冬瓜山铜矿SAB磨矿系统提质增效优化实践

康怀斌 颜江渊 伍红强 肖庆飞 高 明 李沛原 高德水

（1.铜陵有色集团控股有限公司冬瓜山铜矿；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；3.昆明理工大学国土资源工程学院；4.省部共建复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室）

20 世纪30 年代第1 台湿式自磨机问世，到1960年使用自磨机因处理量无法达标，在自磨机中添加少量的钢球形成了半自磨。20 世纪80 年代后，随着半自磨装备和工艺技术的成熟，半自磨工艺在国内外得到了广泛运用，相较常规磨矿工艺，半自磨工艺有基建投资低、利用设备大型化、单位磨矿成本低、流程短、劳动力需求少等优点［1-3］。

冬瓜山选矿厂投产初期，半自磨系统存在一系列问题：①处理量低，台效仅270 t/h；②返砂粒度小，最大粒径20 mm，-74 μm 含量50%，过粉碎严重；③负荷高，平均台效270 t/h，电机功率达4 200 kW左右，磨矿能耗偏高；④钢球砸衬板现象严重，强度大、频率高，衬板使用寿命短、成本高。为实现半自磨达产目标，先后通过调整筒体衬板外形、格子板开孔尺寸、补加钢球球径及充填率等手段，使半自磨机处理能力达到设计产能，提高了半自磨机处理能力［4-6］。

生产中半自磨机最终补加φ200 mm 钢球，虽然处理能力达到生产要求，但钢球砸衬板现象严重，筒体衬板寿命缩短至2.5 个月，半自磨机能耗高、球耗高，半自磨机产品中过粉碎粒级含量高，因衬板碎裂导致半自磨机筒体螺栓孔变形严重，为达产达标和SAB磨矿系统的提质增效，冬瓜山铜矿进行了一系列的工艺参数优化研究和实践。

1 冬瓜山铜矿SAB磨矿工艺

冬瓜山铜矿1.3 万t/d 的半自磨系统于2004 年投产使用，半自磨系统采用半自磨+球磨的SAB 磨矿流程，主要设备为1台φ8.53 m×3.96 m 半自磨机和2台φ5.03 m×8.3 m 溢流型球磨机。半自磨排矿端连接圆筒筛进行筛分，筛上物直接返回半自磨，筛下产品进入2组6-φ660 mm旋流器分级系统，分级沉砂分别进入2 台球磨机再磨，分级溢流进入浮选系统，工艺设备联系见图1。

2 半自磨机筒体衬板优化实践

根据磨机中钢球运动规律，半自磨机在运转时，钢球被提升条提高到某一高度泻落或抛落，进而以一定的速度对待磨物料产生冲击、研磨而粉碎物料，如果钢球落点过高或过低，都会影响磨机工作效率［7］。为此，对半自磨机筒体衬板进行了一系列改型优化。

2.1 提升条安装方式

冬瓜山半自磨机筒体衬板为高-低-高的联合形式布置，通过对半自磨机内物料及钢球运动轨迹仿真研究，发现存在钢球冲击衬板的情况，从而降低了磨矿效率并造成了衬板的过早损坏。依据半自磨机现场运行参数设定进行仿真分析，绘制碰撞区颗粒总动能变化趋势曲线（图2），结果显示碰撞区能量分别在63 组取得峰值，说明现有衬板组数56 组不是最优。

根据澳大利亚Conveyor Dynamics Inc 公司2003年为纽克雷斯特矿业改进的衬板，减少提升条组数可减缓夹持现象。因为提升条组数减少，提升条间的间隙加大，夹持现象减缓，并提高了提升条之间物料的容纳量，有利于物料的提升［8］。根据上述分析，采用背向重叠衬板安装形式（图3），相对冬瓜山现有衬板安装形式衬板数量不变，提升条组数由56 组变为28组。

2.2 提升条高度

依据半自磨机现场运行参数设定进行仿真分析，提取碰撞区颗粒总动能分布情况作为评价标准，当组数为28 组，高为255 mm 时，提升条角度为25°或29°时，碰撞区颗粒总动能最大（图4）。

2.3 筒体衬板面角

筒体衬板面角是决定钢球运行轨迹的关键因素之一，面角越小，钢球被提升的越高，钢球撞击衬板的概率就越大［9］。由此可见，合理的筒体衬板面角既有利于最大化地实现钢球的冲击破碎效果，又能有效避免钢球对衬板的冲击磨损。通过分析碰撞区颗粒总动能随角度变化的趋势（图5），得出采用背向重叠衬板提升条组数28、高度255 mm 及角度29°时结果最优。

2.4 筒体衬板优化后现场使用情况

使用优化后的筒体衬板，同步将半自磨机补加钢球球径由φ200 mm 降至φ150 mm，半自磨机运行情况见表1。

由表1 可知，当半自磨机处理能力稳定在545 t/h的情况下，半自磨机补加钢球球径由200 mm 减小到150 mm，有效降低了钢球砸衬板的情况，半自磨机筒体衬板使用寿命由优化前的2.5 个月提高到5.5 个月，同时钢球单耗由0.792 kg/t降低到0.608 kg/t，有效降低了磨矿生产成本。

3 半自磨机出料端衬板优化实践

半自磨机的出料端主要由矿浆提升器与格子板组成，其中矿浆提升器实现提料与排料，格子板的作用是筛分钢球和大粒径矿石，使合格产品从磨机内部进入矿浆提升器的槽腔内。冬瓜山原出料端是直形结构的格子板-提升器，进入提升器内的矿浆不能及时排出、返矿量大，从而导致磨机内大量顽石、残球及部分合格粒级矿石未能及时排出，导致磨矿效率下降。同时，提升器内的返矿也加大了提升器的磨损及功率消耗，特别是矿石难磨时，排矿效率低的弊端尤为明显，未能及时排出的顽石和矿浆使磨机充填率快速上升，从而导致半自磨机功率升高，影响处理量［10-11］。

3.1 弧形格子板-提升器结构优化

通过计算机仿真模拟物料在半自磨机直形与弧形出料端的运行轨迹和排矿效率，发现半自磨机在同样转动一圈的情况下，弧形结构出料端的起始排矿时间更早，结束排矿时间与直形一致。因此，弧形结构具有更长的排矿时间，可有效提高排矿效率。

3.2 弧形格子板-提升器生产实践

保持出料端内圈衬板、中圈衬板不变，把外圈提升器和格子板的结构由直形改为弧形结构。其中，外圈提升器弧度通过离散元模拟分析定型，改进前后外圈提升器与格子板结果见图6。

在格子板-提升器结构优化为弧形后，根据半自磨返砂量和圆筒筛筛下粒度检测情况，考虑到顽石和小钢球对顽石窗的堵塞情况，对顽石窗进行了优化调整，优化前后开孔面积见表2，调整前后顽石窗结构见图7。

弧形出料端衬板安装前后，对半自磨机运行情况进行跟踪统计，见表3。半自磨出料端衬板优化后，半自磨机台效增加至560 t/h，半自磨机运行功率降低150 kW/h，钢球单耗降低2.3%，有效降低了半自磨机的能耗和钢耗，但半自磨排料-74 μm 含量降低了2.3个百分点。

4 半自磨机降低钢球球径的生产实践

半自磨机在使用φ150 mm 直径钢球时，处理能力有富裕。在确保处理能力的基础上，为进一步降低半自磨机运行功率和钢球单耗、延长衬板寿命、优化半自磨排矿粒度组成以减少过粉碎现象，进行了降低钢球球径生产实践。

根据中信重工选型数据库计算软件进行模拟计算（表4），钢球充填率为14.5%时，电机输入功率为4 628 kW，半自磨机排料端筛下产品粒度P80为1.69 mm，半自磨机处理能力为542 t/h，即1.3 万t/d，满足设计处理能力。

根据前期半自磨筒体衬板和出料端衬板优化后半自磨能力富裕的情况，进行了设计补加球径130 mm 钢球的逐步替代试验。试验对半自磨返砂量、半自磨运行功率、半自磨台效、钢球充填率等进行跟踪，并将钢球充填率由8%提高至11%，半自磨处理能力达1.3 万t/d，半自磨钢球球径降低后半自磨运行指标见表5。

由表5 可知，半自磨钢球球径降低后，在确保半自磨处理量的同时，半自磨运行功率降低250 kW/h，钢球单耗降低12.46%，半自磨衬板寿命由5个月增至7 个月，在保证衬板寿命5.5 个月的同时实现了衬板的整体更换，有效降低半自磨能耗和钢耗的同时提高了半自磨开车率，但半自磨排料-74 μm 含量降低了1.4个百分点，半自磨排料粒度变粗。

5 旋流器溢流粒度组成优化生产实践

设计旋流器溢流-74 μm 含量70%，在筒体衬板优化前实际生产中旋流器溢流-74 μm 含量62%～65%，未达到设计要求。为提高磨矿细度，由昆明理工大学与冬瓜山铜矿共同进行提高一段磨矿细度研究，将原仅补加φ90 mm 钢球优化为按φ60 mm 与φ40 mm 比例45∶55 补加，旋流器溢流-74 μm 含量从65.33%提高到70.05%，增加了4.20 个百分点，同时磨矿产品粒度组成较以前有了较大改善。

随着半自磨筒体和出料端衬板优化，半自磨排料粒度变粗，同时为进一步优化溢流粒度组成，利用矿石与多级配介质的能量匹配技术，进一步优化了一段磨矿产品粒度特性，将补加球调整为φ80 mm、φ60 mm、φ40 mm比例40∶40∶20，优化后旋流器溢流-74 μm 从由70.05%提高到73.90%，中间易选级别（10～100 μm）产率提高2.53 个百分点，此外球磨机钢球单耗降低0.083 kg/t。球磨机磨矿细度优化前后球磨机运行参数见表6。

6 SAB磨矿参数优化后指标

SAB 磨矿工艺参数优化后运行参数及指标见表7。

由表7可知，通过对冬瓜山铜矿SAB 磨矿一系列参数优化，半自磨机功率降低400 kW/h，半自磨机钢球单耗降低0.272 kg/t，球磨机钢球单耗降低0.083 kg/t，钢球总单耗降低0.355 kg/t，半自磨机筒体衬板寿命由3.5 个月延长至5.5 个月，并实现了半自磨机衬板的整体更换，提高了半自磨机开车率，旋流器溢流-74 μm 含量提高至73.90%，提高了8.3 个百分点，10～100 μm 易选粒级含量增加至63.04%，提高了8.79个百分点。

通过对冬瓜山铜矿SAB 磨矿一系列参数优化，解决了矿山多年处理能力与节能降耗之间的矛盾；在满足处理量需求的同时，降低了磨矿能耗和钢球单耗，延长了衬板寿命，并实现了半自磨衬板的筒体更换。此外，通过SAB 磨矿整体优化，提高了磨矿细度并优化了粒度组成，为后续提高选别指标提供了有力支撑。

7 结语

（1）通过对半自磨机筒体衬板安装方式、提升高度和衬板面角的优化，对半自磨机出料端弧形格子板提升器结构和顽石窗开孔面积等优化，将半自磨机补加钢球球径从200 mm 降低至130 mm，在不影响半自磨机处理量的同时，半自磨机功率降低400 kW/h，降幅8.51%，半自磨机钢球单耗降低0.272 kg/t，降幅34.18%，半自磨机筒体衬板寿命由3.5个月延长至5.5个月，并实现了半自磨机衬板的整体更换，提高了半自磨机开车率。

（2）针对磨矿细度不达标及半自磨机排料粒度变粗的生产实际，利用矿石与多级配介质的能量匹配技术优化了一段磨矿产品粒度特性，球磨机钢球单耗降低了0.083 kg/t，旋流器溢流-74 μm 含量提高至73.90%，10～100 μm易选粒级含量增加至63.04%，在提高磨矿细度的同时优化了粒度组成，有利于后续选别指标的提高。

（3）冬瓜山铜矿SAB 磨矿系统提质增效生产实践对提高半自磨工艺技术和生产管理水平，提高生产效率，降低能源消耗，健全绿色低碳循环发展体系和碳中和具有积极意义。