CO2 高速卸荷粉碎磁铁矿石产品的粒度分布与分形维数研究

常 一 杨 阳 许 鹏 张耕豪

(北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083)

铁矿石是工业生产中重要的基础性原料[1-4]。 采出的铁矿石通常需要进行破碎磨矿作业,以提高矿物解离度[5-8]。 目前,铁矿石碎磨仍以传统机械碎磨为主,存在高能耗、低效率等问题[9-12],生产成本较高。因此,开发低能耗、高效率的矿石碎磨新技术具有重要的现实意义。

传统机械碎磨方法多以冲击、磨削、挤压等方式实现矿石的破碎粉化,而高压气体高速卸荷方法以拉伸破坏为主,具有大幅降低铁矿石碎磨能耗的潜能。采用该方法实现矿石粉化,最早由中国科学院提出[13-14]。 该方法通过向矿石内部注入高压气体,随后瞬间卸荷,在毫秒量级时间实现矿石跨尺度破坏,从而产生微米量级颗粒。 相比于其他气体,二氧化碳气体在液态密度和气态扩散率方面具有特殊性质,这对矿石的微米级破碎至关重要[15]。

虽然,已有试验证明了高压气体高速卸荷法粉化铁矿石的可行性[16-17],但是,以特征粒径或平均粒度描述粉体颗粒的整体粒度分布,不仅忽视了大尺寸与小尺寸颗粒对整体分布的影响,而且缺乏粒径分散度信息。 本试验以某超贫磁铁矿石为原料,以液态二氧化碳为工作物质,引入Rosin-Rammler 分布函数和分形维数,系统地分析液态二氧化碳不同渗透压力下所得产品的粒度分布。

1 试验原理、材料与试验过程

1.1 试验原理

液态二氧化碳具有黏性低、渗透性与扩散性强、膨胀速率高等特点[18-19],而铁矿石内部随机分布的孔隙与贯穿通道为高压液态二氧化碳渗入与存储提供了场所。 当矿石置于高压料仓中,注入的液态二氧化碳可不断渗入矿石内部,直至矿石内外压力平衡。在高速卸荷过程中,矿石随二氧化碳高压气流一同喷出料仓。 矿石外部的二氧化碳压力迅速降低,而内部压降相对缓慢,在毫秒量级时间内,高压力梯度使矿石得以粉化。 高压二氧化碳高速卸荷制备矿石粉末的设备内部示意如图1 所示。

图1 高压二氧化碳高速卸荷制备矿石粉末设备内部示意Fig.1 Internal schematic diagram of high-pressure carbondioxide high-speed unloading equipment for preparing ore powder

1.2 试验材料及条件

试验材料为河北承德某超贫磁铁矿石,全铁品位12.34%。 力学参数测定的试件为ϕ50 mm、高分别为25 mm 和100 mm 的圆盘或圆柱,主要力学参数见表1。

表1 试件的力学参数Table 1 Mechanical parameters of extremely poor magnetite

液态二氧化碳的压力为能量输入的决定性参数,直接影响矿石的粉化效果。 本研究的渗透压力分别为6、8、12 MPa,矿石质量为1 200 g、尺寸为3～5 cm,隔爆片厚度为3 mm,渗透时间为30 min,高压料仓容积1.659 dm3。

1.3 试验过程

高压液态二氧化碳高速卸荷粉化铁矿石试验过程分为4 个阶段:① 将矿石放入高压料仓并安装炸药,锁紧并检验气密性。 ② 在泄放端安装隔爆片,将高压料仓与收集仓连接并固定。 ③ 连接高压管线,充装液态二氧化碳,待压力稳定后拆除高压管线;连接导线,引爆炸药;高压料仓内压力迅速上升,隔爆片被剪断;矿石随高压气流一同喷出,并在毫秒量级时间内膨胀粉化为微米量级颗粒。 ④ 打开收集仓,取出粉体并筛分。

2 试验结果与分析

2.1 筛分分析

超贫磁铁矿石与粉化产品如图2 所示。 粒径分布影响着粉体的物理与力学性质,其中磁性特征受粒度影响尤为突出[20-22]。 不同二氧化碳渗透压力下产品的粒径分布如表2 所示。

表2 不同渗透压力下矿石粉末粒度分布Table 2 Particle size distribution of ore powder under different osmotic pressures

图2 超贫磁铁矿石粉化前后对比Fig.2 Comparison diagram of extremely poor magnetite before and after pulverization

由表2 可知,3～5 cm 的矿石样品采用高压二氧化碳高速卸荷方法粉碎,一次作业可产生产率超40%的-0. 5 mm 粉体颗粒;二氧化碳渗透压力由6 MPa 提高至12 MPa,产品-0.045 mm 粒级产率提高,说明提高二氧化碳压力可一定程度上促进试样的粉化;按表2划分粒级,产品的最粗、最细及中间粒级(0.15～0.5 mm)产率均较高;渗透压力较小(6 MPa)情况下,产品-0.045 mm 和+4 mm 粒级产率较其他压力下低,0.15～1 mm 粒级产率较高,产品粒度呈一定程度的中间集中趋势;渗透压力较大(12 MPa)情况下,产品-0.045 mm 和+4 mm 粒级产率较其他压力下高,0.15～1 mm 粒级产率较低,产品粒度分布不均匀;渗透压力8 MPa 情况下,产品粒度分布介于二者之间。

2.2 粉化产物粒度分布特性

罗森—拉姆勒分布函数(Rosin-Rammler 分布函数,简称R-R 分布函数)是与特定的粒度频数分布密切结合的经验式,根据已有研究可知,岩碴、尾矿等粉体颗粒粒径分布服从R-R 分布函数[23-24]。 为准确科学地描述本试验产品的粒度特性,对各次试验获取的铁矿石粉末粒度分布数据进行R-R 分布函数拟合。试样在不同的液态二氧化碳渗透压力下粉碎产品的R-R 分布函数拟合曲线、拟合所得R-R 分布函数方程、特征粒径(De)、均匀性指数(n)、相关系数(R2)等参数如图3 所示。

图3 不同液态二氧化碳渗透压力下粉碎产品的R-R 分布函数拟合曲线Fig.3 R-R distribution function fitting curve of grinding products under different CO2 osmotic pressure

由图3 可知,R-R 分布函数对试验产品的粒径分布曲线拟合度较高,3 个压力条件下拟合所得函数的相关性系数分别为0.991、0.986、0.988;均匀性指数n随着二氧化碳压力的提高而减小,表明产品颗粒分散度、粒径分布范围均变大,颗粒粒径更加不均匀,细粉与大颗粒含量更多,粒度曲线“W”形状更显著;产品特征粒径De随着二氧化碳压力的提高而增大,从6 MPa 时的1. 875 mm 增大到12 MPa 时的2.382 mm。

2.3 粒度分布的分形分析

同一种物料以相同方式粉碎制备的粉体,其粒度分布一般有分形特征,即具有自相似特征[25-26],则有

式中,Z(x)为粉体中粒径为x的颗粒的产率,%;x为颗粒粒径,mm;b为常数。 对式(1)进行对数变换得

可见,lg(Z(x))与lg(x)呈线性关系,线性方程的斜率为b。 根据斜率b值求得粒度分布的分维值

根据试验得到的粉体累计粒度分布数据,应用式(2)和最小二乘法计算分维值和相关系数R2。 图4所示为累计粒度分布数据的线性拟合结果,相关系数R2均大于0.95,呈现良好的线性相关性,表明通过高压液态二氧化碳高速卸荷方法制备的铁矿石粉末具有自相似性和分形特征。

图4 累计粒度分布数据线性拟合结果Fig.4 Linear fitting graph of cumulative particle size distribution data

由图4 可知,二氧化碳压力为6 MPa 时,根据试验数据计算得到的斜率最大,为0.457;通过式(3)计算得到的分维值D=3-0.457=2.543。 同理,压力在8 MPa 与12 MPa 时对应的斜率分别为0.378、0.351,分维值分别为2.622、2.649。

图5 为分形维数与-0.045 mm 粒级产率随压力变化的情况,可见,二者随着二氧化碳压力的提高而增大,说明产品细粉产率越高,粉体粒度分布的分形维数越大。

图5 分形维数及-0.045 mm 粒级产率随压力的变化Fig.5 Fractal dimension and -0.045 mm particle size productivity with the pressure variation

3 结 论

(1)高压液态二氧化碳粉化技术可在毫秒量级时间内,以拉伸破坏的方式粉化矿石,具有高生产效率的潜质,有望推动矿石高效、节能粉碎实践的发展。

(2)对于粒度为3 ～5 cm 的某超贫磁铁矿石样品,高压液态二氧化碳粉化效果较好,单次粉化产品-0.5 mm 粒级产率超40%,但产品粒度分布不均匀,粒级产率分布曲线总体呈字母“W”形,即-0.045 mm、0.15～0.5 mm 与+4 mm 粒级产率较高。

(3)Rosin-Rammler 分布函数可以较好地拟合粉化产物的粒径分布。 拟合结果表明:随着液态二氧化碳压力的增大,粉体均匀性指数n逐渐减小,粉体粒径更加不均匀,特征粒径De增大。 在粉化产物粗粒级产率较高时,R-R 分布函数在反映粉化产物整体粗细程度变化趋势上存在不足,难以反映出产品整体细化特征。

(4)在揭示粉化产物整体细化特征方面,分形维数可作为R-R 分布函数的补充,在粉化产物粗粒级产率较高时,可以弥补R-R 分布函数所存在的不足。试验粉化产物细颗粒产率越大,分形维数也越大,粉体整体越细。 本研究的分形维数随着液态二氧化碳压力的增大而提高,变化区间在2.543～2.649。

(5)后续将在进一步细化试验压力区间的基础上,开展粉化试验的能耗核算、粉化产物中矿物的解离度测定、对后续分选的影响研究等工作,以便更好地推动该技术在矿石碎磨领域的应用与发展。