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礦產(chǎn)資源是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),現(xiàn)階段,我國95%以上的能源、80%以上的工業(yè)原料、70%以上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料都來源于礦產(chǎn)資源,30%以上的農(nóng)業(yè)用水和飲用水來自屬于礦產(chǎn)資源范疇的地下水?？梢哉f,沒有礦產(chǎn)資源持續(xù)穩(wěn)定的供應(yīng),就沒有現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)與社會的健康發(fā)展。然而,在礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用過程中需要消耗大量的能量。金屬礦的采礦、選礦及冶煉消耗的能耗高達(dá)全國總能耗的15%以上。

 

礦山的能耗占35-50%左右,冶金的能耗50-65%左右,礦山采選企業(yè)中,采礦耗能1/3,選礦耗能2/3,而選礦廠中,磨礦能耗又占全廠的50%,即占礦山采選的1/3。因此,在礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用過程中,我國選礦廠特別是其碎礦磨礦階段面臨著節(jié)能降耗的艱巨任務(wù)。球磨機(jī)從誕生到工業(yè)應(yīng)用一百多年的歷史還說明,在噸位巨大及價廉的礦料磨碎中,目前及今后相當(dāng)長的時期內(nèi),球磨機(jī)還將是一種不可替代的重要磨碎設(shè)備。因此,研究新的球磨技術(shù),降低球磨機(jī)磨礦能耗對實現(xiàn)“能源開發(fā)與節(jié)能并重”的戰(zhàn)略任務(wù)具有現(xiàn)實意義。磨碎過程是一個功能轉(zhuǎn)變過程。

 

磨碎過程中磨機(jī)輸入的功率大部分轉(zhuǎn)變?yōu)槟ニ閾p失功,轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ哪芰亢苌?。鋼球?qū)ΦV粒的破碎作用具有隨機(jī)性,球磨機(jī)的磨礦過程是一個隨機(jī)過程,磨碎概率很低,碎礦過程損失的能量大。由此可見,破碎概率低及破碎損失功大是球磨機(jī)能耗高的主要原因,節(jié)能的重點應(yīng)放在如何提高礦物破碎概率及介質(zhì)能量利用率兩方面。因此,論文圍繞著提高礦物的破碎概率及介質(zhì)能量的利用率兩個目的,從采用磨礦新技術(shù)使球徑精確,裝補(bǔ)球科學(xué),介質(zhì)形狀適宜三個方面闡述粗磨機(jī)和細(xì)磨機(jī)實現(xiàn)節(jié)能降耗的機(jī)理。粗磨的給礦粒度范圍寬,破碎比大。需要加多種鋼球,故在粗磨過程中不僅需要精確地選擇鋼球尺寸以保證各級別鋼球尺寸的精確,還要保證各級別球徑的科學(xué)配比。

 

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因此,針對粗磨工藝的特點及對介質(zhì)的要求,在粗磨段采用了精確化裝補(bǔ)球方法的磨礦新技術(shù)。精確化裝補(bǔ)球方法的研究內(nèi)容主要有三個方面：

(1)單級別球徑的精確;

(2)整體球荷精確;

(3)補(bǔ)球精確。

 

在磨礦過程中,礦粒破碎的概率取決于鋼球碰到礦粒的概率(碰撞概率)及鋼球與礦粒碰撞后發(fā)生破碎的概率(破碎概率),破碎礦粒的碰撞概率越高,破碎概率才可能越高,但只有鋼球攜帶的能量足夠時,才能使礦粒破碎。

 

因此,礦粒要有高的破碎概率則必須有高的碰撞概率及鋼球攜帶足夠的能量。研究證明,只有在球徑精確及配比科學(xué)的情況下,礦粒的破碎概率也才最高,破碎損失的能量減少,鋼球能量的利用率提高,介質(zhì)的消耗亦下降,因介質(zhì)消耗與能耗幾乎成正比。磨礦過程既是一個功能轉(zhuǎn)變的過程,也是一個能量轉(zhuǎn)移的過程。

 

鋼球攜帶的能量除了對礦石做功轉(zhuǎn)變?yōu)榈V塊的變形能、裂紋形成和擴(kuò)展的能以及形成新生的表面能外,還會因物料、磨礦介質(zhì)之間的摩擦、振動被消耗掉。因此,鋼球攜帶的能量E主要分為兩部分：對礦塊的破碎功W有,以其它形式損失的能量W損。

 

E=W有+W損,當(dāng)輸入能量E不變時,W損減少了,W有就增大,則鋼球能量的利用率η=W有/E???100%也就提高,介質(zhì)的消耗亦降低。W有取決于鋼球?qū)ΦV粒的破碎概率。對一定粒度的一組礦粒群來說,鋼球?qū)ΦV粒的破碎概率除取決于鋼球的打擊次數(shù)及表面積外,還取決于鋼球攜帶的能量是否足夠。并且在提高η的同時,還要兼顧磨礦效果(即能量的有效利用),如果鋼球傳遞給礦粒的能量W有使不需要破碎的礦粒破碎,形成不必要破碎或無效破碎,浪費了能量,而需要破碎的礦粒卻沒有破碎,造成磨礦產(chǎn)品中粗粒級和細(xì)粒級均過多,不僅浪費了能量而且產(chǎn)品粒度組成特性不好及解離度不高,違背了磨礦的目的及任務(wù)。

 

因此,磨礦過程中在降低能耗及提高介質(zhì)能量的利用率的同時,還要兼顧磨礦效果,也即能量的有效利用,實現(xiàn)礦粒破碎能量與有效破碎能量的最大化,也即實現(xiàn)介質(zhì)能量轉(zhuǎn)移的最大化與有效性。鋼球轉(zhuǎn)移給礦粒的能量是使礦粒發(fā)生破碎,可選擇合適的破碎功耗學(xué)說的計算進(jìn)行相對比較計算,計算結(jié)果表明：在裝載量一定的情況下,球徑愈大,個數(shù)愈少,打擊次數(shù)也愈少,研磨面積也小,打著的易造成過粉碎,打不著的則形成粗粒級多,產(chǎn)品特性不好,故破碎的效率不高,能量的利用率不高。

 

相反,球徑越小,個數(shù)雖多,打擊次數(shù)也多,研磨面積也大,但礦粒的有效破碎能量利用并不高,因為任何礦粒的破碎均需要達(dá)到一定的能量密度,過小的球攜帶的能量小,與礦粒相碰時并不能使礦粒破碎。只有在精確的球徑及科學(xué)的配比下才能實現(xiàn)礦粒破碎能量與有效破碎能量的最大化,降低磨礦能耗,提高磨礦產(chǎn)品質(zhì)量。

 

球徑精確時的鋼球能量利用率比過大球徑高28%。精確化裝補(bǔ)球方案的鋼球能量利用率比現(xiàn)廠過大方案高9.15%。礦物的破碎功耗及磨礦效果表明：礦粒發(fā)生破碎的概率不僅考慮了能量傳遞的最大化,還考慮了能量傳遞過程中使礦物破碎的有效性。因此,在磨礦過程中,不僅可以用礦粒發(fā)生破碎的破碎概率判斷磨礦效果的好壞,還可以用來判斷磨礦方法是否具有節(jié)能降耗的效果。在球徑偏大的我國現(xiàn)廠磨機(jī)中鋼球的球徑由過大調(diào)整為精確后,打擊力減小不僅使鋼球的磨損速度減慢,亦使消耗減少。

 

球徑精確后,磨內(nèi)的球徑減小,磨內(nèi)的鋼球滑動顯著減弱,用于克服滑動的功率減少,最終使磨機(jī)消耗的絕對功率下降,即絕對電耗下降。因此,球徑的精確化提高了礦物破碎概率,磨機(jī)的生產(chǎn)率,并提高了能量利用率,使噸礦電耗相對降低,球徑的精確使磨內(nèi)鋼球滑動減弱,磨機(jī)的絕對功率下降。相對下降與絕對下降的雙重作用,實現(xiàn)了磨機(jī)的顯著節(jié)能降耗。

 

針對細(xì)磨作業(yè)特殊的工藝特征,細(xì)磨作業(yè)采用鑄鐵段取代傳統(tǒng)的鋼球。細(xì)磨作業(yè)用鑄鐵段代替鋼球能實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移的最大化和有效性,不僅能提高磨礦產(chǎn)品的質(zhì)量,還能降低介質(zhì)的消耗。由于鑄鐵段容易繞其軸向轉(zhuǎn)動,而且由于其形狀的特殊性,在球磨機(jī)內(nèi)翻動時難度大,介質(zhì)間的滑動減弱。

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因此,細(xì)磨作業(yè)用鑄鐵段取代鋼球后,磨內(nèi)的介質(zhì)滑動減弱,這種現(xiàn)象比采用小鋼球時顯著,故磨機(jī)消耗的絕對功率顯著下降,即絕對電耗顯著下降,進(jìn)而實現(xiàn)細(xì)磨機(jī)的顯著節(jié)能效果。生產(chǎn)率提高使得噸礦介質(zhì)耗相對下降,沖擊力減小則使機(jī)械磨損減輕,絕對耗量下降,相對下降與絕對下降的雙重作用致使磨礦介質(zhì)消耗顯著下降。

 

磨礦新技術(shù)先后在恒昌礦山機(jī)械公司中進(jìn)行過工業(yè)試驗及應(yīng)用,均取得了顯著的節(jié)能降耗效果,并產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。磨礦新技術(shù)在不同的礦石類型(錫銅共生礦、硫化鎳礦、鉛鋅礦、銅礦)及不同的磨礦流程(一段磨礦流程、標(biāo)準(zhǔn)兩段磨礦流程、非標(biāo)準(zhǔn)兩段磨礦流程)的應(yīng)用中均取得了顯著的節(jié)能降耗效果,電耗下降20-40%,介質(zhì)消耗下降10-30%。

 

證明了磨礦新技術(shù)在選礦廠節(jié)能降耗的應(yīng)用中的廣泛性、成熟性及可靠性。若全國60%的礦山企業(yè)采用磨礦新技術(shù),據(jù)測算將每年節(jié)省電耗40多億度,節(jié)省鋼球消耗13.5萬噸。說明了磨礦新技術(shù)是一種值得大力推廣和應(yīng)用的新技術(shù),并為選礦廠的節(jié)能降耗開辟了新途徑。