降20%以上，降低了人工劳动强度。

5 结论

（1）云南云天化红磷化工生产实际应用表明，使用新型低铬奥贝体钢球通过直接补加的方式逐步替换原有普通中铬钢球是可行的，能够保证磨机的磨矿能力、产品细度和钢球的充填率。

（2）使用新型低铬奥贝体钢球，磨机球耗由原来0.536 kg/t降至0.387 kg/t，费用从2.52元/t降至2.12元/t，重金属铬离子的带入减少了5倍以上，达到了较好的降本降耗的目的。