本钢歪头山矿石碎磨特性参数研究

王泽红 周鹏飞 毛朝勇 宋亚龙

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

矿石的碎磨特性决定着选矿厂磨机的选型和工艺流程的设计，对于半自磨+球磨(SAB)流程而言尤其重要[1-2]。传统的(半)自磨设备选型和工艺流程设计以实验室试验、半工业试验和工业试验结果为依据，这个过程不仅周期长，而且需消耗大量的人力、物力和财力。

近年来，随着(半)自磨工艺的大量应用，国际上出现了多种测定(半)自磨工艺中物料粉碎特性参数的方法，如芬兰Metso集团实验室的湿式分批(半)自磨试验法、澳大利亚昆士兰大学 Julius Kruttschnitt矿物研究中心(JKMRC)的JKTech落重试验法(也称JK落重试验，Drop Weight Test，简称DWT)、加拿大Minnov EX技术公司的半自磨功率指数(SPI)试验法等[3-4]。上述方法一方面突破了常规碎磨设备选型和工艺流程设计中一般性破碎功指数——Bond功指数概念的范畴[5-6]；另一方面以简便的小型化试验为特点，以数学模型、计算机模拟和大型数据库为技术平台，将试验数据和生产数据相结合，更加科学地改进了设备选型和流程设计方法，克服了传统方法的缺陷，代表了当代(半)自磨试验技术的发展潮流。

本研究采用JKTech落重试验及传统的球磨功指数试验测定了本钢歪头山矿石的碎磨特性参数，以期为现场设备选型及工艺流程优化提供依据[7-8]。

1 试验方法

1.1 JK落重试验

JK落重试验包括冲击粉碎试验、磨蚀粉碎试验和矿石相对密度测定试验等3部分[9]。(半)自磨机内被磨物料的粉碎过程主要包括冲击粉碎过程和磨蚀粉碎过程2类，前者为高能粉碎过程，后者为低能粉碎过程。DWT试验通过模拟冲击粉碎试验和磨蚀粉碎试验来获得试验矿石的粉碎特性：冲击粉碎试验通过分析单颗粒物料在不同比破碎能冲击粉碎作用下产品的粒度特性来获得被粉碎物料的冲击粉碎参数A和b；磨蚀粉碎是将特定粒度、特定质量的物料放入特制的磨机中，在无介质状态下旋转特定时间，根据产品的粒度分布规律，获得物料的磨蚀系数ta。

1.1.1 冲击粉碎试验

试验设备为澳大利亚昆士兰大学Julius Kruitschnitt矿物研究中心制造的JK落重试验仪，其原理见图1。将粒度为63～53 mm、45～37.5 mm、31.5～26.5 mm、22.4～19 mm和16～13.2 mm的矿石颗粒各10～30个，分别置于JK落重试验仪上，每个粒级的颗粒以3个能量水平(由JK落重试验仪落锤的质量和下落高度确定)进行冲击粉碎，产生15个粒度—能量组合。

图1 JK落重试验仪原理示意

收集每个粒度—能量组合试验产品，对其进行筛分，然后绘制粒度分布曲线。以参数t10代表粉碎的量，t10定义为产品中小于给料粒度1/10的粒级产率，%。给料粒度由各粒级的算术平均值表示。15个能量—粒度组合可以产生1组t10，t10与比破碎能Ecs(kWh/t)的关系为

t10=A(1-e-b×Ecs).

(1)

根据15个能量—粒度组合的数据，拟合回归出模型(1)中的系数A和b。采用A×b来评价矿石抵抗冲击粉碎的能力，A×b值越大，矿石抵抗冲击粉碎作用的能力越弱，矿石越软，见表1。

1.1.2 磨蚀粉碎试验

试验设备为φ305 mm×305 mm实验室磨机，内壁等间距装有4个6 mm×6 mm×305 mm的提升条，磨机转速率为70%。将粒度为53～45 mm和45～37.5 mm的试样各1.5 kg同时放入磨机内，在无介质状态下粉磨10 min，然后对粉磨产品进行筛析。磨蚀系数ta定义为磨蚀试验获得的t10的1/10，其值越小，表示矿石的磨蚀碎裂阻力越高，矿石越硬，见表1。

表1 JK落重试验参数与物料硬度的关系

1.1.3 矿石相对密度测定试验

通过测定30块粒度为31.5～26.5 mm的矿石在空气和水中的质量M和m，计算出矿石的相对密度d=M/(M-m)。

1.2 Bond功指数试验

邦德(Bond)球磨功指数是磨矿设备选型计算的重要参数，它表示矿石或岩石物料在球磨机中抵抗磨碎的阻力和难易程度[10]。

球磨功指数利用球磨功指数实验磨机(型号为φ305 mm×305 mm)测得。试验采用干式闭路磨矿，并严格按照规定的操作程序进行。当磨矿平衡时，测得物料的球磨可磨度，即磨机每转1周新生-P1粒级的质量Gbp，然后按式(2)计算出邦德球磨功指数

(2)

式中：Wib为Bond 球磨功指数，kWh/t；P1为试验筛孔尺寸，μm；Gbp为磨矿平衡时磨机每转1周新生-P1粒级的质量，g/r；P80为产品中80%物料通过所对应的筛孔尺寸，μm；F80为给料中80%物料通过所对应的筛孔尺寸，μm。

2 试验矿样的制备

试验矿样为歪头山铁矿选矿厂自磨机给料皮带上+63 mm的有代表性矿样，经PEX-250×400型颚式破碎机破碎至-63 mm，按要求筛取冲击粉碎试验、磨蚀粉碎试验及相对密度测定试验所需粒级样。

取适量有代表性试样，用颚式破碎机、对辊破碎机破碎至-3.2 mm，混匀后供邦德球磨功指数试验用。

3 试验结果与分析

为尽可能减少试验过程中偶然误差的影响，本试验数据均为3次试验数据的平均值。

3.1 JK落重试验

3.1.1 冲击粉碎试验

(1)产品粒度特性曲线。冲击粉碎试验条件下，不同粒级、不同能量水平所对应产品的物料粒度特性曲线见图2。

图2 落重试验产品粒度特性曲线

(2)t10—Ecs关系模型建立。由不同粒级原料破碎产品的粒度特性曲线可以得出不同Ecs所对应的t10值，t10—Ecs关系曲线见图3。

图3 冲击粉碎试验的t10—Ecs关系曲线

由图3可知，t10随着Ecs增大而增大，该曲线关系可用模型(1)表示。经曲线拟合，可得t10—Ecs关系的数学模型为

t10=65.53(1-e-1.06Ecs).

(3)

即A=65.53，b=1.06，粉碎特性参数A×b=69.46。

3.1.2 磨蚀粉碎试验

磨蚀粉碎试验所获产品的粒度分布见图4。

由图4可以得出，磨蚀粉碎产品的t10为7.23，故ta=0.72。

3.1.3 相对密度测定

从31.5～26.5 mm粒级矿样中随机抽取30块颗粒，进行相对密度测量，结果见图5，其中最大值为4.07，最小值为3.11，平均值为3.31，标准差为0.20。

图4 磨蚀产品粒度特性曲线

图5 矿样密度频次分布

3.1.4 试验结果分析

(1)试验矿样的A×b=69.46，查表1可知该矿石属于抗冲击破碎能力软的范围；ta=0.72，查表1可知该矿石属于抗磨蚀能力软的范围。

(2)试样的相对密度分布没有出现双峰现象，表明在磨机内不会聚集影响磨矿效果的高密度难磨粒子。

(3)图6表示在不同的比破碎能条件下t10与颗粒尺寸之间的关系。试验矿样符合“比破碎能减少，t10与颗粒尺寸关系曲线的斜率下降”的一般趋势。

图6 抗冲击破碎能力随颗粒尺寸的变化趋势

3.2 Bond球磨功指数试验

控制试验筛孔尺寸为0.154 mm(100目)，邦德球磨功指数测定试验结果见表2。

表2 邦德球磨功指数试验结果

注：Gbp取最后3组循环的平均值，即Gbp=3.751 1 g/r。

球磨功指数试验磨机给料及产品粒度特性曲线见图7。

由图7(a)可知，F80=2.17 mm；由图7(b)可知，P80=124 μm。

将试验获得的P80、F80、Gbp值代入式(2)，得Wib=7.64 kWh/t，据此可知，试验矿石属于易磨矿石，与落重试验结果基本一致。

3.3 粉磨设备模型参数

按照对t10的定义原则定义t2、t4、t25、t50、t75，并绘制了t10与t2、t4、t25、t50、t75的关系(图8)。 这种关系揭示了在t10和矿石破碎特性已知条件下产品粒度的分布规律。

图7 球磨功指数试验给料及产品粒度特性曲线

图8 t2、t4、t25、t50、t75与t10的关系

由图8可得试验矿样的粉磨设备模型参数(表3)。

表3 粉磨设备模型参数

从表3可以看出，随着产品粒度的减小，Ecs增大，表明矿石抗冲击破碎的能力升高。

4 结 论

(1)歪头山铁矿石冲击粉碎试验获得的矿石冲击粉碎参数A为65.53，b为1.06，A×b为69.46；磨蚀粉碎试验获得的矿石磨蚀系数ta为0.72；相对密度测定试验获得的矿石相对密度为3.31。碎磨特性参数表明，歪头山矿石属于软矿石范畴，其抗冲击破碎能力和抗磨蚀能力都比较弱，矿石中没有难磨粒子。

(2)Bond球磨功指数试验获得的球磨功指数Wib为7.64 kWh/t，表明歪头山铁矿石属于易磨矿。

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