梁廣泉 夏夕雯 魏德洲 徐新陽(yáng)

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.河鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司，河北 唐山 063000)

關(guān)于粉碎能耗的理論學(xué)說(shuō)最初是由Rittinger提出的“表面積學(xué)說(shuō)”和Kick提出的“體積學(xué)說(shuō)”，這2種理論學(xué)說(shuō)都是針對(duì)單顆粒的粉碎過(guò)程[1-5]。在此基礎(chǔ)上，1952年Bond通過(guò)對(duì)許多破碎過(guò)程的歸納分析，提出了“裂縫學(xué)說(shuō)”，即物料粉碎過(guò)程中由于外力做功在顆粒內(nèi)部產(chǎn)生了微裂紋[6-10]。一般來(lái)講，礦石顆粒內(nèi)部裂紋產(chǎn)生的原因有2大類：第1類是因地質(zhì)作用，礦石在發(fā)育過(guò)程中顆粒內(nèi)部自然形成的裂紋，稱為應(yīng)力裂紋；第2類是礦石因受到外力在被粉碎過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋，包括晶內(nèi)裂紋和解離裂紋，晶內(nèi)裂紋比應(yīng)力裂紋更寬、更長(zhǎng)，在礦物內(nèi)部形成，而解離裂紋是在不同礦物表面之間形成。解離裂紋和晶內(nèi)裂紋均是以第1類應(yīng)力裂紋為基礎(chǔ)形成的[11-14]。

礦石在粉碎過(guò)程中產(chǎn)生微裂紋，可有效降低后續(xù)磨礦作業(yè)能耗，Bond球磨功指數(shù)會(huì)有明顯降低，有助于節(jié)能降耗，降低磨礦成本，此外對(duì)后續(xù)的分選作業(yè)也會(huì)產(chǎn)生積極的影響。本試驗(yàn)以冀東地區(qū)某磁鐵礦石為研究對(duì)象，通過(guò)高壓輥磨和顎式破碎2種破碎方式所得產(chǎn)品的對(duì)比，研究礦石經(jīng)不同粉碎方式粉碎后所得產(chǎn)品顆粒內(nèi)部微裂紋特性存在的差異，分析微裂紋特性的差異對(duì)礦物含量分布特性的影響，并通過(guò)Bond球磨功指數(shù)測(cè)定，揭示了微裂紋特性差異對(duì)后續(xù)磨礦作業(yè)產(chǎn)生的影響。

1 試驗(yàn)原料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)礦樣取自河北冀東地區(qū)某地下開采礦山，屬于低磷低硫酸性高硅貧磁鐵石英巖，粒度為-20 mm。礦石有用礦物主要為磁鐵礦及少量的假象赤鐵礦，雜質(zhì)礦物主要為黃鐵礦和黃銅礦等；脈石礦物以石英、陽(yáng)起石為主，另含有少量的普通角閃石、黑云母、綠泥石、鈉長(zhǎng)石、白云石、方解石等。

破碎工藝流程如圖1所示。高壓輥磨破碎采用CLM-25-10型高壓輥磨機(jī)，液壓壓力為3.5～4.5 MPa、輥面轉(zhuǎn)速為350 r/min；常規(guī)破碎采用XPC-60 mm×100 mm型顎式破碎機(jī)。應(yīng)用S-3500n型掃描電子顯微鏡，研究不同破碎方式對(duì)所得破碎產(chǎn)品的微裂紋差異；Bond球磨功指數(shù)試驗(yàn)采用武漢探礦機(jī)械廠生產(chǎn)的φ305 mm×305 mm型球磨機(jī)進(jìn)行磨礦。

圖1 閉路破碎工藝流程Fig.1 Closed-circuit crushing process

2 不同破碎產(chǎn)品的微裂紋研究

將顎式破碎和高壓輥磨破碎產(chǎn)品(2～3.2 mm)放大100倍，在反光顯微鏡下觀察其裂紋情況，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知：礦石經(jīng)高壓輥磨機(jī)破碎后產(chǎn)生的晶內(nèi)裂紋和解離裂紋數(shù)量均明顯高于顎式破碎機(jī)破碎后產(chǎn)品，顎式破碎機(jī)破碎后產(chǎn)品的微裂紋主要是礦石發(fā)育過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力裂紋；礦石經(jīng)高壓輥磨機(jī)破碎后產(chǎn)生的微裂紋有助于降低后續(xù)磨礦作業(yè)的能耗，同

圖2 破碎方式對(duì)礦石裂紋情況的影響(2～3.2 mm)

時(shí)大量的解離裂紋還有助于礦物磨礦過(guò)程的單體解離，從而大大降低磨礦能耗，并有效提高選別效率。

采用掃描電子顯微鏡對(duì)高壓輥磨破碎和顎式破碎后-2 mm粒級(jí)產(chǎn)品(均分為-0.074、0.074～0.18、0.18～0.45、0.45～0.9、0.9～2 mm 5個(gè)粒級(jí))顆粒中的微裂紋進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 高壓輥磨破碎對(duì)礦石微裂紋情況的影響(-2 mm)

從圖3、圖4可以看出：隨著粒度范圍的逐漸減小，顆粒中微裂紋的長(zhǎng)度、寬度以及數(shù)量均逐漸增加，同時(shí)產(chǎn)品顆粒表面的粗糙度也顯著增加；經(jīng)高壓輥磨破碎后產(chǎn)品產(chǎn)生的微裂紋數(shù)量明顯高于經(jīng)顎式破碎后產(chǎn)品產(chǎn)生的微裂紋數(shù)量，這種微裂紋數(shù)量上的差別，會(huì)導(dǎo)致2組物料的顆粒特性產(chǎn)生較大差異。

圖4 顎式破碎對(duì)礦石微裂紋情況的影響(-2 mm)

3 微裂紋特性對(duì)Bond球磨功指數(shù)的影響

將顎式破碎和高壓輥磨破碎后-3 mm產(chǎn)品分別進(jìn)行Bond球磨功指數(shù)測(cè)定(目標(biāo)粒度為0.15 mm和0.074 mm)，在閉路磨礦條件下，按照式(1)進(jìn)行計(jì)算[14]，結(jié)果見(jiàn)表1。

(1)

式中，Wib為Bond球磨功指數(shù)，(kW·h)/st；P1為試驗(yàn)篩孔尺寸，μm；Gbp為球磨機(jī)每轉(zhuǎn)新生成的試驗(yàn)篩孔以下粒級(jí)物料量，g；P80為產(chǎn)品中80%物料過(guò)篩的粒度尺寸，μm；F80為給礦中80%物料過(guò)篩的粒度尺寸，μm。

表1 Bond球磨功指數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of Bond Ball Mill Work Index

由表1可知，2組物料進(jìn)行的-0.15 mm和 -0.074 mm粒級(jí)Bond功指數(shù)測(cè)定結(jié)果中，高壓輥磨機(jī)破碎后產(chǎn)品Bond功指數(shù)均低于顎式破碎機(jī)破碎后產(chǎn)品Bond功指數(shù)，其中-0.15 mm粒級(jí)Bond功指數(shù)結(jié)果降低了12.61%，-0.074 mm粒級(jí)Bond功指數(shù)降低了14.14%，說(shuō)明高壓輥磨破碎過(guò)程中產(chǎn)生的微裂紋有助于降低礦石的磨礦能耗。高壓輥磨機(jī)在物料粉碎過(guò)程中產(chǎn)生“料層粉碎”作用，也就是說(shuō)物料在被粉碎的過(guò)程中形成料層，相互接觸擠壓而實(shí)現(xiàn)粉碎，而不是在2個(gè)輥面上進(jìn)行單個(gè)顆粒的破碎和粉磨。粉碎過(guò)程中形成的料床，導(dǎo)致相鄰顆粒之間具有互相壓迫作用，以此為基礎(chǔ)完成物料的破碎、斷裂過(guò)程，與此同時(shí)顆粒內(nèi)部產(chǎn)生裂紋或被劈開，產(chǎn)生大量微裂紋。

4 微裂紋特性對(duì)主要礦物含量分布的影響

為了研究微裂紋特性對(duì)礦石磨礦后產(chǎn)品各粒級(jí)不同礦物含量分布的影響，將2種破碎方式破碎后產(chǎn)品分別磨至細(xì)度為-0.074 mm含量55%、75%和95%。采用MLAQuten650進(jìn)行鐵礦物含量檢測(cè)，測(cè)定不同磨礦產(chǎn)品中磁鐵礦和赤鐵礦的含量，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 破碎方式對(duì)礦石磨礦后產(chǎn)品主要有用礦物含量的影響Table 2 Influence of crushing method on main valuablemineral content of ground products

由表2可知：隨著磨礦細(xì)度的提高，-0.074 mm粒級(jí)物料中磁鐵礦和赤鐵礦的含量均逐漸增加；磨礦細(xì)度為-0.074 mm占55%時(shí)，-0.074 mm粒級(jí)高壓輥磨產(chǎn)品比顎式破碎產(chǎn)品磁鐵礦含量高出19.12個(gè)百分點(diǎn)，但赤鐵礦含量變化不明顯；磨礦細(xì)度為 -0.074 mm占75%時(shí)，-0.074 mm粒級(jí)高壓輥磨產(chǎn)品比顎式破碎產(chǎn)品磁鐵礦含量高出3.5個(gè)百分點(diǎn)，赤鐵礦含量高出2.77個(gè)百分點(diǎn)；當(dāng)磨礦細(xì)度-0.074 mm含量達(dá)到95%時(shí)，-0.074 mm粒級(jí)磁鐵礦和赤鐵礦含量均為100%。由此可見(jiàn)，在相同磨礦細(xì)度條件下，微裂紋數(shù)量多的物料，細(xì)粒級(jí)中鐵礦物的含量更多，同時(shí)粒度分布也更為合理，但增長(zhǎng)趨勢(shì)隨著磨礦細(xì)度增加而逐漸減弱。

5 結(jié) 論

(1)礦石經(jīng)高壓輥磨破碎后產(chǎn)生的微裂紋數(shù)量明顯高于經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎后產(chǎn)品產(chǎn)生的微裂紋數(shù)量。

(2)對(duì)顎式破碎機(jī)和高壓輥磨機(jī)2種破碎產(chǎn)品進(jìn)行-0.15 mm和-0.074 mm粒級(jí)Bond球磨功指數(shù)測(cè)定結(jié)果表明，高壓輥磨破碎后產(chǎn)品Bond球磨功指數(shù)均低于顎式破碎機(jī)破碎后產(chǎn)品Bond球磨功指數(shù)，其中-0.15 mm粒級(jí)Bond球磨功指數(shù)結(jié)果降低了13.55%，-0.074 mm粒級(jí)Bond球磨功指數(shù)結(jié)果降低了14.14%，說(shuō)明高壓輥磨機(jī)破碎后產(chǎn)品由于產(chǎn)生了更多的微裂紋，有助于降低礦石的磨礦能耗。

(3)隨著磨礦細(xì)度的提高，-0.074 mm粒級(jí)物料中磁鐵礦和赤鐵礦的含量均逐漸增加；在相同磨礦細(xì)度條件下，微裂紋數(shù)量多的物料，細(xì)粒級(jí)中鐵礦物的含量更多，同時(shí)粒度分布也更為合理，但增長(zhǎng)趨勢(shì)隨著磨礦細(xì)度增加而逐漸減弱。

[1] Okay Altun，Hakan Benzer，Hakan Dundar，et al．Comparison of open and closed circuit HPGR application on dry grinding circuit performance[J]．Minerals Engineering，2011(3/4):267-275．

[2] Nami K A．Comparison of the overall circuit performance in the cement industry:High compression milling VS．ball milling technology[J]．Minerals Engineering，2011(3/4):211-215.

[3] Meer F P V D，Gruendken A．Flowsheet considerations for optimal use of high pressure grinding rolls[J]．Minerals Engineering，2010(9):663-669．

[4] Benzer H，Aydogan N A，Dundar H．Investigation of the breakage of hard and soft components under high compression HPGR application[J]．Minerals Engineering，2011(3/4):303-307．

[5] Kodali P，Dhawan N， Depci T， et al． Particle damage and exposure analysis in HPGR crushing of selected copper ores for column leaching[J]．Minerals Engineering，2011(13):1478-1487．

[6] Tavares L M．Particle weakening in high-pressure roll grinding[J]．Minerals Engineering，2005(7):651-657．

[7] Torres M，Casali A．A novel approach for the modeling of high-pressure grinding rolls[J]．Minerals Engineering，2009(13):1137-1146.

[8] 侯 英，印萬(wàn)忠，朱巨建，等．粒度特性參數(shù)與粒度分布均勻程度的關(guān)系[J]．中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2015(9):3183-3187.

Hou Ying，Yin Wanzhong，Zhu Jujian，et al．Relationship between parameters of size characteristic and uniformity of particle size distribution[J]．Journal of Central South University:Science and Technology，2015(9):3183-3187．

[9] 魏德洲.固體物料分選學(xué)[M].2版.北京:冶金工業(yè)出版社，2009:26-29 .

Wei Dezhou.Separation of Solid Materials[M] .2nd ed.Beijing： Metallurgical Industry Press，2009:26-29.

[10] 陳友晴.Westerly 花崗巖試樣單軸壓縮破壞瞬時(shí)微裂紋觀察[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(12):2440-2448.

Chen Youqing.Observation of microcracks patterns in Westerly granite specimens stressed immediately before failure by uniaxial compressive loading[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(12):2440-2448.

[11] 袁致濤，郭小飛，嚴(yán) 洋，等．攀西釩鈦磁鐵礦高壓輥磨的產(chǎn)品特性[J]．東北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012(1):124-127．

Yuan Zhitao，Guo Xiaofei，Yan Yang，et al．Product characteristics of vanadiumtitanium magnetite from Panxi by high pressure grinding roller[J]．Journal of Northeastern University:Natural Science，2012(1):124-127．

[12] 謝廣元．選礦學(xué)[M]．徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2001:59-63．

Xie Guangyuan． Mineral Processing[M]．Xuzhou:China University of Mining and Technology Press，2001:59-63．

[13] Kurajica S．Grinding kinetics of amorphous powder obtained by solgel process[J]．Powder Technology，2010(3):165-169．

[14] Ozkan A，Yekeler M，Calkaya M．Kinetics of fine wet grinding of zeolite in a steel ball mill in comparison to dry grinding[J]．International Journal of Mineral Processing，2009(1):6773-6779．