破碎方式對冀東磁鐵礦石微裂紋特性的影響

梁廣泉 夏夕雯 魏德洲 徐新陽

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

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

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

1 試驗原料及試驗方法

試驗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，雜質礦物主要為黃鐵礦和黃銅礦等；脈石礦物以石英、陽起石為主，另含有少量的普通角閃石、黑云母、綠泥石、鈉長石、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，液壓壓力為3.5～4.5 MPa、輥面轉速為350 r/min；常規(guī)破碎采用XPC-60 mm×100 mm型顎式破碎機。應用S-3500n型掃描電子顯微鏡，研究不同破碎方式對所得破碎產品的微裂紋差異；Bond球磨功指數(shù)試驗采用武漢探礦機械廠生產的φ305 mm×305 mm型球磨機進行磨礦。

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

2 不同破碎產品的微裂紋研究

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

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

圖2 破碎方式對礦石裂紋情況的影響(2～3.2 mm)

時大量的解離裂紋還有助于礦物磨礦過程的單體解離，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高壓輥磨破碎和顎式破碎后-2 mm粒級產品(均分為-0.074、0.074～0.18、0.18～0.45、0.45～0.9、0.9～2 mm 5個粒級)顆粒中的微裂紋進行觀察，結果如圖3、圖4所示。

圖3 高壓輥磨破碎對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，顆粒中微裂紋的長度、寬度以及數(shù)量均逐漸增加，同時產品顆粒表面的粗糙度也顯著增加；經高壓輥磨破碎后產品產生的微裂紋數(shù)量明顯高于經顎式破碎后產品產生的微裂紋數(shù)量，這種微裂紋數(shù)量上的差別，會導致2組物料的顆粒特性產生較大差異。

圖4 顎式破碎對礦石微裂紋情況的影響(-2 mm)

3 微裂紋特性對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產品分別進行Bond球磨功指數(shù)測定(目標粒度為0.15 mm和0.074 mm)，在閉路磨礦條件下，按照式(1)進行計算[14]，結果見表1。

(1)

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

表1 Bond球磨功指數(shù)計算結果Table 1 Calculation results of Bond Ball Mill Work Index

由表1可知，2組物料進行的-0.15 mm和 -0.074 mm粒級Bond功指數(shù)測定結果中，高壓輥磨機破碎后產品Bond功指數(shù)均低于顎式破碎機破碎后產品Bond功指數(shù)，其中-0.15 mm粒級Bond功指數(shù)結果降低了12.61%，-0.074 mm粒級Bond功指數(shù)降低了14.14%，說明高壓輥磨破碎過程中產生的微裂紋有助于降低礦石的磨礦能耗。高壓輥磨機在物料粉碎過程中產生“料層粉碎”作用，也就是說物料在被粉碎的過程中形成料層，相互接觸擠壓而實現(xiàn)粉碎，而不是在2個輥面上進行單個顆粒的破碎和粉磨。粉碎過程中形成的料床，導致相鄰顆粒之間具有互相壓迫作用，以此為基礎完成物料的破碎、斷裂過程，與此同時顆粒內部產生裂紋或被劈開，產生大量微裂紋。

4 微裂紋特性對主要礦物含量分布的影響

為了研究微裂紋特性對礦石磨礦后產品各粒級不同礦物含量分布的影響，將2種破碎方式破碎后產品分別磨至細度為-0.074 mm含量55%、75%和95%。采用MLAQuten650進行鐵礦物含量檢測，測定不同磨礦產品中磁鐵礦和赤鐵礦的含量，結果見表2。

表2 破碎方式對礦石磨礦后產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：隨著磨礦細度的提高，-0.074 mm粒級物料中磁鐵礦和赤鐵礦的含量均逐漸增加；磨礦細度為-0.074 mm占55%時，-0.074 mm粒級高壓輥磨產品比顎式破碎產品磁鐵礦含量高出19.12個百分點，但赤鐵礦含量變化不明顯；磨礦細度為 -0.074 mm占75%時，-0.074 mm粒級高壓輥磨產品比顎式破碎產品磁鐵礦含量高出3.5個百分點，赤鐵礦含量高出2.77個百分點；當磨礦細度-0.074 mm含量達到95%時，-0.074 mm粒級磁鐵礦和赤鐵礦含量均為100%。由此可見，在相同磨礦細度條件下，微裂紋數(shù)量多的物料，細粒級中鐵礦物的含量更多，同時粒度分布也更為合理，但增長趨勢隨著磨礦細度增加而逐漸減弱。

5 結 論

(1)礦石經高壓輥磨破碎后產生的微裂紋數(shù)量明顯高于經顎式破碎機破碎后產品產生的微裂紋數(shù)量。

(2)對顎式破碎機和高壓輥磨機2種破碎產品進行-0.15 mm和-0.074 mm粒級Bond球磨功指數(shù)測定結果表明，高壓輥磨破碎后產品Bond球磨功指數(shù)均低于顎式破碎機破碎后產品Bond球磨功指數(shù)，其中-0.15 mm粒級Bond球磨功指數(shù)結果降低了13.55%，-0.074 mm粒級Bond球磨功指數(shù)結果降低了14.14%，說明高壓輥磨機破碎后產品由于產生了更多的微裂紋，有助于降低礦石的磨礦能耗。

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

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