高壓輥磨機在某鐵礦干式制粉中的應用試驗

仝麗娟

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

某 鐵礦選燒廠的生產原料主要為鏡鐵山的鏡鐵礦，鏡鐵礦嵌布粒度細，其中褐鐵礦和菱鐵礦成分較高，可選性較差。采用傳統的選別工藝得到的鐵精粉品位低 (TFe 45%～ 48%)，回收率僅為 65% 左右，尾礦硅含量達到 11% 以上，造成了極大的資源浪費。該選燒廠于 2017 年 8 月建成了一條粉礦 (-15 mm) 懸浮磁化焙燒 — 磁選生產線，與塊礦 (+15 mm)豎爐磁化焙燒 — 磁選 — 反浮選工藝生產線，共同形成了目前年處理量為 165 萬 t 的難選鐵礦石生產系統[1]。該懸浮磁化焙燒 — 磁選生產線是目前國內第一條懸浮磁化焙燒生產線，建成后經過數年的生產調試，目前已穩定運行，可達到鐵精礦品位 60% 以上、回收率約為 79% 的選別指標，大大提高了選燒廠的經濟效益[2]。

其中的粉礦生產線，破碎機破碎的 -15.0 mm 產品經濕法球磨機磨礦后，得到 -0.075 mm 40%～ 50%的原礦礦漿，再經 5 臺 PYNTK-120A 型盤式加壓過濾機處理后，進入懸浮磁化焙燒爐。由于磁化焙燒爐對入料含水率要求較高 (要求低于 11%)，這就對過濾作業提出了更高的要求。而實際生產過程中，由于球磨機礦漿產品粒度粗、含泥量大等問題[3]，使得過濾機運行不穩定，過濾作業產生的濾餅常常有含水率高、厚度不均勻等現象，嚴重影響了后續的磁化焙燒作業，因此擬考慮采用一種干式制粉工藝來解決此問題。

高壓輥磨機作為一種干式輥磨設備，近年來已被廣泛應用于水泥、化工、金屬及非金屬等領域，其采用層壓破碎原理，具有高效、低能的輥磨特性[4]。相比于傳統的細碎設備，高壓輥磨產品具有細粉含量高、運行穩定等優勢，尤其在水泥生料生產領域，高壓輥磨機終粉磨工藝已經得到了成熟的發展，廣泛應用于水泥行業[5]。新疆哈密的中天鐵礦[6]目前已經采用了破碎 — 高壓輥磨 — 風力分級 — 磁選的干磨干選工藝，高壓輥磨機與風力分級機形成回路，可得到-0.074 mm 含量約為 78% 的細粒產品。

因此，筆者研究采用高壓輥磨機作為該選燒廠干式制粉設備的可行性，擬對現場工藝改造如下：將現有的塊礦和粉礦 2 條生產線合二為一，鐵礦石原料經過破碎回路破碎至 -15.0 mm，再進入高壓輥磨機輥磨，輥磨產品采用干式風力分級，得到 -0.075 mm含量大約為 50% 的干粉，然后進入磁化焙燒系統進行后續處理。

1 試驗研究

1.1 試驗樣品

本次試驗采用的是鏡鐵山鐵礦石原礦，其多元素分析結果如表 1 所列。

表1 鏡鐵山鐵礦石多元素分析結果Tab.1 Multi-element analysis results of Jingtieshan iron ore %

該鐵礦石的化學多元素分析結果顯示，鐵礦石全鐵品位為 31.10%，其中磁性鐵含量為 11.30%，主要的脈石礦物 SiO2含量為 24.98%。

取適量樣品，經實驗室顎式破碎機分別破碎至-26.5 和 -15.0 mm，研究這 2 種入料作為高壓輥磨機試驗入料不同的破碎效果。2 種入料樣品粒度篩分分析結果如圖 1 所示。

圖1 高壓輥磨機試驗入料粒度分析結果Fig. 1 Analysis results of granularity of feed for HPGR test

分析圖 1 可知，2 種入料樣品的粒度分布在雙對數曲線中均近似呈直線形。相對于 -26.5 mm 樣品，-15.0 mm 樣品的粒度更細，細粒級含量更高。-26.5 mm 樣品中 -0.425 mm 含量為 12.87%，-0.075 mm 含量為 7.72%；-15.0 mm 樣品中 -0.425 mm 含量為 16.37%，-0.075 mm 含量為 9.68%，二者分別相差27.2% 和 25.4%。

1.2 開路試驗結果分析

本次高壓輥磨試驗是在一臺φ240-100 mm 實驗室高壓輥磨試驗機上進行的。首先進行開路輥磨試驗，擠壓輥線速度為 0.46 m/s，分析不同入料粒度(-26.5、-15.0 mm) 在不同的擠壓輥比壓力 (2.70、4.05和 5.40 N/mm2) 下的破碎試驗結果。試驗后取產品的中心料和邊緣料 (中心料與邊緣料比例為 6∶4) 進行粒度篩分分析，同時利用扭矩傳感裝置檢測試驗機的運行轉矩，計算輥磨試驗凈比功耗及高壓輥磨試驗機的單位通過量。

2 種粒度樣品在不同擠壓輥比壓力下的凈比功耗試驗結果如圖 2 所示。分析可知，隨著擠壓輥比壓力的提高，凈比功耗也隨之上升。-26.5 mm 樣品的凈比功耗由 0.98 kW·h/t 提高至 1.81 kW·h/t，提高85%；-15.0 mm 樣品的凈比功耗由 0.66 kW·h/t 提高至 1.54 kW·h/t，提高 133%；-15.0 mm 樣品的輥磨凈比功耗相對更低，隨著擠壓輥比壓力的提高，兩者差異由 32% 變化至 15%。

圖2 擠壓輥比壓力與凈比功耗變化關系Fig. 2 Variation relationship between specific pressure of squeezing roller and net specific power consumption

2 種粒度樣品在不同擠壓輥比壓力下的單位通過量試驗結果如圖 3 所示。分析可知，隨著擠壓輥比壓力的提高，輥磨單位通過量隨之降低。-26.5 mm 樣品的單位通過量由 382 t·s/(h·m3) 降低至 361 t·s/(h·m3)，降低 5.6%；-15.0 mm 樣品的單位通過量由 435 t·s/(h·m3) 降低至 396 t·s/(h·m3)，降低9%；-15.0 mm 樣品的單位通過量相對更高，兩者差異由 14% 變化至 10%。

圖3 擠壓輥比壓力與單位通過量變化關系Fig. 3 Variation relationship between specific pressure of squeezing roller and specific throughput

2 種粒度樣品在不同擠壓輥比壓力下輥磨產品粒度變化結果如圖 4 所示。分析可知，隨著擠壓輥比壓力的提高，產品中心料中 -0.075 mm 含量隨之增多。-26.5 mm 樣品的輥磨產品中心料 -0.075 mm 含量由18.31% 提高至 25.91%，增加 41.5%；-15.0 mm 樣品的輥磨產品中心料 -0.075 mm 含量由 18.83% 提高至26.01%，增加 38.1%；-15.0 mm 樣品輥磨產品中心料粒度相對略細，隨著擠壓輥比壓力的提高，兩者差異由 2.8% 變化至 0.4%。

圖4 擠壓輥比壓力與輥磨產品粒度 (-0.075 mm 含量) 變化關系Fig. 4 Variation relationship between specific pressure of squeezing roller and granularity (-0.075 mm content) of HPGR product

1.3 開路輥磨產品粒度分布

-26.5 和 -15.0 mm 樣品經過高壓輥磨試驗后，分別進行不同比壓力下輥磨產品中心料和邊緣料粒度篩分分析，結果分別如圖 5、6 所示。分析可知：中心料粒度分布較細，細粒級含量多；-26.5 和 -15.0 mm入料的輥磨產品粒度分布差異很小。其中 -15.0 mm入料在擠壓輥比壓力為 4.05 N/mm2、擠壓輥線速度為0.46 m/s 的條件下，輥磨產品中心料中 -0.425 mm 含量為 40.84%，-0.075 mm 含量為 24.09%，相比于相同條件下的 -26.5 mm 輥磨產品中心料，其粒度稍細。

圖5 -26.5 mm 樣品高壓輥磨試驗產品粒度分布Fig. 5 Granularity distribution of HPGR test product of -26.5 mm sample

圖6 -15 mm 樣品高壓輥磨試驗產品粒度分布Fig. 6 Granularity distribution of HPGR test product of -15 mm sample

根據開路輥磨產品粒度分布情況，確定采用0.425 mm 的閉路篩，可以使閉路輥磨產品粒度達到 -0.075 mm 含量大約為 50%。后續利用 0.425 mm方孔篩進行實驗室高壓輥磨閉路試驗。

1.4 閉路試驗結果分析

根據開路試驗結果，進行 0.425 mm 方孔篩閉路輥磨試驗，以驗證高壓輥磨機干式制粉產品能否達到工藝要求。

按照圖 7 所示的閉路試驗流程進行試驗，取一定量的 -15 mm 樣品，在擠壓輥比壓力為 4.05 N/mm2、擠壓輥線速度為 0.46 m/s 的條件下，進行第一組輥磨試驗。使用 0.425 mm 方孔篩對輥磨產品進行篩分，篩除 -0.425 mm 產品，在篩上 +0.425 mm 的樣品中添加和篩下產品相同質量新的料樣，在設定的輥磨試驗條件下進行第二次輥磨試驗，依此類推，直至試驗參數達到穩定，即每次返回的 +0.425 mm 產量幾乎一致時，結束閉路輥磨試驗。試驗結果是，閉路試驗 5 次循環之后達到閉路穩定狀態。

圖7 閉路輥磨試驗工藝流程Fig. 7 Process flow of closed-circuit HPGR test

閉路輥磨試驗結果如圖 8 所示。分析圖 8 可知，隨著閉路輥磨試驗達到穩定，凈比功耗穩定在 0.95 kW·h/t，單位通過量穩定在 400 t·s/(h·m-3)，閉路試驗循環負荷穩定在 360%，試驗產品中心料粒度-0.075 mm 含量穩定在 23.35%，-0.038 mm 含量穩定在 18.18%。

圖8 閉路輥磨試驗結果Fig. 8 Results of closed-circuit HPGR test

1.5 閉路輥磨產品粒度分布

閉路輥磨試驗結束后，分別收集 -15.0 mm 樣品輥磨產品的中心料和邊緣料，進行粒度篩分分析，結果如圖 9 所示。

圖9 閉路輥磨試驗產品粒度分布Fig. 9 Granularity distribution of closed-circuit HPGR test product

分析圖 9 可知，閉路輥磨產品粒度分布相對于開路輥磨產品略粗，其中 -0.425 mm 含量為 43.04%，-0.075 mm 含量為 23.35%。

閉路輥磨試驗合格產品為閉路試驗穩定后閉路篩篩下產品，即第 5 組閉路輥磨試驗產品經過 0.425 mm方孔篩篩分后的產品 (-0.425 mm)，對該產品進行粒度篩分分析，結果如圖 10 所示?？芍]路輥磨合格產品中 -0.075 mm 含量為 50.39%，-0.038 mm 含量為 40.03%。說明該粒度達到現場進入磁化焙燒爐的細粉粒度要求，即 -0.075 mm 含量為 50.00%。

圖10 閉路輥磨試驗合格產品粒度分布Fig. 10 Granularity distribution of qualified product from HPGR test

2 高壓輥磨機干式制粉工藝分析

目前在金屬礦山中，高壓輥磨機常作為細碎或者超細碎設備來使用，以取代三段破碎中的細碎，或者在三段破碎后作為超細碎設備使用。

高壓輥磨機終粉磨系統目前在水泥生料、鋼渣微粉和雙摻粉生產中得到廣泛的應用[7]。本次試驗采用 0.425 mm 方孔篩作為閉路試驗篩，得到了較好的研究結果：合格產品粒度達到了現場工藝所要求的-0.075 mm 含量為 50.00%，并且高壓輥磨機的單位通過量達到 400 t·s/(h·m3)，比凈功耗為 0.95 kW·h/t，這為未來該鐵礦選燒廠選擇高壓輥磨干式制粉工藝提供了可靠的試驗數據。

2.1 高壓輥磨干式制粉工藝流程

參考水泥生料高壓輥磨機終粉磨生產流程[8]，高壓輥磨干式制粉工藝流程如圖 11 所示。將現有的塊礦和粉礦兩條生產線合二為一，鐵礦石原料經過破碎回路破碎至 -15 mm 后，進入高壓輥磨機輥磨，輥磨產品首先進入一臺 V 型選粉機分選，粗料輸送至高壓輥磨機上方的混合倉，細料隨氣流進入高效動態選粉機再次分選，分選產生的粗料返回至高壓輥磨機混合倉繼續輥壓，細料收集后，作為干粉成品進入磁化焙燒爐。

圖11 高壓輥磨干式制粉工藝流程Fig. 11 Process flow of dry pulverization with HPGR

2.2 優點

(1) 高壓輥磨產品粒度分布均勻，超細粉含量較低，解決了球磨機濕法制粉產品粒度粗、含泥量大的問題，對于磁化焙燒后的分選作業起到一定的改善作用。

(2) 高壓輥磨機干式制粉經高效選粉機分選之后進入磁化焙燒爐，解決了目前過濾作業運行不穩定、濾餅含水率高、厚度不均勻等現象，滿足了磁化焙燒爐入料含水率的要求。

(3) 將現有的粉礦 (-15 mm) 和塊礦 (+15 mm) 2 條生產線合二為一，所有原料經過破碎回路破碎至 -15 mm 之后，進入高壓輥磨機干式制粉工藝流程進行輥壓和分選處理，工藝流程更加簡化，便于管理和指標控制。

(4) 由于球磨機屬于能耗利用率極低的磨礦設備，而采用高壓輥磨機干式粉磨系統降低了電耗，使生產成本大為降低。

(5) 采用高壓輥磨機干式制粉工藝，在較為干旱的西北地區，可以達到節約水資源的效果，有利于建設綠色礦山。

2.3 存在問題

(1) 該鐵礦真密度為 3.22 g/cm3，相比于水泥生料和礦渣都較大，因此可能會降低風選機的分選效率，實際生產中應選擇大風量和高風速分選機，分選效果更佳，否則會使成品粒度過細，影響生產效率。

(2) 原料含水率會對高壓輥磨干式制粉工藝系統產生影響，影響高壓輥磨機的輥壓效果和分選效果，生產現場需引入熱源對物料進行烘干，這也是未來需要重點考慮的問題。

(3) 相較于濕法磨礦系統，干式制粉工藝會產生粉塵污染等問題，因此生產現場需要設置有效的除塵裝置。

3 結論

(1) 通過實驗室高壓輥磨試驗研究結果表明，對于某鐵礦燒選廠，采用高壓輥磨機干式制粉工藝具有可行性。高壓輥磨機配合高效的選粉設備，可以有效解決選燒廠由于濕法磨礦引起的過濾作業不穩定、產品含水率高、濾餅厚度不均勻等問題；選粉機成品直接進入磁化焙燒作業，既能有效滿足磁化焙燒爐入料含水率低于 11% 的要求，又能滿足其入料細度的要求；可發揮高壓輥磨機本身的高效節能優勢，不僅可以有效降低生產能耗，節約生產成本，簡化工藝流程，便于現場管理，還可以節約水資源，有利于建設綠色礦山。

(2) 高壓輥磨干式制粉工藝也有缺點，比如選粉機分選鐵礦石效率可能較低，造成分選產品粒度偏細；原礦水分對工藝流程產生影響，需要引入熱源對物料進行烘干處理；生產現場有粉塵污染，需要有效除塵等等。

(3) 立式輥磨終粉磨系統在水泥行業同樣應用廣泛，且相比于高壓輥磨終粉磨系統具有設備流程簡單等優勢。但考慮到目前立式輥磨機在金屬礦山行業幾乎沒有應用，而高壓輥磨機在金屬礦山行業尤其是鐵礦石生產中應用較多，因此本文中僅考慮高壓輥磨機終粉磨系統的應用。立式輥磨終粉磨工藝應用于鐵礦石生產中，需要更多的理論試驗研究和應用實例，有待于業內人士進行相關的研究。