破碎方式對某磁鐵礦石磨礦速度和Bond球磨功指數的影響

李明宇 陳婉晴 程一存 郭天宇2

（1.撫順罕王傲牛礦業股份有限公司，遼寧撫順113125；2.中國有色集團撫順紅透山礦業有限公司，遼寧撫順 113321）

破碎和磨礦作業的能耗占整個選礦作業能耗的60%～70%，選用高效的破碎設備是選礦廠“節能增效”的有效途徑。不同破碎方式產生的顆粒強度和粒度組成對作業能耗有極其重要的影響［1-2］。高壓輥磨作為新型高效的細碎設備，利用“層壓粉碎”的方式破碎礦石，其破碎產品細粒級含量高、顆粒內部具有微裂紋，有利于提升磨礦速度，對于后續磨礦節能有一定優勢［3-8］。目前，已有針對不同破碎方式的對比研究。侯英等［9-10］使用磁鐵礦石和鉬銅礦石的鄂式破碎產品和高壓輥磨破碎產品進行磨礦速度和Bond球磨功指數對比，得出高壓輥磨產品在粗磨階段磨礦速度快、節能顯著。曹進成等［11］、劉磊等［12］分別從磨礦速度和磨礦效率角度對比圓錐破碎產品和高壓輥磨破碎產品，得出輥磨產品更易磨，磨礦產品細粒級多、中間產品少，對球磨機產能提升十分有益。

以上試驗樣品來源于試驗室破碎設備，使用鄂式破碎產品或圓錐破碎產品同高壓輥磨產品進行2種產品各類磨礦性能的比較，并沒有同時反映出3種破碎方式生產的工業產品的磨礦性能差別。本研究以工業破碎設備的產品為研究對象，對比鄂式破碎、圓錐破碎及高壓輥磨破碎3種產品的磨礦速度和Bond球磨功指數［13］，試驗研究結果對破碎流程的設計及設備選型有一定的借鑒意義。

1 試樣性質及研究方法

1.1 試樣性質及來源

試驗樣品取自撫順某單一磁鐵礦選礦廠，取樣位置分別為顎式破碎機排礦皮帶、圓錐破碎機排礦皮帶和高壓輥磨機排礦皮帶。破碎工藝流程見圖1。

該選礦廠采用“三段兩閉路破碎”工藝，原礦最大粒度850 mm，一段粗碎采用顎式破碎機，電機功率200 kW，破碎比i1約為2.83，開路破碎；中碎采用圓錐破碎機，電機功率400 kW，破碎比i2約為10，篩分設備為圓振動篩；細碎采用高壓輥磨機，電機功率1 250 kW×2，設定工作壓力9.0 MPa，破碎比i3約為10，篩分設備為直線振動篩；最終破碎產品粒度約為3 mm。

1.2 樣品處理

顎式破碎機樣品使用PEX-100×125型顎式破碎機繼續進行破碎，產品全部通過3 mm方孔篩。在生產現場，分別取圓錐破碎機產品和高壓輥磨機產品，并使用3 mm方孔篩篩分，篩下產品用于試驗。分別對3種破碎機產品進行配礦，使3種樣品的各窄級別粒度組成接近。破碎產品粒度分布見圖2。

1.3 試驗方法

使用XMQ240×90球磨機分別對3種破碎產品進行磨礦，磨礦質量濃度70%，干礦量0.5 kg/次，鋼球充填率φ=22.36%，球磨機轉速n=100 r/min，鋼球配比：φ30 mm 40個、φ25 mm 58個、φ20 mm 90個。磨礦時間分別為3、5、7、9、11、13、15 min。磨礦產品使用0.074 mm標準篩進行篩分。

使用φ305 mm×305 mm Bond功指數球磨機分別對上述3種破碎產品進行球磨功指數試驗，球磨機內裝有285個鋼球，鋼球總質量20.125 kg，鋼球配比為：φ36.5 mm 43個，φ30.2 mm 67個，φ25.4 mm 10個，φ19.1 mm 71個，φ15.9 mm 94個。給礦粒度分別為F80顎破=2.88 mm、F80圓錐=2.83 mm 和F80輥磨=2.91 mm，磨礦產品粒度分別為0.15 mm、0.10 mm和0.074 mm。

2 試驗結果與分析

2.1 磨礦動力學試驗結果與分析

破碎產品磨礦時間與-0.074 mm粒級產率的關系如圖3所示。

由圖3可知，在相同的磨礦時間下，高壓輥磨破碎產品經磨礦后的產品粒度最細。隨著磨礦時間的增加，3種產品的磨礦粒度越來越接近，在磨礦時間為15 min時，圓錐破碎產品和高壓輥磨產品的磨礦粒度基本一致，顎式破碎機產品的磨礦粒度約低3%。

對3種破碎產品分別進行磨礦動力學分析。磨礦動力學是指被磨物料的磨碎速率與磨礦時間的關系。假定磨礦速度（粗級別物料質量減少的速度）與該瞬間磨機中未磨好的粗粒級物料成正比［14］，根據這個假設可以列出下列關系：

式中：R為經過時間t后粗級別殘留物的累計產率，%；t為磨礦時間，min；k為比例系數，取決于磨礦條件，負號表示粗級別減少。

用分離變量法求解公式（1）微分方程，得到：

設R0為被磨物料中粗級別的原始質量分數，在磨礦開始時，t=0，R=R0，從而C=ln R0。將C值帶入公式（3）得到：

式（5）即為磨礦動力學方程式。對式（5）取2次對數，得到：

式中，k和m為比例系數，由物料性質和磨礦條件決定。m值主要取決于被磨物料的均勻性，k值主要取決于磨礦粒度［1］。

對公式（6）中的m和k分別求偏導數得到：

公式（7）表明k和t不變的情況下，參數m對篩上物料累計產率R的影響。公式（8）表明m和t不變的情況下，參數k對篩上物料累計產率R的影響。偏導數的值是一個關于時間的函數。

考慮磨礦動力學參數k和m對R減小的影響，取t＞1，如果參數m對R減少的影響大于k，則對m求偏導數的數值要大于對k求偏導數的數值，即：

公式（11）表明，當磨礦時間t＜e1/k時，參數k對R的減少（即磨礦速率）起主要影響；當t＞e1/k，參數m對R的減少（即磨礦速率）起主要影響；在t=e1/k附近時，k和m共同影響R的減少（即磨礦速率）。

利用公式（6），使用最小二乘法擬合不同磨礦時間下-0.074 mm產率的數據。由于高壓輥磨產品和圓錐破碎產品在磨礦時間大于11 min時，粗粒級殘余量小于5%，而公式（6）適用于粗粒級殘留量5%～100%的情況，為使磨礦條件相同，3種破碎產品的最大磨礦時間選定為11 min，設置不同的磨礦起始時間，得到磨礦動力學參數m和k的值，分別見表1。

依據表1中的擬合結果，使用公式（12）進行計算，臨界時間e1/k的最小結果為2 326，遠遠大于磨礦時間t，說明參數k對磨礦速率起到主要影響作用，m的影響可以忽略不計。

對于任一破碎產品，進行不同磨礦時間的磨礦動力學分析。以鄂式破碎產品為例，R0為79.31%。3 min 作為磨礦起點，R3鄂破產品為 47.10%，k3鄂破產品為0.077；5 min作為磨礦起點，R5鄂破產品為31.10%，k5鄂破產品為 0.061；7 min 作為磨礦起點，R7鄂破產品為 19.5%，k7鄂破產品為0.039。該結果表明：隨著磨礦時間增加，R降低，篩上物料被磨碎的概率降低，同一破碎產品的磨礦速度降低。

對于本試驗的3種破碎產品，進行相同磨礦時間的磨礦動力學分析。磨礦初始時間為3 min，鄂式破碎產品的 R3鄂破產品為 62.85%，k3鄂破產品為0.077；圓錐破碎產品 R3圓錐產品為55.10%，k3圓錐產品為 0.098；高壓輥磨產品的 R3輥磨產品為 47.10%，k3輥磨產品為 0.129。R3鄂破產品＞R3圓錐產品＞R3輥磨產品，R 越大，礦粒被破碎概率越大，但k3鄂破產品＜k3圓錐產品＜k3輥磨產品，即磨礦速度為 v鄂式破碎產品＜v圓錐破碎產品＜v高壓輥磨破碎產品，其他磨礦時間的R和k也符合這個關系，該結果表明：破碎方式對礦粒的可磨性存在影響，高壓輥磨產品的可磨性最好，鄂破產品的可能性最差。

以上分析表明：高壓輥磨產品的可磨性最好，圓錐破碎產品次之，鄂式破碎產品最差。同一破碎產品的磨礦速度隨著磨礦時間的增加而降低。不同破碎產品，隨著磨礦時間增加，顆粒性質逐步均勻并接近，磨礦速度逐步接近，破碎方式對磨礦速度的影響逐步降低。

參照上述分析結論，在實際生產中，利用3種破碎方式產生的粒度相近的破碎產品直接進行磨礦，鄂式破碎產品的可磨性最差，會嚴重降低球磨機的利用系數；圓錐破碎產品的可磨性居中，目前，大部分選礦廠的一段球磨機給礦產品為圓錐破碎機的細碎產品；高壓輥磨產品可磨性最好，相同磨礦產品的前提下，磨機利用系數會有顯著提升。

2.2 Bond球磨功指數試驗結果與分析

對3種粒度組成接近的破碎產品進行Bond球磨功指數測定，給礦粒度分別為F80顎破=2.88 mm、F80圓錐=2.83 mm和F80輥磨=2.91 mm，磨礦產品粒度分別為0.15 mm、0.10 mm和0.074 mm。在閉路磨礦的條件下，按照公式（12）進行計算［15］：

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

Bond球磨功指數計算結果見表2，產品粒度和Bond球磨功指數關系見表3。

由表2可知，同一破碎產品，球磨機每轉一圈的試驗篩孔以下新生量隨著產品粒度的降低而減少，而Bond功指數增加。不同破碎產品，在同一磨礦粒度時，球磨每轉一圈的試驗篩孔以下新生量：Gbp顎式破碎產品≈Gbp圓錐破碎產品＜Gbp高壓輥磨產品，球磨 Bond 功指數由低到高為：Wib高壓輥磨產品≈Wib圓錐破碎產品＜Wib鄂式破碎產品。

由表3可知，3種破碎產品的磨礦粒度由0.154 mm降低到0.100 mm時，Bond功指數增量分別為 4.63kWh/t、4.44 kWh/t和 4.30 kWh/t，高壓輥磨產品功指數增量最小，鄂式破碎產品功指數增量最大，破碎方式對Bond功指數的影響較大；當磨礦粒度由0.100 mm降低至0.074 mm時，三者的增量分別為2.55 kWh/t、2.55 kWh/t和 2.54 kWh/t，破碎方式對Bond功指數的影響減小。

Bond球磨功指數試驗表明：①在磨礦產品粒度大于0.10 mm時，破碎方式對磨礦的能耗影響顯著，高壓輥磨產品最節能；當磨礦產品粒度小于0.10 mm時，破碎方式對磨礦的能耗影響降低；②同一破碎產品的Gbp隨著產品粒度降低而降低，驗證了“磨礦速度隨著磨礦時間的增加而降低”。不同破碎產品相同磨礦粒度的Gbp隨著磨礦時間增加，差別減小，驗證了“隨著磨礦時間增加，顆粒性質逐步均勻并接近，磨礦速度逐步接近，破碎方式對磨礦速度的影響逐步降低”。

3 結論

（1）磨礦動力學試驗表明，高壓輥磨產品的可磨性最好，圓錐破碎產品次之，鄂式破碎產品最差。同一破碎產品的磨礦速度隨著磨礦時間的增加而降低。不同破碎產品，隨著磨礦時間增加，顆粒性質逐步均勻并接近，磨礦速度逐步接近，破碎方式對磨礦速度的影響逐步降低。

（2）Bond球磨功指數試驗表明，在磨礦產品粒度大于0.10 mm時，破碎方式對磨礦的能耗影響顯著，高壓輥磨產品最節能；當磨礦產品粒度小于0.10 mm時，破碎方式對磨礦的能耗影響降低。

（3）工業生產中，高壓輥磨產品作為球磨機給礦最有益，圓錐破碎產品次之。破碎工藝中增加高壓輥磨機，對于增大磨機處理量、降低磨礦能耗十分有益。