DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.01.002

高压辊磨操作参数对磁铁矿石球磨功指数的影响

侯英^{1, 2, 3}，徐亦元¹，杨洪英³，姚金⁴，吴中贤²，张旭²

(1. 中钢集团安徽天源科技股份有限公司，安徽 马鞍山，243004；

2. 辽宁科技大学 矿业工程学院，辽宁 鞍山，114051；

3. 东北大学 冶金学院，辽宁 沈阳，110004；

4. 东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳，110004)

摘要：对弓长岭磁铁矿石进行高压辊磨和颚式破碎，分析不同粉碎工艺对粉碎产品粒度特性的影响，测定不同粉碎方式在不同目标粒度下的 Bond 球磨功指数，研究颚式破碎和不同的高压辊磨机辊面压力对Bond球磨功指数的影响。研究结果表明：高压辊磨产品比颚式破碎产品细粒级质量分数高，高压辊磨辊面压力4.5 N/mm²和5.5 N/mm²产品的粒度分布更加均匀；在磨矿细度小于0.074 mm的质量分数为65%，高压辊磨产品在辊面压力为2.5，3.5，4.5，5.5和6.5 N/mm²下的Bond球磨功指数比颚式破碎产品分别降低11.36%，21.38%，15.62%，22.59%和27.49%，在磨矿细度小于0.074 mm的质量分数为40%，高压辊磨产品在辊面压力为2.5，3.5，4.5，5.5和6.5 N/mm²下的Bond球磨功指数比颚式破碎产品分别降低18.49%，27.61%，22.69%，30.37%和35.08%，Bond球磨功指数降低幅度分别降低7.13%，6.23%，7.07%，7.87%和7.59%；辊面压力为5.5和6.5 N/mm²的Bond球磨功指数降低幅度最大，粗磨节能效果更显著。

关键词：高压辊磨机；颚式破碎机；磁铁矿石；Bond球磨功指数；粒度特性

中图分类号：TD952        文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2018)01-0008-07

Influence of operating parameters of high pressure grinding rolls on bond work index of ball mill of magnetite ore

HOU Ying^{1, 2, 3}, XU Yiyuan¹, YANG Hongying³, YAO Jin⁴, WU Zhongxian², ZHANG Xu²

(1. Sinosteel Anhui Tianyuan Technologies Co. Ltd., Maanshan 243000, China;

2. School of Mining Engineering, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, China;

3. School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110004, China;

4. School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110004, China)

Abstract: Magnetite ore from Gongchangling was crushed by high pressure grinding rolls (HPGR) and jaw crusher (JC). The size characteristic of the products crushed by different crushing manners was analyzed, the Bond work indexes of ball mill by different crushing manners of different target particle sizes were measured, and the influence of Bond work indexes of ball mill of the products crushed by HPGR at different roll surface pressure and JC were studied. The results show that the fine fraction content of crushed products by HPGR is more than that produced by jaw crusher, and the particle size distribution of the product crushed by HPGR at the roll surface pressure of 4.5 and 5.5 N/mm² is more uniform. When mass fraction of grinding product smaller than 0.074 mm is 65%, Bond work index of ball mill of the products crushed by HPGR at roll surface pressure of 2.5, 3.5, 4.5, 5.5, and 6.5 N/mm² decreases, compared with that crushed by JC, respectively by 11.36%, 21.38%, 15.62%, 22.59%, and 27.49%. On the other hand, presence of 40% by weight instead of 65% of grinding product finer than 0.074 mm affected the decreasing value to be about 18.49%, 27.61%, 22.69%, 30.37%, and 35.08%, respectively. Reduction amplitudes of latter are lower than those of former by 7.13%, 6.23%, 7.07%, 7.87% and 7.59%, respectively. The biggest reduction amplitude is the product crushed by HPGR at the roll surface pressure of 5.5 and 6.5 N/mm². Furthermore, the energy saving of coarse grinding is significantly higher than that of finer grinding.

Key words: high pressure grinding rolls; jaw crusher; magnetite ore; Bond work index of ball mill; size characteristic

高压辊磨机是一种新型高效的粉碎设备，具有单位破碎能耗和钢耗低、处理能力大、设备作业率高、占地面积少等特点。高压辊磨机实施的是准静压料层粉碎，经高压辊磨机粉碎的产品，粒度小，分布均匀^[1-4]，矿物解离效果好^[5-8]。粉碎产品内部可产生大量微裂纹，能够有效降低Bond球磨功指数，节能效果明显^[9-10]，能耗降低30%~50%^[11]。功指数是指将理论上不限定的粒度破碎到80%可以通过100μm筛孔宽(或65%可以通过0.074 μm筛孔宽)时所需的功^[12]，它在一定程度上反映物料粉碎的难易程度，即可碎性和可磨性。袁致涛等^[10]对攀西钒钛磁铁矿进行了高压辊磨和颚式破碎，发现高压辊磨产品内部的晶内裂纹和解离裂纹比颚式破碎产品多，其Bond球磨功指数比颚式破碎产品低14.05%，节能效果显著。印万忠等^[13]针对邦铺钼铜矿石的高压辊磨产品进行了可磨性和浮选试验，高压辊磨产品Bond 球磨功指数至少降低9.05%，并且可以增大高压辊磨产品的磨矿细度。刘磊^[14]针对贫赤铁矿石的高压辊磨产品和颚式破碎产品进行了不同目标粒度下(0.28 mm和0.074 mm)的Bond球磨功指数试验，目标粒度越小，Bond球磨功指数降低的程度越低，分别降低了28.23%和13.96%；侯英等^[15-16]针对钼铜矿石的高压辊磨产品和颚式破碎产品开展了不同目标粒度下(0.45 mm、0.20 mm、0.105 mm和0.074 mm)的Bond球磨功指数试验，发现不同粉碎方式产品的磨矿细度修正系数不同，Bond球磨功指数随着磨矿细度的改变而改变，但针对不同高压辊磨操作参数下的产品没有进行研究，是否不同操作参数下的产品也会有相同的变化趋势没有开展研究。许多学者针对高压辊磨工艺可以降低产品的Bond球磨功指数进行了大量的试验研究和论述，但是针对不同的高压辊磨机操作参数对Bond球磨功指数的影响没有进行详细论述。本文作者针对弓长岭磁铁矿石在不同的辊面压力下进行高压辊磨和颚式破碎，分析产品的粒度分布特性，测定不同粉碎方式在不同目标粒度下的 Bond 球磨功指数，研究不同的高压辊磨机辊面压力和颚式破碎对粉碎能耗的影响。

1  试验

1.1  试验矿样

试验矿样为鞍钢集团弓长岭矿业公司选矿厂磁铁矿石中碎产品，应用颚式破碎机破碎到20 mm以下。

1.2  试验方法

对弓长岭磁铁矿石进行高压辊磨和颚式破碎试验，得到高压辊磨产品和颚式破碎产品。然后对高压辊磨产品和颚式破碎产品进行Bond球磨功指数试验。

高压辊磨试验选用CLM-25-10型高压辊磨机，压辊直径为250 mm，压辊宽度为100 mm，辊面压力为0~7 N/mm²，辊面速度为0~0.52 m/s，工作辊间距为4~7 mm。设置高压辊磨机的工作参数，高压辊辊面压力为2.5，3.5，4.5，5.5和6.5 N/mm²，高压辊磨机两辊之间的间距固定为3 mm，无压启动设备，将物料堆满料仓，加压后迅速打开下料口使物料落入两压辊之间，试验过程中记录电耗情况，试验完成后对粉碎产品进行打散，应用3.2 mm的筛子进行筛分，筛上产品返回高压辊磨机进行辊压，筛下产品混匀、缩分、取样。

颚式破碎试验的细碎选用武汉洛克粉磨设备制造有限公司生产的RK/PEF-60×100型颚式破碎机，进料粒度小于50 mm，出料粒度范围为0.1~15.1 mm。将物料给入颚式破碎机，应用3.2 mm的筛子进行筛分，筛上产品返回颚式破碎机，筛下产品混匀、缩分、取样。

高压辊磨产品和传统破碎产品Bond 球磨功指数试验采用武汉探矿机械厂的筒体直径×长度为305 mm× 305 mm磨矿功指数球磨机，有效容积为22 L，筒体转速为70 r/min，电机功率化为6 kW，内装有285个钢球、钢球总质量为20.125 kg。球径配比如下：直径36.5 mm，43个；直径30.2 mm，67个；直径25.4 mm，10个；直径19.2 mm，71个；直径15.9 mm，94个。

功指数测定过程是筛分作业与干式球磨作业相配合，在保持循环磨机给料量恒定(700 cm³)条件下进行实验室闭路磨矿。在闭路循环过程中，根据每个循环新生成的筛下产物量预估并调整下一个循环的磨机转数，直至循环负荷在250%条件下达到稳定状态。邦德将此稳定状态下磨机每转动1周所新生成的筛下产物量定义为物料的可磨度G(单位为g/r)，G越大，物料越容易被磨碎。

2  结果与讨论

2.1  粒度特性对比

对弓长岭磁铁矿石在辊面压力分别为2.5，3.5，4.5，5.5和6.5 N/mm²情况下的高压辊磨产品和颚式破碎产品进行粒度分析，筛分结果如表1所示。

高压辊磨机和颚式破碎机的粉碎产品粒度较细，运用罗辛-拉姆勒(Rosin-Rammler，R-R)分布对其粒度特性进行描述，R-R方程为^[17-18]

             (1)

式中：R为粒度大于x的正累计产率，%；x为颗粒直径或筛孔宽，mm；e^1/b为粒度特性分界粒度，mm；当x<1/b时，b越大，粒度分布越均匀；当x>>e^1/b时，n越大，粒度分布就越均匀；当0＜x＜1 mm时，n越小，粒度分布越均匀；在x=e^1/b附近时，b和n共同影响粒度的分布^[19]。

不同碎磨方式下产品粒度回归结果和产品粒度分布分别如表2和图1所示。

表1  不同粉碎方式下粉碎产品粒度分布

Table 1  Production size distribution in different crushing modes

由表2可知：高压辊磨产品和颚式破碎产品在小于粒度特性分界粒度(e^1/b)的质量分数占80%~90%，因此，b越大，粒度分布越均匀；同时，高压辊磨产品和颚式破碎产品在0＜x＜1 mm范围内的质量分数占70%左右，n越小，粒度分布越均匀；针对上述分析，粒度分布均匀程度由大到小顺序为：高压辊磨产品(5.5 N/mm²)或高压辊磨产品(4.5 N/mm²)，高压辊磨产品(6.5 N/mm²)，高压辊磨产品(2.5 N/mm²)，高压辊磨产品(3.5 N/mm²)或颚式破碎产品。

表2  不同碎磨方式下产品正累计曲线R-R方程回归结果

Table 2  Constants of R-R curve fitting of products size distribution in different crushing modes

图1  不同粉碎方式下粉碎产品粒度分布曲线

Fig. 1  Production size distribution curves in different crushing modes

由图1可以看出：高压辊磨产品(4.5 N/mm²)、高压辊磨产品(5.5 N/mm²)和高压辊磨产品(6.5 N/mm²)较高压辊磨产品(2.5 N/mm²)、高压辊磨产品(3.5 N/mm²)和颚式破碎产品的粒度小，细粒级质量分数更高，粒度分布更加均匀。综合分析表2和图1可知：高压辊磨产品(4.5 N/mm²)和高压辊磨产品(5.5 N/mm²)的粒度分布最均匀，磁铁矿石在辊面压力为4.5 N/mm²和5.5 N/mm²时进行高压辊磨机粉碎的效果最好。

2.2  Bond球磨功指数对比

对辊面压力为2.5，3.5，4.5，5.5和6.5 N/mm²情况下的高压辊磨机和颚式破碎机全闭路粉碎的小于3.2 mm磁铁矿石进行Bond球磨功指数试验(目标粒度分别为0.45，0.25，0.15和0.074 mm)。

高压辊磨产品和颚式破碎产品的Bond球磨功指数按照下式进行计算^[20]：

      (2)

式中：W_ib为Bond球磨功指数，kW·h/t；P₁为试验筛孔尺寸(即目标粒度)，μm；G_bp为磨矿平衡时球磨机单转新生成的试验筛孔以下粒级物料的质量，g/r；P₈₀为产品中80%物料通过时的粒度，μm；F₈₀为给料中80%物料通过时的粒度，μm。

Bond球磨功指数试验结果如表3所示。

表3  Bond球磨功指数试验结果

Table 3  Test result of Bond work index of ball mill

根据表3中的试验数据，Bond球磨功指数的计算结果如图2所示。

图2  高压辊磨和颚式破碎产品在不同目标粒度下的Bond球磨功指数

Fig. 2  Bond work index of ball mill under different screen sizes of product crushed by HPGR and JC

由图2可以看出：高压辊磨产品和颚式破碎产品的Bond球磨功指数在目标粒度为0.45~0.25 mm时变化比较平缓，在0.25~0.15 mm区间内缓慢增加，在0.15~0.074 mm区间内迅速增加。由此可以分析出，在粗磨情况下，节能效果明显。

建立不同粉碎方式产品的目标粒度与小于0.074 mm的磨矿质量分数之间的关系，结果如图3所示。

由表3可以分析要求达到的产品粒度下的目标粒度，然后根据图2中目标粒度与Bond球磨功指数之间的关系可以得出要求达到的产品粒度下的Bond球磨功指数。

考察磨矿细度为小于0.074 mm的磨矿质量分数占65%情况下的Bond球磨功指数，根据图3可以查出不同粉碎方式产品的目标粒度下，颚式破碎产品的目标粒度为117.52 μm，高压辊磨辊面压力2.5，3.5，4.5，5.5和6.5 N/mm²下产品的目标粒度分别为120.23，126.32，124.12，126.11和123.76 μm。根据图2可以查出上述目标粒度下的Bond球磨功指数，颚式破碎产品为13.698 kW·h/t，高压辊磨2.5，3.5，4.5，5.5和6.5 N/mm²产品分别为12.142，10.770，11.559，10.603和9.933 kW·h/t。高压辊磨产品在不同辊磨压力(2.5，3.5，4.5，5.5和6.5 N/mm²)下与颚式破碎产品相比，Bond球磨功指数降低的幅度如图4所示。

图3  Bond球磨功指数的目标粒度与产品中小于0.074 mm质量分数之间的关系

Fig. 3  Relationship between mass fraction with diameter less than 0.074 mm and different screen sizes of Bond work index of ball mill

考察磨矿细度为小于0.074 mm的磨矿质量分数占40%情况下的Bond球磨功指数，根据图3可以查出不同粉碎方式产品的目标粒度下，颚式破碎产品的目标粒度为167.27 μm，高压辊磨辊面压力下产品的目标粒度分别为176.41，200.31，190.92，215.03和194.63 μm。根据图2可以查出上述目标粒度下的Bond球磨功指数，颚式破碎产品为11.944 kW·h/t，高压辊磨2.5，3.5，4.5，5.5和6.5 N/mm²产品球磨功指数分别为9.735，8.646，9.234，8.317和7.754 kW·h/t。高压辊磨产品在不同辊磨压力(2.5，3.5，4.5，5.5和6.5 N/mm²)下与颚式破碎产品相比，Bond球磨功指数降低的幅度如图4所示。

由图4可以看出：细度小于0.074 mm的磨矿质量分数为65%时，高压辊磨产品在不同辊面压力(2.5，3.5，4.5，5.5和6.5 N/mm²)下的Bond球磨功指数与颚式破碎产品相比，降低的幅度分别为11.36%，21.38%，15.62%，22.59%和27.49%，Bond球磨功指数降低的幅度最大的高压辊磨机辊面压力为5.5和6.5 N/mm²。

细度小于0.074 mm的磨矿质量分数为40%时，高压辊磨产品在不同辊磨压力(2.5，3.5，4.5，5.5和6.5 N/mm²)下的Bond球磨功指数与颚式破碎产品相比，降低幅度分别为18.49%，27.61%，22.69%，30.37%和35.08%，Bond球磨功指数降低的幅度最大的高压辊磨机辊面压力为5.5和6.5 N/mm²。

图4  不同辊面压力下高压辊磨产品Bond球磨功指数比颚式破碎产品降低的幅度

Fig. 4  Reduction amplitude of Bond work index of ball mill of products crushed by HPGR at different roll surface pressures than that by jaw crusher

对比磨矿细度小于0.074 mm的磨矿质量分数分别为65%和40%情况下Bond球磨功指数降低的幅度，在辊面压力分别为2.5，3.5，4.5，5.5和6.5 N/mm²时，后者比前者分别降低7.13%，6.23%，7.07%，7.87%和7.59%。在辊面压力5.5和6.5 N/mm²情况下降低幅度最大，粗磨情况下节能效果显著。

3  结论

1) 与颚式破碎产品相比，高压辊磨产品(4.5和5.5 N/mm²)的粒度分布最均匀，磁铁矿石在辊面压力为4.5 N/mm²和5.5 N/mm²时进行高压辊磨机粉碎的效果最好。

2) 磨矿细度为小于0.074 mm的磨矿质量分数占65%情况下，高压辊磨产品在不同辊面压力(2.5，3.5，4.5，5.5和6.5 N/mm²)下的Bond球磨功指数比颚式破碎产品分别降低11.36%，21.38%，15.62%，22.59%和27.49%；磨矿细度为小于0.074 mm的磨矿质量分数占40%情况下，高压辊磨产品在不同辊面压力(2.5，3.5，4.5，5.5和6.5 N/mm²)下的Bond球磨功指数比颚式破碎产品分别降低18.49%，27.61%，22.69%，30.37%和35.08%；磨矿细度为小于0.074 mm的磨矿质量分数占40%比磨矿细度为小于0.074 mm的磨矿质量分数占65%情况下Bond球磨功指数降低的幅度分别降低7.13%，6.23%，7.07%，7.87%和7.59%。

3) 在磨矿细度为小于0.074 mm的磨矿质量分数占65%和40%情况下，Bond球磨功指数降低的幅度最大的高压辊磨机辊面压力为5.5和6.5 N/mm²。对比磨矿细度小于0.074 mm的磨矿质量分数占65%和40%，辊面压力为5.5和6.5 N/mm²情况下降低幅度最大，高压辊磨产品在粗磨情况下节能效果更显著。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2017-01-15；修回日期：2017-03-27

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51504053)；辽宁省教育厅项目(2016TSPY12)；鞍山市科技计划项目(110000144)；辽宁科技大学青年基金资助项目(2015QN13) (Project(51504053) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2016TSPY12) supported by the Education Department of Liaoning Province; Project(110000144) supported by the Science and Technology Department of Anshan City; Project(2015QN13) supported by University of Science and Technology Liaoning Province)

通信作者：侯英，博士(后)，副教授；从事难选矿物高效碎磨分选技术研究；E-mail: houying77@126.com