磁鐵石英巖落錘沖擊破碎效果與能量關(guān)系

高 鋒，甘德清 ，張靜輝，閆佳釗

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210； 2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北理工大學(xué))，河北 唐山 063210)

近年來中國鐵礦石年產(chǎn)量約為12億噸，給鋼鐵行業(yè)的發(fā)展提供有力支撐，但國產(chǎn)礦石以貧礦為主，破碎加工消耗能量巨大，給環(huán)境和企業(yè)效益造成很大的壓力.礦石破碎的目的在于減小礦石粒度，實(shí)現(xiàn)有用礦物與脈石礦物的分離[1].條帶狀磁鐵石英巖是中國重要的鐵礦資源，是鐵礦企業(yè)重點(diǎn)開采加工對象.因此，研究磁鐵石英巖破碎特征，掌握破碎過程中礦物顆粒的分離特征，了解破碎效果與能量之間的理論關(guān)系，可為鐵礦山破碎工藝的改進(jìn)提供理論依據(jù).

礦石機(jī)械破碎作用包括壓縮、剪切、磨削、沖擊等，其中沖擊破碎具有破碎比大、效率高的優(yōu)勢[2-3].國內(nèi)外部分學(xué)者研究了礦石或巖石機(jī)械沖擊破碎效果與能量特征.胡振中等[4-5]對淮北煙煤和淮北無煙煤進(jìn)行了落錘沖擊破碎實(shí)驗(yàn)，得出比沖擊能耗隨t10增大的變化規(guī)律，認(rèn)為沖擊功增大時，煙煤破碎產(chǎn)物的細(xì)顆粒含量增加速度大于無煙煤，使用錘式破碎機(jī)對淮北無煙煤進(jìn)行沖擊破碎時，發(fā)現(xiàn)入破粒度小于臨界粒度時破碎能耗隨入破粒度的增大而減小.Wu等[6]使用石膏球進(jìn)行沖擊速度為1～9 m/s的重復(fù)打擊破碎實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)破碎產(chǎn)品粒度與入破粒度正相關(guān)，小顆粒碎屑數(shù)量與沖擊能成正比.Bual等[7-8]通過彈射撞擊破碎機(jī)對破碎的顆粒粒度、表面能和彈射能量進(jìn)行分析，得到?jīng)_擊能、沖擊速度與分形維數(shù)的相關(guān)關(guān)系，并給出了彈射球沖擊破碎能量的作用機(jī)制. Xu[9]通過研究礦物材料落錘沖擊破碎的分形特征和能量特征，得到能量與分形維數(shù)的一次線性關(guān)系.朱曉亮[10]對不規(guī)則鈣質(zhì)砂進(jìn)行了落錘沖擊破碎實(shí)驗(yàn)，分析了相同能量下沖擊次數(shù)和能量對破碎效果的影響關(guān)系，樣品的破碎效果隨沖擊次數(shù)和沖擊能量的增大顯著增強(qiáng).牛雷雷等[11]研制了適合中應(yīng)變率沖擊加載的擺錘SHPB實(shí)驗(yàn)裝置，測試了砂巖破碎的吸收能，得到破碎能量與破碎結(jié)果的理論關(guān)系.蔡改貧等[12-13]進(jìn)行了雙擺錘沖擊破碎實(shí)驗(yàn)，建立了沖擊破碎能和破碎效果之間的函數(shù)關(guān)系；用Webull模型描述石灰石單顆粒沖擊破碎的粒度分布特征，建立了細(xì)顆粒含量增加幅度等指標(biāo)與沖擊能和給礦粒度的之間的關(guān)系.劉瑜等[14]開展了煤塊拋射沖擊破碎實(shí)驗(yàn)，提出了沖擊速度與煤塊沖擊破碎概率的關(guān)系曲線. Whittes等[15]采用數(shù)值模擬與落錘沖擊實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了巖石沖擊破碎機(jī)理，重點(diǎn)分析應(yīng)變率、沖擊能、破碎程度和能量效率之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)破碎能量和破碎程度隨著應(yīng)變率的的增大而增大，沖擊能均與破碎程度正相關(guān).Sinnott 等[16]使用破碎模型和離散元方法進(jìn)行了錘式破碎機(jī)和反擊式破碎機(jī)中礦石連續(xù)破碎能量特征的數(shù)值模擬研究，討論了離散元數(shù)值模擬中礦物連續(xù)沖擊破碎效果和能量特征的關(guān)系.

上述研究在給出了部分巖石與礦石沖擊破碎效果與能量特征，但沒有涉及條帶狀磁鐵石英巖沖擊破碎作用下的破碎效果與能量關(guān)系.落錘沖擊破碎屬于中低應(yīng)變率下的破碎方式，接近機(jī)械打擊破碎的實(shí)際情況[17-18].因此，采用落錘沖擊破碎實(shí)驗(yàn)的方法，分析不同能量沖擊作用下磁鐵石英巖的破碎特征和礦物顆粒分離特征，得到礦石碎塊尺寸分維數(shù)、平均粒度和礦物顆粒分離效率與能量密度的關(guān)系，為提高礦石破碎加工效率、降低碎磨單位能耗提供理論支撐.

1 落錘沖擊破碎試驗(yàn)

1.1 材料

采集首鋼礦業(yè)公司水廠鐵礦條帶狀磁鐵石英巖樣品，樣品屬于沉積變質(zhì)型磁鐵礦，磁鐵礦條帶寬度大于3 mm，平均品位為33%，主要脈石礦物為石英，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為57%，其余礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為10%.通過偏光顯微鏡觀察得到磁鐵礦顆粒顏色為黑色，具有半金屬光澤，嵌布粒度為0.01～5.00 mm，主要粒度范圍為0.04～0.32 mm，呈粒狀形態(tài)，單晶多呈八面體形狀；石英顆粒無色透明，嵌布粒度為0.1～0.7 mm，生長發(fā)育程度好，以石英集合體形式賦存，為六棱柱和棱面體形態(tài)[19].將樣品加工成圓柱形試件，直徑為50 mm，厚度為25 mm，兩端用磨石機(jī)和拋光機(jī)精細(xì)打磨，使平行度和粗糙度滿足巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn).為統(tǒng)一條帶方向與沖擊方向的幾何關(guān)系，避免沖擊方向與條帶方向夾角對破碎效果和礦物分離效率的影響，試件加工時底面平行磁鐵礦條帶，從而使條帶方向與沖擊方向保持垂直.

1.2 裝置與原理

采用圖1所示的導(dǎo)軌式落錘沖擊破碎實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊破碎實(shí)驗(yàn)，錘體質(zhì)量50 kg，配重10 kg，最大沖擊高度為1.5 m. 實(shí)驗(yàn)時，在控制系統(tǒng)中輸入沖擊高度和錘體質(zhì)量，沖擊高度以試件上表面高程為起點(diǎn)，放置試件后錘頭重置于試件之上后進(jìn)行測試，步近電機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)傳輸?shù)碾娏髅}沖計(jì)算上升至指定高度時絲杠需要轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，舉升裝置在絲杠螺旋正轉(zhuǎn)作用下上升并帶動錘體至沖擊高度，舉升裝置收回伸縮桿，落錘沿豎直導(dǎo)軌近似自由落體運(yùn)動，沖擊磁鐵礦石.沖擊前用清潔劑擦拭潤滑導(dǎo)桿，減小導(dǎo)桿阻力對沖擊速度的影響，實(shí)驗(yàn)時根據(jù)下式計(jì)算落錘沖擊試件前的速度，并計(jì)算沖擊能量為:

式中：v為落錘沖擊速度，m/s；g為重力加速度，m/s2；h為落錘沖擊高度，m；m為錘體總質(zhì)量，kg.

圖1 落錘沖擊破碎實(shí)驗(yàn)機(jī)

1.3 過程

首先用球形錘頭對試件進(jìn)行沖擊加載預(yù)實(shí)驗(yàn)，錘體質(zhì)量為60 kg，確定能實(shí)現(xiàn)一次沖擊有效破碎的高度為0.1 m.選擇實(shí)驗(yàn)沖擊高度為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6 m，記錄錘體的沖擊能，對試件的破碎結(jié)果拍照，如圖2所示，垂體質(zhì)量相同時，隨著沖擊高度的增大，試件的破碎程度逐漸增大，大塊的數(shù)量和尺寸逐漸減小，小塊和粉礦逐漸增多. 振動篩分碎塊，分析碎塊粒度分布特征，計(jì)算粒度分布參數(shù)和平均粒度，建立破碎程度與能量的理論關(guān)系.觀察不同粒度碎塊上礦物顆粒的形態(tài)和空間關(guān)系，分析沖擊作用下礦物顆粒的分離特征，以產(chǎn)生礦物分離的碎屑在破碎產(chǎn)物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為指標(biāo)，建立礦物顆粒分離效率與沖擊破碎能量的關(guān)系.

圖2 不同高度下落錘沖擊破碎狀態(tài)

2 破碎程度與能量關(guān)系的分析

2.1 礦石破碎分形特征

2.1.1 粒度分布理論

巖石的破碎具有分形特征，根據(jù)破碎分形的基本定義，破碎顆粒粒徑和顆粒數(shù)量之間的分形關(guān)系為[20-21]

N(R>r)∝r-Ds.

式中：r為破碎產(chǎn)品的粒徑；N(R>r)為粒徑大于r的顆粒數(shù)量；Ds為顆粒數(shù)量—粒度分布的分形維數(shù).

物料破碎時產(chǎn)生的碎塊數(shù)量較多，每種粒度下的顆粒數(shù)量一般很難準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)，應(yīng)用顆粒數(shù)量—粒徑分布數(shù)據(jù)很不方便，不考慮顆粒形狀和密度時計(jì)算結(jié)果誤差較大，Zhang等[22]建議采用累積質(zhì)量分布的方法計(jì)算物料破碎粒度分形維數(shù)，使用顆粒數(shù)量、顆粒體積密度公式積分推導(dǎo)可建立累積質(zhì)量—粒度分布方程如下:

(1)

式中：M(r

對式(1)進(jìn)行對數(shù)變換得到包含Ds的碎塊質(zhì)量累積概率分布函數(shù)為

(2)

由式(2)可知，根據(jù)碎塊累積質(zhì)量—粒度分布的雙對數(shù)曲線斜率n=3-Ds，即可求得分形維數(shù)Ds.

2.1.2 粒度分布曲線

使用振動篩分儀篩分沖擊破碎后的磁鐵礦碎塊，選擇的標(biāo)準(zhǔn)篩篩孔直徑為0.5、1.0、2.0、5.0、16.0、25.0 mm，采用高精度電子秤稱量各網(wǎng)目篩上碎塊質(zhì)量和0.5 mm篩下碎塊質(zhì)量，得到每種篩孔直徑下的碎塊累積質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，繪制不同沖擊高度下粒度概率分布曲線，如圖3所示.由圖3可知，隨著沖擊高度的增大，磁鐵礦的粒級分布逐漸趨于均勻化.

圖3 不同沖擊高度下碎塊累積質(zhì)量分布曲線

Fig.3 Cumulative mass distribution curves of fragments at different impact heights

2.1.3 分形維數(shù)的計(jì)算

以篩網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸為特征粒度，以最大碎塊通過的網(wǎng)孔尺寸31.5 mm為最大粒度，二者比值的對數(shù)為橫坐標(biāo)，以各篩網(wǎng)篩下礦石累計(jì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的對數(shù)為縱坐標(biāo)，根據(jù)式(2)對二者進(jìn)行線性擬合，得到碎塊累積質(zhì)量概率分布斜率n，通過Ds=3-n計(jì)算得到分形維數(shù).不同高度沖擊破碎的碎塊累積質(zhì)量概率分布的雙對數(shù)線性擬合情況如圖4所示，分形維數(shù)計(jì)算的結(jié)果見表1.由表1可知，磁鐵礦石碎塊累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與粒度有良好的函數(shù)相關(guān)性，反映碎塊粒度分布具有自相似性，服從分形分布，可以用分形維數(shù)表征磁鐵礦石落錘沖擊的破碎程度，實(shí)驗(yàn)中磁鐵石英巖產(chǎn)生的碎塊粒度分形維數(shù)為2.19～2.41.

圖4 質(zhì)量與粒度的雙對數(shù)關(guān)系

表1 分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果

2.2 分形維數(shù)與能量密度的關(guān)系分析

將錘頭沖擊磁鐵礦試件的沖擊能除以試件的體積和質(zhì)量，分別得到體積能量密度和質(zhì)量能量密度，建立分形維數(shù)與體積能量密度、質(zhì)量能量密度的關(guān)系，如圖5所示. 由圖5可知，分形維數(shù)與能量密度呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，相關(guān)度高，隨著能量密度的增大，分形維數(shù)逐漸增大，說明碎塊粒度的均勻程度增大，但增大的幅度逐漸減小，這與Brown[23]通過擺錘沖擊破碎巖石的實(shí)驗(yàn)得出的分形維數(shù)與能量關(guān)系一致.本次實(shí)驗(yàn)使用球形錘頭沖擊破碎磁鐵礦試件，錘頭與磁鐵礦石試件的接觸形式從點(diǎn)接觸過渡到球面接觸，在能量驅(qū)動下裂隙從試件中心徑向擴(kuò)展.沖擊能量增大時，試件中心凹陷越深，壓碎區(qū)范圍增大，裂隙擴(kuò)展速度越大，形成的裂隙數(shù)量越多，碎塊粒度分形維數(shù)增長較快；沖擊能量增大到一定程度時，試件中心完全被壓碎，受邊界影響應(yīng)力波徑向傳播強(qiáng)度增幅不大，裂隙徑向擴(kuò)展程度趨于穩(wěn)定，導(dǎo)致碎塊粒度分形維數(shù)增長較慢.

圖5 分形維數(shù)與能量密度的關(guān)系

2.3 平均粒度與能量密度的關(guān)系分析

為分析磁鐵礦碎塊粒度與能量密度的關(guān)系，按加權(quán)平均的方法計(jì)算磁鐵礦試件沖擊破碎后的平均粒度dp，計(jì)算方法如下:

式中：dp為磁鐵礦碎塊的平均粒度，mm；di為連續(xù)兩個篩孔尺寸的平均值，mm；mi為振動篩分后第i個篩子中滯留的碎塊質(zhì)量，當(dāng)i=1時為最小網(wǎng)孔篩子篩下碎塊質(zhì)量，g；mT為所有碎塊總質(zhì)量，g.

根據(jù)計(jì)算結(jié)果建立平均粒度與體積能量密度、質(zhì)量能量密度的關(guān)系，如圖6所示.由圖6可知，平均粒度與能量密度呈三次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，隨著能量密度的增大，碎塊平均粒度減小，曲線擬合的相關(guān)度較高.高強(qiáng)度沖擊作用使試件中心產(chǎn)生動態(tài)壓縮破碎，沖擊能量越大，壓縮區(qū)范圍越大，試件產(chǎn)生的碎塊越多.試件內(nèi)部單元尺度越小，該單元表面能越高，增大沖擊能量密度可以達(dá)到更小尺度單元的表面能，從而分割出更小粒度的碎塊，降低碎塊平均粒度.

圖6 平均粒度與能量密度的關(guān)系

分形維數(shù)、平均粒度與能量密度的關(guān)系分析表明，分形維數(shù)和平均粒度從不同的角度反應(yīng)了磁鐵石英巖落錘沖擊破碎程度，但包含的信息與意義不同，分形維數(shù)反映了碎塊粒度分布的均勻程度或自相似程度，平均粒度直觀表達(dá)了碎塊粒度大小，二者結(jié)合使用可以較全面地描述破碎程度隨能量密度的變化特征.

3 礦物顆粒分離與能量關(guān)系的分析

3.1 磁鐵礦顆粒分離機(jī)理

磁鐵石英巖的有用礦物為磁鐵礦，為探究落錘沖擊產(chǎn)生的裂隙對磁鐵礦顆粒的切割分離作用，將沖擊后產(chǎn)生的碎塊加工成薄片，在偏光顯微鏡下觀察分析裂隙擴(kuò)展使磁鐵礦顆粒分離的現(xiàn)象，如圖7所示.磁鐵石英巖中的磁鐵礦顆粒主要為粒狀變晶結(jié)構(gòu)，在薄片中主要表現(xiàn)出半自形、它形晶體形態(tài)，與其他礦物嵌布時多出現(xiàn)棱角接觸.落錘沖擊磁鐵礦石試件產(chǎn)生半正弦應(yīng)力波，應(yīng)力波傳遞至棱角位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中，產(chǎn)生了一定的損傷或萌生裂紋，如圖7(a)所示.應(yīng)力波傳遞到試件與底板交界處時發(fā)生反射，反射應(yīng)力波再次激發(fā)裂紋的擴(kuò)展，由于磁鐵礦顆粒與石英等脈石顆粒的接觸面強(qiáng)度較弱，被激發(fā)的裂紋除縱向擴(kuò)展外也會沿著礦物顆粒接觸邊界擴(kuò)展，甚至貫穿磁鐵礦顆粒，如圖7(b)、(c)所示；沖擊能量增加，應(yīng)力波強(qiáng)度增大到一定程度時，裂紋擴(kuò)展貫通，切割礦石形成碎塊，部分磁鐵礦顆粒分離，如圖7(d)所示.

圖7 裂隙擴(kuò)展切割磁鐵礦顆粒

3.2 礦物顆粒分離特征

根據(jù)實(shí)驗(yàn)樣品的礦物成分及比例，主要分析沖擊破碎作用下磁鐵礦與石英的分離特征，借助德國進(jìn)口的Dino電子數(shù)碼顯微鏡觀察碎塊中磁鐵礦顆粒與石英顆粒的連接與分離關(guān)系，如圖8所示.粒度大于16.0 mm的碎塊中，磁鐵礦顆粒與石英連接緊密，在沖擊應(yīng)力波作用下磁鐵礦集合體與石英集合體之間有宏觀裂隙.

圖8 不同粒度碎塊中礦物分離狀態(tài)

粒度為5.0～16.0 mm的碎塊中，磁鐵礦與石英邊界清晰，部分碎塊上磁鐵礦與石英連接位置有斷口，說明磁鐵礦石斷裂時有裂隙沿著礦物顆粒接觸面延伸.

碎塊粒度為2.0～5.0 mm時，石英與磁鐵礦相對集中，存在接近全黑色或全透明的碎塊，這是由于條帶狀磁鐵礦中磁鐵礦粒度最大可達(dá)5.0 mm，石英晶體生長發(fā)育完全，粒徑較大的磁鐵礦顆?；蚴㈩w粒被裂隙切割分離出來，分離的磁鐵礦顆粒形狀主要為錐形，石英顆粒主要為不規(guī)則柱狀；多數(shù)顆粒磁鐵礦與石英條帶鑲嵌接觸面分明，顆粒表面形態(tài)以凸起為主，局部光滑，呈現(xiàn)完整的磁鐵礦或石英晶面，這是由于試件內(nèi)部沿晶斷裂的同時也存在數(shù)量較少的穿晶斷裂.

碎塊粒度為1.0～2.0 mm時，磁鐵礦顆粒與石英顆粒分離較明顯，顯微鏡放大倍數(shù)為22.8倍時以磁鐵礦為主的連生體呈片狀或針狀，以石英為主的連生體主要呈片狀或長柱狀；少數(shù)顆粒為徹底分離的磁鐵礦或石英顆粒，說明試件內(nèi)部2.0 mm的尺度單元同時存在沿晶斷裂和穿晶斷裂，礦物顆粒分離情況在2.0 mm時發(fā)生轉(zhuǎn)變.

在粒度為0.5～1.0 mm的碎屑中，磁鐵礦顆粒與石英顆粒顯著分離，顯微鏡下放大39.9倍時部分顆粒完全為黑色或透明色，存在少量的磁鐵礦石英連生體，磁鐵礦顆粒主要為多面體形態(tài)，石英顆粒主要為片狀或長柱狀.

將<0.5 mm的碎屑繼續(xù)篩分成0.3～0.5 mm和-0.3 mm兩部分，在粒度為0.3～0.5 mm的碎屑中，磁鐵礦顆粒與石英顆粒有效分離，在放大51.3倍時觀察大多數(shù)顆粒完全為黑色或透明色，存在極少數(shù)的磁鐵礦石英連生體，磁鐵礦顆粒為多面體形態(tài)，石英顆粒為片狀或柱狀.

碎屑粒度<0.3 mm時，顯微鏡下放大53.5倍的條件下磁鐵礦顆粒與石英顆粒充分分離，幾乎沒有磁鐵礦石英連生體，磁鐵礦顆粒為多面體粒狀，石英顆粒主要為柱狀，少量石英顆粒為片狀.

3.3 礦物顆粒分離模型

根據(jù)沖擊破碎條件下磁鐵石英巖礦物顆粒的分離特征，礦石破碎至5.0 mm時磁鐵礦與石英顆粒開始出現(xiàn)分離現(xiàn)象，破碎至2.0 mm時分離程度增大；破碎至1.0 mm時礦物顆粒分離顯著，顆粒形態(tài)接近礦物學(xué)特征；破碎至0.5 mm時磁鐵礦顆粒與石英顆粒有效分離，碎屑顆粒符合礦物學(xué)特征；破碎至0.3 mm時充分分離，碎屑顆粒形態(tài)與礦物學(xué)特征一致.因此，界定落錘沖擊條件下條帶狀磁鐵石英巖礦物起始分離的粒度為5.0 mm，過渡分離的粒度為2.0 mm，明顯分離的粒度為1.0 mm，有效分離的粒度為0.5 mm，充分分離粒度為0.3 mm.落錘沖擊條件下，發(fā)生礦物顆粒分離的碎塊粒度與嵌布粒度一致，說明磁鐵礦石英巖破碎至嵌布粒度時磁鐵礦顆粒與脈石礦物顆粒發(fā)生有效分離，隨著碎塊粒度的減小，礦物顆粒的分離程度逐漸增大，由此建立條帶狀磁鐵礦落錘沖擊破碎礦物分離模型，如圖9所示.

圖9 落錘沖擊破碎礦物分離模型

3.4 沖擊作用下礦物顆粒有效分離的驗(yàn)證與分析

從水廠鐵礦選廠采集二段球磨后的粉礦樣品，風(fēng)干后篩分，發(fā)現(xiàn)二段磨礦產(chǎn)物中0～2.0 mm顆粒占總樣品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.14%，小于1.0 mm顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為97.60%，小于0.5 mm顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88.70%.因此，對沖擊破碎和二段磨礦的0.3～0.5、0.5～1.0、1.0～2.0 mm的粉礦進(jìn)行磁選，進(jìn)行礦物顆粒品位、形態(tài)和光學(xué)性質(zhì)的對比分析，驗(yàn)證沖擊條件下礦物顆粒有效分離作用.

3.4.1 礦物顆粒的品位分析

對磁選后以磁鐵礦為主的連生體顆粒和磁鐵礦顆粒(為便于分析描述，統(tǒng)稱為磁鐵礦顆粒)采用四分法取樣，使用GGX-900原子吸收光譜儀檢測3種粒度磁鐵礦顆粒的TFe品位，見表2. 由表2可知，沖擊破碎產(chǎn)出的磁鐵礦顆粒的品位高出二段磨礦產(chǎn)出的磁鐵礦顆粒品位3.0%～8.3%，可見由沖擊破碎產(chǎn)出的0～2.0 mm磁鐵礦顆粒的純度高于二段磨礦產(chǎn)出的磁鐵礦顆粒，能夠達(dá)到選礦的品位要求.沖擊作用下磁鐵石英巖主要發(fā)生張拉剪切破壞，裂隙優(yōu)先沿礦物顆粒邊界擴(kuò)展，穿晶裂隙相對較少，產(chǎn)生的礦物連生體顆粒比例相對較小，因此磁鐵礦顆粒的品位相對較高；磨礦過程中礦石受多次沖擊，沖擊角度多變，主要發(fā)生側(cè)向剪切破壞，發(fā)生穿晶斷裂的概率相對較大，產(chǎn)生的礦物連生體顆粒比例相對較大，磁鐵礦顆粒品位較低.

表2 沖擊破碎與二段磨礦后不同粒級磁鐵礦顆粒品位

Tab.2 The grade of magnetite particles with different grain sizes after impact crushing and second stage grinding

粒度/mmTFe質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%品位差/%沖擊破碎二段磨礦1.0～2.037.3228.99+8.330.5～1.048.6345.62+3.010.3～0.561.7457.68+4.06

3.4.2 礦物顆粒的形態(tài)與光學(xué)性質(zhì)分析

在光學(xué)顯微鏡下對比分析沖擊破碎和二段磨礦產(chǎn)出的磁鐵礦石英連生體、磁鐵礦和石英顆粒的形態(tài)與光學(xué)性質(zhì).限于篇幅，給出0.5～1.0 mm磁選后的顆粒圖片，如圖10所示.

由圖10可知，礦石沖擊破碎后，以磁鐵礦為主的連生體顆粒和磁鐵礦顆粒具有顯著的金屬光澤，形態(tài)主要為多面體粒狀；以石英為主的連生體顆粒和石英顆粒局部有少量深色不透明礦物，顆粒主體透明無色，形態(tài)主要為柱狀，接近石英的礦物學(xué)特征；少數(shù)顆粒形態(tài)為針狀或片狀.二段磨礦后的磁鐵礦顆粒金屬光澤度不強(qiáng)，顆粒形態(tài)為扁多面體，棱角較少；以石英為主的顆粒透明性較弱，呈短柱狀或小片狀.產(chǎn)生這種區(qū)別的原因?yàn)椋簺_擊作用下多數(shù)礦物顆粒僅由裂隙切割分離，礦物顆粒分離后不產(chǎn)生二次斷裂，礦物顆粒較好地保留了原來的形態(tài)，且不受污染，保留原始顏色和光澤；磨礦過程中穿晶斷裂概率相對較大，礦物顆粒分離后還會受到破碎介質(zhì)的沖擊作用，礦物顆粒與破碎介質(zhì)反復(fù)接觸而被“磨圓”，礦物顆粒與水中分散系礦物長時間接觸，表面被染色或發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，使礦物顆粒表面顏色或光澤度發(fā)生改變.因此，與二段磨礦產(chǎn)生的礦物顆粒相比，沖擊破碎產(chǎn)生的磁鐵礦與石英顆粒形態(tài)與光學(xué)性質(zhì)更接近原礦顆粒的礦物學(xué)特征.由于晶粒強(qiáng)度大于接觸面強(qiáng)度，磨礦過程中產(chǎn)生晶體斷裂時耗能較大，礦物顆粒再次磨削產(chǎn)生更多能量的浪費(fèi)，由此推斷沖擊破碎使礦物分離的能量效率高于磨礦.

圖10 沖擊破碎與二段磨礦后0.5～1.0 mm磁鐵礦與石英顆粒

Fig.10 Magnetite and quartz particles with 0.5～1.0 mm granularity after impact crushing and second stage grinding

3.5 礦物顆粒分離效率與能量關(guān)系

以粒度為0～2.0、0～1.0、0～0.5 mm的礦物顆粒在破碎產(chǎn)物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為落錘沖擊破碎條件下礦物顆粒分離效率，建立礦物分離效率與體積能量密度、質(zhì)量能量密度的關(guān)系，如圖11所示.由圖11可知，礦物顆粒的分離效率隨能量密度的增大呈三次多項(xiàng)式函數(shù)增長的變化特征.在沖擊能量增大時，試件動態(tài)壓縮區(qū)的范圍增大，壓縮破碎產(chǎn)生的粉礦增多.晶粒間的黏結(jié)或接觸強(qiáng)度比晶粒強(qiáng)度低，在應(yīng)力波作用下試件內(nèi)部產(chǎn)生較多的沿晶裂紋，使得礦物顆粒彼此分離；由于磁鐵石英巖礦物脆性較大，試件內(nèi)部應(yīng)力集中部位會產(chǎn)生穿晶斷裂參與礦物顆粒的分割[21].沖擊能量增大，應(yīng)力波作用增強(qiáng)，促進(jìn)裂隙的萌生和擴(kuò)展，導(dǎo)致更多的礦物顆粒分離，同時應(yīng)力波傳遞至試件底面的反射強(qiáng)度也增大，產(chǎn)生二次應(yīng)力作用，提高了裂隙對礦物顆粒的切割分離效果，增大了碎塊中礦物顆粒的含量.

圖11 礦物分離效率與能量密度的關(guān)系

4 討 論

生產(chǎn)實(shí)踐表明，與磨礦相比，礦石機(jī)械破碎的單位能耗較低、能量利用效率較高[24].沖擊破碎是礦山重要的破碎方式之一，隨著礦山耐磨損材料和各種新型沖擊破碎機(jī)的研發(fā)，沖擊破碎方式在礦山的應(yīng)用比例逐漸提高[3,25].根據(jù)上述研究，沖擊破碎條件下磁鐵石英巖的破碎程度隨能量密度的增大而增大，磁鐵石英巖破碎至嵌布粒度時，磁鐵礦顆粒與脈石顆?？砂l(fā)生有效分離，分離后的磁鐵礦顆粒的品位滿足選礦要求，且分離效率隨破碎能量密度的增大而增大.因此，在磁鐵石英巖沖擊破碎作業(yè)中，增大破碎能量密度，降低碎塊粒度，提高嵌布粒度以下的礦物顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，磨礦前篩分破碎產(chǎn)生的礦物顆粒，直接進(jìn)入磁選，以降低磨礦負(fù)荷和單位礦石碎磨總能耗，提高礦山生產(chǎn)效益.

除沖擊破碎外，礦山主要的破碎方式還包括擠壓破碎和磨削破碎，這兩種破碎方式常在同一破碎工藝中體現(xiàn)，如復(fù)擺顎式破碎機(jī)破碎、圓錐破碎機(jī)破碎、對輥破碎機(jī)破碎等.能量是驅(qū)動物質(zhì)破碎的根本原因[26]，礦石的結(jié)構(gòu)、礦物組成、物理性質(zhì)等對礦物顆粒分離效果起決定性影響作用[1]，破碎方式只是決定破碎過程中的力學(xué)機(jī)制[3].因此，在擠壓、磨削等其他破碎方式下，礦石破碎程度隨破碎能量的增大而增大[27]，磁鐵石英巖破碎至嵌布粒度時同樣可以發(fā)生礦物顆粒的分離，但分離效率隨能量的變化規(guī)律有待于進(jìn)一步研究分析.以上研究是對礦石破碎與礦物顆粒分離特征的初步探索，為提高磁鐵石英巖破碎程度和礦物顆粒分離效率、降低碎磨能耗提供新的方法和理論依據(jù).

5 結(jié) 論

1)采用落錘試驗(yàn)機(jī)沖擊破碎條帶狀磁鐵石英巖，碎塊粒度具有分形特征，隨著體積能量密度和質(zhì)量能量密度的增大，分形維數(shù)呈負(fù)指數(shù)增長的變化特征，平均粒度呈三次多項(xiàng)式降低的變化特征，增加沖擊能量密度可提高礦石破碎程度.

2)沖擊破碎條件下發(fā)生礦物顆粒分離的碎塊粒度與礦物嵌布粒度一致，碎塊粒度越小，分離程度越高，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了礦物顆粒分離模型.與二段磨礦產(chǎn)物相比，沖擊破碎產(chǎn)生的小于2.0 mm磁鐵礦顆粒的品位更高，礦物顆粒形態(tài)和光學(xué)性質(zhì)更接近原礦礦物顆粒的礦物學(xué)特征.

3)隨著能量密度的增大，礦物顆粒的分離效率逐漸增大，增大沖擊能量密度可以提高礦物分離效率.研究結(jié)果為鐵礦山提高磁鐵石英巖破碎效率、降低單位礦石加工能耗提供了新方法和理論依據(jù).