選礦破碎理論及破碎設(shè)備概述

趙宇軒，王銀東

(1.本溪鋼鐵(集團(tuán))礦業(yè)有限責(zé)任公司，遼寧 本溪 111700；2.中國中鐵資源集團(tuán)有限公司，北京 100039)

選礦設(shè)備與選礦工藝技術(shù)的發(fā)展是同步的，選礦設(shè)備水平不僅是選礦工藝水平的體現(xiàn)，也直接影響著生產(chǎn)過程、產(chǎn)品質(zhì)量和綜合經(jīng)濟(jì)效益，因此國內(nèi)外非常重視選礦設(shè)備的開發(fā)和應(yīng)用。破碎作業(yè)是選礦工藝的首道工序，為磨礦作業(yè)提供適宜粒度物料。由于磨礦作業(yè)電耗占選礦廠總電耗的50%左右，成本比重大，因此研究“多碎少磨”，以更精細(xì)的破碎作業(yè)為磨礦環(huán)節(jié)提供更細(xì)物料，實(shí)現(xiàn)磨礦效率提升，節(jié)省運(yùn)營費(fèi)用，成為近年來的研究熱點(diǎn)[1]。這部分的研究，不僅包括對破碎理論本身的研究，還包括對破碎設(shè)備的研發(fā)和改進(jìn)。本文即闡述破碎相關(guān)理論，并在此基礎(chǔ)上對破碎設(shè)備進(jìn)行綜述，以為相關(guān)研究應(yīng)用者提供參考。

1 概述

1.1 破碎比

國內(nèi)外一致認(rèn)為，降低最終破碎產(chǎn)品的粒度是破碎作業(yè)增產(chǎn)、節(jié)能、降耗的重要用途，國內(nèi)將這一思想歸納為“多碎少磨”。破碎作業(yè)的作用主要體現(xiàn)在以下幾方面：①滿足分選機(jī)械對入選物料最大入選粒度的要求；②滿足有用礦物與脈石的解離要求；③滿足用戶對選后產(chǎn)品粒度的要求。

開采的大塊礦石，一般需經(jīng)粗碎、中碎和細(xì)碎來達(dá)到上述要求。每段破碎都會產(chǎn)生一個(gè)破碎比，破碎比即常用物料破碎前的平均粒度D與其破碎后的平均粒度d之比：

i=D/d

式中：i為破碎比，一般i=3～30。

破碎比的大小與所選用的破碎機(jī)械和破碎的礦石性質(zhì)有關(guān)。破碎機(jī)械所施加的機(jī)械力，可以是擠壓力、劈裂力、彎曲力、剪切力、沖擊力等，在一般機(jī)械中大多是兩種或兩種以上機(jī)械力的綜合。對于堅(jiān)硬的物料，適宜采用產(chǎn)生彎曲和劈裂作用的破碎機(jī)械；對于脆性和塑性的物料，適宜采用產(chǎn)生沖擊和劈裂作用的機(jī)械；對于粘性和韌性的物料，適宜采用產(chǎn)生擠壓和碾磨作用的機(jī)械。

礦石破碎過程中所表現(xiàn)出來的抵抗外力的強(qiáng)度大小，稱為礦石破碎的難易程度，它是衡量礦石可碎性的標(biāo)準(zhǔn)。影響礦石破碎難易程度的最主要因素是礦石的硬度，而硬度主要取決于礦石的結(jié)構(gòu)特性和礦物的結(jié)晶形態(tài)。

礦石的破碎方法，主要根據(jù)礦石的物理力學(xué)性質(zhì)、礦石塊料的尺寸和所要求的破碎比來選擇。由于破碎機(jī)構(gòu)造和作用的不同，實(shí)際選用時(shí)，還應(yīng)根據(jù)具體情況考慮下列因素：

1)物料的物理性質(zhì)，如易碎性、黏性、水分泥沙含量和最大給料尺寸等；

2)成品的總生產(chǎn)量和級配要求，據(jù)以選擇破碎機(jī)類型和生產(chǎn)能力；

3)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，做到既合乎質(zhì)量、數(shù)量的要求，操作方便、工作可靠，又最大限度節(jié)省費(fèi)用。

1.2 破碎理論

破碎物料所消耗的功，一部分是使被破碎的物料變形，并以熱的形式散失于周圍空間；另一部分則用于形成新表面，變成固體的自由表面能。針對破碎過程提出的理論有：

1.2.1 面積假說

破碎理論的面積假說是由德國學(xué)者P．R．雷廷格(P．R．Rittinger)于1867年提出的。雷廷格認(rèn)為：破碎過程是以減小物料顆粒尺寸為目的，破碎過程將使物料的表面積不斷增加。為此，物料破碎時(shí)，外力所做的功用于產(chǎn)生新表面，即破碎功耗與破碎過程中物料新生成表面的面積成正比。面積假說只能近似地計(jì)算破碎比很大時(shí)的破碎總功耗，也就是只能近似地用在磨礦機(jī)的磨礦中，因?yàn)樗豢紤]了生成新表面所需的功。

1.2.2 體積假說

破碎的體積假說是由俄國學(xué)者吉爾皮切夫與德國學(xué)者基克(kick)提出的。體積假說認(rèn)為：將幾何形狀相似的同類物料破碎成幾何形狀也相似的產(chǎn)品時(shí)，其破碎功耗與被破碎物料塊的體積或質(zhì)量成正比。體積假說只能近似地計(jì)算粗碎和中碎的破碎總功耗，因?yàn)樗豢紤]了變形。

1.2.3 裂縫假說

裂縫假說是由F.C.榜德(F.C.Bond)于1952年提出，它是介于面積假說和體積假說之間的一種破碎理論。裂縫假說認(rèn)為破碎礦石時(shí)，外力首先使物料塊產(chǎn)生變形，外力超過強(qiáng)度極限以后，物料塊就產(chǎn)生裂縫而破碎成許多小塊，輸入功的有用部分成為新生表面上的表面能，其他部分成為熱損失。因此，破碎所需的功，應(yīng)考慮變形能和表面能兩項(xiàng)，變形能和體積成正比，而表面能與表面積成正比。

2 破碎設(shè)備類型及介紹

由于實(shí)現(xiàn)多碎少磨的關(guān)鍵是降低最終破碎產(chǎn)品粒度(即入磨粒度)，因此在這一范圍的研發(fā)工作中，破碎設(shè)備所占的比重大于粉磨設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)多碎少磨，國內(nèi)越來越多地引進(jìn)國際先進(jìn)破碎工程設(shè)備，并且越來越多地引進(jìn)大型設(shè)備。國內(nèi)開發(fā)的破碎設(shè)備特點(diǎn)是類型多樣化，部分產(chǎn)品也在向著大型化方向發(fā)展。

2.1 傳統(tǒng)破碎設(shè)備

傳統(tǒng)破碎設(shè)備是研究應(yīng)用較早，技術(shù)相對成熟，在選礦廠破碎作業(yè)方面得到公認(rèn)的設(shè)備，一般包括顎式破碎機(jī)、圓錐破碎機(jī)(包含旋回破碎機(jī))、沖擊式破碎機(jī)和輥式破碎機(jī)。

2.1.1 顎式破碎機(jī)

顎式破碎機(jī)有簡單擺動型、復(fù)雜擺動型和混合擺動型三種。

顎式破碎機(jī)主要對原料進(jìn)行粗破，為二級破碎做準(zhǔn)備，適宜于破碎硬料或中硬度的原料，物料的含水率要求應(yīng)不大于10%。給料時(shí)應(yīng)注意兩點(diǎn)：一是在物料進(jìn)破碎機(jī)前，應(yīng)預(yù)先將物料中的粉粒篩出，這對于提高破碎機(jī)的利用效率具有很大意義；二是給顎式破碎機(jī)供料應(yīng)盡可能保證沿著整個(gè)進(jìn)料口的寬度施加料，保證均勻加料，必要時(shí)可采用特別的加料器。

顎式破碎機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、制造容易、維修方便、價(jià)格低廉、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是破碎不連續(xù)、效率較低，破碎比小以及由于給礦不均勻引起的顎板磨損不均勻等。顎式破碎機(jī)的改進(jìn)方法有：優(yōu)化結(jié)構(gòu)與運(yùn)動軌跡；改進(jìn)破碎腔型，以增大破碎比，提高破碎效率，減少磨損，降低能耗，采用高深破碎腔和較小嚙角；改進(jìn)動顎懸掛方式和襯板的支承方式，改善破碎機(jī)性能；顎板采用新的耐磨材料降低磨損消耗；提高自動化水平。新的機(jī)型，如雙腔雙動顎式破碎機(jī)，破碎比可達(dá)20～50，排料口調(diào)節(jié)方便，產(chǎn)量大；雙腔回轉(zhuǎn)破碎機(jī)，兼有顎式破碎機(jī)和圓錐破碎機(jī)的性能，其產(chǎn)量較同規(guī)格的顎式破碎機(jī)高50%[2]。

2.1.2 圓錐破碎機(jī)

圓錐破碎機(jī)包括粗碎的旋回破碎機(jī)和中細(xì)碎的菌形圓錐破碎機(jī)，適于破碎各種硬度的物料。圓錐破碎機(jī)工作原理為：當(dāng)可動圓錐靠近固定圓錐時(shí)，處于兩錐體之間的礦石就被破碎，而其對面，可動圓錐離開固定圓錐，已破碎的礦石靠自重作用，經(jīng)排礦口排出。礦石在旋回破碎機(jī)中，主要是受到擠壓作用而破碎，同時(shí)也受到彎曲作用而折斷。

圓錐破碎機(jī)優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)能力較大、單位電耗較低、工作較平穩(wěn)、適于破碎片狀物料、破碎產(chǎn)品的粒度也較均勻。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、檢修困難、機(jī)身高，因而使廠房及基礎(chǔ)構(gòu)筑物的建筑費(fèi)用增加。

2.1.3 沖擊式破碎機(jī)

沖擊式破碎機(jī)包括錘式破碎機(jī)和反擊式破碎機(jī)。

錘式破碎機(jī)的型式分有立式、臥式、單轉(zhuǎn)子、雙轉(zhuǎn)子等幾種型式，出料處大部分設(shè)有固定的篩子，用戶可以根據(jù)自己的需要選用合適孔徑的篩子來控制出料粒度。該種破碎機(jī)適宜破碎脆性料，如煤殲石、頁巖等，對于很堅(jiān)硬的料或黏性料不適用。單轉(zhuǎn)子的破碎比一般在10～15，雙轉(zhuǎn)子的可達(dá)20～30。其對原料的含水率要求很嚴(yán)，一般不宜超過8%，若含水率過高易堵篩孔而不出料。

錘式破碎機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)能力高、破碎比大、電耗低、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、緊湊輕便、投資費(fèi)用少、管理方便。缺點(diǎn)是錘子和篦條磨損快、金屬消耗較大、檢修時(shí)間較長。

反擊式破碎機(jī)是一種新型高效率的碎礦設(shè)備，其特點(diǎn)是體積小、構(gòu)造簡單、破碎比大(可達(dá)40)、能耗小、生產(chǎn)能力大、產(chǎn)品粒度均勻，并有選擇性的碎礦作用。但其最大的缺點(diǎn)是板錘和反擊板特別易磨損，尤其是破碎堅(jiān)硬的礦石，磨損則更為嚴(yán)重，需要經(jīng)常更換。

2.1.4 輥式破碎機(jī)

輥式破碎機(jī)按輥?zhàn)拥臄?shù)目分為單輥式和對輥式，按輥面的光滑與否分為光棍式和齒輥式。選廠常用的是雙齒輥破碎機(jī)，其破碎比一般為3～15，入料粒度一般不應(yīng)超過25mm，可用在生產(chǎn)線的中級破碎或細(xì)碎，處理中等硬度或中碎軟質(zhì)物料，比如煤矸石、頁巖、淤泥、爐渣等原料都可用對輥機(jī)破碎。輥式破碎機(jī)主要的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)體不高、緊湊輕便、造價(jià)低廉、工作可靠、調(diào)整方便、能粉碎粘濕物料；但是最大的缺點(diǎn)是輥?zhàn)油獗砻嬉啄p，磨損后造成兩輥之間的間隙加大，進(jìn)而不能保證出料粒度要求[3]。

2.2 新型破碎設(shè)備

新型破碎設(shè)備可以分為兩類：一類是由于新材料新工藝的應(yīng)用研發(fā)出的設(shè)備，通過對原有設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，提高設(shè)備性能和處理能力，減少設(shè)備自重和損耗，降低對配套設(shè)施的要求，延長使用壽命，這方面研究易出成果，形成的設(shè)備系列較多；另一類是根據(jù)新的破碎理論研發(fā)設(shè)計(jì)的新型設(shè)備，具有較傳統(tǒng)設(shè)備更突出的特點(diǎn)和破碎效率，是技術(shù)層次的提升。下面對新型設(shè)備中的水沖式圓錐破碎機(jī)、慣性圓錐破碎機(jī)和高壓輥磨機(jī)進(jìn)行介紹。

2.2.1 水沖式圓錐破碎機(jī)

水沖式圓錐破碎機(jī)的主要特點(diǎn)：物料進(jìn)入破碎機(jī)破碎時(shí)加水沖洗，以加大物料從破碎腔排出速度，減少經(jīng)破碎形成的細(xì)顆粒在破碎腔中構(gòu)成料層“襯墊作用”。該機(jī)產(chǎn)量高，產(chǎn)品粒度細(xì)，可開路破碎，不需粉碎倉，直接進(jìn)入球磨機(jī)。典型的如諾德伯格專利：破碎機(jī)與球磨機(jī)配成的碎磨系統(tǒng)，破碎機(jī)產(chǎn)量可提高50%，能耗降低25%，產(chǎn)品粒度可達(dá)6～8mm。

2.2.2 慣性圓錐破碎機(jī)

慣性圓錐破碎機(jī)[4]通過向物料層施加嚴(yán)格定量的由慣性力造成的壓力，可以將物料層適當(dāng)壓實(shí)，使物料承受全方位的擠壓，物料顆粒之間產(chǎn)生相互作用，從而實(shí)現(xiàn)“料層粉碎”。同時(shí)，在由慣性力引起的強(qiáng)烈脈動沖擊作用下，物料在破碎腔中承受變方位的擠壓、剪切、彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。破碎后的物料具有最低的過粉碎，從而實(shí)現(xiàn)了物料的“選擇性破碎”。慣性圓錐破碎機(jī)與傳統(tǒng)的圓錐破碎機(jī)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)具有良好的“料層選擇性破碎”作用，使單位破碎比功耗降低約40%；

2)破碎比大，產(chǎn)品粒度可調(diào)(能方便地調(diào)節(jié)所需破碎比4～30)，防止過粉碎，簡化了工藝流程；

3)產(chǎn)品粒度幾乎與襯板磨損無關(guān)；

4)具有良好的過鐵性能，無需過載保護(hù)裝置；

5)應(yīng)用范圍廣，可破碎任何硬度下的脆性物料。

2.2.3 高壓輥磨機(jī)

高壓輥磨機(jī)是利用高擠壓力作用使粒群層壓破碎原理而設(shè)計(jì)的。擠壓力是通過兩個(gè)直徑相等、轉(zhuǎn)速相同且相向旋轉(zhuǎn)的輥?zhàn)酉嗷D壓而產(chǎn)生的。其中一個(gè)輥?zhàn)訛槎ㄝ仯硪粋€(gè)為可以前后水平小幅度移動的動輥，壓力通過高壓油缸加在動輥兩端的軸承座上。高壓輥磨機(jī)工作時(shí)，物料由料倉靠自重壓入料腔，同時(shí)被兩個(gè)相向旋轉(zhuǎn)的輥?zhàn)右氩⒃谳伱孀饔孟录铀龠M(jìn)入壓實(shí)腔，由于兩輥間距的逐漸減小，擠壓力由小增大，此時(shí)物料顆粒除了受到輥面的直接壓力外，物料顆粒之間也產(chǎn)生相互擠壓作用[5]。相比于傳統(tǒng)的破碎設(shè)備，高壓輥磨機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)單位粉碎能耗低，如果同后續(xù)設(shè)備共同裝機(jī)時(shí)，其總磨碎能耗可節(jié)約40%以上；

2)能處理水分含量較高的物料，如磨碎鐵礦石

制備球團(tuán)給料時(shí)，其水分可高達(dá)10%，磨碎鐵礦石或貴金屬礦石時(shí)，國外推薦水分不高于8%；

3)提高后續(xù)作業(yè)產(chǎn)品的回收率、可磨性和產(chǎn)量；

4)機(jī)器占地面積小、土建投資少、機(jī)器振動小、噪音低、粉塵小；

5)機(jī)器的作業(yè)率高，可在95%以上，機(jī)器易損件工作壽命長。

近年來，針對高壓輥磨機(jī)的缺點(diǎn)作了三個(gè)方面的改進(jìn)，一是提高輥面的耐磨性，二是壓輥軸承的改進(jìn)，三是控制系統(tǒng)的改進(jìn)，使其達(dá)到自動化[6]。

隨著國家對產(chǎn)業(yè)節(jié)能降耗要求的日益提高，改進(jìn)選礦廠碎磨工藝以減小能耗勢在必行，這也將成為選礦廠巨大利潤增長點(diǎn)。同時(shí)，破碎理論研究的發(fā)展，也對破磨設(shè)備的研制開發(fā)產(chǎn)生了重大影響。在國內(nèi)外眾多研究者的努力下，破碎機(jī)的發(fā)展必將出現(xiàn)驚人的成績，現(xiàn)有的破碎設(shè)備將不斷得到完善，新型破碎設(shè)備也將層出不窮。

[1] 夏曉鷗，吳建明，梁殿印，等.選礦設(shè)備第十屆選礦年評會論文集[C].北京：北京礦冶研究總院，2006.

[2] 饒綺麟.大破碎比顎式破碎機(jī)及對破碎工藝流程的變革[J].中國工程科學(xué)，2001(4)：82-86．

[3] 全文欣，張彬，龐玉榮，等.我國鐵礦選礦設(shè)備和工藝的進(jìn)展[J].國外金屬礦選礦，2006，43(2)：8-14.

[4] 郎寶賢，郎世平.破碎機(jī)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

[5] 劉建遠(yuǎn)，黃瑛彩.高壓輥磨機(jī)在礦物加工領(lǐng)域的應(yīng)用[J]．金屬礦山，2010(6)：1-8．

[6] 高瀾慶，王文霞，馬飛.破碎機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].冶金設(shè)備，2001(4)：13-16.