“双碳”目标下球磨机节能降耗技术研究进展_杨俊彦.pdf

综合评述“双碳”目标下球磨机节能降耗技术研究进展杨俊彦，孙浩杰，谷建国，张圣东，游世辉枣庄学院 机电工程学院,山东 枣庄 277160中图分类号：TD921+.4文献标识码：A文章编号：10010076（2023）01016910DOI：10.13779/ki.issn1001-0076.2023.01.017摘要球磨机广泛应用于冶金矿山行业，磨矿作业的动力消耗与金属消耗较大，如何有效降低能耗与金属消耗是一项重要研究内容。主要从磨机自身结构改进、精确化装补球技术、耐磨材料制备技术三个方面进行综述。磨机自身结构改进主要包括以下措施：球磨机大型化、将边缘传动改为中心传动、将滑动轴承改为滚动轴承、改善研磨介质与衬板种类与形状。精确化装补球技术在我国矿山中应用广泛，均不同程度地降低了球磨机的电耗与球耗。耐磨材料制备技术主要围绕锰钢材料、铸铁材料、合金钢材料、双金属复合材料、磁性材料、橡胶材料的设计与制备进行了阐述，主要通过微合金化设计、热处理制度改进达到细化晶粒、转变组织的目的，提高材料的耐磨性，从而降低磨损率。关键词球磨机；节能降耗；磨矿介质；精确化装补球；耐磨材料 引言矿产资源是国民经济建设最基本的原材料，世界上 90%以上的能源、80%以上的工业原料和 70%以上的生产资料均来自于矿产资源1。目前中国的矿产资源以贫细杂为主，选矿工艺是矿产资源回收最有效、成本最低的手段，而磨矿作业又是选矿过程中不可缺少的工序，其磨矿质量往往决定着选矿指标的优劣2。球磨机是磨矿工艺中应用最广泛的设备，它能将矿物磨成细小的颗粒，研磨的目的是把有用的矿物与脉石解离出来，从而为后续分选作业提供合格给矿。然而，磨矿作业的动力消耗和金属消耗很大，通常电耗为630 kWh/t，约占选矿厂电耗的 30%75%，更有甚者达到 85%，磨机的磨矿介质和衬板消耗达到 0.43 kg/t3，如何实现球磨机磨矿过程节能降耗，成为了各大矿业集团与科研工作者研究的热点。根据国家关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见中“做好碳达峰、碳中和工作”的目标要求，到 2025 年，绿色低碳循环发展的经济体系初步形成，重点行业能源利用效率大幅提升，单位国内生产总值能耗比 2020 年下降 13.5%。因此，矿业行业必须主动对接绿色发展和“双碳”行动要求，紧扣行业发展现状和特点，通过绿色转型推动高质量发展，从粗放浪费到集约高效，构建能耗低、排放少的高质量发展新模式，推动矿业行业健康发展。在“双碳”目标背景下，矿业行业面临新机遇和新挑战，自然资源管理部门还专门制定了绿色矿山建设评价指标，将绿色发展理念贯穿于矿业开发全过程。在磨矿过程中，通过改进磨机装配球工艺、更换耐磨衬板与磨矿介质，可有效降低能耗与钢耗，提高选别指标。因此，磨机的节能降耗研究具有重要意义，本文主要从磨机自身结构改进、精确化装补球技术、耐磨材料制备技术三个方面进行综述。1磨机自身结构改造1.1磨机结构以选矿厂最常见的 2.7 m3.6 m 格子型球磨机为例，球磨机是由电机通过联轴器连接减速器，最终带动筒体转动，在此过程中电能转化为机械能效率一般为 90%左右2，而由上述机械能经传动系统转换为磨矿介质的机械能效率一般为 85%左右4，经过两次能量损失后，转换为磨矿介质的机械能大约损耗了20%25%，最终，磨矿介质机械能转换为有用功与破 收稿日期：2022 05 27基金项目：枣庄学院博士科研启动基金项目(BS1020717)；枣庄学院高层次人才团队建设经费项目(5010207)；枣庄市科技发展计划项目(2020GX11)作者简介：杨俊彦（1986），男，山东青岛人，博士，讲师，主要从事矿物综合利用研究，E-mail：。通信作者：游世辉（1962），男，江西萍乡人，博士，教授，主要从事力学与矿物综合利用研究，E-mail：。第 1 期矿产保护与利用No.12023 年 2 月Conservation and Utilization of Mineral ResourcesFeb.2023碎损失功。如表 1 磨矿机的能量平衡表中可见，磨矿介质与衬板之间的摩擦产生的热量占据了破碎损失功的大部分，磨矿过程中能量用于产生新表面积的很少，大部分都通过热量损失，现场球磨排料矿浆温度升高也证实了这一点。因此，磨机节能降耗的途径可以从以下三点入手：（1）进行磨机传动系统结构改进，减少传动过程能量损失，但潜力不大；（2）提高磨矿介质机械能转换效率，潜力巨大，主要措施以精确化装补技术为代表；（3）提高衬板或磨矿介质的耐磨性，从而减少介质损耗，提高衬板的使用寿命，降低生产成本。表 1 磨矿机的能量平衡4Table 1 Energy balance of mill4能量分配管磨机/%三锥磨机破碎矿石/%旋转磨机石灰石粉碎/%三锥磨机硫酸钙矿石/%实验室小振动磨/%工业水泥/%轴承与齿轮的摩擦12.3-56298.214.9筒体放射的热6.421.08.020.08208.722.2粉碎产品带走的热47.626.018.037.0183442.771.6空气带走的热31.019.014.029.0-11.216.3水蒸气带走的热-38.056.0-介质摩擦生热、振动、发声3.0-理想的粉碎效率0.6-0.140.22 1.2球磨机自身结构改造近年来，为了降低能耗，球磨机自身结构改造方面的研究热点主要集中在以下几个方面：第一，提高球磨机的规格，使球磨机大型化，以提高磨机生产率，从而降低电耗。以7.32 m9.60 m 球磨机为例，装机功率达 10 000 kW，相当于 8 台3.6 m6.0 m 球磨机的功率5。6.7 m 以上的大型球磨机与小规格磨机相比，单位矿量电耗可降低 22.7%，球耗降低 14%，耐磨材料单耗降低 33%6。2007 之前，大型球磨机设计制造技术主要掌握在丹麦 FFE Minerals 公司、澳大利亚奥托昆普（现称奥图泰）公司、芬兰美卓公司、德国 Krupp 公司和日本的川崎重工等公司手中。苏联西部贝辰加镍公司安装了两台为6.5 m9.65 m 的球磨机，为当时世界上最大球磨机，每吨矿石碎磨总费用降低了 30%7。2008 年，我国中信重工研发成功7.93 m13.6 m 溢流型球磨机8，装机功率 17 000 kW，采用两个低速同步电动机+气动离合器+小齿轮轴组共同驱动大齿轮，从而带动磨机筒体旋转的驱动方式，是当时国际规格最大、设备配置最高球磨机设备8，此设备也应用在紫金矿业集团股份有限公司紫金山金铜矿，这些改进措施大大降低了磨机的能耗。第二，将滑动轴承改为滚动轴承。孙羽生9在MQG210/300 型球磨机上用 4G30039/800H 型滚动轴承代替滑动轴承，可使电机功率减少、能耗降低，大量的研究结果10-13表明滚动轴承的更换可以降低电机功率 13%20%，电耗降低 8%以上。目前，这项技术也广泛应用在各大矿山的球磨机上14-15。第三，衬板形状改进。球磨机大部分衬板为波浪状，具有耐磨防护与提升钢球的作用，有研究表明效果较好的是使物料及钢球产生抛落运动的衬板，采用0.9 m1.5 m 球磨机进行试验，试验参数如下：球磨机转速为临界转速的 60%，矿浆固体含量 64%，钢球大小为 25.4 mm、38.1 mm、50.8 mm（质量比为 154540），采用角螺旋衬板的电耗要优于果穗状衬板与波纹形衬板，电耗下降 15%16。还有研究表明：在铜山矿3.2 m3.1 m 球磨机中以转速为 18 r/min 的条件下进行试验，采用等厚衬板较波形衬板增产、节能、降耗。然而，也有研究认为物料直径较小时，应该先用波形衬板，此时磨机效率最大；物料直径较大时，应选用低能量碰撞相对较少的矩形或梯形衬板17。除此之外，还有不少技术运用于降低球磨机电耗，采用中心传动取代边缘传动后18-22，有效降低了电耗；提高筒体转速率、改善研磨介质种类与形状，也是最简单有效的措施。三山岛金矿8 000 t/d 选矿厂MQY5.5 m8.5 m 大型球磨机经转速率优化后，磨机电耗降低17.24%23。Lameck 等人24分析了功率消耗对介质形状和操作参数（转速和填充率）的敏感性，当充填率分别为 15和 25时，功率消耗对介质形状都是敏感的。当磨机的速度约为临界速度的 72%时，在圆柱体和球形介质存在的情况下，相同充填率条件下的耗电量是相似的，然而，超过这个速度后，以圆柱体为介质的磨机耗电量减少，而以球状为介质的磨机耗电量增加，以圆柱体为介质的磨机的功率在较低的转速下达到最大。另一方面，以圆柱体为介质的磨机在大于 90%的转速率下达到最大功率，这与球磨机的数据相反。这可能是由于提升器/介质的比例较高导致的，从而需要更多的力量来举起仍然锁在提升器之间的球25。F.Shi26试验结果表明，在相同功率下，以圆柱体为介质的磨机产出的产品表面积较球形介质略微偏大，这也说明在一定条件下，以圆柱体为磨矿介质可以降低 170 矿产保护与利用2023 年电耗与钢耗。在我国，采用钢锻替代钢球有了较为广泛的应用27-28，分别在铁矿29-30、金矿31、磷矿32等矿山球磨机中应用，均不同程度起到了节能降耗的作用。陶瓷球是一种密度低的研磨介质，其密度仅为钢球的一半，应用在卧式球磨机中效果差，然而，将其应用在立式磨机中，可以通过提高转速从而提高磨机效率，最近一项研究表明，应用后可降低能耗 38.5%，降低磨机介质损耗 60%33。同样地，在我国纳米陶瓷球的理论与应用研究较多，大量的研究结果34-41均表明，陶瓷球作为立式磨机的研磨介质可有效降低电耗和损耗，提高磨矿产品的粒度均匀性。但是，随着科技的进步，仍然有大量的技术手段受到技术水平或成本的限制，虽然能够有效节能降耗，但仍然推广缓慢。例如，磁性衬板在我国的铁矿中有广泛的应用42-47，虽能够起到节能降耗的作用，但因为价格高、适应范围窄等，推广应用缓慢。总之，磨机的大型化是解决球磨机能耗高的有效手段，中心传动、滑动轴承、磨矿介质衬板形状改进等方面的技术已经在球磨机中应用广泛，均起到了不同程度的节能降耗效果。但与大型球磨机配套的机械传动技术、摩擦与润滑、磨矿介质与衬板的耐磨材料研究相对滞后，需要加强此方面的基础研究，找到节能降耗的理论支撑。2精确化装补球技术精确化装补球技术提高了磨矿介质机械能转换效率，是球磨机节能降耗的有效手段，该技术是我国著名磨矿专家段希祥教授提出的，广泛应用于全国各类矿山，虽然只是一个半经验公式为主导的技术，但均不同程度地降低了球磨机的电耗与球耗，是一个经过实践证明了的节能降耗技术。2.1理论研究进展磨机自 19 世纪末进入矿业以来，在生产实践中已有百余年的历史，积累了大量经验。然而，磨矿理论研究一直滞后于生产实践，即使是研究最深入的钢球抛落运动状态，其理论结果与生产实际仍存在较大偏差，很难直接计算出实际生产方案。有关装补球的问题，几乎都是通过试验来解决的，试验方法费时费力，且条件与工业应用相差巨大。目前，球磨机的装球和补球方式主要有简易填球法和精确化装补球法。我们知道，多球直径混合磨矿效果优于单球磨矿效果，一种解释是，大矿块应该用大球破碎，而细粒矿石应该用小球破碎。磨矿给料中矿石颗粒大小不一，应采用不同直径的球磨机进行磨矿。另一种解释是，小球填装在较大球隙的中间，强化了矿物单体的解离和研磨，提高了研磨效果。然而，由于填装球的添加是规律的、连续的，即使只添加一种大球，磨损也会使依次添加的球形成自然的大小比例。因此，无论是在初始球中加入大球还是各种混合球，经过一段时间后，初装球所占比例自然会因磨损而消失。因此，磨机中的球荷载是通过添加钢球来形成的，装球方式有多种，而补球方式只需一种简单的装球方式，即只加一个大球。以上就是简易填球法的装补球过程，该方法计算简单，可直接使用半经验公式计算初始球的大小和类型，简化了生产管理。但该方法针对性较差，导致钢球直径过大，研磨效率低，材料消耗大，在践行绿色发展理念的今天是不可取的。在 20 世纪 40 年代，苏联对球磨机的装球方法进行了系统的研究，开发了一