某超大型磁鐵礦選礦廠碎磨工藝流程選擇

王 耀 于海豐

(首鋼灤南馬城礦業(yè)有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000)

0 引言

鐵礦石是我國(guó)重要的戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源，國(guó)內(nèi)鐵礦石供應(yīng)嚴(yán)重不足。我國(guó)是全球最大鐵礦石進(jìn)口國(guó)，鐵礦石對(duì)外依存度80%以上。受國(guó)外供給壟斷勢(shì)力影響，近年來鐵礦石進(jìn)口價(jià)格劇烈波動(dòng)，嚴(yán)重威脅到我國(guó)鋼鐵工業(yè)的安全，急需開發(fā)國(guó)內(nèi)自有資源。馬城鐵礦是國(guó)內(nèi)近幾年少有的在建特大型鐵礦項(xiàng)目，建成后將增加國(guó)內(nèi)鐵礦石供應(yīng)量，對(duì)平抑國(guó)際鐵礦石市場(chǎng)價(jià)格、提高我國(guó)定價(jià)話語權(quán)意義很大。

馬城鐵礦位于河北省唐山市灤南縣，北距首鋼礦業(yè)公司58 km，資源儲(chǔ)量12.45 億t，屬于新建采選一體的特大型充填法地下開采礦山，采選設(shè)計(jì)規(guī)模為2 200 萬t/a，生產(chǎn)鐵精粉737.5 萬t/a。公司秉承“規(guī)范、高效、綠色、生態(tài)”的發(fā)展理念，以建設(shè)“國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)”的超大型綠色智慧礦山為目標(biāo)，采用先進(jìn)設(shè)計(jì)理念和大型高效智能裝備，將綠色節(jié)能綜合利用貫穿設(shè)計(jì)、建設(shè)和生產(chǎn)的全過程，高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)綠色智能高效超大規(guī)模鐵礦選礦廠。

在選礦試驗(yàn)基礎(chǔ)上，借鑒吸收國(guó)內(nèi)外礦山先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，并結(jié)合馬城鐵礦建礦條件，針對(duì)馬城鐵礦碎磨工藝流程，進(jìn)行了詳細(xì)工藝方案及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

1 工藝流程比較

1)碎磨工藝比較。關(guān)于碎磨工藝方案，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)選礦廠生產(chǎn)多采用三段破碎-球磨工藝、半自磨-球磨工藝和高壓輥磨-球磨工藝等三種方案。從技術(shù)角度上講，三種碎磨工藝在鐵礦選礦都有成熟應(yīng)用，根據(jù)馬城鐵礦礦石性質(zhì)，對(duì)三種碎磨工藝方案進(jìn)行比較。三種碎磨工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)，從目前國(guó)內(nèi)外大型、特大型選礦廠設(shè)計(jì)趨勢(shì)上看，優(yōu)先選擇半自磨-球磨工藝及高壓輥磨-球磨工藝方案。其優(yōu)勢(shì)在于：①半自磨-球磨工藝相比于老三段，工藝簡(jiǎn)化，廠房配置簡(jiǎn)單；去掉了中細(xì)碎車間，塊礦生產(chǎn)帶來的粉塵量會(huì)急劇降低，減少對(duì)環(huán)境的污染；老三段在處理粘礦時(shí)會(huì)發(fā)生堵礦甚至設(shè)備效率降低的現(xiàn)象，半自磨-球磨工藝則受礦石粘度的影響很小。②高壓輥磨-球磨工藝和老三段相比，最突出的優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)能降耗作用明顯，體現(xiàn)在高壓輥磨的產(chǎn)品粒度更小，可達(dá)3 mm以下，而且高壓輥磨產(chǎn)品物料的表面由于擠壓會(huì)產(chǎn)生大量的微裂紋和裂隙，礦石球磨功指數(shù)會(huì)降低許多，這兩方面因素都將大幅度降低球磨機(jī)的功耗。

馬城鐵礦礦石為磁鐵礦，在輥磨后采用磁選機(jī)預(yù)先拋尾，減少進(jìn)入球磨機(jī)的礦量，降低了能耗和生產(chǎn)成本，對(duì)整個(gè)磨礦及選別作業(yè)非常有益。而且相比于半自磨-球磨工藝，高壓輥磨-球磨工藝受原礦的性質(zhì)變化影響較小，生產(chǎn)相對(duì)穩(wěn)定,故馬城鐵礦碎磨工藝技術(shù)采用高壓輥磨-球磨方案。

2)高壓輥磨前破碎段數(shù)確定。高壓輥磨前破碎段主要與高壓輥磨機(jī)給礦粒度和廢石制砂粒度有關(guān)。根據(jù)高壓輥磨機(jī)近幾年生產(chǎn)實(shí)踐反饋，高壓輥磨機(jī)輥面使用壽命不僅與礦石性質(zhì)關(guān)系密切，給礦粒度對(duì)輥面磨損的影響也很大。高壓輥磨機(jī)給礦粒度過大，設(shè)備作業(yè)率低、輥面磨損嚴(yán)重、維修工作量大，影響高壓輥磨系統(tǒng)的正常生產(chǎn)。鑒于上述情況，在中碎作業(yè)后增加細(xì)碎作業(yè)控制高壓輥磨機(jī)給礦粒度至25～0 mm，即三段閉路破碎+高壓輥磨。并對(duì)二段閉路破碎+高壓輥磨(方案一)和三段閉路破碎+高壓輥磨(方案二)兩方案可比部分進(jìn)行比較，兩個(gè)方案選礦工藝指標(biāo)一致，兩個(gè)方案可比較部分主要設(shè)備表見表1，方案比較結(jié)果見表2。

表1 方案比較主要設(shè)備表(可比部分)

表2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案比較表(可比部分) 萬元

通過比較結(jié)果來看，方案二較方案一技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理，方案二能充分發(fā)揮高壓輥磨機(jī)作為碎磨設(shè)備的作用，改善高壓輥磨機(jī)工作環(huán)境。同時(shí)考慮到建材25 mm 的粒度要求，采用三段一閉路破碎至25 mm-高壓輥磨至3 mm-球磨工藝流程。

3)高壓輥磨閉路篩分工藝方案。目前國(guó)內(nèi)高壓輥閉路篩分工藝篩分作業(yè)以濕式閉路篩分為主，但近幾年干式閉路篩分也有工業(yè)應(yīng)用實(shí)踐。高壓輥干式閉路篩分工藝較濕式閉路篩分工藝優(yōu)點(diǎn)是：高壓輥?zhàn)鳂I(yè)與主廠房斷開，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；粗粒預(yù)磁選給料采用膠帶運(yùn)輸，規(guī)避了泵和管道磨損問題；高壓輥和篩分車間都采用大型化設(shè)備，裝備水平較高。高壓輥干式閉路篩分工藝較濕式閉路篩分工藝缺點(diǎn)是：干式篩分采用大規(guī)格設(shè)備，設(shè)備購(gòu)置費(fèi)較常規(guī)設(shè)備高；干式閉路篩分需要良好的除塵設(shè)施。高壓輥閉路篩分方案比較主要設(shè)備購(gòu)置費(fèi)對(duì)比見表3，建筑工程費(fèi)對(duì)比見表4。

表3 設(shè)備購(gòu)置費(fèi)對(duì)比(可比部分)

表4 建筑工程費(fèi)對(duì)比(可比部分) 萬元

干式閉路篩分方案較濕式閉路篩分車間設(shè)備購(gòu)置費(fèi)增加560萬，干式閉路篩分方案較濕式閉路篩分車間建筑工程費(fèi)少840萬。綜合設(shè)備購(gòu)置費(fèi)和建筑工程費(fèi)，干式閉路篩分工藝較濕式閉路篩分工藝可節(jié)省投資280萬投資，同時(shí)考慮干式篩分在工藝技術(shù)及生產(chǎn)組織方面更具優(yōu)勢(shì)，采用高壓輥干式閉路篩分工藝。

4)干選尾礦利用方案比較。綜合考慮選充平衡、資源綜合利用、無尾排放等需求，對(duì)工藝生產(chǎn)中的拋尾作業(yè)進(jìn)行了方案比較。方案一：采用大塊300～0 mm干式拋尾和中細(xì)碎后篩上80～20 mm干式拋尾兩段干選工藝，干選塊尾單獨(dú)破碎至20～0 mm作為建材原料。方案二：將井下提升的礦巖全部破碎至25～0 mm進(jìn)行干選拋尾，25～0 mm塊尾作為建材原料。方案三：采用中細(xì)碎后篩上80～20 mm干式拋尾和高壓輥磨后篩上20～3 mm干式拋尾兩段干選工藝，干選塊尾分為80～20 mm和20～3 mm兩種建材原料。方案比較結(jié)果見表5。

表5 方案綜合比較(可比部分)

方案一：干選拋尾量較少，選礦尾礦和充填尾礦匹配較困難，生產(chǎn)中難控制；單獨(dú)進(jìn)行石料加工，系統(tǒng)復(fù)雜、占地面積大、投資和運(yùn)行費(fèi)高，因此不建議該方案。方案三：流程內(nèi)生產(chǎn)出80～20 mm石料，市場(chǎng)不好銷售，需額外建設(shè)破碎設(shè)施；3～20 mm石料經(jīng)過高壓輥磨機(jī)輥壓后，存在裂隙，作為建筑砟不合格，因此不建議該方案。方案二既能進(jìn)行提前干選拋尾，恢復(fù)地質(zhì)品位，又能在流程內(nèi)生產(chǎn)出碎石建材產(chǎn)品，因此，選擇方案二，并進(jìn)行流程優(yōu)化。將方案二調(diào)整為將礦巖全部破碎至25～0 mm進(jìn)行干選拋尾，干選廢石作為建材原料。該方案能夠保證生產(chǎn)穩(wěn)定性、連續(xù)性，并有較好的經(jīng)濟(jì)性。

5)主廠房系列方案比較。高壓輥-濕式預(yù)選-階段磨礦階段選別工藝布置方案對(duì)比研究，研究主要內(nèi)容為上述工藝流程系列數(shù)的選擇，包括一個(gè)系列(下文稱之為方案一)，兩個(gè)系列(下文稱之為方案二)和三個(gè)系列(下文稱之為方案三)，三個(gè)方案的工藝流程、精礦量及選別指標(biāo)完全相同，不同點(diǎn)在于高壓輥，篩分車間及主廠房設(shè)備選擇、車間布置、基建投資及生產(chǎn)成本。方案一采用單個(gè)系列不能與采礦排產(chǎn)計(jì)劃很好匹配，故本次主要進(jìn)行方案二和方案三的比較。

表6 方案二和方案三建設(shè)投資對(duì)比(可比部分)

方案二設(shè)備大型化，減少了設(shè)備臺(tái)數(shù)，設(shè)備管理簡(jiǎn)單，流程管控方便。通過經(jīng)濟(jì)效益分析，方案二在建設(shè)投資上較方案三節(jié)省投資3 885萬元。在主要材料襯板及鋼球消耗方面，兩個(gè)方案處理量相同，材料消耗基本相同，在人員配備方面兩個(gè)方案也基本相同。在設(shè)備功耗方面，方案二較方案三裝機(jī)功率增加1 091 kW，運(yùn)行功率方案二較方案三減少872 kW，年節(jié)省電費(fèi)372.9 萬元。但結(jié)合馬城鐵礦采礦排產(chǎn)計(jì)劃，考慮到采、選、充的整體項(xiàng)目組織生產(chǎn)，三個(gè)系列相較于兩個(gè)系列，在選礦生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的靈活性、穩(wěn)定性以及與采礦和充填系統(tǒng)匹配等方面比兩個(gè)系列有明顯的優(yōu)勢(shì)，確定磨礦系統(tǒng)采用三個(gè)系列。

6)二段磨礦方案比較。馬城鐵礦二段磨礦細(xì)度為-200目85%，在此磨礦細(xì)度下，磨礦設(shè)備既可以選擇球磨也可以選擇立磨機(jī)。磨礦的目的是滿足選別作業(yè)的粒度需求，在此條件下，應(yīng)盡量節(jié)能，因此進(jìn)行了二段磨礦方案的比較研究。對(duì)馬城鐵礦二段磨礦分方案一(球磨方案)和方案二(立磨方案)兩個(gè)方案進(jìn)行方案比較，兩個(gè)方案工藝流程結(jié)構(gòu)完全相同，二段磨礦采用旋流器預(yù)先分級(jí)，高頻細(xì)篩檢查分級(jí)，兩個(gè)方案僅二段磨礦的磨礦設(shè)備不同，方案一二段磨礦采用球磨，方案二二段磨礦采用立磨。兩個(gè)方案可比較部分設(shè)備見表7，投資經(jīng)營(yíng)費(fèi)可比較部分比較結(jié)果見表8。

表7 方案可比較部分設(shè)備表

表8 投資經(jīng)營(yíng)費(fèi)比較表 萬元

從投資來看方案二(立磨方案)較方案一(球磨方案)高5 453萬元，從經(jīng)營(yíng)費(fèi)來看方案二(立磨方案)較方案一(球磨方案)年經(jīng)營(yíng)費(fèi)低1 656萬元，低22.07%。兩個(gè)方案15年投資經(jīng)營(yíng)費(fèi)現(xiàn)值合計(jì)分別為方案一62 052萬元，方案二54 459萬元，投資經(jīng)營(yíng)費(fèi)現(xiàn)值方案二較方案一低7 593萬元，低12.24%，方案二(立磨方案)經(jīng)濟(jì)上較優(yōu)。方案一(球磨方案)特點(diǎn)是：球磨方案在磨礦細(xì)度-200目85%時(shí)應(yīng)用非常成熟可靠、投資低；二段磨礦系列與一段磨礦相對(duì)應(yīng)，磨機(jī)大型化、型號(hào)統(tǒng)一、臺(tái)數(shù)少；生產(chǎn)環(huán)節(jié)少，利于自動(dòng)化控制和生產(chǎn)管理；相比立磨方案生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)高。方案二(立磨方案)特點(diǎn)是：立磨機(jī)細(xì)磨工藝效率高、較球磨能降低能耗和球耗，生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)低；設(shè)備運(yùn)行噪音低；設(shè)備基礎(chǔ)簡(jiǎn)單、占地面積小、安裝成本低；立磨機(jī)在磨礦細(xì)度-200目85%時(shí)基本沒有應(yīng)用，其臺(tái)時(shí)能力和節(jié)能、降耗效果能否達(dá)到預(yù)期效果有待驗(yàn)證；立磨方案初期投資高，設(shè)備(立磨機(jī)、渣漿泵、旋流器)臺(tái)數(shù)多，相應(yīng)的工藝管線、閥門、儀表等設(shè)施多，二段磨礦生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備增加，自動(dòng)化控制和生產(chǎn)管理均較復(fù)雜。

根據(jù)立磨設(shè)備生產(chǎn)廠家的立磨試驗(yàn)資料及相關(guān)襯板、鋼球消耗等資料，立磨方案節(jié)能降耗較好，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，綜合考慮確定二段磨礦系統(tǒng)采用立磨方案。

2 選礦工藝流程的確定

1)破碎工藝流程的確定。馬城鐵礦采用礦巖混提方式提升，礦石和巖石經(jīng)過粗破碎后混合提升至地面，礦石規(guī)模為2 200 萬t/a，巖石規(guī)模115 萬t/a，進(jìn)入選礦廠總礦量2 315 萬t/a。按照多碎少磨、能拋早拋、節(jié)能降耗、資源綜合利用的原則，最終采用的破碎工藝為“粗-中-細(xì)三段破碎-干選-高壓輥磨”的工藝流程。該破碎工藝流程的確定主要出于以下幾方面考慮：

①相比于傳統(tǒng)的老三段破碎，增加了高壓輥磨環(huán)節(jié)，破碎產(chǎn)品達(dá)到3～0 mm，符合“多碎少磨”的指導(dǎo)思想，節(jié)能降耗優(yōu)勢(shì)突出。

②全部礦巖均破碎至25 mm以下干選拋尾，主要是考慮在破碎主流程內(nèi)將廢石加工為建材，避免出現(xiàn)在粗碎后或是中碎后干選，廢石還需另外進(jìn)行破碎加工，另建破碎設(shè)施的問題。

③粗-中-細(xì)三段破碎可以將高壓輥磨的給礦粒度降至25～0 mm，可以延長(zhǎng)輥?zhàn)訅勖?，有利于保證高壓輥磨的穩(wěn)定運(yùn)行。

④高壓輥磨閉路采用干式篩分，解決了濕式篩分工藝高壓輥磨需要備用、輥磨與磨選作業(yè)率不一致、粗顆粒礦石礦漿管道輸送磨損等問題。

⑤入磨粒度變小，磨機(jī)給礦量降低，有利于降低磨機(jī)規(guī)格型號(hào)，減少選別設(shè)備數(shù)量。

破碎工藝具體過程為：原礦經(jīng)過粗-中-細(xì)三段破碎后，產(chǎn)品粒度25～0 mm，進(jìn)行干式拋尾，廢石作為建材銷售；干選精礦經(jīng)過中間儲(chǔ)礦倉(cāng)給入高壓輥磨作業(yè)，輥磨產(chǎn)品粒度3～0 mm，進(jìn)入磨選系統(tǒng)。破碎工藝流程示意圖見圖1。

圖1 破碎工藝流程示意圖

2)磨礦選別工藝流程的確定。選礦廠的磨礦選別流程主要依據(jù)馬城鐵礦選礦試驗(yàn)報(bào)告，并參考司家營(yíng)北區(qū)選礦廠生產(chǎn)實(shí)際流程確定。馬城鐵礦實(shí)驗(yàn)室選礦第二次試驗(yàn)推薦的選別流程為：“原礦濕式預(yù)選-一段磨礦細(xì)度-0.074 mm 50%磁選-二段磨礦細(xì)度-0.074 mm 85%磁選+淘洗磁選”。司家營(yíng)北區(qū)選礦廠生產(chǎn)流程為“階段磨礦-階段磁選-淘洗精選”，一段磨礦產(chǎn)品粒度為-0.074 mm 55%～60%，二段磨礦產(chǎn)品粒度為-0.074 mm 85%～90%。最終采用的磨礦選別工藝為“高壓輥磨后產(chǎn)品預(yù)先濕式拋尾-階段磨礦-階段磁選-淘洗精選”的工藝流程，一段磨礦產(chǎn)品粒度為-0.074 mm 55%，二段磨礦產(chǎn)品粒度為-0.074 mm 85%。該磨礦選別工藝流程的確定主要出于以下幾方面考慮：

①磨前預(yù)選，能夠大幅度降低入磨礦量，提高磨選系統(tǒng)處理能力，節(jié)能效果突出。

②階段磨礦、階段磁選，既保證了鐵礦物和脈石礦物的充分解離又有效的防止了過磨，使磁性礦物在不同的磨礦粒度下，得到了有效的回收。

③二段分級(jí)采用旋流器+高頻細(xì)篩聯(lián)合分級(jí)，分級(jí)效率高，能夠有效防止過磨，并且高頻細(xì)篩強(qiáng)制分級(jí)能夠能保證最終產(chǎn)品粒度，滿足精礦長(zhǎng)距離管道輸送要求。

④選別工藝最后采用二段磁選+淘洗機(jī)精選，能夠保證鐵精礦產(chǎn)品質(zhì)量，較好的適應(yīng)馬城鐵礦多礦體、礦石性質(zhì)變化大的條件。

⑤預(yù)磁選尾礦撈取建筑細(xì)砂、最終尾礦撈取干排砂，能夠?qū)ξ驳V產(chǎn)品進(jìn)行綜合利用，并且有效的調(diào)節(jié)進(jìn)入充填系統(tǒng)的尾礦量，滿足充填系統(tǒng)的需求。

磨礦選別工藝具體過程為：3～0 mm高壓輥磨產(chǎn)品首先進(jìn)行大粒度濕式預(yù)磁選，預(yù)磁選尾礦撈取建筑細(xì)砂，預(yù)磁選精礦進(jìn)入一段磨礦；一段磨礦產(chǎn)品經(jīng)一段磁選后進(jìn)入二段磨礦，二段磨礦產(chǎn)品經(jīng)二段弱磁選和淘洗精選后得到最終精礦；最終精礦濃縮后經(jīng)鐵精礦長(zhǎng)距離管道輸送至遷鋼廠區(qū)進(jìn)行脫水；磨選尾礦經(jīng)濃縮后，送至尾礦充填系統(tǒng)，充填至井下；為了適應(yīng)尾礦充填系統(tǒng)對(duì)尾礦量的需求，在尾礦濃縮后設(shè)置了尾礦撈砂設(shè)施作為調(diào)節(jié)措施。磨礦選別工藝流程示意圖見圖2。

圖2 磨礦選別工藝流程示意圖

3 結(jié)語

礦用碎磨流程的超細(xì)碎、預(yù)先分選、高效細(xì)磨等新型工藝設(shè)備在金屬礦山礦物加工領(lǐng)域受到更多的關(guān)注和重視，也將會(huì)越來越多的得到應(yīng)用，國(guó)內(nèi)新建的選礦廠大多朝著設(shè)備大型化、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)化發(fā)展，提高處理量并達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。同時(shí)在綠色選礦的理念下無廢排尾的固廢綜合利用也一并在生產(chǎn)統(tǒng)籌考慮之內(nèi)。