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    不同施載壓力下物料顆粒床壓載試驗(yàn)

    2020-04-17 11:50:28崔少文郭小飛張洺睿
    金屬礦山 2020年3期
    關(guān)鍵詞:粒級(jí)產(chǎn)率粒度

    崔少文 郭小飛 郗 悅 張洺睿

    (遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,遼寧鞍山114051)

    礦石粉碎后產(chǎn)品的細(xì)度主要由比能耗決定。一般來(lái)說(shuō),粉碎過(guò)程中粉碎加載模式越接近于單顆粒加載粉碎,其能量利用率越高[1]。Schenert 在上世紀(jì)基于料層粉碎理論研制了高壓輥磨機(jī),其實(shí)施的是準(zhǔn)靜壓料層粉碎。當(dāng)料層受力時(shí),礦石自身作為介質(zhì)傳遞壓力,受力增大到極限后,顆粒破碎或變形,具有選擇性破碎效果,其粉碎產(chǎn)品具有微裂紋多、細(xì)粒級(jí)含量高和單位破碎能耗低等特點(diǎn)[2-5]。目前,高壓輥磨機(jī)的選型沒(méi)有一套簡(jiǎn)便可靠的方法,對(duì)于每個(gè)獨(dú)立的項(xiàng)目都需要從基礎(chǔ)的原料礦石性質(zhì)入手,進(jìn)行相應(yīng)的半工業(yè)高壓輥磨機(jī)試驗(yàn),找尋最優(yōu)的設(shè)備及流程配置,此過(guò)程所需礦石原料量巨大,耗時(shí)長(zhǎng),費(fèi)用高,阻礙了高壓輥磨機(jī)在礦物加工領(lǐng)域的推廣應(yīng)用[6-9]。實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的顆粒床層間粉碎壓載試驗(yàn)是研制高壓輥磨機(jī)粉碎理論基礎(chǔ)的基本方法,通過(guò)顆粒床活塞壓載試驗(yàn),能夠初步模擬礦石的料層粉碎過(guò)程[10-11]。本文通過(guò)對(duì)金礦石、磁鐵礦石及釩鈦磁鐵礦3 種礦石進(jìn)行不同施載壓力條件下的顆粒床活塞壓載試驗(yàn),來(lái)建立一種小規(guī)模的粉碎模型以預(yù)測(cè)高壓輥磨機(jī)工藝性能。

    1 試樣、設(shè)備及原理

    1.1 試樣及設(shè)備

    本試驗(yàn)選取金礦石、磁鐵礦石及釩鈦磁鐵礦石作為研究對(duì)象,采用由長(zhǎng)春材料試驗(yàn)機(jī)廠制造的YE-200A 液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行活塞壓載試驗(yàn),該液壓機(jī)最大可以提供200 t 的壓力,能夠滿足試驗(yàn)所需。在顆粒床活塞壓載試驗(yàn)過(guò)程中,試驗(yàn)樣品與缸體直接接觸的物料受力狀態(tài)與單純的顆粒床層間粉碎具有一定的差異。為盡可能減小這種現(xiàn)象對(duì)試驗(yàn)最終結(jié)果的影響,在每次試驗(yàn)時(shí),保證所用物料滿足一定幾何參數(shù)條件。Kalala 等人研究發(fā)現(xiàn),顆粒床活塞壓載試驗(yàn)初始料層厚度應(yīng)是最大給料粒度的1.5倍[12-14],不同種類礦石、不同粒級(jí)物料所需的樣品量不同,粒級(jí)越大,密度越大,所需的試驗(yàn)樣品質(zhì)量越多。試驗(yàn)采用特制的硬質(zhì)合金鋼活塞式缸體壓載模具,缸體內(nèi)徑為75 mm。所用礦石經(jīng)實(shí)驗(yàn)室型顎式破碎機(jī)破碎至設(shè)定粒度,并通過(guò)篩分設(shè)備將每種礦石制備出不同粒級(jí)試驗(yàn)物料樣品,用作顆粒床活塞壓載粉碎試驗(yàn)給料,最大粒度為12 mm。

    1.2 試驗(yàn)原理

    在顆粒床活塞壓載粉碎試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程中,物料的狀態(tài)可根據(jù)施載狀態(tài)的變化分為加載和卸載兩個(gè)階段。處于加載階段時(shí),隨著壓力的增加,物料顆粒所受到的應(yīng)力增加,在靜載高壓作用下礦物顆粒被重新排列,相互間的點(diǎn)接觸逐漸變?yōu)槊娼佑|,料層愈加密實(shí),顆粒間的作用力和反作用力不斷增加,當(dāng)作用力超過(guò)物料顆粒所能承受的抗壓強(qiáng)度時(shí),顆粒開(kāi)始碎裂,直至加載壓力達(dá)到最大設(shè)定值為止;當(dāng)物料處于卸載階段時(shí),物料顆粒間的相互作用力隨著加載壓力的降低而衰減,由于外部應(yīng)力的減小,物料會(huì)發(fā)生一定的反彈膨脹。通過(guò)儀器對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中施載壓力和位移數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄,可得施載壓力-位移關(guān)系曲線。通過(guò)對(duì)該曲線進(jìn)行數(shù)值積分計(jì)算,能夠獲得整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中破碎所消耗的能量,其值等于加載曲線f1(x )與卸載曲線f2(x)所圍成陰影部分的面積[14],見(jiàn)圖1。計(jì)算公式為

    式中:S 為陰影部分面積,大小等于破碎過(guò)程中所消耗的總能量;f1(x)、f2(x )分別為試驗(yàn)過(guò)程中的加載曲線、卸載曲線。

    在不同施載壓力下,對(duì)每種礦石的不同粒級(jí)物料分別進(jìn)行顆粒床活塞壓載試驗(yàn),能夠獲得不同的壓載試驗(yàn)產(chǎn)品,通過(guò)粒度篩析法對(duì)各壓載產(chǎn)品進(jìn)行粒度檢測(cè),數(shù)值積分法計(jì)算出每次粉碎過(guò)程中顆粒床吸收的能量。本文主要通過(guò)比能耗,破碎比Rx及產(chǎn)品的負(fù)累計(jì)產(chǎn)率來(lái)衡量各因素對(duì)物料破碎效果的影響。

    比能耗Wi為單位質(zhì)量物料所吸收的能量,單位為J/g,計(jì)算公式為

    式中,W 為試驗(yàn)過(guò)程中物料吸收的總能量,J;G 為試驗(yàn)用礦樣質(zhì)量,g。

    破碎比Rx為給料中x%通過(guò)的粒度Fx與產(chǎn)品中x%通過(guò)的粒度Px的比值,計(jì)算公式為

    2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

    2.1 活塞壓載試驗(yàn)產(chǎn)品的粒度分布

    負(fù)累計(jì)曲線能夠在一定程度上反映出施載壓力與產(chǎn)品細(xì)度間的關(guān)系,3 種礦石各粒級(jí)物料在不同壓載條件下的壓載產(chǎn)物粒度負(fù)累計(jì)曲線見(jiàn)圖2~圖4。

    由圖2(a)知,對(duì)金礦而言,隨著壓力增加,細(xì)粒級(jí)礦物負(fù)累計(jì)產(chǎn)率增高,粗粒級(jí)礦物負(fù)累計(jì)產(chǎn)率逐漸減小,這種現(xiàn)象說(shuō)明隨著加載壓力的增加壓載產(chǎn)物中細(xì)粒含量增多,粗粒含量減少,產(chǎn)物整體細(xì)度增加。由圖2(b)、2(c)可知當(dāng)加載壓力超過(guò)80 MPa時(shí),隨著壓力增加,產(chǎn)物的負(fù)累計(jì)產(chǎn)率先快速增加,受尺寸效應(yīng)影響礦物中的粗顆粒更易粉碎,導(dǎo)致礦物產(chǎn)品中粗顆粒含量占比較少,負(fù)累計(jì)產(chǎn)率增加速度下降。

    由圖3 可知,對(duì)磁鐵礦而言,隨著加載壓力的增加,產(chǎn)品的負(fù)累計(jì)產(chǎn)率明顯增加,隨著產(chǎn)物粒度的增大,負(fù)累計(jì)曲線趨勢(shì)逐漸平緩,負(fù)累計(jì)產(chǎn)率增加速度逐漸降低,且加載壓力越大,負(fù)累計(jì)產(chǎn)率增加速度降低越快。加載壓力為180 MPa時(shí),產(chǎn)品負(fù)累計(jì)產(chǎn)率增加最快,細(xì)粒級(jí)含量最多,此時(shí)壓載效果最好。

    由圖4 可知,對(duì)釩鈦磁鐵礦而言,隨著加載壓力的增加和給料粒度的增加,產(chǎn)品的負(fù)累計(jì)產(chǎn)率增加幅度不同,但各產(chǎn)品負(fù)累計(jì)曲線趨勢(shì)基本相同,細(xì)粒級(jí)產(chǎn)物負(fù)累計(jì)曲線趨勢(shì)較陡,負(fù)累計(jì)產(chǎn)率增加速度較快,粗粒級(jí)產(chǎn)物負(fù)累計(jì)曲線趨勢(shì)逐漸平緩,負(fù)累計(jì)產(chǎn)率增加的速度緩慢降低。隨著施載壓力的增加,產(chǎn)物的負(fù)累計(jì)產(chǎn)率增加,壓力越大,增加速度降低越快,說(shuō)明隨著加載壓力的增加,壓載產(chǎn)物中細(xì)粒含量增多,粗粒含量減少,產(chǎn)物整體細(xì)度增加。當(dāng)加載壓力超過(guò)80 MPa 時(shí),各壓力下的產(chǎn)品負(fù)累計(jì)曲線基本相同,具有相似的增加幅度及趨勢(shì),產(chǎn)物細(xì)度隨施載壓力的增加幅度降低,此時(shí)再繼續(xù)增加施載壓力所提供的破碎效果十分有限,即形成能量過(guò)飽和現(xiàn)象。

    由圖2~圖4 可知,在試驗(yàn)條件范圍內(nèi),同一礦物產(chǎn)品的負(fù)累計(jì)產(chǎn)率變化幅度與給料的粒級(jí)有關(guān)。給料粒級(jí)越小,產(chǎn)物負(fù)累計(jì)產(chǎn)率變化幅度越小,曲線的變化差異越小,趨勢(shì)越相近。

    產(chǎn)品負(fù)累計(jì)曲線的變化趨勢(shì)與礦石種類及加載壓力有關(guān)。當(dāng)對(duì)金礦施載超過(guò)80 MPa 壓力時(shí),在小于某一粒度時(shí),隨施載壓力的增加,產(chǎn)品負(fù)累計(jì)產(chǎn)率增加,壓力越大增加速度越快,當(dāng)超過(guò)該粒度后,隨施載壓力的增加產(chǎn)品負(fù)累計(jì)產(chǎn)率增加速度降低,且壓力越大增加速度下降越快;這一粒度主要受給礦粒級(jí)影響,給礦粒級(jí)越小,該粒度越小,給礦粒級(jí)增大,該粒度隨之增大。施載壓力對(duì)金礦產(chǎn)品負(fù)累計(jì)產(chǎn)率的影響明顯,即對(duì)金礦物料細(xì)度的改變效果明顯。當(dāng)試驗(yàn)礦樣為磁鐵礦、釩鈦磁鐵礦時(shí),隨施載壓力的增加,產(chǎn)品負(fù)累計(jì)產(chǎn)率逐漸增加,施載壓力越大,增加速度越快,負(fù)累計(jì)曲線斜率變化越明顯。

    2.2 加載壓力與比能耗及破碎比的關(guān)系

    圖5至圖7給出了3種礦石各粒級(jí)物料在顆粒床活塞壓載試驗(yàn)中的比能耗及R50、R80隨施載壓力變化的關(guān)系。

    由圖5 可知,在試驗(yàn)條件范圍內(nèi),比能耗隨加載壓力的增加而增加,加載壓力小于120 MPa時(shí)比能耗穩(wěn)定增加,超過(guò)120 MPa后增加速度劇增。由圖5(a)可知,隨加載壓力的增加R50和R80增加,但增加幅度很小,主要是由于尺寸效應(yīng)[15]導(dǎo)致試驗(yàn)前后礦物粒度變化不明顯。由圖5(b)、5(c)可知,隨施載壓力的增加,R50增加,R80緩慢增加。造成這種現(xiàn)象的主要原因是在加載壓力為80~120 MPa 時(shí),破碎比變化幅度很小,物料破碎基本完成,導(dǎo)致壓力繼續(xù)增加時(shí),比能耗繼續(xù)增加而物料細(xì)度不再有明顯變化,能量過(guò)飽和。

    由圖6 可知,在試驗(yàn)條件范圍內(nèi),隨著加載壓力的增加,比能耗增加,且增加速度逐漸加快,趨勢(shì)變化明顯,在180 MPa 時(shí)達(dá)到最大值;隨施載壓力的增加,R50小幅增加;隨加載壓力的增加R80小幅增加,大于80 MPa 后增加速度加快,在180 MPa 時(shí)達(dá)到最大值。導(dǎo)致試驗(yàn)前后物料粒度變化不明顯,比能耗大幅增加現(xiàn)象的主要原因是在加載壓力為80 MPa時(shí)物料已基本完成破碎,加載壓力繼續(xù)增加時(shí)形成能量過(guò)飽和。

    由圖7 可知,在試驗(yàn)條件范圍內(nèi),隨加載壓力的增加,比能耗先緩慢增加,后快速增加,粒級(jí)越大,改變比能耗增加速度所需的壓力越大,在180 MPa時(shí)比能耗達(dá)到最大值。隨加載壓力的增加,R50先趨于穩(wěn)定后逐漸增加,在180 MPa時(shí)達(dá)到最大值。隨著粒級(jí)的變化,維持R50趨于穩(wěn)定的壓力逐漸降低,即粒級(jí)越小改變R50增加速度所需的壓力越大。隨加載壓力的增加,R80趨于穩(wěn)定。

    綜上,隨著加載壓力的增加,比能耗增加,兩者具有較好的線性關(guān)系。結(jié)合破碎比分析可知,當(dāng)加載壓力在80~120 MPa 時(shí),礦物顆粒已經(jīng)基本完成破碎,此時(shí)隨著施載壓力的增加,會(huì)形成能量過(guò)飽和,進(jìn)一步加大能耗輸入所產(chǎn)生的破碎效果十分有限。

    隨加載壓力的增加,破碎比增加,在壓力增加到一定程度后破碎比增加速度降低或趨于平穩(wěn),不再增加,兩者具有一定的線性關(guān)系,但變化趨勢(shì)主要受礦石粒級(jí)和類型影響。

    R50、R80都可在一定程度上反映試驗(yàn)前后物料粒度的變化情況,給料粒級(jí)對(duì)R50的變化情況影響更大,當(dāng)給料粒級(jí)較窄時(shí),R50的數(shù)值變化較小,當(dāng)給料粒級(jí)較寬時(shí),R50數(shù)值變化較大;與之相比,給料粒級(jí)對(duì)R80的影響相對(duì)較小,在不同施載壓力條件下的變化趨勢(shì)較為穩(wěn)定。

    3 結(jié) 論

    活塞壓載試驗(yàn)中,隨著加載壓力的增加,礦物所吸收的比能耗增加,兩者具有較好的線性關(guān)系;隨加載壓力的增加,物料破碎比增加,在壓力增加到一定程度后破碎比增加速度降低或趨于平穩(wěn)。隨著給料粒度的變化,同等壓力條件下,粉碎物料所需的比能耗逐漸降低,破碎比逐漸降低,R50的變化趨勢(shì)較小,給料粒度對(duì)R50的影響大于R50。不同種類礦石在同等施載壓力條件下破碎效果不同,即在同等施載壓力時(shí),金礦石產(chǎn)品細(xì)度的增加幅度大于磁鐵礦和釩鈦磁鐵礦。

    該試驗(yàn)結(jié)果為高壓輥磨機(jī)的工業(yè)參數(shù)選型提供了實(shí)驗(yàn)室研究基礎(chǔ),為進(jìn)一步建立預(yù)測(cè)高壓輥磨機(jī)單位功耗及產(chǎn)品粒度的計(jì)算模型奠定了基礎(chǔ),對(duì)高壓輥磨機(jī)的推廣應(yīng)用及選型研究具有重要理論意義。

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