磷酸裝置磷礦篩分破碎流程選擇與設備選型

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

磷礦石篩分破碎是磷酸裝置磨礦前的準備作業，是磷酸裝置磷礦加工工序的重要組成部分。為了降低能耗，工藝設計力求“多碎少磨”。根據磷礦進廠粒度和磨機允許進料粒度的不同，常見的篩分破碎流程為兩段開路流程、兩段閉路流程、三段開路流程、三段閉路流程。常用的篩分設備的主要類型有振動篩、固定篩、滾軸篩；常用的破碎設備主要類型有顎式破碎機、旋回破碎機、反擊式破碎機、錘式破碎機、圓錐破碎機、對輥破碎機。設計人員應結合磷礦石的硬度、磨礦工序需要的粒度，合理選擇篩分破碎流程和設備。事實上，國內部分磷酸裝置運行后，出現了破碎機碎礦產品粒度過粗、磷礦加工工段能耗高、設備維修費高等問題，不得不對磷礦篩分破碎系統進行改造[1]。以廣西某半水-二水法磷酸項目為例，分析確定篩分破碎流程，對比各種設備的優缺點，提出了適合半水-二水法磷酸裝置干法磨礦工藝的磷礦石篩分破碎流程與設備選型，探討了交叉篩、對輥破碎機用于磷礦石篩分破碎的可行性。

1 磷礦石特性和來源

磷礦在工業上的應用已有一百多年的歷史。按其成因不同，磷礦石可分為磷灰石和磷塊巖。磷灰石是指磷以晶質磷灰石形式出現在巖漿巖和變質巖中的磷礦石。磷塊巖是指由外生作用形成、由隱晶質或顯微隱晶質磷灰石及其他脈石礦物組成的堆積體。

中國的磷礦主要分布在云南、貴州、四川、湖北和湖南五省，國外主要分布在美國、前蘇聯和摩洛哥。云南、貴州、四川磷礦石硬度中等，普氏硬度一般為7，湖北礦的硬度高，普氏硬度達12[2]，相差很大。在選擇篩分破碎流程和設備選型時，應充分考慮到磷礦石的硬度、粒度。

該項目位于廣西，采用云貴磷礦石，進廠粒度大部分小于200mm，少量在200～400mm之間。有的磷酸廠因礦山供應的磷礦塊度為400～800mm，甚至在1 000mm以上，因此，不得不上三段甚至四段破碎，造成原料處理工序投資過高、破碎設施占地面積太大、電耗高等后果。因此，磷酸廠應與礦山達成供礦協議，對粒度做出嚴格限制，要求磷礦塊度不大于100mm或者更小。

表1 礦石硬度

2 篩分破碎工藝

2.1 破碎段數和流程

對于選礦廠來說，一般使1 500～350mm物料破碎到350～100mm為粗碎，破碎到100～40mm為中碎，破碎到30～10mm為細碎。該項目半水-二水法磷酸裝置要求干礦粉進料[3]，磨礦處理后要求粒度小于100目的磷礦石占比大于80%，為保證磨礦產品細度，要求進磨機磷礦石粒度小于15mm，顯然破碎需采用3段破碎流程。為了降低破碎機操作負荷，避免產生過磨現象，破碎前應設置篩分，破碎作業和篩分作業共同組成破碎段，破碎流程見圖1。

圖1 破碎篩分流程

2.2 閉路破碎和開路破碎的選擇

圖1流程(a)為開路流程，其最終產物粒度較粗，但流程簡單，設備臺數少，投資較低。圖1流程(b)為閉路流程，與開路流程相比，所需設備臺數多，設備布置復雜，投資較高，但其破碎產物細，有利于提高后續工段磨機的生產能力，降低研磨過程總能耗和生產成本。國內有多個磷酸項目因為磷礦石破碎篩分工段設計不合理，造成磨礦產品細度、磨機處理能力達不到要求。為可靠起見，該項目選擇閉路破碎流程[4]。

2.3 閉路破碎流程系統能力的確定

該項目入磨機能力為180t/h，根據經驗檢查篩返料量，保證其不超過10%，可以計算出各級篩分機和破碎機的能力，物料平衡見圖2。

圖2 物料平衡

從圖2可知，閉路破碎流程中各段篩分機和破碎機能力是不同的，表2列出了各級篩分機和破碎機的系統能力。理論上，Ⅰ段和Ⅱ段破碎機的破碎能力應不低于Ⅰ段和Ⅱ段篩分機處理能力的80%，而檢查篩分和Ⅲ段破碎機的能力需要根據10%的篩分返料量計算，可取160t/h。

表2 篩分機和破碎機的系統能力

3 破碎機機械的類型

3.1 顎式破碎機

顎式破碎機的工作部分由固定顎和可動顎組成(或由雙動顎組成)，當可動顎周期性靠近固定顎時(或雙動顎周期性互相靠近時)，則借壓碎作業將裝于其間的物料破碎。應用最為廣泛的顎式破碎機有兩種型式：動顎做簡單擺動的曲柄雙搖桿機構顎式破碎機、動顎做復雜擺動的曲柄搖桿機構顎式破碎機。

3.2 旋回破碎機和圓錐破碎機

旋回破碎機和圓錐破碎機的破碎部件是由不動的外圓錐和可動的內圓錐組成，內圓錐以一定的偏心半徑繞外圓錐中心線做偏心運動，物料在兩錐體之間受壓碎和折斷作用而破碎。旋回破碎機和圓錐破碎機的工作原理基本相同，只是破碎腔的形狀、動錐的懸掛方式、防塵裝置、排料口調節方式等某些零部件的結構有所不同。

3.3 對輥破碎機

物料介于兩個平行且相向轉動的圓柱形輥子之間，由于摩擦力的作用，物料被帶入兩輥之間的破碎空間，使物料受壓碎(光輥)或劈碎(齒輥)的作用而破碎。如果兩個輥子轉動線速度不同，還有磨碎作用。對于單輥破碎機來說，除了有壓碎和劈碎作用外，還有剪力的折斷作用。

3.4 錘式破碎機和反擊式破碎機

利用機器上高速旋轉的錘子的沖擊作用和物料在沖擊過程中獲得動能后，以高速沖向固定不動的襯板的作用及高速運動物料相互碰撞的作用，使物料沿其自然裂隙和節理面等脆弱部而破碎。

4 破碎機的選擇

破碎設備類型的選擇和規格的確定主要與所處理磷礦石的物料性質(硬度、密度、黏性、含黏土量、水分、給礦的最大粒度等)、處理量、破碎產品粒度以及設備配置等因素有關。所選用的破碎設備必須滿足破碎產品粒度、設計處理量和適應給礦中最大礦塊的要求。

4.1 粗碎破碎機的選擇

礦石粗破碎機一般采用顎式破碎機或旋回破碎機，當處理中等硬度的磷礦石時也可采用反擊式破碎機。

顎式破碎機的優點是構造簡單、質量輕、價格低廉、便于維修和運輸、外形高度小、需要廠房高差小；在工藝方面，工作可靠、調節排礦口方便、破碎潮濕礦石及含黏土較多的礦石時不易堵塞。缺點是襯板易磨損、破碎產品粒度不均勻、過大塊多。

與顎式破碎機相比，旋回破碎機的優點如下：其電耗低、處理量大，在同樣給礦口與排礦口條件下，旋回破碎機處理量為顎式破碎機的2.5～3倍；破碎腔內襯板磨損分布均勻；破碎產品過大塊少、粒度均勻。缺點是設備構造復雜、機身重、設備高、廠房高。

4.2 中碎破碎機的選擇

對于中等可碎性磷礦石中碎設備，可以選擇標準型圓錐破碎機、反擊式破碎機、錘式破碎機。

圓錐破碎機破碎力大、破碎比大，容易實現過鐵保護和排礦口自動調節，缺點是液壓系統和動錐支撐結構的制造比較復雜，適合處理量大的工況。

錘式破碎機和反擊式破碎機適用于破碎中硬礦石，特別是易碎物料，其優點是體積小、構造簡單、破碎比大、電耗低、產品力度均勻，缺點是板錘和反擊板容易磨損，需要經常更換。

4.3 細碎破碎機的選擇

對于中硬、堅硬礦石細碎設備，可以選擇細碎顎式破碎機、短頭型圓錐破碎機、高鉻對輥破碎機。

復擺型細碎顎式破碎機齒板壽命長、能耗低，其產品粒度均勻，處理能力小。

短頭圓錐破碎機破碎力大，容易實現過鐵保護和排礦口自動調節，出料粒度小，處理能力大。

傳統對輥破碎機適合破碎脆性物料或避免過粉碎的物料，其優點是構造簡單、容易制造，缺點是滾筒易磨損。若采用高鉻合金鑄鐵輥子，對輥子表面進行調質和熱處理，對輥破碎機輥子的壽命可超過16個月[5]，破碎后的粒度均勻、穩定，適合磷礦石細碎破碎，但每小時處理量較少。

4.4 破碎機對比

破碎機對比見表3。

表3 破碎機對比

續表

由于該項目磷礦石硬度不高，從降低設備投資的角度，粗碎應選擇顎式破碎機，中碎應選擇錘式破碎機或者反擊式破碎機，細碎應選擇錘式破碎機或反擊式破碎機。

4.5 破碎機型式確定

破碎機的生產能力與磷礦石的物理機械性質、破碎機的結構參數和工作條件有關，主要因素是磷礦石硬度、松散密度、黏性、黏土含量、水分、最大給料粒度、處理量、產品粒度、希望的破碎比、選擇的破碎機種類等。一般先根據相關手冊經驗公式計算設備處理量，再按照制造廠產品樣本標定的名義生產能力，并根據實際工藝設計條件提供的資料加以校核、選擇型號。

粗破碎機處理能力較小，應選擇顎式破碎機。雖然旋回破碎機也適合用于粗碎，但其更適用于礦山選礦的大處理量的粗碎。

4.5.1中碎破碎機型式確定

中碎處理量144t/h，進料粒度小于200mm，出料粒度小于30～80mm，輥式破碎機處理能力過小，標準型圓錐破碎機投資過高，中碎破碎機型應選擇錘式破碎機、反擊式破碎機。

4.5.2細碎破碎機型式確定

細碎處理量160t/h，進料粒度小于80mm，出料粒度小于15mm，細碎顎式破碎機處理能力低，短頭型圓錐破碎機設備投資高，細碎破碎應選擇錘式破碎機、反擊式破碎機。

5 篩分機械的類型

按構造與工作原理的不同，適合磷礦石篩分的常用篩分機有如下類型。

5.1 固定篩

固定篩有格篩和條篩兩種型式，格篩多用于原礦受礦倉及粗破碎礦倉的上部，主要用于控制礦石粒度用，條篩多用于粗碎和中碎前的預先篩分。

5.2 滾軸篩

滾軸篩常用于粗粒物料的篩分作業，適合篩分軟、中硬物料，其優點是不堵篩，缺點是設備笨重、篩分料率較低、滾軸磨損快。

5.3 振動篩

振動篩一般由振動器、篩箱、隔振裝置、傳動裝置等部分組成。振動篩具有長方形的篩面，安裝在篩箱上。篩箱及篩面在振動器的作用下，產生圓形、橢圓形或直線型軌跡的振動。由于篩面的振動使篩面上的物料層松散并離開篩面拋起，使細粒級能透過料層下落，再通過篩孔排出，并將卡在篩孔中的顆粒振出，除產生篩分作用外，還會使物料向前運動。

常用的礦用振動篩有慣性振動篩、自定中心振動篩、重型振動篩、圓振動篩、直線振動篩。振動篩分類見表4。

表4 振動篩分類

5.3.1慣性振動篩

慣性振動篩的振動器安裝在篩箱上，隨著篩箱上、下振動，給礦量的不穩定會影響篩分效率，處理量較小。

5.3.2自定中心振動篩

自定中心振動篩的優點是結構簡單、容易制造、篩面振動強烈、篩分效率高；缺點是對建筑物產生較大振動、處理量較小。

5.3.3重型振動篩

重型振動篩適用于篩分大塊度、密度大的礦石，篩分效率高于固定篩，但設備投資高。

5.3.4圓振動篩

具有圓形軌跡的慣性振動篩為圓振篩，篩面為傾斜布置，當篩面做圓形軌跡振動時，物料也隨著篩面振動呈拋起、落下，進而向前運動。卡在篩孔中的物料可以跳出，篩面不易堵。

5.3.5直線振動篩

直線振動篩的篩面是水平安裝，運動軌跡為直線，篩分效率高。

5.4 篩分機對比

篩分機對比見表5。

表5 篩分機對比

考慮到超大塊占比低，為了降低設備投資，Ⅰ段篩分采用固定篩，Ⅱ段篩分、Ⅲ段篩分、檢查篩分采用圓振動篩或直線振動篩，但因圓振動篩篩分效率更高，所以，Ⅱ段篩分、Ⅲ段篩分、檢查篩分選擇圓振動篩。

6 探討

6.1 對輥破碎機的應用

對輥破碎機被認為不宜破碎堅硬物料，通常用作中硬或松軟物料的中碎、細碎，其優點是能夠破碎黏濕物料、不堵料、粉塵釋放少。云南某磷酸項目對輥破碎機輥子采用高鉻合金鑄鐵，經熱處理、調質處理后，輥子表面硬度達到HRC62～ HRC65，能夠承受150MPa 的碾壓力，使用半年后輥面未見明顯磨損，說明提高傳統對輥破碎輥子的硬度后，輥式破碎機能夠滿足磷礦中碎和細碎的需要。

6.2 交叉篩的應用

交叉式細粒滾軸篩(簡稱交叉篩)根據等厚篩分法原理設計，用于磷礦粗篩(50mm分級)和細篩(15mm分級)，其篩面是由多組同向旋轉的篩軸組成，每根篩軸安裝若干等距篩片，相鄰篩軸上的篩片交叉排列。與振動篩相比，交叉篩不易堵料，設備高度低、土建投資低、篩分過程中粉塵釋放少，與傳統滾軸篩相比，交叉篩的篩片耐磨，使用壽命長，可用于磷礦石的粗篩、細篩和預先篩分。

7 結語

磷酸裝置磷礦篩分破碎流程的選擇與設備的選型應根據磷礦的物料特性、處理能力、設備結構特點、設備土建投資等綜合確定。對于云貴和四川塊狀松軟、中硬磷礦石，篩分破碎流程應選擇三段閉路流程。粗篩應選擇固定格篩或棒條篩，Ⅱ段篩分可采用圓振篩、直線振動篩或交叉篩，Ⅲ段篩分和檢查篩可采用圓振篩、直線振動篩。粗破應選擇顎式破碎機，中碎和細碎可采用錘式破碎機、反擊式破碎機或對輥破碎機。