王澤紅 楚文城 孔令斌 陳 超 馬 琨

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

落重試驗測定礦石粉碎特性參數(shù)

王澤紅 楚文城 孔令斌 陳 超 馬 琨

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

為了科學(xué)、準確地進行碎磨設(shè)備選型，并確定合理的碎磨工藝流程，對國際上較盛行的自磨/半自磨工藝中物料粉碎特性參數(shù)的測定方法——JKTech落重試驗法進行了系統(tǒng)介紹，在此基礎(chǔ)上，采用JK落重試驗儀和磨蝕粉碎試驗設(shè)備，測定了承德某鐵礦3個礦樣的沖擊粉碎參數(shù)A和b以及磨蝕粉碎參數(shù)Ta。將試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)比較，可以得出：①3個礦樣的粉碎特性十分接近，都屬于軟-中軟礦石。②礦樣在破碎能為2.5、1.0 kWh/t時，顆粒的抗沖擊破碎能力隨顆粒粒度的增大而下降，且破碎能越大顆粒抗沖擊破碎的能力下降越顯著；當比破碎能為0.25 kWh/t時，顆粒的抗沖擊破碎能力隨顆粒粒度的增大而上升，即隨比破碎能下降，顆粒粒度-t10關(guān)系曲線的斜率變小。③試驗結(jié)果可以成功用于磨機與破碎機處理量和能耗的計算以及自磨/半自磨流程設(shè)計和模擬計算。因此，JKTech落重試驗所測得的粉碎特性參數(shù)不僅可以判斷礦石性質(zhì)，也可作為設(shè)備選型和流程確定的依據(jù)。

落重試驗 粉碎特性參數(shù) 自磨/半自磨

礦石的粉碎特性參數(shù)是選礦廠碎磨設(shè)備選型和工藝流程設(shè)計的重要依據(jù)。對絕大多數(shù)礦山來說，碎磨和選礦都是不可或缺的作業(yè)?？茖W(xué)、準確地確定碎磨設(shè)備及其工藝流程，有利于選礦廠實現(xiàn)基建投資小、生產(chǎn)運行成本低的目標。

由于磨礦作業(yè)的投資和生產(chǎn)成本通常占整個選礦廠的50%～60%[1]，而且在選礦廠中，磨礦介質(zhì)成本往往僅次于動力成本。因此，為了實現(xiàn)降低選礦廠投資、簡化選礦工藝流程、控制選礦廠鋼耗等目標，近年新建的大型選礦廠越來越重視研究自磨、半自磨工藝代替常規(guī)碎磨工藝的可能性[2]。

隨著自磨、半自磨工藝應(yīng)用比例的上升，國際上出現(xiàn)了多種測定自磨、半自磨工藝中物料粉碎特性參數(shù)的方法，如芬蘭Metso集團實驗室的濕式分批自磨(半自磨)試驗法、澳大利亞昆士蘭大學(xué)Julius Kruttschnitt礦物研究中心(JKMRC)的JKTech落重試驗法、加拿大Minnov EX技術(shù)公司的半自磨功率指數(shù)(SPI)試驗法等[3]。

本文系統(tǒng)地介紹了澳大利亞昆士蘭大學(xué)JKMRC的JKTech落重試驗法，并利用該方法對承德某鐵礦石的粉碎特性參數(shù)進行了測定。

1 JKTech落重試驗法[3-5]

JKTech落重試驗(Drop-Weight Test，簡稱DWT)包括沖擊粉碎試驗、磨蝕粉碎試驗和礦石相對密度測定試驗等3部分。試驗可通過對單粒物料在不同比能耗沖擊粉碎作用下產(chǎn)物的粒度分布規(guī)律分析，來獲得被粉碎物料的破碎特性；自磨(半自磨)機內(nèi)被磨物料的粉碎過程主要有沖擊(高能)粉碎和磨蝕(低能)粉碎2種，DWT通過沖擊粉碎和磨蝕粉碎來模擬這2種粉碎過程，從而獲得試驗礦石的自磨(半自磨)機中物料的破碎特性。

1.1 沖擊粉碎試驗

沖擊粉碎試驗設(shè)備為澳大利亞JKMRC制造的JK落重試驗儀，見圖1。整個落重試驗儀固定在混凝土基座上。

圖1 沖擊粉碎試驗設(shè)備及原理

待測試樣置于混凝土基座的鋼砧上，受到從一定高度下落重塊的沖擊而被粉碎。通過調(diào)整重塊質(zhì)量和下落高度，可以產(chǎn)生不同的輸入能量Ei(落錘質(zhì)量與下落高度的乘積)。如果輸入能量控制恰當，則落錘在沖擊礦塊的過程中將不產(chǎn)生反彈，此時可認為輸入能量Ei與礦塊的破碎能量Ec相等。破碎能量Ec與礦塊的質(zhì)量m之比定義為比破碎能Ecs。

按要求將試樣分為5個粒級，每個粒級分成3份，分別受3種不同的比破碎能沖擊。沖擊完成后，對每個粒級-比破碎能組合的破碎產(chǎn)品分別進行篩析，并繪制15個粒度分布曲線，求出一組tn(當篩孔尺寸為原始顆粒平均尺寸的1/n時，產(chǎn)物篩下產(chǎn)率定義為tn)來定量描述產(chǎn)物的粒度分布。JKMRC粉碎模型采用t10作為表征物料被粉碎程度的參數(shù)，可用于判斷礦石顆粒尺寸對抗沖擊破碎能力的影響。由15個粒度-比破碎能組合可以產(chǎn)生15個t10，t10與比破碎能Ecs的關(guān)系為

(1)

根據(jù)15組試驗數(shù)據(jù)，可擬合回歸出式(1)中系數(shù)A和b的值。A和b的值就是JKMRC粉碎模型中用于表征礦石抵抗沖擊粉碎能力的物料特性參數(shù)。

1.2 磨蝕粉碎試驗

磨蝕粉碎試驗設(shè)備為φ305 mm×305 mm實驗室滾筒式磨機，磨機轉(zhuǎn)速率為70%。筒體內(nèi)壁上均勻分布有4根與軸線平行的6 mm×6 mm×305 mm的提升條，見圖2。

圖2 磨蝕試驗設(shè)備

1.3 礦石相對密度測定試驗

在對自磨(半自磨)機處理礦石進行性能評估時，其相對密度是最重要的參數(shù)之一。因此，在JKTech落重試驗中，必須進行礦石相對密度測定。礦石相對密度是通過測定30塊粒度為31.5～26.5 mm的礦石在空氣和水中的質(zhì)量M和m后計算出來的，即相對密度d=M/(M-m)。

1.4 落重試驗數(shù)據(jù)庫與評價依據(jù)

JKTech落重試驗獲得的參數(shù)A的意義是比破碎能Ecs趨于無窮大時t10的取值上限，參數(shù)b影響t10-Ecs關(guān)系曲線在不同位置的斜率。參數(shù)A和b不能單獨用于礦石性質(zhì)的判定，而是用A×b和Ta值對礦石性質(zhì)加以判定。A×b值可作為礦石抗沖擊粉碎強度的一個衡量指標，A×b值越大，給定比能耗條件下粉碎產(chǎn)物越細；參數(shù)Ta表示試驗礦石的抗研磨破碎能力，Ta值越小，礦石抗研磨能力越強。JKMRC現(xiàn)有礦石物性數(shù)據(jù)庫見表1，參數(shù)A×b和Ta與物料硬度的關(guān)系見表2。

表1 JKMRC現(xiàn)有礦石物性數(shù)據(jù)庫比較

表2 落重試驗參數(shù)與物料硬度的關(guān)系

2 試驗礦樣的制備

試樣取自承德某鐵礦，為了全面、準確反映礦石的性質(zhì)，對位于采場不同部位、性質(zhì)有所差異的3種礦樣(分別命名為礦樣1，2，3)均進行了采集，粒度均為+63 mm，并用pex-250×400型顎式破碎機分別破碎至-63 mm。按要求篩取沖擊粉碎試驗、磨蝕粉碎試驗及相對密度測定試驗所需粒級樣。沖擊粉碎試驗的5個粒級及各粒級不同比破碎能水平下的礦石顆粒數(shù)量見表3(各粒級質(zhì)量略)。

表3 沖擊粉碎試驗要求

3 JKTech落重試驗結(jié)果及分析

3.1 礦石軟硬程度判定

3.1.1 試驗結(jié)果

根據(jù)前述方法，分別對試樣1，2，3進行落重試驗，得到的t10-Ecs關(guān)系曲線見圖3，將t10-Ecs關(guān)系曲線用式(1)逼近，得到的擬合參數(shù)A、b、A×b及擬合方程見表4，物料磨蝕指數(shù)Ta、相對密度見表4。

由表4可以看出，試樣1，2，3的A×b值分別為86.18，85.07和82.60，其Ta值分別為0.72，0.63，0.57，相對密度分別為3.36，3.29，3.33，各參數(shù)值相差不大，即試樣1，2，3的粉碎特性接近。

3.1.2 礦石軟硬程度判定

試驗礦石物性數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中所處的位置見表5。

結(jié)合表1、表2和表5可以看出，試樣1，2，3無論從抗沖擊破碎能力還是從抗磨蝕能力看，都屬于軟—中軟礦石。

3.2 顆粒尺寸對抗沖擊破碎能力的影響

抗沖擊破碎能力隨顆粒尺寸的變化而變化，會影響破碎機、自磨(半自磨)機功率的計算以及自磨(半自磨)機介質(zhì)的選擇。

由于試樣1，2，3的粉碎特性十分接近，因此，在研究顆粒尺寸對抗沖擊破碎能力的影響時，僅以試樣1為代表，其t10隨顆粒粒度變化的趨勢見圖4。

圖3 沖擊粉碎試驗的t10-Ecs關(guān)系曲線

表4 試驗結(jié)果

表5 試驗礦石物性數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中所處的位置

圖4 試樣1抗沖擊破碎能力隨顆粒尺寸變化的趨勢

由圖4可以看出，當比破碎能為2.5、1.0 kWh/t時，t10隨顆粒粒度的增大而增大，顆粒的抗沖擊破碎能力下降，且前者降幅更顯著；當比破碎能為0.25 kWh/t時，t10隨顆粒粒度的增大而減小，顆粒的抗沖擊破碎能力上升。綜合起來看，隨比破碎能下降，顆粒粒度與t10關(guān)系曲線的斜率變小。

3.3 磨機與破碎機處理量和能耗計算

以JKTech落重試驗獲得的參數(shù)，結(jié)合磨機運行條件，可以計算大型自磨(半自磨)機的處理量和電機功率。運用JKSimMet 軟件對半自磨機模擬計算時，輸入礦石性質(zhì)參數(shù)后，由軟件求得該礦石的表觀函數(shù)，并通過矩陣運算，可得到物料的單位功耗[6]。在研究傳統(tǒng)破碎理論和JKTech落重試驗計算理論的基礎(chǔ)上，提出了適合粗、中、細碎的破碎機能耗計算模型[7]

(2)

式中,C1為閉(開)路修正系數(shù)；C2為破碎機類型修正系數(shù)；Wic為與礦石抗沖擊性能A×b相關(guān)的功指數(shù)，通過JKTech試驗得到，kWh/t；P80、F80分別為產(chǎn)物、給料80%物料過篩的篩孔尺寸。

3.4 設(shè)計和模擬計算自磨/半自磨流程

將獲得的參數(shù)A、b、Ta及相對密度輸入JKSimMet自磨/半自磨機模型軟件，與有關(guān)設(shè)備參數(shù)和操作參數(shù)相結(jié)合，可以預(yù)測磨機的負荷和磨機在各種篩分機械配置下的性能，進行自磨/半自磨流程的設(shè)計和模擬計算[8]。運用落重、磨蝕及相對密度數(shù)據(jù)還可以對任何破碎和磨礦分級回路的設(shè)計進行優(yōu)化，即可以根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和其他選礦廠的數(shù)據(jù)，模擬設(shè)計出符合礦石性質(zhì)的自磨/半自磨流程[9]。

4 結(jié) 論

(1)通過JKTech落重試驗測定了承德某鐵礦石的粉碎特性參數(shù)，獲得了該礦石的沖擊粉碎特性參數(shù)A和b、磨蝕特性參數(shù)ta以及相對密度d，為設(shè)備選型和流程確定奠定了基礎(chǔ)。

(2)JKTech落重試驗結(jié)果可以用來判斷礦石的軟硬程度、顆粒尺寸對抗沖擊破碎能力的影響；結(jié)合JKSimMet軟件，可以計算磨機的處理量和功耗，設(shè)計并模擬計算自磨/半自磨流程。

[1] 趙昱東.自磨(半自磨)機在金屬礦山的應(yīng)用與發(fā)展[J].礦業(yè)快報，2005(4):1-5. Zhao Yudong.Application and development of autogenous (semi-autogenous) mill in metal mines[J].Express Information of Mining Industry,2005(4):1-5.

[2] 張 偉.自磨技術(shù)的經(jīng)濟性[J].有色設(shè)備，2010(3):1-7. Zhang Wei.Discussion on economics of self-grinding technology[J].Non-Ferrous Metallurgical Equipment,2010(3):1-7.

[3] 吳建明.用于自磨(半自磨)流程設(shè)計的現(xiàn)代試驗方法(一)[J].有色設(shè)備，2009(6)：1-4. Wu Jianming.Modern test method for AG/ SAG mill process design(1)[J].Non-Ferrous Metallurgical Equipment,2009(6)：1-4.

[4] 吳建明.用于自磨(半自磨)流程設(shè)計的現(xiàn)代試驗方法(二)[J].有色設(shè)備，2010(1)：1-4. Wu Jianming.Modern test method for AG/ SAG mill process design(2)[J].Non-Ferrous Metallurgical Equipment,2010(1)：1-4.

[5] 劉建遠.關(guān)于礦石粉碎特性參數(shù)及其測定方法[J].金屬礦山，2011(10):9-19. Liu Jianyuan.On the parameters for ore comminution performance and the relevant testing method[J].Metal Mine,2011(10):9-19.

[6] 姬建鋼，潘勁軍，董節(jié)功,等.功耗法在半自磨機選型中的應(yīng)用[J].礦山機械，2013(2)：83-86. Ji Jiangang，Pan Jinjun，Dong Jiegong，et al.Application of energy consumption method to SAG mill sizing[J].Mining Machinery,2013(2):83-86.

[7] 姬建鋼,郝 兵,祖大磊,等.礦石破碎與粉磨能耗的計算預(yù)測[J].礦山機械，2012(9)：66-68. Ji Jiangang，Hao Bing，Zu Dalei，et al.Calculation and prediction of energy consumption for ore crushing and grinding[J].Mining Machinery,2012(9):66-68.

[8] 朱月鋒.半自磨工藝可行性試驗研究[J].中國礦山工程，2009(1)：21-24. Zhu Yuefeng.Feasible experimental study of semi-autogenous grinding technology[J].China Mine Engineering,2009(1)：21-24.

[9] 胡振濤.JKSimMet選礦模擬器在選礦廠的研究與應(yīng)用[C]∥《金屬礦山》雜志社.2004年全國選礦新技術(shù)及其發(fā)展方向?qū)W術(shù)研討與技術(shù)交流會文集.馬鞍山：《金屬礦山》雜志社，2004：452-459. Hu Zhentao.Research and Application of JKSimMet Mineral Processing Simulator in Concentrator[C]∥Metal Mine Magazine.Chinese National Mineral Processing Technology and the Development Direction of Academic and Technical Conference 2004.Maanshan：Metal Mine Magazine,2004：452-459.

(責(zé)任編輯 羅主平)

Comminution Parameters Detection of the Ore by Drop-weight Tests

Wang Zehong Chu Wencheng Kong Lingbin Chen Chao Ma Kun

(CollegeofResourcesandCivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China)

In order to make the selection of comminution equipments and process more accurately and reasonably，the popular material comminution properties measured methods in AG/SAG operation at abroad：the JKTech Drop-weight Test method was introduced systemically.The comminution properties that are the impact parameterAandbas well as abrasion parameterTain Chengde Iron Ore are determined by using JK Drop-weight Tester and abrasive grinding testing device.By comparing the test results with the data in database，it can be seen that ①the three samples' comminution properties are similar with each other，which meant all the sample belong to the soft and middle-soft ore.②with the crushing energy of 2.5，1.0 kWh/t，the impact resistance decrease with the increase of the particle size.The more the crushing energy is，the more significant the impact resistance decreases.With the specific crushing energy of 0.25 kWh/h，the impact resistance increase with the increase of the particle size.It means that the impact resistance decrease with the specific crushing energy，and the curve slope oft10& particle size becomes less.③The test results can be successfully applied into calculation of throughput and energy consumption，as well as AG/SAG flow-sheet design and simulation.It indicated that comminution properties by JKTech Drop-Weight Test could not only measure the ore properties，but also lay the foundation for equipment selection and flow-sheet determination.

Drop-Weight Test，Comminution parameters，AG/SAG

2014-05-13

王澤紅(1969—)，男，副所長，副教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師。

TD921+.2，TD921+.4

A

1001-1250(2014)-09-085-05