磷酸装置磷矿筛分破碎流程选择与设备选型

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

磷矿石筛分破碎是磷酸装置磨矿前的准备作业，是磷酸装置磷矿加工工序的重要组成部分。为了降低能耗，工艺设计力求“多碎少磨”。根据磷矿进厂粒度和磨机允许进料粒度的不同，常见的筛分破碎流程为两段开路流程、两段闭路流程、三段开路流程、三段闭路流程。常用的筛分设备的主要类型有振动筛、固定筛、滚轴筛；常用的破碎设备主要类型有颚式破碎机、旋回破碎机、反击式破碎机、锤式破碎机、圆锥破碎机、对辊破碎机。设计人员应结合磷矿石的硬度、磨矿工序需要的粒度，合理选择筛分破碎流程和设备。事实上，国内部分磷酸装置运行后，出现了破碎机碎矿产品粒度过粗、磷矿加工工段能耗高、设备维修费高等问题，不得不对磷矿筛分破碎系统进行改造[1]。以广西某半水-二水法磷酸项目为例，分析确定筛分破碎流程，对比各种设备的优缺点，提出了适合半水-二水法磷酸装置干法磨矿工艺的磷矿石筛分破碎流程与设备选型，探讨了交叉筛、对辊破碎机用于磷矿石筛分破碎的可行性。

1 磷矿石特性和来源

磷矿在工业上的应用已有一百多年的历史。按其成因不同，磷矿石可分为磷灰石和磷块岩。磷灰石是指磷以晶质磷灰石形式出现在岩浆岩和变质岩中的磷矿石。磷块岩是指由外生作用形成、由隐晶质或显微隐晶质磷灰石及其他脉石矿物组成的堆积体。

中国的磷矿主要分布在云南、贵州、四川、湖北和湖南五省，国外主要分布在美国、前苏联和摩洛哥。云南、贵州、四川磷矿石硬度中等，普氏硬度一般为7，湖北矿的硬度高，普氏硬度达12[2]，相差很大。在选择筛分破碎流程和设备选型时，应充分考虑到磷矿石的硬度、粒度。

该项目位于广西，采用云贵磷矿石，进厂粒度大部分小于200mm，少量在200～400mm之间。有的磷酸厂因矿山供应的磷矿块度为400～800mm，甚至在1 000mm以上，因此，不得不上三段甚至四段破碎，造成原料处理工序投资过高、破碎设施占地面积太大、电耗高等后果。因此，磷酸厂应与矿山达成供矿协议，对粒度做出严格限制，要求磷矿块度不大于100mm或者更小。

表1 矿石硬度

2 筛分破碎工艺

2.1 破碎段数和流程

对于选矿厂来说，一般使1 500～350mm物料破碎到350～100mm为粗碎，破碎到100～40mm为中碎，破碎到30～10mm为细碎。该项目半水-二水法磷酸装置要求干矿粉进料[3]，磨矿处理后要求粒度小于100目的磷矿石占比大于80%，为保证磨矿产品细度，要求进磨机磷矿石粒度小于15mm，显然破碎需采用3段破碎流程。为了降低破碎机操作负荷，避免产生过磨现象，破碎前应设置筛分，破碎作业和筛分作业共同组成破碎段，破碎流程见图1。

图1 破碎筛分流程

2.2 闭路破碎和开路破碎的选择

图1流程(a)为开路流程，其最终产物粒度较粗，但流程简单，设备台数少，投资较低。图1流程(b)为闭路流程，与开路流程相比，所需设备台数多，设备布置复杂，投资较高，但其破碎产物细，有利于提高后续工段磨机的生产能力，降低研磨过程总能耗和生产成本。国内有多个磷酸项目因为磷矿石破碎筛分工段设计不合理，造成磨矿产品细度、磨机处理能力达不到要求。为可靠起见，该项目选择闭路破碎流程[4]。

2.3 闭路破碎流程系统能力的确定

该项目入磨机能力为180t/h，根据经验检查筛返料量，保证其不超过10%，可以计算出各级筛分机和破碎机的能力，物料平衡见图2。

图2 物料平衡

从图2可知，闭路破碎流程中各段筛分机和破碎机能力是不同的，表2列出了各级筛分机和破碎机的系统能力。理论上，Ⅰ段和Ⅱ段破碎机的破碎能力应不低于Ⅰ段和Ⅱ段筛分机处理能力的80%，而检查筛分和Ⅲ段破碎机的能力需要根据10%的筛分返料量计算，可取160t/h。

表2 筛分机和破碎机的系统能力

3 破碎机机械的类型

3.1 颚式破碎机

颚式破碎机的工作部分由固定颚和可动颚组成(或由双动颚组成)，当可动颚周期性靠近固定颚时(或双动颚周期性互相靠近时)，则借压碎作业将装于其间的物料破碎。应用最为广泛的颚式破碎机有两种型式：动颚做简单摆动的曲柄双摇杆机构颚式破碎机、动颚做复杂摆动的曲柄摇杆机构颚式破碎机。

3.2 旋回破碎机和圆锥破碎机

旋回破碎机和圆锥破碎机的破碎部件是由不动的外圆锥和可动的内圆锥组成，内圆锥以一定的偏心半径绕外圆锥中心线做偏心运动，物料在两锥体之间受压碎和折断作用而破碎。旋回破碎机和圆锥破碎机的工作原理基本相同，只是破碎腔的形状、动锥的悬挂方式、防尘装置、排料口调节方式等某些零部件的结构有所不同。

3.3 对辊破碎机

物料介于两个平行且相向转动的圆柱形辊子之间，由于摩擦力的作用，物料被带入两辊之间的破碎空间，使物料受压碎(光辊)或劈碎(齿辊)的作用而破碎。如果两个辊子转动线速度不同，还有磨碎作用。对于单辊破碎机来说，除了有压碎和劈碎作用外，还有剪力的折断作用。

3.4 锤式破碎机和反击式破碎机

利用机器上高速旋转的锤子的冲击作用和物料在冲击过程中获得动能后，以高速冲向固定不动的衬板的作用及高速运动物料相互碰撞的作用，使物料沿其自然裂隙和节理面等脆弱部而破碎。

4 破碎机的选择

破碎设备类型的选择和规格的确定主要与所处理磷矿石的物料性质(硬度、密度、黏性、含黏土量、水分、给矿的最大粒度等)、处理量、破碎产品粒度以及设备配置等因素有关。所选用的破碎设备必须满足破碎产品粒度、设计处理量和适应给矿中最大矿块的要求。

4.1 粗碎破碎机的选择

矿石粗破碎机一般采用颚式破碎机或旋回破碎机，当处理中等硬度的磷矿石时也可采用反击式破碎机。

颚式破碎机的优点是构造简单、质量轻、价格低廉、便于维修和运输、外形高度小、需要厂房高差小；在工艺方面，工作可靠、调节排矿口方便、破碎潮湿矿石及含黏土较多的矿石时不易堵塞。缺点是衬板易磨损、破碎产品粒度不均匀、过大块多。

与颚式破碎机相比，旋回破碎机的优点如下：其电耗低、处理量大，在同样给矿口与排矿口条件下，旋回破碎机处理量为颚式破碎机的2.5～3倍；破碎腔内衬板磨损分布均匀；破碎产品过大块少、粒度均匀。缺点是设备构造复杂、机身重、设备高、厂房高。

4.2 中碎破碎机的选择

对于中等可碎性磷矿石中碎设备，可以选择标准型圆锥破碎机、反击式破碎机、锤式破碎机。

圆锥破碎机破碎力大、破碎比大，容易实现过铁保护和排矿口自动调节，缺点是液压系统和动锥支撑结构的制造比较复杂，适合处理量大的工况。

锤式破碎机和反击式破碎机适用于破碎中硬矿石，特别是易碎物料，其优点是体积小、构造简单、破碎比大、电耗低、产品力度均匀，缺点是板锤和反击板容易磨损，需要经常更换。

4.3 细碎破碎机的选择

对于中硬、坚硬矿石细碎设备，可以选择细碎颚式破碎机、短头型圆锥破碎机、高铬对辊破碎机。

复摆型细碎颚式破碎机齿板寿命长、能耗低，其产品粒度均匀，处理能力小。

短头圆锥破碎机破碎力大，容易实现过铁保护和排矿口自动调节，出料粒度小，处理能力大。

传统对辊破碎机适合破碎脆性物料或避免过粉碎的物料，其优点是构造简单、容易制造，缺点是滚筒易磨损。若采用高铬合金铸铁辊子，对辊子表面进行调质和热处理，对辊破碎机辊子的寿命可超过16个月[5]，破碎后的粒度均匀、稳定，适合磷矿石细碎破碎，但每小时处理量较少。

4.4 破碎机对比

破碎机对比见表3。

表3 破碎机对比

续表

由于该项目磷矿石硬度不高，从降低设备投资的角度，粗碎应选择颚式破碎机，中碎应选择锤式破碎机或者反击式破碎机，细碎应选择锤式破碎机或反击式破碎机。

4.5 破碎机型式确定

破碎机的生产能力与磷矿石的物理机械性质、破碎机的结构参数和工作条件有关，主要因素是磷矿石硬度、松散密度、黏性、黏土含量、水分、最大给料粒度、处理量、产品粒度、希望的破碎比、选择的破碎机种类等。一般先根据相关手册经验公式计算设备处理量，再按照制造厂产品样本标定的名义生产能力，并根据实际工艺设计条件提供的资料加以校核、选择型号。

粗破碎机处理能力较小，应选择颚式破碎机。虽然旋回破碎机也适合用于粗碎，但其更适用于矿山选矿的大处理量的粗碎。

4.5.1中碎破碎机型式确定

中碎处理量144t/h，进料粒度小于200mm，出料粒度小于30～80mm，辊式破碎机处理能力过小，标准型圆锥破碎机投资过高，中碎破碎机型应选择锤式破碎机、反击式破碎机。

4.5.2细碎破碎机型式确定

细碎处理量160t/h，进料粒度小于80mm，出料粒度小于15mm，细碎颚式破碎机处理能力低，短头型圆锥破碎机设备投资高，细碎破碎应选择锤式破碎机、反击式破碎机。

5 筛分机械的类型

按构造与工作原理的不同，适合磷矿石筛分的常用筛分机有如下类型。

5.1 固定筛

固定筛有格筛和条筛两种型式，格筛多用于原矿受矿仓及粗破碎矿仓的上部，主要用于控制矿石粒度用，条筛多用于粗碎和中碎前的预先筛分。

5.2 滚轴筛

滚轴筛常用于粗粒物料的筛分作业，适合筛分软、中硬物料，其优点是不堵筛，缺点是设备笨重、筛分料率较低、滚轴磨损快。

5.3 振动筛

振动筛一般由振动器、筛箱、隔振装置、传动装置等部分组成。振动筛具有长方形的筛面，安装在筛箱上。筛箱及筛面在振动器的作用下，产生圆形、椭圆形或直线型轨迹的振动。由于筛面的振动使筛面上的物料层松散并离开筛面抛起，使细粒级能透过料层下落，再通过筛孔排出，并将卡在筛孔中的颗粒振出，除产生筛分作用外，还会使物料向前运动。

常用的矿用振动筛有惯性振动筛、自定中心振动筛、重型振动筛、圆振动筛、直线振动筛。振动筛分类见表4。

表4 振动筛分类

5.3.1惯性振动筛

惯性振动筛的振动器安装在筛箱上，随着筛箱上、下振动，给矿量的不稳定会影响筛分效率，处理量较小。

5.3.2自定中心振动筛

自定中心振动筛的优点是结构简单、容易制造、筛面振动强烈、筛分效率高；缺点是对建筑物产生较大振动、处理量较小。

5.3.3重型振动筛

重型振动筛适用于筛分大块度、密度大的矿石，筛分效率高于固定筛，但设备投资高。

5.3.4圆振动筛

具有圆形轨迹的惯性振动筛为圆振筛，筛面为倾斜布置，当筛面做圆形轨迹振动时，物料也随着筛面振动呈抛起、落下，进而向前运动。卡在筛孔中的物料可以跳出，筛面不易堵。

5.3.5直线振动筛

直线振动筛的筛面是水平安装，运动轨迹为直线，筛分效率高。

5.4 筛分机对比

筛分机对比见表5。

表5 筛分机对比

考虑到超大块占比低，为了降低设备投资，Ⅰ段筛分采用固定筛，Ⅱ段筛分、Ⅲ段筛分、检查筛分采用圆振动筛或直线振动筛，但因圆振动筛筛分效率更高，所以，Ⅱ段筛分、Ⅲ段筛分、检查筛分选择圆振动筛。

6 探讨

6.1 对辊破碎机的应用

对辊破碎机被认为不宜破碎坚硬物料，通常用作中硬或松软物料的中碎、细碎，其优点是能够破碎黏湿物料、不堵料、粉尘释放少。云南某磷酸项目对辊破碎机辊子采用高铬合金铸铁，经热处理、调质处理后，辊子表面硬度达到HRC62～ HRC65，能够承受150MPa 的碾压力，使用半年后辊面未见明显磨损，说明提高传统对辊破碎辊子的硬度后，辊式破碎机能够满足磷矿中碎和细碎的需要。

6.2 交叉筛的应用

交叉式细粒滚轴筛(简称交叉筛)根据等厚筛分法原理设计，用于磷矿粗筛(50mm分级)和细筛(15mm分级)，其筛面是由多组同向旋转的筛轴组成，每根筛轴安装若干等距筛片，相邻筛轴上的筛片交叉排列。与振动筛相比，交叉筛不易堵料，设备高度低、土建投资低、筛分过程中粉尘释放少，与传统滚轴筛相比，交叉筛的筛片耐磨，使用寿命长，可用于磷矿石的粗筛、细筛和预先筛分。

7 结语

磷酸装置磷矿筛分破碎流程的选择与设备的选型应根据磷矿的物料特性、处理能力、设备结构特点、设备土建投资等综合确定。对于云贵和四川块状松软、中硬磷矿石，筛分破碎流程应选择三段闭路流程。粗筛应选择固定格筛或棒条筛，Ⅱ段筛分可采用圆振筛、直线振动筛或交叉筛，Ⅲ段筛分和检查筛可采用圆振筛、直线振动筛。粗破应选择颚式破碎机，中碎和细碎可采用锤式破碎机、反击式破碎机或对辊破碎机。