基于碎磨试验和JKSimMet软件模拟的矿石碎磨工艺流程研究

高立强 张冬松 杨思敏 刘新宇

(北方矿业有限责任公司，北京100053)

国内某矿山矿石处理设计规模为240万t/a。原料准备作业中矿石处理流程包括粗碎、磨矿、旋流器分级、浓缩、矿浆长距离管道输送、矿浆压滤及附属配套工程。厂区中原料准备作业位于海拔约4 500 m的高原地区，该地区属于典型高原寒带荒漠气候。该矿矿石类型简单，根据氧化程度划分，绝大多数矿物为氧化矿，局部见极少团块状混合矿、硫化矿。

碎磨作业是选厂基础设施建设前期投资和后续生产作业消耗能源最多的流程，对于一些材料运费高、人工作业效率低、海拔较高的矿山，优化选择适合项目特点的碎磨工艺技术显得尤为重要，同时也是实现提高企业经济效益目标的关键。

本文以该项目的半自磨球磨选型试验结果为依据，选择和确定了适合该矿山的半自磨机和球磨机型号。同时根据该矿山工艺流程、地理位置特点以及目前国内外碎磨技术的最新研究进展，对以半自磨机为关键设备、流程相对较短的“半自磨+球磨工艺”(SAB工艺)，以圆锥破碎机为核心多碎少磨的“三段一闭路”工艺(3CB工艺)和以高压辊磨机为核心设备的新多碎少磨工艺(HPGR工艺)的三种典型碎磨流程技术，进行了前期基础设施建设投资和后续生产运营成本的对比，选出技术先进、经济效益较好、适合该项目特点的碎磨工艺流程。

1 碎磨试验及结果

1.1 碎磨试验方法

半自磨机目前比较常用的选型试验是落重试验，其中落重试验按照试验样的区别划为DW落重试验和SMC落重试验两类。该矿山项目落重试验样使用岩心样，样品粒度相对较小，因此进行了SMC落重试验。在获得SMC落重试验矿石性质数据后，通过使用国际通用模拟软件JKSimMet，输入关键设备参数、流程关键指标，对该项目半自磨机工艺流程中主要的设备进行性能预测和判断。以下几个关键指标需要在SMC试验中进行测试[1-5]。

1)矿石抵抗冲击破碎的能力衡量指标为A×b，A、b为SMC试验所得物料特性参数。若A×b的值越小，则代表矿石抗冲击能力越大；若A×b值越大，就代表矿石抗冲击能力越小。

2)矿石抵抗研磨的能力指标为ta，该指标越小，则代表着矿石的抗磨剥能力越强。

3)在磨矿工艺流程以及磨矿设备中，矿石密度对磨机内负荷密度及由此而引起的支取功率变化的计算将会用到矿石密度SG。

4)不同能级对不同粒级的矿石冲击破碎时能耗与破碎程度的关系数据。获得功率计算的参数Mia、Mih、Mic，其中，Mia为磨机较粗产品粒度(P80>750 μm)，Mih为高压辊磨(HPGR)的功指数，Mic为常规破碎机的破碎功指数。

球磨机选型试验主要是标准BOND功指数试验。

1.2 碎磨试验结果

碎磨工艺流程和半自磨机选型将由SMC落重试验结果A、b、ta、SG等关键参数决定；球磨机的设备选型主要由BOND功指数、工艺给料粒度以及产品粒度所决定。本次碎磨试验采用了三种试验样，试验结果见表1。

表1 碎磨试验结果Table 1 Grinding test results

2 JKSimMet模拟及设备选型结果

半自磨+球磨工艺的磨机选型使用昆士兰大学JK矿物研究中心研发的模拟软件JKSimMet，该软件包含了选矿流程中各个工序的数学模型。半自磨机模型与球磨机模型不同，主要差别是半自磨机中是不稳定的磨矿介质。JKsimMet软件包括了JK半自磨机模型的全部计算公式，在使用过程中，直接利用图像语言和数据窗口来完成半自磨机的放大计算和流程条件模拟，通过计算模拟获得适合工艺要求的设备[2，6]。

由于碎磨试验3#矿样占主矿体比例约90%，因此以3#矿样的矿石碎磨性质作为半自磨机与球磨机的选型依据。在给矿F80=130 mm，磨矿最终产品细度为P80=74 μm的工艺指标下，磨矿流程模拟结果如图1所示。磨机设备选型结果如表2所示。

表2 SAB碎磨工艺磨机选型结果Table 2 SAB grinding process grinding machine selection results

图1 磨矿流程模拟结果Fig.1 Simulation results of grinding process

常规三段一闭路工艺和HPGR工艺中，破碎筛分设备和高压辊磨机根据设备样本的处理能力，结合矿石性质和处理要求进行流程计算和设备选型确定。球磨机选型利用标准BOND功指数采用功耗法进行选型计算。

3 碎磨工艺方案比较

为了使碎磨工艺的经济效益达到最好，依据该矿山设计规模、原矿特性以及目前国内外碎矿工艺技术和设备水平，对“半自磨+球磨闭路磨矿”的SAB工艺流程(方案Ⅰ)、“常规三段一闭路破碎+球磨闭路磨矿”的3CB工艺流程(方案Ⅱ)以及“圆锥破碎机中碎+闭路筛分+高压辊磨机开路细碎+球磨闭路磨矿”的HPGR工艺流程(方案Ⅲ)，进行详细地技术经济比较。

为使矿山碎磨工艺方案比较结果客观、真实和准确，特采用以下参数：

1)方案比较的范围从粗矿堆底矿石输送皮带至球磨机回路水力旋流器溢流出口；

2)设计规模为13 300 t/d；

3)“半自磨+球磨”、“三段一闭路破碎筛分作业”、“高压辊磨机方案”的年工作制度以及设备运转率分别为：(1)180 d/a，3班/d，8 h/班，设备运转率49.32%；(2)180 d/a，3班/d，6 h/班，设备年运转率36.99%；(3)180 d/a，3班/d，6 h/班，设备年运转率36.99%。方案Ⅱ和方案Ⅲ的磨矿作业设备年运转率为49.32%。设备年耗电量按设备的安装功率×负荷率×设备运转率计算；

图2 半自磨+球磨方案流程图Fig.2 Flowsheet of SAG and ball grinding

4)常规三段一闭路细碎产品粒度为P80=9.5 mm，高压辊磨机开路产品粒度为P80=8.0 mm，三个碎磨方案的球磨机闭路产品-0.074 mm粒度含量占80%。由于未进行高压辊磨试验，有关设备是根据同类选矿厂试验和生产经验进行选取的；

5)球磨机标准功指数定为12.38 kW·h/t，高压辊磨后的产品在磨矿作业的功指数为标准磨矿功指数的85%(即10.52 kW·h/t)；

6)比较中的设备，如中细碎破碎机、高压辊磨机由外国制造；半自磨机及其配对的球磨机等其它设备由中国制造，价格均由询价获得，其中外国设备为FOB价；

7)钢球价格4.5元/kg，磨机衬板价格8.0元/kg，高压辊磨机辊面寿命7 000 h；

8)电价0.2元/(kW·h)；

9)工人年工资200 000元；

10)土地平整挖、填方工程量费用按一般地形估算；

11)采暖单价25元/(m3·a)；

12)矿石处理系统服务年限将超过20 a，在碎磨方案比较中按20 a计算费用现值，折现率i=8%。

半自磨+球磨方案(方案Ⅰ)所需设备见表3；常规碎磨流程方案(方案Ⅱ)见图3，所需设备见表4；高压辊磨机所需设备见表5。根据参比输入条件和选型结果，采用费用现值法对三个碎磨方案进行技术经济比较，比较结果见表6。

表3 方案Ⅰ设备表Table 3 Scheme Ⅰ equipment table

图3 常规碎磨流程方案流程图Fig.3 Flowsheet of conventional grinding process scheme

表4 方案Ⅱ设备表Table 4 Scheme Ⅱ equipment table

表5 方案Ⅲ设备表Table 5 Scheme Ⅲ equipment table

表6 碎磨工艺流程综合比较表Table 6 Comprehensive comparison table of grinding process flowsheet

图4 高压辊磨机方案流程图Fig 4 Flowsheet of high pressure roller mill scheme

由表6可知：

1)从设备投资方面来看，方案Ⅰ的设备数量最少，重量最轻，设备投资也是最少的。方案Ⅰ因省去了中细碎厂房、筛分厂房等建筑物，工程投资最少，三个碎磨方案的可比基建工程投资，方案Ⅰ最低；

2)从生产经营费用方面来看，方案Ⅰ最低。由于项目所在地能源丰富，煤、电价格相对不高，采用节能效果显著的以高压辊磨机为核心技术的新多碎少磨工艺优势并不明显。项目处理矿石主要是氧化矿，利用高压辊磨机进行细碎也会存在物料通过高压辊磨机时不流畅的风险；

3)从基建投资和运营成本方面来看，综合考虑各方案的建设投资和经营成本，通过费用现值计算(折现率i=8%)进行比较，方案Ⅰ的费用现值较小，经济效果较优；

4)矿山海拔较高，应尽量采用人员较少、设备维护量较低、自动化程度高的工艺流程，而这恰是半自磨工艺的最大优点，这也是高海拔地区优先选用的工艺。

根据碎磨工艺方案比较结果，推荐本项目的原料准备系统采用方案Ⅰ，即半自磨+球磨的碎磨工艺流程。

4 结论

利用SMC落重试验获得半自磨机选型的矿石性质参数，通过JKSimMet模拟软件对矿山半自磨+球磨的碎磨流程进行模拟计算，在处理规模13 300 t/d、半自磨机给矿F80=130 mm、磨矿最终产品P80=74 μm工艺参数下，获得磨机选型结果为1台Φ7.5 m×4.8 m半自磨机，装机功率4 300 kW，1台Φ6.2 m×9.0 m球磨机，装机功率6 000 kW。

对矿山进行“半自磨+球磨闭路磨矿”的SAB流程、“常规三段一闭路破碎+球磨闭路磨矿”的3CB工艺流程、以高压辊磨机作为第三段细碎的“圆锥破碎机中碎+闭路筛分+高压辊磨机开路细碎+球磨闭路磨矿”的HPGR工艺流程进行技术经济比较，发现SAB流程在技术经济上更优。同时SAB碎磨工艺具有流程短、配置简单、占地面积少、所需操作人员少的优点，更加适合选厂处于高海拔地区的特点。因此，根据技术经济比较和项目特点，推荐采用SAB流程作为原料准备系统设计的碎磨工艺。