某鋰礦石高壓輥磨工藝試驗研究

向海春，楊紀昌，潘衛(wèi)寧，王亞珍，張 萌

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2智能礦山重型裝備全國重點實驗室 河南洛陽 471039

選礦廠碎磨作業(yè)能耗通常占到選廠總能耗的50%～ 70%，是選廠能耗的主要構成部分。因此，通過優(yōu)化碎磨工藝、改進碎磨設備來降低碎磨作業(yè)能耗一直是國內(nèi)外選礦行業(yè)關注的熱點。高壓輥磨機是 20 世紀 80 年代基于層壓粉碎理論開發(fā)的一種高效粉碎設備，具有處理量大、單位能耗低、產(chǎn)品穩(wěn)定等優(yōu)點，在水泥、建材等行業(yè)得到了很好的應用[1-3]。然而，受制于金屬礦石硬度較高，輥面易磨損失效，高壓輥磨機一直未在選礦領域得到很好的推廣。隨著近年來輥面結構的改進和合金材料的快速發(fā)展，輥面磨損過快的問題得到了很好地解決，高壓輥磨機開始成為選廠碎磨工藝創(chuàng)新的熱點[4]。如洛鉬集團選礦三公司在原有三段一閉路流程基礎上增加高壓輥磨閉路超細碎工藝流程，改造后鉬精礦品位和回收率分別提高 2.12%、1.55%，并且原礦生產(chǎn)成本降低 3.15 元/t[5]；赤峰柴礦公司應用高壓輥磨閉路篩分工藝處理金礦石，不僅提高了破碎生產(chǎn)能力，還優(yōu)化了磨礦效率、改善了選別指標，選礦總能耗降低了9.83%[6]；此外，國外相關報道[7-9]也證明高壓輥磨機能顯著降低碎磨作業(yè)能耗，并且輥壓后的產(chǎn)品具有較多的微裂紋，有利于后續(xù)作業(yè)的進行。

某鋰礦石采用重-浮聯(lián)合選礦工藝，原礦經(jīng)三段一閉路破碎后篩分，篩上物料進行重介選礦，篩下細泥與重選中礦合并后給入磨礦作業(yè)，磨礦產(chǎn)品作為浮選給料，進行浮選回收有用礦物。為降低整個碎磨流程能耗，擬在細碎后增設一段高壓輥磨閉路超細碎流程，將鋰礦石粉碎至 -6.0 mm，同時要求產(chǎn)品中 -0.5 mm 部分占比低。因此，筆者以該鋰礦石為研究對象，對其進行高壓輥磨工藝試驗，研究不同輥壓條件下高壓輥磨機對該礦石的粉碎效果，為碎磨工藝改造提供指導。

1 高壓輥磨工藝試驗

1.1 試驗設備

試驗設備主要有：PE125×150 顎式破碎機、100×60E 顎式破碎機、5E-DCA250×150 對輥破碎機、φ420 mm×100 mm 高壓輥磨試驗機、φ200 系列標準篩、SDB-200 標準振篩機、φ305 mm×305 mm BOND 球磨功指數(shù)試驗機。

1.2 試驗方法

1.2.1 試樣制備

高壓輥磨試驗給料：通過顎式破碎機將鋰礦石破碎至 -26.5 mm，混勻、縮分后作為高壓輥磨試驗礦樣。

BOND 功指數(shù)試驗給料：將鋰礦石用顎式破碎機、對輥破碎機破碎至 -3.35 mm，混勻、縮分后作為傳統(tǒng)破碎產(chǎn)品功指數(shù)試驗礦樣；另，利用對輥破碎機將高壓輥磨閉路試驗穩(wěn)定篩下產(chǎn)品破碎至 -3.35 mm，混勻、縮分后作為高壓輥磨產(chǎn)品功指數(shù)試驗礦樣。

1.2.2 高壓輥磨開路試驗

高壓輥磨開路試驗流程如圖1 所示，該試驗在φ420 mm×100 mm 高壓輥磨試驗機上進行，擠壓輥轉速固定為 21 r/min，試驗通過轉矩傳感器獲取運行轉矩來計算凈比功耗，試驗結束后對輥壓產(chǎn)品中心料和邊緣料 (中心料∶邊緣料＝6∶4) 分別進行粒度分析。

圖1 高壓輥磨開路試驗流程Fig.1 Open-circuit test flow of HPGR

1.2.3 高壓輥磨閉路試驗

根據(jù)高壓輥磨開路試驗結果選取適當輥壓條件進行閉路試驗，主要試驗流程如圖2 所示。閉路控制篩孔徑為 6 mm，當循環(huán)負荷達到穩(wěn)定時結束試驗，對輥壓產(chǎn)品中心料和邊緣料進行粒度分析。

圖2 高壓輥磨閉路試驗流程Fig.2 Closed-circuit test flow of HPGR

1.2.4 BOND 球磨功指數(shù)試驗

對傳統(tǒng)破碎產(chǎn)品和高壓輥磨產(chǎn)品分別進行 BOND球磨功指數(shù)測定，試驗過程根據(jù)標準 BOND 球磨功指數(shù)試驗流程進行，并按式 (1) 計算功指數(shù)的值[10-11]。

式中：Wib為 BOND 球磨功指數(shù)，kW·h/t；P1為試驗篩孔徑，μm；Gbp為磨礦平衡時每轉新生成小于試驗篩孔徑物料的質量，g/r；P80為產(chǎn)品中 80% 通過的粒度尺寸，μm；F80為給料中 80% 通過的粒度尺寸，μm。

2 試驗結果與分析

2.1 試樣成分

鋰礦石來樣含水率為 0.1%，礦石密度為 2.6 g/cm3，主要成分為含量 22% 的鋰輝石和 5% 的鋰白云母，伴有含量 28% 的石英、36% 的斜長石等脈石礦物。將來樣破碎至 -26.5 mm，其堆密度為 1.6 g/cm3，粒度篩析結果如表1 所列。從表1 可知，輥壓給料中-6.0 mm、-0.5 mm 含量分別為 20.0%、4.5%。

表1 高壓輥磨試驗給料粒度篩析結果Tab.1 Screening results of feed particle size in HPGR test

2.2 高壓輥磨開路試驗

2.2.1 給料含水率

固定高壓輥磨機輥面壓力為 4.1 N/mm2、輥子轉速為 21 r/min，調整輥壓給料含水率分別為 0.1%、2.0%、4.0%、6.0%。考察給料含水率對輥壓效果的影響，單位通過量、比功耗結果如表2 所列，輥壓產(chǎn)品粒度分布結果如圖3 所示，中心料 -6.0 mm、-0.5 mm 含量變化情況如圖4 所示。

表2 不同給料含水率下開路輥壓試驗結果Tab.2 Results of open-circuit rolling test under different feed moisture contents

圖3 不同給料含水率下開路輥壓產(chǎn)品粒度分布曲線Fig.3 Particle size distribution curves of open-circuit rolling products under different feed moisture contents

圖4 不同給料含水率下開路輥壓產(chǎn)品中心料 -6.0 mm 和-0.5 mm 含量Fig.4 Content of -6 mm and -0.5 mm in center material of opencircuit rolling products under different feed moisture contents

根據(jù)表2 可知，隨著給料含水率從 0.1% 升高到6.0%，比功耗從 2.6 kW·h/t 增加到 3.0 kW·h/t，單位通過量由 172 t·s/(h·m3) 減小至 161 t·s/(h·m3)。這是由于輥壓過程中水分吸收了部分能量，增加了高壓輥磨機能耗；含水率高的物料還會發(fā)生結團現(xiàn)象，降低排料速度，使得單位通過量下降[12]。根據(jù)圖3 可知，隨著給料含水率的升高，輥壓產(chǎn)品中心料和邊緣料粒度均發(fā)生了變化，但變化不顯著。另，從圖4 可看出，當給料含水率為 0.1%、2.0%、4.0% 時，中心料 -6.0 mm 含量分別為 90.5%、93.1%、92.9%，-0.5 mm 含量變化不大，分別為 40.2%、39.8%、39.7%，說明適度的給料含水率能讓輥壓產(chǎn)品粒度分布更集中；當給料含水率達到 6.0% 后，中心料 -6.0 mm、-0.5 mm 含量分別降低到 89.1%、37.3%，過高的水分惡化了輥壓效果，減少了細粒級物料的生成[13]。綜合考慮給料含水率對輥壓過程的影響，得出：產(chǎn)品粒度隨給料含水率變化波動較小，且低水分下單位通過量高、比功耗低，高水分下輥壓效果變差、產(chǎn)品不易打散，保持 0.1% 給料含水率進行輥壓較為適宜。

2.2.2 輥面壓力

在輥子轉速為 21 r/min、給料含水率為 0.1% 條件下，改變輥面壓力分別為 1.3、2.7、4.1、5.5 N/mm2，考察不同輥面壓力下的輥壓效果，結果如表3 所列，輥壓產(chǎn)品粒度篩析結果如圖5 所示，中心料 -6.0 mm、-0.5 mm 含量變化如圖6 所示。

表3 不同輥面壓力下開路輥壓試驗結果Tab.3 Results of open-circuit rolling test under different roller surface pressures

圖5 不同輥面壓力下開路輥壓產(chǎn)品粒度分布曲線Fig.5 Particle size distribution curves of open-circuit rolling products under different roller surface pressures

圖6 不同輥面壓力下開路輥壓產(chǎn)品中心料 -6.0 mm 和-0.5 mm 含量Fig.6 Content of -6 mm and -0.5 mm in center material of opencircuit rolling products under different roller surface pressures

由表3 可知，當輥面壓力為 1.3 N/mm2時，單位通過量最大，比功耗最低，分別為 200 t·s/(h·m3)、1.0 kW·h/t。隨著輥面壓力增大，單位通過量開始下降，比功耗急劇升高，在 5.5 N/mm2輥面壓力下分別為 168 t·s/(h·m3)、3.2 kW·h/t。從圖5 可知，輥面壓力對產(chǎn)品邊緣料的粒度影響較小，而對中心料的粒度影響十分明顯。從圖6 可知，輥面壓力為 1.3 N/mm2時，中心料 -6.0 mm、-0.5 mm 含量分別只有71.3%、21.4%；而當輥面壓力增大到 5.5 N/mm2時，中心料 -6.0 mm、-0.5 mm 含量分別達到了 95.0%、44.6%，較大的輥面壓力有利于細粒級物料的生成。另外，從圖6 還可看出，中心料細粒級含量的增加量隨輥面壓力增大呈現(xiàn)下降趨勢，造成該現(xiàn)象的主要原因是礦物顆粒的“尺寸效應”，即礦物顆粒的機械強度隨尺寸減小而顯著升高，粉碎難度增大[14-15]。

2.3 高壓輥磨閉路試驗

在開路試驗的基礎上進行高、低兩種輥面壓力(1.3、4.1 N/mm2) 的閉路輥壓試驗，輥壓條件為：輥面壓力 1.3 或 4.1 N/mm2、輥子轉速 21 r/min、給料含水率 0.1%、控制篩孔徑 6 mm，試驗結果如圖7 所示。

圖7 高壓輥磨閉路試驗結果Fig.7 Closed-circuit test results of HPGR

由圖7 可知，1.3 N/mm2和 4.1 N/mm2輥面壓力下的閉路輥壓試驗分別在第 4 次、第 5 次達到平衡，平衡時循環(huán)負荷分別穩(wěn)定在 65%、30%，此時單位通過量與比功耗分別為 195 t·s/(h·m3)、0.9 kW·h/t 和171 t·s/(h·m3)、2.2 kW·h/t。對比開路輥壓產(chǎn)品和閉路輥壓平衡后產(chǎn)品的粒度分布，結果如圖8 所示。由圖8 可知，相比于開路輥壓試驗，閉路輥壓平衡后產(chǎn)品粒度較粗，主要原因為篩上物料循環(huán)返回到給料中，會使給料細粒級含量變少，且該部分物料的機械強度相對較高[16]。為盡量使鋰礦石中有用成分在重選作業(yè)中被選出，并提前拋出粗粒的脈石礦物，避免其進入后續(xù)磨礦作業(yè)增加能耗，要求輥壓產(chǎn)品中 -0.5 mm 含量要低。因此，結合單位通過量和比功耗，采用輥面壓力為 1.3 N/mm2的低壓力、高循環(huán)負荷的閉路輥壓方式更合適，此時輥壓產(chǎn)品中心料 -6.0 mm、-0.5 mm 含量分別為 72.1%、21.2%。

圖8 開路輥壓與閉路輥壓平衡狀態(tài)下產(chǎn)品粒度分布曲線Fig.8 Product particle size distribution curves under balance state between open-circuit rolling and closed-circuit rolling

2.4 球磨功指數(shù)試驗

BOND 球磨功指數(shù)大小可以反映出礦石磨細的難易程度，通過對傳統(tǒng)破碎產(chǎn)品和高壓輥磨產(chǎn)品分別進行 BOND 球磨功指數(shù)測定，可探究高壓輥磨機粉碎方式對礦石可磨度的影響。試驗控制篩為 106 μm標準篩，試驗結果如表4 所列。由表4 可知，以 106μm 標準篩作為控制篩時，傳統(tǒng)破碎產(chǎn)品 BOND 球磨功指數(shù)為 20.2 kW·h/t，高壓輥磨產(chǎn)品相比傳統(tǒng)破碎產(chǎn)品功指數(shù)降低了 7.4%，為 18.7 kW·h/t，說明通過高壓輥磨粉碎得到的產(chǎn)品更易磨。

表4 BOND球磨功指數(shù)試驗結果Tab.4 Test results of BOND ball mill work index

2.5 高壓輥磨閉路工藝優(yōu)化

選廠原三段一閉路 (3C) 破碎工藝中粗碎設備為 1 臺 PE1200×1400 顎式破碎機，中碎設備為 1 臺CCS860 圓錐破碎機，細碎設備則為 2 臺 CCS870 圓錐破碎機，在此基礎上擬增設 1 臺 GM170-140 高壓輥磨機，形成了四段兩閉路 (3CH) 工藝流程，流程圖如圖9 所示。

圖9 高壓輥磨閉路工藝流程Fig.9 Closed-circuit process flow of HPGR

該工藝流程中主要設備型號及工藝參數(shù)如表5 所列。由表5 可知，原有破碎工藝中增設高壓輥磨后，粗碎和中碎無變動，細碎取消一臺圓錐破碎機，最終的破碎產(chǎn)品粒度P80可從 8.5 mm 減小到 4.5 mm，優(yōu)化了入磨粒度，實現(xiàn)了多碎少磨。雖然增設高壓輥磨增加了破碎能耗，但經(jīng)過高壓輥磨處理過的鋰礦石內(nèi)部會產(chǎn)生大量微裂紋，減小了磨礦難度，碎磨總噸功耗為 20.8 kW·h/t，較原工藝總噸功耗降低了 3.3 kW·h/t，而且微裂紋有助于礦物的單體解離，利于選別指標的提高[17]。

表5 設備型號及工藝參數(shù)Tab.5 Equipment models and process parameters

3 總結

(1) 某鋰礦石經(jīng)高壓輥磨粉碎后細粒級含量顯著增加，在 -26.5 mm 給料粒度、0.1% 給料含水率、1.3 N/mm2輥面壓力、21 r/min 輥子轉速條件下開路輥壓，產(chǎn)品中心料 -6.0 mm、-0.5 mm 含量達到 71.3%、21.4%，單位通過量、比功耗為 200 t·s/(h·m3)、1.0 kW·h/t；

(2) 閉路輥壓相比于開路輥壓，產(chǎn)品粒度稍有變粗，輥面壓力為 1.3 N/mm2時，能為后續(xù)作業(yè)提供更合適的物料，此時的循環(huán)負荷穩(wěn)定在 65%，產(chǎn)品中心料 -6.0 mm、-0.5 mm 含量分別為 72.1%、21.2%，單位通過量和比功耗分別為 195 t·s/(h·m3)、0.9 kW·h/t；

(3) 增設高壓輥磨閉路超細碎工藝流程，可優(yōu)化入磨粒度，改善鋰礦石可磨性，降低后續(xù)磨礦作業(yè)的能耗，提高選別指標。