崔少文 郭小飛 郗 悅 張洺睿

（遼寧科技大學礦業(yè)工程學院，遼寧鞍山114051）

礦石粉碎后產(chǎn)品的細度主要由比能耗決定。一般來說，粉碎過程中粉碎加載模式越接近于單顆粒加載粉碎，其能量利用率越高［1］。Schenert 在上世紀基于料層粉碎理論研制了高壓輥磨機，其實施的是準靜壓料層粉碎。當料層受力時，礦石自身作為介質(zhì)傳遞壓力，受力增大到極限后，顆粒破碎或變形，具有選擇性破碎效果，其粉碎產(chǎn)品具有微裂紋多、細粒級含量高和單位破碎能耗低等特點［2-5］。目前，高壓輥磨機的選型沒有一套簡便可靠的方法，對于每個獨立的項目都需要從基礎的原料礦石性質(zhì)入手，進行相應的半工業(yè)高壓輥磨機試驗，找尋最優(yōu)的設備及流程配置，此過程所需礦石原料量巨大，耗時長，費用高，阻礙了高壓輥磨機在礦物加工領域的推廣應用［6-9］。實驗室規(guī)模的顆粒床層間粉碎壓載試驗是研制高壓輥磨機粉碎理論基礎的基本方法，通過顆粒床活塞壓載試驗，能夠初步模擬礦石的料層粉碎過程［10-11］。本文通過對金礦石、磁鐵礦石及釩鈦磁鐵礦3 種礦石進行不同施載壓力條件下的顆粒床活塞壓載試驗，來建立一種小規(guī)模的粉碎模型以預測高壓輥磨機工藝性能。

1 試樣、設備及原理

1.1 試樣及設備

本試驗選取金礦石、磁鐵礦石及釩鈦磁鐵礦石作為研究對象，采用由長春材料試驗機廠制造的YE-200A 液壓式壓力試驗機進行活塞壓載試驗，該液壓機最大可以提供200 t 的壓力，能夠滿足試驗所需。在顆粒床活塞壓載試驗過程中，試驗樣品與缸體直接接觸的物料受力狀態(tài)與單純的顆粒床層間粉碎具有一定的差異。為盡可能減小這種現(xiàn)象對試驗最終結果的影響，在每次試驗時，保證所用物料滿足一定幾何參數(shù)條件。Kalala 等人研究發(fā)現(xiàn)，顆粒床活塞壓載試驗初始料層厚度應是最大給料粒度的1.5倍［12-14］，不同種類礦石、不同粒級物料所需的樣品量不同，粒級越大，密度越大，所需的試驗樣品質(zhì)量越多。試驗采用特制的硬質(zhì)合金鋼活塞式缸體壓載模具，缸體內(nèi)徑為75 mm。所用礦石經(jīng)實驗室型顎式破碎機破碎至設定粒度，并通過篩分設備將每種礦石制備出不同粒級試驗物料樣品，用作顆粒床活塞壓載粉碎試驗給料，最大粒度為12 mm。

1.2 試驗原理

在顆粒床活塞壓載粉碎試驗的整個過程中，物料的狀態(tài)可根據(jù)施載狀態(tài)的變化分為加載和卸載兩個階段。處于加載階段時，隨著壓力的增加，物料顆粒所受到的應力增加，在靜載高壓作用下礦物顆粒被重新排列，相互間的點接觸逐漸變?yōu)槊娼佑|，料層愈加密實，顆粒間的作用力和反作用力不斷增加，當作用力超過物料顆粒所能承受的抗壓強度時，顆粒開始碎裂，直至加載壓力達到最大設定值為止；當物料處于卸載階段時，物料顆粒間的相互作用力隨著加載壓力的降低而衰減，由于外部應力的減小，物料會發(fā)生一定的反彈膨脹。通過儀器對整個試驗過程中施載壓力和位移數(shù)據(jù)進行記錄，可得施載壓力-位移關系曲線。通過對該曲線進行數(shù)值積分計算，能夠獲得整個試驗過程中破碎所消耗的能量，其值等于加載曲線f1(x )與卸載曲線f2(x)所圍成陰影部分的面積［14］，見圖1。計算公式為

式中：S 為陰影部分面積，大小等于破碎過程中所消耗的總能量；f1(x)、f2(x )分別為試驗過程中的加載曲線、卸載曲線。

在不同施載壓力下，對每種礦石的不同粒級物料分別進行顆粒床活塞壓載試驗，能夠獲得不同的壓載試驗產(chǎn)品，通過粒度篩析法對各壓載產(chǎn)品進行粒度檢測，數(shù)值積分法計算出每次粉碎過程中顆粒床吸收的能量。本文主要通過比能耗，破碎比Rx及產(chǎn)品的負累計產(chǎn)率來衡量各因素對物料破碎效果的影響。

比能耗Wi為單位質(zhì)量物料所吸收的能量，單位為J/g，計算公式為

式中，W 為試驗過程中物料吸收的總能量，J；G 為試驗用礦樣質(zhì)量，g。

破碎比Rx為給料中x%通過的粒度Fx與產(chǎn)品中x%通過的粒度Px的比值，計算公式為

2 試驗結果及分析

2.1 活塞壓載試驗產(chǎn)品的粒度分布

負累計曲線能夠在一定程度上反映出施載壓力與產(chǎn)品細度間的關系，3 種礦石各粒級物料在不同壓載條件下的壓載產(chǎn)物粒度負累計曲線見圖2～圖4。

由圖2（a）知，對金礦而言，隨著壓力增加，細粒級礦物負累計產(chǎn)率增高，粗粒級礦物負累計產(chǎn)率逐漸減小，這種現(xiàn)象說明隨著加載壓力的增加壓載產(chǎn)物中細粒含量增多，粗粒含量減少，產(chǎn)物整體細度增加。由圖2（b）、2（c）可知當加載壓力超過80 MPa時，隨著壓力增加，產(chǎn)物的負累計產(chǎn)率先快速增加，受尺寸效應影響礦物中的粗顆粒更易粉碎，導致礦物產(chǎn)品中粗顆粒含量占比較少，負累計產(chǎn)率增加速度下降。

由圖3 可知，對磁鐵礦而言，隨著加載壓力的增加，產(chǎn)品的負累計產(chǎn)率明顯增加，隨著產(chǎn)物粒度的增大，負累計曲線趨勢逐漸平緩，負累計產(chǎn)率增加速度逐漸降低，且加載壓力越大，負累計產(chǎn)率增加速度降低越快。加載壓力為180 MPa時，產(chǎn)品負累計產(chǎn)率增加最快，細粒級含量最多，此時壓載效果最好。

由圖4 可知，對釩鈦磁鐵礦而言，隨著加載壓力的增加和給料粒度的增加，產(chǎn)品的負累計產(chǎn)率增加幅度不同，但各產(chǎn)品負累計曲線趨勢基本相同，細粒級產(chǎn)物負累計曲線趨勢較陡，負累計產(chǎn)率增加速度較快，粗粒級產(chǎn)物負累計曲線趨勢逐漸平緩，負累計產(chǎn)率增加的速度緩慢降低。隨著施載壓力的增加，產(chǎn)物的負累計產(chǎn)率增加，壓力越大，增加速度降低越快，說明隨著加載壓力的增加，壓載產(chǎn)物中細粒含量增多，粗粒含量減少，產(chǎn)物整體細度增加。當加載壓力超過80 MPa 時，各壓力下的產(chǎn)品負累計曲線基本相同，具有相似的增加幅度及趨勢，產(chǎn)物細度隨施載壓力的增加幅度降低，此時再繼續(xù)增加施載壓力所提供的破碎效果十分有限，即形成能量過飽和現(xiàn)象。

由圖2～圖4 可知，在試驗條件范圍內(nèi)，同一礦物產(chǎn)品的負累計產(chǎn)率變化幅度與給料的粒級有關。給料粒級越小，產(chǎn)物負累計產(chǎn)率變化幅度越小，曲線的變化差異越小，趨勢越相近。

產(chǎn)品負累計曲線的變化趨勢與礦石種類及加載壓力有關。當對金礦施載超過80 MPa 壓力時，在小于某一粒度時，隨施載壓力的增加，產(chǎn)品負累計產(chǎn)率增加，壓力越大增加速度越快，當超過該粒度后，隨施載壓力的增加產(chǎn)品負累計產(chǎn)率增加速度降低，且壓力越大增加速度下降越快；這一粒度主要受給礦粒級影響，給礦粒級越小，該粒度越小，給礦粒級增大，該粒度隨之增大。施載壓力對金礦產(chǎn)品負累計產(chǎn)率的影響明顯，即對金礦物料細度的改變效果明顯。當試驗礦樣為磁鐵礦、釩鈦磁鐵礦時，隨施載壓力的增加，產(chǎn)品負累計產(chǎn)率逐漸增加，施載壓力越大，增加速度越快，負累計曲線斜率變化越明顯。

2.2 加載壓力與比能耗及破碎比的關系

圖5至圖7給出了3種礦石各粒級物料在顆粒床活塞壓載試驗中的比能耗及R50、R80隨施載壓力變化的關系。

由圖5 可知，在試驗條件范圍內(nèi)，比能耗隨加載壓力的增加而增加，加載壓力小于120 MPa時比能耗穩(wěn)定增加，超過120 MPa后增加速度劇增。由圖5（a）可知，隨加載壓力的增加R50和R80增加，但增加幅度很小，主要是由于尺寸效應［15］導致試驗前后礦物粒度變化不明顯。由圖5（b）、5（c）可知，隨施載壓力的增加，R50增加，R80緩慢增加。造成這種現(xiàn)象的主要原因是在加載壓力為80～120 MPa 時，破碎比變化幅度很小，物料破碎基本完成，導致壓力繼續(xù)增加時，比能耗繼續(xù)增加而物料細度不再有明顯變化，能量過飽和。

由圖6 可知，在試驗條件范圍內(nèi)，隨著加載壓力的增加，比能耗增加，且增加速度逐漸加快，趨勢變化明顯，在180 MPa 時達到最大值；隨施載壓力的增加，R50小幅增加；隨加載壓力的增加R80小幅增加，大于80 MPa 后增加速度加快，在180 MPa 時達到最大值。導致試驗前后物料粒度變化不明顯，比能耗大幅增加現(xiàn)象的主要原因是在加載壓力為80 MPa時物料已基本完成破碎，加載壓力繼續(xù)增加時形成能量過飽和。

由圖7 可知，在試驗條件范圍內(nèi)，隨加載壓力的增加，比能耗先緩慢增加，后快速增加，粒級越大，改變比能耗增加速度所需的壓力越大，在180 MPa時比能耗達到最大值。隨加載壓力的增加，R50先趨于穩(wěn)定后逐漸增加，在180 MPa時達到最大值。隨著粒級的變化，維持R50趨于穩(wěn)定的壓力逐漸降低，即粒級越小改變R50增加速度所需的壓力越大。隨加載壓力的增加，R80趨于穩(wěn)定。

綜上，隨著加載壓力的增加，比能耗增加，兩者具有較好的線性關系。結合破碎比分析可知，當加載壓力在80～120 MPa 時，礦物顆粒已經(jīng)基本完成破碎，此時隨著施載壓力的增加，會形成能量過飽和，進一步加大能耗輸入所產(chǎn)生的破碎效果十分有限。

隨加載壓力的增加，破碎比增加，在壓力增加到一定程度后破碎比增加速度降低或趨于平穩(wěn)，不再增加，兩者具有一定的線性關系，但變化趨勢主要受礦石粒級和類型影響。

R50、R80都可在一定程度上反映試驗前后物料粒度的變化情況，給料粒級對R50的變化情況影響更大，當給料粒級較窄時，R50的數(shù)值變化較小，當給料粒級較寬時，R50數(shù)值變化較大；與之相比，給料粒級對R80的影響相對較小，在不同施載壓力條件下的變化趨勢較為穩(wěn)定。

3 結 論

活塞壓載試驗中，隨著加載壓力的增加，礦物所吸收的比能耗增加，兩者具有較好的線性關系；隨加載壓力的增加，物料破碎比增加，在壓力增加到一定程度后破碎比增加速度降低或趨于平穩(wěn)。隨著給料粒度的變化，同等壓力條件下，粉碎物料所需的比能耗逐漸降低，破碎比逐漸降低，R50的變化趨勢較小，給料粒度對R50的影響大于R50。不同種類礦石在同等施載壓力條件下破碎效果不同，即在同等施載壓力時，金礦石產(chǎn)品細度的增加幅度大于磁鐵礦和釩鈦磁鐵礦。

該試驗結果為高壓輥磨機的工業(yè)參數(shù)選型提供了實驗室研究基礎，為進一步建立預測高壓輥磨機單位功耗及產(chǎn)品粒度的計算模型奠定了基礎，對高壓輥磨機的推廣應用及選型研究具有重要理論意義。