金剛石刀頭磨削鐵礦石電耗的影響因素

摘要 金剛石刀頭磨削鐵礦石的電耗是磨采機作業的核心指標，通過搭建實驗臺并采用2種金剛石圓鋸片和2種磨輪對2種鐵礦石樣本進行磨削實驗，得到不同刀頭及磨削線速度、磨削厚度、磨削寬度、磨削移動速率等參數下的電耗實驗數據，據此計算及分析磨削效率和電耗間的關系。結果表明：礦石1的磁性鐵區、礦石2的石英區和磁性鐵區額定電機電耗平均值分別為50.41、36.05和15.17（kW·h）/t，且添加鐵片的鋒利型刀頭可有效降低鐵礦石的磨削電耗；在一定范圍內增加磨削寬度和金剛石磨輪直徑，可提高磨削效率并降低電耗，且礦石的巖石特性對磨削電耗影響較大。此外，合適的金剛石刀頭磨削方向有利于礦漿收集，并最大化地切向推壓對切削力的增益效果。單次磨削移動距離Δs與磨削效率密切相關，且與金剛石切入深度Δh直接相關。在M1～M6 6個實驗方案中Δs值范圍分別為6.01～14.35、3.23～9.96、4.14～15.04、26.44～32.09、1.62～5.37和2.02～5.64μm時調整Δs值，能夠有效降低磨削電耗；且當M1～M6的Δs值分別為14.35、6.65、15.04、32.09、5.37和3.22μm時，磨削電耗最低。但要確定最適用的Δs值，需綜合考慮金剛石工具的尺寸結構、刀頭性能、礦石的巖石特性、作業參數、刀頭受力情況等因素，以找到其適應不同情況的合理取值范圍。

關鍵詞 磨采機；金剛石鋸片；金剛石磨輪；磨削效率；磨削電耗

中圖分類號 TD42; TG74; TG58; TQ164 文獻標志碼 A

文章編號 1006-852X（2025）01-0075-11

金屬礦山在選礦之前的礦石破碎過程主要包括爆破、破碎和磨礦等工序，其能耗占采選總能耗的40.00%以上，且磨礦能耗占比最大，三者能耗占比分別是爆破占5.51%、破碎占15.74%、磨礦占78.75%[1]。根據礦石類型及磨礦粒度的不同，磨礦電耗也不同。對鐵礦及銅礦選礦廠中的電耗進行統計，噸礦電耗為15.00～45.00（kW·h）/t，其中的50%～75%消耗在破碎和磨礦作業中[2]。如梅山鐵礦一段磨+二段磨電耗為12.31～13.79（kW·h）/t[3]；歪頭山鐵礦廢石邦德（bond）球磨功指數為12.05（kW·h）/t[4]；澳洲某鐵礦石（中等堅固礦石）的礦石邦德球磨功指數為13.27（kW·h）/t[5]；江西某鎢礦選礦廠的球磨機磨礦電耗為8.65（kW·h）/t[6]。

人造金剛石工具在花崗石、大理石等的開采和石材加工領域應用廣泛，其中采用燒結金剛石刀頭焊接在基體上制作的金剛石圓鋸片和金剛石磨輪使用最廣泛[7]。金剛石刀頭的制造要兼顧刀頭的鋒利性與耐用性，針對不同的巖石特性，在金剛石選取、金屬胎體材料選擇、配方和加工工藝以及燒結工藝設計等方面進行研究，使巖石磨削成本降到最低[8-10]。

將現有采礦設備（如采煤機、挖掘機、掘進機等）與金剛石工具組合發明了一種新型采礦設備（稱之為“磨采機”）[11-14]，其使用的金剛石工具一般為筒式或圓盤式結構，主要由基體和金剛石刀頭組成，且金剛石刀頭焊接在基體上。使用磨采機進行采礦的方式稱為磨采采礦方式，其主要工序為：磨采機主驅動系統驅動金剛石工具直接磨削礦石，形成的礦粉顆粒細小，與水混合形成礦漿，礦漿通過收集并輸送進入選礦設備進行選礦或再磨再選[11-12]。對于地下開采的礦山，可以直接把選礦設備移至地下洞室內進行選礦作業，產生的精礦運輸提升至地表，產生的尾礦充填采空區。這樣，可基本實現地表無尾礦排放，無需在地表建設大型選礦廠，對地表環境的污染明顯減小，也節省了尾礦庫和選礦廠的大規模占地建設，地表尾礦庫的安全隱患也隨之消除，實現了綠色安全采礦。

磨采采礦方式極大地簡化了金屬礦山采選流程，全部或部分省去了鑿爆法采礦的鉆孔、爆破、裝載、運輸、提升、粗碎、中碎、細碎、磨礦等工序環節。雖然磨采采礦方式也包含運輸和提升環節，但其運輸和提升的是精礦，而鑿爆法運輸和提升的是原礦。由于采選工序環節的減少，磨采采礦方式使用的作業設備種類大幅度減少，一機可替代多種采選設備。因此，使用磨采機采礦，更容易實現綠色采礦、精準采礦、智能采礦。但磨采采礦方式能否在金屬礦山或部分非金屬礦山得以推廣，最關鍵的是磨采機磨采礦石作業的成本是否接近或優于鑿爆法采礦成本，其中的磨采機作業能源消耗成本是最關鍵的指標之一。能源消耗成本不僅決定了磨采機作業總成本，還決定了磨采機的作業效率指標。在總裝機容量一定情況下，單位產量的能源消耗越低，設備效率就越高，固定或半固定成本的分攤越低，設備作業總成本就會越低。

磨采機用金剛石刀頭磨削巖石時會消耗大量電能，這與刀頭的磨削力和刀頭線速度等密切相關；而刀頭的電耗指標又與磨削厚度、物料進給速度、刀頭圓周速度、冷卻水流量、巖石去除效率、巖石特性等相關[15-18]。為了探究磨采設備在金屬礦山或部分非金屬礦山的應用前景，對磨采機作業能源消耗指標進行攻關至關重要。為此，利用自制的實驗系統分析刀頭的磨削線速度、磨削厚度、磨削寬度、磨削移動速率等參數對金剛石刀頭磨削鐵礦石電耗的影響規律，以探索按某種指標作業的最低磨削電耗區間。

1實驗設備與方案

1.1實驗平臺制作

為了研究磨采機磨削電耗指標變化規律，自主搭建了金剛石刀頭磨礦實驗系統平臺，如圖1所示。該系統搭建在礦山現場，以方便對礦山采場大塊鐵礦石進行磨削實驗。金剛石刀頭磨礦實驗系統平臺由縱向移動裝置、橫向移動裝置、垂直升降裝置、主電機、傳動系統、實驗工具噴水冷卻裝置、礦漿收集裝置、配套實驗儀器等幾部分組成，其縱向移動裝置采用220 V、3 kW交流電機驅動，通過調頻器調節電機轉速和轉向，可實現縱向磨削礦石的水平移動速率為0～5.64 m/min。通過平臺的橫向移動裝置和垂直升降裝置調節實驗工具的橫向水平位置和垂直位置，繼而控制實驗工具磨削礦石的厚度和寬度。驅動磨削作業的主電機是380 V、15 kW（額定功率）的三相交流電機，為6級電機，其轉速為960 r/min。主電機通過2個皮帶輪、皮帶和傳動軸帶動實驗工具磨削礦石，調整2個皮帶輪的直徑比可調節實驗工具轉速。

實驗系統中采用金剛石圓鋸片和金剛石磨輪對2種鐵礦石進行切割和磨削實驗。2種金剛石工具均由基體和刀頭組成，基體為75Cr1鋼材質，燒結金剛石刀頭通過高頻焊或氬弧焊焊接在基體上。金剛石圓鋸片有2種，如圖2所示。鋸片1采用加鐵片普通型刀頭，刀頭中鐵片厚度為0.80 mm；鋸片2采用加鐵片鋒利型刀頭，刀頭中鐵片厚度為1.80 mm。2種圓鋸片的主要參數見表1。其中的加鐵片刀頭是指在刀頭內等間隔添加一定數量的鐵片，具體見圖2中的刀頭結構圖。由于鐵片比基體（也稱胎體）軟，磨削時其先于基體被磨損，可形成“壟溝”凹凸面。

實驗用金剛石磨輪有2種規格，見圖3a、圖3b。磨輪1使用加鐵片鋒利型刀頭，其刀頭結構見圖3c，鐵片厚度為1.00 mm；磨輪2使用未加鐵片鋒利型刀頭，刀頭結構與磨輪1的相同。2種磨輪的主要參數如表2所示。

以上2種金剛石圓鋸片刀頭和2種金剛石磨輪刀頭的主要質量指標如表3所示。

1.2實驗方案

針對2種大塊磁性鐵礦石進行實驗，礦石1取自本溪梨樹溝鐵礦山，礦石2取自本溪三家子鐵礦山，2種大塊鐵礦石如圖4所示。從2種大塊鐵礦石的實際實驗看：礦石1的磁性鐵和石英分布較均勻，整個礦石不同部位變化不大；礦石2的磁性鐵和石英分布不均勻，礦石上部可看到有明顯的白色石英分布，且基本沒有磁性，說明磁性鐵含量較低；礦石下部基本看不到明顯的石英分布，且磁性強，說明磁性鐵含量較高。把礦石2劃分為上部石英區和下部磁性鐵區2個實驗部分，2種鐵礦石的特性對比如表4所示，其中的TFe和mFe平均品位表示全鐵平均品位和磁性鐵平均品位的質量分數，石英粒徑表示其基本顆粒尺寸的平均值。從表4中數據可以看出：除礦石中石英粒徑外，礦石1的其余指標均高于礦石2的。

采用表1、表2的4種金剛石工具分別對表4的2種鐵礦石進行磨削實驗并采集數據，其中的礦石2按上部石英區和下部磁性鐵區分別實驗。按以下方案進行實驗，分別為鋸片1磨削礦石1的M1、鋸片2磨削礦石1的M2、磨輪1磨削礦石1的M3、磨輪2磨削礦石1的M4、磨輪1磨削礦石2石英區的M5、磨輪1磨削礦石2磁性鐵區的M6共6個實驗方案。

2刀頭類型和礦石種類對電耗的影響

2.1實驗數據處理

金剛石刀頭磨削礦石的作業參數主要包括磨削線速度、磨削厚度、磨削寬度和磨削移動速率等，其中磨削線速度根據不同磨削對象有最佳取值范圍[7]，而磨削厚度、磨削寬度和磨削移動速率三者之積為磨削效率。實驗將磨削線速度控制在合理范圍內，通過調整磨削厚度、磨削寬度和磨削移動速率參數值獲取不同磨削效率，記錄電機實際平均功率，據此計算磨削效率、電機電耗、額定磨削效率、額定電機電耗。6個實驗方案分別選取的4組典型實驗數據如表5所示。

表5中的磨削效率表達式為：

Q=（1）

式中：Q為磨削效率，t/h；ρ為礦石密度，t/m3；d為磨削厚度，cm；b為磨削寬度，cm；vm為磨削移動速率，cm/min。

電機電耗的表達式為：

E=

式中：E為電機電耗，（kW·h）/t；P為電機實際平均功率，kW。

定義電機帶動工具空轉時的功率為電機空載功率。如表5所示，定義6個實驗方案的電機空載功率為3.00～3.50 kW。電機帶動工具磨削作業時的電機實際平均功率減去電機空載功率即為磨削功率。磨削作業時，隨著電機實際平均功率增加，磨削功率也增加，當電機功率達到額定功率時，磨削功率也達到允許的最大值，稱為額定磨削功率，對應的磨削效率稱為額定磨削效率，對應的電機電耗稱為額定電機電耗。

在磨削線速度、磨削厚度和磨削移動速率不變的條件下，通過增大磨削寬度使電機功率達到額定功率，此時，額定磨削效率的表達式為：

Qmax=Q（3）

式中：Qmax為額定磨削效率，t/h；Pmax為電機額定功率，取15 kW；Pc為電機空載功率，kW。

額定電機電耗的表達式為：

Emin=Qm（Pm）a（a）x（x）（4）

式中：Emin為額定電機電耗，（kW·h）/t。

將表5中6個實驗方案的磨削效率和電機電耗的平均值繪制如圖5所示的柱狀圖。圖5中的6個實驗方案由于電機實際平均功率差別較大，且遠沒有達到電機的額定功率，因而以此計算的電機電耗不具備可比性，需將6個實驗方案的電機功率統一調整為電機額定功率15 kW，按式（3）和式（4）計算額定磨削效率和額定電機電耗才具有可比性。

根據表5的6個實驗方案確定的平均額定磨削效率和平均額定電機電耗繪制的柱狀圖如圖6所示。

2.2刀頭類型對電耗的影響

4種金剛石工具的刀頭類型可分為3種：第1種為加鐵片普通型刀頭（鋸片1用，命名為N1），第2種為加鐵片鋒利型刀頭（鋸片2和磨輪1用，命名為N2），第3種為不加鐵片鋒利型刀頭（磨輪2用，命名為N3）。

為比較分析刀頭類型對電耗的影響，選擇4種金剛石工具磨削相同礦石1的M1、M2、M3、M4 4個實驗方案。從圖6可知：M2和M3實驗方案的額定電機電耗較接近，且低于其他2個方案的電耗，而M2和M3實驗方案采用的都是加鐵片鋒利型刀頭N2，比其他2種刀頭類型N1、N3具有優勢。

當加鐵片刀頭磨削礦石時，鐵片先于胎體磨掉一部分，在刀頭的表面形成類似“壟溝”的凹凸面，而不加鐵片刀頭表面基本為平面，如圖3所示。N2、N3 2種刀頭磨削礦石的表面也不相同，分別為凹凸面和平面，如圖7所示。加鐵片鋒利型刀頭N2的主要優勢為：一是在磨削寬度和磨削厚度相同條件下，加鐵片刀頭與礦石接觸面積要比不加鐵片刀頭接觸面積大，這樣就提高了磨削礦石的效率；二是凹凸面更有利于磨削礦粉的排屑。這是加鐵片鋒利型刀頭N2能夠降低磨削電耗的主要原因。

2.3礦石種類對電耗的影響

為使不同礦石的磨削實驗具有可比性，需使用相同的金剛石刀頭磨削不同的礦石，即采用磨輪1磨削礦石1、礦石2的石英區、礦石2的磁性鐵區，對應的實驗方案為M3、M5和M6。從表5可看出，額定電機電耗指標排序為礦石2磁性鐵區＜礦石2石英區＜礦石1。礦石2磁性鐵區的額定電機電耗值為礦石2石英區的42%、為礦石1的30%，可見礦石的巖石特性對電耗的影響非常大。結合表4和表5的數據進行分析，發現礦石的單軸抗壓強度、礦石中石英成分含量以及石英粒徑特征是影響電耗的主要特性。單軸抗壓強度越高，礦石就越硬；石英含量越高、石英粒徑越細小，磨削礦石的電耗越高。

同時，磨輪1磨削礦石1（實驗方案M3）的額定電機電耗最高，其平均值為50.41（kW·h）/t；磨輪1磨削礦石2石英區（實驗方案M5）的次之，為36.05（kW·h）/t；磨輪1磨削礦石2磁性鐵區（實驗方案M6）的最低，為15.17（kW·h）/t。根據金屬礦山爆破、破碎和磨礦等工序能耗占比以及鐵礦和銅礦選礦廠中的電耗統計數據，推算鑿爆法破巖全過程電耗為7.94～35.72（kW·h）/t。因此，與鑿爆法破巖全過程電耗相比，M6方案的磨削電耗位于鑿爆法的中下限，M5方案的磨削電耗位于鑿爆法的上限，M3方案的磨削電耗高于鑿爆法的上限。需要說明的是，受實驗裝置和實驗金剛石工具條件限制，實驗電耗不是最佳值，通過繼續攻關有望進一步降低；且磨采采礦與鑿爆法采礦不能只看電耗指標的優劣，而是要看采選總成本的優劣，即使電耗成本高，采選總成本也未必高。

3刀頭磨削鐵礦石電耗的相關分析

3.1金剛石刀頭磨削礦石時的力分析

金剛石刀頭磨削礦石產生的力主要來自2個方面：一是主電機帶動刀頭旋轉產生的切向磨削力，二是移動電機對刀頭的水平推力。圖8為金剛石刀頭磨削礦石時的受力圖。如圖8所示：當刀頭以線速度vl逆時針旋轉時，刀頭受到斜下向的切向磨削力Fg作用；當刀頭以水平速率vm向右移動時，受到向左的水平推力Fp作用，Fp在切向和徑向的分解力是Fpt和Fpr。其中，Fpr的作用是使刀頭中的金剛石壓入礦石內，Fpt的作用是增大（反向移動時為減小）切向磨削力。

主電機磨削礦石的實際功率可按下式近似計算：

P=Pg+Pc=（Fg±Fpt）vl+Pc

式中：Pg為主電機磨削功率，kW。

3.2金剛石刀頭磨削礦石時移動方向的選擇

當刀頭旋轉方向確定后，刀頭水平移動有2個方向可選擇，以圖8為例，當刀頭逆時針旋轉時，刀頭水平移動可選擇向右和向左2個方向。選擇向右移動比向左移動有2個優勢：一是刀頭向右移動時，磨削下來的礦粉與水混合的礦漿會向右上方拋射出去，工作面沒有殘存礦粉，有利于礦漿的收集；而向左移動時，礦漿向右側水平方向拋射，拋射距離短，礦粉會存留在礦石磨削后的水平面上，不利于礦漿收集。二是刀頭向右移動時，水平推力在切向方向的分力Fpt與切向磨削力Fg方向相同，增大了對礦石的磨削力，減小了主電機電耗；而向左移動時，Fpt與Fg方向相反，減小了對礦石的磨削力，增大了主電機電耗。

3.3金剛石壓入礦石內的深度分析及推算

金剛石刀頭的破巖過程為在水平推力Fp的徑向分力Fpr作用下，將金剛石壓入礦石內一定深度；在切向磨削力Fg和Fp在切向的分力Fpt共同作用下，使壓入的金剛石在礦石表層形成一定深度溝痕；隨著刀頭不斷旋轉磨削，溝痕不斷擴展和加深，促成金剛石刀頭按一定效率磨削礦石。刀頭中金剛石單次壓入礦石的平均深度（用Δh表示）是決定磨削效率和電耗非常重要的指標。顯而易見，在磨削線速度、磨削厚度、磨削寬度相同條件下，Δh越大，磨削效率就越高。同時，在一定范圍內，Δh越大電耗指標越低；但當超過一定范圍時，增大Δh，電耗指標不降反升。這是因為金剛石在胎體中的出露高度在一定范圍內，金剛石壓入深度超過Δh的合理范圍，會增加胎體與礦石接觸面積并增大正向壓力，從而增大摩擦力，增加了電機的無用功，造成電耗升高。

圖8中刀頭自A點單次運動到B點，由于刀頭的長除（磨削）以（作）刀（用）頭線速度（為勻速沿圓）v l，（周）而弧（旋轉，）長（因）為圓心（此所需）角（時）除（Δt）以（為）0°（弧）乘以圓周長，即弧長=2πrα/360°=παr/180°。同時，在圖8的直角三角形OBE中，OB=r，OE=r?d，cosα=OE/OB=（r?d）/r，α=arccos[（r?d）/r]=arccos（1?d/r）。另外，由于半徑r單位是cm，vl單位是m/s，單位統一后即可得：

Δt=πr=πr·arcos 1?

18 000vl 18 000vl

式中：Δt為刀頭自A點單次運動到B點所需時間，s；r為金剛石工具半徑，cm；vl為刀頭線速度，m/s；α為接觸圓心角∠AOB，（°）。

定義刀頭磨削礦石自A點單次運動到B點時的水平推進距離為單次磨削移動距離，則其表達式為：

Δs=×106（7）

式中：Δs為單次磨削移動距離，cm。

聯合式（1）、式（6）、式（7）求解Δs，得到：

Δs=×10?3（8）

從式（8）可知：Δs與磨削厚度d、磨削移動速率vm之積成正比，與刀頭線速度vl成反比。

然而Δs與Δh并不相等，是因為：（1）Δs是水平距離，而Δh是徑向深度；（2）刀頭中金剛石濃度是固定的，金剛石顆粒按一定距離連續分布，當刀頭自A點單次運動到B點時，金剛石劃痕是有間距的；（3）相鄰刀頭（組）之間也有間隔，不是連續的；（4）Δh值為變量，而Δs值為定值。

圖 9 為金剛石刀頭磨削礦石的過程放大圖。圖 9 中的 為刀頭與礦石的起始接觸弧線，當刀頭在水平 方向移動 Δs 時 ， 新的接觸弧線為 ， 磨削礦石 的 ABB′A′面。在垂直方向上將磨削厚度 d 劃分成若干等 份，則在 ABB′A′面內形成若干單元塊。這些單元塊面 積相等，上下底寬均等于 Δs。不同的是，每個單元塊的 弧長和 2 個弧之間垂直距離不等。實際上， 和 間的垂直距離為 nΔh（n 為系數，0＜n＜1）。因此，刀 頭中金剛石壓入礦石的深度 Δh 自下向上逐漸加大，同 時，每個單元塊刀頭與礦石接觸弧長自下向上逐漸減 小。nΔh 的最大值可按式（9）近似計算，且 nΔh 的取 值范圍為 0～Δs sinα。但無論如何，Δs 與 Δh 有很大相 關性，可以用 Δs 代替 Δh 進行相關分析。

這里需補充一點，從式（8）可知，Δs與金剛石工具半徑r不直接相關。雖然刀頭線速率vl與r成正比，但可通過調節速比方法將不同半徑r的刀頭線速率vl調為一致。

從式（9）可知：Δhmax與接觸圓心角α的正弦值成正比，而α=arcos（1?d/r），可知增大半徑r需增大相同倍數的磨削厚度d，才能保證α不變。這就是說，在其他磨削參數相同條件下，增大n倍半徑r并同時增大n倍磨削厚度d，可得到相同的Δs與Δh值。但此時接觸著擴（面的）降（擴）低（大）了（n）空載功率占比（倍，磨削效率擴），也（大）降低了電機電耗（n倍，且磨削功率）同（隨）樣，增大半徑r與增大磨削寬度b具有相同的效果。

3.4刀頭磨削礦石時的電耗與Δs相關性分析

通過前面分析可知，單次磨削移動距離Δs與刀頭磨削礦石電耗直接相關。同時，根據式（6）和式（7）可以推導出Δs與磨削效率Q之間的關系式：

Δs=（10）

當刀頭磨削寬度b和刀頭線速度vl為固定值時，Δs與Q之間為線性關系，此時分析刀頭磨削礦石電耗與Δs間的關系就是分析電耗與磨削效率間的關系。

3.4.1電機電耗與Δs相關性分析

電機電耗E按式（2）計算，單次磨削移動距離Δs按式（8）計算，從M1～M6 6個實驗方案中選取其4～7組代表性實驗數據計算E和Δs值。使用Origin軟件擬合二者之間的關系，均采用冪函數擬合，擬合結果如圖10所示。圖10中給出了6個實驗方案的擬合方程，其擬合的決定系數R2值在0.919 25～0.994 84，表明擬合結果可靠。

從圖10的6個實驗方案擬合結果看：在一定范圍內，隨著Δs值的增加，電機電耗E值逐漸減小。

3.4.2磨削電耗與Δs相關性分析

前文提到，電機功率為空載功率與磨削功率之和；同樣，電機電耗為空載電耗與磨削電耗之和。磨削電耗的表達式為：

式中：Eg為磨削電耗，（kW·h）/t。

實際上，Δs與磨削功率直接相關，與空載功率無關，分析磨削電耗與Δs的相關性更具有效性。

同樣對6個實驗方案計算的Eg和Δs采用冪函數擬合，擬合結果如圖11所示。從圖11的擬合結果看：M1、M4、M5方案的擬合方程較好，其擬合的決定系數R2值均在0.900 00以上，擬合結果可靠；其余3個方案的擬合效果較差。

在圖11的M1～M6 6個實驗方案中，其Δs值范圍分別為6.01～14.35、3.23～9.96、4.14～15.04、26.44～32.09、1.62～5.37和2.02～5.64μm，對應的磨削電耗Eg值范圍分別為60.78～85.31、45.95～50.02、36.60～53.23、71.86～77.63、37.63～55.34和11.44～25.35（kW·h）/t。當M1～M6的Δs值分別為14.35、6.65、15.04、32.09、5.37和3.22μm時，其磨削電耗最小，對應的磨削電耗Eg值分別為60.78、45.95、36.60、71.86、37.63和11.44（kW·h）/t。

從圖11還可看出：M3實驗方案的磨削電耗Eg隨Δs值的增加，前期值減小、后期值增大，說明繼續增加Δs值是不經濟的。雖然圖10中顯示其電機電耗減小，但這是靠降低空載功率比例得到的。實際上，將Δs值控制在磨削電耗Eg最小值的對應區間，再通過增加刀頭磨削寬度b或刀頭半徑r來提高磨削效率，增大主電機功率使其接近額定功率，電機電耗才能達到最小值區間。同時，其余5個實驗方案的磨削電耗Eg隨Δs值的增加仍然呈下降趨勢，說明可以繼續提高Δs值來降低電耗。這里需強調的是，Δs的最佳值并不是一成不變的，即使是同種刀頭磨削同種礦石，由于礦石巖性在不同部位的復雜變化，很難精準確定最佳Δs值，只能通過實踐確定比較理想的平均值范圍。

4結論

（1）采用不同類型的2種金剛石圓鋸片及2種金剛石磨輪，對2種不同的鐵礦石樣本進行磨削實驗。相較于其他類型的金剛石刀頭，采用添加鐵片的鋒利型金剛石刀頭，在礦石磨削作業時能夠顯著降低電力消耗。

（2）在主電機額定功率不變條件下，通過優化磨削寬度和磨輪直徑，可提高磨輪磨削效率，并降低其電機電耗。

（3）金剛石刀頭磨削2種鐵礦石樣本，實驗求得礦石1的額定電機電耗平均值為50.41（kW·h）/t（實驗方案M3），礦石2石英區的平均值為36.05（kW·h）/t（實驗方案M5），礦石2磁性鐵區的平均值為15.17（kW·h）/t（實驗方案M6）。說明礦石的巖石特性，如單軸抗壓強度、石英含量及顆粒大小等，對磨削過程中的電耗有顯著影響；且礦石的單軸抗壓強度越高，石英含量越高、石英粒徑越細小，磨削礦石的電耗越高。

（4）選擇合適的磨削移動方向有利于礦漿收集，并最大化地切向推壓對切削力的增益效果。

（5）優化單次磨削移動距離Δs能夠有效降低磨削電耗，并可實現最佳經濟效益。當M1～M6的Δs值分別為14.35、6.65、15.04、32.09、5.37和3.22μm時，其磨削電耗最小。在實際應用中要確定最適用的Δs值，需綜合考慮金剛石工具的尺寸結構、刀頭性能、礦石巖石特性、作業參數、刀頭受力情況等因素，以找到其適應不同情況的合理取值范圍。

參考文獻：

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作者簡介

通信作者：莊世勇，男，1969年生，副教授、碩士。主要研究方向：采礦設備、數字礦山和工程爆破。

E-mail：418966927@qq.com

（編輯：周萬里）

Influencing factors of power consumption in grinding iron ore with"diamond cutter head

DING Caizhi1，ZHUANG Shiyong1，SONG Leibo2，DENG Yong3，WANG Huanyu1，GU Lu1

（1.School of Resources and Civil Engineering，Liaoning University of Science and Technology，Benxi 117004，Liaoning，China）

（2.School of Civil Engineering，Shaoxing University of Arts and Sciences，Shaoxing 312000，Zhejiang，China）

（3.Zhaojin Mining Industry Co.，Ltd.，Yantai 265400，Shandong，China）

Abstract Objectives：The existing mining equipments，such as coal mining machines，excavators，tunneling ma-chines，and diamond tools，are combined to form a new mining equipment called the“grinding mining machine”，which is used for grinding mining.The main advantage of grinding mining applied in metal mines is that it greatly simplifies the mining process.However，whether it can be popularized and applied depends on whether its operating cost is close to or lower than the mining cost of drilling and blasting methods.Among these，the energy consumption cost of grind-ing mining machine operation is one of the most critical control indicators.The existing cutter heads of diamond tools，such as diamond circular saw blades and diamond grinding wheels，are used to grind iron ore.The relationship between grinding power consumption and the type of diamond cutter heads，the rock characteristics of iron ore，and the grinding operation parameters are studied.The factors affecting the grinding efficiency and the cost of the grinding mining ma-chine are explored to find a reasonable range of values that can adapt to different situations.Methods：An experimental platform was built，and two types of diamond circular saw blades and two types of diamond grinding wheels were used to conduct grinding experiments on two types of iron ore samples.There were a total of six experimental schemes，and power consumption experimental data were obtained for different blade heads and their grinding line speeds，grinding thicknesses，grinding widths，grinding movement rates，etc.Based on this，the rated grinding efficiency，the rated motor power consumption，and the rated grinding power consumption were calculated.The main influencing factors of power consumption in grinding iron ores with diamond cutter heads were analyzed by comparing the above data.Results：Ac-cording to the experimental data and the calculation analysis of the six experimental schemes，the following results were obtained：（1）The average rated motor power consumption of the magnetic iron zone of ore 1，the quartz zone，and the"magnetic iron zone of ore 2 are 50.41，36.05，and 15.17（kW·h）/t，respectively.This indicates that the rock characterist-ics of ore，such as uniaxial compressive strength，quartz content，and particle size，have a significant impact on power consumption during grinding.The higher the uniaxial compressive strength of the ore，the higher the quartz content and the smaller the quartz particle size，the higher the power consumption of grinding the ore.（2）Two different types of dia-mond circular saw blades and two types of diamond grinding wheels were used to conduct grinding experiments on two different iron ore samples.Compared with other types of diamond heads，the use of sharp diamond heads with added iron sheets can significantly reduce power consumption during ore grinding operations.（3）Under the condition of con-stant rated power of the main motor，the grinding efficiency of the grinding wheel can be improved，and the power con-sumption of the motor can be reduced by optimizing the width and the diameter of the grinding wheel.（4）The single grinding movement distanceΔs is closely related to grinding efficiency and directly related to the diamond cutting depthΔh.When theΔs value ranges from 6.01 to 14.35，3.23 to 9.96，4.14 to 15.04，26.44 to 32.09，1.62 to 5.37，and 2.02 to 5.64μm in the six experimental schemes of M1 to M6，the grinding power consumption can be effectively reduced by adjusting theΔs value.When theΔs values of M1 to M6 are 14.35，6.65，15.04，32.09，5.37，and 3.22μm，respectively，the grinding power consumption is the lowest.However，to determine the most suitableΔs value，it is necessary to com-prehensively consider factors such as the size and the structure of the diamond tool，the performance of the cutting head，the characteristics of the ore rock，the operating parameters，and the force situation of the cutting head，in order to find a reasonable range of values that can adapt to different situations.Additionally，according to the force analysis of the dia-mond cutter head grinding ore and the phenomena observed in the experiment，selecting the appropriate grinding move-ment direction is conducive to pulp collection and maximizes the gain effect of tangential pushing on the cutting force.Conclusions：The energy consumption of diamond cutter heads grinding ores should be optimized in two aspects：the manufacturing technology and the use parameters of the cutter heads.In terms of diamond cutter head manufacturing technology，optimization should be carried out from the aspects of diamond grade，diamond particle size，and matrix compositions，formula，processing technology，as well as the size design，shape and arrangement of diamond cutting heads.Cutting heads that are both sharp and durable for grinding different types of ores should be developed to reduce energy consumption and operating costs.In terms of using operational parameters，further optimization research should be conducted on grinding size parameters and dynamic parameters to improve grinding efficiency，reduce grinding en-ergy consumption and operational costs，and provide experimental and theoretical basis for the manufacturing of grind-ing and mining machines.The core technology of the grinding mining machine lies in the manufacturing technology of the grinding drum，and optimizing diamond cutter head grinding ores is fundamental to improving the grinding drum manufacturing technology.

Key words grinding and mining machine；diamond saw blade；diamond grinding wheel；grinding efficiency；grinding power consumption