紫金山銅金礦石高壓輥磨產(chǎn)品特性研究

馬英強(qiáng)， 印萬忠， 吳 凱， 黃發(fā)蘭， 李曉慢

(福州大學(xué)紫金礦業(yè)學(xué)院， 福建 福州 350116)

紫金山銅金礦石高壓輥磨產(chǎn)品特性研究

馬英強(qiáng)， 印萬忠， 吳 凱， 黃發(fā)蘭， 李曉慢

(福州大學(xué)紫金礦業(yè)學(xué)院， 福建 福州 350116)

針對紫金山銅金礦石， 開展了不同破碎方式下產(chǎn)品的粒度特性、 裂紋性質(zhì)、 比表面積、 孔體積和相對可磨度研究. 結(jié)果表明， 與常規(guī)破碎方式相比， 經(jīng)高壓輥磨機(jī)粉碎后物料的中值直徑更小， 粒度分布更均勻， 細(xì)粒級含量多； 高壓輥磨機(jī)在輥面壓力為3.5 MPa時(shí)粉碎后物料的比表面積和孔體積為2.544 m2·g-1和11 mm3·g-1， 比常規(guī)破碎產(chǎn)品分別提高了12.36%和22%； 高壓輥磨機(jī)在輥面壓力為5.5 MPa時(shí)粉碎后物料的比表面積和孔體積分別為2.568 m2·g-1和13 mm3·g-1， 比常規(guī)破碎產(chǎn)品分別提高了13.42%和33%， 表明高壓輥磨機(jī)粉碎物料粒度細(xì)、 顆粒裂紋更多， 且高壓輥磨機(jī)粉碎后物料由于裂紋豐富， 故更易磨.

高壓輥磨機(jī)； 銅金礦； 粒度特性； 比表面積； 孔體積

0 引言

高壓輥磨機(jī)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的新型高效破碎設(shè)備， 采用準(zhǔn)靜壓方式高壓輥磨機(jī)比傳統(tǒng)破碎方式可節(jié)約30%左右的能耗[1-3]. 高壓輥磨機(jī)由于其獨(dú)特的粉碎機(jī)理， 具有處理量大、 單位能耗低、 產(chǎn)品裂紋豐富、 顯著降低入磨粒度等優(yōu)點(diǎn)， 是實(shí)現(xiàn)“多碎少磨， 提產(chǎn)降耗”的關(guān)鍵設(shè)備[4-5]. 高壓輥磨機(jī)可以改善礦石粉碎過程中礦物之間的解離狀態(tài)[6-7]， 提高選礦回收率， 最終可提高礦產(chǎn)資源的利用效率， 在礦業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域值得大力推廣[8-9].

本文研究了高壓輥磨機(jī)和傳統(tǒng)破碎機(jī)對紫金山銅金礦石粉碎產(chǎn)品特性的影響， 高壓輥磨機(jī)采用3.5、 5.5 MPa兩個(gè)輥面壓力， 對比不同粉碎方式對粉碎產(chǎn)品粒度特性、 比表面積、 孔體積、 裂紋種類和相對可磨度的影響， 為高壓輥磨新技術(shù)在銅金礦領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)方法

礦樣采用如圖1所示流程分別進(jìn)行傳統(tǒng)破碎和高壓輥磨機(jī)破碎， 由于高壓輥磨機(jī)液壓可調(diào)系統(tǒng)可提供的輥面壓力范圍為3.5～5.5 MPa， 且實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)顯示當(dāng)輥面壓力小于3.5 MPa時(shí)， 破碎效果較差； 輥面壓力大于5.5 MPa時(shí)， 破碎產(chǎn)品易出現(xiàn)結(jié)塊嚴(yán)重的現(xiàn)象； 當(dāng)處于3.5～5.5 MPa范圍之內(nèi)時(shí)， 破碎效果變化趨勢緩慢， 故采取了3.5、 5.5 MPa兩個(gè)壓力進(jìn)行破碎， 將粉碎產(chǎn)品混勻、 縮分、 取樣， 然后對三種粉碎產(chǎn)品進(jìn)行篩析； 比較各粒級產(chǎn)品的比表面積和孔體積， 同時(shí)應(yīng)用掃描電鏡觀察顆粒的裂紋及裂紋的種類. 將三種礦樣分別進(jìn)行相對可磨度試驗(yàn)， 其磨礦流程如圖2所示.

圖1 破碎流程

圖2 磨礦流程

粗碎采用PEX-150×250型顎式破碎機(jī)， 調(diào)整排礦口寬度為70 mm； 中碎采用XPC-60×100型顎式破碎機(jī)， 調(diào)整排礦口寬度為20 mm； 細(xì)碎分別采用CLM-25-10型高壓輥磨機(jī)和PEF-60×100型顎式破碎機(jī)， 高壓輥磨機(jī)的輥間距和顎式破碎機(jī)的排礦口均調(diào)節(jié)為3 mm.

采用Quanta650掃描電鏡對粉碎產(chǎn)品進(jìn)行微裂紋形貌及點(diǎn)掃描分析. 工作距離為10.5 mm， 電壓為25 kV， 電子束大小為6.4 μm， 放大倍數(shù)為1 200倍.

采用Quantachrome Instruments v2.0全自動(dòng)比表面積及微孔分析儀, 利用低溫氮吸附法測定不同粉碎方式下產(chǎn)品的比表面積和孔體積.

磨礦采用XMQ-240×90型錐形球磨機(jī)， 每次取制備好的500 g礦樣， 按照磨礦濃度為70%的條件在球磨機(jī)進(jìn)行磨礦， 初步設(shè)定磨礦時(shí)間2、 4、 6和8 min. 磨礦產(chǎn)品應(yīng)用0.074 mm標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行濕篩， 將篩分產(chǎn)品烘干、 稱量， 計(jì)算-0.074 mm粒徑組分的含量(%).

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同粉碎方式產(chǎn)品粒度組成對比分析

圖3 不同粉碎方式產(chǎn)品粒度分布柱狀圖

按照圖1所示流程將-20 mm的物料給入顎式破碎機(jī)和高壓輥磨機(jī)與篩子構(gòu)成的破碎系統(tǒng)， 將粉碎產(chǎn)品進(jìn)行篩析， 其結(jié)果如圖3所示.

從不同粉碎方式產(chǎn)品粒度分布圖可知， 高壓輥磨機(jī)產(chǎn)品比常規(guī)破碎產(chǎn)品分布更均勻， 兩種輥壓產(chǎn)品在各個(gè)粒級的分布相當(dāng)； 與常規(guī)破碎相比， 輥壓產(chǎn)品在粗粒級(-3.2+2)mm級別產(chǎn)率分別降低了74.89%和75.48%， 并且在中間粒級(-2+0.125)mm級別的產(chǎn)率分布提高26.33%和23.61%， 降低了入磨粒度， 這可以大大降低后續(xù)作業(yè)的磨礦能耗. 而在粒級(-0.0385+0)mm級別， 輥壓產(chǎn)品的產(chǎn)率均為19.12%， 比常規(guī)破碎產(chǎn)品提高了37.61%， 該級別物料磨礦時(shí)可能造成過粉碎， 對后續(xù)浮選不利. 本文還采用中值直徑(產(chǎn)率分布50%處顆粒的直徑)的大小來描述粉碎產(chǎn)品各粒級產(chǎn)率與粒度的關(guān)系， 如圖4～6所示.

圖4 輥面壓力3.5 MPa時(shí)中值直徑

圖5 輥面壓力5.5 MPa時(shí)中值直徑

圖6 常規(guī)破碎中值直徑

結(jié)果可知， 輥面壓力為3.5、 5.5 MPa時(shí)， 對應(yīng)的中值直徑分別為0.33、 0.38 mm， 而常規(guī)破碎產(chǎn)品的中值直徑為0.92 mm， 可見， 輥壓產(chǎn)品的中值直徑明顯小于常規(guī)破碎產(chǎn)品的中值直徑， 即輥壓產(chǎn)品的粒徑遠(yuǎn)小于常規(guī)破碎產(chǎn)品. 同時(shí)， 在選礦廠主要能耗集中于球磨機(jī)的生產(chǎn)現(xiàn)狀前提下， 輥磨機(jī)的主要優(yōu)勢即體現(xiàn)在輥壓產(chǎn)品易于破碎， 與常規(guī)破碎方式相比， 可使得進(jìn)入球磨機(jī)的物料粒徑變小， 有效實(shí)現(xiàn)“多碎少磨”的節(jié)能理念.

2.2 不同粉碎方式產(chǎn)品比表面積和孔體積對比分析

圖7 粉碎產(chǎn)品各粒級的比表面積

圖8 粉碎產(chǎn)品各粒級的孔體積

由于高壓輥磨機(jī)采用準(zhǔn)靜壓粉碎(或料層粉碎)機(jī)理， 在料層粉碎區(qū)， 應(yīng)力在顆粒間相互傳遞， 使整個(gè)料層的顆粒受到不同程度的粉碎， 這種全粒級粉碎使輥壓后的產(chǎn)品產(chǎn)生大量細(xì)粒、 微細(xì)粒及顆粒內(nèi)微裂紋. 本文采用比表面積表征顆粒的細(xì)度， 用孔體積來定量描述顆粒的裂紋.

圖7為三種粉碎方式下產(chǎn)品不同粒級的BET比表面積. 由圖可知， 三種粉碎產(chǎn)品的比表面積隨著粒級的減小而增大， 輥壓產(chǎn)品(輥面壓力為3.5、 5.5 MPa)的平均比表面積為2.544、 2.568 m2·g-1， 比常規(guī)破碎產(chǎn)品的比表面積分別提高12.36%、 13.42%. 就輥壓產(chǎn)品而言， 由于輥面壓力為5.5 MPa輥壓產(chǎn)品中值直徑比輥面壓力為3.5 MPa時(shí)偏大， 輥面壓力為3.5 MPa的輥壓產(chǎn)品粒徑小于輥面壓力5.5 MPa的產(chǎn)品粒徑， 所以出現(xiàn)了(-2+0.9)、 (-0.9+0.3)mm粒級中， 輥面壓力為3.5 MPa產(chǎn)品的比表面積更大的結(jié)果； 而在其他粒級兩者的比表面積相當(dāng). 說明輥面壓力較小時(shí)礦石更易破碎. 與常規(guī)破碎產(chǎn)品相比， 在中間級別(-0.3+0.105)、 (-0.105+0.074)mm， 輥壓產(chǎn)品的比表面積更大， 說明其產(chǎn)品表面更粗糙.

圖8為三種粉碎方式下產(chǎn)品不同粒級的BJH孔體積. 三種粉碎產(chǎn)品的孔體積隨著粒級的減小而增大， 輥面壓力為3.5 MPa時(shí)， 平均孔體積為11 mm3·g-1；輥面壓力為5.5 MPa時(shí)， 平均孔體積為13 mm3·g-1， 分別比常規(guī)破碎孔體積提高了22%和33%. 輥壓產(chǎn)品(輥面壓力為3.5 MPa)各個(gè)粒級的孔體積均高于常規(guī)破碎產(chǎn)品的孔體積. 就輥壓產(chǎn)品而言， 在(-2+0.9)、 (-0.9+0.3)mm粗粒級， 輥面壓力為3.5 MPa產(chǎn)品的孔體積大于輥面壓力為5.5 MPa產(chǎn)品孔體積， 而在中、 細(xì)級別情況恰恰相反， 由此推測輥壓產(chǎn)品的孔隙率比常規(guī)破碎產(chǎn)品高， 孔隙與裂隙明顯增加， 裂紋豐富， 從巖石力學(xué)角度講， 輥壓產(chǎn)品力學(xué)性能較常規(guī)破碎產(chǎn)品差， 更容易磨細(xì)， 可降低后續(xù)磨礦能耗， 提高磨礦效率.

2.3 不同粉碎方式產(chǎn)品微裂紋觀察分析

圖9是對不同粉碎方式下產(chǎn)品(-3.2+2)mm粒級的掃描電鏡圖. 由圖可見， 輥壓產(chǎn)品表面微裂紋是非常明顯的. 為進(jìn)一步分析出礦粒表面的微裂紋形式是解理裂紋(不同礦物集合體之間的裂紋)還是晶內(nèi)裂紋(同種礦物之間的裂紋)， 對圖中a、 b、 c、 d四點(diǎn)分別進(jìn)行了EDS(energy dispersive spectrometer)能譜分析.

輥壓產(chǎn)品掃描電鏡圖中各點(diǎn)的EDS能譜分析結(jié)果顯示： a點(diǎn)主要元素為Fe和S， 推測此點(diǎn)為黃鐵礦， 而b點(diǎn)主要元素為Si和O， 為硅酸鹽礦物， 可知a與b之間為解離裂紋； c點(diǎn)和d點(diǎn)主要元素為Si和O， 均為硅酸鹽礦物， 故可知c與d之間為晶內(nèi)裂紋.

常規(guī)破碎產(chǎn)品掃描電鏡圖片中各點(diǎn)的EDS能譜分析結(jié)果表明， a、 b、 c、 d點(diǎn)主要元素均為Si和O， 故均為硅酸鹽礦物脈石， 故可知a與b、 c與d之間均為晶內(nèi)裂紋.

由此可知， 物料在粉碎過程中會(huì)產(chǎn)生晶內(nèi)裂紋(同種礦物之間)以及解離裂紋(異種礦物之間)[10]， 這些裂紋的存在對后續(xù)磨礦過程中能耗的降低非常有利. 與常規(guī)破碎產(chǎn)品相比， 輥壓產(chǎn)品在(-3.2+2)mm粒級有豐富解離裂紋和晶內(nèi)裂紋， 可以降低顆粒的亞顯微硬度， 顯著降低后續(xù)磨礦能耗， 提高有用礦物單體解離度與有價(jià)元素的回收. 對于紫金山含金銅礦石， 粉碎產(chǎn)品需進(jìn)行浸出作業(yè)， 如果裂紋缺乏或裂紋的密度太小， 就會(huì)導(dǎo)致有價(jià)元素與浸出液接觸不充分無法溶解， 最終導(dǎo)致有價(jià)元素回收率低. 因此與常規(guī)破碎產(chǎn)品相比， 輥壓產(chǎn)品存在豐富的解離裂紋， 可使浸出液沿著裂紋晶型滲透， 溶解有價(jià)元素， 從而提高有價(jià)元素的回收率和浸出速率[11-12].

圖9 粉碎產(chǎn)品中(-3.2+2)mm粒級掃描電鏡圖

2.4 不同粉碎方式產(chǎn)品的相對可磨度對比分析

圖10 磨礦細(xì)度與磨礦時(shí)間曲線關(guān)系

以時(shí)間為橫坐標(biāo)， -0.074 mm含量為縱坐標(biāo)， 繪制磨礦細(xì)度與磨礦時(shí)間關(guān)系曲線， 如圖10所示.

由圖10可明顯看出， 在相同的時(shí)間(磨礦時(shí)間為5 min時(shí))內(nèi)， 輥壓后的磨礦產(chǎn)品-0.074 mm的含量均比常規(guī)破碎后的磨礦產(chǎn)品-0.074 mm含量高， 而且輥面壓力越大， -0.074 mm的含量越高. 這是由于高壓輥產(chǎn)品細(xì)粒級別含量高， 并且在壓力作用下產(chǎn)生了大量微細(xì)裂紋(高壓輥壓力越大， 產(chǎn)生裂紋越多)， 使得高壓輥產(chǎn)品更易磨， 從而大大縮短了磨礦時(shí)間， 提高了磨礦效率. 以-0.074 mm占70%為例， 并以常規(guī)破碎產(chǎn)品為標(biāo)準(zhǔn)試樣， 由圖10結(jié)果可計(jì)算出輥壓產(chǎn)品的相對可磨度：

式中:K3.5為輥面壓力為3.5 MPa時(shí)， 輥壓產(chǎn)品相對傳統(tǒng)破碎的可磨度；K5.5為輥面壓力為5.5 MPa時(shí)， 輥壓產(chǎn)品相對傳統(tǒng)破碎的可磨度.

由結(jié)果可知，K3.5和K5.5均大于1， 說明高壓輥破碎產(chǎn)品相對于顎破產(chǎn)品易磨， 可提高磨礦效率， 并且K5.5>K3.5， 即輥面壓力越大， 在相同的磨礦時(shí)間下， 產(chǎn)品中-0.074 mm含量就越高.

3 結(jié)語

1) 相同給料粒度礦石在不同破碎方式下產(chǎn)品的粒度特性研究表明， 高壓輥磨機(jī)破碎產(chǎn)品比常規(guī)破碎產(chǎn)品分布更均勻， 細(xì)粒級含量較多. 當(dāng)輥面壓力不同時(shí)， 各粒級產(chǎn)率相當(dāng)； 輥壓產(chǎn)品的中值直徑小于常規(guī)破碎產(chǎn)品的中值直徑， 輥壓產(chǎn)品粒徑遠(yuǎn)小于常規(guī)破碎產(chǎn)品， 可降低進(jìn)入球磨機(jī)的物料粒徑， 有效實(shí)現(xiàn)“多碎少磨”的節(jié)能理念.

2) 輥面壓力為3.5、 5.5 MPa時(shí)， 輥壓產(chǎn)品的平均比表面積比常規(guī)破碎產(chǎn)品的比表面積分別提高12.36%、 13.42%， 輥面壓力為3.5、 5.5 MPa時(shí)， 產(chǎn)品平均孔體積分別比常規(guī)破碎單位孔體積提高了22%和33%. 即輥壓產(chǎn)品細(xì)粒級含量更高； 輥壓產(chǎn)品的孔隙率比常規(guī)破碎產(chǎn)品高， 孔隙與裂隙明顯增加， 裂紋豐富， 故比常規(guī)破碎產(chǎn)品更易磨細(xì)， 可降低后續(xù)磨礦能耗， 提高磨礦效率.

3) 與常規(guī)破碎產(chǎn)品相比， 輥壓產(chǎn)品在(-3.2+2)mm粒級有豐富解離裂紋和晶內(nèi)裂紋， 這些裂紋的存在可以提高有用礦物的單體解離度， 提高有價(jià)元素的回收率.

4) 當(dāng)磨礦時(shí)間相同時(shí)， 輥壓后物料磨礦產(chǎn)品-0.074 mm的含量均比常規(guī)破碎后物料磨礦產(chǎn)品-0.074 mm含量高， 而且輥面壓力越大， -0.074 mm的含量越大. 說明高壓輥破碎產(chǎn)品相對于顎破產(chǎn)品易磨， 可提高磨礦效率.

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(編輯： 蔣培玉)

Study on product characteristics of Zijinshan copper-gold ore by high pressure grinding roller

MA Yingqiang， YIN Wanzhong， WU Kai， HUANG Falan， LI Xiaoman

(College of Zijin Mining, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350116, China)

The size characteristic, the property of crack, the surface area, the pore volume and the relative grind ability of the products of different comminuting process were studied for Zijinshan copper-gold ore. The results show that the products crushed by HPGR contain smaller median diameter, more equal particle size distribution and the superior fine fraction content than that of the conventional crushing ore samples. For the samples crushed at high pressure roller surface pressure 3.5 MPa, their surface area and pore volume are 2.544 m2·g-1and 11 mm3·g-1, respectively improved to 12.36% and 22% compared with that of the conventional crushing ore samples. For the samples crushed at high pressure roller surface pressure 5.5 MPa, their surface area and pore volume are 2.568 m2·g-1and 13 mm3·g-1, respectively improved to 13.42% and 33% compared with that of the conventional crushing ore samples, which indicate that more finer fraction content and more cracks exist in the products crushed by HPGR, and with the abundant cracks the samples are easier to ground.

high pressure grinding roller; copper-gold ore; size characteristics; surface area; pore volume

2015-01-15

馬英強(qiáng)(1983- )， 博士， 講師， 主要從事難選礦分選技術(shù)與理論的研究， mayingqiang@fzu.edu.cn

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51374079)； 福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015J05101)； 福州大學(xué)科技發(fā)展基金資助項(xiàng)目(2014-XQ-41)； 福建省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(201410386081)； 福州大學(xué)科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(510057)

10.7631/issn.1000-2243.2015.06.0864

1000-2243(2015)06-0864-05

TD952

A