高壓輥磨機(jī)在某鐵礦干式制粉中的應(yīng)用試驗(yàn)

仝麗娟

1洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

2礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

某 鐵礦選燒廠的生產(chǎn)原料主要為鏡鐵山的鏡鐵礦，鏡鐵礦嵌布粒度細(xì)，其中褐鐵礦和菱鐵礦成分較高，可選性較差。采用傳統(tǒng)的選別工藝得到的鐵精粉品位低 (TFe 45%～ 48%)，回收率僅為 65% 左右，尾礦硅含量達(dá)到 11% 以上，造成了極大的資源浪費(fèi)。該選燒廠于 2017 年 8 月建成了一條粉礦 (-15 mm) 懸浮磁化焙燒 — 磁選生產(chǎn)線，與塊礦 (+15 mm)豎爐磁化焙燒 — 磁選 — 反浮選工藝生產(chǎn)線，共同形成了目前年處理量為 165 萬(wàn) t 的難選鐵礦石生產(chǎn)系統(tǒng)[1]。該懸浮磁化焙燒 — 磁選生產(chǎn)線是目前國(guó)內(nèi)第一條懸浮磁化焙燒生產(chǎn)線，建成后經(jīng)過(guò)數(shù)年的生產(chǎn)調(diào)試，目前已穩(wěn)定運(yùn)行，可達(dá)到鐵精礦品位 60% 以上、回收率約為 79% 的選別指標(biāo)，大大提高了選燒廠的經(jīng)濟(jì)效益[2]。

其中的粉礦生產(chǎn)線，破碎機(jī)破碎的 -15.0 mm 產(chǎn)品經(jīng)濕法球磨機(jī)磨礦后，得到 -0.075 mm 40%～ 50%的原礦礦漿，再經(jīng) 5 臺(tái) PYNTK-120A 型盤(pán)式加壓過(guò)濾機(jī)處理后，進(jìn)入懸浮磁化焙燒爐。由于磁化焙燒爐對(duì)入料含水率要求較高 (要求低于 11%)，這就對(duì)過(guò)濾作業(yè)提出了更高的要求。而實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于球磨機(jī)礦漿產(chǎn)品粒度粗、含泥量大等問(wèn)題[3]，使得過(guò)濾機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，過(guò)濾作業(yè)產(chǎn)生的濾餅常常有含水率高、厚度不均勻等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了后續(xù)的磁化焙燒作業(yè)，因此擬考慮采用一種干式制粉工藝來(lái)解決此問(wèn)題。

高壓輥磨機(jī)作為一種干式輥磨設(shè)備，近年來(lái)已被廣泛應(yīng)用于水泥、化工、金屬及非金屬等領(lǐng)域，其采用層壓破碎原理，具有高效、低能的輥磨特性[4]。相比于傳統(tǒng)的細(xì)碎設(shè)備，高壓輥磨產(chǎn)品具有細(xì)粉含量高、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，尤其在水泥生料生產(chǎn)領(lǐng)域，高壓輥磨機(jī)終粉磨工藝已經(jīng)得到了成熟的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于水泥行業(yè)[5]。新疆哈密的中天鐵礦[6]目前已經(jīng)采用了破碎 — 高壓輥磨 — 風(fēng)力分級(jí) — 磁選的干磨干選工藝，高壓輥磨機(jī)與風(fēng)力分級(jí)機(jī)形成回路，可得到-0.074 mm 含量約為 78% 的細(xì)粒產(chǎn)品。

因此，筆者研究采用高壓輥磨機(jī)作為該選燒廠干式制粉設(shè)備的可行性，擬對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝改造如下：將現(xiàn)有的塊礦和粉礦 2 條生產(chǎn)線合二為一，鐵礦石原料經(jīng)過(guò)破碎回路破碎至 -15.0 mm，再進(jìn)入高壓輥磨機(jī)輥磨，輥磨產(chǎn)品采用干式風(fēng)力分級(jí)，得到 -0.075 mm含量大約為 50% 的干粉，然后進(jìn)入磁化焙燒系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)處理。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)樣品

本次試驗(yàn)采用的是鏡鐵山鐵礦石原礦，其多元素分析結(jié)果如表 1 所列。

表1 鏡鐵山鐵礦石多元素分析結(jié)果Tab.1 Multi-element analysis results of Jingtieshan iron ore %

該鐵礦石的化學(xué)多元素分析結(jié)果顯示，鐵礦石全鐵品位為 31.10%，其中磁性鐵含量為 11.30%，主要的脈石礦物 SiO2含量為 24.98%。

取適量樣品，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室顎式破碎機(jī)分別破碎至-26.5 和 -15.0 mm，研究這 2 種入料作為高壓輥磨機(jī)試驗(yàn)入料不同的破碎效果。2 種入料樣品粒度篩分分析結(jié)果如圖 1 所示。

圖1 高壓輥磨機(jī)試驗(yàn)入料粒度分析結(jié)果Fig. 1 Analysis results of granularity of feed for HPGR test

分析圖 1 可知，2 種入料樣品的粒度分布在雙對(duì)數(shù)曲線中均近似呈直線形。相對(duì)于 -26.5 mm 樣品，-15.0 mm 樣品的粒度更細(xì)，細(xì)粒級(jí)含量更高。-26.5 mm 樣品中 -0.425 mm 含量為 12.87%，-0.075 mm 含量為 7.72%；-15.0 mm 樣品中 -0.425 mm 含量為 16.37%，-0.075 mm 含量為 9.68%，二者分別相差27.2% 和 25.4%。

1.2 開(kāi)路試驗(yàn)結(jié)果分析

本次高壓輥磨試驗(yàn)是在一臺(tái)φ240-100 mm 實(shí)驗(yàn)室高壓輥磨試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。首先進(jìn)行開(kāi)路輥磨試驗(yàn)，擠壓輥線速度為 0.46 m/s，分析不同入料粒度(-26.5、-15.0 mm) 在不同的擠壓輥比壓力 (2.70、4.05和 5.40 N/mm2) 下的破碎試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)后取產(chǎn)品的中心料和邊緣料 (中心料與邊緣料比例為 6∶4) 進(jìn)行粒度篩分分析，同時(shí)利用扭矩傳感裝置檢測(cè)試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)矩，計(jì)算輥磨試驗(yàn)凈比功耗及高壓輥磨試驗(yàn)機(jī)的單位通過(guò)量。

2 種粒度樣品在不同擠壓輥比壓力下的凈比功耗試驗(yàn)結(jié)果如圖 2 所示。分析可知，隨著擠壓輥比壓力的提高，凈比功耗也隨之上升。-26.5 mm 樣品的凈比功耗由 0.98 kW·h/t 提高至 1.81 kW·h/t，提高85%；-15.0 mm 樣品的凈比功耗由 0.66 kW·h/t 提高至 1.54 kW·h/t，提高 133%；-15.0 mm 樣品的輥磨凈比功耗相對(duì)更低，隨著擠壓輥比壓力的提高，兩者差異由 32% 變化至 15%。

圖2 擠壓輥比壓力與凈比功耗變化關(guān)系Fig. 2 Variation relationship between specific pressure of squeezing roller and net specific power consumption

2 種粒度樣品在不同擠壓輥比壓力下的單位通過(guò)量試驗(yàn)結(jié)果如圖 3 所示。分析可知，隨著擠壓輥比壓力的提高，輥磨單位通過(guò)量隨之降低。-26.5 mm 樣品的單位通過(guò)量由 382 t·s/(h·m3) 降低至 361 t·s/(h·m3)，降低 5.6%；-15.0 mm 樣品的單位通過(guò)量由 435 t·s/(h·m3) 降低至 396 t·s/(h·m3)，降低9%；-15.0 mm 樣品的單位通過(guò)量相對(duì)更高，兩者差異由 14% 變化至 10%。

圖3 擠壓輥比壓力與單位通過(guò)量變化關(guān)系Fig. 3 Variation relationship between specific pressure of squeezing roller and specific throughput

2 種粒度樣品在不同擠壓輥比壓力下輥磨產(chǎn)品粒度變化結(jié)果如圖 4 所示。分析可知，隨著擠壓輥比壓力的提高，產(chǎn)品中心料中 -0.075 mm 含量隨之增多。-26.5 mm 樣品的輥磨產(chǎn)品中心料 -0.075 mm 含量由18.31% 提高至 25.91%，增加 41.5%；-15.0 mm 樣品的輥磨產(chǎn)品中心料 -0.075 mm 含量由 18.83% 提高至26.01%，增加 38.1%；-15.0 mm 樣品輥磨產(chǎn)品中心料粒度相對(duì)略細(xì)，隨著擠壓輥比壓力的提高，兩者差異由 2.8% 變化至 0.4%。

圖4 擠壓輥比壓力與輥磨產(chǎn)品粒度 (-0.075 mm 含量) 變化關(guān)系Fig. 4 Variation relationship between specific pressure of squeezing roller and granularity (-0.075 mm content) of HPGR product

1.3 開(kāi)路輥磨產(chǎn)品粒度分布

-26.5 和 -15.0 mm 樣品經(jīng)過(guò)高壓輥磨試驗(yàn)后，分別進(jìn)行不同比壓力下輥磨產(chǎn)品中心料和邊緣料粒度篩分分析，結(jié)果分別如圖 5、6 所示。分析可知：中心料粒度分布較細(xì)，細(xì)粒級(jí)含量多；-26.5 和 -15.0 mm入料的輥磨產(chǎn)品粒度分布差異很小。其中 -15.0 mm入料在擠壓輥比壓力為 4.05 N/mm2、擠壓輥線速度為0.46 m/s 的條件下，輥磨產(chǎn)品中心料中 -0.425 mm 含量為 40.84%，-0.075 mm 含量為 24.09%，相比于相同條件下的 -26.5 mm 輥磨產(chǎn)品中心料，其粒度稍細(xì)。

圖5 -26.5 mm 樣品高壓輥磨試驗(yàn)產(chǎn)品粒度分布Fig. 5 Granularity distribution of HPGR test product of -26.5 mm sample

圖6 -15 mm 樣品高壓輥磨試驗(yàn)產(chǎn)品粒度分布Fig. 6 Granularity distribution of HPGR test product of -15 mm sample

根據(jù)開(kāi)路輥磨產(chǎn)品粒度分布情況，確定采用0.425 mm 的閉路篩，可以使閉路輥磨產(chǎn)品粒度達(dá)到 -0.075 mm 含量大約為 50%。后續(xù)利用 0.425 mm方孔篩進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室高壓輥磨閉路試驗(yàn)。

1.4 閉路試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)開(kāi)路試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行 0.425 mm 方孔篩閉路輥磨試驗(yàn)，以驗(yàn)證高壓輥磨機(jī)干式制粉產(chǎn)品能否達(dá)到工藝要求。

按照?qǐng)D 7 所示的閉路試驗(yàn)流程進(jìn)行試驗(yàn)，取一定量的 -15 mm 樣品，在擠壓輥比壓力為 4.05 N/mm2、擠壓輥線速度為 0.46 m/s 的條件下，進(jìn)行第一組輥磨試驗(yàn)。使用 0.425 mm 方孔篩對(duì)輥磨產(chǎn)品進(jìn)行篩分，篩除 -0.425 mm 產(chǎn)品，在篩上 +0.425 mm 的樣品中添加和篩下產(chǎn)品相同質(zhì)量新的料樣，在設(shè)定的輥磨試驗(yàn)條件下進(jìn)行第二次輥磨試驗(yàn)，依此類推，直至試驗(yàn)參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定，即每次返回的 +0.425 mm 產(chǎn)量幾乎一致時(shí)，結(jié)束閉路輥磨試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果是，閉路試驗(yàn) 5 次循環(huán)之后達(dá)到閉路穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 閉路輥磨試驗(yàn)工藝流程Fig. 7 Process flow of closed-circuit HPGR test

閉路輥磨試驗(yàn)結(jié)果如圖 8 所示。分析圖 8 可知，隨著閉路輥磨試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定，凈比功耗穩(wěn)定在 0.95 kW·h/t，單位通過(guò)量穩(wěn)定在 400 t·s/(h·m-3)，閉路試驗(yàn)循環(huán)負(fù)荷穩(wěn)定在 360%，試驗(yàn)產(chǎn)品中心料粒度-0.075 mm 含量穩(wěn)定在 23.35%，-0.038 mm 含量穩(wěn)定在 18.18%。

圖8 閉路輥磨試驗(yàn)結(jié)果Fig. 8 Results of closed-circuit HPGR test

1.5 閉路輥磨產(chǎn)品粒度分布

閉路輥磨試驗(yàn)結(jié)束后，分別收集 -15.0 mm 樣品輥磨產(chǎn)品的中心料和邊緣料，進(jìn)行粒度篩分分析，結(jié)果如圖 9 所示。

圖9 閉路輥磨試驗(yàn)產(chǎn)品粒度分布Fig. 9 Granularity distribution of closed-circuit HPGR test product

分析圖 9 可知，閉路輥磨產(chǎn)品粒度分布相對(duì)于開(kāi)路輥磨產(chǎn)品略粗，其中 -0.425 mm 含量為 43.04%，-0.075 mm 含量為 23.35%。

閉路輥磨試驗(yàn)合格產(chǎn)品為閉路試驗(yàn)穩(wěn)定后閉路篩篩下產(chǎn)品，即第 5 組閉路輥磨試驗(yàn)產(chǎn)品經(jīng)過(guò) 0.425 mm方孔篩篩分后的產(chǎn)品 (-0.425 mm)，對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行粒度篩分分析，結(jié)果如圖 10 所示。可知閉路輥磨合格產(chǎn)品中 -0.075 mm 含量為 50.39%，-0.038 mm 含量為 40.03%。說(shuō)明該粒度達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)入磁化焙燒爐的細(xì)粉粒度要求，即 -0.075 mm 含量為 50.00%。

圖10 閉路輥磨試驗(yàn)合格產(chǎn)品粒度分布Fig. 10 Granularity distribution of qualified product from HPGR test

2 高壓輥磨機(jī)干式制粉工藝分析

目前在金屬礦山中，高壓輥磨機(jī)常作為細(xì)碎或者超細(xì)碎設(shè)備來(lái)使用，以取代三段破碎中的細(xì)碎，或者在三段破碎后作為超細(xì)碎設(shè)備使用。

高壓輥磨機(jī)終粉磨系統(tǒng)目前在水泥生料、鋼渣微粉和雙摻粉生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用[7]。本次試驗(yàn)采用 0.425 mm 方孔篩作為閉路試驗(yàn)篩，得到了較好的研究結(jié)果：合格產(chǎn)品粒度達(dá)到了現(xiàn)場(chǎng)工藝所要求的-0.075 mm 含量為 50.00%，并且高壓輥磨機(jī)的單位通過(guò)量達(dá)到 400 t·s/(h·m3)，比凈功耗為 0.95 kW·h/t，這為未來(lái)該鐵礦選燒廠選擇高壓輥磨干式制粉工藝提供了可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.1 高壓輥磨干式制粉工藝流程

參考水泥生料高壓輥磨機(jī)終粉磨生產(chǎn)流程[8]，高壓輥磨干式制粉工藝流程如圖 11 所示。將現(xiàn)有的塊礦和粉礦兩條生產(chǎn)線合二為一，鐵礦石原料經(jīng)過(guò)破碎回路破碎至 -15 mm 后，進(jìn)入高壓輥磨機(jī)輥磨，輥磨產(chǎn)品首先進(jìn)入一臺(tái) V 型選粉機(jī)分選，粗料輸送至高壓輥磨機(jī)上方的混合倉(cāng)，細(xì)料隨氣流進(jìn)入高效動(dòng)態(tài)選粉機(jī)再次分選，分選產(chǎn)生的粗料返回至高壓輥磨機(jī)混合倉(cāng)繼續(xù)輥壓，細(xì)料收集后，作為干粉成品進(jìn)入磁化焙燒爐。

圖11 高壓輥磨干式制粉工藝流程Fig. 11 Process flow of dry pulverization with HPGR

2.2 優(yōu)點(diǎn)

(1) 高壓輥磨產(chǎn)品粒度分布均勻，超細(xì)粉含量較低，解決了球磨機(jī)濕法制粉產(chǎn)品粒度粗、含泥量大的問(wèn)題，對(duì)于磁化焙燒后的分選作業(yè)起到一定的改善作用。

(2) 高壓輥磨機(jī)干式制粉經(jīng)高效選粉機(jī)分選之后進(jìn)入磁化焙燒爐，解決了目前過(guò)濾作業(yè)運(yùn)行不穩(wěn)定、濾餅含水率高、厚度不均勻等現(xiàn)象，滿足了磁化焙燒爐入料含水率的要求。

(3) 將現(xiàn)有的粉礦 (-15 mm) 和塊礦 (+15 mm) 2 條生產(chǎn)線合二為一，所有原料經(jīng)過(guò)破碎回路破碎至 -15 mm 之后，進(jìn)入高壓輥磨機(jī)干式制粉工藝流程進(jìn)行輥壓和分選處理，工藝流程更加簡(jiǎn)化，便于管理和指標(biāo)控制。

(4) 由于球磨機(jī)屬于能耗利用率極低的磨礦設(shè)備，而采用高壓輥磨機(jī)干式粉磨系統(tǒng)降低了電耗，使生產(chǎn)成本大為降低。

(5) 采用高壓輥磨機(jī)干式制粉工藝，在較為干旱的西北地區(qū)，可以達(dá)到節(jié)約水資源的效果，有利于建設(shè)綠色礦山。

2.3 存在問(wèn)題

(1) 該鐵礦真密度為 3.22 g/cm3，相比于水泥生料和礦渣都較大，因此可能會(huì)降低風(fēng)選機(jī)的分選效率，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)選擇大風(fēng)量和高風(fēng)速分選機(jī)，分選效果更佳，否則會(huì)使成品粒度過(guò)細(xì)，影響生產(chǎn)效率。

(2) 原料含水率會(huì)對(duì)高壓輥磨干式制粉工藝系統(tǒng)產(chǎn)生影響，影響高壓輥磨機(jī)的輥壓效果和分選效果，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)需引入熱源對(duì)物料進(jìn)行烘干，這也是未來(lái)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

(3) 相較于濕法磨礦系統(tǒng)，干式制粉工藝會(huì)產(chǎn)生粉塵污染等問(wèn)題，因此生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)需要設(shè)置有效的除塵裝置。

3 結(jié)論

(1) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)室高壓輥磨試驗(yàn)研究結(jié)果表明，對(duì)于某鐵礦燒選廠，采用高壓輥磨機(jī)干式制粉工藝具有可行性。高壓輥磨機(jī)配合高效的選粉設(shè)備，可以有效解決選燒廠由于濕法磨礦引起的過(guò)濾作業(yè)不穩(wěn)定、產(chǎn)品含水率高、濾餅厚度不均勻等問(wèn)題；選粉機(jī)成品直接進(jìn)入磁化焙燒作業(yè)，既能有效滿足磁化焙燒爐入料含水率低于 11% 的要求，又能滿足其入料細(xì)度的要求；可發(fā)揮高壓輥磨機(jī)本身的高效節(jié)能優(yōu)勢(shì)，不僅可以有效降低生產(chǎn)能耗，節(jié)約生產(chǎn)成本，簡(jiǎn)化工藝流程，便于現(xiàn)場(chǎng)管理，還可以節(jié)約水資源，有利于建設(shè)綠色礦山。

(2) 高壓輥磨干式制粉工藝也有缺點(diǎn)，比如選粉機(jī)分選鐵礦石效率可能較低，造成分選產(chǎn)品粒度偏細(xì)；原礦水分對(duì)工藝流程產(chǎn)生影響，需要引入熱源對(duì)物料進(jìn)行烘干處理；生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有粉塵污染，需要有效除塵等等。

(3) 立式輥磨終粉磨系統(tǒng)在水泥行業(yè)同樣應(yīng)用廣泛，且相比于高壓輥磨終粉磨系統(tǒng)具有設(shè)備流程簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。但考慮到目前立式輥磨機(jī)在金屬礦山行業(yè)幾乎沒(méi)有應(yīng)用，而高壓輥磨機(jī)在金屬礦山行業(yè)尤其是鐵礦石生產(chǎn)中應(yīng)用較多，因此本文中僅考慮高壓輥磨機(jī)終粉磨系統(tǒng)的應(yīng)用。立式輥磨終粉磨工藝應(yīng)用于鐵礦石生產(chǎn)中，需要更多的理論試驗(yàn)研究和應(yīng)用實(shí)例，有待于業(yè)內(nèi)人士進(jìn)行相關(guān)的研究。