辽宁鞍本地区某铁矿废石碎磨特性研究

张 昊 刘文宝 刘文刚 孙文瀚 佟柯霖 谢 峰

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819;2.东北大学冶金学院，辽宁 沈阳 110819)

我国是铁矿石开采及生产大国，长期以来铁矿石产量稳居世界第一[1]。我国的铁矿资源具有“贫、细、杂”的特点，这使得铁矿石开采过程中不可避免地产生了大量的铁矿废石[2-3]。以辽宁鞍本地区为例，每年约排放铁矿废石1.5亿t以上，位列我国大型铁矿资源基地首位[4]。这些废石长期以来堆存在各大矿山的排土场，不仅造成了严重的资源浪费，还易引发一系列的安全与环境问题[5-6]。因此，如何高质量地解决矿山废石堆存问题，对铁矿废石进行精细化梯级利用必将成为我国矿山企业可持续发展的重中之重。

目前，已有不少专家学者与矿山企业对铁矿废石的综合利用开展了一系列的探究与实践，特别是利用铁矿废石制备砂石骨料，已成为研究热点之一[7-13]。在我国河砂资源日益匮乏的大背景下，利用铁矿废石制备砂石骨料不仅能够填补市场需求的空缺，还能最大程度地为我国矿山企业谋求更多的利润。值得注意的是，随着我国建材市场的不断发展与革新，未来建筑材料行业将对砂石骨料品质(如粒型、级配等)提出更高的要求，尤其是微细粒级的高性能骨料(如特种砂浆骨料等)将成为重要的发展方向[14]。因此，明确铁矿废石的碎磨特性，将砂石骨料制备工艺进一步精细化就变得尤为重要。

本研究以辽宁鞍本地区的歪头山铁矿废石为试验样品，通过Bond球磨功指数试验及JK落重试验对该铁矿废石的碎磨特性展开研究，计算并分析铁矿废石球磨功指数Wib、冲击粉碎系数A×b、磨蚀系数ta以及相对密度等参数，以期为后续该地区机制砂与各类砂浆生产中碎磨工艺的制定及设备选型提供重要参考，为解决辽宁鞍本地区废石堆存问题提供新的思路。

1 试 样

1.1 化成成分及矿物组成

本试验所用铁矿废石取自辽宁鞍本地区歪头山某铁矿废石场，经破碎、研磨，充分混匀后进行化学成分及XRD分析，结果分别见表1、图1。

表1 试样化学成分分析结果Table 1 Analysis results of the chemical composition of the samples %

图1 试样XRD图谱Fig.1 XRD patterns of the samples

由表1和图1可知，试样中Fe2O3仅为2.85%，SiO2占比高达73.53%，满足制备建筑材料的基本条件;试样主要矿物成分为石英、钠长石、白云母等。

1.2 试验矿样的制备

试样经PEX-250 mm×400 mm型颚式破碎机破碎至-63mm，取一定质量-63mm的废石颗粒进行缩分取样，采用 PE 60 mm×100 mm颚式破碎机及φ400 mm×250 mm型对辊破碎机，经两段一闭路(图2)破碎至-3.2 mm，作为Bond球磨功指数试验的样品储存备用;随机选取粒度为53～45 mm与45～37.5 mm的废石颗粒各1.5 kg作为磨蚀粉碎试验的样品;随机选取45块粒度为63～53 mm的废石颗粒、45块粒度为45～37.5 mm的废石颗粒、90块粒度为31.5～26.5 mm的废石颗粒、90块粒度为22.4～19 mm的废石颗粒以及90块粒度为16～13.2 mm的废石颗粒作为冲击粉碎试验的样品;随机选取30块粒度为31.5～26.5 mm的废石颗粒进行相对密度的测定。

图2 Bond球磨功指数试验样品制备流程Fig.2 Sample preparation process of Bond ball milling work index test

2 试验方法

2.1 Bond球磨功指数试验

试验具体步骤如下:①使用套筛及振筛机对原矿样进行筛分，绘制原矿样粒度特性曲线，据此分析原矿样累计透筛率为80%时对应的筛孔尺寸F80;②将原矿样缩分后送入球磨机，磨至设定转数后使用筛子(筛孔尺寸为0.15 mm，记为P1)进行筛分，计算出每转净生成-0.15 mm产品的质量Gbp，根据公式求出下一周期的磨矿转数;③称量与上一步骤筛下产物相同质量的原矿样，与筛上产物混合后送入球磨机，按照前一步骤所求得的转数进行磨矿并筛分;④当最后3次单转净生成-0.15 mm产品质量Gbp的最大值与最小值之差小于这3次平均值的3%且磨机循环负荷稳定在250%±5%时，认为磨矿进入平衡状态，停止磨矿;⑤将最后一周期的筛上、筛下产物混匀后筛分，根据粒度特性曲线获得磨矿产品达到80%透筛率时对应的粒度大小P80;⑥根据参考文献[15]计算Bond球磨功指数。

2.2 JK落重试验

试验具体步骤如下:①依次将粒级为63～53 mm、45～37.5 mm、31.5～26.5 mm、22.4～19 mm以及16～13.2 mm的废石颗粒置于JK落重仪上，每个粒级的废石颗粒以3个能量水平进行冲击粉碎，得到15个粒度-比能耗组合的粉碎产品;②分析并绘制15个粒度-比能耗组合产品的级配曲线，进而求出每个产品的t10(定义为产品中小于原矿样颗粒尺寸1/10的筛下产率);③将15个产品的t10与其各自所对应的比破碎能按照文献[16]所述进行回归拟合，确定回归模型中的A和b的值，通过A×b的值来衡量物料抵抗冲击粉碎的能力，A×b越大，则物料抵抗冲击粉碎的能力越弱。

2.3 磨蚀粉碎试验

将粒度为53～45 mm与45～37.5 mm的废石颗粒各1.5 kg置于磨机内，设置磨机转速为53 r/min，转速率为70%，不添加任何磨矿介质，开机转动10 min后对产品进行筛析，根据筛析结果绘制级配曲线，从而确定磨蚀系数ta(t10值的1/10)。

2.4 相对密度测定试验

细绳两端分别连接电子弹簧秤与废石颗粒，根据流体静力称衡法分别测量出30块粒度为31.5～26.5 mm铁矿废石颗粒在空气中的质量M与在水中的质量m，据此计算出铁矿废石颗粒在水中的相对密度。

2.5 试验结果的比对

将试验所得的冲击粉碎系数A×b、磨蚀系数ta与下表2中的数据进行比对，进而对铁矿废石的抗冲击粉碎能力与抗磨蚀粉碎能力进行判定。

表2 落重试验参数与物料硬度关系Table 2 Relationship of material hardness with drop weight test parameters

3 试验结果与讨论

3.1 Bond球磨功指数试验

原矿样粒度特性曲线如图3所示。

图3 原矿样粒度特性曲线Fig.3 Particle size characteristic curve of raw ore sample

由图3可知，原矿样F80为2 690μm。

功指数磨机给料的平均松散密度为1.514 g/cm3，已知磨机给料一般为700 cm3[17]，由此得到功指数磨机给料的质量为1 060 g。称取试验样品1 060 g送入球磨机进行Bond球磨功指数试验，结果如表3所示。

表3 邦德球磨功指数试验结果Table 3 Experimental results of Bond ball mill work index

由表3可知，当试验进行至第9次时，循环负荷及最后3次Gbp值满足试验终止条件。因此，控制筛孔尺寸为0.15 mm的条件下，歪头山铁矿废石的可磨度Gbp=2.124 g/r。

当铁矿废石磨矿达到平衡时，取筛下产品进行颗粒级配的分析，得到平衡产品粒度特性曲线，结果如图4所示。

图4 平衡产品粒度特性曲线Fig.4 Particle size characteristic curve of grinding balance production

由图4可知，歪头山铁矿废石磨矿平衡时，产品达80%透筛率对应的粒度大小P80=130μm。

将P1、Gbp、P80和F80代入文献[15]中 Bond 球磨功指数公式进行计算，求出歪头山铁矿废石的球磨功指数Wib=12.05 kW·h/t。

3.2 JK落重试验

在冲击粉碎试验条件下，15个粒度-比能耗组合的粉碎产品粒度特性曲线如图5所示。

图5 落重试验产品粒度特性曲线Fig.5 Characteristic curves of particle size for production in drop weight test

根据15个粒度-比能耗组合的粒度特性曲线，可以得出15组不同比破碎能Ecs所对应的t10，并根据文献[16]所述进行回归拟合，所得到的t10-Ecs关系模型，结果如图6所示。

图6 冲击粉碎试验的t10-E cs关系曲线Fig.6 Relationship curve for t10-E CS in impact communiton test

将图6数据进行回归拟合后，可得出矿石的冲击粉碎模型为

由式(1)可知，A的值为71.25，b的值为0.52，则粉碎特性参数A×b的值为37.05，查表2可知歪头山铁矿废石抗冲击粉碎能力属于硬范畴。

此外，颗粒粒度的不同也会影响废石抗冲击破碎能力的强弱，比破碎能分别为2.5、1.0、0.25 kWh/t条件下，t10随颗粒粒度变化的趋势如图7所示。

图7 抗冲击破碎能力随颗粒粒度变化趋势Fig.7 Change trend of impact crushing ability with particle

由图7可知，当比破碎能为2.5、0.25 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轻微下降;当比破碎能为1.0 kWh/t时，t10随颗粒粒度的增大而略微减小，颗粒抗冲击破碎能力轻微上升。

3.3 磨蚀粉碎试验

磨蚀粉碎产品粒度特性曲线如图8所示。

图8 磨蚀粉碎试验产品粒度特性曲线Fig.8 Characteristic curves of particle size for abrasion product

由图8可知，t10对应的筛孔尺寸为1.67 mm，因此ta的值约为0.17，查表2可知歪头山铁矿废石抗磨蚀能力属于极硬范畴。

3.4 相对密度测定试验

相对密度频率分布情况如图9所示，其中最大值为3.67，最小值为2.64，平均值为3.06。

图9 31.5～26.5 mm样品密度频次分布Fig.9 Density distribution frequency of 31.5～26.5mm samples

由图9可知，歪头山铁矿废石数据显示出双峰特性，这表明矿石中存在致密组分，可能在循环负荷中富集，从而引起功率问题，导致产量的损失。

4 设备能耗计算及工艺流程设计

根据试验结果，可将各项参数代入破碎机能耗模型(式(2))中，对废石利用工艺中粗碎、中碎、细碎可能运用到的破碎机功率进行计算，为破碎机与制砂机的设备选型提供指导[18]:

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;P80、F80为产物、给料80%物料过筛的筛孔尺寸。

最终，确定如下图10所示的铁矿废石利用工艺，当前该工艺已正式生产运营。

图10 铁矿废石利用工艺流程Fig.10 Process flow chart of iron ore waste rock utilization

5 结 论

Bond球磨功指数试验结果表明，歪头山铁矿废石Bond球磨功指数Wib为12.05。JK落重试验结果表明，歪头山铁矿废石冲击粉碎模型为t10=71.25(1-e-0.52ECS)，其中冲击粉碎参数A×b的值为37.05;磨蚀系数ta的值为0.17;相对密度为3.06。歪头山铁矿废石抗冲击粉碎能力为硬范畴，抗磨蚀粉碎能力属于极硬范畴。结合上述试验结果，最终确定了辽宁鞍本地区某铁矿废石的具体设备与利用工艺。