新型陶瓷磨矿介质在TGTM-250塔磨机中的应用

王培勇 包志威 周洪林 杨书春

（1.淮北市东鑫矿业有限公司；2.景德镇百特威尔新材料有限公司；3.马鞍山市天工科技股份有限公司）

社会经济的发展离不开矿产资源的开发利用，且社会经济发展越快，矿产资源的消耗也越快，随着易选富矿越来越少，不得不开发利用难选复杂贫矿石。一般难选复杂矿石的开发利用离不开矿石的细磨。金属矿山使用的磨矿设备以球磨机为主，随着新技术、新装备的应用，塔磨机作为细磨设备在各矿石的细磨作业领域获得了较好应用，而新型的磨矿介质也助推了塔磨设备磨矿效力的进一步完善，不仅取得了较优的选矿技术指标，而且经济指标也得到了较大的提高。

1 选厂矿石性质

刘楼铜铁矿矿石是以磁铁矿为主的含铜矿石，为矽卡岩型矿石，以铁矿石为主，次为铜矿石，少量金矿石，其铜含量约0.2%，铁品位约36%。矿石自然类型铁矿石以透辉石磁铁矿石、金云母磁铁矿石、金云母透辉石磁铁矿石、方解石白云石磁铁矿石、含铜磁铁矿石、蛇纹石磁铁矿石为主，次为金云母绿泥石磁铁矿石、阳起石（透闪石）磁铁矿石。铜矿石以含铜磁铁矿石为主，次为含铜矽卡岩、含铜白云质大理岩、含铜石英正长闪长玢岩等。金矿石以含金黄铁矿石为主，次为含金铜黄铁矿石、含金铜磁铁矿石等。

矿石工业类型为铁矿石、铜铁矿石、金矿石，矿石结构为自形半自形晶粒状结构、他形粒状结构、包含结构、交代结构、脉状结构、周边结构、压碎结构、网脉状结构等。矿石构造为致密块状构造、浸染状构造、斑杂状构造、条带状构造等，主要目的矿物磁铁矿粒径一般在0.01～0.06 mm。

2 技改方案

刘楼铜铁矿矿石是以磁铁矿为主的含铜矿石，选矿工艺为原矿破碎—磨矿—铜浮选—磁选，分别获得铜精矿和铁精矿。随着开采年限的延长，矿石性质逐渐复杂，磁铁矿嵌布粒度变细，主产品铁精矿品位难以满足市场需求。为此，经试验研究论证，2018年7月增设塔磨机作为二段磨矿设备，磨矿介质采用高铬钢球，增设的二段磨矿系统不仅提高了原矿处理量，同时提高了入选矿石的磨矿细度，提升了铁精矿品位。塔磨改造项目实施后，铁精矿品位得到明显改善，铜浮选回收率也有较大的提高。为进一步节能降耗，2022年2月进行了新型陶瓷磨矿介质工业试验，试验结果表明采用陶瓷球磨矿不仅可以保证磨矿效果，还能降低磨矿电耗、钢耗及球耗。

合适磨矿介质的选用是提高磨矿效果，降低磨矿能耗的关键因素之一。塔磨机磨矿介质的磨矿方式主要是研磨，研磨球的自身性质和质量好坏直接影响塔磨机的能量转换效率、设备部件使用寿命、运行电流、启动负荷及产品质量等。目前，金属矿山塔磨机使用的研磨球以钢球为主，主要存在磨球失圆严重，影响磨矿效率，设备启动困难，负荷大等弊病。

随着陶瓷工业技术的发展，推出了新型高硬度高耐磨陶瓷球。近年，该新型磨矿介质也受到了金属矿山的关注，在有色金属选厂中矿再磨作业中得到了一定的应用，有些选厂取得了较好的效果。但陶瓷球作为磨矿介质应用于铁矿石细磨作业中较有色矿晚，处于起步阶段。鉴于陶瓷球作为磨矿介质的潜在节能降耗效果，刘楼铜铁矿于2022年2月开展了新型陶瓷磨矿介质纳米复合陶瓷球（以下简称陶瓷球）作为塔磨机磨矿介质的应用研究。

3 塔磨机+陶瓷球简介

3.1 塔磨机简介

塔式磨机是一种垂直圆筒立式球磨机，该种磨机由垂直筒体、螺旋搅拌器、分级设备和驱动装置等部分组成。当物料给入塔磨机时，塔磨机内的物料先进行重力分级，细颗粒直接溢流进入下段作业，粗粒级沉降到底部研磨区进行磨矿，搅拌螺旋带动介质钢球既起研磨作用又起提升矿物作用，使合格的细颗粒快速溢流出去，所以塔磨可以避免球磨机的“过磨与欠磨”现象，相比球磨机节能可达50%左右。塔磨机用于二、三段磨矿不仅节能，还能改善分选指标。攀枝花某选钛厂采用马鞍山市天工科技股份有限公司生产的710 kW塔磨机进行磨矿，给矿粒度-0.074 mm20%，分级溢流粒度-0.074 mm70%左右，采用强磁选—浮选工艺选别后，在钛精矿品位不变的情况下，可将浮选尾矿中的TiO2含量从5%～6%降至4.0%以下，降低药剂消耗约20%，说明采用塔磨机磨矿后产品粒度均匀、可浮粒级量偏多、磨矿效果好，改善了浮选指标。

安徽龙桥铁矿对硫铜混合精矿采用磨矿—浮选工艺分离硫精矿、铜精矿，采用马鞍山市天工科技股份有限公司生产的132 kW塔磨机进行磨矿，分离后铜精矿回收率较球磨指标提高5个百分点以上。淮北东鑫矿业有限公司原工艺采用一段球磨，产品细度-0.074 mm60%，为了增产及改善选矿指标，把一段球磨粒度放粗，增加二段塔磨，细度提高到-0.074 mm70%以上；技改运行后，处理量由1 250 t/d提高到1 600 t/d，而且铜回收率提高了2个百分点以上，说明塔磨机磨矿细度比较窄，更适合浮选作业，球磨机磨矿易产生过磨，对浮选产生了不利影响。嵩县山金矿业有限公司使用了马鞍山市天工科技股份有限公司的250 kW塔磨机作为二段磨矿，金回收率提高了3个百分点以上，且处理量较设计提高30%以上。

3.2 陶瓷球

江西某公司生产的纳米复合陶瓷球是一种纳米陶瓷-金属复合球。金属陶瓷复合材料是由延性的金属相与脆性的陶瓷相结合的材料，具有高强度和可塑性，采用纳米技术和智能制造技术，显微结构非常均匀细密，具有内外性能一致、强韧不易掉瓷的特性，是一种性能优异的工程材料（表1）。

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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［1］。与钢球相比，同质量的陶瓷球充填率更高、研磨面积更大。磨机充填率相同时，陶瓷球能耗更低，大部分钢球在研磨至直径-13 mm时，球体表面出现凹陷，形成无效研磨表面积，降低磨矿效果；陶瓷球在研磨至直径-4 mm时，仍能保持较完好的球形及有效研磨表面积，保证磨矿效果。

4 技改流程

淮北东鑫矿业有限公司选厂2022年2月对磨矿流程进行了局部改造，改造前塔磨机使用钢球作为磨矿介质，改造后塔磨机使用陶瓷球作为磨矿介质。

4.1 使用钢球磨矿流程

改造前塔磨机使用钢球磨矿流程见图1。

4.2 使用陶瓷球磨矿流程

选厂塔磨机使用纳米复合陶瓷球时，对磨矿流程进行了局部改造，在球磨前增加了预选抛废作业。改造后陶瓷球磨矿流程见图2。

4.3 不同磨矿介质塔磨运行效果

塔磨机于2022年2月使用陶瓷球作磨矿介质，对磨矿浓度、补加球量等参数经过几个月的研究调整，逐步优化了塔磨机使用陶瓷球的运行操作参数，系统运行平稳，转入正常生产。不同磨矿介质TGTM-250/250塔磨机运行状况及效果见表2。

注：抛废后抽检分析螺旋分级溢流-74μm含量提高约4个百分点。

几个月的平稳运行数据表明，陶瓷球作为二段塔磨机磨矿介质是适合的，在溢流细度未降低甚至有所增加的前提下，塔磨机磨矿能耗大幅下降，降低约35%；球耗同比钢球成本，在磨矿分级产品细度提高10个百分点的基础上，年节省研磨介质约10%。另外，使用陶瓷球塔磨机螺旋衬板使用时间延长，从6个月延长到8个月以上，提高了设备作业率。同时生产中发现，塔磨机轴承温度下降，有利于轴承等部件使用寿命的增加，减少塔磨机的材料消耗，进一步降低选矿生产成本。同时陶瓷球的失圆程度相对较轻，有利于提高磨矿效率。

5 塔磨机适用新型陶瓷磨矿介质的评估要素

传统的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。现有数十台塔磨机应用新型陶瓷研磨介质替代高铬钢球，新型陶瓷研磨介质的整体充填质量比高铬钢球低30%～40%，达到了应用高铬钢球的处理能力和产品细度，从而实现了节能降耗及延长螺旋衬板寿命的良好效果。

虽然一些塔磨机厂商设计研制了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了设备能耗［2］，但对已初装高铬钢球的塔磨机，选用新型陶瓷磨矿介质替代高铬钢球时，重点评估要素如下。

（1）充填率。由于陶瓷研磨介质比重仅为钢球的一半，即使充填质量比钢球低30%～40%，实际需要的充填体积比钢球的体积大。塔磨机在运行过程中，其磨矿介质的动态充填高度必须低于螺旋搅拌叶片的最高点。如图3所示，塔磨机的高铬钢球静态充填平面距离螺旋搅拌叶片的最高点约150 mm，当塔磨机运转时，高铬钢球的动态充填平面基本与螺旋搅拌叶片的最高点持平或略超过。如果塔磨机采用新型陶瓷研磨介质取代高铬钢球，由于没有足够的充填空间容纳比高铬钢球充填质量低30%～40%的陶瓷研磨介质，就不能实现高铬钢球完成的磨矿处理能力和磨矿产品细度。

（2）磨矿浓度。陶瓷研磨介质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。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［3-5］。因陶瓷研磨介质比重仅为钢球的一半，细磨时的冲击力明显低于钢球，其磨矿浓度低于钢球的磨矿浓度，才可能抵消矿浆的黏度和阻力，增加研磨粉碎粗颗粒物料的几率。生产实际中，采用钢球的塔磨机，最高磨矿浓度可达到80%；采用陶瓷研磨介质的塔磨机，磨矿浓度通常在70%以下，此时的磨矿效率最高。

（3）底部进浆。现在采用钢球作为磨矿介质的塔磨机，通常与旋流器形成闭路磨矿分级，旋流器沉砂经高差自流返回塔磨机再磨。由于采用钢球的磨矿浓度高，且钢球的比重大，采用底部进浆时，经常发生堵塞现象，大部分塔磨机不得不采用顶部进浆。由于顶部进浆难以保证给入磨机的粗颗粒待磨物料“沉底”，并有部分粗颗粒待磨物料直接从顶部进浆口“短路”，从塔磨机溢流口排出（图4），从而降低了塔磨机的磨矿效率。

TGTM-250塔磨机应用陶瓷球后，将塔磨机给料从顶部进浆改为底部进浆，至今未发生任何堵塞现象。由于所有给入塔磨机的粗颗粒物料从底部穿透整个研磨区域，再经顶部排矿口溢流，充分发挥了陶瓷球的研磨作用。

6 结语

（1）刘楼铜铁矿增加塔磨代替球磨的二段磨矿技改，大幅提升了选厂处理能力和磨矿细度，铜回收率提高了约2个百分点，铁精矿品位由64%左右提高到了65%左右，不仅改善了分选指标，还达到了节能降耗的目的。

（2）在采用陶瓷球做为磨矿介质时，不仅达到了钢球介质的磨矿效果，而且塔磨机磨矿能耗大幅下降，降低约35%，年节省电费约55万元；球耗同比钢球成本，在磨矿分级产品细度提高10个百分点的基础上，年节省研磨介质费用约3万元。

（3）使用纳米复合陶瓷球，塔磨机螺旋衬板使用时间从6个月延长到8个月以上，提高了设备作业率。全年累计节能降耗压缩选矿成本58万元，提升了企业经济效益。新型磨矿介质纳米复合陶瓷球在塔磨机中的应用达到了预期目的，且对其推广应用具有一定的借鉴参考意义。