循環(huán)沖擊條件下磁鐵礦石損傷特征研究

甘德清 田曉曦 高 鋒 劉志義

（1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北唐山063009）

長期以來，磁鐵礦石一直是我國鐵礦山的主要產(chǎn)品，是鋼鐵冶金行業(yè)的主要原料之一。破碎是磁鐵礦石加工的主要作業(yè)方式，在實(shí)際破碎作業(yè)中，部分礦石承受循環(huán)沖擊載荷，內(nèi)部損傷累積至一定程度時才發(fā)生完全斷裂，礦石粒度降低。這一過程中，礦石的運(yùn)動、摩擦和反復(fù)沖擊需要消耗較高的能量，導(dǎo)致單位礦石破碎能耗過高。因此，需要研究循環(huán)載荷條件下礦石損傷規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)礦石有效破碎、降低破碎能耗提供理論依據(jù)。

在沖擊條件下巖石損傷變化規(guī)律的研究中，國內(nèi)外專家、學(xué)者做了諸多探討。夏冬等［1］通過對飽水閃長巖進(jìn)行循環(huán)加卸載的室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，得出隨著循環(huán)次數(shù)及應(yīng)力水平的增加，試樣的不可逆變形逐漸增大，損傷度也逐漸增加。林大能等［2］通過對大理石試件進(jìn)行模擬沖擊加載，分別得到試件沖擊損傷度與沖擊次數(shù)、圍壓和動態(tài)荷載的相關(guān)性。李夕兵等［3］基于SHPB 試驗(yàn)裝置分別對5 種不同齡期的混凝土進(jìn)行循環(huán)沖擊試驗(yàn)，提出早齡期混凝土在沖擊荷載條件下的損傷度對入射能更敏感，破壞累積損傷與齡期等外界因素幾乎無關(guān)。朱晶晶等［4］利用改進(jìn)的大直徑霍布金森壓桿試驗(yàn)裝置對花崗巖進(jìn)行了單軸循環(huán)沖擊試驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著循環(huán)沖擊次數(shù)的增加，累積損傷逐漸增加，其前期增加速率比較平緩，最后一次沖擊破壞累積損傷大幅度上升。吳迪等［5］采用一種簡易的落錘裝置，對砂巖進(jìn)行循環(huán)沖擊試驗(yàn)，得出當(dāng)沖擊能量相同時，隨循環(huán)次數(shù)增加，累積損傷速率不斷增加；當(dāng)循環(huán)次數(shù)相同時，隨著沖擊能量越大累積損傷速率越大的結(jié)論。李地元等［6］通過改進(jìn)的SHPB 沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)合聲發(fā)射裝置對花崗巖進(jìn)行循環(huán)沖擊試驗(yàn)，得到在沖擊完成后，隨著吸收能的增加，試件的損傷量逐漸增大的結(jié)果。

目前在靜態(tài)循環(huán)加載下探究巖石的力學(xué)特性及累積損傷的研究成果較為豐富，而循環(huán)沖擊載荷作用下巖石的累積損傷規(guī)律尚處于起始階段。因此，本文從磁鐵礦石在循環(huán)載荷條件下破碎耗能過高的實(shí)際情況出發(fā)，采用落錘試驗(yàn)裝置開展循環(huán)加載沖擊試驗(yàn)，基于聲波波速測量的方法確定每次沖擊后的損傷值。推演磁鐵礦石損傷至完全斷裂的動態(tài)過程，分析能量對試件沖擊損傷和破碎的本質(zhì)作用，揭示損傷隨能量和沖擊次數(shù)變化的規(guī)律，以期為礦石破碎過程中單位能耗的降低提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

圖1為落錘沖擊試驗(yàn)裝置示意圖，該裝置由提升系統(tǒng)、落錘沖擊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)和制動系統(tǒng)組成，可完成巖石落錘沖擊破碎試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 吸收能

進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)時，首先輸入沖擊高度和錘體質(zhì)量，在平臺上放置試樣后，錘頭下降至試樣上表面進(jìn)行測試。錘頭上升至指定高度后，忽略與導(dǎo)柱之間的摩擦力，作近似自由落體運(yùn)動，沖擊試件。位移傳感器記錄底座運(yùn)動的位移，光電速度傳感器記錄感應(yīng)塊通過傳感器的時間，進(jìn)而計(jì)算出沖擊速度。在沖擊的過程中，剎車護(hù)套確保錘頭不會進(jìn)行反彈動作，防止二次沖擊。通過高速攝像儀測試錘頭離開試件時的速度、通過位移計(jì)記錄底座下降的最大位移，結(jié)合落錘質(zhì)量、沖擊高度和底座與蓋板質(zhì)量，根據(jù)文獻(xiàn)［7］能量計(jì)算方法，計(jì)算試件每次沖擊的吸收能。

1.2.2 損傷因子

落錘循環(huán)沖擊磁鐵礦石試件時，每次沖擊后試件的損傷為累積損傷。通過損傷值與沖擊次數(shù)、能量之間的關(guān)系可以直觀反映材料破壞過程。用損傷前后縱波波速的改變定義損傷因子操作簡單，理論與工程應(yīng)用十分廣泛用［8-11］，計(jì)算公式為

式中，C 為損傷后的縱波波速；C0為損傷前的縱波波速。

試件放置在承載蓋板上，不施加其它載荷，每次沖擊后方便取下測試損傷。在試件的上下、前后、左右三組對面上均勻布置四個測試點(diǎn)，沖擊后每組對面測試4 次波速，每次沖擊后共測試12 次波速，然后取平均值作為沖擊損傷后的波速值。使用PCI-2 聲發(fā)射儀測試試件的波速，為測試試件的實(shí)際波速，波速探頭位置與測試方式如圖2所示。

1.2.3 試樣及試驗(yàn)參數(shù)的選取

試驗(yàn)所用錘體的質(zhì)量為50 kg，磁鐵礦石試件形狀為立方體，邊長約50 mm。實(shí)驗(yàn)室錘頭的形狀有圓柱形和球形兩種，球形錘頭沖擊時沖擊力與能量集中，錘頭質(zhì)量一定時，在較低的沖擊高度下試件即發(fā)生破碎，可調(diào)的高度范圍窄；而圓柱形錘頭沖擊立方體試件時，接觸方式為面接觸，加載方式為均勻加載，錘體質(zhì)量一定時，在較高的沖擊高度下試件才能破碎，可調(diào)的高度范圍寬。因此，為分析不同沖擊能量下磁鐵礦石試件的損傷特征，選擇圓柱形錘頭進(jìn)行不同高度條件下的循環(huán)沖擊加載試驗(yàn)（見圖3）。

由預(yù)試驗(yàn)結(jié)果可知，沖擊高度小于0.3 m 時，圓柱形錘頭需要沖擊試件20次以上才斷裂或者一直不破壞；沖擊高度大于0.5 m 時，部分試件被沖擊1～2次就發(fā)生斷裂。為提高試驗(yàn)效率，選擇循環(huán)沖擊的高度為0.3 m、0.4 m、0.5 m。磁鐵礦石試件參數(shù)及試驗(yàn)條件見表1。

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2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 落錘循環(huán)沖擊下磁鐵礦石損傷過程的理論分析

為全面研究磁鐵礦石落錘沖擊破碎的能量特征，有必要探索低能量沖擊作用下磁鐵礦石的損傷過程和能量特征［12］。沖擊能量較低時，巖石或礦石不能一次破碎，在多次沖擊作用下才會完全斷裂。用較低的能量循環(huán)沖擊巖石或礦石試件時，在所用能量能夠引起試件內(nèi)部損傷的條件下，每次沖擊試件都會產(chǎn)生新的損傷，新產(chǎn)生的損傷在上一次沖擊損傷的基礎(chǔ)上發(fā)展，即每次沖擊后試件的損傷都是歷史損傷的累積。試件承受沖擊載荷時，礦物顆粒周圍的能量達(dá)到顆粒表面能時才能引發(fā)顆粒運(yùn)動，使裂隙萌生和擴(kuò)展，由于一部分能量在試件中會以彈性波擴(kuò)散的形式耗散，如果施加到單元體的能量小于單元體最低表面能，那么無論循環(huán)沖擊多少次，試件都不會發(fā)生破壞。

裂隙的活動是巖石損傷的具體形式，新裂隙萌生時需要破壞晶體鍵或克服分子間的范德華力，所需要的能量大于原生裂隙擴(kuò)展的耗散能。裂隙的擴(kuò)展實(shí)際上是能量傳遞過程中在裂隙尖角位置聚集，破壞顆粒間黏聚力引發(fā)顆粒運(yùn)動分離的表現(xiàn)，而裂隙的閉合則是能量向自由面釋放時引起能量場內(nèi)的顆粒向裂隙空間移動的行為，可見裂隙的閉合比裂隙擴(kuò)展耗散的能量更少［13-15］。因此，在損傷發(fā)生的前提下，以較低的能量沖擊巖石的初始階段，試件內(nèi)部以垂直載荷方向的裂隙壓縮閉合為主，同時也會有少量的縱向裂隙擴(kuò)展；隨著沖擊次數(shù)的增大，縱向擴(kuò)展的裂隙數(shù)量增多，擴(kuò)展范圍逐漸增大，試件內(nèi)部的損傷逐漸變大；當(dāng)裂隙數(shù)量足夠大并有裂隙發(fā)生交接時，裂隙擴(kuò)展迅速，損傷發(fā)展速率增大，再以一定的能量沖擊激發(fā)時，試件發(fā)生完全斷裂。

綜上分析，可假設(shè)在能夠引起磁鐵礦石內(nèi)部損傷的能量范圍內(nèi)，落錘以較低的能量沖擊磁鐵礦石試件時，試件遵循上述損傷發(fā)展過程，并將損傷過程劃分成初始損傷階段、加速損傷階段、斷裂階段，如圖4所示。

2.2 磁鐵礦石循環(huán)沖擊損傷的變化特征

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制波速和損傷因子隨沖擊次數(shù)、累積吸收能的變化曲線，如圖5～圖7所示。

由圖5 可知，磁鐵礦石循環(huán)沖擊加載的初始階段，波速緩慢降低，對應(yīng)的損傷因子也是緩慢上升，試件MP3-5和MP3-6在前幾次沖擊后波速和損傷因子幾乎沒有變化。這可能是因?yàn)樵嚰?nèi)部縱向裂隙較少，能量主要作用于橫向裂隙的壓縮，還難以促進(jìn)縱向裂隙的顯著擴(kuò)展。隨著沖擊循環(huán)的進(jìn)行和累積吸收能的增大，波速降低和損傷因子增加的幅度逐漸增大，試件損傷速率加快。在臨近斷裂時，試件的波速和損傷因子變化的速率突然增大，出現(xiàn)了裂隙交接和貫通，再次沖擊時，試件發(fā)生完全斷裂。

由圖6可知，在0.4 m 高度下沖擊磁鐵礦石，試件的波速隨著循環(huán)沖擊次數(shù)的增加而降低，曲線呈上凸型，即降低速率逐漸增大，且對于前兩次的沖擊其波速基本沒有變化，破壞之前波速降低均在20%左右。在該高度下，試件的累積損傷隨著循環(huán)沖擊次數(shù)的增加而增大，曲線呈下凹型，即破壞前損傷因子增加較為平緩，最后一次沖擊后，曲線斜率顯著提高，其損傷增量占最終累積損傷的80%左右。

由圖7 可知，磁鐵礦石在0.5 m 的沖擊高度下表現(xiàn)出和0.3 m、0.4 m 沖擊高度下一致的損傷規(guī)律，隨著沖擊高度增大，試件完全斷裂時的循環(huán)沖擊次數(shù)和累計(jì)吸收能明顯減少，波速降低和損傷因子增大的速率明顯增大，這是由于沖擊高度增大，沖擊能和沖擊速率增大，在較高的沖擊能作用下試件單元體瞬時積聚的變形能大于表面能的概率增大。沖擊速率增大時，能量以更快的速率在試件中耗散，激發(fā)缺陷周圍顆粒振動，促進(jìn)裂隙的擴(kuò)展，從而加快試件的整體損傷。

綜合圖5～圖7 可得，循環(huán)沖擊次數(shù)越多，累計(jì)吸收能越大，當(dāng)沖擊高度較低，即沖擊能和沖擊速率較低時，磁鐵礦石試件在破壞前吸能很少，大部分的沖擊能以底座的彈性勢能和聲能等形式耗散，而當(dāng)最后一次沖擊時，沖擊能則主要被試件所吸收，用于內(nèi)部裂隙的擴(kuò)展、發(fā)育，直至產(chǎn)生宏觀破壞。

根據(jù)落錘循環(huán)沖擊載荷下磁鐵礦石的損傷曲線和損傷特征，在引起磁鐵礦石內(nèi)部損傷的能量范圍內(nèi)，以較低的能量進(jìn)行循環(huán)沖擊加載時，磁鐵礦石依次經(jīng)歷了初始損傷階段、加速損傷階段和完全斷裂階段，與循環(huán)沖擊損傷過程的理論分析結(jié)果一致。隨著沖擊次數(shù)和累計(jì)吸收能的增加，試件波速以負(fù)指數(shù)的規(guī)律降低，損傷因子以指數(shù)的規(guī)律增大，由此提出落錘循環(huán)沖擊條件下磁鐵礦石的3段損傷模型，如圖8所示。

2.3 磁鐵礦石循環(huán)沖擊斷裂的能量特征分析

統(tǒng)計(jì)磁鐵礦石在不同沖擊高度下，循環(huán)沖擊加載完全斷裂時的總吸收能和沖擊次數(shù)，建立總吸收能、沖擊次數(shù)與沖擊高度的關(guān)系，見表2。

由表2 可知，錘體質(zhì)量一定時，隨著沖擊高度的增大，磁鐵礦石試件發(fā)生斷裂的循環(huán)沖擊次數(shù)和總能量降低，沖擊高度增加至一定程度時，試件沖擊1～2 次就會斷裂。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在達(dá)到斷裂高度后，繼續(xù)增加沖擊高度，試件就會發(fā)生過度破碎，且破碎程度隨沖擊高度的增加而增大。因此，在錘體質(zhì)量和試件參數(shù)一定的條件下，存在使磁鐵礦石恰好一次沖擊完全斷裂的沖擊高度及其對應(yīng)的礦石吸收能，為了便于表達(dá)和理解，將一次沖擊條件下使磁鐵礦石完全斷裂的吸收能稱為斷裂性破碎能。礦石承受一次沖擊的條件下如果吸收的能量小于斷裂性破碎能，試件只發(fā)生損傷，不會破碎；反之，試件將發(fā)生超出完全斷裂的破碎現(xiàn)象。這與理論分析的結(jié)果基本一致。

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3 結(jié) 論

本文采用落錘試驗(yàn)裝置，研究了循環(huán)沖擊條件下磁鐵礦石損傷特征，主要結(jié)論如下：

（1）循環(huán)沖擊載荷條件下，隨著沖擊次數(shù)和累計(jì)吸收能量的增大，縱波波速呈先緩慢降低后急劇降低，損傷因子呈先緩慢增加后急劇增加的變化趨勢。試件完全斷裂前，試件累積損傷出現(xiàn)劇烈增長的征兆。

（2）隨著沖擊高度的增大，縱波波速和損傷因子隨沖擊次數(shù)和累計(jì)吸收能量的變化愈加顯著，循環(huán)載荷條件下，磁鐵礦石的損傷過程表現(xiàn)出明顯的沖擊速率效應(yīng)。

（3）研究結(jié)果將磁鐵礦石循環(huán)沖擊損傷至完全斷裂的過程劃分為初始損傷階段、加速損傷階段、斷裂階段三個階段；隨著沖擊高度的增大，磁鐵礦石發(fā)生斷裂的總沖擊次數(shù)和累計(jì)吸收能量降低，一定尺寸的磁鐵礦石存在一次沖擊斷裂的最小能量。