铜山矿破磨生产流程设计方案的改进

吴 锡，唐新民，王维君，童 祯

（1.安徽省铜陵学院机械工程系，安徽 铜陵 244000；2.铜陵有色铜山矿业有限公司，安徽 铜陵 244000；3.安徽铜冠机械股份有限公司，安徽 铜陵 244061）

铜山矿破磨生产流程设计方案的改进

吴 锡1，唐新民2，王维君3，童 祯2

（1.安徽省铜陵学院机械工程系，安徽 铜陵 244000；2.铜陵有色铜山矿业有限公司，安徽 铜陵 244000；3.安徽铜冠机械股份有限公司，安徽 铜陵 244061）

文章简述了将铜山矿常规三段一闭路破碎加球磨方案，改造为新型φ3.2m×3.6m溢流球磨机、其转速加快到23.8r/min、钢球加大到φ240mm、单台完成铜山矿破磨生产任务的方案，并用“四维破磨理论”论证产品粒度达标和处理量达产。与常规破磨方案相比，不仅工程总投资大大节省，而且通过节能降耗大大提高了经济效益。

半自(球)磨机；破粉碎比；流程设计

铜陵有色铜山矿现用破粉碎生产流程设备，自1959年投入使用以来，基本上未进行更新改造，陈旧老化严重。目前碎矿产品粒度＜20mm占80%左右，磨矿产品粒度＜0.073mm占60%左右，处理量900t/d×2=1 800t/d左右，不能满足今后生产要求。设计部门提出常规和半自磨加球磨的两个方案，笔者用“四维破磨”理论[1]，提出的新型球磨方案较常规方案更好地完成破磨生产任务。

1 原始数据及破磨设计方案

1.1 原始数据

铜山矿的原矿性质，与冬瓜山铜矿和安庆铜矿相似；矿石硬度系数15左右，原矿含泥3%左右。铜山矿与冬瓜山铜矿一样，粗碎在井下，提运到地表粗矿仓矿石粒度＜250mm占100%，＜150mm占60%以上。磨矿产品粒度＜0.073mm占75%以上，与天马山矿相似。

破粉碎生产流程和设备的能源利用率高低，可用它们的破粉碎效果比值(破粉碎比与单位能耗之比)大小来判定[2]。目前冬瓜山矿半自磨机破粉碎效果比值110t/kW·h以上，安庆铜矿常规闭路碎矿生产流程的破粉碎效果比值只有5t/kW·h左右[3,4]。说明半自磨机替代闭路碎矿生产流程不仅可行而且可节能降耗。

1.2 铜山矿常规破磨方案

(1)碎矿生产流程。

粗碎在井下，采用500mm×1200mm鄂式破碎机，粗碎后矿石粒度＜250mm占100%，＜150mm占60%以上；提运到地表300m3的粗矿仓。由1号1m皮带机送入φ2.1m标准圆锥破碎机中碎，再由2号1m皮带机送入φ2.2m短头圆锥破碎机细碎。再由3号1m皮带机送入1.5×3m振动筛分级，筛上粒度＞13mm矿石，由1号650mm皮带机送回细碎机；筛下粒度＜13mm占90%以上的矿粒为碎矿产品，分别由2号和3号650mm皮带机送入容积为300m3的1#和2#细矿仓中，中细二段破碎的破粉碎比150∶10=15，处理量150t/h，用电单耗3.5kW·h/t，破粉碎效果比值为4.3t/(kW·h)。

(2)磨矿生产流程。

由4#和5#的650mm皮带机，把细矿仓矿石分别送入1#和2#φ3.2m×3.6m溢流球磨机，均配φ2.4mm双螺旋分级机和φ500mm旋流器二级分级，磨矿产品粒度＜0.073mm占75%以上，＜0.06mm占60%以上，破粉碎比167，处理量100t/h，磨矿单耗16kW·h/t，磨矿生产流程设备的破粉碎效果比值10.5t/(kW·h)。

常规三段一闭路破磨生产流程总的破粉碎比为2 500；单耗19.5kW·h/t，破粉碎效果总比值为128t/(kW·h)。

1.3 铜山矿半自磨加球磨方案

把粗矿仓的矿石，由1m皮带机送入φ4.8m×1.8m格子型半自磨机(钢球加大到φ180mm，装球率15%以上，实际混合充填率45%左右)，破碎后矿石溜入1.2m×2.5m双层振动筛分级，上层筛上矿石粒度＞12mm占100% ，由650mm皮带机送回半自磨机；中底二层矿石(浆)为半自磨产品，粒度＜12mm占100%，＜0.5mm占60%以上；半自磨机破粉碎比为300，处理量100t/h以上，用电单耗5kW·h/t，破粉碎效果比值为60t/kW·h。其中层矿石粒度＜12mm且＞2mm由10″管螺旋输送机送入φ3.2m×3.6m溢流球磨机(大钢球φ100mm以上，装球率30%，实际混合充填率35%以上)；振动筛底层矿浆和球磨机排矿浆，混合流入φ2.4m双螺旋分级机分级，粗粒沉沙流入球磨机，溢流由砂泵送入φ500mm旋流器分级，粗粒沉沙入磨，细粒溢流为磨矿产品粒度＜0.073mm占75%以上，＜0.06mm占60%以上。基本解决球磨机磨矿效果很差的问题，破粉碎比0.5÷0.06=8.3，处理量60×2t/h以上，磨矿单耗6kW·h/t。球磨机破粉碎效果比值仍只有1.4t/(kW·h)；破磨单耗为11kW·h/t，破粉碎效果总比值为(150÷0.06)÷(5+6)=227t/(kW·h)，为常规方案的227÷128=177%。

2 半自磨机过粉碎分析和改造

半自磨机的产品过粉碎，实际替代了球磨机完成破粉碎生产任务。证实半自磨机不仅可替代多台破碎机，完成碎矿任务；而且可替代球磨机，完成磨矿任务。

2.1 半自磨机产品过粉碎分析

冬瓜山铜矿半自磨机，自2004年投入使用以来，产品过粉碎现象严重[5]。据2007年11月17日现场考察，半自磨机实际替代球磨机完成了破粉碎比为26.7的磨粉碎任务。若采取强化半自磨机产品的过粉碎和分级措施，产品粒度＜0.073mm的含量由32%增加到65%和75%以上；把500t/h中的粒度＜2mm且＞0.073mm各粒级(按处理量与平均粒度成反比)换算为粒度＜0.073mm(平均粒度取0.035mm)的矿粒，使产品粒度＜0.073mm的含量分别增加到65%以上(以67%算)和75%以上(以77%算)，处理量分别由500t/h减少为361t/h和278t/h。

2.2 改造半自磨机单台完成破磨生产任务

进一步把格子型半自磨机改造为新型φ8.53×3.96m溢流半自磨机[5-7]，钢球加大到φ240mm，装球率12%以上，实际混合充填率50%左右，全速11.6r/min运转；排矿浆粒度＜0.073mm占65%以上，经φ600mm旋流器分级的产品粒度＜0.073mm的占75%以上。产品粒度＜0.073mm占65%以上，半自磨机的处理量由361t/h增加到728t/h；产品粒度＜0.073mm占75%以上，处理量由278t/h增加到728÷361×278=561t/h，用电单耗6.5kW·h/t，破粉碎效果比值高达385t/(kW·h)。冬瓜山铜矿半自磨机改为新型φ8.53m×3.96m溢流半自磨机和加大钢球，确保产品粒度达标和处理量达产。破磨用电单耗由目前20kW·h/t下降到6.5kW·h/t左右。

3 新型φ3.2m×3.6m溢流球磨机方案

按上述分析，冬瓜山铜矿新型φ8.53m×3.96m溢流半自磨机，配φ600mm旋流器分级，可确保产品粒度达标和处理量达产。把φ3.2m×3.6m滚动轴承溢流球磨机，改为动态混合充填率45%的溢流球磨机，并加快转速和加大钢球，配φ600mm旋流器分级，单台就可完成铜山矿破磨生产任务。

3.1 结构及参数

新型球磨机与现用φ3.2m×3.6m滚动轴承溢流球磨机的结构基本相同，只是给进料和出料装置不同和转速加快及钢球加大。

(1)现用溢流球磨机。

筒体内径3.2m，筒体长度L=3.6m；高锰钢筒体衬板，波谷厚度70mm，波峰厚度130mm，平均厚度100mm，对应内半径Ra=1.53m，Rb=1.47m，R=1.50m，费氏临界转速nc＝30÷=24.3r/min，有效容积V=25.4m3。电机容量600kW，转速250r/min，传动大齿圈齿数278，小齿轮齿数20，筒体转速n1＝250r/min÷(278÷20)=18r/min，n1=0.74nc。进出料端盖内锥面的锥角160°，各有12块厚度70mm端衬板，每块上都有一条70mm×70mm径向突包。进出料端主轴承，采用239/1 000型圆柱滚子调心轴承，摩擦系数取q1=0.004，回转半径R0=0.58m，筒体自重回转质量105t；装球率30%左右，球矿比3.5左右。钢球矿石(浆)的动态安息角取β=25°，滑滚动系数取q2=0.15。

(2)新型球磨机。

制作全推送给送料器，替代现用φ3.2m×3.6m溢流球磨机的进料口，去掉联合(鼓形)给料器[5]。设计制作动态充填率η0=45%的螺旋溢流分级出料器，替代现用球磨机的出料口，去掉出料圆筒筛，筒体自重回转质量G0=98t。并设一条有流量计，插入出料器内的加水管道。电机容量600kW不变，转速改为300r/min；小齿轮齿数改为22，则筒体转速加快到n2=300÷(278÷22)=23.8r/min,n2=0.98nc，ω2=2.49弧度/s。钢球密度r钢=7.7t/m3，r球=4.7t/m3，矿石密度r石=3.2t/m3，矿石(浆)混合密度r矿=2.9t/m3。半自磨机球矿(浆)比1左右，体积比0.4左右；现用球磨机球矿比3.5左右，球矿体积比1.3左右。钢球砸磨衬板和钢球的几率，半自磨机比球磨机少许多，半自磨机的能源利用率比球磨机高。同体积矿石的冲击破碎和磨粉碎的能力，分别只有钢球的17%和42%左右；半自磨机的磨矿能力不如球磨机。为此，新型球磨机球矿(浆)比取1.6，球矿(浆)体积比为0.6；钢球、矿石(浆)的混合密度r=(7.7×0.6+2.9×1)÷(0.6+1)=4.7t/m3；下落冲击力系数取f冲=3，设实际混合充填率η=62%计算，装球量0.62×25.4×4.7÷(1.6+1)×1.6=45.5t，装φ240，φ210，φ180mm钢球各15t，装球率38%，平时补加φ240mm钢球。

3.2 新型球磨机确保产品粒度达标

新型球磨机出料端衬板组成的内锥面和突包，具备推送、搅拌和分级作用；把筒体内的钢球和粒度大的块矿，不断推送回筒体。当筒体里混合充填表面，高出球磨机出料器内螺旋叶片内径；在高差作用下，粒度较小的矿粒随矿浆流入出料器；矿浆在出料器由内往外流动过程中，矿粒由大到小沉淀；沉下的矿粒由返砂螺旋叶片及时全部送回筒体，粒度小的矿粒，随溢流流入圆锥沉淀区，再沉淀分级；矿浆中粒度较大的矿粒沉淀，由圆锥面溜回分级沉淀区，由返砂螺旋叶片送回筒体；粒度很小的矿粒随溢流从出料器端筛板的筛孔流出。排出矿浆浓度调节为螺旋分级机溢流浓度28%左右，排出矿浆粒度比天马山矿φ3.2m×3.1m格子型球磨机(提升斗强制排矿中，粒度小的优先随矿浆倒流回筒体)配φ2.4m双螺旋分级机的溢流粒度佳(粒度＜0.073mm，含量多5%左右，＜0.01mm微粒含量成倍减少)。排出的矿浆由砂泵送入φ600mm旋流器分级，溢流为磨矿产品，粒度＜0.073mm占75%以上，破粉碎比2 500左右。

3.3 新型球磨机确保处理量达产

(1)冲击破碎和磨粉碎能力消耗系数。

铜山矿新型φ3.2m×3.6m溢流球磨机，入磨矿石性质、粒度和磨矿产品粒度＜0.073mm占75%以上，与冬瓜山铜矿新型半自磨机相同[5]。冲击破碎能力消耗系数Bth=5.5m2hs-3和磨粉碎能力消耗系数Cth=9.84mhs-2[5]，与铜山矿新型球磨机相同。

(2)质点抛落规律和相关数据。

在以筒体圆心为中心的x-0-y坐标中，以有效内半径Ra=1.53m，转速n=23.8r/min，动态安息角β=25°，滑滚动摩擦系数q2=0.15和动态混合充填率η0=45%；查取动态充填面重心S到中心距离ys=0.66m，和计算起抛面上各质点的抛落规律和相关数据[4]：下落冲击平均速度U冲=4.05m/s，冲击合力矩力臂L合=-0.23m，抛起比un=0.61，实际混合充填率η=63.1%，相对滑滚动平均速度U相=6.49m/s，把混合密度r=4.7t/m3代入计算抛落量和滑滚动量计算公式得Q=23.5t/s和E=130t/s。

(3)新型球磨机处理量确保达产。

钢球加大，处理量增加系数K球=0.5×[K矿(d2/d1)3+1]，其K矿为矿石冲击破碎影响系数，与球矿比和入磨矿石粒度有关，取K矿=0.8；钢球球径基准状d1=180mm，实际球径d2=240mm，代入得K球=1.4。

处理量计算公式A=0.5K球(QU冲2/Bth+EU相/Cth)[2]，t/h。将上述数据代入：A=0.5×1.4×(23.5×4.052÷5.5+130×6.4÷9.84)=107t/h，确保2 000t/d达产并留有余地。

3.4 新型球磨机生产流程的破粉碎效果比值

(1)球磨机负荷。

球磨机负荷计算公式为[2]：主轴承摩擦阻力负荷N1=qωR0[(G0+η0rV)g+f冲QU冲]，kW；偏心力矩负荷N2=η0rVgωyssimβ，kW，下落冲击合力矩负荷N3=-f冲QU冲ωL合，kW。

将上述数据分别代入得：N1=10kW，N2=366kW，N3=162kW。

球磨机负荷N=N1+N2+N3=538kW。

(2)砂泵负荷。

按球磨机处理量110t/h，矿浆浓度25%计算砂泵流量为：110÷3.2+110×[(1-0.25)÷0.25]÷1=364m3/h≈0.1m3/s；混合密度r=1÷(0.25÷3.2+(1-0.25)÷1)=1.2t/m3；取砂泵扬程30m和效率60%计算负荷：0.1×9.81×30÷0.60=49kW。

(3)破磨生产流程单耗和破粉碎效果比值。

破磨用电单耗：(538+49)÷107=5.5kW·h/t。

破粉碎效果比值：2 500÷5.5=455t/(kW·h)。

4 结论

综上所述，铜山矿新选厂采用常规三段一闭路碎矿加球磨、半自磨加球磨和新型球磨机，三个破磨生产流程的设计方案；它们分别采用4台、2台和1台的破碎球磨机，都能确保产品粒度＜0.073mm占75%以上达标和处理量2 000t/d以上达产。新型球磨机方案比常规破磨方案工程投资大大节省，节能降耗，经济效益明显提高。

[1]唐新民.提高磨机处理能力和能源利用率的研究[J].矿山机械,2003,(1)16-19.

[2]唐新民.破粉碎生产流程设备的现状与节能途径[J].中国非金属矿业导刊,2009,(3).

[3]唐新民.安庆铜矿φ3.2×4.5m球磨机节能改造[J].矿山机械，2008,(23):89-92.

[4]唐新民.天马山黄金矿φ3.2×3.1m格子球磨机节能改造[J].矿山装备,2009,(3).

[5]磨机全推送给送料器[P].中国专利ZL200820008836,2009-01-21.

TD921.4;TD453

A

1007-9386(2010)02-0040-03

2009-11-30