侯英，丁亞卓，印萬忠, ，姚金，羅溪梅，王余蓮，孫大勇

(1. 東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽，110004；2. 成都利君實業(yè)股份有限公司，四川 成都，610045；3. 紫金礦業(yè)集團 低品位難處理黃金資源綜合利用國家重點實驗室，福建 龍巖，364200)

磨礦作業(yè)能耗占整個碎磨作業(yè)能耗的80%以上，多碎少磨理論是粉碎工程中節(jié)能技術(shù)快速發(fā)展的重要標志，降低磨礦能耗最有效的途徑是降低入磨礦石的粒度[1]。高壓輥磨機是一種新型高效的破碎設(shè)備，具有單位破碎能耗和鋼耗低、處理能力大、占地面積小等特點。經(jīng)高壓輥磨機粉碎的產(chǎn)品，粒度小，分布均勻。粉碎產(chǎn)品內(nèi)部可產(chǎn)生大量微裂紋，能夠有效降低Bond 球磨功指數(shù)，節(jié)能效果明顯[2?7]。袁致濤等[8]對攀西釩鈦磁鐵礦內(nèi)部的微裂紋應(yīng)用偏光顯微鏡進行了觀察，并對高壓輥磨產(chǎn)品和傳統(tǒng)碎磨產(chǎn)品進行了Bond球磨功指數(shù)(目標粒度為0.074 mm)的測定。應(yīng)用偏光顯微鏡進行觀察的時候需要磨片，在磨片過程中一方面可能會產(chǎn)生新的微裂紋，另一方面可能會使原先的微裂紋破裂，從而有可能會導(dǎo)致對觀察結(jié)果的影響。針對上述情況，本文作者應(yīng)用掃描電鏡直接觀察礦物的表面微裂紋，對西藏墨竹工卡邦鋪鉬銅礦進行了高壓輥磨和傳統(tǒng)碎磨試驗研究，測定了不同粉碎方式的產(chǎn)品在不同目標粒度(0.45，0.18，0.15，0.105和0.074 mm)下的 Bond 球磨功指數(shù)。采用EDS能譜分析儀和掃描電鏡檢測了不同粉碎工藝的粉碎產(chǎn)品表面的微裂紋，并對微裂紋與 Bond球磨功指數(shù)之間的關(guān)系進行了分析。

1 試驗條件與方法

試驗原料為西藏墨竹工卡邦鋪鉬銅礦石細碎產(chǎn)品。高壓輥磨試驗選用CLM?25?10型高壓輥磨機，壓輥直徑為250 mm，壓輥寬度為100 mm，輥面壓力為0～7 N/mm2，輥面速度為0～0.52 m/s，工作輥間距為 4～7 mm。設(shè)置高壓輥磨機的工作參數(shù)，高壓輥輥面壓力設(shè)定為 5.5 N/mm2，無壓啟動設(shè)備，將物料堆滿料倉，加壓后迅速打開下料口使物料落入2個壓輥之間，試驗完成后對粉碎產(chǎn)品進行打散，采用3.2 mm的篩子進行篩分，篩上產(chǎn)品返回高壓輥磨機進行輥壓，篩下產(chǎn)品混勻、縮分、取樣。

傳統(tǒng)破碎試驗選用顎式破碎機，對破碎產(chǎn)品應(yīng)用3.2 mm的篩子進行篩分，篩上產(chǎn)品返回顎式破碎機，篩下產(chǎn)品混勻、縮分、取樣。

對2種全閉路試驗的產(chǎn)品進行礦物表面的微裂紋及 Bond 球磨功指數(shù)的測定。

2 Bond球磨功指數(shù)對比

2.1 裂縫假說及Bond球磨功指數(shù)

破碎理論是研究礦石在破碎過程中能量消耗與哪些因素有關(guān)，并確定外力破碎礦石時所做的功的學(xué)說，也叫破碎的功耗學(xué)說。根據(jù)試驗研究證實：粗碎時新生表面積不多，體積假說較為準確，裂縫假說結(jié)果不可靠；超細粉碎時(粉碎到10 μm以下時)裂縫假說求得的數(shù)據(jù)過小，此時新生表而積增加，表面能是主要的，面積假說較為準確；在粗碎與細碎之間的廣泛范圍內(nèi)，裂縫假說比較適用，因為邦德的經(jīng)驗公式是根據(jù)一般破碎設(shè)備得出結(jié)論，所以在中等破碎比情況下與它大致相符[9]。

裂縫假說是由 Bond在整理了破碎與磨碎的經(jīng)驗資料后，于1952年提出的介于面積假說和體積假說之間的一種破碎理論[9]。

Bond對裂縫假說的解釋為：破碎物料時外力所做的功先是使物體變形，當變形超過一定限度后即生成裂縫，儲存在物體內(nèi)的變形能促使裂縫擴展并生成斷面。輸入功的有用部分為新生表面上的表面能，其他部分成為熱損失。因此，破碎所需的功，應(yīng)考慮變形能和表面能2項，變形能和體積成正比，而表面能與表面積成正比。假定等量考慮這2項，破碎所需的功應(yīng)當與體積和表面積的幾何平均值成正比，即與成正比。對于單位體積的物體，就是與成正比。根據(jù)Bond的解釋，Bond破碎理論的數(shù)學(xué)表達式為：

式中：W為將單位質(zhì)量物料從粒度為F破碎到粒度為P時所需的能量，kW·h/t；P為 80%的排料所能通過的篩孔寬，μm；F為80%的給料所能通過的篩孔寬，μm；Wi為功指數(shù)，kW·h/t。

2.2 Bond球磨功指數(shù)試驗及結(jié)果

對高壓輥磨產(chǎn)品和傳統(tǒng)破碎產(chǎn)品全閉路粉碎的粒度小于3.2 mm鉬銅礦石進行 Bond球磨功指數(shù)試驗(目標粒度為0.45，0.18，0.15，0105和0.074 mm)。

高壓輥磨產(chǎn)品和傳統(tǒng)破碎產(chǎn)品的 Bond球磨功指數(shù)按照下式進行計算[10]：

式中：Wib為Bond球磨功指數(shù)，kW·h/t；Pi為試驗篩孔尺寸，μm；Gbp為磨礦平衡時球磨機單轉(zhuǎn)新生成的試驗篩孔以下粒級物料的質(zhì)量，g；P80為產(chǎn)品中80%物料通過的粒度，μm；F80為給料中 80%物料通過的粒度，μm。

計算結(jié)果如圖1和表1所示。

圖1 高壓輥磨和傳統(tǒng)破碎產(chǎn)品在的Bond球磨功指數(shù)Fig. 1 Work index of ball mill of crushing products by HPGR and jaw crusher

由圖1可以看出：高壓輥磨產(chǎn)品的Bond球磨功指數(shù)在目標粒度為 0.15～0.45 mm時比較平緩，在0.074～0.15 mm區(qū)間內(nèi)逐漸增加；傳統(tǒng)碎磨產(chǎn)品的Bond球磨功指數(shù)在目標粒度在0.105～0.45 mm時比較平緩，在0.074～0.105 mm區(qū)間內(nèi)逐漸增加。

高壓輥磨產(chǎn)品的 Bond球磨功指數(shù)與傳統(tǒng)碎磨產(chǎn)品相比，在目標粒度為0.45，0.18，0.15，0.105和0.074 mm時降低的幅度分別為16.08%，15.38%，14.99%，9.09%和9.19%，隨著目標粒度的減小，Bond球磨功指數(shù)降低的幅度在逐漸減小，高壓輥磨機的節(jié)能效果在減小。

由表1可以看出：與傳統(tǒng)碎磨產(chǎn)品相比，高壓輥磨產(chǎn)品在目標粒度大于 0.15 mm時的節(jié)能效果更明顯，此時高壓輥磨產(chǎn)品粒度小于0.074 mm的含量為60.22%，因此，高壓輥磨產(chǎn)品在磨礦細度(小于0.074 mm的含量)小于60%時的節(jié)能效果更明顯。

表1 Bond球磨功指數(shù)計算結(jié)果Table 1 Test results of Bond work index of ball mill

3 粉碎方式對礦石微裂紋的影響

經(jīng)過粉碎的鉬銅礦石中產(chǎn)生的微裂紋大致可以分為3種：礦石發(fā)育過程中的應(yīng)力裂紋、破碎過程中產(chǎn)生的晶內(nèi)裂紋(礦物顆粒內(nèi)部的裂紋)和解離裂紋(礦石顆粒中不同礦物間的裂紋)[11]。

應(yīng)力裂紋為礦石發(fā)育過程中形成的，是礦石自身的特點，對后續(xù)粉磨工藝能耗的降低影響不大，而晶內(nèi)裂紋和解離裂紋是在后續(xù)碎磨過程當中形成的，因此，晶內(nèi)裂紋和解理裂紋的多少對后續(xù)粉磨工藝能耗的影響是非常重要的。

采用掃描電鏡和 EDS能譜分析儀對高壓輥磨產(chǎn)品的晶內(nèi)裂紋和解離裂紋進行觀察，結(jié)果如圖2所示。EDS能譜分析結(jié)果如圖3～5所示。

圖2 高壓輥磨產(chǎn)品的晶內(nèi)裂紋與解離裂紋Fig. 2 Micro-crack among same crystal and between different crystals

圖3 圖2(a)中各點的EDS能譜Fig. 3 Energy dispersive spectroscopy(EDS) analysis of each point in Fig. 2(a)

圖4 圖2(b)中各點的EDS能譜Fig. 4 Energy dispersive spectroscopy(EDS) analysis of each point in Fig. 2(b)

圖5 圖2(c)中各點的EDS能譜Fig. 5 Energy dispersive spectroscopy(EDS) analysis of each point in Fig. 2(c)

圖2 (a)中A點主要元素為Fe和S，推測此點的礦物為黃鐵礦；B點主要元素為Si和O，推測此點的礦物為石英；C點主要元素為Fe和S，推測此點的礦物為黃鐵礦；D點主要元素為Si，Al，O和K和少量的Fe，推測此點的礦物為鉀長石；E點主要元素為Si和O，推測此點的礦物為石英。因此，圖 2(a)中的微裂紋為解離裂紋。

圖 2(b)中A點主要元素為 Si，Al，Mg，O 和 K和少量的Fe，推測此點的礦物為鉀長石；B點主要元素為Si，Al，Mg，O和K和少量的Fe，推測此點的礦物為鉀長石；C點主要元素為Si，Al，Mg，O和K和少量的Fe，推測此點的礦物為鉀長石。因此，圖2(b)中的微裂紋為晶內(nèi)裂紋。

圖2(c)中A點主要元素為Si和O，推測此點的礦物為石英；B點主要元素為Si和O，推測此點的礦物為石英；C點主要元素為 Si，Al，O和 K和少量的Mg，推測此點的礦物為鉀長石；D點主要元素為Si，Al，O和K和少量的Mg，推測此點的礦物為鉀長石；E點主要元素為Si和O，推測此點的礦物為石英；F點主要元素為Si和O，推測此點的礦物為石英。因此，圖2(c)中的微裂紋為晶內(nèi)裂紋。

采用掃描電鏡對高壓輥磨產(chǎn)品和傳統(tǒng)碎磨產(chǎn)品在不同粒度時的微裂紋進行觀察，可以直觀分析礦物表面的微裂紋情況。圖6(a)，(b)和(c)所示為高壓輥磨產(chǎn)品在0.9～3.2 mm時的掃描電鏡像；圖6(d)和(e)所示為高壓輥磨產(chǎn)品在0.45～0.9 mm時的掃描電鏡像；圖6(f)和(g)所示為傳統(tǒng)破碎產(chǎn)品在0.9～3.2 mm時的掃描電鏡像；圖6(h)和(i)所示為傳統(tǒng)破碎產(chǎn)品在0.45～0.9 mm時的掃描電鏡像。

由圖6可以看出：粒度越小，微裂紋越少，高壓輥磨產(chǎn)品較傳統(tǒng)破碎產(chǎn)品微裂紋多。而高壓輥磨產(chǎn)品在0.9～3.2 mm時表面的微裂紋十分明顯，比傳統(tǒng)破碎產(chǎn)品表面微裂紋明顯增多。而高壓輥磨產(chǎn)品在0.45～0.9 mm時表面的微裂紋比傳統(tǒng)破碎產(chǎn)品表面微裂紋增加不明顯。因此可以推測：高壓輥磨產(chǎn)品在較粗的磨礦細度時，相對于傳統(tǒng)碎磨產(chǎn)品的節(jié)能效果會更明顯。

4 結(jié)論

(1) 高壓輥磨產(chǎn)品較傳統(tǒng)破碎產(chǎn)品表面的微裂紋更多，而且，高壓輥磨產(chǎn)品較傳統(tǒng)破碎產(chǎn)品的 Bond球磨功指數(shù)低，這說明了微裂紋對礦石磨礦過程能耗的降低是非常重要的。

(2) 通過對不同粒度的高壓輥磨產(chǎn)品和傳統(tǒng)碎磨產(chǎn)品表面微裂紋的觀察可以推測：高壓輥磨產(chǎn)品相對于傳統(tǒng)碎磨產(chǎn)品在較粗的磨礦細度時的節(jié)能效果會更明顯。

(3) 高壓輥磨產(chǎn)品的 Bond球磨功指數(shù)(目標粒度為0.45，0.18，0.15，0.105和0.074 mm)比傳統(tǒng)破碎產(chǎn)品分別降低 16.08%，15.37%，14.99%，9.09%和9.19%。高壓輥磨產(chǎn)品在磨礦細度(粒度小于0.074 mm含量)小于60%時的節(jié)能效果更明顯。

圖6 高壓輥磨與傳統(tǒng)破碎產(chǎn)品的微裂紋Fig. 6 Micro-crack of crushing products by HPGR and jaw crusher

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