不同施载压力下物料颗粒床压载试验_崔少文.pdf

收稿日期2019-09-25 基金项目辽宁省教育厅科学研究项目 （编号 2017LNQN21） ， 辽宁科技大学院士专家工作站开放课题 （编号 USTLYSG201802） 。 作者简介崔少文 （1995） ， 男， 硕士研究生。通讯作者郭小飞 （1985） ， 男， 副教授， 博士， 硕士生导师。 总第 525 期 2020 年第 3 期 金属矿山 METAL MINE 不同施载压力下物料颗粒床压载试验 崔少文郭小飞郗悦张洺睿 1 （辽宁科技大学矿业工程学院， 辽宁 鞍山 114051） 摘要高压辊磨机的粉碎产品具有微裂纹多、 细粒级含量高和单位破碎能耗低等优点， 但其应用选型需要 耗费大量矿石原料， 进行相应的半工业试验， 时间长、 成本高。针对该问题， 利用活塞缸体压载模具， 通过压力试验 机分别对金矿石、 磁铁矿石及钒钛磁铁 3种矿石进行颗粒床层间粉碎压载试验， 初步模拟矿石的料层粉碎过程。 结果表明 ① 同一矿物产品的负累计产率变化幅度与给料的粒级有关， 给料粒级越小， 产物负累计产率变化幅度 越小； 产品负累计曲线的变化趋势与矿石种类及加载压力有关， 施载压力对金矿产品负累计产率的影响明显； 当试 验矿样为磁铁矿、 钒钛磁铁矿时， 随施载压力的增加， 产品负累计产率逐渐增加， 施载压力越大， 负累计曲线斜率变 化越明显； ② 随着加载压力的增加， 比能耗增加； 随着加载压力的增加， 破碎比增加， 在压力增加到一定程度后， 破 碎比增加速度降低或趋于平稳， 变化趋势主要受矿石粒级和类型影响。③ 给料粒级较窄时， R50的数值变化较小， 当给料粒级较宽时， R50数值变化较大； 给料粒级对R80的影响相对较小， 在不同施载压力条件下的变化趋势较为稳 定。该试验结果为高压辊磨机的工业参数选型提供了实验室研究基础， 对高压辊磨机选型的进一步研究具有重要 意义。 关键词料层粉碎施载压力比能耗破碎比 中图分类号TD951文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -03-114-06 DOI10.19614/ki.jsks.202003017 Comminution Tests of Particle Bed with Different Loading Pressure Cui ShaowenGuo XiaofeiXi YueZhang Mingrui2 （School of Mining Engineering， University of Science and Technology Liaoning， Anshan 114051， China） AbstractThe advantage of the crushing products by high-pressure roller mill are high content of microcracks and fine grains， low energy consumption per unit crushing. However，the application and selection of high-pressure roller mill need to consume a lot of ore raw materials and carry out corresponding semi-industrial tests，which takes a long time and high cost. In order to solve this problem，particle-bed comminution tests of gold ore，magnetite ore and vanadium-titanium magnetite were carried out by using the ballast mold of piston cylinder body with the pressure testing machine. The results showed that ① The range of the negative cumulative yield variation of the same mineral product is related to the grain size of the feeding， and the smaller the grain size of the feeding is， the smaller the change range of negative cumulative yield of the product is； The change trend of negative accumulation curve is related to ore type and loading pressure and the effect of loading pressure on gold ore is apparent. When the samples are magnetite and vanadium-titanium magnetite，the negative cumulative yield of the products increases gradually with the increase of the loading pressure. The higher the loading pressure is，the more obvi- ous the slope change of the negative cumulative curve is. ② The specific energy consumption increases with the increase of loading pressure. The crushing ratio increases with the increase of the loading pressure. The increasing speed of the crushing ratio decreases or tends to be stable when the pressure increases to a certain extent，which is mainly affected by the particle size and ore type. ③ The R50value changes less with the narrow feeding size and the R50value changes more with the wide feeding size. The effect of feeding size on R80value is relatively small，and the variation trend is stable under the different loading pressure. The experimental results provide a basis for laboratory research on the industrial parameter selection of high pressure roller mill and are of great significance for further research on the type selection of high pressure roller mill. KeywordsParticle-bed comminution， Loading pressure， Specific energy consumption， Reduction ratio Series No. 525 March 2020 114 ChaoXing 矿石粉碎后产品的细度主要由比能耗决定。一 般来说， 粉碎过程中粉碎加载模式越接近于单颗粒 加载粉碎， 其能量利用率越高 ［1］。Schenert在上世纪 基于料层粉碎理论研制了高压辊磨机， 其实施的是 准静压料层粉碎。当料层受力时， 矿石自身作为介 质传递压力， 受力增大到极限后， 颗粒破碎或变形， 具有选择性破碎效果， 其粉碎产品具有微裂纹多、 细 粒级含量高和单位破碎能耗低等特点 ［2-5］。目前， 高 压辊磨机的选型没有一套简便可靠的方法， 对于每 个独立的项目都需要从基础的原料矿石性质入手， 进行相应的半工业高压辊磨机试验， 找寻最优的设 备及流程配置， 此过程所需矿石原料量巨大， 耗时 长， 费用高， 阻碍了高压辊磨机在矿物加工领域的推 广应用 ［6-9］。实验室规模的颗粒床层间粉碎压载试验 是研制高压辊磨机粉碎理论基础的基本方法， 通过 颗粒床活塞压载试验， 能够初步模拟矿石的料层粉 碎过程 ［10-11］。本文通过对金矿石、 磁铁矿石及钒钛磁 铁矿3种矿石进行不同施载压力条件下的颗粒床活 塞压载试验， 来建立一种小规模的粉碎模型以预测 高压辊磨机工艺性能。 1试样、 设备及原理 1. 1试样及设备 本试验选取金矿石、 磁铁矿石及钒钛磁铁矿石 作为研究对象， 采用由长春材料试验机厂制造的YE- 200A液压式压力试验机进行活塞压载试验， 该液压 机最大可以提供 200 t的压力， 能够满足试验所需。 在颗粒床活塞压载试验过程中， 试验样品与缸体直 接接触的物料受力状态与单纯的颗粒床层间粉碎具 有一定的差异。为尽可能减小这种现象对试验最终 结果的影响， 在每次试验时， 保证所用物料满足一定 几何参数条件。Kalala等人研究发现， 颗粒床活塞压 载试验初始料层厚度应是最大给料粒度的 1.5 倍 ［12-14］， 不同种类矿石、 不同粒级物料所需的样品量 不同， 粒级越大， 密度越大， 所需的试验样品质量越 多。试验采用特制的硬质合金钢活塞式缸体压载模 具， 缸体内径为75 mm。所用矿石经实验室型颚式破 碎机破碎至设定粒度， 并通过筛分设备将每种矿石 制备出不同粒级试验物料样品， 用作颗粒床活塞压 载粉碎试验给料， 最大粒度为12 mm。 1. 2试验原理 在颗粒床活塞压载粉碎试验的整个过程中， 物 料的状态可根据施载状态的变化分为加载和卸载 两个阶段。处于加载阶段时， 随着压力的增加， 物 料颗粒所受到的应力增加， 在静载高压作用下矿物 颗粒被重新排列， 相互间的点接触逐渐变为面接 触， 料层愈加密实， 颗粒间的作用力和反作用力不 断增加， 当作用力超过物料颗粒所能承受的抗压强 度时， 颗粒开始碎裂， 直至加载压力达到最大设定 值为止； 当物料处于卸载阶段时， 物料颗粒间的相 互作用力随着加载压力的降低而衰减， 由于外部应 力的减小， 物料会发生一定的反弹膨胀。通过仪器 对整个试验过程中施载压力和位移数据进行记录， 可得施载压力-位移关系曲线。通过对该曲线进行 数值积分计算， 能够获得整个试验过程中破碎所消 耗的能量， 其值等于加载曲线f1 x与卸载曲线f2 x 所围成阴影部分的面积 ［14］， 见图1。计算公式为 S f1 x - f2 x，（1） ∫a b f x dx F b - F a ，（2） 式中 S为阴影部分面积， 大小等于破碎过程中所消 耗的总能量；f1 x、f2 x分别为试验过程中的加载曲 线、 卸载曲线。 在不同施载压力下， 对每种矿石的不同粒级物 料分别进行颗粒床活塞压载试验， 能够获得不同的 压载试验产品， 通过粒度筛析法对各压载产品进行 粒度检测， 数值积分法计算出每次粉碎过程中颗粒 床吸收的能量。本文主要通过比能耗， 破碎比Rx及 产品的负累计产率来衡量各因素对物料破碎效果的 影响。 比能耗Wi为单位质量物料所吸收的能量， 单位 为J/g， 计算公式为 Wi W G ，（3） 式中，W为试验过程中物料吸收的总能量， J； G为试 验用矿样质量， g。 破碎比Rx为给料中x通过的粒度Fx与产品中 x通过的粒度Px的比值， 计算公式为 Rx Fx Px .（4） 2020年第3期崔少文等 不同施载压力下物料颗粒床压载试验 115 ChaoXing 2试验结果及分析 2. 1活塞压载试验产品的粒度分布 负累计曲线能够在一定程度上反映出施载压 力与产品细度间的关系， 3 种矿石各粒级物料在不 同压载条件下的压载产物粒度负累计曲线见图 2～ 图4。 由图2 （a） 知， 对金矿而言， 随着压力增加， 细粒级 矿物负累计产率增高， 粗粒级矿物负累计产率逐渐减 小， 这种现象说明随着加载压力的增加压载产物中细 粒含量增多， 粗粒含量减少， 产物整体细度增加。由 图2 （b） 、 2 （c） 可知当加载压力超过80 MPa时， 随着压 力增加， 产物的负累计产率先快速增加， 受尺寸效应 影响矿物中的粗颗粒更易粉碎， 导致矿物产品中粗颗 粒含量占比较少， 负累计产率增加速度下降。 由图3可知， 对磁铁矿而言， 随着加载压力的增 加， 产品的负累计产率明显增加， 随着产物粒度的增 大， 负累计曲线趋势逐渐平缓， 负累计产率增加速度 逐渐降低， 且加载压力越大， 负累计产率增加速度降 低越快。加载压力为180 MPa时， 产品负累计产率增 加最快， 细粒级含量最多， 此时压载效果最好。 由图4可知， 对钒钛磁铁矿而言， 随着加载压力 的增加和给料粒度的增加， 产品的负累计产率增加 幅度不同， 但各产品负累计曲线趋势基本相同， 细粒 级产物负累计曲线趋势较陡， 负累计产率增加速度 较快， 粗粒级产物负累计曲线趋势逐渐平缓， 负累计 产率增加的速度缓慢降低。随着施载压力的增加， 金属矿山2020年第3期总第525期 116 ChaoXing 产物的负累计产率增加， 压力越大， 增加速度降低越 快， 说明随着加载压力的增加， 压载产物中细粒含量 增多， 粗粒含量减少， 产物整体细度增加。当加载压 力超过80 MPa时， 各压力下的产品负累计曲线基本 相同， 具有相似的增加幅度及趋势， 产物细度随施载 压力的增加幅度降低， 此时再继续增加施载压力所 提供的破碎效果十分有限， 即形成能量过饱和现象。 由图2～图4可知， 在试验条件范围内， 同一矿物 产品的负累计产率变化幅度与给料的粒级有关。给 料粒级越小， 产物负累计产率变化幅度越小， 曲线的 变化差异越小， 趋势越相近。 产品负累计曲线的变化趋势与矿石种类及加载 压力有关。当对金矿施载超过80 MPa压力时， 在小 于某一粒度时， 随施载压力的增加， 产品负累计产率 增加， 压力越大增加速度越快， 当超过该粒度后， 随 施载压力的增加产品负累计产率增加速度降低， 且 压力越大增加速度下降越快； 这一粒度主要受给矿 粒级影响， 给矿粒级越小， 该粒度越小， 给矿粒级增 大， 该粒度随之增大。施载压力对金矿产品负累计 产率的影响明显， 即对金矿物料细度的改变效果明 显。当试验矿样为磁铁矿、 钒钛磁铁矿时， 随施载压 力的增加， 产品负累计产率逐渐增加， 施载压力越 大， 增加速度越快， 负累计曲线斜率变化越明显。 2. 2加载压力与比能耗及破碎比的关系 图5至图7给出了3种矿石各粒级物料在颗粒床 活塞压载试验中的比能耗及R50、 R80随施载压力变化 的关系。 由图5可知， 在试验条件范围内， 比能耗随加载 压力的增加而增加， 加载压力小于120 MPa时比能耗 稳定增加， 超过120 MPa后增加速度剧增。由图5 （a） 可知， 随加载压力的增加R50和R80增加， 但增加幅度 很小， 主要是由于尺寸效应 ［15］导致试验前后矿物粒 度变化不明显。由图5 （b） 、 5 （c） 可知， 随施载压力的 增加， R50增加， R80缓慢增加。造成这种现象的主要原 因是在加载压力为80～120 MPa时， 破碎比变化幅度 很小， 物料破碎基本完成， 导致压力继续增加时， 比 能耗继续增加而物料细度不再有明显变化， 能量过 饱和。 由图6可知， 在试验条件范围内， 随着加载压力 的增加， 比能耗增加， 且增加速度逐渐加快， 趋势变 化明显， 在180 MPa时达到最大值； 随施载压力的增 加， R50小幅增加； 随加载压力的增加R80小幅增加， 大 于 80 MPa后增加速度加快， 在 180 MPa时达到最大 值。导致试验前后物料粒度变化不明显， 比能耗大 幅增加现象的主要原因是在加载压力为80 MPa时物 料已基本完成破碎， 加载压力继续增加时形成能量 过饱和。 2020年第3期崔少文等 不同施载压力下物料颗粒床压载试验 117 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ 综上， 随着加载压力的增加， 比能耗增加， 两者 具有较好的线性关系。结合破碎比分析可知， 当加 载压力在80～120 MPa时， 矿物颗粒已经基本完成破 碎， 此时随着施载压力的增加， 会形成能量过饱和， 进一步加大能耗输入所产生的破碎效果十分有限。 随加载压力的增加， 破碎比增加， 在压力增加到 一定程度后破碎比增加速度降低或趋于平稳， 不再 增加， 两者具有一定的线性关系， 但变化趋势主要受 矿石粒级和类型影响。 R50、 R80都可在一定程度上反映试验前后物料粒 度的变化情况， 给料粒级对R50的变化情况影响更大， 当给料粒级较窄时， R50的数值变化较小， 当给料粒级 较宽时， R50数值变化较大； 与之相比， 给料粒级对R80 的影响相对较小， 在不同施载压力条件下的变化趋 势较为稳定。 3结论 活塞压载试验中， 随着加载压力的增加， 矿物所 吸收的比能耗增加， 两者具有较好的线性关系； 随加 载压力的增加， 物料破碎比增加， 在压力增加到一定 程度后破碎比增加速度降低或趋于平稳。随着给料 粒度的变化， 同等压力条件下， 粉碎物料所需的比能 耗逐渐降低， 破碎比逐渐降低， R50的变化趋势较小， 给料粒度对R50的影响大于R50。不同种类矿石在同 等施载压力条件下破碎效果不同， 即在同等施载压 力时， 金矿石产品细度的增加幅度大于磁铁矿和钒 钛磁铁矿。 该试验结果为高压辊磨机的工业参数选型提 供了实验室研究基础， 为进一步建立预测高压辊磨 机单位功耗及产品粒度的计算模型奠定了基础， 对 高压辊磨机的推广应用及选型研究具有重要理论 意义。 参 考 文 献 Schenert K.粉碎 ［J］ .国外金属矿选矿， 1985 （1） 1-55. 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