纳米复合陶瓷球在张庄矿高硅难磨铁矿中的应用

张晓伟 潘 猛 齐美超 王 琦

（安徽马钢张庄矿业有限责任公司）

铁矿资源是人类生存和发展的物质基础，是生产、生活资料的重要来源［1-2］。在铁矿资源生产过程中原材料的开采和选别是必不可少的，且极为重要［3］。据统计，粉碎作业的耗电总量占选矿厂总耗电量的60%以上，而磨矿作业的耗电量又占粉碎作业的90%以上，磨矿成本占选矿厂生产成本的40%～60%［4-5］。因此，磨矿是一项能耗高、效率低的作业。

近年来，陶瓷球作为新型磨矿介质开始崭露头角。实践证明，陶瓷球替代钢球作为磨矿介质，陶瓷球磨矿速度更快、能量利用效率更高［6］，可有效降低电耗、球耗，同时提高磨矿系统处理量和磨矿分级效果［7］，以致越来越多的矿山开始使用陶瓷球替代钢球磨矿。张庄矿铁矿具有含硅高、硬度高的特点，为实现节能降耗，开展了试验室试验，验证陶瓷球替代钢球的可行性。

1 试验原料

1.1 试样粒度组成及金属量分布特征

试样为张庄矿二段给矿样，矿样粒度组成及金属量分布筛析结果见表1（以-0.023 mm 表征过磨粒级，以0.023～0.15 mm 表征合格粒级，以+0.15 mm 表征欠磨粒级，下同）。

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由表1 可知，试样+0.15 mm 粒级产率仅为12.58%，铁占有率5.29%，给矿粒度组成较细；合格粒级0.023～0.15 mm 产率82.93%，铁占有率达89.75%；铁品位随着粒度变细而上升，说明样品中含铁矿物为易碎矿物，磨矿过程易发生过粉碎现象。对于该矿物的研磨要注意粗颗粒的磨细，同时应减少过磨粒级的产生，以增加矿物的有效回收。

1.2 纳米陶瓷球

试验用陶瓷球为景德镇百特威尔新材料有限公司生产的高硬度、高耐磨的纳米复合陶瓷球，其主要成分为Al2O3，密度3.7 g/cm3，莫氏硬度为9。该陶瓷球具有高耐磨性，其磨耗是一般陶瓷球的1/5左右、钢球的1/8 左右，磨耗与氧化锆球相当，价格仅是氧化锆球的1/3 左右。陶瓷球的主要规格有ϕ50 mm、ϕ40 mm、ϕ35 mm、ϕ30 mm、ϕ25 mm、ϕ20 mm、ϕ15 mm。纳米陶瓷球与耐磨钢球的参数对比结果见表2。

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2 全陶瓷球磨矿试验

2.1 陶瓷球单一直径试验

为考察该磁铁矿应用陶瓷球的磨矿规律，进行陶瓷球单一球径磨矿试验。每次磨矿量500 g，磨矿时间2 min，充填率38%，磨矿浓度75%，磨机转速90 r/min，分别应用尺寸ϕ20 mm、ϕ25 mm、ϕ30 mm、ϕ35 mm、ϕ40 mm 的单一陶瓷球进行磨矿，陶瓷球各直径下的产品粒级分布及磨矿效果见表3。

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由表3可知，陶瓷球直径越小，-0.075 mm 产率越高，当陶瓷球球径为20 mm 时，磨矿产品-0.075 mm产率最高为66.14%，陶瓷球直径越小越有利于对该磁铁矿的研磨。当陶瓷球球径为20 mm 时，欠磨粒级+0.15 mm 产率最低为1.15%，过磨粒级-0.023 mm产率最高为10.91%；当陶瓷球球径为40 mm 时，欠磨粒级+0.15 mm 产率最高为4.10%，过磨粒级-0.023 mm 产率最低为7.05%；陶瓷球直径越小，产品磨细的同时也会增加过磨粒级的产生。当陶瓷球球径为25 mm 时，合 格 粒 级0.023～0.15 mm 产 率 最 高 为90.21%；当陶瓷球球径为35 mm 时，合格粒级0.023～0.15 mm 产率最低为87.42%；故陶瓷球球径并不是越大越有利于该磁铁矿磨矿。

2.2 陶瓷球球径配比试验

在磨矿量500 g、磨矿时间2 min、充填率38%、磨矿浓度75%、磨机转速90 r/min的条件下，进行7种不同球径配比的陶瓷球磨矿试验，陶瓷球配球制度方案见表4，磨矿产品各粒级产率变化趋势见表5。

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由表5可知，随着装球制度中陶瓷球平均粒径的减小，磨矿产品-0.075 mm 粒级产率增加，该现象与陶瓷球单一球径磨矿结果相符，小直径的陶瓷球有利于该磁铁矿的研磨；随着陶瓷球平均粒径的减小，磨矿产品欠磨粒级+0.15 mm 产率有减小趋势，6#、7#陶瓷球配比中欠磨粒级产率较低，分别为1.28%，0.98%；各陶瓷球配比中，1#、4#、6#和7#配比的过磨粒级-0.023 mm 产率较低，1#、6#配比过磨粒级-0.023 mm 产率分别为7.18%，7.56%，单一球径磨矿效果好的20 mm 陶瓷球-0.023 mm 粒级产率为10.91%，混合球径相同的单一ϕ25 mm 陶瓷球-0.023 mm 粒级产率7.98%，陶瓷球混合配比较陶瓷球单一球径减少了过磨，改善了磨矿效果；随着陶瓷球平均粒径的减小，合格粒级0.023～0.15 mm 产率先减小后增大，其中4#、6#和7#配比的合格粒级产率较高为91.64%，91.16%和91.48%，为保证陶瓷球磨矿-0.075 mm 粒级产率及陶瓷球中有一定比例的大直径陶瓷球来破碎粗颗粒，最佳陶瓷球球径配比选定6#。

2.3 陶瓷球充填率试验

在磨矿量500 g，磨矿时间2 min，磨矿浓度75%，陶瓷球ϕ30 mm、ϕ25 mm、ϕ20 mm 配比20%∶60%∶20%（混合球径25 mm），磨机转速9 r/min 的条件下，进行充填率试验，试验结果见表6。

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由表6 可知，随着陶瓷球充填率的增加，磨矿产品-0.075 mm 产率增加；当充填率达40%时，-0.075 mm 粒级产率65.39%，欠磨粒级+0.15 mm 产率1.17%，过磨粒级-0.023 mm 产率9.11%，合格粒级0.023～0.15 mm 产率89.73%，磨矿效果最佳；当磨矿介质充填率超过45%时，陶瓷球在磨机内做抛落运动困难，冲击作用降低，大部分陶瓷球做泻落运动，磨矿作用以研磨为主，使欠磨粒级增加，降低磨矿效果，故最佳充填率为40%。

2.4 陶瓷球磨矿浓度试验

在磨矿量500 g，磨矿时间2 min，充填率40%，陶瓷球ϕ30 mm、ϕ25 mm、ϕ20 mm 配比20%∶60%∶20%（混合球径25 mm），磨机转速90 r/min的条件下，进行磨矿浓度试验，试验结果见表7。

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由表7 可知，当磨矿浓度为70%时，陶瓷球磨矿产品-0.075mm 粒级产率最高为65.87%，同时合格粒级0.023～0.15 mm 产率最高为88.99%，欠磨粒级+0.15 mm 产率为1.75%，过磨粒级-0.023 mm 产率最低为9.26%，产品粒度分布较均匀，有利于提高磨矿产品质量，故最佳磨矿浓度为70%。

与钢球基准磨矿产品相比，在陶瓷球最佳磨矿条件下，陶瓷球磨矿产品中-0.075mm 产率从63.18%提至65.87%，合格粒级0.023～0.15 mm 产率从84.48%提高至88.99%，过磨粒级-0.023 mm 产率从13.16%降至9.26%，因此该磁铁矿二段磨中可以用陶瓷球替换钢球作为磨矿介质。

3 陶瓷球+钢球混合磨矿规律

为近一步贴合生产实际，开展钢球+陶瓷球混合磨矿试验，每次磨矿量500 g，磨矿时间2 min，充填率40%，磨矿浓度70%，陶瓷球ϕ30 mm、ϕ25 mm、ϕ20 mm 配比20%∶60%∶20%（混合球径25 mm），使用球径ϕ30 mm、ϕ40 mm 的钢球，磨机转速90 r/min，选取钢球体积占比作为变量，具体装球方案见表8，试验结果见表9。

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由表9 可知，与全陶瓷球磨矿相比，通过在最佳陶瓷球配比中添加不同直径的钢球，磨矿产品中的欠磨粒级+0.15 mm 产率降低；钢球密度大，对矿物的研磨能力更强，陶瓷球中添加钢球的磨矿产品细度会大于全陶瓷球磨矿细度，陶瓷球+钢球配比中的-0.075 mm 粒级产率均在65%左右；若选取陶瓷球+钢球，3#为最佳配比，30 mm 钢球体积占比6%，质量占比28%，陶瓷球ϕ30 mm、ϕ25 mm、ϕ20 mm 配比20%∶60%∶20%，该配比合格粒级产率88.50%，欠磨粒级+0.15 mm 产率1.26%，过磨粒级-0.023 mm 产率10.24%，磨矿效果全面超越钢球磨矿。

4 不同磨矿方案磨矿产品对比

根据现场实际情况，现场二段磨矿作业使用ϕ40 mm 钢球，充填率38%。钢球（还原现场）磨矿条件磨矿量500 g，磨矿时间2 min，钢球充填率38%，磨矿浓度75%，磨机转速90 r/min。

陶瓷球磨矿条件磨矿量500 g，磨矿时间2 min，陶瓷球充填率40%，磨矿浓度70%，陶瓷球ϕ30 mm、ϕ25 mm、ϕ20 mm 配比20%∶60%∶20%（混合球径25 mm），磨机转速90 r/min。

陶瓷球+钢球磨矿条件磨矿量500 g，磨矿时间2 min，陶瓷球+钢球总充填率40%，磨矿浓度70%，ϕ30 mm 钢球质量占比28%，陶瓷球ϕ30 mm、ϕ25 mm、ϕ20 mm 配比20%∶60%∶20%，磨机转速90 r/min。3种装球制度试验结果对比见表10。

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由表10 可知，陶瓷球磨矿在最佳配比条件下，可达到钢球-0.075 mm 细度指标，陶瓷球+钢球制度下-0.075 mm 粒级高于钢球-0.075mm 粒级产率。从欠磨粒级+0.15 mm 产率来看，陶瓷球+钢球＜陶瓷球＜钢球，钢球磨矿产品欠磨粒级含量最高，陶瓷球在+0.15 mm 粒级磨矿效果优于钢球。从合格粒级0.023～0.15 mm 产率来看，陶瓷球＞陶瓷球+钢球＞钢球，陶瓷球的合格粒级大于钢球，故对于钢球磨矿，陶瓷球在一定条件下可增大合格粒级的产生，提高磨矿效果。从过磨粒级-0.023mm 产率来看，钢球-0.023 mm 产率13.01%，陶瓷球过磨粒级产率8.85%，陶瓷球+钢球过磨粒级产率10.24%。试验室条件下的陶瓷球、陶瓷球+钢球磨矿产品-0.023 mm粒级含量下降幅度分别达31.98%，21.29%，均能有效减少过磨粒级的产生。

试验室阶段已经充分验证二段磨矿中陶瓷球可以替代钢球，陶瓷球+钢球混加磨矿效果也优于钢球。

5 结 论

（1）张庄矿不同磨矿方案试验结果表明，在相同的开路磨矿条件下，陶瓷球充填率为40%时，其磨矿能力优于钢球充填率为38%时，陶瓷球的合格粒级0.023～0.15 mm 产率比现场钢球合格粒级产率高4.77 个百分点；欠磨粒级+0.15mm 产率降低0.62 个百分点。试验室条件下的陶瓷球、陶瓷球+钢球磨矿产品粒度分布中-0.023 mm 含量下降幅度分别达31.98%，21.29%，均能有效减少过磨粒级的产生。

（2）推荐工业上陶瓷球磨矿初装球ϕ30 mm、ϕ25 mm、ϕ20 mm 配比为20%∶60%∶20%，一旦发现有粗颗粒磨不细，可采用钢球+陶瓷球混合磨矿技术，只需添加ϕ30 mm钢球即可。

（3）纳米复合陶瓷球能取代钢球作为张庄矿二段磨矿介质使用。