【专题论文推荐】江西理工大学吴彩斌教授：瓷球磨矿在金属矿山中的工业应用研究

在“双碳”战略与资源禀赋持续劣化的双重挑战下，磨矿过程的高能耗、高排放问题已成为制约选矿行业可持续发展的关键瓶颈。针对这一挑战，江西理工大学吴彩斌教授团队系统研究了纳米陶瓷球作为新型磨矿介质的节能降耗机制及其工业应用潜力，相关成果以《瓷球磨矿在金属矿山中的工业应用研究》为题，实现了《金属矿山》在线首发。

我国是矿产资源大国，矿产资源具有禀赋条件差、矿物嵌布粒度细的显著特征，高效磨矿技术是实现资源有效开发利用的关键支撑。传统磨矿技术以钢球为研磨介质（简称“钢球磨矿”），至今已拥有逾百年的工业化应用历史，现行磨矿理论体系亦构建于钢球运动学基础之上。该技术通过钢球在磨机内运动产生的冲击作用与磨剥作用，实现矿石颗粒的破碎与细化，为后续分选工序提供符合要求的物料粒度条件。

钢球磨矿长期面临如下挑战：

其一，能量转化效率极低，能源浪费问题突出。钢球磨矿的有效做功占输入能量的比例仅为2%~5%，大量能量通过钢球碰撞损耗、设备振动、热量散发等形式被浪费。据《国家电网》统计数据显示，我国矿业磨矿环节每年的电力消耗量高达1 400亿度，占全国总发电量的2%以上，仅电耗成本就超过1 000亿元。此外，磨矿过程还伴随着每年约300万t钢球消耗，材料成本高达180亿元。

其二，过粉碎现象严重，造成资源损失。钢球作为研磨介质，其携带的能量密度较高，在冲击磨剥过程中易导致矿物发生“贯穿式破碎”，不仅目标矿物被过度细化，还可能破坏有价矿物的单体解离形态，使细泥状有价矿物难以通过后续分选工艺回收。据行业估算，此类过粉碎导致的每年矿产资源直接损失高达千亿元。

其三，铁质污染干扰分选，金属回收率受抑。在磨矿作业的潮湿、多电解质环境中，钢球介质表面易发生电偶腐蚀，产生的铁质污染物会牢固附着于矿物表面，改变矿物表面电化学性质，阻碍浮选药剂与目标矿物的有效结合，进而对金属回收效率产生显著不利影响。

技术创新：以瓷代钢，节能降耗双突破：

为从源头上解决钢球磨矿存在的共性技术难题，在国家、省市和企业等资助下，经过十余年产学研科技创新攻关，研发了低碳瓷球磨矿新技术。该技术以能量场演化规律、磨矿动力学及运动学规律、磨浮交互影响机理研究为理论根基，突破了以钢介质为主的常规技术框架，构建了涵盖介质特性、装备适配及工艺参数优化的全链条创新体系。

理论研究层面，团队创新性揭示了瓷球低密度特性对磨机内能量分配效率、能态分布模式及颗粒破碎选择性的作用机制，为低密度介质应用提供了理论支撑。工程实践层面，突破传统认知局限，将瓷球介质规模化应用于二段磨矿主流程，相较国际主流的细磨及超细磨应用场景，拓展了瓷球介质应用的技术边界并重构了工艺流程。产业化层面，该技术已覆盖钨、铜、铁、锂等多种矿物类型，累计建成工业示范线30多条，为磨矿技术向低碳节能的高质量发展模式提供动力。

创新点1：探明了瓷球磨矿过程能量演变规律，揭示了不同介质密度下能量分配特征，确立了瓷球磨矿能高效节能的技术路径。

通过深入解析磨机内部介质的运动轨迹与能量传递路径，揭示了瓷球与钢球在运动学特性及能量转化机制方面存在的本质差异。钢球因其高密度（7.8 t/m）特性，尽管其单次碰撞能量较高，但整体碰撞概率偏低；更重要的是，钢球系统中，输入能量以势能形式存在为主，动能转化效率受充填率严重制约，大量能量在冲击与无效摩擦过程中被耗散，导致有效能量利用率极低。而瓷球凭借其低密度（3.6 t/m）特性，在磨机内表现为抛落轨迹更远、运动范围更广。随着充填率增加，瓷球系统中势能占比下降，动能转化效率显著提升。其以“高频低能”的碰撞模式主导矿石破碎过程，使能量在磨机内部分布更为均匀，有效降低了无效能量耗散，从而在保证相同磨矿效果的前提下，显著降低了单位磨矿能耗。

创新点2：揭示了瓷球磨矿沿晶界断裂的作用机制，探明了矿物表面形貌特性与浮选行为的协同效应，发现了瓷球磨矿是提高金属回收效率的技术关键。

通过对瓷球与钢球在破碎速率、磨矿能耗及产品粒度分布等方面的系统对比，研究表明瓷球的破碎行为主要依赖于其表面均匀的研磨作用，而非钢球依赖的高能量冲击机制。尽管瓷球在粗颗粒破碎时的瞬时速率略低于钢球，但其能显著抑制过粉碎现象，大幅降低-10 μm过粉碎粒级的生成速率。在介质总质量相同的条件下，瓷球凭借更大的比表面积，显著提高了与矿物的有效碰撞频率。尤其在处理细颗粒矿物时，瓷球的磨矿效率优于钢球。此外，在矿浆化学环境方面，瓷球磨矿从源头上杜绝了铁质污染，有效避免了因矿物与钢球间电偶腐蚀而产生的Fe³⁺及亲水性氧化物（如FeOOH）对矿浆体系的负面影响。瓷球磨矿系统表现出更高的溶解氧含量和更适宜的pH值，为黄药等捕收剂的吸附提供了更有利的化学环境。

创新点3：发明了低碳瓷球磨矿成套新技术，开创瓷球磨矿应用新纪元。

首创无钢球磨矿新工艺，开创了碎磨全流程高效低碳生产新局面。引领了多段分级工艺下瓷球磨矿应用的发展，系统解决了磨矿过程中能耗高、材耗大的技术难题。根据矿石特性和工艺特点，提供“因地制宜”的瓷球磨矿应用方案，并率先在柿竹园矿山实现推广，有效降低了矿山企业生产成本。并且，提出以瓷球为主、钢球为辅的新型磨矿技术，通过结合钢球冲击和瓷球研磨实现磨矿过程中能量分配优化，达到磨矿效率提升和能耗降低的双重效果，并成功推动瓷球磨矿技术在黑色金属领域迅速普及。

瓷球磨矿研究成果获2024年度江西省科学技术进步一等奖。

引用格式

吴彩斌,方鑫,廖宁宁,等.瓷球磨矿在金属矿山中的工业应用研究[J/OL].金属矿山,1-12[2025-11-13].

作者简介

吴彩斌

博士、二级教授、博士生导师

国内著名磨矿专家，澳大利亚昆士兰大学访问学者，霍英东教育教学奖获得者，现任江西理工大学科技处处长。入选江西省新世纪百千万人才工程人选、江西省教学名师（金牌教授）、江西省最美科技工作者，是国家一流课程《粉体工程》负责人。长期从事磨矿过程优化与低碳新技术研究，主持国家重点研发计划、国家自然科学基金等国家级、省部级科技项目近20项，主持完成矿山企业委托项目40余项，获江西省科技进步奖一等奖2项（均排名1）、中国有色金属工业科技进步奖一等奖2项（均排名1）、冶金矿山企业科技进步奖一等奖1项（排名2）；授权发明专利11项，软件著作权3项；出版专著1部，发表SCI高水平论文50余篇，入选中国知网高被引学者TOP5%名单；主持4项科技成果通过鉴定，达到国际领先水平。研究成果在中国宝武、中国五矿、江西铜业、江西钨业、金钼股份、厦门钨业等矿山选矿厂得到工业化应用，每年为企业创造节能降耗效益超5亿元。

《金属矿山》简介

《金属矿山》由中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司和中国金属学会主办，主编为中国工程院王运敏院士，现为北大中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）、中国精品科技期刊（F5000顶尖学术论文来源期刊）、中国百强报刊、RCCSE中国核心学术期刊（A）、中国期刊方阵双百期刊、国家百种重点期刊、华东地区优秀期刊，被美国化学文摘（CA）、美国剑桥科学文摘（CSA）、波兰哥白尼索引（IC）、日本科学技术振兴机构数据库（JST）等世界著名数据库收录。主要刊登金属矿山采矿、矿物加工、机电与自动化、安全环保、矿山测量、地质勘探等领域具有重大学术价值或工程推广价值的研究成果，优先报道受到国家重大科研项目资助的高水平研究成果。根据科技部中国科技信息研究所发布的《2024中国科技期刊引证报告（核心版）》，《金属矿山》核心总被引频次位列26种矿业工程技术学科核心期刊第1位；根据中国知网发布的《中国学术期刊影响因子年报》（2024版），《金属矿山》学科影响力位居73种矿业期刊第9位。

供稿：杨 婷

编排：余思晨

审核：王小兵

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