1、引言
當(dāng)前在改進(jìn)磨礦回路效率時(shí)的主要障礙是缺乏對在磨礦機(jī)中物料輸送機(jī)理的了解。對于給定的操作條件，在磨機(jī)中礦漿的流動形式?jīng)Q定礦漿的滯留量和排出磨機(jī)的固體的磨礦時(shí)間分布。礦物顆粒的破碎速率取決于滯留量，所以滯留量很大程度地影響著磨礦過程的效率。因此，工業(yè)磨機(jī)運(yùn)行時(shí)，選擇一套與最大磨機(jī)效率相一致的操作條件是很重要的，對此唯一的可能是能否有效地預(yù)測磨機(jī)滯留量作為操作條件（如球的裝填量、磨機(jī)速度、給礦的礦漿濃度、給料量）和設(shè)計(jì)參數(shù)（如磨機(jī)直徑、長度、提升棒規(guī)格及排礦端耳軸直徑）等的函數(shù)關(guān)系。
最近，許多研究人員進(jìn)行了研究，以建立對球磨機(jī)中物料輸送的了解，這些研究主要是磨礦時(shí)間分布分析及滯留量的測量。幾乎在所有的場合，球磨機(jī)被看作一個(gè)黑箱，所有的信息都來自于對磨機(jī)給礦和磨機(jī)產(chǎn)品的分析。
本研究的目的是促進(jìn)對在濕式球磨機(jī)中礦漿流動機(jī)理的了解。設(shè)計(jì)并制造了一臺半工業(yè)規(guī)模的磨機(jī)，可以用各種操作參數(shù)對礦漿滯留量進(jìn)行連續(xù)測量，所做的實(shí)驗(yàn)用來研究給料量，給礦濃度，磨機(jī)速度，排礦端耳軸直徑對礦漿滯留量、平均磨礦時(shí)間及顆粒粒度分布的影響。
以前在這方面的實(shí)驗(yàn)研究是繁雜的，并且所研究的操作參數(shù)的范圍非常窄，主要是由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備限制操作靈活性，相比而言，在這次研究中建造的半工業(yè)規(guī)模的磨機(jī)是特別設(shè)計(jì)的，可允許操作參數(shù)在很寬的范圍內(nèi)變化，并且使數(shù)據(jù)收集的步驟規(guī)范化。事實(shí)上，在磨機(jī)運(yùn)行中，滯留量的數(shù)據(jù)可以通過在線測量磨機(jī)內(nèi)的重量直接得到，富通新能源生產(chǎn)銷售球磨機(jī)、雷蒙磨粉機(jī)等磨機(jī)機(jī)械設(shè)備。
2、半工業(yè)規(guī)模實(shí)驗(yàn)的建立
半工業(yè)規(guī)模磨機(jī)是∮0.416m×0.641m鋼制圓筒體，筒體上有一個(gè)178mm×127mm的門，用于裝卸磨礦鋼球，磨機(jī)內(nèi)裝有八根寬13mm，高6mm的提升棒，給礦端是一個(gè)150錐、中心孔直徑51mm.并與該孔連接一鼓型給料器。一個(gè)3m長、直徑0.127m的螺旋給料機(jī)，把礦石輸送到鼓型給料器。使用了兩塊排放端蓋( 150)，這樣溢流排礦口的直徑可以是0.102m或0.133m。在溢流口安裝了一個(gè)粗的鋼格柵，防止磨機(jī)內(nèi)的鋼球外溢。磨機(jī)內(nèi)添加鋼球，充填率為磨機(jī)容積的30%~35%，球的直徑為均勻等級分布。
3、實(shí)驗(yàn)
建立一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，直接給出連續(xù)讀取在磨機(jī)中滯留量變化的數(shù)據(jù)，當(dāng)重量指示器顯示值達(dá)到一個(gè)穩(wěn)態(tài)流量，然后系統(tǒng)在沒有任何調(diào)整的情況下運(yùn)行約半個(gè)小時(shí)，從磨機(jī)排礦中取出約一升的備份礦樣，然后改變操作條件。在達(dá)到另一穩(wěn)定狀態(tài)之前，由操作條件變化引起一段時(shí)間變化，系統(tǒng)復(fù)原。
粒度分布的測定，先通過325目濕篩，然后，用篩孔由325到10目的標(biāo)準(zhǔn)套篩進(jìn)行干篩。當(dāng)在磨機(jī)產(chǎn)品中測到相當(dāng)多的細(xì)粒時(shí)，使用一臺米克路特雷克( Microtrac)粒度分析儀來完成較低范圍內(nèi)的粒度分布分析。
4、礦漿滯留量隨時(shí)間的變化
磨礦時(shí)間變化對應(yīng)固體給料量的變化見圖1。在此運(yùn)行期間，裝球量是30%，磨機(jī)轉(zhuǎn)速率是80%，給礦中固體濃度是60%，給礦量變化范圍為14~163kg/h，這些數(shù)據(jù)作為分析磨機(jī)中礦漿滯留量的動態(tài)變化是合適的。
首先，礦漿在通過磨機(jī)耳軸排出之前先充填到溢流口的邊緣。當(dāng)固體以109kg/h的恒定速率給入而填滿有球介質(zhì)的磨面空間，如圖1所示，需一定的時(shí)間。礦漿填入磨礦介質(zhì)空隙的同時(shí)，也在磨機(jī)中集聚。然后，在球的頂部形成一個(gè)礦漿池，在此期間，只有少量的礦漿從磨機(jī)排出。礦漿粘附到磨機(jī)的底部及提升棒上，并從排礦端的頂部通過排礦口自流流出，即礦漿的流出是由于超過排礦板內(nèi)側(cè)外溢的。礦漿液位達(dá)到排礦口的唇緣后，滯留量增加的速率保持恒定，然后，礦漿開始溢流排出且速率迅速增加到與給礦量相一致。當(dāng)?shù)V漿開始溢流排出時(shí)，礦漿滯留量的值約和穩(wěn)態(tài)值相同。
當(dāng)磨機(jī)在較高的給礦濃度下運(yùn)行時(shí)，礦漿開始溢流排出時(shí)的礦漿滯留量高于穩(wěn)態(tài)值，這個(gè)現(xiàn)象是由于磨機(jī)內(nèi)的礦漿濃度連續(xù)變化及在礦漿開始溢流排出和穩(wěn)態(tài)之間粒度分布的連續(xù)變化而形成的，這些變化影響排礦速率和滯留量的穩(wěn)態(tài)值。圖2所示，動態(tài)表現(xiàn)是在達(dá)到較低的穩(wěn)態(tài)值之前，滯留量達(dá)到一個(gè)較高的值。在磨機(jī)中礦漿滯留量在開始溢流排出時(shí)的值和它的穩(wěn)態(tài)值之間的差隨給礦濃度的增加而增加，這可從圖3中在較高給礦濃度下礦漿滯留量的動態(tài)變化曲線看到。
圖1—圖3也表明了磨機(jī)中礦漿滯留量的變化與給礦量的變化相對應(yīng)，滯留量從一個(gè)穩(wěn)態(tài)值到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)值同樣也有變化。但礦漿滯留量隨時(shí)間的變化對所有的給礦濃度值不都是一致的，當(dāng)給礦濃度高于60%時(shí)，磨機(jī)中礦漿滯留量對時(shí)間的曲線，其變化是明顯的。
5、磨機(jī)給礦量的影響
圖4所示為礦漿滯留量與固體給礦量的變化。礦漿滯留量在0~14kg/h時(shí)，隨固體給礦量增加而急劇增加，在更高的給礦量時(shí)礦漿滯留量呈線性增加。在較低的給礦量下，沒有大量的溢流從溢流口的內(nèi)沿流出，磨機(jī)排出的礦漿主要是粘附到提升棒上及從排礦板的項(xiàng)部通過溢流口自流排出。磨機(jī)中的礦漿滯留物主要是非常粘的細(xì)顆粒，沒有大量的漿池形成。當(dāng)給礦量增加時(shí)，相應(yīng)地礦漿在磨礦介質(zhì)的空隙和漿池中積累，礦漿滯留量急劇增加，增加的速率隨著固體給礦量的增加而較高增長，直到礦漿的液位達(dá)到溢流口的內(nèi)沿為止。
磨機(jī)中礦漿的液位達(dá)到溢流排礦口的內(nèi)沿時(shí)，滯留量隨固體給礦量增加而增加的速率突然下降。磨機(jī)內(nèi)礦漿的體積隨著固體給礦量的增加而繼續(xù)增加，以滿足在排礦端礦漿流出的較高速度。事實(shí)上，流體通過明渠從容器內(nèi)溢過導(dǎo)流堰排出的規(guī)律要求排出速率隨著高于溢流堰的礦漿液位的增加而增加。但在漿池中，由于逆向運(yùn)動的鋼球產(chǎn)生的波浪有助于排出礦流，并且磨機(jī)中的礦漿液位變化較僅因溢流堰的機(jī)械作用產(chǎn)生的流動小的多。因此，隨著給礦速率轉(zhuǎn)化成滯留量的邊緣增加量，則滯留體積僅是適度的增加。
礦漿滯留量的增加主要是由于在滯留量中固體部分的增加引起礦漿密度的增加所致，滯留礦漿濃度的增加是磨機(jī)內(nèi)粗粒物料的積累所致。眾所周知，磨機(jī)產(chǎn)品的平均粒徑隨給礦量的增加而急劇增加。例如，當(dāng)?shù)V漿流過管道時(shí)，在管道中的濃度大于給礦和排放的濃度。在管道中和在給礦及排礦中的濃度之間的差異隨在礦漿中的物料的平均粒徑和礦漿中固液相之間的滑移速度的增加而增加，由于滯留礦漿的濃度高于給礦和排礦的濃度，所以固體的平均停留時(shí)間高于液體的平均停留時(shí)間。
滯留量的濃度隨礦漿中物料的變粗而增加，最終，磨機(jī)中礦漿占有的體積幾乎不變，由于磨機(jī)內(nèi)部固體物料的積累，滯留礦漿的重量隨著給料量的增加而增加。
在本研究中建立起的礦漿滯留量和給料量之間的相互關(guān)系與肯伯戈及赫伯斯特的結(jié)果一致。他們發(fā)現(xiàn)，在開路狀態(tài)下運(yùn)行的∮0.76m×0.46m濕式溢流型球磨機(jī)，滯留礦漿的重量以給礦量五倍的增量呈線性增加，而其礦漿給礦中的固體部分維持在重量濃度60%。這個(gè)關(guān)系和克雷姆珀等人提出的模型是一致的，其模型表述稍有不同：根據(jù)在1臺開路配置的∮0.31m×0.61m濕式溢流型球磨機(jī)及一臺∮5.94m×5.15m工業(yè)球磨機(jī)中進(jìn)行的物料輸送研究，歸結(jié)出磨機(jī)中的體積滯留量為磨機(jī)給礦量的5倍，但由于在磨機(jī)中物料的積累，磨機(jī)中的礦漿滯留量的固體部分隨給礦速率而逐級增加。最終，在非常低的固體給料速率范圍內(nèi)，礦漿滯留量隨固體給料速率急劇增加，隨后，在中等到高的給礦速度范圍內(nèi)呈線性增加，該結(jié)果與豪戈等人所闡述的在開路運(yùn)行的+0.31m×0.61m濕式溢流型球磨機(jī)中進(jìn)行的物料輸送研究所得的漿池模型吻合很好。
這些研究者發(fā)現(xiàn)不同的相互關(guān)系，是因?yàn)閺拿恳慌_給定的工業(yè)磨機(jī)得到一套數(shù)據(jù)所包含的只是很窄的礦漿給礦速率。進(jìn)一步而言，大部分在建立這些關(guān)系時(shí)使用的磨機(jī)數(shù)據(jù)是在閉路狀態(tài)下獲得的，在此狀態(tài)下，磨機(jī)的粒度分布和實(shí)際礦漿給礦速率由于分級機(jī)的存在使磨機(jī)排礦的大部分再循環(huán)而變化很大，因而，在給礦速率和固體滯留量的關(guān)系可能取決于磨機(jī)是否在開路或閉路狀態(tài)下運(yùn)行。
6、給礦濃度的影響
圖5所示為礦漿滯留量與給礦中固體含量的變化。這個(gè)曲線基本上表示了三個(gè)不同的區(qū)域。在固體含量為60%~70%的區(qū)域，滯留量隨給礦中固體含量的增加有少量的增加，在70%~75%幾乎維持不變。給礦中固體量超過75%時(shí)，礦漿滯留量急劇增加。
要了解給礦濃度對礦漿滯留量的影響，必須考慮礦漿濃度對礦漿密度和粘度的影響。礦漿密度隨濃度的增加逐漸增加，但礦漿粘度開始是逐漸增加，而在較高濃度下呈指數(shù)增加。
濃度在60%~70%時(shí)，礦漿滯留量的重量增加，部分是由于礦漿體積增加補(bǔ)償了由較高粘度引起的對礦流的阻力的增加。除了礦漿體積的增加之外，磨機(jī)中物料的重量由于礦漿密度的增加也增加。
濃度在70%~75%時(shí)，礦漿密度的增加與礦漿粘度按指數(shù)增加共同影響著磨礦球荷的運(yùn)動，磨礦球荷的肩部和足部位置朝著磨機(jī)的中心移動，有助于減少漿池液位及磨機(jī)中礦漿體積分布，這就抵消了由于礦漿密度和粘度增加引起的礦漿滯留量增加的趨向。
給礦中固體超過75%時(shí)，其足部和肩部位置進(jìn)一步朝著磨機(jī)中心移動，礦漿從磨機(jī)中的排出變得困難了，并且大量的磨礦球荷出現(xiàn)在磨機(jī)排礦端。最終，給礦濃度的連續(xù)增加導(dǎo)致過負(fù)荷的發(fā)生。
在本研究中發(fā)現(xiàn)的礦漿滯留量隨磨機(jī)給礦濃度的變化與豪斯特及拂利的結(jié)果(1972)吻合很好，他們發(fā)現(xiàn)在1臺格子型球磨機(jī)中隨著給礦濃度的增加，礦漿滯留量呈指數(shù)增加。
7、磨機(jī)速度的影響
礦漿滯留量隨磨機(jī)速度的動態(tài)變化見圖6，當(dāng)磨機(jī)的速度從臨界速度的60%變化到70%時(shí)，磨機(jī)的礦漿滯留量幾乎沒有變化，當(dāng)磨機(jī)速度變化在70%到90%的臨界速度范圍內(nèi)時(shí)，礦漿滯留量在約80%的臨界速度時(shí)呈現(xiàn)一最大值。礦漿滯留量在磨機(jī)速度上的依賴性被認(rèn)為是由于在磨機(jī)的礦漿和球荷的分布形態(tài)隨磨機(jī)速度的改變而變化的結(jié)果。
在磨機(jī)速度為60%~70%臨界速度時(shí)，動態(tài)球荷的形態(tài)和其充填空隙幾乎沒有變化，因而，礦漿滯留量仍然沒有變化。當(dāng)磨機(jī)速度從70%增加到80%的臨界速度時(shí)，球荷的肩位明顯提高而足位下降，并且球荷的空隙增加。結(jié)果，更多的礦漿被夾帶到球荷當(dāng)中，漿池的體積也增加了，導(dǎo)致了礦漿滯留量的增加。當(dāng)超過80%的臨界速度時(shí)，充填介質(zhì)的空隙繼續(xù)增加，但由于更多的球處于動態(tài)，致使有效的磨機(jī)球荷容積降低。有效磨機(jī)容積的降低導(dǎo)致礦漿滯留量的降低。
在圖7中，當(dāng)固體給礦量從54kg/h到109kg/h時(shí)，礦漿滯留量顯示了與磨機(jī)速度同樣的變化。并且，給礦中固體含量維持在69.4%。
8、溢流端耳軸直徑和球充填量的影響
當(dāng)改變磨機(jī)的溢流排放端板時(shí)，最大球荷充填率也隨之改變。本研究采用兩個(gè)不同的排礦端直徑，分別可以達(dá)到30%和35%的裝球量。因而，排礦端直徑的影響轉(zhuǎn)變?yōu)樵谀C(jī)中最大裝球量的影Ⅱ向。
圖8中所示礦漿滯留量對應(yīng)于69.4%的給礦濃度，80%的臨界轉(zhuǎn)速，34.5%的裝球量，溢流口直徑0.112m時(shí)的動態(tài)變化。圖9所示礦漿滯留量隨給礦速率的變化是在69.4%的給礦濃度、80%的臨界轉(zhuǎn)速、30%的裝球量，并且對應(yīng)于0.133m的溢流口直徑，34.5%的裝球量對應(yīng)于0.112m溢流口直徑。
在相同給礦速率下，較高的裝球量，由于球充填的體積和漿池液位隨著裝球量的增加及溢流口直徑的減小而增加，其礦漿滯留量也大。如圖9所示，在34.5%和30%的裝球量及高的給礦速率下，礦漿滯留量隨著固體給礦速率呈現(xiàn)直線增加。然而，直線的斜率，也就是礦漿滯留量增加的速率，對于較高的裝球量是較低的。部分原因是由于較大的球充填率對固體物料施加了一個(gè)較高的磨礦作用，因此，在磨機(jī)里的平均粒徑細(xì)得多，由于粗粒缺少，礦漿容易流出而降低了固體滯留量。
礦漿滯留量也被認(rèn)為是在不同固體給礦速率下的裝球量的函數(shù)，如圖10所示，連接固體物料相同給料速率下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的連線在低裝球量的范圍內(nèi)散射，并且向著假設(shè)的占磨機(jī)體積50%的球荷充填率的一個(gè)點(diǎn)收斂。這就證實(shí)了當(dāng)裝球量增加時(shí)，礦漿給礦速率的增加對礦漿滯留量有較少的影響，也證實(shí)了當(dāng)球荷增加時(shí)，隨著裝球量的增加，磨礦作用增加，并且引起滯留量增加的被磨物料粗度的增加也減少。
在本研究中發(fā)現(xiàn)，礦漿滯留量隨著增加裝球量，或減小溢流口直徑而增加的結(jié)果與克雷木珀等人的其他發(fā)現(xiàn)(1989)吻合很好。
9、結(jié)論
新型半工業(yè)規(guī)模實(shí)驗(yàn)的建立使得當(dāng)磨機(jī)運(yùn)行中能夠連續(xù)進(jìn)行滯留量的測量。瞬時(shí)滯留量數(shù)據(jù)表明磨機(jī)內(nèi)的物體不能夠平滑地從一個(gè)穩(wěn)態(tài)變到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)。從它的初始值開始，滯留量的變化超過下一個(gè)穩(wěn)態(tài)值，然后，振蕩一段時(shí)間后，振蕩的幅度慢慢降低，直到達(dá)到穩(wěn)態(tài)。當(dāng)磨機(jī)在惡劣的條件下（高的給礦量，高的給礦濃度和高的磨機(jī)充填率）運(yùn)行時(shí)，振蕩是非常劇烈的，并且可能引起過負(fù)荷。
礦漿滯留量隨固體給礦量而增加，在非常低的給礦速率范圍內(nèi)其增加是急劇的，在由低到高的給礦速率范圍內(nèi)呈線形。給礦濃度高至75%時(shí)，滯留量適度增加，給礦濃度超過75%時(shí)，礦漿滯留量隨給礦濃度呈指數(shù)增加，并且在80%左右達(dá)到過負(fù)荷。礦漿滯留量也隨著裝球量的增加而增加，也就是說，由于溢流口直徑的減小而增加。礦漿滯留量對磨機(jī)速度的曲線在60%到90%的臨界速度范圍內(nèi)，在大約80%的臨界速度時(shí)表明為最大值，富通新能源銷售的球磨機(jī)、雷蒙磨粉機(jī)是客戶們最佳的選擇。
