落重试验测定矿石粉碎特性参数

王泽红 楚文城 孔令斌 陈 超 马 琨

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

落重试验测定矿石粉碎特性参数

王泽红 楚文城 孔令斌 陈 超 马 琨

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

为了科学、准确地进行碎磨设备选型，并确定合理的碎磨工艺流程，对国际上较盛行的自磨/半自磨工艺中物料粉碎特性参数的测定方法——JKTech落重试验法进行了系统介绍，在此基础上，采用JK落重试验仪和磨蚀粉碎试验设备，测定了承德某铁矿3个矿样的冲击粉碎参数A和b以及磨蚀粉碎参数Ta。将试验结果与数据库数据比较，可以得出：①3个矿样的粉碎特性十分接近，都属于软-中软矿石。②矿样在破碎能为2.5、1.0 kWh/t时，颗粒的抗冲击破碎能力随颗粒粒度的增大而下降，且破碎能越大颗粒抗冲击破碎的能力下降越显著；当比破碎能为0.25 kWh/t时，颗粒的抗冲击破碎能力随颗粒粒度的增大而上升，即随比破碎能下降，颗粒粒度-t10关系曲线的斜率变小。③试验结果可以成功用于磨机与破碎机处理量和能耗的计算以及自磨/半自磨流程设计和模拟计算。因此，JKTech落重试验所测得的粉碎特性参数不仅可以判断矿石性质，也可作为设备选型和流程确定的依据。

落重试验 粉碎特性参数 自磨/半自磨

矿石的粉碎特性参数是选矿厂碎磨设备选型和工艺流程设计的重要依据。对绝大多数矿山来说，碎磨和选矿都是不可或缺的作业。科学、准确地确定碎磨设备及其工艺流程，有利于选矿厂实现基建投资小、生产运行成本低的目标。

由于磨矿作业的投资和生产成本通常占整个选矿厂的50%～60%[1]，而且在选矿厂中，磨矿介质成本往往仅次于动力成本。因此，为了实现降低选矿厂投资、简化选矿工艺流程、控制选矿厂钢耗等目标，近年新建的大型选矿厂越来越重视研究自磨、半自磨工艺代替常规碎磨工艺的可能性[2]。

随着自磨、半自磨工艺应用比例的上升，国际上出现了多种测定自磨、半自磨工艺中物料粉碎特性参数的方法，如芬兰Metso集团实验室的湿式分批自磨(半自磨)试验法、澳大利亚昆士兰大学Julius Kruttschnitt矿物研究中心(JKMRC)的JKTech落重试验法、加拿大Minnov EX技术公司的半自磨功率指数(SPI)试验法等[3]。

本文系统地介绍了澳大利亚昆士兰大学JKMRC的JKTech落重试验法，并利用该方法对承德某铁矿石的粉碎特性参数进行了测定。

1 JKTech落重试验法[3-5]

JKTech落重试验(Drop-Weight Test，简称DWT)包括冲击粉碎试验、磨蚀粉碎试验和矿石相对密度测定试验等3部分。试验可通过对单粒物料在不同比能耗冲击粉碎作用下产物的粒度分布规律分析，来获得被粉碎物料的破碎特性；自磨(半自磨)机内被磨物料的粉碎过程主要有冲击(高能)粉碎和磨蚀(低能)粉碎2种，DWT通过冲击粉碎和磨蚀粉碎来模拟这2种粉碎过程，从而获得试验矿石的自磨(半自磨)机中物料的破碎特性。

1.1 冲击粉碎试验

冲击粉碎试验设备为澳大利亚JKMRC制造的JK落重试验仪，见图1。整个落重试验仪固定在混凝土基座上。

图1 冲击粉碎试验设备及原理

待测试样置于混凝土基座的钢砧上，受到从一定高度下落重块的冲击而被粉碎。通过调整重块质量和下落高度，可以产生不同的输入能量Ei(落锤质量与下落高度的乘积)。如果输入能量控制恰当，则落锤在冲击矿块的过程中将不产生反弹，此时可认为输入能量Ei与矿块的破碎能量Ec相等。破碎能量Ec与矿块的质量m之比定义为比破碎能Ecs。

按要求将试样分为5个粒级，每个粒级分成3份，分别受3种不同的比破碎能冲击。冲击完成后，对每个粒级-比破碎能组合的破碎产品分别进行筛析，并绘制15个粒度分布曲线，求出一组tn(当筛孔尺寸为原始颗粒平均尺寸的1/n时，产物筛下产率定义为tn)来定量描述产物的粒度分布。JKMRC粉碎模型采用t10作为表征物料被粉碎程度的参数，可用于判断矿石颗粒尺寸对抗冲击破碎能力的影响。由15个粒度-比破碎能组合可以产生15个t10，t10与比破碎能Ecs的关系为

(1)

根据15组试验数据，可拟合回归出式(1)中系数A和b的值。A和b的值就是JKMRC粉碎模型中用于表征矿石抵抗冲击粉碎能力的物料特性参数。

1.2 磨蚀粉碎试验

磨蚀粉碎试验设备为φ305 mm×305 mm实验室滚筒式磨机，磨机转速率为70%。筒体内壁上均匀分布有4根与轴线平行的6 mm×6 mm×305 mm的提升条，见图2。

图2 磨蚀试验设备

1.3 矿石相对密度测定试验

在对自磨(半自磨)机处理矿石进行性能评估时，其相对密度是最重要的参数之一。因此，在JKTech落重试验中，必须进行矿石相对密度测定。矿石相对密度是通过测定30块粒度为31.5～26.5 mm的矿石在空气和水中的质量M和m后计算出来的，即相对密度d=M/(M-m)。

1.4 落重试验数据库与评价依据

JKTech落重试验获得的参数A的意义是比破碎能Ecs趋于无穷大时t10的取值上限，参数b影响t10-Ecs关系曲线在不同位置的斜率。参数A和b不能单独用于矿石性质的判定，而是用A×b和Ta值对矿石性质加以判定。A×b值可作为矿石抗冲击粉碎强度的一个衡量指标，A×b值越大，给定比能耗条件下粉碎产物越细；参数Ta表示试验矿石的抗研磨破碎能力，Ta值越小，矿石抗研磨能力越强。JKMRC现有矿石物性数据库见表1，参数A×b和Ta与物料硬度的关系见表2。

表1 JKMRC现有矿石物性数据库比较

表2 落重试验参数与物料硬度的关系

2 试验矿样的制备

试样取自承德某铁矿，为了全面、准确反映矿石的性质，对位于采场不同部位、性质有所差异的3种矿样(分别命名为矿样1，2，3)均进行了采集，粒度均为+63 mm，并用pex-250×400型颚式破碎机分别破碎至-63 mm。按要求筛取冲击粉碎试验、磨蚀粉碎试验及相对密度测定试验所需粒级样。冲击粉碎试验的5个粒级及各粒级不同比破碎能水平下的矿石颗粒数量见表3(各粒级质量略)。

表3 冲击粉碎试验要求

3 JKTech落重试验结果及分析

3.1 矿石软硬程度判定

3.1.1 试验结果

根据前述方法，分别对试样1，2，3进行落重试验，得到的t10-Ecs关系曲线见图3，将t10-Ecs关系曲线用式(1)逼近，得到的拟合参数A、b、A×b及拟合方程见表4，物料磨蚀指数Ta、相对密度见表4。

由表4可以看出，试样1，2，3的A×b值分别为86.18，85.07和82.60，其Ta值分别为0.72，0.63，0.57，相对密度分别为3.36，3.29，3.33，各参数值相差不大，即试样1，2，3的粉碎特性接近。

3.1.2 矿石软硬程度判定

试验矿石物性数据在数据库中所处的位置见表5。

结合表1、表2和表5可以看出，试样1，2，3无论从抗冲击破碎能力还是从抗磨蚀能力看，都属于软—中软矿石。

3.2 颗粒尺寸对抗冲击破碎能力的影响

抗冲击破碎能力随颗粒尺寸的变化而变化，会影响破碎机、自磨(半自磨)机功率的计算以及自磨(半自磨)机介质的选择。

由于试样1，2，3的粉碎特性十分接近，因此，在研究颗粒尺寸对抗冲击破碎能力的影响时，仅以试样1为代表，其t10随颗粒粒度变化的趋势见图4。

图3 冲击粉碎试验的t10-Ecs关系曲线

表4 试验结果

表5 试验矿石物性数据在数据库中所处的位置

图4 试样1抗冲击破碎能力随颗粒尺寸变化的趋势

由图4可以看出，当比破碎能为2.5、1.0 kWh/t时，t10随颗粒粒度的增大而增大，颗粒的抗冲击破碎能力下降，且前者降幅更显著；当比破碎能为0.25 kWh/t时，t10随颗粒粒度的增大而减小，颗粒的抗冲击破碎能力上升。综合起来看，随比破碎能下降，颗粒粒度与t10关系曲线的斜率变小。

3.3 磨机与破碎机处理量和能耗计算

以JKTech落重试验获得的参数，结合磨机运行条件，可以计算大型自磨(半自磨)机的处理量和电机功率。运用JKSimMet 软件对半自磨机模拟计算时，输入矿石性质参数后，由软件求得该矿石的表观函数，并通过矩阵运算，可得到物料的单位功耗[6]。在研究传统破碎理论和JKTech落重试验计算理论的基础上，提出了适合粗、中、细碎的破碎机能耗计算模型[7]

(2)

式中,C1为闭(开)路修正系数；C2为破碎机类型修正系数；Wic为与矿石抗冲击性能A×b相关的功指数，通过JKTech试验得到，kWh/t；P80、F80分别为产物、给料80%物料过筛的筛孔尺寸。

3.4 设计和模拟计算自磨/半自磨流程

将获得的参数A、b、Ta及相对密度输入JKSimMet自磨/半自磨机模型软件，与有关设备参数和操作参数相结合，可以预测磨机的负荷和磨机在各种筛分机械配置下的性能，进行自磨/半自磨流程的设计和模拟计算[8]。运用落重、磨蚀及相对密度数据还可以对任何破碎和磨矿分级回路的设计进行优化，即可以根据试验数据和其他选矿厂的数据，模拟设计出符合矿石性质的自磨/半自磨流程[9]。

4 结 论

(1)通过JKTech落重试验测定了承德某铁矿石的粉碎特性参数，获得了该矿石的冲击粉碎特性参数A和b、磨蚀特性参数ta以及相对密度d，为设备选型和流程确定奠定了基础。

(2)JKTech落重试验结果可以用来判断矿石的软硬程度、颗粒尺寸对抗冲击破碎能力的影响；结合JKSimMet软件，可以计算磨机的处理量和功耗，设计并模拟计算自磨/半自磨流程。

[1] 赵昱东.自磨(半自磨)机在金属矿山的应用与发展[J].矿业快报，2005(4):1-5. Zhao Yudong.Application and development of autogenous (semi-autogenous) mill in metal mines[J].Express Information of Mining Industry,2005(4):1-5.

[2] 张 伟.自磨技术的经济性[J].有色设备，2010(3):1-7. Zhang Wei.Discussion on economics of self-grinding technology[J].Non-Ferrous Metallurgical Equipment,2010(3):1-7.

[3] 吴建明.用于自磨(半自磨)流程设计的现代试验方法(一)[J].有色设备，2009(6)：1-4. Wu Jianming.Modern test method for AG/ SAG mill process design(1)[J].Non-Ferrous Metallurgical Equipment,2009(6)：1-4.

[4] 吴建明.用于自磨(半自磨)流程设计的现代试验方法(二)[J].有色设备，2010(1)：1-4. Wu Jianming.Modern test method for AG/ SAG mill process design(2)[J].Non-Ferrous Metallurgical Equipment,2010(1)：1-4.

[5] 刘建远.关于矿石粉碎特性参数及其测定方法[J].金属矿山，2011(10):9-19. Liu Jianyuan.On the parameters for ore comminution performance and the relevant testing method[J].Metal Mine,2011(10):9-19.

[6] 姬建钢，潘劲军，董节功,等.功耗法在半自磨机选型中的应用[J].矿山机械，2013(2)：83-86. Ji Jiangang，Pan Jinjun，Dong Jiegong，et al.Application of energy consumption method to SAG mill sizing[J].Mining Machinery,2013(2):83-86.

[7] 姬建钢,郝 兵,祖大磊,等.矿石破碎与粉磨能耗的计算预测[J].矿山机械，2012(9)：66-68. Ji Jiangang，Hao Bing，Zu Dalei，et al.Calculation and prediction of energy consumption for ore crushing and grinding[J].Mining Machinery,2012(9):66-68.

[8] 朱月锋.半自磨工艺可行性试验研究[J].中国矿山工程，2009(1)：21-24. Zhu Yuefeng.Feasible experimental study of semi-autogenous grinding technology[J].China Mine Engineering,2009(1)：21-24.

[9] 胡振涛.JKSimMet选矿模拟器在选矿厂的研究与应用[C]∥《金属矿山》杂志社.2004年全国选矿新技术及其发展方向学术研讨与技术交流会文集.马鞍山：《金属矿山》杂志社，2004：452-459. Hu Zhentao.Research and Application of JKSimMet Mineral Processing Simulator in Concentrator[C]∥Metal Mine Magazine.Chinese National Mineral Processing Technology and the Development Direction of Academic and Technical Conference 2004.Maanshan：Metal Mine Magazine,2004：452-459.

(责任编辑 罗主平)

Comminution Parameters Detection of the Ore by Drop-weight Tests

Wang Zehong Chu Wencheng Kong Lingbin Chen Chao Ma Kun

(CollegeofResourcesandCivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China)

In order to make the selection of comminution equipments and process more accurately and reasonably，the popular material comminution properties measured methods in AG/SAG operation at abroad：the JKTech Drop-weight Test method was introduced systemically.The comminution properties that are the impact parameterAandbas well as abrasion parameterTain Chengde Iron Ore are determined by using JK Drop-weight Tester and abrasive grinding testing device.By comparing the test results with the data in database，it can be seen that ①the three samples' comminution properties are similar with each other，which meant all the sample belong to the soft and middle-soft ore.②with the crushing energy of 2.5，1.0 kWh/t，the impact resistance decrease with the increase of the particle size.The more the crushing energy is，the more significant the impact resistance decreases.With the specific crushing energy of 0.25 kWh/h，the impact resistance increase with the increase of the particle size.It means that the impact resistance decrease with the specific crushing energy，and the curve slope oft10& particle size becomes less.③The test results can be successfully applied into calculation of throughput and energy consumption，as well as AG/SAG flow-sheet design and simulation.It indicated that comminution properties by JKTech Drop-Weight Test could not only measure the ore properties，but also lay the foundation for equipment selection and flow-sheet determination.

Drop-Weight Test，Comminution parameters，AG/SAG

2014-05-13

王泽红(1969—)，男，副所长，副教授，博士，硕士研究生导师。

TD921+.2，TD921+.4

A

1001-1250(2014)-09-085-05