基于磨矿动力学的GN8磨机超细磨矿能耗研究

2013-09-07张仁丙李茂林郑霞玉

中国矿业 2013年11期

张仁丙，李茂林，郑霞玉，崔瑞

（武汉科技大学冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北武汉430081）

传统球磨机由于临界转速的限制，输入能量不可能过大，而且还有相当一部分能量用来驱动其庞大的筒体。在使用球磨机将矿粒磨至20μm以下时，磨矿能耗将随着磨矿细度的降低呈指数式增长。多年来，世界各国都先后致力于研究的超细磨机为一种卧式搅拌磨，使用圆盘搅拌器对细粒磨矿介质进行高强度搅拌，物料在介质的高强度磨剥下被磨细。如今搅拌磨凭其磨矿效率高等优点，已广泛地应用于细磨超细磨作业中，搅拌器转速是控制磨矿过程最重要及最容易调节的参数之一。本次试验采用间断磨矿试验，就是磨矿试验过程中，间隔相等的时间记录磨机的运行功率，有用功率即为运行功率减去磨机的空载（未加介质与物料）功率。

1 试验原料和主要设备

1.1 试验原料

试验原料为石英，经BT－9300S型激光粒度测试仪测试，得特性粒度分布见表1。

表1 原矿特性粒度分布／μm

1.2 主要设备

试验采用新型高能卧式搅拌磨机（GN型高能磨机，简称 GN磨机），总容积10L，搅拌器体积2.7L，净容积7.30L，装机功率5.5kW，视在能量密度0.29kW／L，最大能量密度340kW／m3，电机最高转速1450r／min（0～1450r／min连续可调）；磨机启动和转速由变频器控制；BT－9300S型激光粒度仪分析磨矿产品的粒度分布。

2 试验方法

以石英为磨矿原料，GN8磨机为主要试验设备，磨机中用2mm、3mm（各占50%）刚玉球作为介质，充填率65%。试验过程中，每组试验石英加入量为2.3kg，保证磨矿浓度约50%，每组试验间隔相等的时间t记录磨机的运行功率P，控制磨矿时间，使得在不同转速条件下的最长磨矿时间内输入能量的范围大致相等。磨矿完成后取样，用BT－9300S型激光粒度仪分析，分析结果导入EXCEL表留做后续数据处理。

试验过程中，用变频器控制的磨机转速，如表2所示。

表2 变频器对应的磨机转速

3 一阶磨矿动力学方程式R＝R0e－kt的验证

由图1、图2可以看出，磨矿过程符合一阶磨矿动力学，试验中k值的变化趋势也与公式中k值的变化相符：磨得越细，k越小。在同一个粒级下，不同的转速可以得到不同的拟合k值；而在同一个转速下，不同的粒级也可以得到不同的拟合k值。

4 运行功率P与搅拌器转速V的相互关系

试验中，记录每个转速V下的运行功率P，得到V与P的关系如图3所示。

从图3可以看出，随着搅拌器转速的加快，磨机有功功率明显升高，转速越高，功率增加的越快。在A·kawade，基于应力强度SI与应力事件SN的理论分析中认为：

其中，ρGM、dGM、φGM分别为研磨介质的密度、粒度及充填率，ε为堆积介质的孔隙率，t为磨矿时间，n为搅拌器转速，Cv为料浆的体积浓度。本试验中由于变化参数只有搅拌器转速V，因此，从理论上可以得到E∝SI·SN∝V3t，进一步可以得到P∝V3。本试验中，通过拟合试验测得的有功功率值与搅拌器转速，可得其关系为P∝V2.80。

图1 10μm的k值拟合公式

图2 15μm的k值拟合公式

图3 搅拌器不同转速下的磨矿有功功率

5 能量利用率与转速的关系

一阶磨矿动力学中的k可以表征磨矿速率的大小，根据磨矿记录数据，分别得出R0＝10μm时的k值。如图4所示，图中绘出了磨矿速率常数k随有转速V的变化。可以看出，随着转速的增大，磨矿速率常数明显增大，这与M·Gao等通过试验发现提高磨矿功率可以显著地加快粒度减小的观点一致。

增大转速（即提高功率）可以提高磨机的磨矿速率，但磨矿能量利用率的变化怎样。根据实验，分别分析被磨矿样在不同转速，相同能量输入下的－10μm含量的增量，如图5所示。

图4 不同转速下的k与V的关系图

图5 不同转速下的能量转化

从图5可以看出，随着搅拌器转速的提高，在相同能量输入的情况下，－10μm的产率是呈下降趋势的，即能量利用率变小。在试验过程中，本人也确实感受到，转速越高，磨机的发热量越高，矿浆的温度也明显升高。从能量守恒的角度看，以热量形式散失的能量增加了。

同样的，我们也可以定量的分析能量利用率的变化，当磨机在不同的转速条件下磨矿时，在单位能量输入下，－10μm的质量含量变化是不相同的，根据公式可以算出，不同转速时单位能量下被磨矿物－10μm的质量生成量（式中M为每次磨矿加入的原矿质量，为2.3kg；β为磨矿产品中－10μm含量；α为原矿中－10μm含量），如表3所示。