遼寧鞍本地區某鐵礦廢石碎磨特性研究

張 昊 劉文寶 劉文剛 孫文瀚 佟柯霖 謝 峰

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819;2.東北大學冶金學院，遼寧 沈陽 110819)

我國是鐵礦石開采及生產大國，長期以來鐵礦石產量穩居世界第一[1]。我國的鐵礦資源具有“貧、細、雜”的特點，這使得鐵礦石開采過程中不可避免地產生了大量的鐵礦廢石[2-3]。以遼寧鞍本地區為例，每年約排放鐵礦廢石1.5億t以上，位列我國大型鐵礦資源基地首位[4]。這些廢石長期以來堆存在各大礦山的排土場，不僅造成了嚴重的資源浪費，還易引發一系列的安全與環境問題[5-6]。因此，如何高質量地解決礦山廢石堆存問題，對鐵礦廢石進行精細化梯級利用必將成為我國礦山企業可持續發展的重中之重。

目前，已有不少專家學者與礦山企業對鐵礦廢石的綜合利用開展了一系列的探究與實踐，特別是利用鐵礦廢石制備砂石骨料，已成為研究熱點之一[7-13]。在我國河砂資源日益匱乏的大背景下，利用鐵礦廢石制備砂石骨料不僅能夠填補市場需求的空缺，還能最大程度地為我國礦山企業謀求更多的利潤。值得注意的是，隨著我國建材市場的不斷發展與革新，未來建筑材料行業將對砂石骨料品質(如粒型、級配等)提出更高的要求，尤其是微細粒級的高性能骨料(如特種砂漿骨料等)將成為重要的發展方向[14]。因此，明確鐵礦廢石的碎磨特性，將砂石骨料制備工藝進一步精細化就變得尤為重要。

本研究以遼寧鞍本地區的歪頭山鐵礦廢石為試驗樣品，通過Bond球磨功指數試驗及JK落重試驗對該鐵礦廢石的碎磨特性展開研究，計算并分析鐵礦廢石球磨功指數Wib、沖擊粉碎系數A×b、磨蝕系數ta以及相對密度等參數，以期為后續該地區機制砂與各類砂漿生產中碎磨工藝的制定及設備選型提供重要參考，為解決遼寧鞍本地區廢石堆存問題提供新的思路。

1 試 樣

1.1 化成成分及礦物組成

本試驗所用鐵礦廢石取自遼寧鞍本地區歪頭山某鐵礦廢石場，經破碎、研磨，充分混勻后進行化學成分及XRD分析，結果分別見表1、圖1。

表1 試樣化學成分分析結果Table 1 Analysis results of the chemical composition of the samples %

圖1 試樣XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of the samples

由表1和圖1可知，試樣中Fe2O3僅為2.85%，SiO2占比高達73.53%，滿足制備建筑材料的基本條件;試樣主要礦物成分為石英、鈉長石、白云母等。

1.2 試驗礦樣的制備

試樣經PEX-250 mm×400 mm型顎式破碎機破碎至-63mm，取一定質量-63mm的廢石顆粒進行縮分取樣，采用 PE 60 mm×100 mm顎式破碎機及φ400 mm×250 mm型對輥破碎機，經兩段一閉路(圖2)破碎至-3.2 mm，作為Bond球磨功指數試驗的樣品儲存備用;隨機選取粒度為53～45 mm與45～37.5 mm的廢石顆粒各1.5 kg作為磨蝕粉碎試驗的樣品;隨機選取45塊粒度為63～53 mm的廢石顆粒、45塊粒度為45～37.5 mm的廢石顆粒、90塊粒度為31.5～26.5 mm的廢石顆粒、90塊粒度為22.4～19 mm的廢石顆粒以及90塊粒度為16～13.2 mm的廢石顆粒作為沖擊粉碎試驗的樣品;隨機選取30塊粒度為31.5～26.5 mm的廢石顆粒進行相對密度的測定。

圖2 Bond球磨功指數試驗樣品制備流程Fig.2 Sample preparation process of Bond ball milling work index test

2 試驗方法

2.1 Bond球磨功指數試驗

試驗具體步驟如下:①使用套篩及振篩機對原礦樣進行篩分，繪制原礦樣粒度特性曲線，據此分析原礦樣累計透篩率為80%時對應的篩孔尺寸F80;②將原礦樣縮分后送入球磨機，磨至設定轉數后使用篩子(篩孔尺寸為0.15 mm，記為P1)進行篩分，計算出每轉凈生成-0.15 mm產品的質量Gbp，根據公式求出下一周期的磨礦轉數;③稱量與上一步驟篩下產物相同質量的原礦樣，與篩上產物混合后送入球磨機，按照前一步驟所求得的轉數進行磨礦并篩分;④當最后3次單轉凈生成-0.15 mm產品質量Gbp的最大值與最小值之差小于這3次平均值的3%且磨機循環負荷穩定在250%±5%時，認為磨礦進入平衡狀態，停止磨礦;⑤將最后一周期的篩上、篩下產物混勻后篩分，根據粒度特性曲線獲得磨礦產品達到80%透篩率時對應的粒度大小P80;⑥根據參考文獻[15]計算Bond球磨功指數。

2.2 JK落重試驗

試驗具體步驟如下:①依次將粒級為63～53 mm、45～37.5 mm、31.5～26.5 mm、22.4～19 mm以及16～13.2 mm的廢石顆粒置于JK落重儀上，每個粒級的廢石顆粒以3個能量水平進行沖擊粉碎，得到15個粒度-比能耗組合的粉碎產品;②分析并繪制15個粒度-比能耗組合產品的級配曲線，進而求出每個產品的t10(定義為產品中小于原礦樣顆粒尺寸1/10的篩下產率);③將15個產品的t10與其各自所對應的比破碎能按照文獻[16]所述進行回歸擬合，確定回歸模型中的A和b的值，通過A×b的值來衡量物料抵抗沖擊粉碎的能力，A×b越大，則物料抵抗沖擊粉碎的能力越弱。

2.3 磨蝕粉碎試驗

將粒度為53～45 mm與45～37.5 mm的廢石顆粒各1.5 kg置于磨機內，設置磨機轉速為53 r/min，轉速率為70%，不添加任何磨礦介質，開機轉動10 min后對產品進行篩析，根據篩析結果繪制級配曲線，從而確定磨蝕系數ta(t10值的1/10)。

2.4 相對密度測定試驗

細繩兩端分別連接電子彈簧秤與廢石顆粒，根據流體靜力稱衡法分別測量出30塊粒度為31.5～26.5 mm鐵礦廢石顆粒在空氣中的質量M與在水中的質量m，據此計算出鐵礦廢石顆粒在水中的相對密度。

2.5 試驗結果的比對

將試驗所得的沖擊粉碎系數A×b、磨蝕系數ta與下表2中的數據進行比對，進而對鐵礦廢石的抗沖擊粉碎能力與抗磨蝕粉碎能力進行判定。

表2 落重試驗參數與物料硬度關系Table 2 Relationship of material hardness with drop weight test parameters

3 試驗結果與討論

3.1 Bond球磨功指數試驗

原礦樣粒度特性曲線如圖3所示。

圖3 原礦樣粒度特性曲線Fig.3 Particle size characteristic curve of raw ore sample

由圖3可知，原礦樣F80為2 690μm。

功指數磨機給料的平均松散密度為1.514 g/cm3，已知磨機給料一般為700 cm3[17]，由此得到功指數磨機給料的質量為1 060 g。稱取試驗樣品1 060 g送入球磨機進行Bond球磨功指數試驗，結果如表3所示。

表3 邦德球磨功指數試驗結果Table 3 Experimental results of Bond ball mill work index

由表3可知，當試驗進行至第9次時，循環負荷及最后3次Gbp值滿足試驗終止條件。因此，控制篩孔尺寸為0.15 mm的條件下，歪頭山鐵礦廢石的可磨度Gbp=2.124 g/r。

當鐵礦廢石磨礦達到平衡時，取篩下產品進行顆粒級配的分析，得到平衡產品粒度特性曲線，結果如圖4所示。

圖4 平衡產品粒度特性曲線Fig.4 Particle size characteristic curve of grinding balance production

由圖4可知，歪頭山鐵礦廢石磨礦平衡時，產品達80%透篩率對應的粒度大小P80=130μm。

將P1、Gbp、P80和F80代入文獻[15]中 Bond 球磨功指數公式進行計算，求出歪頭山鐵礦廢石的球磨功指數Wib=12.05 kW·h/t。

3.2 JK落重試驗

在沖擊粉碎試驗條件下，15個粒度-比能耗組合的粉碎產品粒度特性曲線如圖5所示。

圖5 落重試驗產品粒度特性曲線Fig.5 Characteristic curves of particle size for production in drop weight test

根據15個粒度-比能耗組合的粒度特性曲線，可以得出15組不同比破碎能Ecs所對應的t10，并根據文獻[16]所述進行回歸擬合，所得到的t10-Ecs關系模型，結果如圖6所示。

圖6 沖擊粉碎試驗的t10-E cs關系曲線Fig.6 Relationship curve for t10-E CS in impact communiton test

將圖6數據進行回歸擬合后，可得出礦石的沖擊粉碎模型為

由式(1)可知，A的值為71.25，b的值為0.52，則粉碎特性參數A×b的值為37.05，查表2可知歪頭山鐵礦廢石抗沖擊粉碎能力屬于硬范疇。

此外，顆粒粒度的不同也會影響廢石抗沖擊破碎能力的強弱，比破碎能分別為2.5、1.0、0.25 kWh/t條件下，t10隨顆粒粒度變化的趨勢如圖7所示。

圖7 抗沖擊破碎能力隨顆粒粒度變化趨勢Fig.7 Change trend of impact crushing ability with particle

由圖7可知，當比破碎能為2.5、0.25 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輕微下降;當比破碎能為1.0 kWh/t時，t10隨顆粒粒度的增大而略微減小，顆粒抗沖擊破碎能力輕微上升。

3.3 磨蝕粉碎試驗

磨蝕粉碎產品粒度特性曲線如圖8所示。

圖8 磨蝕粉碎試驗產品粒度特性曲線Fig.8 Characteristic curves of particle size for abrasion product

由圖8可知，t10對應的篩孔尺寸為1.67 mm，因此ta的值約為0.17，查表2可知歪頭山鐵礦廢石抗磨蝕能力屬于極硬范疇。

3.4 相對密度測定試驗

相對密度頻率分布情況如圖9所示，其中最大值為3.67，最小值為2.64，平均值為3.06。

圖9 31.5～26.5 mm樣品密度頻次分布Fig.9 Density distribution frequency of 31.5～26.5mm samples

由圖9可知，歪頭山鐵礦廢石數據顯示出雙峰特性，這表明礦石中存在致密組分，可能在循環負荷中富集，從而引起功率問題，導致產量的損失。

4 設備能耗計算及工藝流程設計

根據試驗結果，可將各項參數代入破碎機能耗模型(式(2))中，對廢石利用工藝中粗碎、中碎、細碎可能運用到的破碎機功率進行計算，為破碎機與制砂機的設備選型提供指導[18]:

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;P80、F80為產物、給料80%物料過篩的篩孔尺寸。

最終，確定如下圖10所示的鐵礦廢石利用工藝，當前該工藝已正式生產運營。

圖10 鐵礦廢石利用工藝流程Fig.10 Process flow chart of iron ore waste rock utilization

5 結 論

Bond球磨功指數試驗結果表明，歪頭山鐵礦廢石Bond球磨功指數Wib為12.05。JK落重試驗結果表明，歪頭山鐵礦廢石沖擊粉碎模型為t10=71.25(1-e-0.52ECS)，其中沖擊粉碎參數A×b的值為37.05;磨蝕系數ta的值為0.17;相對密度為3.06。歪頭山鐵礦廢石抗沖擊粉碎能力為硬范疇，抗磨蝕粉碎能力屬于極硬范疇。結合上述試驗結果，最終確定了遼寧鞍本地區某鐵礦廢石的具體設備與利用工藝。