不同施載壓力下物料顆粒床壓載試驗(yàn)

崔少文 郭小飛 郗 悅 張洺睿

（遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧鞍山114051）

礦石粉碎后產(chǎn)品的細(xì)度主要由比能耗決定。一般來(lái)說(shuō)，粉碎過(guò)程中粉碎加載模式越接近于單顆粒加載粉碎，其能量利用率越高［1］。Schenert 在上世紀(jì)基于料層粉碎理論研制了高壓輥磨機(jī)，其實(shí)施的是準(zhǔn)靜壓料層粉碎。當(dāng)料層受力時(shí)，礦石自身作為介質(zhì)傳遞壓力，受力增大到極限后，顆粒破碎或變形，具有選擇性破碎效果，其粉碎產(chǎn)品具有微裂紋多、細(xì)粒級(jí)含量高和單位破碎能耗低等特點(diǎn)［2-5］。目前，高壓輥磨機(jī)的選型沒(méi)有一套簡(jiǎn)便可靠的方法，對(duì)于每個(gè)獨(dú)立的項(xiàng)目都需要從基礎(chǔ)的原料礦石性質(zhì)入手，進(jìn)行相應(yīng)的半工業(yè)高壓輥磨機(jī)試驗(yàn)，找尋最優(yōu)的設(shè)備及流程配置，此過(guò)程所需礦石原料量巨大，耗時(shí)長(zhǎng)，費(fèi)用高，阻礙了高壓輥磨機(jī)在礦物加工領(lǐng)域的推廣應(yīng)用［6-9］。實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的顆粒床層間粉碎壓載試驗(yàn)是研制高壓輥磨機(jī)粉碎理論基礎(chǔ)的基本方法，通過(guò)顆粒床活塞壓載試驗(yàn)，能夠初步模擬礦石的料層粉碎過(guò)程［10-11］。本文通過(guò)對(duì)金礦石、磁鐵礦石及釩鈦磁鐵礦3 種礦石進(jìn)行不同施載壓力條件下的顆粒床活塞壓載試驗(yàn)，來(lái)建立一種小規(guī)模的粉碎模型以預(yù)測(cè)高壓輥磨機(jī)工藝性能。

1 試樣、設(shè)備及原理

1.1 試樣及設(shè)備

本試驗(yàn)選取金礦石、磁鐵礦石及釩鈦磁鐵礦石作為研究對(duì)象，采用由長(zhǎng)春材料試驗(yàn)機(jī)廠制造的YE-200A 液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行活塞壓載試驗(yàn)，該液壓機(jī)最大可以提供200 t 的壓力，能夠滿足試驗(yàn)所需。在顆粒床活塞壓載試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)樣品與缸體直接接觸的物料受力狀態(tài)與單純的顆粒床層間粉碎具有一定的差異。為盡可能減小這種現(xiàn)象對(duì)試驗(yàn)最終結(jié)果的影響，在每次試驗(yàn)時(shí)，保證所用物料滿足一定幾何參數(shù)條件。Kalala 等人研究發(fā)現(xiàn)，顆粒床活塞壓載試驗(yàn)初始料層厚度應(yīng)是最大給料粒度的1.5倍［12-14］，不同種類礦石、不同粒級(jí)物料所需的樣品量不同，粒級(jí)越大，密度越大，所需的試驗(yàn)樣品質(zhì)量越多。試驗(yàn)采用特制的硬質(zhì)合金鋼活塞式缸體壓載模具，缸體內(nèi)徑為75 mm。所用礦石經(jīng)實(shí)驗(yàn)室型顎式破碎機(jī)破碎至設(shè)定粒度，并通過(guò)篩分設(shè)備將每種礦石制備出不同粒級(jí)試驗(yàn)物料樣品，用作顆粒床活塞壓載粉碎試驗(yàn)給料，最大粒度為12 mm。

1.2 試驗(yàn)原理

在顆粒床活塞壓載粉碎試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程中，物料的狀態(tài)可根據(jù)施載狀態(tài)的變化分為加載和卸載兩個(gè)階段。處于加載階段時(shí)，隨著壓力的增加，物料顆粒所受到的應(yīng)力增加，在靜載高壓作用下礦物顆粒被重新排列，相互間的點(diǎn)接觸逐漸變?yōu)槊娼佑|，料層愈加密實(shí)，顆粒間的作用力和反作用力不斷增加，當(dāng)作用力超過(guò)物料顆粒所能承受的抗壓強(qiáng)度時(shí)，顆粒開(kāi)始碎裂，直至加載壓力達(dá)到最大設(shè)定值為止；當(dāng)物料處于卸載階段時(shí)，物料顆粒間的相互作用力隨著加載壓力的降低而衰減，由于外部應(yīng)力的減小，物料會(huì)發(fā)生一定的反彈膨脹。通過(guò)儀器對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中施載壓力和位移數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，可得施載壓力-位移關(guān)系曲線。通過(guò)對(duì)該曲線進(jìn)行數(shù)值積分計(jì)算，能夠獲得整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中破碎所消耗的能量，其值等于加載曲線f1(x )與卸載曲線f2(x)所圍成陰影部分的面積［14］，見(jiàn)圖1。計(jì)算公式為

式中：S 為陰影部分面積，大小等于破碎過(guò)程中所消耗的總能量；f1(x)、f2(x )分別為試驗(yàn)過(guò)程中的加載曲線、卸載曲線。

在不同施載壓力下，對(duì)每種礦石的不同粒級(jí)物料分別進(jìn)行顆粒床活塞壓載試驗(yàn)，能夠獲得不同的壓載試驗(yàn)產(chǎn)品，通過(guò)粒度篩析法對(duì)各壓載產(chǎn)品進(jìn)行粒度檢測(cè)，數(shù)值積分法計(jì)算出每次粉碎過(guò)程中顆粒床吸收的能量。本文主要通過(guò)比能耗，破碎比Rx及產(chǎn)品的負(fù)累計(jì)產(chǎn)率來(lái)衡量各因素對(duì)物料破碎效果的影響。

比能耗Wi為單位質(zhì)量物料所吸收的能量，單位為J/g，計(jì)算公式為

式中，W 為試驗(yàn)過(guò)程中物料吸收的總能量，J；G 為試驗(yàn)用礦樣質(zhì)量，g。

破碎比Rx為給料中x%通過(guò)的粒度Fx與產(chǎn)品中x%通過(guò)的粒度Px的比值，計(jì)算公式為

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 活塞壓載試驗(yàn)產(chǎn)品的粒度分布

負(fù)累計(jì)曲線能夠在一定程度上反映出施載壓力與產(chǎn)品細(xì)度間的關(guān)系，3 種礦石各粒級(jí)物料在不同壓載條件下的壓載產(chǎn)物粒度負(fù)累計(jì)曲線見(jiàn)圖2～圖4。

由圖2（a）知，對(duì)金礦而言，隨著壓力增加，細(xì)粒級(jí)礦物負(fù)累計(jì)產(chǎn)率增高，粗粒級(jí)礦物負(fù)累計(jì)產(chǎn)率逐漸減小，這種現(xiàn)象說(shuō)明隨著加載壓力的增加壓載產(chǎn)物中細(xì)粒含量增多，粗粒含量減少，產(chǎn)物整體細(xì)度增加。由圖2（b）、2（c）可知當(dāng)加載壓力超過(guò)80 MPa時(shí)，隨著壓力增加，產(chǎn)物的負(fù)累計(jì)產(chǎn)率先快速增加，受尺寸效應(yīng)影響礦物中的粗顆粒更易粉碎，導(dǎo)致礦物產(chǎn)品中粗顆粒含量占比較少，負(fù)累計(jì)產(chǎn)率增加速度下降。

由圖3 可知，對(duì)磁鐵礦而言，隨著加載壓力的增加，產(chǎn)品的負(fù)累計(jì)產(chǎn)率明顯增加，隨著產(chǎn)物粒度的增大，負(fù)累計(jì)曲線趨勢(shì)逐漸平緩，負(fù)累計(jì)產(chǎn)率增加速度逐漸降低，且加載壓力越大，負(fù)累計(jì)產(chǎn)率增加速度降低越快。加載壓力為180 MPa時(shí)，產(chǎn)品負(fù)累計(jì)產(chǎn)率增加最快，細(xì)粒級(jí)含量最多，此時(shí)壓載效果最好。

由圖4 可知，對(duì)釩鈦磁鐵礦而言，隨著加載壓力的增加和給料粒度的增加，產(chǎn)品的負(fù)累計(jì)產(chǎn)率增加幅度不同，但各產(chǎn)品負(fù)累計(jì)曲線趨勢(shì)基本相同，細(xì)粒級(jí)產(chǎn)物負(fù)累計(jì)曲線趨勢(shì)較陡，負(fù)累計(jì)產(chǎn)率增加速度較快，粗粒級(jí)產(chǎn)物負(fù)累計(jì)曲線趨勢(shì)逐漸平緩，負(fù)累計(jì)產(chǎn)率增加的速度緩慢降低。隨著施載壓力的增加，產(chǎn)物的負(fù)累計(jì)產(chǎn)率增加，壓力越大，增加速度降低越快，說(shuō)明隨著加載壓力的增加，壓載產(chǎn)物中細(xì)粒含量增多，粗粒含量減少，產(chǎn)物整體細(xì)度增加。當(dāng)加載壓力超過(guò)80 MPa 時(shí)，各壓力下的產(chǎn)品負(fù)累計(jì)曲線基本相同，具有相似的增加幅度及趨勢(shì)，產(chǎn)物細(xì)度隨施載壓力的增加幅度降低，此時(shí)再繼續(xù)增加施載壓力所提供的破碎效果十分有限，即形成能量過(guò)飽和現(xiàn)象。

由圖2～圖4 可知，在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，同一礦物產(chǎn)品的負(fù)累計(jì)產(chǎn)率變化幅度與給料的粒級(jí)有關(guān)。給料粒級(jí)越小，產(chǎn)物負(fù)累計(jì)產(chǎn)率變化幅度越小，曲線的變化差異越小，趨勢(shì)越相近。

產(chǎn)品負(fù)累計(jì)曲線的變化趨勢(shì)與礦石種類及加載壓力有關(guān)。當(dāng)對(duì)金礦施載超過(guò)80 MPa 壓力時(shí)，在小于某一粒度時(shí)，隨施載壓力的增加，產(chǎn)品負(fù)累計(jì)產(chǎn)率增加，壓力越大增加速度越快，當(dāng)超過(guò)該粒度后，隨施載壓力的增加產(chǎn)品負(fù)累計(jì)產(chǎn)率增加速度降低，且壓力越大增加速度下降越快；這一粒度主要受給礦粒級(jí)影響，給礦粒級(jí)越小，該粒度越小，給礦粒級(jí)增大，該粒度隨之增大。施載壓力對(duì)金礦產(chǎn)品負(fù)累計(jì)產(chǎn)率的影響明顯，即對(duì)金礦物料細(xì)度的改變效果明顯。當(dāng)試驗(yàn)礦樣為磁鐵礦、釩鈦磁鐵礦時(shí)，隨施載壓力的增加，產(chǎn)品負(fù)累計(jì)產(chǎn)率逐漸增加，施載壓力越大，增加速度越快，負(fù)累計(jì)曲線斜率變化越明顯。

2.2 加載壓力與比能耗及破碎比的關(guān)系

圖5至圖7給出了3種礦石各粒級(jí)物料在顆粒床活塞壓載試驗(yàn)中的比能耗及R50、R80隨施載壓力變化的關(guān)系。

由圖5 可知，在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，比能耗隨加載壓力的增加而增加，加載壓力小于120 MPa時(shí)比能耗穩(wěn)定增加，超過(guò)120 MPa后增加速度劇增。由圖5（a）可知，隨加載壓力的增加R50和R80增加，但增加幅度很小，主要是由于尺寸效應(yīng)［15］導(dǎo)致試驗(yàn)前后礦物粒度變化不明顯。由圖5（b）、5（c）可知，隨施載壓力的增加，R50增加，R80緩慢增加。造成這種現(xiàn)象的主要原因是在加載壓力為80～120 MPa 時(shí)，破碎比變化幅度很小，物料破碎基本完成，導(dǎo)致壓力繼續(xù)增加時(shí)，比能耗繼續(xù)增加而物料細(xì)度不再有明顯變化，能量過(guò)飽和。

由圖6 可知，在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，隨著加載壓力的增加，比能耗增加，且增加速度逐漸加快，趨勢(shì)變化明顯，在180 MPa 時(shí)達(dá)到最大值；隨施載壓力的增加，R50小幅增加；隨加載壓力的增加R80小幅增加，大于80 MPa 后增加速度加快，在180 MPa 時(shí)達(dá)到最大值。導(dǎo)致試驗(yàn)前后物料粒度變化不明顯，比能耗大幅增加現(xiàn)象的主要原因是在加載壓力為80 MPa時(shí)物料已基本完成破碎，加載壓力繼續(xù)增加時(shí)形成能量過(guò)飽和。

由圖7 可知，在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，隨加載壓力的增加，比能耗先緩慢增加，后快速增加，粒級(jí)越大，改變比能耗增加速度所需的壓力越大，在180 MPa時(shí)比能耗達(dá)到最大值。隨加載壓力的增加，R50先趨于穩(wěn)定后逐漸增加，在180 MPa時(shí)達(dá)到最大值。隨著粒級(jí)的變化，維持R50趨于穩(wěn)定的壓力逐漸降低，即粒級(jí)越小改變R50增加速度所需的壓力越大。隨加載壓力的增加，R80趨于穩(wěn)定。

綜上，隨著加載壓力的增加，比能耗增加，兩者具有較好的線性關(guān)系。結(jié)合破碎比分析可知，當(dāng)加載壓力在80～120 MPa 時(shí)，礦物顆粒已經(jīng)基本完成破碎，此時(shí)隨著施載壓力的增加，會(huì)形成能量過(guò)飽和，進(jìn)一步加大能耗輸入所產(chǎn)生的破碎效果十分有限。

隨加載壓力的增加，破碎比增加，在壓力增加到一定程度后破碎比增加速度降低或趨于平穩(wěn)，不再增加，兩者具有一定的線性關(guān)系，但變化趨勢(shì)主要受礦石粒級(jí)和類型影響。

R50、R80都可在一定程度上反映試驗(yàn)前后物料粒度的變化情況，給料粒級(jí)對(duì)R50的變化情況影響更大，當(dāng)給料粒級(jí)較窄時(shí)，R50的數(shù)值變化較小，當(dāng)給料粒級(jí)較寬時(shí)，R50數(shù)值變化較大；與之相比，給料粒級(jí)對(duì)R80的影響相對(duì)較小，在不同施載壓力條件下的變化趨勢(shì)較為穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

活塞壓載試驗(yàn)中，隨著加載壓力的增加，礦物所吸收的比能耗增加，兩者具有較好的線性關(guān)系；隨加載壓力的增加，物料破碎比增加，在壓力增加到一定程度后破碎比增加速度降低或趨于平穩(wěn)。隨著給料粒度的變化，同等壓力條件下，粉碎物料所需的比能耗逐漸降低，破碎比逐漸降低，R50的變化趨勢(shì)較小，給料粒度對(duì)R50的影響大于R50。不同種類礦石在同等施載壓力條件下破碎效果不同，即在同等施載壓力時(shí)，金礦石產(chǎn)品細(xì)度的增加幅度大于磁鐵礦和釩鈦磁鐵礦。

該試驗(yàn)結(jié)果為高壓輥磨機(jī)的工業(yè)參數(shù)選型提供了實(shí)驗(yàn)室研究基礎(chǔ)，為進(jìn)一步建立預(yù)測(cè)高壓輥磨機(jī)單位功耗及產(chǎn)品粒度的計(jì)算模型奠定了基礎(chǔ)，對(duì)高壓輥磨機(jī)的推廣應(yīng)用及選型研究具有重要理論意義。