在“雙碳”戰略與資源稟賦持續劣化的雙重挑戰下，磨礦過程的高能耗、高排放問題已成為制約選礦行業可持續發展的關鍵瓶頸。針對這一挑戰，江西理工大學吳彩斌教授團隊系統研究了納米陶瓷球作為新型磨礦介質的節能降耗機制及其工業應用潛力，相關成果以《瓷球磨礦在金屬礦山中的工業應用研究》為題，實現了《金屬礦山》在線首發。

我國是礦產資源大國，礦產資源具有稟賦條件差、礦物嵌布粒度細的顯著特征，高效磨礦技術是實現資源有效開發利用的關鍵支撐。傳統磨礦技術以鋼球為研磨介質（簡稱“鋼球磨礦”），至今已擁有逾百年的工業化應用歷史，現行磨礦理論體系亦構建于鋼球運動學基礎之上。該技術通過鋼球在磨機內運動產生的沖擊作用與磨剝作用，實現礦石顆粒的破碎與細化，為后續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：

其一，能量轉化效率極低，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、設備振動、熱量散發等形式被浪費。據《國家電網》統計數據顯示，我國礦業磨礦環節每年的電力消耗量高達1 400億度，占全國總發電量的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，過粉碎現象嚴重，造成資源損失。鋼球作為研磨介質，其攜帶的能量密度較高，在沖擊磨剝過程中易導致礦物發生“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，使細泥狀有價礦物難以通過后續分選工藝回收。據行業估算，此類過粉碎導致的每年礦產資源直接損失高達千億元。

其三，鐵質污染干擾分選，金屬回收率受抑。在磨礦作業的潮濕、多電解質環境中，鋼球介質表面易發生電偶腐蝕，產生的鐵質污染物會牢固附著于礦物表面，改變礦物表面電化學性質，阻礙浮選藥劑與目標礦物的有效結合，進而對金屬回收效率產生顯著不利影響。

技術創新：以瓷代鋼，節能降耗雙突破：

為從源頭上解決鋼球磨礦存在的共性技術難題，在國家、省市和企業等資助下，經過十余年產學研科技創新攻關，研發了低碳瓷球磨礦新技術。該技術以能量場演化規律、磨礦動力學及運動學規律、磨浮交互影響機理研究為理論根基，突破了以鋼介質為主的常規技術框架，構建了涵蓋介質特性、裝備適配及工藝參數優化的全鏈條創新體系。

理論研究層面，團隊創新性揭示了瓷球低密度特性對磨機內能量分配效率、能態分布模式及顆粒破碎選擇性的作用機制，為低密度介質應用提供了理論支撐。工程實踐層面，突破傳統認知局限，將瓷球介質規模化應用于二段磨礦主流程，相較國際主流的細磨及超細磨應用場景，拓展了瓷球介質應用的技術邊界并重構了工藝流程。產業化層面，該技術已覆蓋鎢、銅、鐵、鋰等多種礦物類型，累計建成工業示范線30多條，為磨礦技術向低碳節能的高質量發展模式提供動力。

創新點1：探明了瓷球磨礦過程能量演變規律，揭示了不同介質密度下能量分配特征，確立了瓷球磨礦能高效節能的技術路徑。

通過深入解析磨機內部介質的運動軌跡與能量傳遞路徑，揭示了瓷球與鋼球在運動學特性及能量轉化機制方面存在的本質差異。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，鋼球系統中，輸入能量以勢能形式存在為主，動能轉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，在磨機內表現為拋落軌跡更遠、運動范圍更廣。隨著充填率增加，瓷球系統中勢能占比下降，動能轉化效率顯著提升。其以“高頻低能”的碰撞模式主導礦石破碎過程，使能量在磨機內部分布更為均勻，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同效應，發現了瓷球磨礦是提高金屬回收效率的技術關鍵。

通過對瓷球與鋼球在破碎速率、磨礦能耗及產品粒度分布等方面的系統對比，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象，大幅降低-10 μm過粉碎粒級的生成速率。在介質總質量相同的條件下，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，瓷球的磨礦效率優于鋼球。此外，在礦漿化學環境方面，瓷球磨礦從源頭上杜絕了鐵質污染，有效避免了因礦物與鋼球間電偶腐蝕而產生的Fe³⁺及親水性氧化物（如FeOOH）對礦漿體系的負面影響。瓷球磨礦系統表現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環境。

創新點3：發明了低碳瓷球磨礦成套新技術，開創瓷球磨礦應用新紀元。

首創無鋼球磨礦新工藝，開創了碎磨全流程高效低碳生產新局面。引領了多段分級工藝下瓷球磨礦應用的發展，系統解決了磨礦過程中能耗高、材耗大的技術難題。根據礦石特性和工藝特點，提供“因地制宜”的瓷球磨礦應用方案，并率先在柿竹園礦山實現推廣，有效降低了礦山企業生產成本。并且，提出以瓷球為主、鋼球為輔的新型磨礦技術，通過結合鋼球沖擊和瓷球研磨實現磨礦過程中能量分配優化，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在黑色金屬領域迅速普及。

瓷球磨礦研究成果獲2024年度江西省科學技術進步一等獎。

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應用研究[J/OL].金屬礦山,1-12[2025-11-13].

作者簡介

吳彩斌

博士、二級教授、博士生導師

國內著名磨礦專家，澳大利亞昆士蘭大學訪問學者，霍英東教育教學獎獲得者，現任江西理工大學科技處處長。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》負責人。長期從事磨礦過程優化與低碳新技術研究，主持國家重點研發計劃、國家自然科學基金等國家級、省部級科技項目近20項，主持完成礦山企業委托項目40余項，獲江西省科技進步獎一等獎2項（均排名1）、中國有色金屬工業科技進步獎一等獎2項（均排名1）、冶金礦山企業科技進步獎一等獎1項（排名2）；授權發明專利11項，軟件著作權3項；出版專著1部，發表SCI高水平論文50余篇，入選中國知網高被引學者TOP5%名單；主持4項科技成果通過鑒定，達到國際領先水平。研究成果在中國寶武、中國五礦、江西銅業、江西鎢業、金鉬股份、廈門鎢業等礦山選礦廠得到工業化應用，每年為企業創造節能降耗效益超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會主辦，主編為中國工程院王運敏院士，現為北大中文核心期刊、中國科技論文統計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學術論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學術期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區優秀期刊，被美國化學文摘（CA）、美國劍橋科學文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學技術振興機構數據庫（JST）等世界著名數據庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機電與自動化、安全環保、礦山測量、地質勘探等領域具有重大學術價值或工程推廣價值的研究成果，優先報道受到國家重大科研項目資助的高水平研究成果。根據科技部中國科技信息研究所發布的《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種礦業工程技術學科核心期刊第1位；根據中國知網發布的《中國學術期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學科影響力位居73種礦業期刊第9位。

供稿：楊 婷

編排：余思晨

審核：王小兵

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