破碎方式對某磁鐵礦石磨礦速度和Bond球磨功指數(shù)的影響

李明宇 陳婉晴 程一存 郭天宇2

（1.撫順罕王傲牛礦業(yè)股份有限公司，遼寧撫順113125；2.中國有色集團撫順紅透山礦業(yè)有限公司，遼寧撫順 113321）

破碎和磨礦作業(yè)的能耗占整個選礦作業(yè)能耗的60%～70%，選用高效的破碎設(shè)備是選礦廠“節(jié)能增效”的有效途徑。不同破碎方式產(chǎn)生的顆粒強度和粒度組成對作業(yè)能耗有極其重要的影響［1-2］。高壓輥磨作為新型高效的細碎設(shè)備，利用“層壓粉碎”的方式破碎礦石，其破碎產(chǎn)品細粒級含量高、顆粒內(nèi)部具有微裂紋，有利于提升磨礦速度，對于后續(xù)磨礦節(jié)能有一定優(yōu)勢［3-8］。目前，已有針對不同破碎方式的對比研究。侯英等［9-10］使用磁鐵礦石和鉬銅礦石的鄂式破碎產(chǎn)品和高壓輥磨破碎產(chǎn)品進行磨礦速度和Bond球磨功指數(shù)對比，得出高壓輥磨產(chǎn)品在粗磨階段磨礦速度快、節(jié)能顯著。曹進成等［11］、劉磊等［12］分別從磨礦速度和磨礦效率角度對比圓錐破碎產(chǎn)品和高壓輥磨破碎產(chǎn)品，得出輥磨產(chǎn)品更易磨，磨礦產(chǎn)品細粒級多、中間產(chǎn)品少，對球磨機產(chǎn)能提升十分有益。

以上試驗樣品來源于試驗室破碎設(shè)備，使用鄂式破碎產(chǎn)品或圓錐破碎產(chǎn)品同高壓輥磨產(chǎn)品進行2種產(chǎn)品各類磨礦性能的比較，并沒有同時反映出3種破碎方式生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品的磨礦性能差別。本研究以工業(yè)破碎設(shè)備的產(chǎn)品為研究對象，對比鄂式破碎、圓錐破碎及高壓輥磨破碎3種產(chǎn)品的磨礦速度和Bond球磨功指數(shù)［13］，試驗研究結(jié)果對破碎流程的設(shè)計及設(shè)備選型有一定的借鑒意義。

1 試樣性質(zhì)及研究方法

1.1 試樣性質(zhì)及來源

試驗樣品取自撫順某單一磁鐵礦選礦廠，取樣位置分別為顎式破碎機排礦皮帶、圓錐破碎機排礦皮帶和高壓輥磨機排礦皮帶。破碎工藝流程見圖1。

該選礦廠采用“三段兩閉路破碎”工藝，原礦最大粒度850 mm，一段粗碎采用顎式破碎機，電機功率200 kW，破碎比i1約為2.83，開路破碎；中碎采用圓錐破碎機，電機功率400 kW，破碎比i2約為10，篩分設(shè)備為圓振動篩；細碎采用高壓輥磨機，電機功率1 250 kW×2，設(shè)定工作壓力9.0 MPa，破碎比i3約為10，篩分設(shè)備為直線振動篩；最終破碎產(chǎn)品粒度約為3 mm。

1.2 樣品處理

顎式破碎機樣品使用PEX-100×125型顎式破碎機繼續(xù)進行破碎，產(chǎn)品全部通過3 mm方孔篩。在生產(chǎn)現(xiàn)場，分別取圓錐破碎機產(chǎn)品和高壓輥磨機產(chǎn)品，并使用3 mm方孔篩篩分，篩下產(chǎn)品用于試驗。分別對3種破碎機產(chǎn)品進行配礦，使3種樣品的各窄級別粒度組成接近。破碎產(chǎn)品粒度分布見圖2。

1.3 試驗方法

使用XMQ240×90球磨機分別對3種破碎產(chǎn)品進行磨礦，磨礦質(zhì)量濃度70%，干礦量0.5 kg/次，鋼球充填率φ=22.36%，球磨機轉(zhuǎn)速n=100 r/min，鋼球配比：φ30 mm 40個、φ25 mm 58個、φ20 mm 90個。磨礦時間分別為3、5、7、9、11、13、15 min。磨礦產(chǎn)品使用0.074 mm標(biāo)準(zhǔn)篩進行篩分。

使用φ305 mm×305 mm Bond功指數(shù)球磨機分別對上述3種破碎產(chǎn)品進行球磨功指數(shù)試驗，球磨機內(nèi)裝有285個鋼球，鋼球總質(zhì)量20.125 kg，鋼球配比為：φ36.5 mm 43個，φ30.2 mm 67個，φ25.4 mm 10個，φ19.1 mm 71個，φ15.9 mm 94個。給礦粒度分別為F80顎破=2.88 mm、F80圓錐=2.83 mm 和F80輥磨=2.91 mm，磨礦產(chǎn)品粒度分別為0.15 mm、0.10 mm和0.074 mm。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 磨礦動力學(xué)試驗結(jié)果與分析

破碎產(chǎn)品磨礦時間與-0.074 mm粒級產(chǎn)率的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知，在相同的磨礦時間下，高壓輥磨破碎產(chǎn)品經(jīng)磨礦后的產(chǎn)品粒度最細。隨著磨礦時間的增加，3種產(chǎn)品的磨礦粒度越來越接近，在磨礦時間為15 min時，圓錐破碎產(chǎn)品和高壓輥磨產(chǎn)品的磨礦粒度基本一致，顎式破碎機產(chǎn)品的磨礦粒度約低3%。

對3種破碎產(chǎn)品分別進行磨礦動力學(xué)分析。磨礦動力學(xué)是指被磨物料的磨碎速率與磨礦時間的關(guān)系。假定磨礦速度（粗級別物料質(zhì)量減少的速度）與該瞬間磨機中未磨好的粗粒級物料成正比［14］，根據(jù)這個假設(shè)可以列出下列關(guān)系：

式中：R為經(jīng)過時間t后粗級別殘留物的累計產(chǎn)率，%；t為磨礦時間，min；k為比例系數(shù)，取決于磨礦條件，負(fù)號表示粗級別減少。

用分離變量法求解公式（1）微分方程，得到：

設(shè)R0為被磨物料中粗級別的原始質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在磨礦開始時，t=0，R=R0，從而C=ln R0。將C值帶入公式（3）得到：

式（5）即為磨礦動力學(xué)方程式。對式（5）取2次對數(shù)，得到：

式中，k和m為比例系數(shù)，由物料性質(zhì)和磨礦條件決定。m值主要取決于被磨物料的均勻性，k值主要取決于磨礦粒度［1］。

對公式（6）中的m和k分別求偏導(dǎo)數(shù)得到：

公式（7）表明k和t不變的情況下，參數(shù)m對篩上物料累計產(chǎn)率R的影響。公式（8）表明m和t不變的情況下，參數(shù)k對篩上物料累計產(chǎn)率R的影響。偏導(dǎo)數(shù)的值是一個關(guān)于時間的函數(shù)。

考慮磨礦動力學(xué)參數(shù)k和m對R減小的影響，取t＞1，如果參數(shù)m對R減少的影響大于k，則對m求偏導(dǎo)數(shù)的數(shù)值要大于對k求偏導(dǎo)數(shù)的數(shù)值，即：

公式（11）表明，當(dāng)磨礦時間t＜e1/k時，參數(shù)k對R的減少（即磨礦速率）起主要影響；當(dāng)t＞e1/k，參數(shù)m對R的減少（即磨礦速率）起主要影響；在t=e1/k附近時，k和m共同影響R的減少（即磨礦速率）。

利用公式（6），使用最小二乘法擬合不同磨礦時間下-0.074 mm產(chǎn)率的數(shù)據(jù)。由于高壓輥磨產(chǎn)品和圓錐破碎產(chǎn)品在磨礦時間大于11 min時，粗粒級殘余量小于5%，而公式（6）適用于粗粒級殘留量5%～100%的情況，為使磨礦條件相同，3種破碎產(chǎn)品的最大磨礦時間選定為11 min，設(shè)置不同的磨礦起始時間，得到磨礦動力學(xué)參數(shù)m和k的值，分別見表1。

依據(jù)表1中的擬合結(jié)果，使用公式（12）進行計算，臨界時間e1/k的最小結(jié)果為2 326，遠遠大于磨礦時間t，說明參數(shù)k對磨礦速率起到主要影響作用，m的影響可以忽略不計。

對于任一破碎產(chǎn)品，進行不同磨礦時間的磨礦動力學(xué)分析。以鄂式破碎產(chǎn)品為例，R0為79.31%。3 min 作為磨礦起點，R3鄂破產(chǎn)品為 47.10%，k3鄂破產(chǎn)品為0.077；5 min作為磨礦起點，R5鄂破產(chǎn)品為31.10%，k5鄂破產(chǎn)品為 0.061；7 min 作為磨礦起點，R7鄂破產(chǎn)品為 19.5%，k7鄂破產(chǎn)品為0.039。該結(jié)果表明：隨著磨礦時間增加，R降低，篩上物料被磨碎的概率降低，同一破碎產(chǎn)品的磨礦速度降低。

對于本試驗的3種破碎產(chǎn)品，進行相同磨礦時間的磨礦動力學(xué)分析。磨礦初始時間為3 min，鄂式破碎產(chǎn)品的 R3鄂破產(chǎn)品為 62.85%，k3鄂破產(chǎn)品為0.077；圓錐破碎產(chǎn)品 R3圓錐產(chǎn)品為55.10%，k3圓錐產(chǎn)品為 0.098；高壓輥磨產(chǎn)品的 R3輥磨產(chǎn)品為 47.10%，k3輥磨產(chǎn)品為 0.129。R3鄂破產(chǎn)品＞R3圓錐產(chǎn)品＞R3輥磨產(chǎn)品，R 越大，礦粒被破碎概率越大，但k3鄂破產(chǎn)品＜k3圓錐產(chǎn)品＜k3輥磨產(chǎn)品，即磨礦速度為 v鄂式破碎產(chǎn)品＜v圓錐破碎產(chǎn)品＜v高壓輥磨破碎產(chǎn)品，其他磨礦時間的R和k也符合這個關(guān)系，該結(jié)果表明：破碎方式對礦粒的可磨性存在影響，高壓輥磨產(chǎn)品的可磨性最好，鄂破產(chǎn)品的可能性最差。

以上分析表明：高壓輥磨產(chǎn)品的可磨性最好，圓錐破碎產(chǎn)品次之，鄂式破碎產(chǎn)品最差。同一破碎產(chǎn)品的磨礦速度隨著磨礦時間的增加而降低。不同破碎產(chǎn)品，隨著磨礦時間增加，顆粒性質(zhì)逐步均勻并接近，磨礦速度逐步接近，破碎方式對磨礦速度的影響逐步降低。

參照上述分析結(jié)論，在實際生產(chǎn)中，利用3種破碎方式產(chǎn)生的粒度相近的破碎產(chǎn)品直接進行磨礦，鄂式破碎產(chǎn)品的可磨性最差，會嚴(yán)重降低球磨機的利用系數(shù)；圓錐破碎產(chǎn)品的可磨性居中，目前，大部分選礦廠的一段球磨機給礦產(chǎn)品為圓錐破碎機的細碎產(chǎn)品；高壓輥磨產(chǎn)品可磨性最好，相同磨礦產(chǎn)品的前提下，磨機利用系數(shù)會有顯著提升。

2.2 Bond球磨功指數(shù)試驗結(jié)果與分析

對3種粒度組成接近的破碎產(chǎn)品進行Bond球磨功指數(shù)測定，給礦粒度分別為F80顎破=2.88 mm、F80圓錐=2.83 mm和F80輥磨=2.91 mm，磨礦產(chǎn)品粒度分別為0.15 mm、0.10 mm和0.074 mm。在閉路磨礦的條件下，按照公式（12）進行計算［15］：

式中：Wib為Bond球磨功指數(shù)，（kW·h）/t；P1為試驗篩孔尺寸，mm；Gbp為球磨機每轉(zhuǎn)新生成的試驗篩孔以下粒級物料量，g/r；P80為產(chǎn)品中80%物料過篩的粒度尺寸，mm；F80為給礦中80%物料過篩的粒度尺寸，mm。

Bond球磨功指數(shù)計算結(jié)果見表2，產(chǎn)品粒度和Bond球磨功指數(shù)關(guān)系見表3。

由表2可知，同一破碎產(chǎn)品，球磨機每轉(zhuǎn)一圈的試驗篩孔以下新生量隨著產(chǎn)品粒度的降低而減少，而Bond功指數(shù)增加。不同破碎產(chǎn)品，在同一磨礦粒度時，球磨每轉(zhuǎn)一圈的試驗篩孔以下新生量：Gbp顎式破碎產(chǎn)品≈Gbp圓錐破碎產(chǎn)品＜Gbp高壓輥磨產(chǎn)品，球磨 Bond 功指數(shù)由低到高為：Wib高壓輥磨產(chǎn)品≈Wib圓錐破碎產(chǎn)品＜Wib鄂式破碎產(chǎn)品。

由表3可知，3種破碎產(chǎn)品的磨礦粒度由0.154 mm降低到0.100 mm時，Bond功指數(shù)增量分別為 4.63kWh/t、4.44 kWh/t和 4.30 kWh/t，高壓輥磨產(chǎn)品功指數(shù)增量最小，鄂式破碎產(chǎn)品功指數(shù)增量最大，破碎方式對Bond功指數(shù)的影響較大；當(dāng)磨礦粒度由0.100 mm降低至0.074 mm時，三者的增量分別為2.55 kWh/t、2.55 kWh/t和 2.54 kWh/t，破碎方式對Bond功指數(shù)的影響減小。

Bond球磨功指數(shù)試驗表明：①在磨礦產(chǎn)品粒度大于0.10 mm時，破碎方式對磨礦的能耗影響顯著，高壓輥磨產(chǎn)品最節(jié)能；當(dāng)磨礦產(chǎn)品粒度小于0.10 mm時，破碎方式對磨礦的能耗影響降低；②同一破碎產(chǎn)品的Gbp隨著產(chǎn)品粒度降低而降低，驗證了“磨礦速度隨著磨礦時間的增加而降低”。不同破碎產(chǎn)品相同磨礦粒度的Gbp隨著磨礦時間增加，差別減小，驗證了“隨著磨礦時間增加，顆粒性質(zhì)逐步均勻并接近，磨礦速度逐步接近，破碎方式對磨礦速度的影響逐步降低”。

3 結(jié)論

（1）磨礦動力學(xué)試驗表明，高壓輥磨產(chǎn)品的可磨性最好，圓錐破碎產(chǎn)品次之，鄂式破碎產(chǎn)品最差。同一破碎產(chǎn)品的磨礦速度隨著磨礦時間的增加而降低。不同破碎產(chǎn)品，隨著磨礦時間增加，顆粒性質(zhì)逐步均勻并接近，磨礦速度逐步接近，破碎方式對磨礦速度的影響逐步降低。

（2）Bond球磨功指數(shù)試驗表明，在磨礦產(chǎn)品粒度大于0.10 mm時，破碎方式對磨礦的能耗影響顯著，高壓輥磨產(chǎn)品最節(jié)能；當(dāng)磨礦產(chǎn)品粒度小于0.10 mm時，破碎方式對磨礦的能耗影響降低。

（3）工業(yè)生產(chǎn)中，高壓輥磨產(chǎn)品作為球磨機給礦最有益，圓錐破碎產(chǎn)品次之。破碎工藝中增加高壓輥磨機，對于增大磨機處理量、降低磨礦能耗十分有益。