在“雙碳”戰(zhàn)略與資源稟賦持續(xù)劣化的雙重挑戰(zhàn)下，磨礦過程的高能耗、高排放問題已成為制約選礦行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。針對這一挑戰(zhàn)，江西理工大學(xué)吳彩斌教授團隊系統(tǒng)研究了納米陶瓷球作為新型磨礦介質(zhì)的節(jié)能降耗機制及其工業(yè)應(yīng)用潛力，相關(guān)成果以《瓷球磨礦在金屬礦山中的工業(yè)應(yīng)用研究》為題，實現(xiàn)了《金屬礦山》在線首發(fā)。

我國是礦產(chǎn)資源大國，礦產(chǎn)資源具有稟賦條件差、礦物嵌布粒度細的顯著特征，高效磨礦技術(shù)是實現(xiàn)資源有效開發(fā)利用的關(guān)鍵支撐。傳統(tǒng)磨礦技術(shù)以鋼球為研磨介質(zhì)（簡稱“鋼球磨礦”），至今已擁有逾百年的工業(yè)化應(yīng)用歷史，現(xiàn)行磨礦理論體系亦構(gòu)建于鋼球運動學(xué)基礎(chǔ)之上。該技術(shù)通過鋼球在磨機內(nèi)運動產(chǎn)生的沖擊作用與磨剝作用，實現(xiàn)礦石顆粒的破碎與細化，為后續(xù)分選工序提供符合要求的物料粒度條件。

鋼球磨礦長期面臨如下挑戰(zhàn)：

其一，能量轉(zhuǎn)化效率極低，能源浪費問題突出。鋼球磨礦的有效做功占輸入能量的比例僅為2%~5%，大量能量通過鋼球碰撞損耗、設(shè)備振動、熱量散發(fā)等形式被浪費。據(jù)《國家電網(wǎng)》統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國礦業(yè)磨礦環(huán)節(jié)每年的電力消耗量高達1 400億度，占全國總發(fā)電量的2%以上，僅電耗成本就超過1 000億元。此外，磨礦過程還伴隨著每年約300萬t鋼球消耗，材料成本高達180億元。

其二，過粉碎現(xiàn)象嚴重，造成資源損失。鋼球作為研磨介質(zhì)，其攜帶的能量密度較高，在沖擊磨剝過程中易導(dǎo)致礦物發(fā)生“貫穿式破碎”，不僅目標礦物被過度細化，還可能破壞有價礦物的單體解離形態(tài)，使細泥狀有價礦物難以通過后續(xù)分選工藝回收。據(jù)行業(yè)估算，此類過粉碎導(dǎo)致的每年礦產(chǎn)資源直接損失高達千億元。

其三，鐵質(zhì)污染干擾分選，金屬回收率受抑。在磨礦作業(yè)的潮濕、多電解質(zhì)環(huán)境中，鋼球介質(zhì)表面易發(fā)生電偶腐蝕，產(chǎn)生的鐵質(zhì)污染物會牢固附著于礦物表面，改變礦物表面電化學(xué)性質(zhì)，阻礙浮選藥劑與目標礦物的有效結(jié)合，進而對金屬回收效率產(chǎn)生顯著不利影響。

技術(shù)創(chuàng)新：以瓷代鋼，節(jié)能降耗雙突破：

為從源頭上解決鋼球磨礦存在的共性技術(shù)難題，在國家、省市和企業(yè)等資助下，經(jīng)過十余年產(chǎn)學(xué)研科技創(chuàng)新攻關(guān)，研發(fā)了低碳瓷球磨礦新技術(shù)。該技術(shù)以能量場演化規(guī)律、磨礦動力學(xué)及運動學(xué)規(guī)律、磨浮交互影響機理研究為理論根基，突破了以鋼介質(zhì)為主的常規(guī)技術(shù)框架，構(gòu)建了涵蓋介質(zhì)特性、裝備適配及工藝參數(shù)優(yōu)化的全鏈條創(chuàng)新體系。

理論研究層面，團隊創(chuàng)新性揭示了瓷球低密度特性對磨機內(nèi)能量分配效率、能態(tài)分布模式及顆粒破碎選擇性的作用機制，為低密度介質(zhì)應(yīng)用提供了理論支撐。工程實踐層面，突破傳統(tǒng)認知局限，將瓷球介質(zhì)規(guī)?；瘧?yīng)用于二段磨礦主流程，相較國際主流的細磨及超細磨應(yīng)用場景，拓展了瓷球介質(zhì)應(yīng)用的技術(shù)邊界并重構(gòu)了工藝流程。產(chǎn)業(yè)化層面，該技術(shù)已覆蓋鎢、銅、鐵、鋰等多種礦物類型，累計建成工業(yè)示范線30多條，為磨礦技術(shù)向低碳節(jié)能的高質(zhì)量發(fā)展模式提供動力。

創(chuàng)新點1：探明了瓷球磨礦過程能量演變規(guī)律，揭示了不同介質(zhì)密度下能量分配特征，確立了瓷球磨礦能高效節(jié)能的技術(shù)路徑。

通過深入解析磨機內(nèi)部介質(zhì)的運動軌跡與能量傳遞路徑，揭示了瓷球與鋼球在運動學(xué)特性及能量轉(zhuǎn)化機制方面存在的本質(zhì)差異。鋼球因其高密度（7.8 t/m）特性，盡管其單次碰撞能量較高，但整體碰撞概率偏低；更重要的是，鋼球系統(tǒng)中，輸入能量以勢能形式存在為主，動能轉(zhuǎn)化效率受充填率嚴重制約，大量能量在沖擊與無效摩擦過程中被耗散，導(dǎo)致有效能量利用率極低。而瓷球憑借其低密度（3.6 t/m）特性，在磨機內(nèi)表現(xiàn)為拋落軌跡更遠、運動范圍更廣。隨著充填率增加，瓷球系統(tǒng)中勢能占比下降，動能轉(zhuǎn)化效率顯著提升。其以“高頻低能”的碰撞模式主導(dǎo)礦石破碎過程，使能量在磨機內(nèi)部分布更為均勻，有效降低了無效能量耗散，從而在保證相同磨礦效果的前提下，顯著降低了單位磨礦能耗。

創(chuàng)新點2：揭示了瓷球磨礦沿晶界斷裂的作用機制，探明了礦物表面形貌特性與浮選行為的協(xié)同效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了瓷球磨礦是提高金屬回收效率的技術(shù)關(guān)鍵。

通過對瓷球與鋼球在破碎速率、磨礦能耗及產(chǎn)品粒度分布等方面的系統(tǒng)對比，研究表明瓷球的破碎行為主要依賴于其表面均勻的研磨作用，而非鋼球依賴的高能量沖擊機制。盡管瓷球在粗顆粒破碎時的瞬時速率略低于鋼球，但其能顯著抑制過粉碎現(xiàn)象，大幅降低-10 μm過粉碎粒級的生成速率。在介質(zhì)總質(zhì)量相同的條件下，瓷球憑借更大的比表面積，顯著提高了與礦物的有效碰撞頻率。尤其在處理細顆粒礦物時，瓷球的磨礦效率優(yōu)于鋼球。此外，在礦漿化學(xué)環(huán)境方面，瓷球磨礦從源頭上杜絕了鐵質(zhì)污染，有效避免了因礦物與鋼球間電偶腐蝕而產(chǎn)生的Fe³⁺及親水性氧化物（如FeOOH）對礦漿體系的負面影響。瓷球磨礦系統(tǒng)表現(xiàn)出更高的溶解氧含量和更適宜的pH值，為黃藥等捕收劑的吸附提供了更有利的化學(xué)環(huán)境。

創(chuàng)新點3：發(fā)明了低碳瓷球磨礦成套新技術(shù)，開創(chuàng)瓷球磨礦應(yīng)用新紀元。

首創(chuàng)無鋼球磨礦新工藝，開創(chuàng)了碎磨全流程高效低碳生產(chǎn)新局面。引領(lǐng)了多段分級工藝下瓷球磨礦應(yīng)用的發(fā)展，系統(tǒng)解決了磨礦過程中能耗高、材耗大的技術(shù)難題。根據(jù)礦石特性和工藝特點，提供“因地制宜”的瓷球磨礦應(yīng)用方案，并率先在柿竹園礦山實現(xiàn)推廣，有效降低了礦山企業(yè)生產(chǎn)成本。并且，提出以瓷球為主、鋼球為輔的新型磨礦技術(shù)，通過結(jié)合鋼球沖擊和瓷球研磨實現(xiàn)磨礦過程中能量分配優(yōu)化，達到磨礦效率提升和能耗降低的雙重效果，并成功推動瓷球磨礦技術(shù)在黑色金屬領(lǐng)域迅速普及。

瓷球磨礦研究成果獲2024年度江西省科學(xué)技術(shù)進步一等獎。

引用格式

吳彩斌,方鑫,廖寧寧,等.瓷球磨礦在金屬礦山中的工業(yè)應(yīng)用研究[J/OL].金屬礦山,1-12[2025-11-13].

作者簡介

吳彩斌

博士、二級教授、博士生導(dǎo)師

國內(nèi)著名磨礦專家，澳大利亞昆士蘭大學(xué)訪問學(xué)者，霍英東教育教學(xué)獎獲得者，現(xiàn)任江西理工大學(xué)科技處處長。入選江西省新世紀百千萬人才工程人選、江西省教學(xué)名師（金牌教授）、江西省最美科技工作者，是國家一流課程《粉體工程》負責(zé)人。長期從事磨礦過程優(yōu)化與低碳新技術(shù)研究，主持國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等國家級、省部級科技項目近20項，主持完成礦山企業(yè)委托項目40余項，獲江西省科技進步獎一等獎2項（均排名1）、中國有色金屬工業(yè)科技進步獎一等獎2項（均排名1）、冶金礦山企業(yè)科技進步獎一等獎1項（排名2）；授權(quán)發(fā)明專利11項，軟件著作權(quán)3項；出版專著1部，發(fā)表SCI高水平論文50余篇，入選中國知網(wǎng)高被引學(xué)者TOP5%名單；主持4項科技成果通過鑒定，達到國際領(lǐng)先水平。研究成果在中國寶武、中國五礦、江西銅業(yè)、江西鎢業(yè)、金鉬股份、廈門鎢業(yè)等礦山選礦廠得到工業(yè)化應(yīng)用，每年為企業(yè)創(chuàng)造節(jié)能降耗效益超5億元。

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學(xué)會主辦，主編為中國工程院王運敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學(xué)文摘（CA）、美國劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)數(shù)據(jù)庫（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價值或工程推廣價值的研究成果，優(yōu)先報道受到國家重大科研項目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國科技信息研究所發(fā)布的《2024中國科技期刊引證報告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國知網(wǎng)發(fā)布的《中國學(xué)術(shù)期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

供稿：楊 婷

編排：余思晨

審核：王小兵

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