向海春，楊紀(jì)昌，潘衛(wèi)寧，王亞珍，張 萌

1洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2智能礦山重型裝備全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽 471039

選礦廠碎磨作業(yè)能耗通常占到選廠總能耗的50%～ 70%，是選廠能耗的主要構(gòu)成部分。因此，通過優(yōu)化碎磨工藝、改進(jìn)碎磨設(shè)備來降低碎磨作業(yè)能耗一直是國內(nèi)外選礦行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。高壓輥磨機(jī)是 20 世紀(jì) 80 年代基于層壓粉碎理論開發(fā)的一種高效粉碎設(shè)備，具有處理量大、單位能耗低、產(chǎn)品穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在水泥、建材等行業(yè)得到了很好的應(yīng)用[1-3]。然而，受制于金屬礦石硬度較高，輥面易磨損失效，高壓輥磨機(jī)一直未在選礦領(lǐng)域得到很好的推廣。隨著近年來輥面結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和合金材料的快速發(fā)展，輥面磨損過快的問題得到了很好地解決，高壓輥磨機(jī)開始成為選廠碎磨工藝創(chuàng)新的熱點(diǎn)[4]。如洛鉬集團(tuán)選礦三公司在原有三段一閉路流程基礎(chǔ)上增加高壓輥磨閉路超細(xì)碎工藝流程，改造后鉬精礦品位和回收率分別提高 2.12%、1.55%，并且原礦生產(chǎn)成本降低 3.15 元/t[5]；赤峰柴礦公司應(yīng)用高壓輥磨閉路篩分工藝處理金礦石，不僅提高了破碎生產(chǎn)能力，還優(yōu)化了磨礦效率、改善了選別指標(biāo)，選礦總能耗降低了9.83%[6]；此外，國外相關(guān)報(bào)道[7-9]也證明高壓輥磨機(jī)能顯著降低碎磨作業(yè)能耗，并且輥壓后的產(chǎn)品具有較多的微裂紋，有利于后續(xù)作業(yè)的進(jìn)行。

某鋰礦石采用重-浮聯(lián)合選礦工藝，原礦經(jīng)三段一閉路破碎后篩分，篩上物料進(jìn)行重介選礦，篩下細(xì)泥與重選中礦合并后給入磨礦作業(yè)，磨礦產(chǎn)品作為浮選給料，進(jìn)行浮選回收有用礦物。為降低整個碎磨流程能耗，擬在細(xì)碎后增設(shè)一段高壓輥磨閉路超細(xì)碎流程，將鋰礦石粉碎至 -6.0 mm，同時要求產(chǎn)品中 -0.5 mm 部分占比低。因此，筆者以該鋰礦石為研究對象，對其進(jìn)行高壓輥磨工藝試驗(yàn)，研究不同輥壓條件下高壓輥磨機(jī)對該礦石的粉碎效果，為碎磨工藝改造提供指導(dǎo)。

1 高壓輥磨工藝試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備主要有：PE125×150 顎式破碎機(jī)、100×60E 顎式破碎機(jī)、5E-DCA250×150 對輥破碎機(jī)、φ420 mm×100 mm 高壓輥磨試驗(yàn)機(jī)、φ200 系列標(biāo)準(zhǔn)篩、SDB-200 標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)、φ305 mm×305 mm BOND 球磨功指數(shù)試驗(yàn)機(jī)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試樣制備

高壓輥磨試驗(yàn)給料：通過顎式破碎機(jī)將鋰礦石破碎至 -26.5 mm，混勻、縮分后作為高壓輥磨試驗(yàn)礦樣。

BOND 功指數(shù)試驗(yàn)給料：將鋰礦石用顎式破碎機(jī)、對輥破碎機(jī)破碎至 -3.35 mm，混勻、縮分后作為傳統(tǒng)破碎產(chǎn)品功指數(shù)試驗(yàn)礦樣；另，利用對輥破碎機(jī)將高壓輥磨閉路試驗(yàn)穩(wěn)定篩下產(chǎn)品破碎至 -3.35 mm，混勻、縮分后作為高壓輥磨產(chǎn)品功指數(shù)試驗(yàn)礦樣。

1.2.2 高壓輥磨開路試驗(yàn)

高壓輥磨開路試驗(yàn)流程如圖1 所示，該試驗(yàn)在φ420 mm×100 mm 高壓輥磨試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，擠壓輥轉(zhuǎn)速固定為 21 r/min，試驗(yàn)通過轉(zhuǎn)矩傳感器獲取運(yùn)行轉(zhuǎn)矩來計(jì)算凈比功耗，試驗(yàn)結(jié)束后對輥壓產(chǎn)品中心料和邊緣料 (中心料∶邊緣料＝6∶4) 分別進(jìn)行粒度分析。

圖1 高壓輥磨開路試驗(yàn)流程Fig.1 Open-circuit test flow of HPGR

1.2.3 高壓輥磨閉路試驗(yàn)

根據(jù)高壓輥磨開路試驗(yàn)結(jié)果選取適當(dāng)輥壓條件進(jìn)行閉路試驗(yàn)，主要試驗(yàn)流程如圖2 所示。閉路控制篩孔徑為 6 mm，當(dāng)循環(huán)負(fù)荷達(dá)到穩(wěn)定時結(jié)束試驗(yàn)，對輥壓產(chǎn)品中心料和邊緣料進(jìn)行粒度分析。

圖2 高壓輥磨閉路試驗(yàn)流程Fig.2 Closed-circuit test flow of HPGR

1.2.4 BOND 球磨功指數(shù)試驗(yàn)

對傳統(tǒng)破碎產(chǎn)品和高壓輥磨產(chǎn)品分別進(jìn)行 BOND球磨功指數(shù)測定，試驗(yàn)過程根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) BOND 球磨功指數(shù)試驗(yàn)流程進(jìn)行，并按式 (1) 計(jì)算功指數(shù)的值[10-11]。

式中：Wib為 BOND 球磨功指數(shù)，kW·h/t；P1為試驗(yàn)篩孔徑，μm；Gbp為磨礦平衡時每轉(zhuǎn)新生成小于試驗(yàn)篩孔徑物料的質(zhì)量，g/r；P80為產(chǎn)品中 80% 通過的粒度尺寸，μm；F80為給料中 80% 通過的粒度尺寸，μm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試樣成分

鋰礦石來樣含水率為 0.1%，礦石密度為 2.6 g/cm3，主要成分為含量 22% 的鋰輝石和 5% 的鋰白云母，伴有含量 28% 的石英、36% 的斜長石等脈石礦物。將來樣破碎至 -26.5 mm，其堆密度為 1.6 g/cm3，粒度篩析結(jié)果如表1 所列。從表1 可知，輥壓給料中-6.0 mm、-0.5 mm 含量分別為 20.0%、4.5%。

表1 高壓輥磨試驗(yàn)給料粒度篩析結(jié)果Tab.1 Screening results of feed particle size in HPGR test

2.2 高壓輥磨開路試驗(yàn)

2.2.1 給料含水率

固定高壓輥磨機(jī)輥面壓力為 4.1 N/mm2、輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速為 21 r/min，調(diào)整輥壓給料含水率分別為 0.1%、2.0%、4.0%、6.0%?？疾旖o料含水率對輥壓效果的影響，單位通過量、比功耗結(jié)果如表2 所列，輥壓產(chǎn)品粒度分布結(jié)果如圖3 所示，中心料 -6.0 mm、-0.5 mm 含量變化情況如圖4 所示。

表2 不同給料含水率下開路輥壓試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of open-circuit rolling test under different feed moisture contents

圖3 不同給料含水率下開路輥壓產(chǎn)品粒度分布曲線Fig.3 Particle size distribution curves of open-circuit rolling products under different feed moisture contents

圖4 不同給料含水率下開路輥壓產(chǎn)品中心料 -6.0 mm 和-0.5 mm 含量Fig.4 Content of -6 mm and -0.5 mm in center material of opencircuit rolling products under different feed moisture contents

根據(jù)表2 可知，隨著給料含水率從 0.1% 升高到6.0%，比功耗從 2.6 kW·h/t 增加到 3.0 kW·h/t，單位通過量由 172 t·s/(h·m3) 減小至 161 t·s/(h·m3)。這是由于輥壓過程中水分吸收了部分能量，增加了高壓輥磨機(jī)能耗；含水率高的物料還會發(fā)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，降低排料速度，使得單位通過量下降[12]。根據(jù)圖3 可知，隨著給料含水率的升高，輥壓產(chǎn)品中心料和邊緣料粒度均發(fā)生了變化，但變化不顯著。另，從圖4 可看出，當(dāng)給料含水率為 0.1%、2.0%、4.0% 時，中心料 -6.0 mm 含量分別為 90.5%、93.1%、92.9%，-0.5 mm 含量變化不大，分別為 40.2%、39.8%、39.7%，說明適度的給料含水率能讓輥壓產(chǎn)品粒度分布更集中；當(dāng)給料含水率達(dá)到 6.0% 后，中心料 -6.0 mm、-0.5 mm 含量分別降低到 89.1%、37.3%，過高的水分惡化了輥壓效果，減少了細(xì)粒級物料的生成[13]。綜合考慮給料含水率對輥壓過程的影響，得出：產(chǎn)品粒度隨給料含水率變化波動較小，且低水分下單位通過量高、比功耗低，高水分下輥壓效果變差、產(chǎn)品不易打散，保持 0.1% 給料含水率進(jìn)行輥壓較為適宜。

2.2.2 輥面壓力

在輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速為 21 r/min、給料含水率為 0.1% 條件下，改變輥面壓力分別為 1.3、2.7、4.1、5.5 N/mm2，考察不同輥面壓力下的輥壓效果，結(jié)果如表3 所列，輥壓產(chǎn)品粒度篩析結(jié)果如圖5 所示，中心料 -6.0 mm、-0.5 mm 含量變化如圖6 所示。

表3 不同輥面壓力下開路輥壓試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of open-circuit rolling test under different roller surface pressures

圖5 不同輥面壓力下開路輥壓產(chǎn)品粒度分布曲線Fig.5 Particle size distribution curves of open-circuit rolling products under different roller surface pressures

圖6 不同輥面壓力下開路輥壓產(chǎn)品中心料 -6.0 mm 和-0.5 mm 含量Fig.6 Content of -6 mm and -0.5 mm in center material of opencircuit rolling products under different roller surface pressures

由表3 可知，當(dāng)輥面壓力為 1.3 N/mm2時，單位通過量最大，比功耗最低，分別為 200 t·s/(h·m3)、1.0 kW·h/t。隨著輥面壓力增大，單位通過量開始下降，比功耗急劇升高，在 5.5 N/mm2輥面壓力下分別為 168 t·s/(h·m3)、3.2 kW·h/t。從圖5 可知，輥面壓力對產(chǎn)品邊緣料的粒度影響較小，而對中心料的粒度影響十分明顯。從圖6 可知，輥面壓力為 1.3 N/mm2時，中心料 -6.0 mm、-0.5 mm 含量分別只有71.3%、21.4%；而當(dāng)輥面壓力增大到 5.5 N/mm2時，中心料 -6.0 mm、-0.5 mm 含量分別達(dá)到了 95.0%、44.6%，較大的輥面壓力有利于細(xì)粒級物料的生成。另外，從圖6 還可看出，中心料細(xì)粒級含量的增加量隨輥面壓力增大呈現(xiàn)下降趨勢，造成該現(xiàn)象的主要原因是礦物顆粒的“尺寸效應(yīng)”，即礦物顆粒的機(jī)械強(qiáng)度隨尺寸減小而顯著升高，粉碎難度增大[14-15]。

2.3 高壓輥磨閉路試驗(yàn)

在開路試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行高、低兩種輥面壓力(1.3、4.1 N/mm2) 的閉路輥壓試驗(yàn)，輥壓條件為：輥面壓力 1.3 或 4.1 N/mm2、輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速 21 r/min、給料含水率 0.1%、控制篩孔徑 6 mm，試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

圖7 高壓輥磨閉路試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Closed-circuit test results of HPGR

由圖7 可知，1.3 N/mm2和 4.1 N/mm2輥面壓力下的閉路輥壓試驗(yàn)分別在第 4 次、第 5 次達(dá)到平衡，平衡時循環(huán)負(fù)荷分別穩(wěn)定在 65%、30%，此時單位通過量與比功耗分別為 195 t·s/(h·m3)、0.9 kW·h/t 和171 t·s/(h·m3)、2.2 kW·h/t。對比開路輥壓產(chǎn)品和閉路輥壓平衡后產(chǎn)品的粒度分布，結(jié)果如圖8 所示。由圖8 可知，相比于開路輥壓試驗(yàn)，閉路輥壓平衡后產(chǎn)品粒度較粗，主要原因?yàn)楹Y上物料循環(huán)返回到給料中，會使給料細(xì)粒級含量變少，且該部分物料的機(jī)械強(qiáng)度相對較高[16]。為盡量使鋰礦石中有用成分在重選作業(yè)中被選出，并提前拋出粗粒的脈石礦物，避免其進(jìn)入后續(xù)磨礦作業(yè)增加能耗，要求輥壓產(chǎn)品中 -0.5 mm 含量要低。因此，結(jié)合單位通過量和比功耗，采用輥面壓力為 1.3 N/mm2的低壓力、高循環(huán)負(fù)荷的閉路輥壓方式更合適，此時輥壓產(chǎn)品中心料 -6.0 mm、-0.5 mm 含量分別為 72.1%、21.2%。

圖8 開路輥壓與閉路輥壓平衡狀態(tài)下產(chǎn)品粒度分布曲線Fig.8 Product particle size distribution curves under balance state between open-circuit rolling and closed-circuit rolling

2.4 球磨功指數(shù)試驗(yàn)

BOND 球磨功指數(shù)大小可以反映出礦石磨細(xì)的難易程度，通過對傳統(tǒng)破碎產(chǎn)品和高壓輥磨產(chǎn)品分別進(jìn)行 BOND 球磨功指數(shù)測定，可探究高壓輥磨機(jī)粉碎方式對礦石可磨度的影響。試驗(yàn)控制篩為 106 μm標(biāo)準(zhǔn)篩，試驗(yàn)結(jié)果如表4 所列。由表4 可知，以 106μm 標(biāo)準(zhǔn)篩作為控制篩時，傳統(tǒng)破碎產(chǎn)品 BOND 球磨功指數(shù)為 20.2 kW·h/t，高壓輥磨產(chǎn)品相比傳統(tǒng)破碎產(chǎn)品功指數(shù)降低了 7.4%，為 18.7 kW·h/t，說明通過高壓輥磨粉碎得到的產(chǎn)品更易磨。

表4 BOND球磨功指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of BOND ball mill work index

2.5 高壓輥磨閉路工藝優(yōu)化

選廠原三段一閉路 (3C) 破碎工藝中粗碎設(shè)備為 1 臺 PE1200×1400 顎式破碎機(jī)，中碎設(shè)備為 1 臺CCS860 圓錐破碎機(jī)，細(xì)碎設(shè)備則為 2 臺 CCS870 圓錐破碎機(jī)，在此基礎(chǔ)上擬增設(shè) 1 臺 GM170-140 高壓輥磨機(jī)，形成了四段兩閉路 (3CH) 工藝流程，流程圖如圖9 所示。

圖9 高壓輥磨閉路工藝流程Fig.9 Closed-circuit process flow of HPGR

該工藝流程中主要設(shè)備型號及工藝參數(shù)如表5 所列。由表5 可知，原有破碎工藝中增設(shè)高壓輥磨后，粗碎和中碎無變動，細(xì)碎取消一臺圓錐破碎機(jī)，最終的破碎產(chǎn)品粒度P80可從 8.5 mm 減小到 4.5 mm，優(yōu)化了入磨粒度，實(shí)現(xiàn)了多碎少磨。雖然增設(shè)高壓輥磨增加了破碎能耗，但經(jīng)過高壓輥磨處理過的鋰礦石內(nèi)部會產(chǎn)生大量微裂紋，減小了磨礦難度，碎磨總噸功耗為 20.8 kW·h/t，較原工藝總噸功耗降低了 3.3 kW·h/t，而且微裂紋有助于礦物的單體解離，利于選別指標(biāo)的提高[17]。

表5 設(shè)備型號及工藝參數(shù)Tab.5 Equipment models and process parameters

3 總結(jié)

(1) 某鋰礦石經(jīng)高壓輥磨粉碎后細(xì)粒級含量顯著增加，在 -26.5 mm 給料粒度、0.1% 給料含水率、1.3 N/mm2輥面壓力、21 r/min 輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速條件下開路輥壓，產(chǎn)品中心料 -6.0 mm、-0.5 mm 含量達(dá)到 71.3%、21.4%，單位通過量、比功耗為 200 t·s/(h·m3)、1.0 kW·h/t；

(2) 閉路輥壓相比于開路輥壓，產(chǎn)品粒度稍有變粗，輥面壓力為 1.3 N/mm2時，能為后續(xù)作業(yè)提供更合適的物料，此時的循環(huán)負(fù)荷穩(wěn)定在 65%，產(chǎn)品中心料 -6.0 mm、-0.5 mm 含量分別為 72.1%、21.2%，單位通過量和比功耗分別為 195 t·s/(h·m3)、0.9 kW·h/t；

(3) 增設(shè)高壓輥磨閉路超細(xì)碎工藝流程，可優(yōu)化入磨粒度，改善鋰礦石可磨性，降低后續(xù)磨礦作業(yè)的能耗，提高選別指標(biāo)。