微波照射下层理矿石破碎的能耗与粒度研究.pdf

6 4 有色金属 选矿部分2 0 1 9 年第3 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n l 6 7 1 9 4 9 2 ．2 0 1 9 ．0 3 ．0 1 4 微波照射下层理矿石破碎的能耗与粒度研究 王晓东1 ，郝家旺2 1 ．河北省地矿局第四地质大队，河北承德0 6 7 0 0 0 ； 2 ．华北理工大学。河北唐山0 6 3 2 0 0 摘要在矿山的矿石破碎过程中，存在着能耗巨大的弊端，严重阻碍了企业的绿色发展。利用落锤冲击破碎试验，结 合微波加热技术，针对含层理面的矿石试件进行冲击破碎试验，并基于岩石剪切破坏角的c o u l o m b 准则，对未经微波照射与 经微波照射下，含不同层理倾角矿石的吸收能及碎屑块度分布情况进行了研究。研究表明，随着层理倾角的增大，矿石吸收 能呈先降低后增大的趋势，当倾角为9 0 。时，吸收能存在最小值；经微波加热处理后的矿石吸收能E w J L 低于未经微波处理的矿 石吸收能E J L ．且在1 0 。～2 0 。时．E Jr 。一E w J I J 值最大。随着层理倾角的增大，矿石破碎后的平均块度呈逐渐减小趋势，破碎程度 加重；经微波预处理后，矿石的平均块度显著降低，破碎程度最高；因冲击破碎后的碎屑尺寸影响，矿石的平均块度与分形维 数相关性较弱。研究成果对于矿石破碎中的能耗控制具有一定参考价值。 关键词冲击载荷；微波加热；吸收能；破碎程度 中图分类号T D 9 2 l ．2文献标志码A文章编号1 6 7 l9 4 9 2 2 0 1 9 0 3 一0 0 6 4 一0 5 S t u d yo nE n e r g yC o n s u m p t i o na n dP a r t i c l eS i z eo fB e d d i n go r e B r e a k i n gu n d e rM i c r o w a v eI r r a d i a t i o n W 厂A N GX i 以o d o 卵g2 ，H A oJi n 叫a 行g 2 j ．丁矗P4 ￡ G P o Z o g yB r i g n d Po 厂H P 6 P iP 九，u i 孢c gB “r P 以“o 厂g P o Z ，g y M i 行P r 以Z ， C 矗e n g d PH P 6 P i0 6 7 D 0 0 ，C i 门口； 2 ．N O r t hC h i n nU n i u e r s i t yo fS c i e n c en n dT e c h n o } o g y ，T n n gs h n nH e b e i0 6 3 2 0 0 ，C h t n a A b s t r a c t I nt h ep r o c e s so fo r ec r u s h i n gi nm i n e s ，t h e r ei sh u g ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，w h i c hh i n d e r s t h eg r e e nd e V e l o p m e n to fe n t e r p r i s e ss e r i o u s l y ． B yu s i n gd r o ph a m m e ri m p a c tc r u s h i n gt e s ta n dm i c r o w a v e h e a t i n gt e c h n 0 1 0 9 y ，t h ei m p a c tc r u s h i n gt e s to fi r o no r es p e c i m e n sw i t hs t r a t i f i e ds u r f a c ew e r ec a r r i e do u t ． B a s e do nt h ec o u l o m bc r i t e r i o no fr o c ks h e a rf a i l u r ea n g l e ，t h ea b s o r p t i o ne n e r g ya n df r a g m e n tl u m p i n e s s d i s t r i b u t i o no fo r ew i t hd i f f e r e n tb e d d i n gd i pa n 9 1 e sw e r es t u d i e dw i t h o u ta n du n d e rm i c r o w a v ei r r a d i a t i o n ． T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo r ea b s o r p t i o ne n e r g yd e c r e a s e sf i r s ta n dt h e ni n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f b e d d i n gd i pa n 9 1 e ． W h e nt h ed i pa n 9 1 ei s9 0 。，t h ea b s o r p t i o ne n e r g yh a sam i n i m u mv a l u e ．T h e a b s o r p t i o n e n e r g y E w J L o ft h eo r et r e a t e db ym i c r o w a v eh e a t i n gi s1 0 w e rt h a nt h a t o ft h eo r ew i t h o u tm i c r o w a v e t r e a t m e n t E I 。 ，a n dt h em a x i m u mv a l u eo f 局I ．一E w 儿i so b t a i n e da tl O 。～2 0 。．W i t ht h ei n c r e a s eo fb e d d i n g d i pa n g l e ，t h ea v e r a g ef r a g m e n t a t i o no fo r ed e c r e a s e sg r a d u a l l y ，a n dt h ed e g r e eo fo r eb r o k e ni n c r e a s e s ． A n da f t e rm i c r o w a V ep r e t r e a t m e n t ，t h ea v e r a g es i z eo f 。r ed e c r e a s e se v i d e n t l y ，a n dt h ed e g r e eo fb r o k e ni s t h eh i g h e s t ．B e c a u s eo ft h ei m p a c tc r u s h i n gf r a g m e n ts i z e ， t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ea v e r a g es i z ea n d f r a c t a ld i m e n s i o no fo r ei sw e a k ．T h er e s e a r c hr e s u l t sh a v ec e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ef o re n e r g yc o n s u m p t i o n c o n t r o li no r ec r u s h i n g ． K e yw O r d s i m p a c tj o a d ；m i c r o w a v eh e a t i n g ；a b s 。r p t i o ne n e r g y ；d e g r e eo fb r o k e n 近年来，国家逐步实行矿业企业的生态文明建 设，要求矿山企业进行矿业转型及绿色发展的新模 式。然而，我国是矿石消费大国，矿山企业在矿石的 利用过程中，无论是采矿或选矿破碎环节，均存在着 能耗巨大的现实问题2 | 。该问题的能否有效解决， 对于矿山企业实现可持续的绿色发展至关重要。目 基金项目河北省自然科学基金项目 E 2 0 15 2 0 9 17 6 收稿日期2 0 1 8l l2 5修回日期2 0 1 8 一】2 1 8 作者简介王晓东 1 9 8 9 一 ，男，河北景县人，工程师，主要从事地质找矿及岩石力学方向研究。E m a i l w a t e r g o 。n 1 6 3 ．c o m 。 万方数据 2 0 1 9 年第3 期 王晓东等微波照射下层理矿石破碎的能耗与粒度研究 6 5 前在矿石的破碎能耗研究中，主要体现在提高设备 效率、改变破碎环节的粒度分布、多碎少磨流程的优 化、对矿石进行微波照射处理等方面[ 2 。3 ] 。 然而，究其本质，矿石的破碎利用是通过冲击破 坏实现的。在冲击载荷下岩石破碎的研究中，蔡改 贫等H 3 利用双摆锤破碎技术，研究了不同冲击破碎 条件下钨矿石的破碎能耗及破碎碎屑的粒度分布情 况；王登科等口] 以分形维数表征岩石碎屑的破碎效 果，并指出随着冲击应变率的提高，岩石破碎碎屑的 分维值逐渐增大；平琦等[ 6 1 则利用S H P B 技术，以碎 块的平均块度表示其破碎程度，分析了不同冲击速 度下砂岩破碎效果与能耗分布的情况。同时，在岩 石冲击破碎研究中，微波加热技术也作为一种辅助 碎岩方法也得到了一定程度应用[ 7 。9 ] 。 上述研究，均对于无明显层理面的岩石材料进 行冲击破碎研究，然而受地质成矿的影响，矿石易含 明显的层理结构面，因层理面倾角的不同，矿石的破 碎规律存在差异。目前，对于含层理面岩石的冲击 破碎耗能研究仍不够充分。本文通过对经微波处理 与未经微波处理的含层理结构面矿石试件，进行落 锤冲击破碎试验，研究其破碎能耗及产物破碎程度 的变化规律。 1落锤冲击试验及原理 1 ．1 试验 本研究的试验设备D P 一1 2 0 0 型落锤冲击试验 机，其主要由冲击试验平台、电器柜和控制仪表等组 成，如图1 所示。 图1矿石落锤冲击试验系统 F i g ．1 r ed r o ph a m m e ri m p a c tt e s ts y s t e m 采自水厂铁矿含层理结构面的磁铁石英岩，利 用切石机、磨石机制成倾角为1 0 ～9 0 。的矿石试件若 干 如图2 所示 。使用R w I 。M 6 型微波高温马弗 炉，对不同倾角层理面的矿石进行功率为2k w 、时 间为5m i n 的微波照射处理，每种倾角选取3 块试 件 W J L 组 ；作为对照组，选取倾角为1 0 。～9 0 。的矿 石，每组3 块试件 J L 组 。随后进行落锤冲击破碎 试验。 图2 试验所需试件 F i g ．2S p e c i m e nr e q u i r e df o re x p e r i m e n t 1 ．2 能量及粒度的计算 锤头从设定高度自由落体下降，碰撞冲击矿石， 矿石上端部经强烈的机械碰撞扰动，形成应力波，应 力波经矿石试件，一部分用于矿石耗散外，其余能量 透射至落锤底座，由缓冲装置吸收。试验系统的初 始总能可记为w 。、，落锤底座的缓冲装置所吸收的 透射能可记为w ，．，因试验系统有防二次冲击装置 存在，锤头的反弹势能可不考虑。因此，剩余部分能 量可记为W 。，在落锤冲击试验中，剩余能量w 。主 要分为用于铁矿石断裂破坏的耗能W H 、矿石碎屑 的动能W K 等。 根据z h a n g 等 J j 基于岩石s H P B 冲击试验的 大量实测数据，指出用于岩石断裂破坏的耗能W H 在W ．中的占比高于8 5 ％，岩石碎屑的动能W 。在 W 。中的占比小于8 ％。由于S H P B 冲击试验中的 冲击速度、应变率一般高于落锤实验。因此，可以近 似认为用于铁矿石断裂破坏的耗能W H 吸收能 等 于剩余部分能量可记为w ㈠即为 W H W L 1 W L M g H W r 2 式中M 为落锤质量，本研究中均为5 0k g ；H 为冲击高，m ；落锤底座的缓冲装置所吸收的透射能 w ，可通过试验系统自带的数据采集装置获取。 试验结束后，利用孑L 径分别为o ．0 7 5 、o ．1 、o ．2 5 、 o ．5 、1 、2 、5 、1 0 、2 0 、4 0m m 的标准砂石筛及高频振筛 仪对铁矿石碎屑进行筛分试验，通过高精度电子天 平 精度为o ．0 1g 测出每组碎屑在每种粒度等级上 的质量。 大量研究表明，岩石的破碎过程具有分形性质， 万方数据 6 6 有色金属 选矿部分2 0 1 9 年第3 期 分形维数可以有效描述岩石块度的破碎效果，分形 维数的计算有[ 5 0 D 一3 6 3 6 一l g M 。／M ／1 9 e 4 式中M e 为等效直径小于e 的碎块累计质 量；M 是碎块总质量，6 为常数。 同时，平均块度是影响铁矿石破碎工序中能耗 的一个关键指标。因此本文选取平均块度d 。来表示 铁矿石的破碎程度[ 6 ] 护酱 5 式中d ，为不同孑L 径下的矿石块度尺寸；一为当 筛孔直径为d 时，对应的碎块质量百分比。 2 铁矿石能量吸收变化规律 2 ．1 未经微波加热处理的矿石吸收能 图3 为层理面倾角为1 0 ～9 0 。时，铁矿石试件的 吸收能变化情况。由图3 可知，当层理倾角由1 0 。逐 渐增大到6 0 。时，铁矿石吸收能由最大值1 8 8 ．3 7 J 逐 步减小到最小值9 6 ．7 4J ，降低近4 8 ．6 4 ％；当层理倾 角由6 0 。逐渐增大到9 0 。时，铁矿石吸收能由9 6 ．9 7J 逐步增大到1 4 4 ．0 3J ，增长近4 8 ．5 3 ％。同理，随倾 角的变化，矿石试件的能量利用率先由3 8 ．4 4 ％降低 至1 9 ．7 8 ％，再逐渐升至2 9 ．3 9 ％。 不同层理倾角的矿石吸收能之所以有上述变 化，由C o u l o m b 的岩石破坏角护准则可知 曰一丌／4 ∞／2 6 层理面粘结性越强 9 为内摩擦角 ，9 越大，9 一般为o ～3 0 。，本研究中铁矿石粘结性较强，其剪切 破坏角臼稍低于6 0 。。因此，在结构面为6 0 。时，结构 面中的剪切面与层理走向一致，呈沿层理面的剪切 滑移破坏；而当倾角高于或低于6 0 。时，矿石除沿剪 切滑移外，受主应力影响，发生穿层破坏、劈裂破坏。 即当层理结构面为6 0 。左右倾角时，由C o u l o m b 准 则所得到的剪切角，基本上和实际破坏角重合。矿 石在破坏过程中，试件主要以剪切力主导的剪切滑 移实现破坏；随着加载的继续进行，矿石所受应力值 快速增大，尽管有小部分张拉裂纹生成，但在张拉裂 纹所主导的破坏之前，整体便已破坏失稳，此时矿石 整体受载能力较弱，用于内部新裂纹扩展、贯通形成 新生断面的能量消耗较低，即矿石的吸收能较小。 当层理结构面呈其他倾角时，由C o u l o m b 准则 所得到的剪切角，和实际破坏角不重合。在矿石的 破坏过程中，试件既有以剪切力主导的沿层理面剪 切滑移破坏，又有以张拉应力主导的穿层理面的劈 裂破坏，前者耗能较低，后者耗能较高，矿石试件整 体用以新生裂纹、新生断面的耗能增加，此时铁矿石 的吸收能均高于层理面为6 0 。倾角的试件。 当层理面倾角为1 0 。与2 0 。时，铁矿石的吸收能 明显高于倾角为3 0 ～6 0 。时试件。这也表明了层理 面倾角为1 0 ～2 0 。的矿石，在冲击破坏过程中，其破 坏模式均以张拉裂纹主导的穿层理面劈裂破坏为 主；而层理面倾角为3 0 ～5 0 。、7 0 ～9 0 。的矿石，既有 以张拉裂纹主导的穿层理面劈裂破坏，又有剪切裂 纹主导的沿层理面滑动滑移破坏，每种倾角所对应 的吸收能值不同，说明倾角不同时，两种作用于矿石 破坏的形式，其参与程度不同。 毒 温 擎 零 褂 旺 熏 衄1 1 ∞ m 图3 不同层理倾角下的矿石吸收能、 能量利用率变化趋势 F i g ．3 T r e n do fa b s o r p t i o ne n e r g ya n de n e r g y u t i l i z a t i o nr a t eo fo r eu n d e rd i f f e r e n tb e d d i n ga n g l e s 2 ．2 经微波加热处理的矿石吸收能 图4 为层理面倾角为1 0 。～9 0 。时，冲击载荷下 经微波加热处理的矿石试件吸收能的变化情况。由 图4 可知，当层理倾角由1 0 。逐渐增大到6 0 。时，矿石 吸收能由最大值1 5 5 ．7 7J 逐步减小到最小值7 4 ．1 0 J ，降低近5 2 ．4 3 ％；当层理倾角由6 0 。逐渐增大到9 0 。 时，矿石吸收能由7 4 ．1 0J 逐步增大到1 2 9 ．6 lJ ，增 长近7 4 ．9 1 ％。同理，随倾角的变化，经微波处理的 矿石试件能量利用率先由3 8 ．4 4 ％降低至1 9 ．7 8 ％， 再逐渐升至2 9 ．3 9 ％。 与未加热的矿石吸收能变化相对比可知在相 同冲击条件下，经微波加热处理后的矿石比未经微 波加热处理的试件，其吸收能明显降低，表明微波加 热处理，使矿石内部产生大量缺陷、裂隙，整体抵抗 外载荷能力降低，易沿弱面破坏，因微波热裂纹在冲 击试验之前已产生，因此经微波加热矿石所吸收的 破碎能量值较小。 万方数据 2 0 1 9 年第3 期王晓东等微波照射下层理矿石破碎的能耗与粒度研究6 7 o 避 擎 督 -十能量利用率值l ≮≮麓裂帚蓁‰值 一吸收能实验值r 吸收能实验值2 ▲吸收能平均值 邃 褂 旺 熏 咖 避 U2 U4 U6 U 8 0I o o 倾角， o 图4不同层理倾角下的经微波处理矿 石吸收能、能量利用率变化趋势 F i g ．4 T r e n do fa b s o r p t i o ne n e r g ya n de n e r g y u t 订i z a t i o nr a t eo fm i c r o w a v e t r e a t e do r e u n d e rd i f f e r e n tb e d d i n ga n g l e s 2 ．3 微波加热处理对矿石吸收能的影响 为了进一步研究未经加热处理、经加热处理这 两种工况下含层理面矿石吸收能上的差异，可将未 经微波处理的矿石吸收能记为E ∽经微波处理的矿 石吸收能记为E w 儿，图5 为不同倾角下的E J ．，一E w J 。 值的变化情况。不难发现，在倾角为1 0 。～3 0 。范围 时，该值变化不明显，随后，该值急速跌落至某一区 间范围内波动，即在较小层理面倾角 3 0 。 时，经微波 处理的矿石吸收能比未经微波处理的矿石吸收能降 低幅值有限。 孓 寺 L 河 图5倾角效应对E 。一E w J 。值的影响 F i g ．5 I n f l u e n c eo fi n c l i n a t i o ne f f e c to n 日I ，一E w J I ，v a l u e 3 微波照射对铁矿石破碎粒度影响 图6 为儿。组、w 儿。组中不同层理倾角的矿石， 在相同冲击破碎条件下的碎屑平均块度d 。、分形维 数D 的变化情况。由图6 a 可知，无论矿石预先加 热与否，矿石碎屑的平均块度以随层理倾角的增长 均呈线性降低且拟合度较高，说明因层理结构面倾 角的影响，倾角值越高，在相同冲击破坏条件下的矿 石更容易发生破碎，矿石碎屑平均块度以的“倾角效 应”显著。结合前文“不同层理倾角下的铁矿石吸收 能变化规律”可知，在矿石冲击破坏破碎下，尽管经 微波加热处理的矿石，其吸收能均明显低于未经微 波处理的矿石，然而，在微波加热过程中，因热应力 集中现象，使矿石内部新生大量微波裂纹，矿石内部 已释放较多弹性应变能，因而在冲击破坏作用下，吸 收较少能量便可实现程度较高的破碎。 暑 暑 趟 辎 霜 降 辍 好 漤 求 倾角， o a 碎屑的平均块度变化 倾角“。 b 碎屑的平均块度变化 图6 儿。组与W J L 组矿石碎屑的平均 块度、分形维数变化 F i g ．6 V a r i a t i o no fa v e r a g ep a r t i c l es i z ea n d f r a c t a ld i m e n s i o no fo r ed e b r i si nJI ，g r o u p a n dW J L g r o u p 由图6 b 可知，儿。组矿石碎屑的分维值D 在层 理倾角小于5 0 。时，呈增大趋势，随后呈一定幅度的 波动；w 儿。组矿石碎屑的分维值D 在所有倾角中， 印弱如钙∞”加筋加巧m O O 0 O O O O O O O O 万方数据 6 8 有色金属 选矿部分2 0 1 9 年第3 期 均呈一定的波动变化。说明含层理结构面的铁矿 石，在相同冲击破碎条件下，因层理面倾角的不同， 矿石碎屑分维值D 的“倾角效应”不显著。 需要说明的是，在较多研究中，碎屑的平均块度 d ，与分维值D 一般具有较好的负相关性，即平均块 度d 。越小，分维值D 越大；平均块度d 。越大，分维值 D 越小”1 。然而在本研究中，因矿石本身尺寸较 大，且输入的冲击能较低，使矿石的破碎度偏低，有 较多的大块碎块出现，因而，最终导致了两者的相关 性不强。 4结论 1 在相同落锤冲击载荷下，含层理结构面矿石 的吸收能及产物粒度分布存在明显的差异，层理倾 角效应对矿石的冲击破碎影响显著。 2 根据研究结果，结合C o u l o m b 的岩石破坏角 臼准则可知，当倾角为6 0 。范围内时．矿石易沿层理面 发生“耗能较低”的剪切滑移破坏；而当其他角度时， 矿石则发生“能耗较高”的沿剪切面滑移与沿轴向劈 裂的混合破坏模式。这对于实际破碎矿石可提供一 定的工艺思路。 3 经微波加热照射处理的矿石，尽管其吸收能 低于未经微波加热处理矿石，但前者冲击破碎后的 破碎程度高于后者。微波加热作用使矿石内部新生 较多裂纹．加重其损伤程度，经微波照射处理后的矿 石，可以实现较高的破碎效果。对于微波加热碎岩 技术的进一步应用具有参考价值。 参考文献 [ 1 ] 李占金，乔国刚，米雪玉，等．冀东磁铁矿石粉碎过程节 能降耗研究[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 8 ，3 7 5 6 2 56 2 9 ． [ 2 ] 任贺旭，李占金，李力．铁矿石采选破碎系统节能途径研 究[ J ] ．矿业研究与开发，2 0 1 5 ，3 5 12 9 71 0 0 ． [ 3 ] 叶贤东．超临速磨矿理论研究[ D ] ．昆明昆明理工大 学，2 0 0 2 1 2 0 13 0 ． [ 4 ] 蔡改贫，刘志刚，许琴，等．冲击破碎能与破碎效果试验 研究[ J ] ．矿业研究与开发，2 0 1 6 ，3 6 1 1 0 6 1 1 0 ． [ 5 ] 王登科，刘淑敏，魏建平，等．冲击载荷作用下煤的破坏 特性试验研究[ J ] ．采矿与安全工程学报，2 0 1 7 ，3 4 3 5 9 46 0 0 ． [ 6 ] 平琦，骆轩，马芹永．等．冲击载荷作用下砂岩试件破碎 能耗特征[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 1 5 ，3 4 增2 4 1 9 7 4 2 0 3 ． [ 7 ] 李元辉，卢高明，冯夏庭，等．微波加热路径对硬岩破碎 效果影响试验研究[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 1 7 ，3 6 6 1 4 6 0 一1 4 6 8 ． [ 8 ] 卢高明，李元辉，H A s 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