不同施载压力下物料颗粒床压载试验

崔少文 郭小飞 郗 悦 张洺睿

（辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁鞍山114051）

矿石粉碎后产品的细度主要由比能耗决定。一般来说，粉碎过程中粉碎加载模式越接近于单颗粒加载粉碎，其能量利用率越高［1］。Schenert 在上世纪基于料层粉碎理论研制了高压辊磨机，其实施的是准静压料层粉碎。当料层受力时，矿石自身作为介质传递压力，受力增大到极限后，颗粒破碎或变形，具有选择性破碎效果，其粉碎产品具有微裂纹多、细粒级含量高和单位破碎能耗低等特点［2-5］。目前，高压辊磨机的选型没有一套简便可靠的方法，对于每个独立的项目都需要从基础的原料矿石性质入手，进行相应的半工业高压辊磨机试验，找寻最优的设备及流程配置，此过程所需矿石原料量巨大，耗时长，费用高，阻碍了高压辊磨机在矿物加工领域的推广应用［6-9］。实验室规模的颗粒床层间粉碎压载试验是研制高压辊磨机粉碎理论基础的基本方法，通过颗粒床活塞压载试验，能够初步模拟矿石的料层粉碎过程［10-11］。本文通过对金矿石、磁铁矿石及钒钛磁铁矿3 种矿石进行不同施载压力条件下的颗粒床活塞压载试验，来建立一种小规模的粉碎模型以预测高压辊磨机工艺性能。

1 试样、设备及原理

1.1 试样及设备

本试验选取金矿石、磁铁矿石及钒钛磁铁矿石作为研究对象，采用由长春材料试验机厂制造的YE-200A 液压式压力试验机进行活塞压载试验，该液压机最大可以提供200 t 的压力，能够满足试验所需。在颗粒床活塞压载试验过程中，试验样品与缸体直接接触的物料受力状态与单纯的颗粒床层间粉碎具有一定的差异。为尽可能减小这种现象对试验最终结果的影响，在每次试验时，保证所用物料满足一定几何参数条件。Kalala 等人研究发现，颗粒床活塞压载试验初始料层厚度应是最大给料粒度的1.5倍［12-14］，不同种类矿石、不同粒级物料所需的样品量不同，粒级越大，密度越大，所需的试验样品质量越多。试验采用特制的硬质合金钢活塞式缸体压载模具，缸体内径为75 mm。所用矿石经实验室型颚式破碎机破碎至设定粒度，并通过筛分设备将每种矿石制备出不同粒级试验物料样品，用作颗粒床活塞压载粉碎试验给料，最大粒度为12 mm。

1.2 试验原理

在颗粒床活塞压载粉碎试验的整个过程中，物料的状态可根据施载状态的变化分为加载和卸载两个阶段。处于加载阶段时，随着压力的增加，物料颗粒所受到的应力增加，在静载高压作用下矿物颗粒被重新排列，相互间的点接触逐渐变为面接触，料层愈加密实，颗粒间的作用力和反作用力不断增加，当作用力超过物料颗粒所能承受的抗压强度时，颗粒开始碎裂，直至加载压力达到最大设定值为止；当物料处于卸载阶段时，物料颗粒间的相互作用力随着加载压力的降低而衰减，由于外部应力的减小，物料会发生一定的反弹膨胀。通过仪器对整个试验过程中施载压力和位移数据进行记录，可得施载压力-位移关系曲线。通过对该曲线进行数值积分计算，能够获得整个试验过程中破碎所消耗的能量，其值等于加载曲线f1(x )与卸载曲线f2(x)所围成阴影部分的面积［14］，见图1。计算公式为

式中：S 为阴影部分面积，大小等于破碎过程中所消耗的总能量；f1(x)、f2(x )分别为试验过程中的加载曲线、卸载曲线。

在不同施载压力下，对每种矿石的不同粒级物料分别进行颗粒床活塞压载试验，能够获得不同的压载试验产品，通过粒度筛析法对各压载产品进行粒度检测，数值积分法计算出每次粉碎过程中颗粒床吸收的能量。本文主要通过比能耗，破碎比Rx及产品的负累计产率来衡量各因素对物料破碎效果的影响。

比能耗Wi为单位质量物料所吸收的能量，单位为J/g，计算公式为

式中，W 为试验过程中物料吸收的总能量，J；G 为试验用矿样质量，g。

破碎比Rx为给料中x%通过的粒度Fx与产品中x%通过的粒度Px的比值，计算公式为

2 试验结果及分析

2.1 活塞压载试验产品的粒度分布

负累计曲线能够在一定程度上反映出施载压力与产品细度间的关系，3 种矿石各粒级物料在不同压载条件下的压载产物粒度负累计曲线见图2～图4。

由图2（a）知，对金矿而言，随着压力增加，细粒级矿物负累计产率增高，粗粒级矿物负累计产率逐渐减小，这种现象说明随着加载压力的增加压载产物中细粒含量增多，粗粒含量减少，产物整体细度增加。由图2（b）、2（c）可知当加载压力超过80 MPa时，随着压力增加，产物的负累计产率先快速增加，受尺寸效应影响矿物中的粗颗粒更易粉碎，导致矿物产品中粗颗粒含量占比较少，负累计产率增加速度下降。

由图3 可知，对磁铁矿而言，随着加载压力的增加，产品的负累计产率明显增加，随着产物粒度的增大，负累计曲线趋势逐渐平缓，负累计产率增加速度逐渐降低，且加载压力越大，负累计产率增加速度降低越快。加载压力为180 MPa时，产品负累计产率增加最快，细粒级含量最多，此时压载效果最好。

由图4 可知，对钒钛磁铁矿而言，随着加载压力的增加和给料粒度的增加，产品的负累计产率增加幅度不同，但各产品负累计曲线趋势基本相同，细粒级产物负累计曲线趋势较陡，负累计产率增加速度较快，粗粒级产物负累计曲线趋势逐渐平缓，负累计产率增加的速度缓慢降低。随着施载压力的增加，产物的负累计产率增加，压力越大，增加速度降低越快，说明随着加载压力的增加，压载产物中细粒含量增多，粗粒含量减少，产物整体细度增加。当加载压力超过80 MPa 时，各压力下的产品负累计曲线基本相同，具有相似的增加幅度及趋势，产物细度随施载压力的增加幅度降低，此时再继续增加施载压力所提供的破碎效果十分有限，即形成能量过饱和现象。

由图2～图4 可知，在试验条件范围内，同一矿物产品的负累计产率变化幅度与给料的粒级有关。给料粒级越小，产物负累计产率变化幅度越小，曲线的变化差异越小，趋势越相近。

产品负累计曲线的变化趋势与矿石种类及加载压力有关。当对金矿施载超过80 MPa 压力时，在小于某一粒度时，随施载压力的增加，产品负累计产率增加，压力越大增加速度越快，当超过该粒度后，随施载压力的增加产品负累计产率增加速度降低，且压力越大增加速度下降越快；这一粒度主要受给矿粒级影响，给矿粒级越小，该粒度越小，给矿粒级增大，该粒度随之增大。施载压力对金矿产品负累计产率的影响明显，即对金矿物料细度的改变效果明显。当试验矿样为磁铁矿、钒钛磁铁矿时，随施载压力的增加，产品负累计产率逐渐增加，施载压力越大，增加速度越快，负累计曲线斜率变化越明显。

2.2 加载压力与比能耗及破碎比的关系

图5至图7给出了3种矿石各粒级物料在颗粒床活塞压载试验中的比能耗及R50、R80随施载压力变化的关系。

由图5 可知，在试验条件范围内，比能耗随加载压力的增加而增加，加载压力小于120 MPa时比能耗稳定增加，超过120 MPa后增加速度剧增。由图5（a）可知，随加载压力的增加R50和R80增加，但增加幅度很小，主要是由于尺寸效应［15］导致试验前后矿物粒度变化不明显。由图5（b）、5（c）可知，随施载压力的增加，R50增加，R80缓慢增加。造成这种现象的主要原因是在加载压力为80～120 MPa 时，破碎比变化幅度很小，物料破碎基本完成，导致压力继续增加时，比能耗继续增加而物料细度不再有明显变化，能量过饱和。

由图6 可知，在试验条件范围内，随着加载压力的增加，比能耗增加，且增加速度逐渐加快，趋势变化明显，在180 MPa 时达到最大值；随施载压力的增加，R50小幅增加；随加载压力的增加R80小幅增加，大于80 MPa 后增加速度加快，在180 MPa 时达到最大值。导致试验前后物料粒度变化不明显，比能耗大幅增加现象的主要原因是在加载压力为80 MPa时物料已基本完成破碎，加载压力继续增加时形成能量过饱和。

由图7 可知，在试验条件范围内，随加载压力的增加，比能耗先缓慢增加，后快速增加，粒级越大，改变比能耗增加速度所需的压力越大，在180 MPa时比能耗达到最大值。随加载压力的增加，R50先趋于稳定后逐渐增加，在180 MPa时达到最大值。随着粒级的变化，维持R50趋于稳定的压力逐渐降低，即粒级越小改变R50增加速度所需的压力越大。随加载压力的增加，R80趋于稳定。

综上，随着加载压力的增加，比能耗增加，两者具有较好的线性关系。结合破碎比分析可知，当加载压力在80～120 MPa 时，矿物颗粒已经基本完成破碎，此时随着施载压力的增加，会形成能量过饱和，进一步加大能耗输入所产生的破碎效果十分有限。

随加载压力的增加，破碎比增加，在压力增加到一定程度后破碎比增加速度降低或趋于平稳，不再增加，两者具有一定的线性关系，但变化趋势主要受矿石粒级和类型影响。

R50、R80都可在一定程度上反映试验前后物料粒度的变化情况，给料粒级对R50的变化情况影响更大，当给料粒级较窄时，R50的数值变化较小，当给料粒级较宽时，R50数值变化较大；与之相比，给料粒级对R80的影响相对较小，在不同施载压力条件下的变化趋势较为稳定。

3 结 论

活塞压载试验中，随着加载压力的增加，矿物所吸收的比能耗增加，两者具有较好的线性关系；随加载压力的增加，物料破碎比增加，在压力增加到一定程度后破碎比增加速度降低或趋于平稳。随着给料粒度的变化，同等压力条件下，粉碎物料所需的比能耗逐渐降低，破碎比逐渐降低，R50的变化趋势较小，给料粒度对R50的影响大于R50。不同种类矿石在同等施载压力条件下破碎效果不同，即在同等施载压力时，金矿石产品细度的增加幅度大于磁铁矿和钒钛磁铁矿。

该试验结果为高压辊磨机的工业参数选型提供了实验室研究基础，为进一步建立预测高压辊磨机单位功耗及产品粒度的计算模型奠定了基础，对高压辊磨机的推广应用及选型研究具有重要理论意义。