某铝土矿高压辊磨产品特性研究

阎赞，周春生，张国春

（商洛学院化学工程与现代材料学院/陕西省尾矿资源综合利用重点实验室，陕西商洛726000）

某铝土矿高压辊磨产品特性研究

阎赞，周春生，张国春

（商洛学院化学工程与现代材料学院/陕西省尾矿资源综合利用重点实验室，陕西商洛726000）

针对某铝土矿，在矿石特性分析基础上，进行了高压辊磨产品和颚式破碎产品的邦德球磨功指数试验、比表面积和孔体积测定试验，研究了高压辊磨机粉碎铝土矿产品的特性。结果表明，高压辊磨产品的邦德球磨功指数低于颚式破碎产品的邦德球磨功指数，比表面积和单位孔体积高于颚式破碎产品的比表面积和单位孔体积，可见高压辊磨机可有效达到节能降耗的目的，提高铝土矿产品的利用率，相对于传统的颚式破碎机具有更广阔的应用前景。

高压辊磨机；铝土矿；邦德功指数；比表面积；孔体积

我国铝土矿资源储量丰富，保有储量高达22.88亿吨，且分布高度集中，主要分布在山西、河南、贵州、广西四省，其中以山西储量最大，占全国总储量的41.0%。作为生产氧化铝的最主要矿产资源，其用量占世界铝土矿总产量的90%以上。由于铝土矿中的氧化铝主要以一水铝石或三水铝石状态存在，因此铝土矿可分为一水软铝石型、一水硬铝石型和三水铝土矿型。在我国已探明铝土矿资源中，一水硬铝石型铝土矿含量占全国总储量的98.46%[1-2]。一水硬铝石型铝土矿中铝和硅的含量都很高，导致铝硅比很低，约在4-6矿石性质较差。由于其硬度较高，并且包裹致密，磨矿产品的选择性碎磨作用不明显甚至没有选择性[3]，使得矿石的溶出性能变差，进一步影响矿石的溶出率，导致生产成本过高。因此，在以一水硬铝石型铝土矿为原料生产氧化铝时，需要将矿石磨至较细粒度，以保证溶出过程的溶出速率和溶出率。但以颚式破碎机作为破碎设备的典型传统铝业工艺，这种常规的破磨很难实现铝、硅矿物间的完全解离，同时存在能耗高和资源利用率低两个突出问题[4-5]。因此，如何从根本上解决一水硬铝石型铝土矿的粉磨问题，在降低能耗的同时又可以提高铝土矿资源的利用率对氧化铝工厂节能降耗、降低投资有着重要意义，也是现今铝业发展亟待解决的课题。突破当前的技术瓶颈就必须要引入新理念、新技术、新设备。这里的新设备并不一定是新出现的设备，也可以是新应用于铝业的设备。例如，80年代基于料床静压粉碎原理开发出的新型粉磨设备-高压辊磨机，最初只是应用于水泥行业及个别有色金属矿山和非金属矿山。由于其具有结构简单、噪声小、磨碎比大、占地面积小、效率高、节能等特点[6-7]，在与球磨机配合使用时，可以提高磨机的系统产量，非常适合选矿和制铝行业的生产特点。本文以山西某铝土矿（一水硬铝石型铝土矿）为研究对象，在矿石特性研究基础上，分别对高压辊磨机粉碎产品和颚式破碎机粉碎产品进行邦德球磨功指数试验、比表面积测定试验和孔体积测定试验，以对比两种粉碎产品的特性，从而选择适宜的粉碎方式。试验结果对该类铝土矿资源的开发和制铝行业的节能降耗具有一定的借鉴意义。

1 试验物料及研究方法

本文以山西某铝土矿作为试验矿样，为满足实验室高压辊磨机的给料粒度要求，将矿石用PEX-150×250型颚式破碎机（重庆市龙建机械制造有限公司）破碎筛分至20 mm以下，作为高压辊磨机和颚式破碎机的给料，物料制备流程图如图1所示。

图1 物料制备流程图

破碎产品分别经CLMφ250×100型实验室高压辊磨机（成都利君实业股份有限公司）和XPW-60×100型颚式破碎机（重庆市龙建机械制造有限公司）全闭路粉碎至-3.2 mm，作为邦德球磨功指数试验用矿样，所采用的试验设备为直径305 mm×305 mm的标准球磨功指数球磨机。

在比表面积、孔体积测定试验中，将高压辊磨机和颚式破碎机粉碎至-3.2 mm的矿样用标准筛筛分为以下6个粒级，即-3.2+2 mm、-2+0.8 mm、-0.8+0.5 mm、-0.5+0.154 mm、-0.154+0.063 mm、-0.063 mm，作为试验用矿样。所采用的试验设备为Quadrsorb SI比表面积及孔隙分布测定仪（美国Quantachtome公司）。

邦德功指数是评价矿石被磨碎难易程度的一种指标，其测定矿石可磨度的理论根据是邦德的矿石破碎裂缝学说。该学说认为“物料磨碎过程中输入的能量与物料颗粒上新产生的裂缝长度成正比”[8]。邦德球磨功指数Wib(kW·h·t-1)由式(1)计算得出。

式中，Wib为邦德球磨功指数，kW·h·t-1；

P1为试验筛孔尺寸，μm；

Gbp为磨矿平衡时球磨机每一转新生成的试验筛孔以下粒级物料的重量，g·r-1，即物料的可磨度；

P80为产品中80%物料通过的粒度，μm；

F80为给料中80%物料通过的粒度，μm。

由于高压辊磨机独特的粉磨方式，可以使碎裂发生在矿物的相界面，从而比常规破碎机产生更多的微裂纹，进而使有用矿物在较大力度下得到单体解离，保证后续作业地顺利进行。在高压载荷下，物料除了发生有效粉碎外，还会在颗粒表面及内部生成许多微小裂缝[9-10]，这些微小裂缝的多少可以用比表面积和孔体积进行表征。因此，本试验在单一氮气测试模式下，利用低温N2吸附-脱附的方法测定不同粒级产品的比表面积和孔体积，进行高压辊磨产品和颚式破碎产品的不同粉碎特性研究。

2 矿石特性

2.1 化学多元素分析

该矿样的化学多元素分析结果如表1所示。

表1 矿样的化学多元素的含量

由表1结果可见，该矿样的Al2O3含量为60.46%，SiO2含量为14.35%，铝硅比为w(Al2O3)/w(SiO2)=4.21，矿石性质较差。Fe2O3、FeO含量较低，分别为2.10%、1.25%，TiO2含量为2.94%。

2.2 物质组成分析

该铝土矿矿物组成见表2。

表2 铝土矿矿物组成

由表2可以看出，该铝土矿矿物组成简单，矿物种类较少。非金属矿物主要成分为具有回收价值的一水硬铝石，含量高达78.63%，说明此矿石为一水硬铝石型铝土矿。其次为粘土矿物，主要为高岭石，含量为16.84%。金属矿物主要为针铁矿，含量为1.29%，其次为赤铁矿，少量黄铁矿，并有微量锐钛矿。水白云母和铁染含量较少，分别为2.38%、0.33%。

2.3 镜下鉴定结果

该铝土矿矿样的镜下鉴定结果表明，矿石中主要的非金属矿物为可回收的一水硬铝石，多以细小鳞片状、隐晶状及其集合体产出，其中被高岭石充填胶结，见图2；另外在一水硬铝石颗粒周围常有铁质环绕和充填胶结，见图3；其次一水硬铝石以贝壳状、皮壳状产出，其中夹杂粘土质和铁质矿物，见图4；一水硬铝石被铁质污染，在其表面浅细裂纹中形成“铁染”，见图5。

矿物浸染粒度统计结果表明，非金属矿物一水硬铝石单晶粒度很细，均在0.038 mm以下。

图2 一水硬铝石（Di）以细小鳞片状产出

图3 一水硬铝石（Di）以球粒状产出

图4 一水硬铝石（Di）以皮壳状产出

图5 一水硬铝石（Di）中夹杂有高岭石

3 结果与讨论

3.1 邦德球磨功指数试验

3.1.1 功指数球磨机给料粒度特性测定

对铝土矿高压辊磨产品与颚破产品的球磨机给料进行粒度组成测定，其粒度特性曲线如图6所示。

由图6可知，当物料累计含量为80%时，铝土矿高压辊磨产品的粒度为1.92 mm，颚式破碎产品的粒度为2.03 mm，即高压辊磨产品的功指数球磨机给料粒度F80为1.92 mm，颚式破碎产品的功指数球磨机给料粒度F80为2.03 mm。

3.1.2 邦德球磨功指数试验

由于该矿石属一水硬铝石型铝土矿，其最佳溶出粒度为0.10-0.15 mm，因此，在邦德球磨功指数测定试验中控制筛孔尺寸为0.15 mm，即此矿样磨矿功指数的产品粒度为-0.15 mm，在闭路磨矿条件下进行功指数测定，所用矿样为高压辊磨机和颚式破碎机粉碎至-3.2 mm的产品。试验结果如表3所示。

表3 不同粉碎产品的球磨功指数试验结果

由表3可见，高压辊磨产品经9次循环磨矿后达到平衡，平衡时三次Gbp的平均值为1.4873 g·r-1，对于颚式破碎产品来说，平衡时Gbp的平均值为1.3936 g·r-1。

图6 球磨机给料粒度特性

3.1.3 磨矿平衡时产品粒度特性测定

当磨矿循环达到平衡时，对高压辊磨产品和颚式破碎产品的磨矿产物分别进行粒度组成分析，其粒度特性曲线如图7所示。

图7 铝土矿磨矿平衡时产品粒度特性

由图7可知，当物料累计含量为80%时，铝土矿高压辊磨产品经磨矿后所得产物的粒度为0.994 mm，颚式破碎产品经磨矿后所得产物的粒度为1.015 mm，即高压辊磨产品的功指数球磨机产物粒度P80为0.994 mm，颚式破碎产品的功指数球磨机产物粒度P80为1.015 mm。

3.1.4 球磨功指数计算

铝土矿球磨功指数计算原始数据如表4所示，可见，在相同试验筛孔尺寸下，虽然铝土矿高压辊磨产品的可磨度高于颚式破碎产品的可磨度，但其产品粒度和给料粒度均小于颚式破碎的产品粒度和给料粒度。

按式(1)进行铝土矿球磨功指数计算，将试验筛孔P1、可磨度Gbp、产品粒度P80、给料粒度F80带入式(1)，计算得到铝土矿高压辊磨产品的功指数为14.4380 kW·h·t-1，颚破产品的功指数是15.3087 kW·h·t-1。高压辊磨产品球磨功指数相比于颚破产品球磨功指数降低了6.03%。

表4 铝土矿球磨功指数计算原始数据

3.2 比表面积、孔体积测定试验

将粉碎至-3.2 mm的高压辊磨产品和颚式破碎产品矿样用标准筛筛分为-3.2+2 mm、-2+ 0.8 mm、-0.8+0.5 mm、-0.5+0.154 mm、-0.154+ 0.063 mm、-0.063 mm 6个粒级，分别测定其比表面积和孔体积。结果如图8、图9所示。

图8 粉碎产品不同粒级的比表面积

图9 粉碎产品不同粒级的孔体积

高压辊磨产品和颚式破碎产品不同粒级的比表面积大小如图8、图9所示。可见，物料经高压辊磨和颚式破碎后，产品的比表面积均随着粒度的减少而增大，说明物料的粒度越小，其比表面积越大。比较高压辊磨产品和颚式破碎产品各粒级的比表面积可知，高压辊磨产品各粒级的比表面积大于颚式破碎产品相应粒级的比表面积，说明物料经高压辊磨后，产品粒度更细。同时也进一步从侧面解释了高压辊磨产品表面粗糙，可以产生更多微裂纹这一理论。对-0.154+0.063 mm粒级产品来说，高压辊磨产品比颚式破碎产品的比表面积增大了26.66%，可见，采用高压辊磨机对物料进行粉碎，可以产生更多的细粒级产品，有利于减轻后续磨矿作业工作量。

图9为高压辊磨产品和颚式破碎产品不同粒级的孔体积。可见，随着高压辊磨产品和颚式破碎产品粒度的减小，其单位孔体积都相应增大。高压辊磨产品各粒级的单位孔体积均高于颚式破碎产品相应粒级的单位孔体积。当产品粒级为-0.063 mm时，高压辊磨产品比颚式破碎产品的孔体积增大了28.23%。从岩石力学角度讲，辊压产品的力学性能较颚破产品的差，更容易被进一步粉碎。

4 结论

该铝土矿矿物组成简单，矿物种类较少。矿样的Al2O3含量高达60.46%，SiO2含量为14.35%，铝硅比为4.21，矿石性质较差。非金属矿物一水硬铝石单晶粒度很细，均在0.038 mm以下。

铝土矿高压辊磨产品的邦德功指数是14.4380 kW·h·t-1，颚破产品的邦德功指数是15.3087 kW·h·t-1，高压辊磨产品的功指数比颚破产品球磨功指数降低6.03%。对于大规模生产的制铝业来说，将会明显起到节能降耗作用。

高压辊磨机粉碎后的铝土矿样的比表面积和孔体积在相同粒级的条件下比颚破粉碎后的要大。辊压产品的比表面积和单位孔体积比颚破产品的分别提高了26.66%和28.23%，这说明在高压力作用下辊压产品表面比较粗糙并且颗粒中会产生有更多的裂纹，同时辊压产品由于较高的孔隙率和较差的力学性质使其更加容易被磨碎。

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（责任编辑：李堆淑）

Characteristic Research on High Pressure Roller Mill Product of a Bauxite

YAN Zan,ZHOU Chun-sheng,ZHANG Guo-chun
(College of Chemical Engineering and Modern Materials/Shaanxi Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Tailings Resources,Shangluo University,Shangluo726000，Shaanxi)

The high pressure roller mill product of a bauxite is studied.A full study on ore characteristics was carried out,followed by bond ball mill work index test,specific surface area and pore volume tests conducted on high pressure roller mill products and jaw crusher broken products.The results showed that the bond ball mill work index of the high pressure roller mill products was lower than the jaw crusher broken products,and its specific surface area and pore volumewas higher than the jaw crusher broken products.Therefore,milling load can be greatly reduced by using high pressure grinding roller technology and the utilization of bauxite products can be greatly improved.High pressure grinding roller has a broad application prospect related to the traditional jaw crusher.

high pressure grinding roller;bauxite;bond ball mill work index;specific surface area; pore volume

TD453.9

A

1674-0033（2015）02-0036-06

10.13440/j.slxy.1674-0033.2015.02.010

2015-01-12

陕西省尾矿资源综合利用重点实验室开放基金项目（2014SKY-WK011）

阎赞，女，陕西户县人，硕士，助教