在矿物加工领域，磨矿是矿石分选前的准备作业，是必不可少的重要环节。磨矿的任务是将矿石磨碎至后续选别作业要求的粒度，其磨矿产品质量的好坏将直接影响到选别作业指标的高低。有资料显示，全世界每年磨矿工艺电力消耗占全世界发电总量的3%～4%左右[1],2019年我国采选业能源消费量占工业能源消费量的5.96%,其中80%～90%用于磨矿，磨矿电能单耗又占选矿厂总成本的50%以上[2]。磨矿是一个重要且高能耗的作业，磨矿介质的应用与磨矿能耗和成本息息相关，其节能降耗受到各大矿山企业的重视，随着陶瓷行业特种陶瓷及纳米技术的发展，磨矿介质中出现了纳米瓷球的身影，纳米瓷球磨矿因其具有磨矿产品粒度分布特性好、过粉碎轻、能有效提高矿物的利用率和品质，同时能耗低、耐磨性好等特点，近年来在国内开始得到了广泛关注、研究和应用，相关文献也有所增加。本文旨在对纳米瓷球磨矿技术进行综述和分析，以期为相关理论研究和应用提供参考和借鉴。

1、纳米瓷球磨矿技术理论研究进展

理论研究是一个技术发展的基础。磨矿过程是一个力学过程，它借助磨矿介质与磨机筒体衬板之间、介质相互之间的相对运动来实现对矿物颗粒的打击和磨剥作用，使矿物颗粒破碎。常用的磨矿介质主要有钢球、钢棒、钢锻、惰性介质(如砾石和矿石自身)等，因不同磨矿介质具有不同的破碎行为方式，造成磨矿理论产生差异。目前对钢球的磨矿力学理论研究最多最成熟，随着新型细磨介质纳米瓷球的出现，国内对瓷球的磨矿理论当前主要集中在磨矿动力学分析、能量分布、提高能量利用率和磨矿产品粒度分布特性等几个方面，还尚未形成一个完整的理论体系。

赖俊全等[3]研究了纳米瓷球作为细磨介质对-0.3 mm铁粗精矿的细磨能力和产品粒度分布特征的磨矿动力学，并与钢锻进行了对比。磨矿动力学研究结果表明，瓷球与钢锻具有相同的磨矿规律，磨矿产品细度均随着磨矿时间的延长而增加；磨矿速度随着粒级的减小，呈现减小的趋势；在磨矿时间相同时，纳米瓷球的细磨能力要比钢锻强，其产品中在0.010～0.074 mm 粒级范围内产率变化比钢锻的更集中且均匀性更好，瓷球对矿物的细磨能力要比钢锻强，能有效控制矿物颗粒的过粉碎。

吴志强等[4]研究了纳米瓷球作为细磨介质时的磨矿能耗和产品粒度分布特征，以柿竹园选厂钨矿石的-2+1.18、-1.18+0.6、-0.6+0.3 mm 3个粒级样为研究对象，利用功率记录仪记录能量，筛分和激光粒度仪测定粒度组成，并与钢球进行了对比。对比结果表明，瓷球与钢球具有相同的产品粒度分布规律，均符合JK的粒度破碎模型；随着给料粒度的变细，瓷球磨矿产品的P80和t10值与钢球的差异变小。在相同磨矿条件下，因瓷球的比重轻，其生产能力低于钢球，但对能量的利用率大，磨矿产品中过粉碎轻，对于细粒级给料的磨矿效果更好，是一种优良的细磨介质。

罗圣乐等[5]对-0.6+0.3 mm的钾长石采用瓷球和钢球为磨矿介质进行了磨矿动力学研究，比较了两种介质对矿物的磨细速度。瓷球与钢球，均符合一阶磨矿动力学模型，其动力学参数k(主要反映磨矿速率)和粒径d均呈幂函数相关，为k=a0+a1dx,并得出了磨矿动力学方程式。对于长石而言，当充填率为40%时，瓷球的动力学方程为R=R0exp[-(0.00506+0.62238d1.49467)t];钢球的动力学方程为R=R0exp[-(0.0022+0.7737d1.26106)t]。比较动力学参数k值发现，各个粒级钢球的k值均大于瓷球的，且k值差值随着粒级的减小而逐渐减小，这表明钢球对长石的磨细速度比瓷球更快，尤其在较粗粒级时，钢球的效果更明显。这为瓷球对粗粒级的磨矿效果不如钢球提供了理论依据。

吴彩斌[6]研究了入磨粒度对瓷球磨矿的影响及能耗特征。研究发现，入磨粒度无论是-3 mm还是-0.3 mm, 采用合适的瓷球配比，瓷球磨矿能达到或接近与钢球一样的磨矿效果。能耗特征研究表明，-3 mm钨矿石入磨，瓷球磨矿单位能耗可下降26.66%,-0.3 mm铁矿石入磨，瓷球磨矿单位能耗可下降51.73%,入磨粒度越细，瓷球磨矿越节能。

2、纳米瓷球磨矿技术市场应用研究进展

纳米瓷球磨矿技术的市场应用是技术发展的重要衡量指标。近十年来，装备水平的进步和科技的发展为瓷球磨矿技术的应用提供了平台，纳米瓷球磨矿技术已成功应用于国内多个行业，如水泥、金属矿山、非金属建材行业等，其中在金属矿山领域的细磨上应用最广泛，应用效果主要体现在节能降耗、提升选别产品的品质及有效降低生产成本等方面。

2.1 在水泥行业的应用

水泥生产行业的粉磨设备以管磨机为主导地位。一般管磨机有多个仓位，各仓内所用的磨矿介质规格不同，通常规律是自进料端向排料端各仓的磨矿介质规格逐渐缩小，以增强介质对水泥料的磨细功能。纳米瓷球比传统的钢球介质密度小、重量轻、硬度高和耐磨性好，但存在脆性大、冲击韧性较低(≤1.5 J/cm2)的不足，因此适宜用在管磨机的二仓以充分发挥瓷球的磨剥作用，提高水泥的磨细效率并且节能。比如Φ4.2 m×13 m两仓的水泥管磨机采用钢球、钢锻为磨矿介质时，磨机的处理能力210 t/h左右，平均每吨水泥电耗约30 kWh; 而当在二仓使用瓷球后，平均每吨水泥电耗可降低到25 kWh以下，按每年磨机产量100万t水泥计算，生产成本可节约300万元，节能效果显著[7]。

尚义华[8]介绍了Φ4.2 m×13 m管磨机二仓使用陶瓷球的应用情况，发现陶瓷球的粉磨能力小于钢锻，闭路生产P·C32.5R水泥时能力下降约1.9%,但系统的电耗降低4.1 kWh/t, 此时瓷球充填率为37%,略高于钢锻的33.6%,提高了瓷球与物料的接触面积。

李红亮等[9]对Φ3 m×11 m二仓开路管磨机进行改造，加长一仓的长度并增加介质级配，隔仓板由单层改为双层的防堵型，并带有物料调整板，二仓改为瓷球磨矿，充填率48.28%,磨机的台时能力由钢球的105 t/h下降至90 t/h, 但粉磨电耗由30.5 kWh/t降低了5.1%,为28.94 KWh/t。

2.2 在金属矿山的应用

纳米瓷球作为一种新型非金属磨矿介质，在金属矿山行业主要应用于二段磨矿和再磨作业，应用效果主要体现在减少介质消耗、降低能耗，避免了有用矿物表面铁质污染，改善了矿物表面性质，提高了选别指标及产品品质。

2.2.1 二段磨矿作业的应用

林圆圆等[10]对安徽某铁矿二段磨矿开展了陶瓷球替代钢球的工业试验，试验结果表明，采用陶瓷球与钢球质量比7∶3的混合加球方式，磨机的台时处理量由329 t/h提升至349 t/h, 提高6.08%;铁精矿品位提高了0.64个百分点；球磨机新生-74 μm粒级含量由16.83%大幅提高至34.13%;磨机电流降幅达45.79%,由51.1 A下降至27.7 A,节能效果明显；球耗由钢球单耗0.193 kg/t下降至0.035 kg/t、陶瓷球为0.015 kg/t, 球耗下降显著，体现了陶瓷球的良好耐磨性。

为降低磨矿作业能耗、实现降本增效的目标，江铜集团对其下属德兴铜矿的泗洲选矿厂、永平铜矿以及贵溪冶炼厂的渣选车间进行了二段磨矿介质替换的工业试验[11]。泗洲选矿厂二段磨矿作业采用Φ2.1 m×3.0 m溢流型球磨机与旋流器闭路，在瓷球充填率35%(钢球的为32%)情况下，磨矿细度与钢球一致为-0.074 mm约占89%,但瓷球的电耗约0.084 kWh/t、单耗约0.005 kg/t, 分别较铬钢球下降58%和82%,经济效益显著；永平铜矿二段磨矿作业采用Φ3.2 m×4.5 m溢流型球磨机与旋流器闭路，瓷球+新型橡胶衬板工业试验结果显示，磨矿产品中难选的-10 μm微细粒级和+106 μm粗粒级的含量均有所降低，适合分选粒级含量上升，铜回收率提高了1.22个百分点，电耗和介质的单耗分别下降66%、57%;贵溪冶炼厂渣选车间采用SAB流程，溢流型球磨机规格为Φ5.03 m×8.3 m, 选用部分瓷球替代部分铬钢球，在瓷球与钢球质量比为7∶3时，能达到全钢球一样的磨矿效果，此时，球磨机的电流由250 A下降为200 A,单耗下降3～4 kWh/t; 瓷球单耗为0.249 kg/t, 较钢球下降55%,节能效果明显。

这些工业试验表明瓷球在以“磨剥为主”的二段磨矿作业应用是可行的，能充分发挥瓷球的特性，不仅可改善磨矿产品的粒度分布特性，还能降低电耗及球耗，降本增效显著。

2.2.2 再磨作业的应用

再磨作业一般指粗精矿或中矿的再磨，属于细磨过程。细磨处理的物料粒度范围窄，磨矿比小，通常给料粒度不超过0.3 mm, 部分甚至小到0.1 mm, 而产品细度为0.074 mm时，磨矿比只有4.1,即使磨至0.038 mm, 磨矿比也只有7.9;矿石细磨时，矿石硬度、产品细度要求、磨矿浓度、充填率等磨矿工艺参数对细磨效果影响很大，磨矿介质的选择对优化细磨效果、提高后续分选指标至关重要。国内对细磨介质的材质、形状、尺寸等做了大量研究，纳米瓷球因能耗低、过粉碎轻、产品粒度分布更均匀等特点已逐渐被认识到，在金属矿山的细磨领域开始得到广泛应用。

袁程方等[12]以柿竹园二段球磨机给矿为样品，在实验室里研究了磨矿时间、磨矿浓度、介质充填率对瓷球、钢锻作为细磨介质时的影响。研究表明，瓷球替换钢锻作为磨矿介质可以有效地减轻过粉碎现象，相同磨矿细度下，功耗要比钢锻低66.54%;相同充填率下，功耗要比钢锻低66.92%。浮选富集效率粗精矿钨回收率比钢锻高10%,因此，瓷球适用于钨矿石的细磨介质，在改善钨磨矿产品粒度特性的同时，避免了铁质污染，让矿浆环境更为纯净，有助于提升浮选指标。

李前进等[13]介绍，使用纳米瓷球为立式搅拌磨的磨矿介质对选锡中矿再磨，其磨矿单耗和补加球量大幅下降，单耗由0.041 7 kg/t 下降到 0.001 3 kg/t, 日常的补加球量由改造前的50 kg/d下降至1.5 kg/d, 成本降低了83.14%。

韩彬等[14]介绍，云南锌铟矿业的都龙矿区是一个大型锌锡铜复杂多金属矿床，对铜粗精矿的立式搅拌细磨作业采用了纳米瓷球为磨矿介质，发现铜精矿品位提高了1%,回收率提高了6%,同时，球耗、电耗下降明显，球耗仅为钢球的六分之一，电耗节约了24%,经济效益良好。金钼汝阳公司在VTM-300立磨机中也采用了纳米瓷球，效果良好，球耗和电耗的成本合计下降了43.73%,立磨机负荷大大降低，延长了磨机螺旋衬板的使用寿命。

廖宁宁等[15]介绍，以某铜硫矿的再磨分级中沉砂样为研究对象，进行了纳米瓷球与钢球为细磨介质的对比试验。在磨矿细度相同时，等质量的纳米瓷球与钢球具有相同的磨矿性能；而当磨矿时间相同时，纳米瓷球比钢球磨得更细；磨至-0.075 mm占80%细度时，纳米瓷球的比能量为0.299 kWh/t, 钢球为0.757 kWh/t, 降幅高达60.50%,此时纳米瓷球合格粒级的产率为70.35%,而钢球为66.60%,提高了3.75个百分点，且纳米瓷球的产品粒度更均匀，节能效果显著。对磨矿产品进行了SEM-EDS检测，结果表明钢球磨矿的矿物表面存在许多絮凝物覆盖，因是铁介质的伽伐尼电偶作用污染了矿物表面；而纳米瓷球磨矿产品的矿物表面光滑，这有利于浮选药剂对矿物表面作用，提高浮选指标。

周洪林[16]介绍，在山东金翅岭金矿浮选金精矿的再磨氰化工艺中，在VTM-400立磨机中应用了纳米瓷球取代钢球，电耗从16.04 kWh/t下降至8.16 kWh/t, 球耗降至0.191元/t, 年节省费用249.15万元；同时浸出液中杂质铁的含量减少了约43%,降低了氰化钠和氧化钙的用量。在安徽的东鑫矿业的二段TGTM-250立磨机中也应用了纳米瓷球，每天瓷球的添加量仅为钢球的四分之一，约25～30 kg, 运行电流下降了三分之一，而产能几乎不减少。

2.3 在非金属粉体行业的应用

刘卫东等[17]介绍因为纳米瓷球的高硬度、耐磨、内外性能一致、不碎球等的突出优点，除在金属矿山作为细磨介质外，还适用于在干磨环境中磨矿，如前述的水泥干磨粉料中替代钢球，也适用于干磨石英粉、锆英粉、氧化铝粉、长石粉以及陶瓷粉等，有的粉体粒度达D50≥0.8 μm, 采用瓷球的直径主要为2.5、13、20、30 mm等。在砂磨机等高速运转(13 m/s)的设备中替代昂贵氧化锆球使用，瓷球直径一般为0.5～1 mm, 可生产纳米级的钛白粉、氧化铝粉、陶瓷材料等，粉体粒度D50≤500 nm。

2.4 在其他方面的应用

纳米瓷球在黄金行业除应用于浮选金精矿氰化前的立磨机的再磨作业外，因瓷球具有耐腐蚀性，还可用于球磨机中实现边磨边浸，实现能耗、球耗、氰化钠的耗量有效降低，改善浸出液质量降低其铁质含量，提高浸出率。秦贞军等[18]介绍，在青海昆仑黄金公司的金精矿氰化流程中，两台MQY1545球磨机采用纳米瓷球代替钢球应用边磨边浸工艺，通过提高瓷球充填率至42%,实现了磨机台时处理量与钢球时基本一致，氰化钠耗量降幅6.28%,金浸出率提高0.23个百分点，吨矿电耗下降34.9%,球耗下降56.67%,年降成本合计90.6万元，在国家双碳目标下，具有很好的推广前景。

袁程方等[19]对广西某炼铜水淬渣开展了艾砂超细磨用纳米瓷球细磨条件下铜的高效回收试验研究。因水淬渣铜的嵌布粒度细，在再磨细度为-0.038 mm占95%时用阶段磨阶段浮选流程，获得了品位18.04%、回收率为88.68%的铜精矿，尾渣品位降至0.18%以下，指标非常理想；同时发现艾砂磨的磨矿产品均匀，浮选效果比钢球磨矿效果好，能耗比塔磨机降低三分之一以上。

3、总结与展望

1)近年来纳米瓷球磨矿技术在国内得到了较广泛的研究和应用，其理论研究和市场应用均取得了一定的进展和成果。在水泥生产行业、金属矿山的细磨领域以及非金属粉体细磨领域的应用实践表明，纳米瓷球可以大幅度降低磨矿介质的消耗和电耗，改善磨矿产品粒度特性，减轻过磨，减少矿物表面铁质污染，减小后续选别过程中药剂的消耗，提高选别指标。因此，纳米瓷球磨矿技术将打破细磨界传统钢质磨矿介质易过磨及产品粒度不均匀的缺陷，具有广阔的应用前景和发展空间，为企业降本增效的同时，助力实现“3060”双碳目标。

2)寻求高效、低能耗、低成本的粉磨新工艺一直是国内选矿界学者致力追求的目标。研究表明，纳米瓷球磨矿技术在合适的入磨粒度无论是-3 mm还是-0.3 mm时，都能达到或接近与钢球一样的磨矿效果，且入磨粒度越小越节能[6]。而高压辊磨机是一种可实现-3 mm或更细入磨粒度的高效碎矿设备，未来完全可以利用高压辊磨机的高效节能特点，在与球磨机或立磨机组成的设备组合中，采用瓷球磨矿技术实现少钢球或无钢球的低能耗、低成本的绿色粉磨新工艺。

3)虽然纳米瓷球磨矿技术的应用研究有了一定的进展，但对其磨矿动力学、磨矿产品的粒度分布特性、能量规律以及瓷球磨矿工艺参数的研究尚未形成一个完整的理论体系，未来需对此进一步深入研究和开发，建立纳米瓷球磨矿产品粒度分布预测模型，为工业应用选择磨机提供理论依据。

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文章来源:余浔.新型细磨介质纳米瓷球技术的研究进展及应用[J].有色金属工程,2023,13(11):76-81.