“双碳”战略下矿山碎磨工艺的现状与发展

2023-10-27吕冠男郭彦成

矿山机械 2023年10期

吕冠男，张萌，郭彦成，王琴

1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司河南洛阳 471039

2智能矿山重型装备全国重点实验室河南洛阳 471039

选矿是矿石有用元素富集提取的必要手段，而磨矿过程是选矿不可缺少的工序，磨矿质量的高低往往决定着选矿指标的优劣[1]。无论是建设投资还是运营成本，碎磨过程均占有较大比重。碎磨系统投资往往占选矿厂总投资的 60% 以上，碎磨能耗占选矿厂总能耗的 65%～ 70%，介质和衬板消耗占选矿厂总生产费用的 80%～ 90%[2-4]。随着工业矿床贫、细、杂的特点日益显现，选矿给矿粒度持续走低，碎磨系统所承担的作业比例将不断提高，能耗逐渐增加，尤其在超细磨作业中，传统卧式磨机的能耗随产品粒度的减小呈指数级增长[5]。根据我国《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》中的“双碳”工作目标要求，到 2025 年，绿色低碳循环发展的经济体系初步形成，重点行业能源利用效率大幅提升，单位国内生产总值能耗比 2020 年下降 13.5%。为贯彻落实国家“双碳”战略决策部署，矿业行业应主动推动绿色转型发展，切实做好本行业尤其是碎磨工艺与装备的节能降碳行动规划，助力我国“双碳”目标顺利实现。笔者通过介绍矿业领域常规碎磨工艺的发展现状以及高效节能碎磨设备的应用现状，阐述了矿业行业围绕高压辊磨机、搅拌磨进行碎磨流程新工艺的开发与应用是未来矿山碎磨工艺的发展趋势。

1 常规碎磨工艺的发展现状

1.1 两段或三段破碎+球磨工艺

自 1891 年法国人 Konow 和 Davidson 发明球磨机以来，以两段破碎为主的多段破碎+球磨工艺普遍用于大宗物料的粉磨作业。但是相比于磨矿，球磨机碎矿的效果不甚理想，因此人们试图把球磨机碎矿的任务移到磨机外，由破碎机来完成，即推行“多碎少磨”工艺，减小入磨物料的粒径。这项举措经实践证明，的确有提产、节能的效果。早在 20 世纪 60 年代，国外粉磨工作者就已主张在两段破碎的基础上，再增加一段细破，将入磨物料的平均粒径从 25～ 30 mm 降到 15 mm 以下。自此，两段或三段破碎+球磨工艺作为常规碎磨工艺在国外广为流行[6]。国内细破设备在 20 世纪 80 年代以后发展迅速，大多以同期国外产品为蓝本加以改进而成；90 年代后结合国内应用实际有了不少改进与创新，对我国推行“多碎少磨”工艺、降低粉磨作业成本贡献卓著。

目前，常规三段一闭路破碎+球磨工艺是国内外应用最广泛的碎磨工艺，如美国的西雅里塔铜矿，国内的江铜德兴大山选厂、紫金多宝山铜矿一期选厂等，其工艺流程如图1 所示。该工艺技术成熟可靠，对矿石性质的变化适应性强，现场操作管理经验丰富，生产较为稳定；但工艺流程复杂，生产环节多，投资建设成本高，设备维护保养工作量大。随着国外半自磨技术的引进，这种流程短、投资少的碎磨工艺越来越受国内金属矿山项目的青睐，传统的两段或三段破碎工艺不再是此类项目的首选。

图1 常规三段一闭路破碎+球磨工艺Fig.1 Conventional process of three-stage and one closed-circuit crushing+ball mill

1.2 半自磨工艺

半自磨工艺是在矿石自身作为介质的自磨基础上，通过补加一定比例的钢球来弥补自身介质不足的磨矿过程。从 20 世纪 90 年代，随着半自磨技术的成熟，以半自磨机为核心的半自磨工艺在金属矿山得到了广泛的应用和推广。国内的半自磨工艺在 2004 年以前主要应用在小规模铁矿山，且多为原有自磨机改造；2004 年以后，半自磨工艺才开始在一些新建选厂，尤其是一些大型矿山选厂得到广泛应用[7-8]。以半自磨机为核心的半自磨工艺流程，从简单到复杂主要包括单段半自磨 (SS SAG)、半自磨+球磨 (SAB)以及半自磨+球磨+顽石破碎 (SABC)。常规半自磨工艺流程如图2 所示。

图2 常规半自磨工艺Fig.2 Conventional process of semi-autogenous grinding mill

由于 SS SAG 流程受工况参数、磨机参数、分级回路等因素的影响，存在一定的风险，目前在国内矿山应用较少，但在国外矿山应用比较广泛，比如南非的金矿矿山，美国、加拿大、澳大利亚等地区的铜矿、镍矿、钼矿和铅锌矿等有色金属矿山[9]。国内矿山应用较多的半自磨工艺是 SAB 和 SABC 流程，比如在我国首次引进半自磨设备、采用 SAB 流程的铜陵冬瓜山铜矿，同样采用 SAB 流程的太钢袁家村铁矿，采用 SABC 流程的内蒙古乌山铜钼矿选厂、黑龙江伊春鹿鸣钼铜矿选厂等。此外，德兴铜矿、白马铁矿、普朗铜矿、紫金山金铜矿、金川铜镍矿等知名矿山都相继采用 SAB 或 SABC 半自磨工艺，这两种工艺在国内积累了大量的应用实践[10]。国外采用 SAB流程的主要有澳大利亚芒特肯斯镍选厂、加拿大洛耐克斯铜钼矿、美国皮马四期铜矿等，采用 SABC 流程的主要有印尼 Freeport 铜金矿、智利 Escondida 铜矿等。到目前为止，世界上约有 1 200 多台各类 (半) 自磨机应用于铜、金、铁等金属矿山[11]。

半自磨工艺具有破碎比大、流程短、设备少、投资低、维护量少的优点，便于生产和管理，容易实现自动控制；但相比于常规 3CB 流程，半自磨工艺对矿石性质的变化较为敏感，在设备运转率、磨矿效率以及电耗方面也要比常规球磨工艺高。现场配置半自磨设备时，通常倾向于采用变速驱动装置，通过调节转速率和钢球充填率来适应矿石性质的波动以及不同工况的要求。目前，国产半自磨机正朝着大型化、智能化的方向发展，随着半自磨工艺技术的进步，未来半自磨工艺在国内外矿山必将有更为广阔的应用前景。

2 高效节能碎磨设备在碎磨工艺中的应用

2.1 高压辊磨机在碎磨工艺中的应用

高压辊磨机是 20 世纪 80 年代德国克劳斯塔尔工业大学 SchÖnert 教授基于层压粉碎原理研发的一种高效节能粉碎设备，其工作原理如图3 所示。相较于常规破碎设备，高压辊磨机的节能优势体现在：一方面，高压辊磨机能够将物料破碎到 6 mm 以下，相比常规三段破碎，入磨的粒度进一步减小，这有助于降低后续磨矿作业的能耗，从而提高产量；另一方面，经高压辊磨机破碎的物料内部会有不可避免的晶格损伤和微小裂纹，能够使物料的可磨性得到改善，降低磨矿功指数，进而降低磨矿能耗。高压辊磨机自1985 年问世以来，在水泥、化工、球团矿细磨等领域得到了广泛的应用[12]。1995 年，随着高压辊磨机在美国亚利桑那州铜矿的成功应用，它在世界各地的金属矿山不断得到应用和推广[13]。国内金属矿山应用高压辊磨机起步较晚，2006 年首次应用在马钢凹山铁矿，金堆城钼业是我国首个使用高压辊磨机的有色金属矿山[14]。

图3 高压辊磨机的工作原理Fig.3 Working principle of high-pressure grinding roll

高压辊磨机具有破碎比大、适应性强、产品粒度细、能量利用率高等特点。它在矿石碎磨工艺中的应用主要有 3 种：取代三段细碎 (见图4)、用于四段超细碎、用于自磨或半自磨流程的顽石破碎。这种高效节能破碎设备在碎磨流程中的大量使用，不仅能在工艺上降低产品粒度，简化工艺流程，提高生产效率，而且对实现“多碎少磨”、矿山节能降耗意义重大。当前，得益于高压辊磨机的工艺特点和节能优势，越来越多的矿山在碎磨流程及改造项目中选择使用高压辊磨机，并且国内外部分企业和研究单位已经开始围绕高压辊磨机进行新工艺的研发和试用。在现如今实施“双碳”战略的大环境下，高压辊磨机必将在今后的矿山行业得到更广泛的应用。

图4 常规高压辊磨机取代三段细碎工艺Fig.4 Conventional process of high-pressure grinding roll replacing three-stage fine crushing

2.2 搅拌磨在碎磨工艺中的应用

搅拌磨的概念是 Klein 和 Szegvari 博士于 1928年提出来的，日本的河端重胜博士在 1952 年发明了立式搅拌磨 (下文简称“立磨”)，第一台用于选矿行业的立磨由日本 Kubota 公司制造。立磨的工作原理如图5 所示。除此之外，搅拌磨还包括卧式搅拌磨，其代表机型为 ISA 磨，但国内应用很少。20 世纪 40 到60 年代，搅拌磨在日本、美国等国家发展迅速[15]；而国内应用起步较晚，从 80 年代末的油漆、颜料行业小型磨机发展到如今金属、非金属矿广泛应用的大型磨机[16]。在矿山领域，搅拌磨主要应用于矿石的细磨作业，相较于传统卧式球磨机，搅拌磨依靠介质和矿石间表面摩擦来粉碎磨矿，更有利于细磨，能耗节约可达 35% 左右。

图5 立磨的工作原理Fig.5 Working principle of vertical mill

在矿山碎磨工艺中，搅拌磨主要应用于二段或三段精矿再磨流程，采用立磨的典型工艺如图6 所示。因其具有能量密度高、磨矿效率高、产品粒度分布均匀的特点，搅拌磨作为高效细磨关键设备，在矿山节能降耗方面发挥着重要作用。在当前“双碳”战略背景下，围绕搅拌磨进行的碎磨工艺创新也将成为矿业从业者的热门研究方向。

图6 常规立磨再磨工艺Fig.6 Regrinding process of conventional vertical mill

3 “双碳”战略下碎磨工艺的创新

高压辊磨机和搅拌磨是矿山板块节能降耗的核心产品，借助这两种高效节能碎磨设备，不少矿业从业者开始了碎磨系统新工艺的研究与尝试，这不仅是“双碳”战略对行业节能降耗的要求，也是矿业企业提产增效的实际需要。

3.1 自/半自磨+立磨工艺

自/半自磨流程可简化工艺、降低投资，立磨的应用不仅具有节能优势，还可以提高磨矿效率，避免矿石过粉碎。随着自/半自磨工艺和立磨工艺技术的逐渐成熟，自/半自磨+立磨工艺逐渐进入矿业从业者的研究视线。自 2003 年起，澳大利亚 BHP Billiton公司 Cannington 银铅锌矿选厂就在运行自磨+立磨工艺，其工艺流程如图7 所示。该厂一段磨矿采用一台φ8.5 m×4.0 m (6 800 HP) 自磨机与φ400 mm 旋流器组成闭路磨矿，顽石破碎采用美卓 HP300 圆锥破碎机；二段磨矿采用一台 VTM1500WB (1 100 kW) 立磨与φ250 mm 旋流器组成闭路，磨矿产品粒度能达到P80=95 µm，处理能力从改造前的 250 t/h 提高到 350 t/h，并且随着工艺的完善和操作的成熟，该工艺的处理量还将进一步提高[17]。Cannington 银铅锌矿选厂的应用实践证明，自/半自磨+立磨工艺能有效地节能降耗、提产增效。此工艺在国内的首次应用是在某铁矿选厂，该选厂立磨在 2019 年安装完毕，目前已进入生产阶段[18]。

图7 自磨+立磨工艺流程Fig.7 Process flow of autogenous grinding mill+vertical mill

目前，对半自磨+立磨工艺的研究多见于铜渣矿磨矿方面。铜渣矿是一种人造矿石，我国现今主流的铜渣矿碎磨工艺采用半自磨流程，多为半自磨+球磨的多段磨矿，比如紫金铜业、金川铜业等。研究发现，大多数铜渣矿项目要求磨矿产品粒度 -43 µm占 80%～ 90%。一段半自磨磨矿能够达到的产品粒度P80约为 106 µm，立磨的给矿粒度F80一般为 74～ 300µm，一段半自磨的产品在粒度上可以满足立磨机的入磨要求；并且二段采用立磨闭路磨矿，可实现产品粒度P80约为 74～ 20 µm，完全可以满足铜渣矿的磨矿要求[19]。再加上单段半自磨对流程的简化，以及立磨的节能特点，半自磨+立磨工艺在铜渣矿项目上有着十分广阔的应用前景。

3.2 高压辊磨+立磨工艺

高压辊磨+立磨工艺是当前矿业从业者在碎磨系统新工艺上的研究热点。如今，矿石性质贫、细、杂的问题日益凸显，高压辊磨机和立磨的联合碎磨工艺具有巨大的节能降本优势。理论上，高压辊磨机破碎后的产品粒度较粗，不能直接进入立磨，两者的联合碎磨需要制定合适的工艺，使高压辊磨机的破碎产品粒度能够达到立磨机的入磨要求。目前，主流研究的高压辊磨+立磨工艺有两种：多段高压辊磨机串联 +立磨、高压辊磨机的双闭路破碎+立磨，前者在国外的研究比较广泛，后者在国内比较流行，目前已在铅锌矿和磁铁矿碎磨领域推广使用。

2002 年，澳大利亚昆士兰大学 Valery 和 Jankovic首次提出高压辊磨机和立磨联合碎磨的概念，工艺流程如图8 所示。该工艺采用二段高压辊磨破碎+立磨细磨。仿真结果表明，该工艺能够降低将近 45% 的能耗[20]17。2007 年，Daniel 博士等人在中试型高压辊磨机上进行多段串联的高压辊磨机破碎效率试验。结果表明，高压辊磨机的破碎效率在三段以后变得很低，由此得出两段串联是高压辊磨机粉碎矿石的最佳选择[21]。目前，多段高压辊磨+立磨工艺尚没有实际应用，但高压辊磨机的双闭路破碎+立磨工艺已在国内得到推广使用，其工艺流程如图9 所示。该工艺的首次工业实践是在黑龙江某铁锌矿，矿石在高压辊磨机中闭路破碎到 -1 mm，再给入旋流器+立磨机组成的闭路磨矿系统，磨矿细度可达到 -74 µm 占 85%，处理量达到 650 t/h。随后，湖南某铜锌多金属矿也应用了该工艺。高压辊磨+立磨的短流程碎磨工艺虽然尚未成熟，但其带来的节能效果和成本效益仍吸引着众多矿业从业者进行研究。

图8 二段高压辊磨+立磨工艺流程Fig.8 Process flow of two-stage HPGR+vertical mill

图9 粗碎+中碎+高压辊磨细碎+立磨工艺流程 (黑龙江某铁锌矿选厂)Fig.9 Process flow of coarse crushing+medium crushing+highpressure grinding roll fine crushing+vertical mill (an iron and zinc ore concentrator in Heilongjiang)

3.3 高压辊磨 (+立磨)+ISA 磨工艺

ISA 磨由澳大利亚 MountIsa 矿山和德国Netzsch-Feinmahltec 公司共同研制而成，20 世纪 90年代获得工业应用，如今在国外已广泛应用于铜、铅、锌等有色金属矿石的细磨。ISA 磨在国内的应用还处于起步阶段，目前有代表性的应用案例为黑龙江多宝山铜矿选厂铜钼混合粗精矿的再磨作业，其产品细度可达 -28 µm 占 80%。有关 ISA 磨的碎磨工艺创新多为与高压辊磨机的联合流程，目前在国内外尚处于研究设想阶段。2006 年，昆士兰大学 Pease 等人提出了一种假设的高压辊磨机和 ISA 磨的联合工艺[22]。2008 年，肯特大学 Ayers 等人在英国铂科冶金实验室运行了第一个中试规模的高压辊磨+ISA 磨流程，工艺流程如图10 所示。该流程中，高压辊磨产品经 5 mm 干筛和 850 µm 湿筛后给入 M250 ISA 磨，给矿粒度F80为 300 µm，磨矿产品P80能达到 45 µm；但是，相对于传统流程平均 30～ 35 kW·h/t 的能耗，该工艺的能耗高达 80 kW·h/t，高压辊磨和 ISA 磨的节能优势并没有体现[20]29。国内江西某大学教授也提出了一种高压辊磨+立磨+ISA 磨的联合碎磨工艺，工艺流程如图11 所示。该工艺最大程度上发挥了高压辊磨机、立磨机和 ISA 磨的节能特点，总能耗可比常规 SABC 流程下降 30%。

图10 高压辊磨+ISA 磨工艺流程Fig.10 Process flow of high-pressure grinding roll+ISA Mill

图11 高压辊磨+立磨+ISA 磨工艺流程Fig.11 Process flow of high-pressure grinding roll+vertical mill+ISA mill

4 “双碳”战略下碎磨工艺的发展方向

4.1 传统工艺改造

近年来，为响应国家“双碳”战略以及矿山选厂提产增效的实际需要，矿业行业一方面对传统碎磨设备进行升级改进，使其整体朝大型化、自动化、高效低耗的方向发展；另一方面，在选厂传统碎磨流程改造项目中，偏重于使用高效节能的碎磨设备，新矿山项目的技术经济性比较也逐渐离不开这些设备的参与。基于“多碎少磨”的原则，高压辊磨机作为细碎或超细碎设备能有效减小入磨粒度，搅拌磨作为细磨设备能显著提高磨矿效率，整体上能够达到矿山选厂节能降耗的目的。但是，目前对这些高效节能碎磨设备的选择，仍缺乏行业认可的选型计算标准，设备大型化、智能化的开发也进展缓慢，未来在这些方面仍需努力。

4.2 新工艺研发

围绕高压辊磨机和搅拌磨进行碎磨新工艺的开发，是当前矿业从业者致力于矿山节能降耗的热门研究方向。到目前为止，自/半自磨+立磨工艺以及高压辊磨+立磨工艺虽然尚不成熟，但在矿山选厂已有工业应用，生产实践会加快这类工艺的改进与完善；ISA 磨的新工艺开发虽然困难重重，但也是高效节能碎磨设备在新工艺应用上的发展方向。未来的矿业行业应加强对这类新工艺的试验研究与工业化试验，以适应矿石性质变化，并满足日益频繁的矿山建设和碎磨流程技术改造的需要。