不同碎磨方式下紫金山金銅礦石的磨礦動力學行為

侯英，印萬忠，朱巨建，姚金，吳凱

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不同碎磨方式下紫金山金銅礦石的磨礦動力學行為

侯英1，印萬忠2, 3，朱巨建1，姚金3，吳凱2

(1. 遼寧科技大學礦業工程學院，遼寧鞍山，114051；2. 福州大學紫金礦業學院，福建福州，350108；3. 東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽，110004)

對紫金山金銅礦石進行高壓輥磨和顎式破碎，然后對2種產品進行分批磨礦試驗，基于磨礦動力學原理，借助MATLAB軟件分析2種產品磨礦過程中各個粒級的磨礦速度，采用掃描電鏡(SEM)對產品表面的微裂紋進行表征，并對磨礦產品的分布特性進行分析。研究結果表明：在磨礦初期，微裂紋是影響磨礦速度的主要原因，微裂紋越多，磨礦速度越快，高壓輥磨產品的磨礦速度大于顎式破碎產品的磨礦速度；在粗級別(0.20~3.20 mm)中，高壓輥磨產品磨礦速度高于顎式破碎產品的磨礦速度，而且粒度越大，微裂紋數量相差越大，磨礦速度相差越大；隨著磨礦時間增加，磨機中粗粒級的質量分數越來越小，微裂紋也越來越少，磨礦概率成為影響磨礦速度的主要原因，高壓輥磨產品的磨礦速度等于顎式破碎產品的磨礦速度；高壓輥磨碎磨工藝可以使磨礦產品粒度分布更加均勻，優化粒度組成。

高壓輥磨機；磨礦動力學；磨礦速度；微裂紋；磨礦概率

高壓輥磨機是一種新型高效的粉碎設備[1]，經高壓輥磨機粉碎的產品，粒度小，分布均勻[2?3]，節能降耗效果顯著[4?5]。高壓輥磨機對物料的粉碎特性直接影響粉碎產品的磨礦特性，而磨礦特性也會直接影響后續的分選特性。磨礦動力學主要研究物料磨碎過程速率，通過研究磨機內物料的磨礦動力學行為，以此來評價磨機的實際工作情況，可為選擇不同的粉碎方式和操作條件提供依據[6?11]。侯英等[12?13]針對邦鋪鉬銅礦石不同粉碎方式下的產品進行了磨礦特性研究，應用MATLAB準確地建立了磨礦動力學方程，并對磨礦特性進行了分析，但上述研究沒有針對不同的高壓輥輥面壓力下產品的磨礦動力學特性進行研究，沒有分析磨礦產品的特性，也沒有針對產生上述磨礦特性的機理進行分析；印萬忠等[14]針對紫金山銅金礦石進行了磨礦動力學特性分析，對比了顎式破碎產品、高壓輥磨輥面壓力在3.5 N/mm2和5.5 N/mm2下產品的磨礦特性，對比了磨礦動力學參數，但沒有從磨礦動力學方程的準確建立[6]和磨礦動力學參數對磨礦速度的影響方面進行詳細論述[15]，也沒有直接給出不同時間下的磨礦速度。本文作者對紫金山金銅礦石進行高壓輥磨和顎式破碎，對比分析不同輥面壓力下的高壓輥磨產品和顎式破碎產品在磨礦過程中磨礦速度與磨礦時間的關系；采用SEM對產品表面的微裂紋進行表征，并對磨礦產品的分布特性進行分析，為選擇最佳的碎磨方式和操作條件提供依據，獲得高壓輥磨產品和顎式破碎產品的磨礦特性，從磨礦角度分析對后續分選的影響。

1 磨礦速度

磨礦動力學是指被磨物料的磨碎速率與磨礦時間的關系[16]。一階磨礦動力學方程為

式中：為經過時間后粗級別物料的質量分數，%；0為未磨礦時粗級別物料的質量分數，%；為磨礦時間，min；為比例系數。

在很多情況下，階磨礦動力學方程更符合實際情況，階動力學方程為

式中：為磨礦動力學方程的階數。當=1時，式(2)稱為一階磨礦動力學方程。

將階磨礦動力學方程(2)對時間求導數，得到磨礦速度的關系式：

式中：為時間時的磨礦速度，%/min；0為未磨礦時粗級別物料的質量分數，%；為磨礦時間，min；和為比例系數；0，和都是粒度的函數；負號表示粗級別減少。

2 試驗條件與方法

試驗原料為紫金山金銅礦石的細碎產品。

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，工作時輥間距為2~7 mm。

設置高壓輥磨機的工作參數，輥面壓力設定為3.2 N/mm2和5.5 N/mm2，輥面速度設定為0.21 m/s，輥間距設定為3.2 mm，無壓啟動設備，將物料堆滿料倉，加壓后迅速打開排料口，使物料落入兩輥之間，然后對粉碎產品打散，應用3.2 mm的篩子進行篩分，篩上產品返回高壓輥磨機，篩下產品進行混勻、縮分和取樣。

顎式破碎試驗采用顎式破碎機，對破碎產品應用3.2 mm的篩子篩分，篩上產品返回顎式破碎機，篩下產品進行混勻、縮分和取樣。

分批磨礦試驗采用XMQ錐形球磨機，每次試驗中球磨機給礦量500.0 g，磨礦質量分數為70%，充填率為22.36%，磨機轉速為100 r/min，磨機容積為6.25 L，磨礦時間分別為1，2，3，4，6，8和10 min。

準確稱取500.0 g高壓輥磨產品或顎式破碎產品，量取214.3 mL水。在球磨機內加入500.0 g上述產品，然后加入214.3 mL水，開啟球磨機，到達設定的磨礦時間后停機，將磨礦產品從球磨機內倒出，進行粒度特性分析。

對磨礦速度的分析應用MATLAB7.1軟件。產品表面微裂紋的表征采用日立S?3500n型掃描電鏡型。

3 結果及討論

3.1 磨礦速度分析

磨礦速度是一個時間連續、粒度離散的函數。在全粒級磨礦情況下，把粒度離散化，分為0.90~3.20，0.45~0.90，0.20~0.45，0.15~0.20，0.105~0.150，0.074~ 0.105，0.057~0.074，0.045~0.057和0.038~0.045 mm粒級，考察不同粒級的磨礦速度。

對輥面壓力5.5 N/mm2和3.2 N/mm2下的高壓輥磨產品和顎式破碎產品的磨礦速度應用MATLAB7.1軟件進行分析，分析結果如圖1~9所示。

1—高壓輥磨產品(輥面壓力5.5 N/mm2)；2—高壓輥磨產品(輥面壓力3.2 N/mm2)；3—傳統破碎產品。

由圖1可以看出：在磨礦初期(＜1 min)，在輥面壓力5.5 N/mm2下，高壓輥磨產品的磨礦速度最大值為7.5 %/min；在輥面壓力3.2 N/mm2下，高壓輥磨產品的磨礦速度最大值為4 %/min；顎式破碎產品磨礦速度的最大值為3.3 %/min；在輥面壓力5.5 N/mm2下，高壓輥磨產品的磨礦速度顯著高于在輥面壓力3.2 N/mm2下，高壓輥磨產品和顎式破碎產品的磨礦速度。

由圖2和圖3可以看出：在磨礦初期，在輥面壓力5.5 N/mm2下高壓輥磨產品在0.45~0.90 mm和0.20~0.45 mm粒級的物料增加的速度很快，說明分別由＞0.9 mm和＞0.45 mm粒級破碎到0.45~0.90 mm和0.20~0.45 mm粒級的速度快。輥面壓力5.5 N/mm2下高壓輥磨產品在0.45~0.90 mm和0.20~0.45 mm粒級時磨礦速度的最大值分別為3.4 %/min和3 %/min；輥面壓力3.2 N/mm2下高壓輥磨產品磨礦速度的最大值分別為2.4 %/min和2.5 %/min；顎式破碎產品磨礦速度的最大值分別為2.3 %/min和2.5 %/min。輥面壓力5.5 N/mm2下高壓輥磨產品的磨礦速度顯著高于在輥面壓力3.2 N/mm2下高壓輥磨產品和顎式破碎產品的磨礦速度。在輥面壓力3.2 N/mm2下高壓輥磨產品和顎式破碎產品的磨礦速度相差不大。

1—高壓輥磨產品(輥面壓力5.5 N/mm2)；2—高壓輥磨產品(輥面壓力3.2 N/mm2)；3—傳統破碎產品。

1—高壓輥磨產品(輥面壓力5.5 N/mm2)；2—高壓輥磨產品(輥面壓力3.2 N/mm2)；3—傳統破碎產品。

由圖1到圖3可以看出：在0.9~3.2，0.45~0.90和0.20~0.45 mm粒級時，輥面壓力為5.5 N/mm2下高壓輥磨產品與輥面壓力為3.2 N/mm2下高壓輥磨產品的磨礦速度最大值分別相差3.5，1.0和0.5 %/min；輥面壓力為5.5 N/mm2下高壓輥磨產品與顎式破碎產品磨礦速度最大值分別相差4.2，1.1和0.5 %/min；輥面壓力為3.2 N/mm2下高壓輥磨產品與顎式破碎產品磨礦速度最大值分別相差0.7，0.1和0 %/min；說明粒度越大，輥面壓力為5.5 N/mm2下高壓輥磨產品的磨礦速度與輥面壓力為3.2 N/mm2下高壓輥磨產品和顎式破碎產品的磨礦速度相差越大；而輥面壓力為3.2 N/mm2下高壓輥磨產品和顎式破碎產品的磨礦速度相差不大。

由圖4到圖9可以看出：在磨礦初期(＜1 min)，輥面壓力5.5 N/mm2下高壓輥磨產品在各個粒級的物料增加的速度較輥面壓力3.2 N/mm2下高壓輥磨產品和顎式破碎產品增加的速度快，說明由大于此粒級物料磨碎到這個粒級的速度較快；在磨礦中期和相同時間下，輥面壓力5.5 N/mm2下高壓輥磨產品各個粒級物料的磨礦速度高于輥面壓力3.2 N/mm2下高壓輥磨產品和顎式破碎產品的磨礦速度；在磨礦后期和相同時間下，顎式破碎產品各個粒級物料的磨礦速度高于輥面壓力5.5 N/mm2下和輥面壓力3.2 N/mm2下高壓輥磨產品的磨礦速度；輥面壓力5.5 N/mm2下的高壓輥磨產品在各個粒級時的磨礦速度最大值與輥面壓力3.2 N/mm2下的高壓輥磨產品和顎式破碎產品的磨礦速度相差不大。

1—高壓輥磨產品(輥面壓力5.5 N/mm2)；2—高壓輥磨產品(輥面壓力3.2 N/mm2)；3—傳統破碎產品。

1—高壓輥磨產品(輥面壓力5.5 N/mm2)；2—高壓輥磨產品(輥面壓力3.2 N/mm2)；3—傳統破碎產品。

1—高壓輥磨產品(輥面壓力5.5 N/mm2)；2—高壓輥磨產品(輥面壓力3.2 N/mm2)；3—傳統破碎產品。

1—高壓輥磨產品(輥面壓力5.5 N/mm2)；2—高壓輥磨產品(輥面壓力3.2 N/mm2)；3—傳統破碎產品。

1—高壓輥磨產品(輥面壓力5.5 N/mm2)；2—高壓輥磨產品(輥面壓力3.2 N/mm2)；3—傳統破碎產品。

1—高壓輥磨產品(輥面壓力5.5 N/mm2)；2—高壓輥磨產品(輥面壓力3.2 N/mm2)；3—傳統破碎產品。

3.2 產品表面微裂紋分析

采用掃描電鏡對輥面壓力5.5 N/mm2下高壓輥磨產品、輥面壓力3.2 N/mm2下的高壓輥磨產品和顎式破碎產品在不同粒級時的微裂紋進行表征，可以分析產品表面微裂紋的數量，如圖10所示。

(a), (b)和(c), (d) 高壓輥磨輥面壓力5.5 N/mm2和3.2 N/mm2時0.9~3.2 mm產品；(e), (f) 顎式破碎0.9~3.2 mm產品；(g)和(h) 高壓輥磨輥面壓力5.5 N/mm2和3.2 N/mm2時0.45~0.9 mm產品；(i) 顎式破碎0.45~0.9 mm產品

由圖10可以看出：粒度越小，微裂紋越少，輥面壓力5.5 N/mm2下高壓輥磨產品較輥面壓力3.2 N/mm2下高壓輥磨產品和顎式破碎產品微裂紋多；在0.9~3.2 mm粒級時，輥面壓力5.5 N/mm2下高壓輥磨產品表面微裂紋數量顯著高于輥面壓力3.2 N/mm2下高壓輥磨產品和顎式破碎產品，輥面壓力3.2 N/mm2下高壓輥磨產品表面微裂紋數量略微高于顎式破碎產品的裂紋數量；在0.45~0.90 mm粒級時，輥面壓力5.5 N/mm2下高壓輥磨產品表面微裂紋數量多于輥面壓力3.2 N/mm2下高壓輥磨產品和顎式破碎產品表面微裂紋數量，輥面壓力3.2 N/mm2下高壓輥磨產品表面微裂紋數量與顎式破碎產品的裂紋數量相差不大。

3.3 磨礦特性分析

由圖1到圖9可以看出3種粉碎產品的磨礦特性，上述曲線分3個階段。

第1個階段：在磨礦初期，微裂紋的數量影響磨礦速度，在0.9~3.2，0.45~0.90和0.20~0.45 mm粒級時，輥面壓力5.5 N/mm2下高壓輥磨產品的磨礦速度最大值顯著高于輥面壓力3.2 N/mm2下高壓輥磨產品和顎式破碎產品的磨礦速度，粒度越大，磨礦速度相差越大；而輥面壓力3.2 N/mm2下高壓輥磨產品和顎式破碎產品的磨礦速度最大值相差不大。

第2個階段：在磨礦中期，由于微裂紋的影響，粗粒級物料迅速磨碎到以下各個粒級，磨礦概率成為影響磨礦速度的主要因素；在相同磨礦時間下，可以分析出不同粉碎產品磨礦速度與磨礦時間的關系，輥面壓力5.5 N/mm2下高壓輥磨產品的磨礦速度大于輥面壓力3.2 N/mm2下高壓輥磨產品和顎式破碎產品的磨礦速度。

第3個階段：在磨礦后期，由于磨礦概率的影響，輥面壓力5.5 N/mm2下高壓輥磨產品的粗粒級物料迅速被磨碎，粗粒級物料越來越少，磨礦概率顯著下降，而輥面壓力3.2 N/mm2下高壓輥磨產品和顎式破碎產品粗粒級物料的含量較多，磨礦概率大于輥面壓力5.5 N/mm2下的高壓輥磨產品，因此，在磨礦后期，輥面壓力3.2 N/mm2下高壓輥磨產品和顎式破碎產品的磨礦速度高于輥面壓力5.5 N/mm2下的高壓輥磨產品的磨砂速度。

3.4 磨礦產品分布特性分析

將磨礦產品進行粒度分析，分析不同磨礦產品的粒度分布特性，以粒度＜0.074 mm顆粒質量分數為65%為例，3種磨礦產品的正累計粒度特性曲線如圖11所示，其?方程擬合回歸結果如表1 所示。

1—顎式破碎?球磨產品；2—輥面壓力3.2 N/mm2下高壓輥磨?球磨產品；3—輥面壓力5.5 N/mm2下高壓輥磨?球磨產品。

當產品粒度較細時，適合運用羅辛?拉姆勒(Rosin?Rammler)?分布對其粒度特性進行描述，?方程為[12?13]

式中：0為粒度大于的正累計產率，%；為顆粒直徑或篩孔寬，μm；為與產物粒度相關的參數；為均勻性系數，表示粒度分布范圍的寬窄程度，越小，粒度分布越均勻[5]。

表1 不同碎磨方式下產品正累計曲線R?R方程回歸結果

由圖11和表1可以看出：輥面壓力5.5 N/mm2下高壓輥磨產品的均勻性系數最小，顎式破碎產品的均勻性系數最大。因此，在3種粉碎方式下的磨礦產品中，輥面壓力5.5 N/mm2下高壓輥磨產品的粒度分布最均勻。

同時，根據磨礦特性的分析，輥面壓力5.5 N/mm2下高壓輥磨產品粗粒級(0.20~3.20 mm)的磨礦速度遠遠高于輥面壓力3.2 N/mm2下高壓輥磨產品和顎式破碎產品粗粒級物料的磨礦速度，而3種產品細粒級(0.038~0.200 mm)的磨礦速度相差不大，因此，輥面壓力5.5 N/mm2下高壓輥磨產品的進行磨礦在一定程度上可以解決“粗粒欠磨，細粒過磨”現象。

粗粒欠磨會造成解離度下降，造成精礦品位不高或者回收率下降；細粒過磨會造成可浮性下降，捕收劑與有用礦物的碰撞概率降低，以及細粒對浮選的交互影響，細泥罩蓋與吸附、活化與抑制等。因此，從磨礦角度分析，高壓輥磨工藝有利于優化粒度組成，改善分選環境，提高分選效率。

4 結論

1) 在磨礦初期，微裂紋的數量是影響磨礦速度的主要原因；隨著磨礦時間的增加，微裂紋逐漸被磨碎；在磨礦中期和磨礦后期，磨礦概率是影響磨礦速度的主要原因。

2) 輥面壓力5.5 N/mm2下高壓輥磨產品的粗粒級物料的磨礦速度遠遠高于輥面壓力3.2 N/mm2下高壓輥磨產品和顎式破碎產品粗粒級物料的磨礦速度，而3種產品細粒級的磨礦速度相差不大。

3) 輥面壓力5.5 N/mm2下高壓輥磨產品進行磨礦在一定程度上可以解決“粗粒欠磨，細粒過磨”現象，有利于優化磨礦產品的粒度組成，改善分選環境，提高分選效率。

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(編輯 陳愛華)

Grinding kinetic behaviors of Au-Cu ore from Zijinshan by different comminuting processes

HOU Ying1, YIN Wanzhong2, 3, ZHU Jujian1, YAO Jin3, WU Kai2

(1. School of Mining Engineering, University of Science and Technology, Anshan 114051, China;2. College of Zijin Mining, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China;3. School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110004, China)

Au-Cu ore from Zijinshan was crushed by high pressure grinding rolls (HPGR) and jaw crusher(JC), and batch grinding test of the product crushed by different crushing processes was carried out. Grinding speed of each particle size of the products crushed by HPGR and JC was analyzed by MATLAB based on grinding kinetics principle. The micro-crack of the products was analyzed by means of scanning electron microscope (SEM), and distribution characteristics of the grinding product were analyzed. The results show that at the beginning of the grinding, micro-crack mainly affects the grinding speed of the products crushed by HPGR and JC. The more micro-crack is, the faster grinding speed is. The maximum of grinding speed of the products crushed by HPGR is faster than that by JC in coarse particle size (0.20?3.20 mm), and the more coarse particle size mass fraction is, and the larger the difference of the amount of micro-crack and maximum of grinding speed is. With the increase of grinding time, the content of the coarse particle and micro-crack becomes less and less. Grinding probability mainly affects the grinding speed, leading to the fact that the grinding speed of the product crushed by HPGR is equal to the product crushed by JC. Pulverization technology of HPGR can make grinding particle size distribution more uniform, and also can make size composition more optimal.

high pressure grinding rolls; grinding kinetic; grinding speed; micro-crack; grinding probability

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.05.001

TD952

A

1672?7207(2017)05?1127?07

2016?07?22；

2016?09?29

國家自然科學基金資助項目(51374079) (Project(51374079) supported by the National Natural Science Foundation of China)

印萬忠，博士，教授，博士生導師，從事礦物浮選晶體化學原理和難選礦物高效分選技術方面研究；E-mail: yinwanzhong@163.com