遼寧鞍本地區(qū)某鐵礦廢石碎磨特性研究

張 昊 劉文寶 劉文剛 孫文瀚 佟柯霖 謝 峰

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819;2.東北大學(xué)冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

我國是鐵礦石開采及生產(chǎn)大國，長期以來鐵礦石產(chǎn)量穩(wěn)居世界第一[1]。我國的鐵礦資源具有“貧、細(xì)、雜”的特點(diǎn)，這使得鐵礦石開采過程中不可避免地產(chǎn)生了大量的鐵礦廢石[2-3]。以遼寧鞍本地區(qū)為例，每年約排放鐵礦廢石1.5億t以上，位列我國大型鐵礦資源基地首位[4]。這些廢石長期以來堆存在各大礦山的排土場(chǎng)，不僅造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，還易引發(fā)一系列的安全與環(huán)境問題[5-6]。因此，如何高質(zhì)量地解決礦山廢石堆存問題，對(duì)鐵礦廢石進(jìn)行精細(xì)化梯級(jí)利用必將成為我國礦山企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重中之重。

目前，已有不少專家學(xué)者與礦山企業(yè)對(duì)鐵礦廢石的綜合利用開展了一系列的探究與實(shí)踐，特別是利用鐵礦廢石制備砂石骨料，已成為研究熱點(diǎn)之一[7-13]。在我國河砂資源日益匱乏的大背景下，利用鐵礦廢石制備砂石骨料不僅能夠填補(bǔ)市場(chǎng)需求的空缺，還能最大程度地為我國礦山企業(yè)謀求更多的利潤。值得注意的是，隨著我國建材市場(chǎng)的不斷發(fā)展與革新，未來建筑材料行業(yè)將對(duì)砂石骨料品質(zhì)(如粒型、級(jí)配等)提出更高的要求，尤其是微細(xì)粒級(jí)的高性能骨料(如特種砂漿骨料等)將成為重要的發(fā)展方向[14]。因此，明確鐵礦廢石的碎磨特性，將砂石骨料制備工藝進(jìn)一步精細(xì)化就變得尤為重要。

本研究以遼寧鞍本地區(qū)的歪頭山鐵礦廢石為試驗(yàn)樣品，通過Bond球磨功指數(shù)試驗(yàn)及JK落重試驗(yàn)對(duì)該鐵礦廢石的碎磨特性展開研究，計(jì)算并分析鐵礦廢石球磨功指數(shù)Wib、沖擊粉碎系數(shù)A×b、磨蝕系數(shù)ta以及相對(duì)密度等參數(shù)，以期為后續(xù)該地區(qū)機(jī)制砂與各類砂漿生產(chǎn)中碎磨工藝的制定及設(shè)備選型提供重要參考，為解決遼寧鞍本地區(qū)廢石堆存問題提供新的思路。

1 試 樣

1.1 化成成分及礦物組成

本試驗(yàn)所用鐵礦廢石取自遼寧鞍本地區(qū)歪頭山某鐵礦廢石場(chǎng)，經(jīng)破碎、研磨，充分混勻后進(jìn)行化學(xué)成分及XRD分析，結(jié)果分別見表1、圖1。

表1 試樣化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Analysis results of the chemical composition of the samples %

圖1 試樣XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of the samples

由表1和圖1可知，試樣中Fe2O3僅為2.85%，SiO2占比高達(dá)73.53%，滿足制備建筑材料的基本條件;試樣主要礦物成分為石英、鈉長石、白云母等。

1.2 試驗(yàn)礦樣的制備

試樣經(jīng)PEX-250 mm×400 mm型顎式破碎機(jī)破碎至-63mm，取一定質(zhì)量-63mm的廢石顆粒進(jìn)行縮分取樣，采用 PE 60 mm×100 mm顎式破碎機(jī)及φ400 mm×250 mm型對(duì)輥破碎機(jī)，經(jīng)兩段一閉路(圖2)破碎至-3.2 mm，作為Bond球磨功指數(shù)試驗(yàn)的樣品儲(chǔ)存?zhèn)溆?隨機(jī)選取粒度為53～45 mm與45～37.5 mm的廢石顆粒各1.5 kg作為磨蝕粉碎試驗(yàn)的樣品;隨機(jī)選取45塊粒度為63～53 mm的廢石顆粒、45塊粒度為45～37.5 mm的廢石顆粒、90塊粒度為31.5～26.5 mm的廢石顆粒、90塊粒度為22.4～19 mm的廢石顆粒以及90塊粒度為16～13.2 mm的廢石顆粒作為沖擊粉碎試驗(yàn)的樣品;隨機(jī)選取30塊粒度為31.5～26.5 mm的廢石顆粒進(jìn)行相對(duì)密度的測(cè)定。

圖2 Bond球磨功指數(shù)試驗(yàn)樣品制備流程Fig.2 Sample preparation process of Bond ball milling work index test

2 試驗(yàn)方法

2.1 Bond球磨功指數(shù)試驗(yàn)

試驗(yàn)具體步驟如下:①使用套篩及振篩機(jī)對(duì)原礦樣進(jìn)行篩分，繪制原礦樣粒度特性曲線，據(jù)此分析原礦樣累計(jì)透篩率為80%時(shí)對(duì)應(yīng)的篩孔尺寸F80;②將原礦樣縮分后送入球磨機(jī)，磨至設(shè)定轉(zhuǎn)數(shù)后使用篩子(篩孔尺寸為0.15 mm，記為P1)進(jìn)行篩分，計(jì)算出每轉(zhuǎn)凈生成-0.15 mm產(chǎn)品的質(zhì)量Gbp，根據(jù)公式求出下一周期的磨礦轉(zhuǎn)數(shù);③稱量與上一步驟篩下產(chǎn)物相同質(zhì)量的原礦樣，與篩上產(chǎn)物混合后送入球磨機(jī)，按照前一步驟所求得的轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)行磨礦并篩分;④當(dāng)最后3次單轉(zhuǎn)凈生成-0.15 mm產(chǎn)品質(zhì)量Gbp的最大值與最小值之差小于這3次平均值的3%且磨機(jī)循環(huán)負(fù)荷穩(wěn)定在250%±5%時(shí)，認(rèn)為磨礦進(jìn)入平衡狀態(tài)，停止磨礦;⑤將最后一周期的篩上、篩下產(chǎn)物混勻后篩分，根據(jù)粒度特性曲線獲得磨礦產(chǎn)品達(dá)到80%透篩率時(shí)對(duì)應(yīng)的粒度大小P80;⑥根據(jù)參考文獻(xiàn)[15]計(jì)算Bond球磨功指數(shù)。

2.2 JK落重試驗(yàn)

試驗(yàn)具體步驟如下:①依次將粒級(jí)為63～53 mm、45～37.5 mm、31.5～26.5 mm、22.4～19 mm以及16～13.2 mm的廢石顆粒置于JK落重儀上，每個(gè)粒級(jí)的廢石顆粒以3個(gè)能量水平進(jìn)行沖擊粉碎，得到15個(gè)粒度-比能耗組合的粉碎產(chǎn)品;②分析并繪制15個(gè)粒度-比能耗組合產(chǎn)品的級(jí)配曲線，進(jìn)而求出每個(gè)產(chǎn)品的t10(定義為產(chǎn)品中小于原礦樣顆粒尺寸1/10的篩下產(chǎn)率);③將15個(gè)產(chǎn)品的t10與其各自所對(duì)應(yīng)的比破碎能按照文獻(xiàn)[16]所述進(jìn)行回歸擬合，確定回歸模型中的A和b的值，通過A×b的值來衡量物料抵抗沖擊粉碎的能力，A×b越大，則物料抵抗沖擊粉碎的能力越弱。

2.3 磨蝕粉碎試驗(yàn)

將粒度為53～45 mm與45～37.5 mm的廢石顆粒各1.5 kg置于磨機(jī)內(nèi)，設(shè)置磨機(jī)轉(zhuǎn)速為53 r/min，轉(zhuǎn)速率為70%，不添加任何磨礦介質(zhì)，開機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)10 min后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行篩析，根據(jù)篩析結(jié)果繪制級(jí)配曲線，從而確定磨蝕系數(shù)ta(t10值的1/10)。

2.4 相對(duì)密度測(cè)定試驗(yàn)

細(xì)繩兩端分別連接電子彈簧秤與廢石顆粒，根據(jù)流體靜力稱衡法分別測(cè)量出30塊粒度為31.5～26.5 mm鐵礦廢石顆粒在空氣中的質(zhì)量M與在水中的質(zhì)量m，據(jù)此計(jì)算出鐵礦廢石顆粒在水中的相對(duì)密度。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果的比對(duì)

將試驗(yàn)所得的沖擊粉碎系數(shù)A×b、磨蝕系數(shù)ta與下表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而對(duì)鐵礦廢石的抗沖擊粉碎能力與抗磨蝕粉碎能力進(jìn)行判定。

表2 落重試驗(yàn)參數(shù)與物料硬度關(guān)系Table 2 Relationship of material hardness with drop weight test parameters

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 Bond球磨功指數(shù)試驗(yàn)

原礦樣粒度特性曲線如圖3所示。

圖3 原礦樣粒度特性曲線Fig.3 Particle size characteristic curve of raw ore sample

由圖3可知，原礦樣F80為2 690μm。

功指數(shù)磨機(jī)給料的平均松散密度為1.514 g/cm3，已知磨機(jī)給料一般為700 cm3[17]，由此得到功指數(shù)磨機(jī)給料的質(zhì)量為1 060 g。稱取試驗(yàn)樣品1 060 g送入球磨機(jī)進(jìn)行Bond球磨功指數(shù)試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3 邦德球磨功指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results of Bond ball mill work index

由表3可知，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至第9次時(shí)，循環(huán)負(fù)荷及最后3次Gbp值滿足試驗(yàn)終止條件。因此，控制篩孔尺寸為0.15 mm的條件下，歪頭山鐵礦廢石的可磨度Gbp=2.124 g/r。

當(dāng)鐵礦廢石磨礦達(dá)到平衡時(shí)，取篩下產(chǎn)品進(jìn)行顆粒級(jí)配的分析，得到平衡產(chǎn)品粒度特性曲線，結(jié)果如圖4所示。

圖4 平衡產(chǎn)品粒度特性曲線Fig.4 Particle size characteristic curve of grinding balance production

由圖4可知，歪頭山鐵礦廢石磨礦平衡時(shí)，產(chǎn)品達(dá)80%透篩率對(duì)應(yīng)的粒度大小P80=130μm。

將P1、Gbp、P80和F80代入文獻(xiàn)[15]中 Bond 球磨功指數(shù)公式進(jìn)行計(jì)算，求出歪頭山鐵礦廢石的球磨功指數(shù)Wib=12.05 kW·h/t。

3.2 JK落重試驗(yàn)

在沖擊粉碎試驗(yàn)條件下，15個(gè)粒度-比能耗組合的粉碎產(chǎn)品粒度特性曲線如圖5所示。

圖5 落重試驗(yàn)產(chǎn)品粒度特性曲線Fig.5 Characteristic curves of particle size for production in drop weight test

根據(jù)15個(gè)粒度-比能耗組合的粒度特性曲線，可以得出15組不同比破碎能Ecs所對(duì)應(yīng)的t10，并根據(jù)文獻(xiàn)[16]所述進(jìn)行回歸擬合，所得到的t10-Ecs關(guān)系模型，結(jié)果如圖6所示。

圖6 沖擊粉碎試驗(yàn)的t10-E cs關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curve for t10-E CS in impact communiton test

將圖6數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合后，可得出礦石的沖擊粉碎模型為

由式(1)可知，A的值為71.25，b的值為0.52，則粉碎特性參數(shù)A×b的值為37.05，查表2可知歪頭山鐵礦廢石抗沖擊粉碎能力屬于硬范疇。

此外，顆粒粒度的不同也會(huì)影響廢石抗沖擊破碎能力的強(qiáng)弱，比破碎能分別為2.5、1.0、0.25 kWh/t條件下，t10隨顆粒粒度變化的趨勢(shì)如圖7所示。

圖7 抗沖擊破碎能力隨顆粒粒度變化趨勢(shì)Fig.7 Change trend of impact crushing ability with particle

由圖7可知，當(dāng)比破碎能為2.5、0.25 kWh/t時(shí)，t10隨顆粒粒度的增大而增大，顆粒的抗沖擊破碎能力輕微下降;當(dāng)比破碎能為1.0 kWh/t時(shí)，t10隨顆粒粒度的增大而略微減小，顆?？箾_擊破碎能力輕微上升。

3.3 磨蝕粉碎試驗(yàn)

磨蝕粉碎產(chǎn)品粒度特性曲線如圖8所示。

圖8 磨蝕粉碎試驗(yàn)產(chǎn)品粒度特性曲線Fig.8 Characteristic curves of particle size for abrasion product

由圖8可知，t10對(duì)應(yīng)的篩孔尺寸為1.67 mm，因此ta的值約為0.17，查表2可知歪頭山鐵礦廢石抗磨蝕能力屬于極硬范疇。

3.4 相對(duì)密度測(cè)定試驗(yàn)

相對(duì)密度頻率分布情況如圖9所示，其中最大值為3.67，最小值為2.64，平均值為3.06。

圖9 31.5～26.5 mm樣品密度頻次分布Fig.9 Density distribution frequency of 31.5～26.5mm samples

由圖9可知，歪頭山鐵礦廢石數(shù)據(jù)顯示出雙峰特性，這表明礦石中存在致密組分，可能在循環(huán)負(fù)荷中富集，從而引起功率問題，導(dǎo)致產(chǎn)量的損失。

4 設(shè)備能耗計(jì)算及工藝流程設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可將各項(xiàng)參數(shù)代入破碎機(jī)能耗模型(式(2))中，對(duì)廢石利用工藝中粗碎、中碎、細(xì)碎可能運(yùn)用到的破碎機(jī)功率進(jìn)行計(jì)算，為破碎機(jī)與制砂機(jī)的設(shè)備選型提供指導(dǎo)[18]:

式中:C1為閉(開)路修正系數(shù);C2為破碎機(jī)類型修正系數(shù);Wic為與礦石抗沖擊性能A×b相關(guān)的功指數(shù);P80、F80為產(chǎn)物、給料80%物料過篩的篩孔尺寸。

最終，確定如下圖10所示的鐵礦廢石利用工藝，當(dāng)前該工藝已正式生產(chǎn)運(yùn)營。

圖10 鐵礦廢石利用工藝流程Fig.10 Process flow chart of iron ore waste rock utilization

5 結(jié) 論

Bond球磨功指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果表明，歪頭山鐵礦廢石Bond球磨功指數(shù)Wib為12.05。JK落重試驗(yàn)結(jié)果表明，歪頭山鐵礦廢石沖擊粉碎模型為t10=71.25(1-e-0.52ECS)，其中沖擊粉碎參數(shù)A×b的值為37.05;磨蝕系數(shù)ta的值為0.17;相對(duì)密度為3.06。歪頭山鐵礦廢石抗沖擊粉碎能力為硬范疇，抗磨蝕粉碎能力屬于極硬范疇。結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果，最終確定了遼寧鞍本地區(qū)某鐵礦廢石的具體設(shè)備與利用工藝。