磷酸裝置磷礦篩分破碎流程選擇與設備選型

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

磷礦石篩分破碎是磷酸裝置磨礦前的準備作業(yè)，是磷酸裝置磷礦加工工序的重要組成部分。為了降低能耗，工藝設計力求“多碎少磨”。根據(jù)磷礦進廠粒度和磨機允許進料粒度的不同，常見的篩分破碎流程為兩段開路流程、兩段閉路流程、三段開路流程、三段閉路流程。常用的篩分設備的主要類型有振動篩、固定篩、滾軸篩；常用的破碎設備主要類型有顎式破碎機、旋回破碎機、反擊式破碎機、錘式破碎機、圓錐破碎機、對輥破碎機。設計人員應結(jié)合磷礦石的硬度、磨礦工序需要的粒度，合理選擇篩分破碎流程和設備。事實上，國內(nèi)部分磷酸裝置運行后，出現(xiàn)了破碎機碎礦產(chǎn)品粒度過粗、磷礦加工工段能耗高、設備維修費高等問題，不得不對磷礦篩分破碎系統(tǒng)進行改造[1]。以廣西某半水-二水法磷酸項目為例，分析確定篩分破碎流程，對比各種設備的優(yōu)缺點，提出了適合半水-二水法磷酸裝置干法磨礦工藝的磷礦石篩分破碎流程與設備選型，探討了交叉篩、對輥破碎機用于磷礦石篩分破碎的可行性。

1 磷礦石特性和來源

磷礦在工業(yè)上的應用已有一百多年的歷史。按其成因不同，磷礦石可分為磷灰石和磷塊巖。磷灰石是指磷以晶質(zhì)磷灰石形式出現(xiàn)在巖漿巖和變質(zhì)巖中的磷礦石。磷塊巖是指由外生作用形成、由隱晶質(zhì)或顯微隱晶質(zhì)磷灰石及其他脈石礦物組成的堆積體。

中國的磷礦主要分布在云南、貴州、四川、湖北和湖南五省，國外主要分布在美國、前蘇聯(lián)和摩洛哥。云南、貴州、四川磷礦石硬度中等，普氏硬度一般為7，湖北礦的硬度高，普氏硬度達12[2]，相差很大。在選擇篩分破碎流程和設備選型時，應充分考慮到磷礦石的硬度、粒度。

該項目位于廣西，采用云貴磷礦石，進廠粒度大部分小于200mm，少量在200～400mm之間。有的磷酸廠因礦山供應的磷礦塊度為400～800mm，甚至在1 000mm以上，因此，不得不上三段甚至四段破碎，造成原料處理工序投資過高、破碎設施占地面積太大、電耗高等后果。因此，磷酸廠應與礦山達成供礦協(xié)議，對粒度做出嚴格限制，要求磷礦塊度不大于100mm或者更小。

表1 礦石硬度

2 篩分破碎工藝

2.1 破碎段數(shù)和流程

對于選礦廠來說，一般使1 500～350mm物料破碎到350～100mm為粗碎，破碎到100～40mm為中碎，破碎到30～10mm為細碎。該項目半水-二水法磷酸裝置要求干礦粉進料[3]，磨礦處理后要求粒度小于100目的磷礦石占比大于80%，為保證磨礦產(chǎn)品細度，要求進磨機磷礦石粒度小于15mm，顯然破碎需采用3段破碎流程。為了降低破碎機操作負荷，避免產(chǎn)生過磨現(xiàn)象，破碎前應設置篩分，破碎作業(yè)和篩分作業(yè)共同組成破碎段，破碎流程見圖1。

圖1 破碎篩分流程

2.2 閉路破碎和開路破碎的選擇

圖1流程(a)為開路流程，其最終產(chǎn)物粒度較粗，但流程簡單，設備臺數(shù)少，投資較低。圖1流程(b)為閉路流程，與開路流程相比，所需設備臺數(shù)多，設備布置復雜，投資較高，但其破碎產(chǎn)物細，有利于提高后續(xù)工段磨機的生產(chǎn)能力，降低研磨過程總能耗和生產(chǎn)成本。國內(nèi)有多個磷酸項目因為磷礦石破碎篩分工段設計不合理，造成磨礦產(chǎn)品細度、磨機處理能力達不到要求。為可靠起見，該項目選擇閉路破碎流程[4]。

2.3 閉路破碎流程系統(tǒng)能力的確定

該項目入磨機能力為180t/h，根據(jù)經(jīng)驗檢查篩返料量，保證其不超過10%，可以計算出各級篩分機和破碎機的能力，物料平衡見圖2。

圖2 物料平衡

從圖2可知，閉路破碎流程中各段篩分機和破碎機能力是不同的，表2列出了各級篩分機和破碎機的系統(tǒng)能力。理論上，Ⅰ段和Ⅱ段破碎機的破碎能力應不低于Ⅰ段和Ⅱ段篩分機處理能力的80%，而檢查篩分和Ⅲ段破碎機的能力需要根據(jù)10%的篩分返料量計算，可取160t/h。

表2 篩分機和破碎機的系統(tǒng)能力

3 破碎機機械的類型

3.1 顎式破碎機

顎式破碎機的工作部分由固定顎和可動顎組成(或由雙動顎組成)，當可動顎周期性靠近固定顎時(或雙動顎周期性互相靠近時)，則借壓碎作業(yè)將裝于其間的物料破碎。應用最為廣泛的顎式破碎機有兩種型式：動顎做簡單擺動的曲柄雙搖桿機構(gòu)顎式破碎機、動顎做復雜擺動的曲柄搖桿機構(gòu)顎式破碎機。

3.2 旋回破碎機和圓錐破碎機

旋回破碎機和圓錐破碎機的破碎部件是由不動的外圓錐和可動的內(nèi)圓錐組成，內(nèi)圓錐以一定的偏心半徑繞外圓錐中心線做偏心運動，物料在兩錐體之間受壓碎和折斷作用而破碎。旋回破碎機和圓錐破碎機的工作原理基本相同，只是破碎腔的形狀、動錐的懸掛方式、防塵裝置、排料口調(diào)節(jié)方式等某些零部件的結(jié)構(gòu)有所不同。

3.3 對輥破碎機

物料介于兩個平行且相向轉(zhuǎn)動的圓柱形輥子之間，由于摩擦力的作用，物料被帶入兩輥之間的破碎空間，使物料受壓碎(光輥)或劈碎(齒輥)的作用而破碎。如果兩個輥子轉(zhuǎn)動線速度不同，還有磨碎作用。對于單輥破碎機來說，除了有壓碎和劈碎作用外，還有剪力的折斷作用。

3.4 錘式破碎機和反擊式破碎機

利用機器上高速旋轉(zhuǎn)的錘子的沖擊作用和物料在沖擊過程中獲得動能后，以高速沖向固定不動的襯板的作用及高速運動物料相互碰撞的作用，使物料沿其自然裂隙和節(jié)理面等脆弱部而破碎。

4 破碎機的選擇

破碎設備類型的選擇和規(guī)格的確定主要與所處理磷礦石的物料性質(zhì)(硬度、密度、黏性、含黏土量、水分、給礦的最大粒度等)、處理量、破碎產(chǎn)品粒度以及設備配置等因素有關。所選用的破碎設備必須滿足破碎產(chǎn)品粒度、設計處理量和適應給礦中最大礦塊的要求。

4.1 粗碎破碎機的選擇

礦石粗破碎機一般采用顎式破碎機或旋回破碎機，當處理中等硬度的磷礦石時也可采用反擊式破碎機。

顎式破碎機的優(yōu)點是構(gòu)造簡單、質(zhì)量輕、價格低廉、便于維修和運輸、外形高度小、需要廠房高差??；在工藝方面，工作可靠、調(diào)節(jié)排礦口方便、破碎潮濕礦石及含黏土較多的礦石時不易堵塞。缺點是襯板易磨損、破碎產(chǎn)品粒度不均勻、過大塊多。

與顎式破碎機相比，旋回破碎機的優(yōu)點如下：其電耗低、處理量大，在同樣給礦口與排礦口條件下，旋回破碎機處理量為顎式破碎機的2.5～3倍；破碎腔內(nèi)襯板磨損分布均勻；破碎產(chǎn)品過大塊少、粒度均勻。缺點是設備構(gòu)造復雜、機身重、設備高、廠房高。

4.2 中碎破碎機的選擇

對于中等可碎性磷礦石中碎設備，可以選擇標準型圓錐破碎機、反擊式破碎機、錘式破碎機。

圓錐破碎機破碎力大、破碎比大，容易實現(xiàn)過鐵保護和排礦口自動調(diào)節(jié)，缺點是液壓系統(tǒng)和動錐支撐結(jié)構(gòu)的制造比較復雜，適合處理量大的工況。

錘式破碎機和反擊式破碎機適用于破碎中硬礦石，特別是易碎物料，其優(yōu)點是體積小、構(gòu)造簡單、破碎比大、電耗低、產(chǎn)品力度均勻，缺點是板錘和反擊板容易磨損，需要經(jīng)常更換。

4.3 細碎破碎機的選擇

對于中硬、堅硬礦石細碎設備，可以選擇細碎顎式破碎機、短頭型圓錐破碎機、高鉻對輥破碎機。

復擺型細碎顎式破碎機齒板壽命長、能耗低，其產(chǎn)品粒度均勻，處理能力小。

短頭圓錐破碎機破碎力大，容易實現(xiàn)過鐵保護和排礦口自動調(diào)節(jié)，出料粒度小，處理能力大。

傳統(tǒng)對輥破碎機適合破碎脆性物料或避免過粉碎的物料，其優(yōu)點是構(gòu)造簡單、容易制造，缺點是滾筒易磨損。若采用高鉻合金鑄鐵輥子，對輥子表面進行調(diào)質(zhì)和熱處理，對輥破碎機輥子的壽命可超過16個月[5]，破碎后的粒度均勻、穩(wěn)定，適合磷礦石細碎破碎，但每小時處理量較少。

4.4 破碎機對比

破碎機對比見表3。

表3 破碎機對比

續(xù)表

由于該項目磷礦石硬度不高，從降低設備投資的角度，粗碎應選擇顎式破碎機，中碎應選擇錘式破碎機或者反擊式破碎機，細碎應選擇錘式破碎機或反擊式破碎機。

4.5 破碎機型式確定

破碎機的生產(chǎn)能力與磷礦石的物理機械性質(zhì)、破碎機的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作條件有關，主要因素是磷礦石硬度、松散密度、黏性、黏土含量、水分、最大給料粒度、處理量、產(chǎn)品粒度、希望的破碎比、選擇的破碎機種類等。一般先根據(jù)相關手冊經(jīng)驗公式計算設備處理量，再按照制造廠產(chǎn)品樣本標定的名義生產(chǎn)能力，并根據(jù)實際工藝設計條件提供的資料加以校核、選擇型號。

粗破碎機處理能力較小，應選擇顎式破碎機。雖然旋回破碎機也適合用于粗碎，但其更適用于礦山選礦的大處理量的粗碎。

4.5.1中碎破碎機型式確定

中碎處理量144t/h，進料粒度小于200mm，出料粒度小于30～80mm，輥式破碎機處理能力過小，標準型圓錐破碎機投資過高，中碎破碎機型應選擇錘式破碎機、反擊式破碎機。

4.5.2細碎破碎機型式確定

細碎處理量160t/h，進料粒度小于80mm，出料粒度小于15mm，細碎顎式破碎機處理能力低，短頭型圓錐破碎機設備投資高，細碎破碎應選擇錘式破碎機、反擊式破碎機。

5 篩分機械的類型

按構(gòu)造與工作原理的不同，適合磷礦石篩分的常用篩分機有如下類型。

5.1 固定篩

固定篩有格篩和條篩兩種型式，格篩多用于原礦受礦倉及粗破碎礦倉的上部，主要用于控制礦石粒度用，條篩多用于粗碎和中碎前的預先篩分。

5.2 滾軸篩

滾軸篩常用于粗粒物料的篩分作業(yè)，適合篩分軟、中硬物料，其優(yōu)點是不堵篩，缺點是設備笨重、篩分料率較低、滾軸磨損快。

5.3 振動篩

振動篩一般由振動器、篩箱、隔振裝置、傳動裝置等部分組成。振動篩具有長方形的篩面，安裝在篩箱上。篩箱及篩面在振動器的作用下，產(chǎn)生圓形、橢圓形或直線型軌跡的振動。由于篩面的振動使篩面上的物料層松散并離開篩面拋起，使細粒級能透過料層下落，再通過篩孔排出，并將卡在篩孔中的顆粒振出，除產(chǎn)生篩分作用外，還會使物料向前運動。

常用的礦用振動篩有慣性振動篩、自定中心振動篩、重型振動篩、圓振動篩、直線振動篩。振動篩分類見表4。

表4 振動篩分類

5.3.1慣性振動篩

慣性振動篩的振動器安裝在篩箱上，隨著篩箱上、下振動，給礦量的不穩(wěn)定會影響篩分效率，處理量較小。

5.3.2自定中心振動篩

自定中心振動篩的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、容易制造、篩面振動強烈、篩分效率高；缺點是對建筑物產(chǎn)生較大振動、處理量較小。

5.3.3重型振動篩

重型振動篩適用于篩分大塊度、密度大的礦石，篩分效率高于固定篩，但設備投資高。

5.3.4圓振動篩

具有圓形軌跡的慣性振動篩為圓振篩，篩面為傾斜布置，當篩面做圓形軌跡振動時，物料也隨著篩面振動呈拋起、落下，進而向前運動?？ㄔ诤Y孔中的物料可以跳出，篩面不易堵。

5.3.5直線振動篩

直線振動篩的篩面是水平安裝，運動軌跡為直線，篩分效率高。

5.4 篩分機對比

篩分機對比見表5。

表5 篩分機對比

考慮到超大塊占比低，為了降低設備投資，Ⅰ段篩分采用固定篩，Ⅱ段篩分、Ⅲ段篩分、檢查篩分采用圓振動篩或直線振動篩，但因圓振動篩篩分效率更高，所以，Ⅱ段篩分、Ⅲ段篩分、檢查篩分選擇圓振動篩。

6 探討

6.1 對輥破碎機的應用

對輥破碎機被認為不宜破碎堅硬物料，通常用作中硬或松軟物料的中碎、細碎，其優(yōu)點是能夠破碎黏濕物料、不堵料、粉塵釋放少。云南某磷酸項目對輥破碎機輥子采用高鉻合金鑄鐵，經(jīng)熱處理、調(diào)質(zhì)處理后，輥子表面硬度達到HRC62～ HRC65，能夠承受150MPa 的碾壓力，使用半年后輥面未見明顯磨損，說明提高傳統(tǒng)對輥破碎輥子的硬度后，輥式破碎機能夠滿足磷礦中碎和細碎的需要。

6.2 交叉篩的應用

交叉式細粒滾軸篩(簡稱交叉篩)根據(jù)等厚篩分法原理設計，用于磷礦粗篩(50mm分級)和細篩(15mm分級)，其篩面是由多組同向旋轉(zhuǎn)的篩軸組成，每根篩軸安裝若干等距篩片，相鄰篩軸上的篩片交叉排列。與振動篩相比，交叉篩不易堵料，設備高度低、土建投資低、篩分過程中粉塵釋放少，與傳統(tǒng)滾軸篩相比，交叉篩的篩片耐磨，使用壽命長，可用于磷礦石的粗篩、細篩和預先篩分。

7 結(jié)語

磷酸裝置磷礦篩分破碎流程的選擇與設備的選型應根據(jù)磷礦的物料特性、處理能力、設備結(jié)構(gòu)特點、設備土建投資等綜合確定。對于云貴和四川塊狀松軟、中硬磷礦石，篩分破碎流程應選擇三段閉路流程。粗篩應選擇固定格篩或棒條篩，Ⅱ段篩分可采用圓振篩、直線振動篩或交叉篩，Ⅲ段篩分和檢查篩可采用圓振篩、直線振動篩。粗破應選擇顎式破碎機，中碎和細碎可采用錘式破碎機、反擊式破碎機或?qū)伷扑闄C。