锻轧钢球替换铸造磨球技术和经济可行性探讨论文

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　　摘要：伴随矿山由小型化向大型化绿色矿山、智慧型绿色矿山的发展趋势，其碎磨矿装备和工艺技术对磨机用研磨介质(钢球)也提出了新的更高的要求，如需要钢球韧性高不破碎、耐磨损性能强服役周期长、个体之间性能差异小且稳定、碎磨矿效率高节能效果显著等。冶金工艺技术和质量发展以及生产钢球装备的自动化和智能化发展为锻轧钢球质量提升、满足现代化碎磨矿装备和工艺要求奠定了基础。无论是综合技术支撑是锻轧钢球性价比较高都具备全面推广的可行性。

　　关键词：大型绿色矿山；智慧型绿色矿山；锻轧钢球；铸造磨球；性价比；提产降耗

　　钢球作为筒式磨机碎磨物料不可或缺的重要研磨介质，自19世纪30年代起，已经使用了约200年。经历了铸造铁球、锻造普通钢球、铸造合金铁球、锻轧合金钢球四个时代。

　　钢球的发展历程基于矿山的需求和钢球技术的进步。众所周知，小型矿山因装备落后、工艺链长、生产效率低、污染严重已逐步关停。取而代之的是大型化绿色矿山，未来发展趋势必定是智慧型绿色矿山。所谓大型化首先是单位产能大，例如1台10.97×7.16m的半自磨机台效是2000t/h~2300t/h，1台5.03×6.40m球磨机的台效是210t/h~230t/h，由此可见1台10.97×7.16m的半自磨机可以替代10台5.03×6.40m球磨机。磨机直径大型化对钢球提出了新的要求：首先是韧性高不易破碎，其次是耐磨损性能强服役周期长。大型化还体现在碎磨矿流程短、效率高，半自磨机碎磨矿流程同传统“老三段”相比，区别在于一台半自磨机替代了中碎、细碎、粗磨和中磨至少四个环节，既减少了前期设备投资、建设用地，又改善生产环境、提高了设备运行率，同时对钢球的要求又增加了：个体之间性能差异小且稳定、碎磨矿效率高节能效果显著。只有这样的钢球，才能发挥出半自磨机的高效化；只有这样的钢球，才能为智慧型绿色矿山时代早日实现和运行提供保障。

　　铸造钢球工艺因能耗高、污染严重，以及铬元素二次污染水土等严重问题，必将逐步退出历史舞台；铸造产品韧性较低易破碎，单浇次吨位小(2t~5t)产品个体之间差异大等缺陷已经不能满足大型磨机生产工况需求，尤其是大直径半自磨机的高落差冲击碎矿条件。

　　锻轧钢球长足进步得益于冶金工艺迅猛发展，尤其是特钢工艺的成熟和进步，为生产锻轧钢球专用钢材奠定了坚实的基础，无论是直径20mm的小钢球，还是直径180mm的大钢球，都可以通过钢材成分设计和热处理工艺调整，得到外表硬度一致的钢球产品，即钢材淬透性能满足钢球直径要求，使锻轧钢球耐磨损性能得到质的提升。锻轧钢球工艺自动化程度高、中低温成型能耗低、能源为电和天然气，淬火介质为水且循环利用无污染，铬元素含量不到高铬铸造球的二十分之一；锻轧产品韧性高，单浇次吨位大(100t~120t)产品个体之间差异小，不但能满足大型半自磨机的恶劣工况，对球磨机工况也非常适应，尤其是锻轧球比重高、碎矿效率高，更加适合SABC或SAG现代碎磨矿工艺需求。

　　1矿山和钢球现状及发展趋势

　　查阅中国矿产资源规划显示，以及2000年以后中国矿山企业在国内外投资建设的矿山来看，半自磨机工艺即SAG或SABC流程如雨后春笋。例如，国内的中铁资源伊春鹿鸣矿、太钢袁家村矿、中金满洲里矿、中金华泰龙矿、紫金上杭铜三厂、紫金多宝山二期、紫金锌业、紫金巨龙、中铝普朗铜矿、青海黄河矿业等，还有正在建设的吉林天池钼业、宁德时代江西宜春锂矿。国外的中信泰富澳大利亚矿山、中铝秘鲁矿山、五矿秘鲁矿山、中金塞尔维亚矿山、紫金集团刚果金矿山等。以及投产运行多年的力拓集团OT矿、必和必拓集团埃斯康迪达矿、淡水河谷集团巴西铁矿、加纳金田矿、巴里克黄金矿、智利国家铜矿、俄罗斯铜矿、哈萨克斯坦共和国铜矿等。在全球减碳的大背景下，未来矿山发展必定是大型化、节约化、智慧型绿色矿山。这就为韧硬比合理、性价比较高的锻轧钢球提供了广阔的用武之地。

　　据统计，目前国内的太钢袁家村矿、中金华泰龙矿、紫金上杭铜三厂、紫金多宝山一期和二期、紫金锌业、紫金巨龙、中铝普朗铜矿；国外的中信泰富澳大利亚矿山、中铝秘鲁矿山、五矿秘鲁矿山、中金塞尔维亚矿山、紫金集团刚果金矿山；以及投产运行多年的力拓集团OT矿、必和必拓集团埃斯康迪达矿、淡水河谷集团巴西铁矿、加纳金田矿、巴里克黄金矿、智利国家铜矿、俄罗斯铜矿、哈萨克斯坦共和国铜矿等矿山的半自磨机和球磨机全部使用锻轧钢球。只有中铁资源伊春鹿鸣矿、中金满洲里矿的半自磨机用锻轧钢球，球磨机用铸造磨球。

　　全球最大的五家矿用耐磨钢球生产企业分别是MOLYCOP(玛丽卡普)、ME(龙腾)、Goldpro(钢诺)、The MACTO company(马克托)、义乌拉斯(俄罗斯企业)，有四家企业生产锻轧钢球，只有马克托生产铸造球，并且也在逐步关停铸造生产线新增锻轧球生产装备，目前已经同中国兴澄特钢合作成立了兴澄马克托公司，生产锻轧钢球用于替代现有矿山客户的铸造磨球。还有五矿霍邱机械厂关停铸造磨球生产线，新增轧球生产线。鞍钢矿业集团机械厂关停所有铸造生产线，上马年产能12万吨锻轧钢球生产线，以满足内部矿山碎磨矿需求。

　　就全球范围不完全统计，目前铸造球还占有约50%的市场份额，中国和印度是主要的铸造磨球生产基地。随着碳中和、碳达峰的政策落地，铸造工艺缺陷和磨球产品缺陷必将被逐步取缔。

　　2锻轧钢球与铸造磨球产品及工艺优劣介绍

　　2.1锻(轧)钢球产品性能

　　根据中华人民共和国工业和信息化部公布的行业标准YB/T091-2019《锻(轧)钢球》相关性能参数。

　　(1)力学性能：①代号D(Z)QG；公称直径≤90mm或公称直径＞90mm；冲击吸收能量≥12J；落球试验次数≥10000次；钢球硬度(HRC)表面≥60或≥58；钢球硬度(HRC)心部≥52或≥50。②代号D(Z)QZ；公称直径≤90mm或公称直径＞90mm；冲击吸收能量≥12J；落球试验次数≥10000次；钢球硬度(HRC)表面≥55或≥53；钢球硬度(HRC)心部≥50或≥46。

　　(2)钢球冲击吸收能量和落球试验次数一般不做交货依据，如用户需要，由供需双方自行商定。

　　(3)钢球碎球率应小于1%。

　　(4)冲击疲劳失效的冲击次数反映了钢球在该种情况下的冲击疲劳寿命。(如上表显示落球试验次数≥10000次)。

　　(5)落球机的落程为8m。

　　2.2铸造磨球产品性能

　　根据中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标椎化管理委员会联合发布的国家标准GB/T 17445-2009《铸造磨球》相关性能参数。

　　(1)铸造磨球表面硬度参数如下：

　　名称：铬合金铸铁磨球；牌号：ZQCr26；表面硬度/HRC：≥58。

　　名称：铬合金铸铁磨球；牌号：ZQCr20；表面硬度/HRC：≥58。

　　名称：铬合金铸铁磨球；牌号：ZQCr15；表面硬度/HRC：≥58。

　　名称：铬合金铸铁磨球；牌号：ZQCr12；表面硬度/HRC：≥58。

　　名称：铬合金铸铁磨球；牌号：ZQCr8；表面硬度/HRC：≥58。

　　名称：铬合金铸铁磨球；牌号：ZQCr5；表面硬度/HRC：≥58。

　　名称：铬合金铸铁磨球；牌号：ZQCr2；表面硬度/HRC：≥58。

　　(2)牌号为ZQCr26、ZQCr20、ZQCr15和ZQCr12磨球碎球率应小于或等于1%，其他牌号磨球碎球率应小于或等于2%。特殊情况下具体指标由供需双方商定。

　　(3)冲击疲劳失效的冲击次数反映了铸造磨球在该种情况下的冲击疲劳寿命，铸造磨球冲击疲劳寿命应不低于8000次。

　　(4)落球机的落程是3.5m。

　　2.3锻轧钢球与铸造磨球产品性能及检测标准对比

　　(1)锻扎钢球：表面硬度/≥HRC：55~60；落球机的落程：8m；落球试验次数：≥10000次；碎球率：＜1%。

　　(2)铬合金铸铁磨球：表面硬度/≥HRC：45~58；落球机的落程：3.5m；落球试验次数：≥8000次；碎球率：≤1~2%。

　　(3)通过以上数据可以得到对比差值分别为：表面硬度/≥HRC：2~10；落球机的落程：4.5m；落球试验次数：2000次；碎球率：0~1%。

　　通过四项标准对比，可以明显看到锻轧钢球优于铸铁磨球。

　　2.4锻轧钢球与铸造磨球生产工艺对比

　　2.4.1锻扎钢球

　　生产温度：950℃~1050℃；生产效率(规格φφ100mm)：14.35t/h~14.76t/h；生产效率(规格φ100mm)：3500个/h~3600个/h；成材率：97%；淬火介质：水基淬火液；轧制工艺：圆钢→自动输送→中频感应炉加入→旋切滚锻成球→等温传送→滚筒淬火→保温回火→成品包装。

　　2.4.2铬合金铸铁磨球

　　生产温度：大于等于1650℃；生产效率(规格φ100mm)：1.5t/h~2.0t/h；生产效率(规格φ100mm)：366个/h~488个/h；成材率：75%；淬火介质：油基淬火液；轧制工艺：原材料检测(废铁)→配比材料→中频炉加热熔炼→钢模浇注→淬火处理→回火处理→检测→成品包装。

　　2.4.3对比差值

　　生产温度：锻轧钢球比铬合金铸铁磨球生产温度低600℃~700℃；生产效率(规格φ100mm)：锻轧钢球比铬合金铸铁磨球每小时多生产12.35t~13.26t；生产效率(规格φ100mm)：锻轧钢球比铬合金铸铁磨球每小时多生产3012个~3234个；成材率：锻轧钢球比铬合金铸铁磨球高22%。

　　根据《铸球生产线生产耐磨铸球的经济效益分析》等资料显示，并通过生产φ100mm磨球工艺对比，无论是在能耗、生产效率、成材率和环保方面锻轧钢球都具有非常显著的优势。

　　3锻轧钢球与铸造磨球矿山应用情况和经济可行性测算3.1鞍钢矿业集团某选矿厂锻轧钢球替换铸造磨球介绍

　　3.1.1矿石性质

　　矿石硬度：岩石硬度系数f值为16~18。

　　矿石类型：难磨难选矿。

　　矿石组成：赤褐铁矿、磁铁矿、菱铁矿、假象赤铁矿、黄铁矿、石英、绿泥石、其它。

　　3.1.2磨矿设备

　　设备名称：溢流型球磨机；

　　型号及规格：MQY5030mm×6700mm。

　　设备台数：3台。

　　有效容积：126m3。

　　台时能力：270t/h~280t/h。

　　工作转速：14.4r/min。

　　最大装球量：218t。

　　传动齿轮齿数：292/21。

　　主电机型号：TMW-3000-30/2900。

　　主电机功率：3000kW。

　　3.2试验情况简介

　　1系列一次球磨机使用φ110mm锻轧钢球，2系列和3系列一次球磨机均使用φ110mm铸造磨球，试验期间3个系列供应矿石等工况基本一致，取对比试验7个月的数据进行分析。该选矿厂年处理原矿石530万吨。

　　3.3试验结果

　　3.3.1试验期间月度平均台效对比

　　(1)球磨机1系列平均台效：6月284t；7月265t；8月

　　267t；9月237t；10月244t；11月232t；12月248t。7个月平均台效255.3t。

　　(2)球磨机3系列平均台效：6月280t；7月266t；8月257t；9月237t；10月226t；11月229t；12月248t。7个月平均台效247.6t。

　　3.3.2试验期间月度磨球单耗对比

　　(1)球磨机1系列锻扎钢球平均单耗：6月1.6kg/t；7月1.5kg/t；8月1.0kg/t；9月1.0kg/t；10月0.9kg/t；11月1.2kg/t；12月1.1kg/t。7个月平均单耗1.1kg/t。

　　(2)球磨机3系列铸造钢球平均单耗：6月1.7kg/t；7月1.8kg/t；8月1.7kg/t；9月1.7kg/t；10月1.7kg/t；11月1.9kg/t；12月1.8kg/t。7个月平均单耗1.7kg/t。

　　(3)依据试验数据通过测算锻轧钢球全部替换铸造磨球后，提升台效年度可以多创收4221万元。

　　通过台时效率对比，增加7.7t/h，一次溢流粒度提高1.22个百分点，年球磨作业率按照90.5%计算，可多产精矿6.3万多吨，售价按照670元/t，多增加经济收入约为4221万元。

　　(4)依据试验数据通过测算锻轧钢球全部替换铸造磨球后年度可以节省钢球采购费用1484万余元。

　　铸造球年使用量9010(t/年)=年处理原矿石量5300000t×单耗1.7kg/t/1000；锻轧球年使用量5830(t/年)=年处理原矿石量5300000t×单耗1.1kg/t/1000。

　　年节省钢球用量3180t(9010-5830=3180t)，节省比例达到35.29%。

　　铸造球年采购费用5856.5万元=铸造球单价6500(元/t)×年使用量9010(t/年)：锻轧球年采购费用4372.5万元=锻轧球单价7500(元/t)×年使用量5830(t/年)。

　　全部替换后年节省采购费用1484万元(5856.5万元-4372.5万元=1484万元)，节省比例达到25.34%。

　　(5)以上两项合计增收约5705万元。

　　4结论

　　根据《铸造磨球机械化生产线现状和发展》等资料显示，目前，国内钢球年消耗量在200万吨左右，铸造钢球占据半壁江山。随着碳中和、碳达峰政策落地，以及铸造工艺缺陷和磨球产品缺陷，而锻轧钢球工艺和产品的环保、低能耗、较高的性价比等诸多优势，必将成为磨机用研磨介质的主旋律。同时半自磨机吐出的锻轧钢球继续使用到球磨机中的可行性，值得我们继续试验和实践。

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