工业级半自磨机中陶瓷与钢制研磨球混合使用的性能优化研究及其节能降耗机制解析

本研究针对半自磨机(SAG mill)高能耗、过粉碎等问题，创新性采用陶瓷球与钢球混合介质，通过DEM离散元模拟与实验验证，揭示70%陶瓷球+30%钢球为最优配比，可降低57%能耗与47.3%磨损，为矿物加工领域提供高效节能解决方案。

　　

在矿物加工领域，半自磨机(SAG mill)作为核心设备，其能耗占选矿厂总能耗80%以上，且存在过粉碎、高噪音等问题。传统钢球介质虽破碎效率高，但密度大导致能耗惊人；新兴陶瓷球虽轻质耐磨，但对大颗粒矿物粉碎效率不足。如何平衡破碎效率与能耗，成为制约行业发展的关键瓶颈。

中国国家自然科学基金资助项目团队通过离散元法(DEM)模拟与工业实验相结合，首次系统探究陶瓷/钢球混合介质在SAG mill中的协同机制。研究发现：当陶瓷球占比70%时，钢球提供强力冲击破碎(impact crushing)，陶瓷球则发挥精细研磨(grinding)优势，二者协同使产品粒径分布更均匀，同时实现57%能耗降低与47.3%磨损减少。该成果发表于《Powder Technology》，为工业磨矿工艺革新提供理论支撑。

关键技术包括：1) 基于Rocky?软件的DEM模拟，建立包含60个轨衬的工业级磨机模型；2) 采用XMQ240×90 mm锥形球磨机开展湿法实验，控制矿浆浓度66.7%；3) 对比分析不同比例混合介质下磁铁矿(0.6+0.3 mm)的粉碎效率。

【离散元建模】
通过牛顿第二定律建立颗粒运动方程，模拟介质碰撞能量分布，发现陶瓷球表面接触面积更大，能增强细颗粒研磨效果。

【模拟设置】
采用0.5 m切片模型与周期性边界条件，设定钢球(100 mm)与矿石(20 mm)均为球形，验证了混合介质运动轨迹的协同效应。

【研磨性能】
实验显示70%陶瓷球组在-0.074 mm粒级产率达84.6%，较纯钢球组能耗降低57%，且产品过粉碎率显著下降。

【结论】
该研究证实二元介质可兼顾钢球的冲击力与陶瓷球的研磨优势，70:30为黄金比例。其创新性体现在：1) 通过DEM量化介质碰撞能量分配；2) 提出"冲击-研磨"功能互补理论；3) 建立工业级参数优化体系。该成果对实现"双碳"目标下的绿色选矿具有重要实践价值，已被马鞍山矿业集团南山矿业公司应用推广。