磨礦過程功能轉(zhuǎn)變及能量損失分析

磨礦過程功能轉(zhuǎn)變及能量損失分析

礦石、巖礦和水泥的研磨不僅需要大量的能源消耗，還需要大量的鋼鐵消耗。據(jù)統(tǒng)計(jì),碎礦與磨礦消耗的電能大約占全世界電能消耗的3.3%,美國有1.3%的電能被消耗于粉碎作業(yè)。球磨機(jī)是礦山、冶金、建材、化工及火電等國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)行業(yè)中的一種主要設(shè)備,承擔(dān)著每年磨碎數(shù)十億噸礦料的磨碎任務(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(jià)廉的礦料磨碎中,目前及今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi),球磨機(jī)還將是一種不可替代的重要磨碎設(shè)備。然而,由于球磨機(jī)內(nèi)鋼球處于隨機(jī)性破碎的工作特性,又使球磨機(jī)成為一種低效率及高消耗的粉碎設(shè)備。碎礦和磨礦是選礦廠的重要組成部分,磨礦作業(yè)的好壞不僅對(duì)選礦指標(biāo)的高低有直接影響,還對(duì)選廠的能耗有很大影響。有資料表明,金屬選礦廠碎礦與磨礦的電耗一般占全廠電能的40%~60%。例如:在山東黃金集團(tuán)下屬礦山生產(chǎn)中,選礦生產(chǎn)電能消耗占礦山生產(chǎn)電能總耗的40%~60%,占選礦生產(chǎn)成本的30%左右,其中碎磨電耗占選礦電耗的63.5%,而磨礦電耗占碎磨電耗的85%以上。因此,降低磨礦電耗是降低選廠總能耗的關(guān)鍵,也是降低選礦成本的有效途徑。筆者通過對(duì)球磨機(jī)磨礦過程的功能轉(zhuǎn)變和能量損失的分析,提出球磨機(jī)節(jié)能降耗的有效途徑。1能量轉(zhuǎn)換的能量從礦石破碎和磨碎的物理現(xiàn)象以及幾何特征上分析,磨礦是碎礦的繼續(xù),是礦塊或粒度減小的過程。但從熱力學(xué)觀點(diǎn)分析,磨礦是一個(gè)內(nèi)能增加的過程,磨碎機(jī)對(duì)礦塊做功,克服內(nèi)聚力而使之破碎,因而磨礦是一個(gè)功能的轉(zhuǎn)變過程,其原理如圖1所示。從電網(wǎng)輸入的電能經(jīng)過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能,機(jī)械能經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)磨機(jī)和介質(zhì)做功,變成磨礦介質(zhì)的機(jī)械能。磨礦介質(zhì)落下或滾下時(shí)則對(duì)礦石做功,介質(zhì)的功成為礦石的變形內(nèi)能,使礦石變形或破碎。礦石破碎后則變成礦石的新生表面能。使礦石變形和破碎的功稱為有用功,它包括變形功和分離功。而介質(zhì)對(duì)礦石所做的功大部分在破碎過程中呈熱能損失于周圍的介質(zhì)空間,這部分稱為破碎損失功,它包括礦石與機(jī)件之間的摩擦功,破碎力的反復(fù)作用呈熱能散失的損失功,聲能、光能和輻射能損失等。每經(jīng)過一次能量轉(zhuǎn)換就產(chǎn)生一定能量損失。磨礦過程的功能轉(zhuǎn)變過程表明:(1)磨礦是增大物料表面能,當(dāng)各次能量轉(zhuǎn)換效率不變時(shí),要增大生產(chǎn)率就必須增大輸入的能量;(2)在輸入的能量不變時(shí),提高各次能量轉(zhuǎn)換效率同樣能增加物料表面能,即增加生產(chǎn)率。2能量損失和破碎損失功分析磨礦的功能轉(zhuǎn)變過程,在磨礦過程中有3次大的能量損失,如圖1所示:(1)第一次能量損失是電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能時(shí)產(chǎn)生的,該損失的大小取決于電動(dòng)機(jī)的效率。按目前電動(dòng)機(jī)的制造水平,效率一般為90%~95%,即電動(dòng)機(jī)損失約占總能耗的5%~10%。這部分損失較小,也難以降低,此環(huán)節(jié)上的節(jié)能潛力不大。(2)第二次能量損失是從電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)而轉(zhuǎn)變?yōu)槟サV介質(zhì)的機(jī)械能時(shí)產(chǎn)生的。該損失的大小取決于傳動(dòng)效率的高低,按目前的機(jī)械制造水平來看,這部分損失通常占總能耗的10%~15%。多年來曾以滾動(dòng)軸承代替滑動(dòng)軸承,采用液力靜壓軸承和環(huán)形馬達(dá)直接傳動(dòng)等辦法,但此部分能量損失比例不大,節(jié)能的效果有限,節(jié)能潛力也不大。(3)第三次能量損失是介質(zhì)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榈V石的表面能時(shí)產(chǎn)生的。經(jīng)前面兩次能量損失后,轉(zhuǎn)變?yōu)榻橘|(zhì)的機(jī)械能還有75%~85%的總能量。這樣多的能量用于破碎礦石,一部分成為有用功,而另一部分成為破碎損失功。目前的測(cè)試技術(shù)還無法測(cè)出破碎損失功,也就無法知道有用功的比例,但各種測(cè)試研究說明,破碎損失功相當(dāng)大,有用功,特別是產(chǎn)生礦石新生表面積的能量相當(dāng)少,少到可以忽略不計(jì)的程度。一些研究者的研究說明,在球磨過程中,用于產(chǎn)生新生表面積的能量只有輸入能量的0.6%。固體的表面自由能約102~103MJ/m2,通過磨礦產(chǎn)生比表面積為0.3m2/g的物料需要的能量是0.1kW/t,但在實(shí)際的磨礦系統(tǒng)中,產(chǎn)生比表面積為0.3m2/g的物料所需能量達(dá)到了10~100kW/t,磨礦的能效只有0.1%~1%?？梢?有用功占的比例確實(shí)很少,絕大部分能量幾乎全變?yōu)槟ニ閾p失功。這些磨碎損失功通過摩擦而全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苌⑹г诮橘|(zhì)空間,這也是濕式磨機(jī)排礦口出來的氣流溫度高、排出的礦漿溫度比給礦高出10℃以上的原因。3隨機(jī)破碎特征磨礦過程的能量損失分析表明:(1)磨礦過程中從電網(wǎng)輸入的能量,用來新增表面積的能量很少,絕大部分通過摩擦皆呈熱能損失掉了,有很大的節(jié)能空間;(2)各種破碎損失功構(gòu)成的能量損失最大,節(jié)能的重點(diǎn)應(yīng)放在如何提高介質(zhì)破碎礦石的效率上,即如何使介質(zhì)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的表面能;(3)磨礦過程的影響因素很多,節(jié)能的路子也十分寬廣,可以把各個(gè)參數(shù)調(diào)整到有利于介質(zhì)破碎礦石的水平上來,以獲得節(jié)能的效果。但磨礦是一個(gè)靠鋼球的打擊和磨剝來完成的力學(xué)過程,從鋼球破碎礦石的過程來看,造成磨礦效率低、能耗高的原因中有以下幾條與鋼球有關(guān)。(1)鋼球的隨機(jī)破碎鋼球在拋落過程和隨筒體一起轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中,鋼球?qū)ΦV粒的破碎作用可能是沖擊破碎或是擠壓破碎和研磨破碎或者是它們的混合作用的結(jié)果。鋼球?qū)ΦV粒的破碎作用帶有隨機(jī)性,鋼球下落或滾動(dòng)中可能碰到礦粒,也可能碰不到礦粒,所以鋼球與礦粒的相碰是隨機(jī)的;鋼球即使碰到礦粒,但能否發(fā)生破碎行為也是隨機(jī)的,鋼球碰上適宜它破碎的礦粒時(shí)可能出現(xiàn)破碎行為,而鋼球的能量破碎不了的礦粒,則破碎行為就不能發(fā)生。鋼球的隨機(jī)破碎特征導(dǎo)致了球磨機(jī)破碎的概率低,破碎過程能量損失大。表1是幾種碎磨設(shè)備產(chǎn)生單粒破碎的概率。表1說明,球磨機(jī)破碎概率是非常低的,僅6%~9%,破碎的概率越低,破碎過程的能量損失就越大。(2)介質(zhì)尺寸對(duì)磨碎過程的影響磨碎作用是通過介質(zhì)實(shí)現(xiàn)的,介質(zhì)尺寸選擇恰當(dāng)與否對(duì)磨碎過程影響很大。介質(zhì)尺寸過大,打擊次數(shù)過少,過大的破碎力又往往發(fā)生貫穿破碎,同時(shí)研磨面積小,研磨能力弱;介質(zhì)尺寸過小,破碎能量不足,一次實(shí)現(xiàn)不了破碎時(shí)礦粒接受的變形能又作彈性恢復(fù)而使能量損失。礦粒經(jīng)過多次破碎力作用而達(dá)到疲勞極限時(shí)也能破碎,但破碎概率低。當(dāng)球徑和礦石粒度相適宜時(shí),破碎力作用精確,破碎作用往往從結(jié)合力弱的晶界面上破裂,既節(jié)省能耗又增加礦物解離選擇性。(3)鋼球磨損球磨機(jī)由于處理的物料粒度較細(xì),有一定的體積濃度,在磨礦過程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生鋼球與鋼球或鋼球與襯板的接觸,造成鋼件對(duì)鋼件的硬碰硬,引起鋼件的變形磨損,連同與礦石的磨損在內(nèi),磨1t礦僅鋼球的消耗就達(dá)到1.5kg左右。鋼耗的高低不僅與鋼球和襯板的材質(zhì)有關(guān),還與鋼球的尺寸有關(guān),球徑越大,鋼球與礦粒接觸的機(jī)會(huì)越少,介質(zhì)間接觸的幾率增大,鋼球磨碎嚴(yán)重,鋼耗升高。因此,在打擊力足夠的情況下應(yīng)盡量減小鋼球尺寸,過大的鋼球尺寸是有害的,不但磨礦效率低,鋼耗及電耗也高。磨礦介質(zhì)隨機(jī)破碎和磨損嚴(yán)重的特征導(dǎo)致了球磨機(jī)破碎概率低,破碎損失能量大,磨礦效率低,電耗及鋼耗高。要提高磨礦效率就必須抓住磨礦介質(zhì)這一關(guān)鍵環(huán)節(jié),優(yōu)化球磨機(jī)介質(zhì)制度,把介質(zhì)參數(shù)調(diào)整到最佳水平以獲得節(jié)能的效果。4云南紅山銅礦的一項(xiàng)磨單在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)礦石性質(zhì)、給料及磨礦產(chǎn)品粒度特性以及其他工作條件來調(diào)整磨機(jī)中介質(zhì)充填率、形狀、尺寸、配比及補(bǔ)給,形成合理的介質(zhì)制度,以提高磨機(jī)工作效率及降低磨礦能耗。以下是通過調(diào)整介質(zhì)參數(shù),形成合理的介質(zhì)制度來獲得節(jié)能降耗效果的幾個(gè)實(shí)例。(1)球徑精確的節(jié)能降耗云錫公司錫銅共生礦二段磨采用φ30mm及φ40mm鋼球取代現(xiàn)使用的φ90mm及φ80mm鋼球進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。球徑精確后,鋼球消耗大幅度下降,鋼球單耗由試驗(yàn)前的0.191kg/將至0.13kg/t,降低31.94%,下降幅度十分顯著。(2)裝補(bǔ)球制度合理的節(jié)能降耗云南大紅山銅礦一段磨采用精確化裝補(bǔ)球方法,確定補(bǔ)加球方案為φ80∶φ70∶φ60=52.91∶27.22∶19.87。磨內(nèi)球荷精確化后,在短短的2個(gè)月內(nèi),鋼球單耗由試驗(yàn)前的0.72kg/t降至0.62kg/t,降低了13.89%,電耗由試驗(yàn)前的26.09kW·h/t降為21.28kW·h/t,下降18.44%,節(jié)能降耗效果顯著。(3)介質(zhì)形狀適宜的節(jié)能降耗金川公司二選礦4號(hào)系統(tǒng)根據(jù)介質(zhì)的替換方法,將一段一次、一段二次及兩段磨礦的鋼球替換為鑄鐵段,經(jīng)數(shù)次調(diào)整,形成合理的補(bǔ)加制度。采用鑄鐵段代替鋼球后,鑄鐵段單耗0.551kg/t,鑄鐵段單價(jià)3600元/t。采用鋼球時(shí)生產(chǎn)單耗0.7kg/t,鋼球單價(jià)5500元/t。因此,介質(zhì)單耗下降21.29%,介質(zhì)成本下降48.48%。上述生產(chǎn)實(shí)踐證實(shí),通過調(diào)整介質(zhì)參數(shù)(尺寸、配比及形狀)均能獲得顯著的節(jié)能降耗效果;而且球徑、裝補(bǔ)球制度和介質(zhì)形狀的調(diào)整均是在不改變選廠原有流程的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,不僅沒有增加投資成本,還獲得了顯著的節(jié)能降耗效果,使介質(zhì)成本降低。其他的節(jié)能途徑,例如采用新型破碎設(shè)備,或是更新磨礦設(shè)備,雖能取得一定的節(jié)能降耗效果,但需要投資上百萬元的成本,即使是改進(jìn)工藝流程也需要上萬元的改進(jìn)費(fèi)用。因此,調(diào)整介質(zhì)參數(shù),形成合理的介質(zhì)制度,是選礦廠不改變現(xiàn)有流程、不增加投資成本而能降低能耗的有效途徑。5破碎晶片的節(jié)能技術(shù)應(yīng)以提高介質(zhì)的機(jī)械能球磨機(jī)的磨礦過程是一個(gè)功能轉(zhuǎn)變的過程,在此過程有3次大的能量損失,各種破碎損失功構(gòu)成的能量損失最