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礦產資源是國民經濟建設與社會發展的物質基礎,現階段,我國95%以上的能源、80%以上的工業原料、70%以上的農業生產資料都來源于礦產資源,30%以上的農業用水和飲用水來自屬于礦產資源范疇的地下水。可以說,沒有礦產資源持續穩定的供應,就沒有現代經濟與社會的健康發展。然而,在礦產資源的開發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,在礦產資源的開發利用過程中,我國選礦廠特別是其碎礦磨礦階段面臨著節能降耗的艱巨任務。球磨機從誕生到工業應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,目前及今后相當長的時期內,球磨機還將是一種不可替代的重要磨碎設備。因此,研究新的球磨技術,降低球磨機磨礦能耗對實現“能源開發與節能并重”的戰略任務具有現實意義。磨碎過程是一個功能轉變過程。

 

磨碎過程中磨機輸入的功率大部分轉變為磨碎損失功,轉變為有用功的能量很少。鋼球對礦粒的破碎作用具有隨機性,球磨機的磨礦過程是一個隨機過程,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能耗高的主要原因,節能的重點應放在如何提高礦物破碎概率及介質能量利用率兩方面。因此,論文圍繞著提高礦物的破碎概率及介質能量的利用率兩個目的,從采用磨礦新技術使球徑精確,裝補球科學,介質形狀適宜三個方面闡述粗磨機和細磨機實現節能降耗的機理。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配比。

 

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

(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,介質的消耗亦下降,因介質消耗與能耗幾乎成正比。磨礦過程既是一個功能轉變的過程,也是一個能量轉移的過程。

 

鋼球攜帶的能量除了對礦石做功轉變為礦塊的變形能、裂紋形成和擴展的能以及形成新生的表面能外,還會因物料、磨礦介質之間的摩擦、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,介質的消耗亦降低。W有取決于鋼球對礦粒的破碎概率。對一定粒度的一組礦粒群來說,鋼球對礦粒的破碎概率除取決于鋼球的打擊次數及表面積外,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,造成磨礦產品中粗粒級和細粒級均過多,不僅浪費了能量而且產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。

 

因此,磨礦過程中在降低能耗及提高介質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,實現礦粒破碎能量與有效破碎能量的最大化,也即實現介質能量轉移的最大化與有效性。鋼球轉移給礦粒的能量是使礦粒發生破碎,可選擇合適的破碎功耗學說的計算進行相對比較計算,計算結果表明：在裝載量一定的情況下,球徑愈大,個數愈少,打擊次數也愈少,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,個數雖多,打擊次數也多,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的配比下才能實現礦粒破碎能量與有效破碎能量的最大化,降低磨礦能耗,提高磨礦產品質量。

 

球徑精確時的鋼球能量利用率比過大球徑高28%。精確化裝補球方案的鋼球能量利用率比現廠過大方案高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能降耗的效果。在球徑偏大的我國現廠磨機中鋼球的球徑由過大調整為精確后,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,磨內的球徑減小,磨內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,磨機的生產率,并提高了能量利用率,使噸礦電耗相對降低,球徑的精確使磨內鋼球滑動減弱,磨機的絕對功率下降。相對下降與絕對下降的雙重作用,實現了磨機的顯著節能降耗。

 

針對細磨作業特殊的工藝特征,細磨作業采用鑄鐵段取代傳統的鋼球。細磨作業用鑄鐵段代替鋼球能實現能量轉移的最大化和有效性,不僅能提高磨礦產品的質量,還能降低介質的消耗。由于鑄鐵段容易繞其軸向轉動,而且由于其形狀的特殊性,在球磨機內翻動時難度大,介質間的滑動減弱。

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因此,細磨作業用鑄鐵段取代鋼球后,磨內的介質滑動減弱,這種現象比采用小鋼球時顯著,故磨機消耗的絕對功率顯著下降,即絕對電耗顯著下降,進而實現細磨機的顯著節能效果。生產率提高使得噸礦介質耗相對下降,沖擊力減小則使機械磨損減輕,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消耗顯著下降。

 

磨礦新技術先后在恒昌礦山機械公司中進行過工業試驗及應用,均取得了顯著的節能降耗效果,并產生了顯著的經濟效益。磨礦新技術在不同的礦石類型(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、標準兩段磨礦流程、非標準兩段磨礦流程)的應用中均取得了顯著的節能降耗效果,電耗下降20-40%,介質消耗下降10-30%。

 

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