单传动辊压机破碎极贫磁铁矿石产品粒度特性研究①

张建乐，黄业豪，王誉树，李翠芬

（河南省岩石矿物测试中心，河南 郑州 450012）

高压辊磨因处理能力大、能耗低、产品粒度均匀、环境友好等特点，受到广泛推崇与青睐［1－2］。高压辊磨机与传统的辊式破碎机基本结构相似，工作原理上的最大区别是前者两辊间保持一定的缝隙，形成料层粉碎［3］，后者两辊间几乎没有缝隙，为单颗粒或单层粉碎。在阻止动辊的位移方面，高压辊磨机采用液压，向料层施加的反压为定值，传统辊破机采用弹簧，向颗粒施加的反压不固定，与弹簧的形变量成正比。单传动辊压机是一种使辊间保持一定缝隙的大型辊式破碎机，除采用单辊驱动和弹簧组保压机构外，其他与高压辊磨机相似。辽西某特大型极贫磁铁矿山，日采破矿石量达15万吨，按采区不同共设有9个破碎站，除2号站为处理能力40 000 t／d的由旋回破碎机和圆锥破碎机组成的三段一闭路破碎车间外，其他各站均为颚式破碎机和反击式破碎机组成的简易型三段闭路或开路破碎系统，每站处理能力均在10 000 t／d以上，产品粒度－20 mm。为降低破碎产品粒度，提高干式预磁选指标，2012年在9号站单独闭路配置了1台DG－1400／650单传动辊压机，该机辊径1 400 mm、辊宽650 mm，堆焊辊面，装机功率630 kW，空载辊隙10 mm，工作辊隙16～35 mm。本文利用该机对除2号站外其他8个破碎站的最终破碎产品分别进行开路破碎工业试验，研究了单传动辊压机破碎产品的粒度分布特性。

1 矿石性质

矿石自然类型主要为辉石角闪岩型极贫铁矿石，少量为磁铁石英岩型铁矿石。矿石中有用矿物主要为磁铁矿，含少量赤铁矿、褐铁矿、黄铁矿；脉石矿物主要为角闪石、辉石、石英、斜长石。矿石结构以中粒变晶结构为主，少量为粗粒变晶结构。磁铁矿和石英等粒状矿物定向排列于片状或柱状矿物间构成片麻状和条带状构造，也有呈单矿物分散赋存于辉石和角闪石矿物间构成浸染状构造。全区辉石角闪岩型极贫铁矿石地质样品主要化学成分测试结果见表1。

表1 辉石角闪岩型极贫铁矿石主要化学成分（质量分数）／%

从9个破碎站分别选取块状未风化的矿石测试普氏硬度，结果见表2。各站矿石普氏硬度系数均在12以上，其中7个达到15以上，说明全矿区大部分原生矿石较硬，少部分为中等偏硬。

表2 矿石普氏硬度系数测试结果

2 辊压机破碎工业试验

2.1 试验方法

拆去生产系统中与辊压机构成闭路的筛分机筛网，使原闭路破碎流程变为开路破碎。分别取8个站最终破碎产品各约50 t给入储料仓，通过胶带输送机给入辊压机进行连续开路破碎，运行达到稳定时，在线多次截取给矿胶带和排矿胶带上的物料分别作为原矿样和产品样，全部进行筛析。

2.2 产品粒度特性分析

辊压机给矿样品F1～F9累积粒度特性曲线见图1，破碎产品P1～P9累积粒度特性曲线见图2。破碎前后各粒级产率变化见表3，破碎后产品中新增粒级累积粒度特性曲线见图3。

图1 给矿累积粒度特性曲线

图2 产品累积粒度特性曲线

表3 各样品破碎前后各粒级产率变化

图3 产品中新增粒级累积粒度特性曲线

由图1可见，给矿粒度分布大致可分为2组，其中F3、F5和F7粒度分布较细，其余给矿粒度分布相对较粗。由图2和表3可以看出，破碎后8个样品产品粒度分布特性接近，与给矿粒度分布似无对应的相关关系，产率获增粒级的粒度上限为6 mm、4 mm或3 mm，粒级产率新增最多的是－0.35＋0.075 mm粒级。从图3可以看出，给矿粒度较细的F3、F5和F7破碎后新增－6＋3 mm粒级产率较小，其余各样品相对较大，导致所有破碎产品粒度分布特性趋于一致。结合表2，似辊压机给矿粒度分布和矿石硬度对破碎产品粒度分布均无明显影响。这一现象与早期研究发现的高压辊磨产品粒度分布的自相似性吻合，即高压辊磨产品粒度分布具有一种不受给料粒度分布、辊速和水分变化影响的自相似性分布［4］。

2.3 产品粒度特性方程

尝试用传统的R-R粒度特性方程描述单传动辊压机破碎产品的粒度分布规律［5－6］：

式中R为大于x粒级的正累积产率，%；x为矿粒直径或筛孔宽，mm；b为与产物粒度有关的参数；n为与物料性质有关的参数。

对8个破碎产品通过对数变换和一元线性回归求出相应的b和n，并计算出拟合度判定系数R2，结果见表4，其中综合产品数据是8个产品的加权平均值。按实测值和式（1）计算值绘制的综合破碎产品累积粒度特性曲线如图4所示。

表4 单传动辊压机破碎产品粒度特性方程参数

图4 产品实际累积粒度特性曲线和模型曲线

由表4和图4可见，R-R粒度特性方程可较好地描述单传动辊压机破碎产品的粒度分布特性。

对8个破碎产品中新增－4 mm粒级（表3）的粒度分布按式（1）进行回归计算，相应参数见表5（其中P9为新增－3 mm粒级）。由表5可见，各样品回归方程的拟合度判定系数R2普遍高于表4，说明产品中新增－4 mm粒级的粒度分布更符合式（1）。由于辊压机排矿有中料（料饼）和边料之分，边料受到的料层粉碎作用明显较小，因此，产品中新增－4 mm粒级主要来自中料，是辊压破碎的真正产品，这更说明R-R粒度特性方程适用于描述单传动辊压机破碎产品的粒度分布规律。

表5 单传动辊压机破碎产品中新增－4 mm粒级粒度特性方程参数

2.4 给矿粒度上限

将8个辊压机给矿按所含＋20 mm粒级产率排序，由低到高顺序选择相邻两个样作加权平均，同时加权计算出对应产品中新增或新减粒级产率的合计值。随机取9号站第2段破碎产品约50 t（简称9号副样）按同样方法破碎、取样和筛析。根据筛析，前8个给矿中最大颗粒直径不大于30 mm，破碎后＋20 mm粒级产率均为0；9号副样中最大颗粒达60 mm，破碎后＋20 mm粒级产率仍有8.89%。

以给矿中＋20 mm粒级产率为横坐标、破碎产品中新增或新减各粒级产率的合计值为纵坐标作图，见图5。由图5可见，当给矿中＋20 mm粒级产率由0.82%增至2.71%时，产品中新增或新减粒级合计产率由23.64%激增至47.22%；当给矿中＋20 mm粒级产率由2.71%增至5.81%时，产品中新增或新减粒级合计产率由47.22%增至53.53%，增速明显放缓；当给矿中＋20 mm粒级产率增至22.51%时（9号副样），产品中新增或新减粒级合计产率大幅降至16.69%。

图5 给矿中＋20 mm粒级产率对辊压破碎的影响

上述结果说明给矿粒度上限对单传动辊压机破碎产品粒度分布有显著影响。适宜的给矿粒度上限为30 mm。在－30 mm粒级范围内，＋20 mm粒级破碎率达100%，但其在给矿中的产率不宜超过10%，产率过大对整体破碎效果不利。粒度上限超过30 mm时，除自身不利于辊压破碎外（易扩大辊隙），给矿中＋20 mm粒级产率也会明显增加，两者结合在一起更会减弱辊压机的料层粉碎作用。事实上给矿粒度上限的影响可能与破碎辊长度、直径、辊压和水分含量等都有关系，但本文不作讨论。

3 辊压机与球磨机产品粒度特性初步比较

现场第一段磨选生产共8个系列，磨矿采用MQG3245格子型球磨机，与ZK3060直线振动筛（筛孔3 mm）构成闭路。磨矿新给矿为各破碎站最终产品的混合物，处理量约250 t／h，磨矿浓度85%～90%。取在线生产中2＃和5＃系列球磨机排矿样分别进行筛析，将辊压机破碎产品综合样和2台球磨机排矿样的负累积粒度特性曲线同绘于图6中。由图6可见，单传动辊压机破碎产品与球磨机磨矿产品粒度分布特性总体接近，前者粒度分布相对略粗。

图6 单传动辊压机与球磨机产品累积粒度特性曲线比较

由于辊压机破碎为开路破碎（处理量约300 t／h），产品中含有一定量未充分破碎的边料，故粒度分布偏粗。球磨机系闭路磨矿，返砂也导致其产品粒度增粗，但给矿为9个破碎站产品的混合物，其中2号站采用旋回破碎机及圆锥破碎机闭路破碎，产品粒度－10 mm，产量约占破碎总产量的1／4，因此磨机给矿粒度组成相对辊压机更为有利。在这种情况下对比，单传动辊压机破碎产品的粒度分布已令人满意，若对其进行预磁选将会获得较好指标。

4 结 语

1）单传动辊压机对辉石角闪岩型极贫铁矿石破碎产品的粒度分布特性具有自相似性，在给矿粒度上限小于30 mm范围内（其中＋20 mm粒级产率不超过10%）几乎不受给矿粒度分布和矿石硬度的影响，且符合R-R粒度特性方程。当给矿中＋20 mm粒级产率大于10%或给矿粒度上限大于30 mm，辊压机的料层粉碎作用会明显减弱。

2）开路条件下，单传动辊压机破碎产品与现场闭路条件下格子型球磨机排矿产品的粒度分布特性相近，其新增粒级的粒度上限为3～6 mm。作为第四段破碎作业，通过闭路控制其最终产品粒度（－5＋3 mm）后可对原矿进行磨前湿式预磁选，从而可大幅降低整体选矿成本。