落重試驗測定礦石粉碎特性參數

王澤紅 楚文城 孔令斌 陳 超 馬 琨

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

落重試驗測定礦石粉碎特性參數

王澤紅 楚文城 孔令斌 陳 超 馬 琨

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

為了科學、準確地進行碎磨設備選型，并確定合理的碎磨工藝流程，對國際上較盛行的自磨/半自磨工藝中物料粉碎特性參數的測定方法——JKTech落重試驗法進行了系統介紹，在此基礎上，采用JK落重試驗儀和磨蝕粉碎試驗設備，測定了承德某鐵礦3個礦樣的沖擊粉碎參數A和b以及磨蝕粉碎參數Ta。將試驗結果與數據庫數據比較，可以得出：①3個礦樣的粉碎特性十分接近，都屬于軟-中軟礦石。②礦樣在破碎能為2.5、1.0 kWh/t時，顆粒的抗沖擊破碎能力隨顆粒粒度的增大而下降，且破碎能越大顆粒抗沖擊破碎的能力下降越顯著；當比破碎能為0.25 kWh/t時，顆粒的抗沖擊破碎能力隨顆粒粒度的增大而上升，即隨比破碎能下降，顆粒粒度-t10關系曲線的斜率變小。③試驗結果可以成功用于磨機與破碎機處理量和能耗的計算以及自磨/半自磨流程設計和模擬計算。因此，JKTech落重試驗所測得的粉碎特性參數不僅可以判斷礦石性質，也可作為設備選型和流程確定的依據。

落重試驗 粉碎特性參數 自磨/半自磨

礦石的粉碎特性參數是選礦廠碎磨設備選型和工藝流程設計的重要依據。對絕大多數礦山來說，碎磨和選礦都是不可或缺的作業。科學、準確地確定碎磨設備及其工藝流程，有利于選礦廠實現基建投資小、生產運行成本低的目標。

由于磨礦作業的投資和生產成本通常占整個選礦廠的50%～60%[1]，而且在選礦廠中，磨礦介質成本往往僅次于動力成本。因此，為了實現降低選礦廠投資、簡化選礦工藝流程、控制選礦廠鋼耗等目標，近年新建的大型選礦廠越來越重視研究自磨、半自磨工藝代替常規碎磨工藝的可能性[2]。

隨著自磨、半自磨工藝應用比例的上升，國際上出現了多種測定自磨、半自磨工藝中物料粉碎特性參數的方法，如芬蘭Metso集團實驗室的濕式分批自磨(半自磨)試驗法、澳大利亞昆士蘭大學Julius Kruttschnitt礦物研究中心(JKMRC)的JKTech落重試驗法、加拿大Minnov EX技術公司的半自磨功率指數(SPI)試驗法等[3]。

本文系統地介紹了澳大利亞昆士蘭大學JKMRC的JKTech落重試驗法，并利用該方法對承德某鐵礦石的粉碎特性參數進行了測定。

1 JKTech落重試驗法[3-5]

JKTech落重試驗(Drop-Weight Test，簡稱DWT)包括沖擊粉碎試驗、磨蝕粉碎試驗和礦石相對密度測定試驗等3部分。試驗可通過對單粒物料在不同比能耗沖擊粉碎作用下產物的粒度分布規律分析，來獲得被粉碎物料的破碎特性；自磨(半自磨)機內被磨物料的粉碎過程主要有沖擊(高能)粉碎和磨蝕(低能)粉碎2種，DWT通過沖擊粉碎和磨蝕粉碎來模擬這2種粉碎過程，從而獲得試驗礦石的自磨(半自磨)機中物料的破碎特性。

1.1 沖擊粉碎試驗

沖擊粉碎試驗設備為澳大利亞JKMRC制造的JK落重試驗儀，見圖1。整個落重試驗儀固定在混凝土基座上。

圖1 沖擊粉碎試驗設備及原理

待測試樣置于混凝土基座的鋼砧上，受到從一定高度下落重塊的沖擊而被粉碎。通過調整重塊質量和下落高度，可以產生不同的輸入能量Ei(落錘質量與下落高度的乘積)。如果輸入能量控制恰當，則落錘在沖擊礦塊的過程中將不產生反彈，此時可認為輸入能量Ei與礦塊的破碎能量Ec相等。破碎能量Ec與礦塊的質量m之比定義為比破碎能Ecs。

按要求將試樣分為5個粒級，每個粒級分成3份，分別受3種不同的比破碎能沖擊。沖擊完成后，對每個粒級-比破碎能組合的破碎產品分別進行篩析，并繪制15個粒度分布曲線，求出一組tn(當篩孔尺寸為原始顆粒平均尺寸的1/n時，產物篩下產率定義為tn)來定量描述產物的粒度分布。JKMRC粉碎模型采用t10作為表征物料被粉碎程度的參數，可用于判斷礦石顆粒尺寸對抗沖擊破碎能力的影響。由15個粒度-比破碎能組合可以產生15個t10，t10與比破碎能Ecs的關系為

(1)

根據15組試驗數據，可擬合回歸出式(1)中系數A和b的值。A和b的值就是JKMRC粉碎模型中用于表征礦石抵抗沖擊粉碎能力的物料特性參數。

1.2 磨蝕粉碎試驗

磨蝕粉碎試驗設備為φ305 mm×305 mm實驗室滾筒式磨機，磨機轉速率為70%。筒體內壁上均勻分布有4根與軸線平行的6 mm×6 mm×305 mm的提升條，見圖2。

圖2 磨蝕試驗設備

1.3 礦石相對密度測定試驗

在對自磨(半自磨)機處理礦石進行性能評估時，其相對密度是最重要的參數之一。因此，在JKTech落重試驗中，必須進行礦石相對密度測定。礦石相對密度是通過測定30塊粒度為31.5～26.5 mm的礦石在空氣和水中的質量M和m后計算出來的，即相對密度d=M/(M-m)。

1.4 落重試驗數據庫與評價依據

JKTech落重試驗獲得的參數A的意義是比破碎能Ecs趨于無窮大時t10的取值上限，參數b影響t10-Ecs關系曲線在不同位置的斜率。參數A和b不能單獨用于礦石性質的判定，而是用A×b和Ta值對礦石性質加以判定。A×b值可作為礦石抗沖擊粉碎強度的一個衡量指標，A×b值越大，給定比能耗條件下粉碎產物越細；參數Ta表示試驗礦石的抗研磨破碎能力，Ta值越小，礦石抗研磨能力越強。JKMRC現有礦石物性數據庫見表1，參數A×b和Ta與物料硬度的關系見表2。

表1 JKMRC現有礦石物性數據庫比較

表2 落重試驗參數與物料硬度的關系

2 試驗礦樣的制備

試樣取自承德某鐵礦，為了全面、準確反映礦石的性質，對位于采場不同部位、性質有所差異的3種礦樣(分別命名為礦樣1，2，3)均進行了采集，粒度均為+63 mm，并用pex-250×400型顎式破碎機分別破碎至-63 mm。按要求篩取沖擊粉碎試驗、磨蝕粉碎試驗及相對密度測定試驗所需粒級樣。沖擊粉碎試驗的5個粒級及各粒級不同比破碎能水平下的礦石顆粒數量見表3(各粒級質量略)。

表3 沖擊粉碎試驗要求

3 JKTech落重試驗結果及分析

3.1 礦石軟硬程度判定

3.1.1 試驗結果

根據前述方法，分別對試樣1，2，3進行落重試驗，得到的t10-Ecs關系曲線見圖3，將t10-Ecs關系曲線用式(1)逼近，得到的擬合參數A、b、A×b及擬合方程見表4，物料磨蝕指數Ta、相對密度見表4。

由表4可以看出，試樣1，2，3的A×b值分別為86.18，85.07和82.60，其Ta值分別為0.72，0.63，0.57，相對密度分別為3.36，3.29，3.33，各參數值相差不大，即試樣1，2，3的粉碎特性接近。

3.1.2 礦石軟硬程度判定

試驗礦石物性數據在數據庫中所處的位置見表5。

結合表1、表2和表5可以看出，試樣1，2，3無論從抗沖擊破碎能力還是從抗磨蝕能力看，都屬于軟—中軟礦石。

3.2 顆粒尺寸對抗沖擊破碎能力的影響

抗沖擊破碎能力隨顆粒尺寸的變化而變化，會影響破碎機、自磨(半自磨)機功率的計算以及自磨(半自磨)機介質的選擇。

由于試樣1，2，3的粉碎特性十分接近，因此，在研究顆粒尺寸對抗沖擊破碎能力的影響時，僅以試樣1為代表，其t10隨顆粒粒度變化的趨勢見圖4。

圖3 沖擊粉碎試驗的t10-Ecs關系曲線

表4 試驗結果

表5 試驗礦石物性數據在數據庫中所處的位置

圖4 試樣1抗沖擊破碎能力隨顆粒尺寸變化的趨勢

由圖4可以看出，當比破碎能為2.5、1.0 kWh/t時，t10隨顆粒粒度的增大而增大，顆粒的抗沖擊破碎能力下降，且前者降幅更顯著；當比破碎能為0.25 kWh/t時，t10隨顆粒粒度的增大而減小，顆粒的抗沖擊破碎能力上升。綜合起來看，隨比破碎能下降，顆粒粒度與t10關系曲線的斜率變小。

3.3 磨機與破碎機處理量和能耗計算

以JKTech落重試驗獲得的參數，結合磨機運行條件，可以計算大型自磨(半自磨)機的處理量和電機功率。運用JKSimMet 軟件對半自磨機模擬計算時，輸入礦石性質參數后，由軟件求得該礦石的表觀函數，并通過矩陣運算，可得到物料的單位功耗[6]。在研究傳統破碎理論和JKTech落重試驗計算理論的基礎上，提出了適合粗、中、細碎的破碎機能耗計算模型[7]

(2)

式中,C1為閉(開)路修正系數；C2為破碎機類型修正系數；Wic為與礦石抗沖擊性能A×b相關的功指數，通過JKTech試驗得到，kWh/t；P80、F80分別為產物、給料80%物料過篩的篩孔尺寸。

3.4 設計和模擬計算自磨/半自磨流程

將獲得的參數A、b、Ta及相對密度輸入JKSimMet自磨/半自磨機模型軟件，與有關設備參數和操作參數相結合，可以預測磨機的負荷和磨機在各種篩分機械配置下的性能，進行自磨/半自磨流程的設計和模擬計算[8]。運用落重、磨蝕及相對密度數據還可以對任何破碎和磨礦分級回路的設計進行優化，即可以根據試驗數據和其他選礦廠的數據，模擬設計出符合礦石性質的自磨/半自磨流程[9]。

4 結 論

(1)通過JKTech落重試驗測定了承德某鐵礦石的粉碎特性參數，獲得了該礦石的沖擊粉碎特性參數A和b、磨蝕特性參數ta以及相對密度d，為設備選型和流程確定奠定了基礎。

(2)JKTech落重試驗結果可以用來判斷礦石的軟硬程度、顆粒尺寸對抗沖擊破碎能力的影響；結合JKSimMet軟件，可以計算磨機的處理量和功耗，設計并模擬計算自磨/半自磨流程。

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(責任編輯 羅主平)

Comminution Parameters Detection of the Ore by Drop-weight Tests

Wang Zehong Chu Wencheng Kong Lingbin Chen Chao Ma Kun

(CollegeofResourcesandCivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China)

In order to make the selection of comminution equipments and process more accurately and reasonably，the popular material comminution properties measured methods in AG/SAG operation at abroad：the JKTech Drop-weight Test method was introduced systemically.The comminution properties that are the impact parameterAandbas well as abrasion parameterTain Chengde Iron Ore are determined by using JK Drop-weight Tester and abrasive grinding testing device.By comparing the test results with the data in database，it can be seen that ①the three samples' comminution properties are similar with each other，which meant all the sample belong to the soft and middle-soft ore.②with the crushing energy of 2.5，1.0 kWh/t，the impact resistance decrease with the increase of the particle size.The more the crushing energy is，the more significant the impact resistance decreases.With the specific crushing energy of 0.25 kWh/h，the impact resistance increase with the increase of the particle size.It means that the impact resistance decrease with the specific crushing energy，and the curve slope oft10& particle size becomes less.③The test results can be successfully applied into calculation of throughput and energy consumption，as well as AG/SAG flow-sheet design and simulation.It indicated that comminution properties by JKTech Drop-Weight Test could not only measure the ore properties，but also lay the foundation for equipment selection and flow-sheet determination.

Drop-Weight Test，Comminution parameters，AG/SAG

2014-05-13

王澤紅(1969—)，男，副所長，副教授，博士，碩士研究生導師。

TD921+.2，TD921+.4

A

1001-1250(2014)-09-085-05