某鋁土礦高壓輥磨產(chǎn)品特性研究

閻贊，周春生，張國春

（商洛學(xué)院化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院/陜西省尾礦資源綜合利用重點實驗室，陜西商洛726000）

某鋁土礦高壓輥磨產(chǎn)品特性研究

閻贊，周春生，張國春

（商洛學(xué)院化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院/陜西省尾礦資源綜合利用重點實驗室，陜西商洛726000）

針對某鋁土礦，在礦石特性分析基礎(chǔ)上，進行了高壓輥磨產(chǎn)品和顎式破碎產(chǎn)品的邦德球磨功指數(shù)試驗、比表面積和孔體積測定試驗，研究了高壓輥磨機粉碎鋁土礦產(chǎn)品的特性。結(jié)果表明，高壓輥磨產(chǎn)品的邦德球磨功指數(shù)低于顎式破碎產(chǎn)品的邦德球磨功指數(shù)，比表面積和單位孔體積高于顎式破碎產(chǎn)品的比表面積和單位孔體積，可見高壓輥磨機可有效達到節(jié)能降耗的目的，提高鋁土礦產(chǎn)品的利用率，相對于傳統(tǒng)的顎式破碎機具有更廣闊的應(yīng)用前景。

高壓輥磨機；鋁土礦；邦德功指數(shù)；比表面積；孔體積

我國鋁土礦資源儲量豐富，保有儲量高達22.88億噸，且分布高度集中，主要分布在山西、河南、貴州、廣西四省，其中以山西儲量最大，占全國總儲量的41.0%。作為生產(chǎn)氧化鋁的最主要礦產(chǎn)資源，其用量占世界鋁土礦總產(chǎn)量的90%以上。由于鋁土礦中的氧化鋁主要以一水鋁石或三水鋁石狀態(tài)存在，因此鋁土礦可分為一水軟鋁石型、一水硬鋁石型和三水鋁土礦型。在我國已探明鋁土礦資源中，一水硬鋁石型鋁土礦含量占全國總儲量的98.46%[1-2]。一水硬鋁石型鋁土礦中鋁和硅的含量都很高，導(dǎo)致鋁硅比很低，約在4-6礦石性質(zhì)較差。由于其硬度較高，并且包裹致密，磨礦產(chǎn)品的選擇性碎磨作用不明顯甚至沒有選擇性[3]，使得礦石的溶出性能變差，進一步影響礦石的溶出率，導(dǎo)致生產(chǎn)成本過高。因此，在以一水硬鋁石型鋁土礦為原料生產(chǎn)氧化鋁時，需要將礦石磨至較細粒度，以保證溶出過程的溶出速率和溶出率。但以顎式破碎機作為破碎設(shè)備的典型傳統(tǒng)鋁業(yè)工藝，這種常規(guī)的破磨很難實現(xiàn)鋁、硅礦物間的完全解離，同時存在能耗高和資源利用率低兩個突出問題[4-5]。因此，如何從根本上解決一水硬鋁石型鋁土礦的粉磨問題，在降低能耗的同時又可以提高鋁土礦資源的利用率對氧化鋁工廠節(jié)能降耗、降低投資有著重要意義，也是現(xiàn)今鋁業(yè)發(fā)展亟待解決的課題。突破當(dāng)前的技術(shù)瓶頸就必須要引入新理念、新技術(shù)、新設(shè)備。這里的新設(shè)備并不一定是新出現(xiàn)的設(shè)備，也可以是新應(yīng)用于鋁業(yè)的設(shè)備。例如，80年代基于料床靜壓粉碎原理開發(fā)出的新型粉磨設(shè)備-高壓輥磨機，最初只是應(yīng)用于水泥行業(yè)及個別有色金屬礦山和非金屬礦山。由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、噪聲小、磨碎比大、占地面積小、效率高、節(jié)能等特點[6-7]，在與球磨機配合使用時，可以提高磨機的系統(tǒng)產(chǎn)量，非常適合選礦和制鋁行業(yè)的生產(chǎn)特點。本文以山西某鋁土礦（一水硬鋁石型鋁土礦）為研究對象，在礦石特性研究基礎(chǔ)上，分別對高壓輥磨機粉碎產(chǎn)品和顎式破碎機粉碎產(chǎn)品進行邦德球磨功指數(shù)試驗、比表面積測定試驗和孔體積測定試驗，以對比兩種粉碎產(chǎn)品的特性，從而選擇適宜的粉碎方式。試驗結(jié)果對該類鋁土礦資源的開發(fā)和制鋁行業(yè)的節(jié)能降耗具有一定的借鑒意義。

1 試驗物料及研究方法

本文以山西某鋁土礦作為試驗礦樣，為滿足實驗室高壓輥磨機的給料粒度要求，將礦石用PEX-150×250型顎式破碎機（重慶市龍建機械制造有限公司）破碎篩分至20 mm以下，作為高壓輥磨機和顎式破碎機的給料，物料制備流程圖如圖1所示。

圖1 物料制備流程圖

破碎產(chǎn)品分別經(jīng)CLMφ250×100型實驗室高壓輥磨機（成都利君實業(yè)股份有限公司）和XPW-60×100型顎式破碎機（重慶市龍建機械制造有限公司）全閉路粉碎至-3.2 mm，作為邦德球磨功指數(shù)試驗用礦樣，所采用的試驗設(shè)備為直徑305 mm×305 mm的標(biāo)準球磨功指數(shù)球磨機。

在比表面積、孔體積測定試驗中，將高壓輥磨機和顎式破碎機粉碎至-3.2 mm的礦樣用標(biāo)準篩篩分為以下6個粒級，即-3.2+2 mm、-2+0.8 mm、-0.8+0.5 mm、-0.5+0.154 mm、-0.154+0.063 mm、-0.063 mm，作為試驗用礦樣。所采用的試驗設(shè)備為Quadrsorb SI比表面積及孔隙分布測定儀（美國Quantachtome公司）。

邦德功指數(shù)是評價礦石被磨碎難易程度的一種指標(biāo)，其測定礦石可磨度的理論根據(jù)是邦德的礦石破碎裂縫學(xué)說。該學(xué)說認為“物料磨碎過程中輸入的能量與物料顆粒上新產(chǎn)生的裂縫長度成正比”[8]。邦德球磨功指數(shù)Wib(kW·h·t-1)由式(1)計算得出。

式中，Wib為邦德球磨功指數(shù)，kW·h·t-1；

P1為試驗篩孔尺寸，μm；

Gbp為磨礦平衡時球磨機每一轉(zhuǎn)新生成的試驗篩孔以下粒級物料的重量，g·r-1，即物料的可磨度；

P80為產(chǎn)品中80%物料通過的粒度，μm；

F80為給料中80%物料通過的粒度，μm。

由于高壓輥磨機獨特的粉磨方式，可以使碎裂發(fā)生在礦物的相界面，從而比常規(guī)破碎機產(chǎn)生更多的微裂紋，進而使有用礦物在較大力度下得到單體解離，保證后續(xù)作業(yè)地順利進行。在高壓載荷下，物料除了發(fā)生有效粉碎外，還會在顆粒表面及內(nèi)部生成許多微小裂縫[9-10]，這些微小裂縫的多少可以用比表面積和孔體積進行表征。因此，本試驗在單一氮氣測試模式下，利用低溫N2吸附-脫附的方法測定不同粒級產(chǎn)品的比表面積和孔體積，進行高壓輥磨產(chǎn)品和顎式破碎產(chǎn)品的不同粉碎特性研究。

2 礦石特性

2.1 化學(xué)多元素分析

該礦樣的化學(xué)多元素分析結(jié)果如表1所示。

表1 礦樣的化學(xué)多元素的含量

由表1結(jié)果可見，該礦樣的Al2O3含量為60.46%，SiO2含量為14.35%，鋁硅比為w(Al2O3)/w(SiO2)=4.21，礦石性質(zhì)較差。Fe2O3、FeO含量較低，分別為2.10%、1.25%，TiO2含量為2.94%。

2.2 物質(zhì)組成分析

該鋁土礦礦物組成見表2。

表2 鋁土礦礦物組成

由表2可以看出，該鋁土礦礦物組成簡單，礦物種類較少。非金屬礦物主要成分為具有回收價值的一水硬鋁石，含量高達78.63%，說明此礦石為一水硬鋁石型鋁土礦。其次為粘土礦物，主要為高嶺石，含量為16.84%。金屬礦物主要為針鐵礦，含量為1.29%，其次為赤鐵礦，少量黃鐵礦，并有微量銳鈦礦。水白云母和鐵染含量較少，分別為2.38%、0.33%。

2.3 鏡下鑒定結(jié)果

該鋁土礦礦樣的鏡下鑒定結(jié)果表明，礦石中主要的非金屬礦物為可回收的一水硬鋁石，多以細小鱗片狀、隱晶狀及其集合體產(chǎn)出，其中被高嶺石充填膠結(jié)，見圖2；另外在一水硬鋁石顆粒周圍常有鐵質(zhì)環(huán)繞和充填膠結(jié)，見圖3；其次一水硬鋁石以貝殼狀、皮殼狀產(chǎn)出，其中夾雜粘土質(zhì)和鐵質(zhì)礦物，見圖4；一水硬鋁石被鐵質(zhì)污染，在其表面淺細裂紋中形成“鐵染”，見圖5。

礦物浸染粒度統(tǒng)計結(jié)果表明，非金屬礦物一水硬鋁石單晶粒度很細，均在0.038 mm以下。

圖2 一水硬鋁石（Di）以細小鱗片狀產(chǎn)出

圖3 一水硬鋁石（Di）以球粒狀產(chǎn)出

圖4 一水硬鋁石（Di）以皮殼狀產(chǎn)出

圖5 一水硬鋁石（Di）中夾雜有高嶺石

3 結(jié)果與討論

3.1 邦德球磨功指數(shù)試驗

3.1.1 功指數(shù)球磨機給料粒度特性測定

對鋁土礦高壓輥磨產(chǎn)品與顎破產(chǎn)品的球磨機給料進行粒度組成測定，其粒度特性曲線如圖6所示。

由圖6可知，當(dāng)物料累計含量為80%時，鋁土礦高壓輥磨產(chǎn)品的粒度為1.92 mm，顎式破碎產(chǎn)品的粒度為2.03 mm，即高壓輥磨產(chǎn)品的功指數(shù)球磨機給料粒度F80為1.92 mm，顎式破碎產(chǎn)品的功指數(shù)球磨機給料粒度F80為2.03 mm。

3.1.2 邦德球磨功指數(shù)試驗

由于該礦石屬一水硬鋁石型鋁土礦，其最佳溶出粒度為0.10-0.15 mm，因此，在邦德球磨功指數(shù)測定試驗中控制篩孔尺寸為0.15 mm，即此礦樣磨礦功指數(shù)的產(chǎn)品粒度為-0.15 mm，在閉路磨礦條件下進行功指數(shù)測定，所用礦樣為高壓輥磨機和顎式破碎機粉碎至-3.2 mm的產(chǎn)品。試驗結(jié)果如表3所示。

表3 不同粉碎產(chǎn)品的球磨功指數(shù)試驗結(jié)果

由表3可見，高壓輥磨產(chǎn)品經(jīng)9次循環(huán)磨礦后達到平衡，平衡時三次Gbp的平均值為1.4873 g·r-1，對于顎式破碎產(chǎn)品來說，平衡時Gbp的平均值為1.3936 g·r-1。

圖6 球磨機給料粒度特性

3.1.3 磨礦平衡時產(chǎn)品粒度特性測定

當(dāng)磨礦循環(huán)達到平衡時，對高壓輥磨產(chǎn)品和顎式破碎產(chǎn)品的磨礦產(chǎn)物分別進行粒度組成分析，其粒度特性曲線如圖7所示。

圖7 鋁土礦磨礦平衡時產(chǎn)品粒度特性

由圖7可知，當(dāng)物料累計含量為80%時，鋁土礦高壓輥磨產(chǎn)品經(jīng)磨礦后所得產(chǎn)物的粒度為0.994 mm，顎式破碎產(chǎn)品經(jīng)磨礦后所得產(chǎn)物的粒度為1.015 mm，即高壓輥磨產(chǎn)品的功指數(shù)球磨機產(chǎn)物粒度P80為0.994 mm，顎式破碎產(chǎn)品的功指數(shù)球磨機產(chǎn)物粒度P80為1.015 mm。

3.1.4 球磨功指數(shù)計算

鋁土礦球磨功指數(shù)計算原始數(shù)據(jù)如表4所示，可見，在相同試驗篩孔尺寸下，雖然鋁土礦高壓輥磨產(chǎn)品的可磨度高于顎式破碎產(chǎn)品的可磨度，但其產(chǎn)品粒度和給料粒度均小于顎式破碎的產(chǎn)品粒度和給料粒度。

按式(1)進行鋁土礦球磨功指數(shù)計算，將試驗篩孔P1、可磨度Gbp、產(chǎn)品粒度P80、給料粒度F80帶入式(1)，計算得到鋁土礦高壓輥磨產(chǎn)品的功指數(shù)為14.4380 kW·h·t-1，顎破產(chǎn)品的功指數(shù)是15.3087 kW·h·t-1。高壓輥磨產(chǎn)品球磨功指數(shù)相比于顎破產(chǎn)品球磨功指數(shù)降低了6.03%。

表4 鋁土礦球磨功指數(shù)計算原始數(shù)據(jù)

3.2 比表面積、孔體積測定試驗

將粉碎至-3.2 mm的高壓輥磨產(chǎn)品和顎式破碎產(chǎn)品礦樣用標(biāo)準篩篩分為-3.2+2 mm、-2+ 0.8 mm、-0.8+0.5 mm、-0.5+0.154 mm、-0.154+ 0.063 mm、-0.063 mm 6個粒級，分別測定其比表面積和孔體積。結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 粉碎產(chǎn)品不同粒級的比表面積

圖9 粉碎產(chǎn)品不同粒級的孔體積

高壓輥磨產(chǎn)品和顎式破碎產(chǎn)品不同粒級的比表面積大小如圖8、圖9所示?？梢姡锪辖?jīng)高壓輥磨和顎式破碎后，產(chǎn)品的比表面積均隨著粒度的減少而增大，說明物料的粒度越小，其比表面積越大。比較高壓輥磨產(chǎn)品和顎式破碎產(chǎn)品各粒級的比表面積可知，高壓輥磨產(chǎn)品各粒級的比表面積大于顎式破碎產(chǎn)品相應(yīng)粒級的比表面積，說明物料經(jīng)高壓輥磨后，產(chǎn)品粒度更細。同時也進一步從側(cè)面解釋了高壓輥磨產(chǎn)品表面粗糙，可以產(chǎn)生更多微裂紋這一理論。對-0.154+0.063 mm粒級產(chǎn)品來說，高壓輥磨產(chǎn)品比顎式破碎產(chǎn)品的比表面積增大了26.66%，可見，采用高壓輥磨機對物料進行粉碎，可以產(chǎn)生更多的細粒級產(chǎn)品，有利于減輕后續(xù)磨礦作業(yè)工作量。

圖9為高壓輥磨產(chǎn)品和顎式破碎產(chǎn)品不同粒級的孔體積?？梢?，隨著高壓輥磨產(chǎn)品和顎式破碎產(chǎn)品粒度的減小，其單位孔體積都相應(yīng)增大。高壓輥磨產(chǎn)品各粒級的單位孔體積均高于顎式破碎產(chǎn)品相應(yīng)粒級的單位孔體積。當(dāng)產(chǎn)品粒級為-0.063 mm時，高壓輥磨產(chǎn)品比顎式破碎產(chǎn)品的孔體積增大了28.23%。從巖石力學(xué)角度講，輥壓產(chǎn)品的力學(xué)性能較顎破產(chǎn)品的差，更容易被進一步粉碎。

4 結(jié)論

該鋁土礦礦物組成簡單，礦物種類較少。礦樣的Al2O3含量高達60.46%，SiO2含量為14.35%，鋁硅比為4.21，礦石性質(zhì)較差。非金屬礦物一水硬鋁石單晶粒度很細，均在0.038 mm以下。

鋁土礦高壓輥磨產(chǎn)品的邦德功指數(shù)是14.4380 kW·h·t-1，顎破產(chǎn)品的邦德功指數(shù)是15.3087 kW·h·t-1，高壓輥磨產(chǎn)品的功指數(shù)比顎破產(chǎn)品球磨功指數(shù)降低6.03%。對于大規(guī)模生產(chǎn)的制鋁業(yè)來說，將會明顯起到節(jié)能降耗作用。

高壓輥磨機粉碎后的鋁土礦樣的比表面積和孔體積在相同粒級的條件下比顎破粉碎后的要大。輥壓產(chǎn)品的比表面積和單位孔體積比顎破產(chǎn)品的分別提高了26.66%和28.23%，這說明在高壓力作用下輥壓產(chǎn)品表面比較粗糙并且顆粒中會產(chǎn)生有更多的裂紋，同時輥壓產(chǎn)品由于較高的孔隙率和較差的力學(xué)性質(zhì)使其更加容易被磨碎。

[1]崔萍萍,黃肇敏,周素蓮.我國鋁土礦資源綜述[J].輕金屬,2008(2)：6-8.

[2]羅主平,劉建華.高壓輥磨機在我國金屬礦山的應(yīng)用與前景展望（一）[J].現(xiàn)代礦業(yè),2009(2)：33-37.

[3]趙平,吳東印,張艷嬌,等.選擇性破磨新工藝處理中低品位鋁土礦研究[J].礦產(chǎn)保護與利用,2002(2)：35-37.

[4]Maxton D,Morley C,Bearman R.A quantification of the benefits ofhigh pressure rolls crushing in a operating environment[J].MineralsEngineering,2003(16)：827-838.

[5]劉家瑞,劉祥民.應(yīng)用選礦-拜耳法工藝處理一水硬鋁石型中低品位鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁的工業(yè)實踐[J].輕金屬,2005(4)：11-14.

[6]高航,方存光,楊曉明,等.高壓輥磨技術(shù)的發(fā)展及其在選礦業(yè)的應(yīng)用前景[J].中國有色金屬學(xué)報,1998,8(2)：623-626.

[7]薛敏.高壓輥磨的應(yīng)用與探討[J].金屬礦山,20l0(3)：111-112.

[8]王強,林齊.復(fù)雜鋁土礦BOND功指數(shù)測試研究[J].世界有色金屬,2009(12)：39-41.

[9]馬斌杰,游維,崔長志.高壓輥磨機在鐵礦石超細碎中的應(yīng)用前景[J].礦山機械,2007,35(7)：39-40.

[10]郭小飛,袁致濤,嚴洋,等.攀西釩鈦磁鐵礦高壓輥磨粉碎試驗[J].金屬礦山,2011(5)：85-88.

（責(zé)任編輯：李堆淑）

Characteristic Research on High Pressure Roller Mill Product of a Bauxite

YAN Zan,ZHOU Chun-sheng,ZHANG Guo-chun
(College of Chemical Engineering and Modern Materials/Shaanxi Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Tailings Resources,Shangluo University,Shangluo726000，Shaanxi)

The high pressure roller mill product of a bauxite is studied.A full study on ore characteristics was carried out,followed by bond ball mill work index test,specific surface area and pore volume tests conducted on high pressure roller mill products and jaw crusher broken products.The results showed that the bond ball mill work index of the high pressure roller mill products was lower than the jaw crusher broken products,and its specific surface area and pore volumewas higher than the jaw crusher broken products.Therefore,milling load can be greatly reduced by using high pressure grinding roller technology and the utilization of bauxite products can be greatly improved.High pressure grinding roller has a broad application prospect related to the traditional jaw crusher.

high pressure grinding roller;bauxite;bond ball mill work index;specific surface area; pore volume

TD453.9

A

1674-0033（2015）02-0036-06

10.13440/j.slxy.1674-0033.2015.02.010

2015-01-12

陜西省尾礦資源綜合利用重點實驗室開放基金項目（2014SKY-WK011）

閻贊，女，陜西戶縣人，碩士，助教