选矿破碎理论及破碎设备概述

赵宇轩，王银东

(1.本溪钢铁(集团)矿业有限责任公司，辽宁 本溪 111700；2.中国中铁资源集团有限公司，北京 100039)

选矿设备与选矿工艺技术的发展是同步的，选矿设备水平不仅是选矿工艺水平的体现，也直接影响着生产过程、产品质量和综合经济效益，因此国内外非常重视选矿设备的开发和应用。破碎作业是选矿工艺的首道工序，为磨矿作业提供适宜粒度物料。由于磨矿作业电耗占选矿厂总电耗的50%左右，成本比重大，因此研究“多碎少磨”，以更精细的破碎作业为磨矿环节提供更细物料，实现磨矿效率提升，节省运营费用，成为近年来的研究热点[1]。这部分的研究，不仅包括对破碎理论本身的研究，还包括对破碎设备的研发和改进。本文即阐述破碎相关理论，并在此基础上对破碎设备进行综述，以为相关研究应用者提供参考。

1 概述

1.1 破碎比

国内外一致认为，降低最终破碎产品的粒度是破碎作业增产、节能、降耗的重要用途，国内将这一思想归纳为“多碎少磨”。破碎作业的作用主要体现在以下几方面：①满足分选机械对入选物料最大入选粒度的要求；②满足有用矿物与脉石的解离要求；③满足用户对选后产品粒度的要求。

开采的大块矿石，一般需经粗碎、中碎和细碎来达到上述要求。每段破碎都会产生一个破碎比，破碎比即常用物料破碎前的平均粒度D与其破碎后的平均粒度d之比：

i=D/d

式中：i为破碎比，一般i=3～30。

破碎比的大小与所选用的破碎机械和破碎的矿石性质有关。破碎机械所施加的机械力，可以是挤压力、劈裂力、弯曲力、剪切力、冲击力等，在一般机械中大多是两种或两种以上机械力的综合。对于坚硬的物料，适宜采用产生弯曲和劈裂作用的破碎机械；对于脆性和塑性的物料，适宜采用产生冲击和劈裂作用的机械；对于粘性和韧性的物料，适宜采用产生挤压和碾磨作用的机械。

矿石破碎过程中所表现出来的抵抗外力的强度大小，称为矿石破碎的难易程度，它是衡量矿石可碎性的标准。影响矿石破碎难易程度的最主要因素是矿石的硬度，而硬度主要取决于矿石的结构特性和矿物的结晶形态。

矿石的破碎方法，主要根据矿石的物理力学性质、矿石块料的尺寸和所要求的破碎比来选择。由于破碎机构造和作用的不同，实际选用时，还应根据具体情况考虑下列因素：

1)物料的物理性质，如易碎性、黏性、水分泥沙含量和最大给料尺寸等；

2)成品的总生产量和级配要求，据以选择破碎机类型和生产能力；

3)技术经济指标，做到既合乎质量、数量的要求，操作方便、工作可靠，又最大限度节省费用。

1.2 破碎理论

破碎物料所消耗的功，一部分是使被破碎的物料变形，并以热的形式散失于周围空间；另一部分则用于形成新表面，变成固体的自由表面能。针对破碎过程提出的理论有：

1.2.1 面积假说

破碎理论的面积假说是由德国学者P．R．雷廷格(P．R．Rittinger)于1867年提出的。雷廷格认为：破碎过程是以减小物料颗粒尺寸为目的，破碎过程将使物料的表面积不断增加。为此，物料破碎时，外力所做的功用于产生新表面，即破碎功耗与破碎过程中物料新生成表面的面积成正比。面积假说只能近似地计算破碎比很大时的破碎总功耗，也就是只能近似地用在磨矿机的磨矿中，因为它只考虑了生成新表面所需的功。

1.2.2 体积假说

破碎的体积假说是由俄国学者吉尔皮切夫与德国学者基克(kick)提出的。体积假说认为：将几何形状相似的同类物料破碎成几何形状也相似的产品时，其破碎功耗与被破碎物料块的体积或质量成正比。体积假说只能近似地计算粗碎和中碎的破碎总功耗，因为它只考虑了变形。

1.2.3 裂缝假说

裂缝假说是由F.C.榜德(F.C.Bond)于1952年提出，它是介于面积假说和体积假说之间的一种破碎理论。裂缝假说认为破碎矿石时，外力首先使物料块产生变形，外力超过强度极限以后，物料块就产生裂缝而破碎成许多小块，输入功的有用部分成为新生表面上的表面能，其他部分成为热损失。因此，破碎所需的功，应考虑变形能和表面能两项，变形能和体积成正比，而表面能与表面积成正比。

2 破碎设备类型及介绍

由于实现多碎少磨的关键是降低最终破碎产品粒度(即入磨粒度)，因此在这一范围的研发工作中，破碎设备所占的比重大于粉磨设备。为了实现多碎少磨，国内越来越多地引进国际先进破碎工程设备，并且越来越多地引进大型设备。国内开发的破碎设备特点是类型多样化，部分产品也在向着大型化方向发展。

2.1 传统破碎设备

传统破碎设备是研究应用较早，技术相对成熟，在选矿厂破碎作业方面得到公认的设备，一般包括颚式破碎机、圆锥破碎机(包含旋回破碎机)、冲击式破碎机和辊式破碎机。

2.1.1 颚式破碎机

颚式破碎机有简单摆动型、复杂摆动型和混合摆动型三种。

颚式破碎机主要对原料进行粗破，为二级破碎做准备，适宜于破碎硬料或中硬度的原料，物料的含水率要求应不大于10%。给料时应注意两点：一是在物料进破碎机前，应预先将物料中的粉粒筛出，这对于提高破碎机的利用效率具有很大意义；二是给颚式破碎机供料应尽可能保证沿着整个进料口的宽度施加料，保证均匀加料，必要时可采用特别的加料器。

颚式破碎机具有结构简单、工作可靠、制造容易、维修方便、价格低廉、适用性强等优点。缺点是破碎不连续、效率较低，破碎比小以及由于给矿不均匀引起的颚板磨损不均匀等。颚式破碎机的改进方法有：优化结构与运动轨迹；改进破碎腔型，以增大破碎比，提高破碎效率，减少磨损，降低能耗，采用高深破碎腔和较小啮角；改进动颚悬挂方式和衬板的支承方式，改善破碎机性能；颚板采用新的耐磨材料降低磨损消耗；提高自动化水平。新的机型，如双腔双动颚式破碎机，破碎比可达20～50，排料口调节方便，产量大；双腔回转破碎机，兼有颚式破碎机和圆锥破碎机的性能，其产量较同规格的颚式破碎机高50%[2]。

2.1.2 圆锥破碎机

圆锥破碎机包括粗碎的旋回破碎机和中细碎的菌形圆锥破碎机，适于破碎各种硬度的物料。圆锥破碎机工作原理为：当可动圆锥靠近固定圆锥时，处于两锥体之间的矿石就被破碎，而其对面，可动圆锥离开固定圆锥，已破碎的矿石靠自重作用，经排矿口排出。矿石在旋回破碎机中，主要是受到挤压作用而破碎，同时也受到弯曲作用而折断。

圆锥破碎机优点是生产能力较大、单位电耗较低、工作较平稳、适于破碎片状物料、破碎产品的粒度也较均匀。缺点是结构复杂、造价高、检修困难、机身高，因而使厂房及基础构筑物的建筑费用增加。

2.1.3 冲击式破碎机

冲击式破碎机包括锤式破碎机和反击式破碎机。

锤式破碎机的型式分有立式、卧式、单转子、双转子等几种型式，出料处大部分设有固定的筛子，用户可以根据自己的需要选用合适孔径的筛子来控制出料粒度。该种破碎机适宜破碎脆性料，如煤歼石、页岩等，对于很坚硬的料或黏性料不适用。单转子的破碎比一般在10～15，双转子的可达20～30。其对原料的含水率要求很严，一般不宜超过8%，若含水率过高易堵筛孔而不出料。

锤式破碎机的优点是生产能力高、破碎比大、电耗低、机械结构简单、紧凑轻便、投资费用少、管理方便。缺点是锤子和篦条磨损快、金属消耗较大、检修时间较长。

反击式破碎机是一种新型高效率的碎矿设备，其特点是体积小、构造简单、破碎比大(可达40)、能耗小、生产能力大、产品粒度均匀，并有选择性的碎矿作用。但其最大的缺点是板锤和反击板特别易磨损，尤其是破碎坚硬的矿石，磨损则更为严重，需要经常更换。

2.1.4 辊式破碎机

辊式破碎机按辊子的数目分为单辊式和对辊式，按辊面的光滑与否分为光棍式和齿辊式。选厂常用的是双齿辊破碎机，其破碎比一般为3～15，入料粒度一般不应超过25mm，可用在生产线的中级破碎或细碎，处理中等硬度或中碎软质物料，比如煤矸石、页岩、淤泥、炉渣等原料都可用对辊机破碎。辊式破碎机主要的优点是结构简单、机体不高、紧凑轻便、造价低廉、工作可靠、调整方便、能粉碎粘湿物料；但是最大的缺点是辊子外表面易磨损，磨损后造成两辊之间的间隙加大，进而不能保证出料粒度要求[3]。

2.2 新型破碎设备

新型破碎设备可以分为两类：一类是由于新材料新工艺的应用研发出的设备，通过对原有设备进行改进，提高设备性能和处理能力，减少设备自重和损耗，降低对配套设施的要求，延长使用寿命，这方面研究易出成果，形成的设备系列较多；另一类是根据新的破碎理论研发设计的新型设备，具有较传统设备更突出的特点和破碎效率，是技术层次的提升。下面对新型设备中的水冲式圆锥破碎机、惯性圆锥破碎机和高压辊磨机进行介绍。

2.2.1 水冲式圆锥破碎机

水冲式圆锥破碎机的主要特点：物料进入破碎机破碎时加水冲洗，以加大物料从破碎腔排出速度，减少经破碎形成的细颗粒在破碎腔中构成料层“衬垫作用”。该机产量高，产品粒度细，可开路破碎，不需粉碎仓，直接进入球磨机。典型的如诺德伯格专利：破碎机与球磨机配成的碎磨系统，破碎机产量可提高50%，能耗降低25%，产品粒度可达6～8mm。

2.2.2 惯性圆锥破碎机

惯性圆锥破碎机[4]通过向物料层施加严格定量的由惯性力造成的压力，可以将物料层适当压实，使物料承受全方位的挤压，物料颗粒之间产生相互作用，从而实现“料层粉碎”。同时，在由惯性力引起的强烈脉动冲击作用下，物料在破碎腔中承受变方位的挤压、剪切、弯曲和扭转应力。破碎后的物料具有最低的过粉碎，从而实现了物料的“选择性破碎”。惯性圆锥破碎机与传统的圆锥破碎机相比，具有如下优点：

1)具有良好的“料层选择性破碎”作用，使单位破碎比功耗降低约40%；

2)破碎比大，产品粒度可调(能方便地调节所需破碎比4～30)，防止过粉碎，简化了工艺流程；

3)产品粒度几乎与衬板磨损无关；

4)具有良好的过铁性能，无需过载保护装置；

5)应用范围广，可破碎任何硬度下的脆性物料。

2.2.3 高压辊磨机

高压辊磨机是利用高挤压力作用使粒群层压破碎原理而设计的。挤压力是通过两个直径相等、转速相同且相向旋转的辊子相互挤压而产生的。其中一个辊子为定辊，另一个为可以前后水平小幅度移动的动辊，压力通过高压油缸加在动辊两端的轴承座上。高压辊磨机工作时，物料由料仓靠自重压入料腔，同时被两个相向旋转的辊子咬入并在辊面作用下加速进入压实腔，由于两辊间距的逐渐减小，挤压力由小增大，此时物料颗粒除了受到辊面的直接压力外，物料颗粒之间也产生相互挤压作用[5]。相比于传统的破碎设备，高压辊磨机具有如下优点：

1)单位粉碎能耗低，如果同后续设备共同装机时，其总磨碎能耗可节约40%以上；

2)能处理水分含量较高的物料，如磨碎铁矿石

制备球团给料时，其水分可高达10%，磨碎铁矿石或贵金属矿石时，国外推荐水分不高于8%；

3)提高后续作业产品的回收率、可磨性和产量；

4)机器占地面积小、土建投资少、机器振动小、噪音低、粉尘小；

5)机器的作业率高，可在95%以上，机器易损件工作寿命长。

近年来，针对高压辊磨机的缺点作了三个方面的改进，一是提高辊面的耐磨性，二是压辊轴承的改进，三是控制系统的改进，使其达到自动化[6]。

随着国家对产业节能降耗要求的日益提高，改进选矿厂碎磨工艺以减小能耗势在必行，这也将成为选矿厂巨大利润增长点。同时，破碎理论研究的发展，也对破磨设备的研制开发产生了重大影响。在国内外众多研究者的努力下，破碎机的发展必将出现惊人的成绩，现有的破碎设备将不断得到完善，新型破碎设备也将层出不穷。

[1] 夏晓鸥，吴建明，梁殿印，等.选矿设备第十届选矿年评会论文集[C].北京：北京矿冶研究总院，2006.

[2] 饶绮麟.大破碎比颚式破碎机及对破碎工艺流程的变革[J].中国工程科学，2001(4)：82-86．

[3] 全文欣，张彬，庞玉荣，等.我国铁矿选矿设备和工艺的进展[J].国外金属矿选矿，2006，43(2)：8-14.

[4] 郎宝贤，郎世平.破碎机[M].北京：冶金工业出版社，2008.

[5] 刘建远，黄瑛彩.高压辊磨机在矿物加工领域的应用[J]．金属矿山，2010(6)：1-8．

[6] 高澜庆，王文霞，马飞.破碎机的发展现状与趋势[J].冶金设备，2001(4)：13-16.