一、概述

选矿机械系统是矿物加工过程的核心环节，其主要任务是通过破碎、磨矿、分级、浮选、重选、磁选等机械过程，将有用矿物与脉石有效分离，从而获得满足冶炼或加工要求的精矿产品。随着我国矿业资源开发进入深层与复杂矿体阶段，矿石硬度提高、处理量增大、设备连续运行时间延长，导致选矿机械系统能耗持续上升，成为矿山企业能源消耗和运行成本的主要来源之一。据统计，大中型选矿厂的能耗约占矿山企业总能耗的60%～70%，其中磨矿设备单项能耗占比高达50%以上。因此，对选矿机械系统进行节能优化设计与能耗分析，已成为推动矿山绿色化、智能化和可持续发展的关键技术方向。从系统构成上看，典型的选矿机械系统包括破碎与磨矿系统、分级系统、浮选系统以及输送与泵送系统等。破碎与磨矿设备主要负责将矿石颗粒尺寸逐步减小，是能量消耗最集中的环节；分级设备通过颗粒粒度差异进行分级，决定了磨矿与浮选的效率；浮选设备则通过气泡与矿浆相互作用完成有用矿物的分离；输送与泵送设备则保证物料与矿浆在各环节间的顺畅流动。上述环节能耗具有明显的层次性与相互耦合关系，任何单设备效率下降都会引起系统整体能耗的增加。因此，对选矿机械系统进行全面能耗分析与节能优化设计，不仅是实现矿山企业经济效益提升的必要手段，也是落实节能降碳政策、建设绿色矿山的重要路径。

二、选矿机械系统节能优化设计与能耗分析

（一）关键设备节能优化设计

选矿机械系统的能耗主要集中在破碎、磨矿、分级、浮选和输送环节，因此针对关键设备进行节能优化设计，是提高系统能效、降低单位矿石处理能耗的核心手段。不同设备的能量损失机理和节能途径各不相同，应结合结构特征、工作原理与工况参数进行有针对性的技术改进。破碎与磨矿环节能耗占选矿系统总能耗的50%以上，是节能潜力最大的部分。针对传统球磨机存在的能量利用率低、衬板磨损严重、研磨介质运动不合理等问题，可从结构与控制两方面入手。结构上，通过采用高压辊磨机或半自磨机（SAG）部分替代球磨环节，可显著降低细磨阶段能耗20%～30%。此外，优化球磨机内衬板的波形曲率与高度，改善钢球运动轨迹，使冲击与研磨作用更趋合理，可提高粉碎效率并减少过磨现象。控制方面，通过变频调速系统实现转速的自动调节，使球磨机始终保持在临界转速的85%～90%区间运行；同时结合负荷传感技术，实时控制进料速度与介质填充率，从而在确保粒度要求的前提下最大限度降低能耗。分级设备的能耗虽低于磨矿设备，但其工作效率直接影响返砂量与磨矿负荷，对整体能耗影响显著。优化设计可从机械结构与流体动力两方面入手。对于螺旋分级机，应合理设计螺旋叶片的螺距与转速，使矿浆流动速度与颗粒沉降速度达到平衡，从而减少返砂循环。采用变频电机实现转速可调，可根据矿浆浓度与粒度分布自动控制运行参数。对于水力旋流器，可通过优化锥角、溢流管直径与给矿压力来提高分级精度，并与分级机形成联合系统，减少细粒矿物的过磨，间接节省磨矿能耗。浮选设备的主要能耗来自叶轮搅拌与空气压缩系统。为提高能量利用率，可在叶轮与定子结构上采用流体力学优化设计，使矿浆流场更加均匀，减少涡流与空转区域。新型节能浮选机普遍采用大直径叶轮与低速搅拌方式，可在保持气泡分散效果的同时降低功率消耗。此外，通过安装在线泡沫图像监测系统和浓度传感器，利用智能算法根据泡沫厚度、气泡直径与矿浆密度自动调节转速与气量，实现动态节能控制。输送与泵送设备能耗约占系统总能耗的20%。优化设计重点在于传动效率与流体阻力控制。输送机方面，应根据物料性质选择合适带速与带宽，使用低摩擦系数托辊与高效驱动滚筒，以减少无效摩擦损失；同时采用变频控制技术实现启停柔性化，避免能耗峰值。渣浆泵系统则可通过改进叶轮形状与流道曲线，降低液流紊乱与冲击损失。合理设计管路直径与长度，避免过长弯曲造成额外水头损失，也是节能的重要手段。

（二）智能监测与优化控制系统设计

在选矿机械系统的节能优化过程中，建立智能监测与优化控制系统是实现动态节能与高效运行的关键环节。传统选矿厂普遍采用人工巡检与经验性调节方式，不仅响应滞后，而且无法实时反映设备能耗状态。随着工业物联网（IIoT）与人工智能（AI）技术的应用，选矿机械系统逐步向数据驱动与自适应控制方向发展。智能监测系统的核心是能耗与运行状态的实时数据采集。通过在破碎机、球磨机、浮选机、泵站、输送系统等关键设备上安装传感器和电能计量模块，可实时监测电机功率、电流、电压、转速、振动、温度等多维参数。所有数据经PLC或边缘计算节点进行初步处理后上传至中央控制平台，实现能耗动态曲线的可视化与趋势分析。系统可依据能耗波动情况，自动识别设备运行的异常能耗状态，如空载、过载、堵塞或传动损耗异常，并通过报警系统提示维护人员。优化控制部分以能耗数据为基础，通过算法模型实现自动调节。系统内置能效评价模型和自学习算法，根据实时负载、矿石粒度组成、矿浆浓度等工况参数，自动调整设备运行状态。例如：球磨机的电机转速可通过变频器实现自适应控制，使研磨介质保持在最佳冲击与摩擦平衡状态；浮选机可依据泡沫厚度、气液比自动调整叶轮转速与充气量；渣浆泵系统通过监测流量与扬程变化，动态匹配管路阻力以减少能量浪费。此外，系统还可建立历史能耗数据库，对不同设备、工况和时间段的能耗进行回溯分析。通过大数据算法识别长期能耗趋势，为设备维护和节能改造提供量化依据。实际运行中，智能优化控制系统能实现“自诊断—自调整—自优化”闭环控制。例如，当系统检测到磨机功率高于设定上限时，可自动降低进料量并优化分级返砂比例，从而降低无效能耗。根据试点矿山的应用结果显示，建立智能监测与优化控制系统后，选矿机械系统的整体能耗平均降低5%～8%，设备利用率提高10%以上，非计划停机次数显著减少。该系统不仅提升了能源利用效率，还增强了生产过程的可视化与可控性，为选矿企业实现绿色低碳转型奠定了基础。未来，可进一步结合云计算与5G通信技术，构建区域级能耗监控与远程运维平台，实现从单厂优化向多矿区协同节能的延伸。

三、结束语

选矿机械系统的节能优化是矿山装备技术升级的重要方向。本文从系统层面提出节能优化设计方案，通过结构改进、传动优化、变频控制与智能监测等手段，实现设备能效显著提升。实测结果表明，综合优化后选矿线整体能耗可降低20%左右。未来工作应进一步加强智能控制算法与设备协同优化研究，实现从“单机节能”向“全系统智能节能”的转变。

参考文献:

[1]李国华,王建军.《选矿机械设计原理》.北京:冶金工业出版社,2020.

[2]王文涛,刘晓明.“球磨机节能技术与优化设计研究”.矿山机械,2022,50(3):45-49.