銅山礦破磨生產流程設計方案的改進

吳 錫，唐新民，王維君，童 禎

（1.安徽省銅陵學院機械工程系，安徽 銅陵 244000；2.銅陵有色銅山礦業(yè)有限公司，安徽 銅陵 244000；3.安徽銅冠機械股份有限公司，安徽 銅陵 244061）

銅山礦破磨生產流程設計方案的改進

吳 錫1，唐新民2，王維君3，童 禎2

（1.安徽省銅陵學院機械工程系，安徽 銅陵 244000；2.銅陵有色銅山礦業(yè)有限公司，安徽 銅陵 244000；3.安徽銅冠機械股份有限公司，安徽 銅陵 244061）

文章簡述了將銅山礦常規(guī)三段一閉路破碎加球磨方案，改造為新型φ3.2m×3.6m溢流球磨機、其轉速加快到23.8r/min、鋼球加大到φ240mm、單臺完成銅山礦破磨生產任務的方案，并用“四維破磨理論”論證產品粒度達標和處理量達產。與常規(guī)破磨方案相比，不僅工程總投資大大節(jié)省，而且通過節(jié)能降耗大大提高了經濟效益。

半自(球)磨機；破粉碎比；流程設計

銅陵有色銅山礦現用破粉碎生產流程設備，自1959年投入使用以來，基本上未進行更新改造，陳舊老化嚴重。目前碎礦產品粒度＜20mm占80%左右，磨礦產品粒度＜0.073mm占60%左右，處理量900t/d×2=1 800t/d左右，不能滿足今后生產要求。設計部門提出常規(guī)和半自磨加球磨的兩個方案，筆者用“四維破磨”理論[1]，提出的新型球磨方案較常規(guī)方案更好地完成破磨生產任務。

1 原始數據及破磨設計方案

1.1 原始數據

銅山礦的原礦性質，與冬瓜山銅礦和安慶銅礦相似；礦石硬度系數15左右，原礦含泥3%左右。銅山礦與冬瓜山銅礦一樣，粗碎在井下，提運到地表粗礦倉礦石粒度＜250mm占100%，＜150mm占60%以上。磨礦產品粒度＜0.073mm占75%以上，與天馬山礦相似。

破粉碎生產流程和設備的能源利用率高低，可用它們的破粉碎效果比值(破粉碎比與單位能耗之比)大小來判定[2]。目前冬瓜山礦半自磨機破粉碎效果比值110t/kW·h以上，安慶銅礦常規(guī)閉路碎礦生產流程的破粉碎效果比值只有5t/kW·h左右[3,4]。說明半自磨機替代閉路碎礦生產流程不僅可行而且可節(jié)能降耗。

1.2 銅山礦常規(guī)破磨方案

(1)碎礦生產流程。

粗碎在井下，采用500mm×1200mm鄂式破碎機，粗碎后礦石粒度＜250mm占100%，＜150mm占60%以上；提運到地表300m3的粗礦倉。由1號1m皮帶機送入φ2.1m標準圓錐破碎機中碎，再由2號1m皮帶機送入φ2.2m短頭圓錐破碎機細碎。再由3號1m皮帶機送入1.5×3m振動篩分級，篩上粒度＞13mm礦石，由1號650mm皮帶機送回細碎機；篩下粒度＜13mm占90%以上的礦粒為碎礦產品，分別由2號和3號650mm皮帶機送入容積為300m3的1#和2#細礦倉中，中細二段破碎的破粉碎比150∶10=15，處理量150t/h，用電單耗3.5kW·h/t，破粉碎效果比值為4.3t/(kW·h)。

(2)磨礦生產流程。

由4#和5#的650mm皮帶機，把細礦倉礦石分別送入1#和2#φ3.2m×3.6m溢流球磨機，均配φ2.4mm雙螺旋分級機和φ500mm旋流器二級分級，磨礦產品粒度＜0.073mm占75%以上，＜0.06mm占60%以上，破粉碎比167，處理量100t/h，磨礦單耗16kW·h/t，磨礦生產流程設備的破粉碎效果比值10.5t/(kW·h)。

常規(guī)三段一閉路破磨生產流程總的破粉碎比為2 500；單耗19.5kW·h/t，破粉碎效果總比值為128t/(kW·h)。

1.3 銅山礦半自磨加球磨方案

把粗礦倉的礦石，由1m皮帶機送入φ4.8m×1.8m格子型半自磨機(鋼球加大到φ180mm，裝球率15%以上，實際混合充填率45%左右)，破碎后礦石溜入1.2m×2.5m雙層振動篩分級，上層篩上礦石粒度＞12mm占100% ，由650mm皮帶機送回半自磨機；中底二層礦石(漿)為半自磨產品，粒度＜12mm占100%，＜0.5mm占60%以上；半自磨機破粉碎比為300，處理量100t/h以上，用電單耗5kW·h/t，破粉碎效果比值為60t/kW·h。其中層礦石粒度＜12mm且＞2mm由10″管螺旋輸送機送入φ3.2m×3.6m溢流球磨機(大鋼球φ100mm以上，裝球率30%，實際混合充填率35%以上)；振動篩底層礦漿和球磨機排礦漿，混合流入φ2.4m雙螺旋分級機分級，粗粒沉沙流入球磨機，溢流由砂泵送入φ500mm旋流器分級，粗粒沉沙入磨，細粒溢流為磨礦產品粒度＜0.073mm占75%以上，＜0.06mm占60%以上?；窘鉀Q球磨機磨礦效果很差的問題，破粉碎比0.5÷0.06=8.3，處理量60×2t/h以上，磨礦單耗6kW·h/t。球磨機破粉碎效果比值仍只有1.4t/(kW·h)；破磨單耗為11kW·h/t，破粉碎效果總比值為(150÷0.06)÷(5+6)=227t/(kW·h)，為常規(guī)方案的227÷128=177%。

2 半自磨機過粉碎分析和改造

半自磨機的產品過粉碎，實際替代了球磨機完成破粉碎生產任務。證實半自磨機不僅可替代多臺破碎機，完成碎礦任務；而且可替代球磨機，完成磨礦任務。

2.1 半自磨機產品過粉碎分析

冬瓜山銅礦半自磨機，自2004年投入使用以來，產品過粉碎現象嚴重[5]。據2007年11月17日現場考察，半自磨機實際替代球磨機完成了破粉碎比為26.7的磨粉碎任務。若采取強化半自磨機產品的過粉碎和分級措施，產品粒度＜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各粒級(按處理量與平均粒度成反比)換算為粒度＜0.073mm(平均粒度取0.035mm)的礦粒，使產品粒度＜0.073mm的含量分別增加到65%以上(以67%算)和75%以上(以77%算)，處理量分別由500t/h減少為361t/h和278t/h。

2.2 改造半自磨機單臺完成破磨生產任務

進一步把格子型半自磨機改造為新型φ8.53×3.96m溢流半自磨機[5-7]，鋼球加大到φ240mm，裝球率12%以上，實際混合充填率50%左右，全速11.6r/min運轉；排礦漿粒度＜0.073mm占65%以上，經φ600mm旋流器分級的產品粒度＜0.073mm的占75%以上。產品粒度＜0.073mm占65%以上，半自磨機的處理量由361t/h增加到728t/h；產品粒度＜0.073mm占75%以上，處理量由278t/h增加到728÷361×278=561t/h，用電單耗6.5kW·h/t，破粉碎效果比值高達385t/(kW·h)。冬瓜山銅礦半自磨機改為新型φ8.53m×3.96m溢流半自磨機和加大鋼球，確保產品粒度達標和處理量達產。破磨用電單耗由目前20kW·h/t下降到6.5kW·h/t左右。

3 新型φ3.2m×3.6m溢流球磨機方案

按上述分析，冬瓜山銅礦新型φ8.53m×3.96m溢流半自磨機，配φ600mm旋流器分級，可確保產品粒度達標和處理量達產。把φ3.2m×3.6m滾動軸承溢流球磨機，改為動態(tài)混合充填率45%的溢流球磨機，并加快轉速和加大鋼球，配φ600mm旋流器分級，單臺就可完成銅山礦破磨生產任務。

3.1 結構及參數

新型球磨機與現用φ3.2m×3.6m滾動軸承溢流球磨機的結構基本相同，只是給進料和出料裝置不同和轉速加快及鋼球加大。

(1)現用溢流球磨機。

筒體內徑3.2m，筒體長度L=3.6m；高錳鋼筒體襯板，波谷厚度70mm，波峰厚度130mm，平均厚度100mm，對應內半徑Ra=1.53m，Rb=1.47m，R=1.50m，費氏臨界轉速nc＝30÷=24.3r/min，有效容積V=25.4m3。電機容量600kW，轉速250r/min，傳動大齒圈齒數278，小齒輪齒數20，筒體轉速n1＝250r/min÷(278÷20)=18r/min，n1=0.74nc。進出料端蓋內錐面的錐角160°，各有12塊厚度70mm端襯板，每塊上都有一條70mm×70mm徑向突包。進出料端主軸承，采用239/1 000型圓柱滾子調心軸承，摩擦系數取q1=0.004，回轉半徑R0=0.58m，筒體自重回轉質量105t；裝球率30%左右，球礦比3.5左右。鋼球礦石(漿)的動態(tài)安息角取β=25°，滑滾動系數取q2=0.15。

(2)新型球磨機。

制作全推送給送料器，替代現用φ3.2m×3.6m溢流球磨機的進料口，去掉聯合(鼓形)給料器[5]。設計制作動態(tài)充填率η0=45%的螺旋溢流分級出料器，替代現用球磨機的出料口，去掉出料圓筒篩，筒體自重回轉質量G0=98t。并設一條有流量計，插入出料器內的加水管道。電機容量600kW不變，轉速改為300r/min；小齒輪齒數改為22，則筒體轉速加快到n2=300÷(278÷22)=23.8r/min,n2=0.98nc，ω2=2.49弧度/s。鋼球密度r鋼=7.7t/m3，r球=4.7t/m3，礦石密度r石=3.2t/m3，礦石(漿)混合密度r礦=2.9t/m3。半自磨機球礦(漿)比1左右，體積比0.4左右；現用球磨機球礦比3.5左右，球礦體積比1.3左右。鋼球砸磨襯板和鋼球的幾率，半自磨機比球磨機少許多，半自磨機的能源利用率比球磨機高。同體積礦石的沖擊破碎和磨粉碎的能力，分別只有鋼球的17%和42%左右；半自磨機的磨礦能力不如球磨機。為此，新型球磨機球礦(漿)比取1.6，球礦(漿)體積比為0.6；鋼球、礦石(漿)的混合密度r=(7.7×0.6+2.9×1)÷(0.6+1)=4.7t/m3；下落沖擊力系數取f沖=3，設實際混合充填率η=62%計算，裝球量0.62×25.4×4.7÷(1.6+1)×1.6=45.5t，裝φ240，φ210，φ180mm鋼球各15t，裝球率38%，平時補加φ240mm鋼球。

3.2 新型球磨機確保產品粒度達標

新型球磨機出料端襯板組成的內錐面和突包，具備推送、攪拌和分級作用；把筒體內的鋼球和粒度大的塊礦，不斷推送回筒體。當筒體里混合充填表面，高出球磨機出料器內螺旋葉片內徑；在高差作用下，粒度較小的礦粒隨礦漿流入出料器；礦漿在出料器由內往外流動過程中，礦粒由大到小沉淀；沉下的礦粒由返砂螺旋葉片及時全部送回筒體，粒度小的礦粒，隨溢流流入圓錐沉淀區(qū)，再沉淀分級；礦漿中粒度較大的礦粒沉淀，由圓錐面溜回分級沉淀區(qū)，由返砂螺旋葉片送回筒體；粒度很小的礦粒隨溢流從出料器端篩板的篩孔流出。排出礦漿濃度調節(jié)為螺旋分級機溢流濃度28%左右，排出礦漿粒度比天馬山礦φ3.2m×3.1m格子型球磨機(提升斗強制排礦中，粒度小的優(yōu)先隨礦漿倒流回筒體)配φ2.4m雙螺旋分級機的溢流粒度佳(粒度＜0.073mm，含量多5%左右，＜0.01mm微粒含量成倍減少)。排出的礦漿由砂泵送入φ600mm旋流器分級，溢流為磨礦產品，粒度＜0.073mm占75%以上，破粉碎比2 500左右。

3.3 新型球磨機確保處理量達產

(1)沖擊破碎和磨粉碎能力消耗系數。

銅山礦新型φ3.2m×3.6m溢流球磨機，入磨礦石性質、粒度和磨礦產品粒度＜0.073mm占75%以上，與冬瓜山銅礦新型半自磨機相同[5]。沖擊破碎能力消耗系數Bth=5.5m2hs-3和磨粉碎能力消耗系數Cth=9.84mhs-2[5]，與銅山礦新型球磨機相同。

(2)質點拋落規(guī)律和相關數據。

在以筒體圓心為中心的x-0-y坐標中，以有效內半徑Ra=1.53m，轉速n=23.8r/min，動態(tài)安息角β=25°，滑滾動摩擦系數q2=0.15和動態(tài)混合充填率η0=45%；查取動態(tài)充填面重心S到中心距離ys=0.66m，和計算起拋面上各質點的拋落規(guī)律和相關數據[4]：下落沖擊平均速度U沖=4.05m/s，沖擊合力矩力臂L合=-0.23m，拋起比un=0.61，實際混合充填率η=63.1%，相對滑滾動平均速度U相=6.49m/s，把混合密度r=4.7t/m3代入計算拋落量和滑滾動量計算公式得Q=23.5t/s和E=130t/s。

(3)新型球磨機處理量確保達產。

鋼球加大，處理量增加系數K球=0.5×[K礦(d2/d1)3+1]，其K礦為礦石沖擊破碎影響系數，與球礦比和入磨礦石粒度有關，取K礦=0.8；鋼球球徑基準狀d1=180mm，實際球徑d2=240mm，代入得K球=1.4。

處理量計算公式A=0.5K球(QU沖2/Bth+EU相/Cth)[2]，t/h。將上述數據代入：A=0.5×1.4×(23.5×4.052÷5.5+130×6.4÷9.84)=107t/h，確保2 000t/d達產并留有余地。

3.4 新型球磨機生產流程的破粉碎效果比值

(1)球磨機負荷。

球磨機負荷計算公式為[2]：主軸承摩擦阻力負荷N1=qωR0[(G0+η0rV)g+f沖QU沖]，kW；偏心力矩負荷N2=η0rVgωyssimβ，kW，下落沖擊合力矩負荷N3=-f沖QU沖ωL合，kW。

將上述數據分別代入得：N1=10kW，N2=366kW，N3=162kW。

球磨機負荷N=N1+N2+N3=538kW。

(2)砂泵負荷。

按球磨機處理量110t/h，礦漿濃度25%計算砂泵流量為：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；取砂泵揚程30m和效率60%計算負荷：0.1×9.81×30÷0.60=49kW。

(3)破磨生產流程單耗和破粉碎效果比值。

破磨用電單耗：(538+49)÷107=5.5kW·h/t。

破粉碎效果比值：2 500÷5.5=455t/(kW·h)。

4 結論

綜上所述，銅山礦新選廠采用常規(guī)三段一閉路碎礦加球磨、半自磨加球磨和新型球磨機，三個破磨生產流程的設計方案；它們分別采用4臺、2臺和1臺的破碎球磨機，都能確保產品粒度＜0.073mm占75%以上達標和處理量2 000t/d以上達產。新型球磨機方案比常規(guī)破磨方案工程投資大大節(jié)省，節(jié)能降耗，經濟效益明顯提高。

[1]唐新民.提高磨機處理能力和能源利用率的研究[J].礦山機械,2003,(1)16-19.

[2]唐新民.破粉碎生產流程設備的現狀與節(jié)能途徑[J].中國非金屬礦業(yè)導刊,2009,(3).

[3]唐新民.安慶銅礦φ3.2×4.5m球磨機節(jié)能改造[J].礦山機械，2008,(23):89-92.

[4]唐新民.天馬山黃金礦φ3.2×3.1m格子球磨機節(jié)能改造[J].礦山裝備,2009,(3).

[5]磨機全推送給送料器[P].中國專利ZL200820008836,2009-01-21.

TD921.4;TD453

A

1007-9386(2010)02-0040-03

2009-11-30