Мельницы и контуры доизмельчения: руководство по стадийному измельчению

Ключевые выводы

• Мельница доизмельчения измельчает черновой концентрат или питание перечистки до более тонкого класса, чем первичное измельчение. Таким образом, тонкое измельчение применяется только к потоку, содержащему ценные минералы.
• Более тонкое измельчение стальными мелющими телами может снижать извлечение. На предприятии Mount Isa добавление шаровых и башенных мельниц общей мощностью 6 МВт повысило раскрытие сфалерита на 18 %, но извлечение цинка — лишь на 7 %.
• Доизмельчение с инертными мелющими телами изменило эту ситуацию. После установки мельниц IsaMill общей мощностью 4 МВт в цинковом контуре Mount Isa раскрытие выросло на 4 %, а извлечение цинка — на 10 %.
• В опубликованном сравнении для получения одинакового P80 32 мкм мельнице IsaMill™ потребовалось 17 кВт·ч/т против 24 кВт·ч/т у шаровой мельницы доизмельчения.

Именно на стадии доизмельчения во многом определяется конечное извлечение на обогатительной фабрике. Измельчение относится к наиболее энергоёмким стадиям переработки минерального сырья и, в зависимости от руды и схемы, может составлять до 50 % общих затрат на переработку. Однако при первичном измельчении многие ценные минералы раскрываются не полностью. Они переходят в черновой концентрат в составе сростков, которые необходимо дополнительно измельчать для отделения ценных минералов от пустой породы, повышения качества концентрата и общего извлечения.

Грамотно спроектированный контур доизмельчения не просто уменьшает крупность. Он позволяет сохранить более крупный продукт первичного измельчения, расходовать энергию только на небольшой поток, которому требуется доизмельчение, и получать чистые поверхности минералов, хорошо поддающиеся флотации. Неудачная схема увеличивает циркулирующие нагрузки, ухудшает химические условия флотации и потребляет энергию без сопоставимого прироста извлечения. В статье рассматриваются принципы проектирования контуров измельчения, разработанные Glencore Technology на Mount Isa, влияние мельниц с перемешиваемой средой и инертными мелющими телами на доизмельчение, а также распространение этого подхода на более крупное измельчение.

Что такое мельница доизмельчения и почему доизмельчение важно?

Мельница доизмельчения обрабатывает промежуточный флотационный поток, обычно черновой концентрат или питание перечистки, до более тонкой крупности, чем первичное измельчение, чтобы раскрыть сростки и извлечь ценные минералы. Доизмельчение позволяет следовать простому правилу: не измельчать сильнее, чем необходимо. Измельчение требует значительных затрат, поэтому на каждой стадии следует раскрывать только необходимые минералы и извлекать их сразу после раскрытия.

На практике это означает более крупное измельчение перед черновой флотацией и последующее доизмельчение меньшего объёма чернового концентрата. Такое стадийное измельчение существенно снижает суммарное энергопотребление. Свинцово-цинковая обогатительная фабрика Mount Isa демонстрирует этот подход в промышленном масштабе.

Источник: Pease et al., «Transforming Flowsheet Design with Inert Grinding: the IsaMill™» (Glencore Technology), рисунок 8.

Почему среда измельчения важна при доизмельчении?

Среда измельчения важна, поскольку стальные мелющие тела загрязняют поверхности минералов, причём в контуре доизмельчения это происходит с потоком, наиболее близким к конечному концентрату. При использовании стальных тел на поверхности минералов образуются покрытия из гидроксидов железа. Эффект усиливается в мельницах вторичного измельчения и доизмельчения, поскольку образуется больше тонких частиц и возрастает расход стали. При использовании стальных тел стадийное доизмельчение становится гораздо менее привлекательным из-за ухудшения флотационной химии.

Опубликованные Glencore Technology данные Mount Isa наглядно показывают эту разницу.

Источник: Pease et al., «Transforming Flowsheet Design with Inert Grinding: the IsaMill™» (Glencore Technology).

При использовании стальных тел часть прироста раскрытия терялась вследствие ухудшения химических свойств поверхности. При использовании инертных тел извлечение росло сильнее, чем раскрытие: чистые поверхности позволяли отделять тонкие раскрытые частицы сфалерита, ранее ошибочно попадавшие в свинцовый концентрат, и обеспечивали эффективную флотацию мелких частиц.

Аналогичный эффект наблюдался и на других предприятиях. На медно-золотоизвлекательной фабрике Prominent Hill, введённой в эксплуатацию в 2009 году, мельница IsaMill™ M10000 мощностью 3 МВт с керамическими телами диаметром 3,5 мм доизмельчает черновой концентрат до P80 20–25 мкм для раскрытия содержащих фтор минералов пустой породы. Инертная среда предотвращала загрязнение минеральных поверхностей и обеспечила оптимальные результаты флотации с первого дня работы. Дополнительная информация приведена на странице о повышении извлечения при флотации.

Каковы принципы проектирования контура доизмельчения?

Основные принципы: флотировать минералы в узких классах крупности, минимизировать циркулирующие нагрузки и размещать доизмельчение именно там, где необходимо раскрытие. Эти положения основаны на опубликованных Glencore Technology принципах построения флотационных схем.

Флотация минералов в узких классах крупности. Речь идёт не о разделении на пески и шламы, а об учёте особенностей разных минералов в различных частях схемы: извлекать минералы по мере раскрытия, затем доизмельчать оставшиеся сростки и извлекать их на отдельной стадии флотации. Узкое распределение крупности продукта IsaMill™ поддерживает такой подход.

Минимизация циркулирующих нагрузок и применение открытого цикла, где возможно. Если минерал не был извлечён на ранней стадии, ему требуется дополнительное раскрытие либо улучшение поверхностных свойств; и то и другое может обеспечиваться доизмельчением в инертной среде. Тонкие частицы не следует возвращать в начало схемы и смешивать со свежим крупным питанием. Они хорошо флотируются в отдельной секции с подходящими условиями.

Размещение доизмельчения в необходимых точках. IsaMill™ занимает мало места, что позволяет устанавливать мельницы в нескольких точках флотационного контура. По высоте и массе она составляет примерно треть от сопоставимых мельниц и требует минимального объёма бетонных и стальных конструкций, поэтому несколько точек доизмельчения можно разместить и на действующих фабриках.

Работа в открытом цикле возможна благодаря внутреннему сепаратору продукта IsaMill™ вместо грохотов или циклонов замкнутого цикла. Пульпа последовательно проходит через камеры измельчения между дисками, прежде чем выйти из мельницы. Это предотвращает проскок материала без необходимого измельчения и сохраняет узкое распределение крупности без внешнего контура классификации. Glencore Technology также публиковала исследования по интеграции IsaMill™ в технологическую схему Jameson Concentrator.

Сколько энергии позволяет сэкономить мельница доизмельчения с перемешиваемой средой?

В опубликованном исследовании замены шаровой мельницы мельница доизмельчения с перемешиваемой средой потребляла примерно на 29 % меньше энергии при той же задаче. Шаровой мельнице требовалось 24 кВт·ч/т, чтобы получить P80 32 мкм из питания F80 100 мкм. Для IsaMill™ требовалось 17 кВт·ч/т без учёта насоса подачи на циклоны шаровой мельницы.

Преимущества выходят за пределы самой мельницы. В проекте George Fisher на Mount Isa было добавлено 6 МВт мощности измельчения IsaMill™, однако эксплуатационные затраты на тонну питания не увеличились. Снизился расход реагентов, циркулирующая нагрузка между черновой флотацией и перечисткой уменьшилась с 200–300 % до менее 50 %, а переливы пульпы практически исчезли. Снижение циркуляции уменьшило потребность во флотационной мощности, и после установки IsaMill на Mount Isa часть оборудования перечистки цинка вывели из эксплуатации.

Как выбрать мелющие тела для мельницы доизмельчения?

Мелющие тела выбирают достаточно крупными для разрушения самых крупных частиц питания, но не крупнее необходимого для эффективного измельчения тонкого материала. Интенсивность напряжений при каждом взаимодействии пропорциональна кубу диаметра мелющего тела, поэтому при одинаковом материале тел и скорости мельницы удвоение размера увеличивает интенсивность в восемь раз. Слишком мелкие тела приводят к накоплению крупных частиц в мельнице. Слишком крупные неэффективно расходуют энергию на тонкие частицы и ускоряют износ. Glencore Technology применяет коэффициент измельчения восемь для каждого типа мелющих тел, чтобы обеспечить эффективное разрушение.

Если требуется более высокая степень измельчения, применяют последовательные стадии. Например, при F80 питания 400 мкм и целевом P80 14 мкм (коэффициент измельчения 28) на первой стадии используются тела размером 6 мм для уменьшения максимальной крупности, а на второй — 2 мм для завершения энергоёмкого тонкого измельчения. Это повышает эффективность каждой стадии и предотвращает накопление крупных частиц.

Могут ли мельницы с перемешиваемой средой выполнять более крупное измельчение?

Да. Более крупные керамические мелющие тела позволили применять такие мельницы не только для тонкого доизмельчения, но и для более крупного питания. В настоящее время свыше 50 установок IsaMill™ работают с F80 более 100 мкм; их общая установленная мощность составляет 129,4 МВт. Среди наиболее крупных питаний — доизмельчение магнетита на Ernest Henry в Австралии (F80 350–400 мкм) и меди на Las Bambas в Южной Америке и Bozshakol в Казахстане (в обоих случаях F80 около 300 мкм).

На руднике McArthur River Mine две мельницы IsaMill M10,000 мощностью 3 МВт каждая были установлены в открытом цикле для измельчения подрешётного продукта грохотов мельницы SAG до 45 мкм перед флотацией. Это показало, что IsaMill™ является не только мельницей доизмельчения, но и эффективным вариантом для основного крупного измельчения. Пилотные испытания схемы HPGR/IsaMill™ показали снижение удельного расхода энергии на 9,2 % и 16,7 % по сравнению со схемами HPGR/шаровая мельница и конусная дробилка/шаровая мельница соответственно.

Часто задаваемые вопросы

Чем мельница доизмельчения отличается от мельницы первичного измельчения?

Мельница первичного измельчения обрабатывает весь поток руды до крупности, необходимой для черновой флотации. Мельница доизмельчения обрабатывает значительно меньший поток, как правило черновой концентрат или питание перечистки, и измельчает его тоньше, чтобы раскрыть сростки. Поскольку доизмельчается лишь небольшая доля материала, стадийное измельчение сокращает общее энергопотребление по сравнению с тонким измельчением всего питания.

Почему расход энергии при доизмельчении настолько высок?

Эффективность барабанных шаровых мельниц снижается при переходе к более тонкому продукту, так как меньшие мелющие тела передают меньше энергии при каждом контакте. В опубликованном сравнении шаровой мельнице доизмельчения потребовалось 24 кВт·ч/т для достижения P80 32 мкм, а IsaMill™ — 17 кВт·ч/т. Доизмельчение только чернового концентрата вместо всего объёма руды также снижает суммарное энергопотребление.

Как стальные мелющие тела влияют на флотацию?

Стальные тела формируют покрытия из гидроксидов железа на поверхностях сульфидных минералов, снижая селективность флотации, особенно для тонких частиц. На Mount Isa добавление 6 МВт шаровых и башенных мельниц повысило раскрытие сфалерита на 18 %, но извлечение цинка — только на 7 %. При доизмельчении в IsaMill™ с инертными телами прирост извлечения превысил прирост раскрытия.

Что такое стадийное измельчение в переработке минерального сырья?

Это измельчение руды на каждой стадии только до необходимой крупности. Перед черновой флотацией получают более крупный продукт, удаляют пустую породу, а меньший поток чернового концентрата доизмельчают для раскрытия оставшихся ценных минералов. Такой подход сокращает общий расход энергии и позволяет каждой стадии флотации обрабатывать материал с более узким распределением крупности.

Как рассчитывается размер мельницы доизмельчения?

Мельницы с перемешиваемой средой подбирают на основе графика "signature plot", показывающего зависимость удельной энергии от крупности продукта на представительной пробе. Для IsaMill™ результаты таких испытаний масштабируются от лабораторной установки к промышленной в отношении 1:1. Размер мелющих тел выбирают по крупности питания и конечного продукта. Калькулятор IsaMill™ позволяет быстро оценить возможные параметры.

Проектирование следующего контура доизмельчения

Во многом именно доизмельчение определяет извлечение на обогатительной фабрике. Опыт Mount Isa и последующих предприятий указывает на согласованный набор проектных решений.

Измельчайте материал лишь до крупности, необходимой на каждой стадии, и извлекайте минералы сразу после раскрытия. Применяйте тонкое измельчение только к небольшим потокам, содержащим ценные компоненты, а не ко всему объёму руды. Используйте инертные тела, чтобы более тонкое измельчение улучшало, а не ухудшало условия флотации. Проектируйте узкие распределения крупности и низкие циркулирующие нагрузки, применяйте открытые циклы, где возможно. Подбирайте размер тел с учётом максимальной крупности питания и целевого продукта, а при высокой степени измельчения используйте последовательные стадии.

В совокупности эти принципы позволяют сохранить более крупный продукт первичного измельчения, сократить суммарные энергозатраты и увеличить как извлечение, так и качество концентрата. Они также применимы к более крупному измельчению: сегодня мельницы с перемешиваемой средой работают с крупностью питания, ранее характерной только для шаровых мельниц.

Каждое месторождение уникально, поэтому контур доизмельчения следует проектировать на основании испытаний представительных проб. Если вы оцениваете существующую схему, планируете модернизацию действующей фабрики или проектируете новый контур измельчения, обратитесь к нашей команде по вопросам испытаний "signature plot", выбора мелющих тел и конфигурации схемы. Примеры действующих установок доступны в библиотеке технических публикаций IsaMill™.

Tехнические источники

• Pease, J.D., Curry, D.C., Barns, K.E., Young, M.F. and Rule, C. Transforming Flowsheet Design with Inert Grinding: the IsaMill™. Glencore Technology technical paper.
• Gurnett, I., Martin, S. and Stieper, G. Coarse Grinding on an IsaMill™? Glencore Technology.
• Ellis, S. Ultra Fine Grinding: A Practical Alternative to Oxidative Treatment of Refractory Gold Ores. Kalgoorlie Consolidated Gold Mines.
• Glencore Technology. IsaMill™ 2020 Compendium of Technical Papers.