某锂矿石高压辊磨工艺试验研究

向海春，杨纪昌，潘卫宁，王亚珍，张 萌

1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039

2智能矿山重型装备全国重点实验室 河南洛阳 471039

选矿厂碎磨作业能耗通常占到选厂总能耗的50%～ 70%，是选厂能耗的主要构成部分。因此，通过优化碎磨工艺、改进碎磨设备来降低碎磨作业能耗一直是国内外选矿行业关注的热点。高压辊磨机是 20 世纪 80 年代基于层压粉碎理论开发的一种高效粉碎设备，具有处理量大、单位能耗低、产品稳定等优点，在水泥、建材等行业得到了很好的应用[1-3]。然而，受制于金属矿石硬度较高，辊面易磨损失效，高压辊磨机一直未在选矿领域得到很好的推广。随着近年来辊面结构的改进和合金材料的快速发展，辊面磨损过快的问题得到了很好地解决，高压辊磨机开始成为选厂碎磨工艺创新的热点[4]。如洛钼集团选矿三公司在原有三段一闭路流程基础上增加高压辊磨闭路超细碎工艺流程，改造后钼精矿品位和回收率分别提高 2.12%、1.55%，并且原矿生产成本降低 3.15 元/t[5]；赤峰柴矿公司应用高压辊磨闭路筛分工艺处理金矿石，不仅提高了破碎生产能力，还优化了磨矿效率、改善了选别指标，选矿总能耗降低了9.83%[6]；此外，国外相关报道[7-9]也证明高压辊磨机能显著降低碎磨作业能耗，并且辊压后的产品具有较多的微裂纹，有利于后续作业的进行。

某锂矿石采用重-浮联合选矿工艺，原矿经三段一闭路破碎后筛分，筛上物料进行重介选矿，筛下细泥与重选中矿合并后给入磨矿作业，磨矿产品作为浮选给料，进行浮选回收有用矿物。为降低整个碎磨流程能耗，拟在细碎后增设一段高压辊磨闭路超细碎流程，将锂矿石粉碎至 -6.0 mm，同时要求产品中 -0.5 mm 部分占比低。因此，笔者以该锂矿石为研究对象，对其进行高压辊磨工艺试验，研究不同辊压条件下高压辊磨机对该矿石的粉碎效果，为碎磨工艺改造提供指导。

1 高压辊磨工艺试验

1.1 试验设备

试验设备主要有：PE125×150 颚式破碎机、100×60E 颚式破碎机、5E-DCA250×150 对辊破碎机、φ420 mm×100 mm 高压辊磨试验机、φ200 系列标准筛、SDB-200 标准振筛机、φ305 mm×305 mm BOND 球磨功指数试验机。

1.2 试验方法

1.2.1 试样制备

高压辊磨试验给料：通过颚式破碎机将锂矿石破碎至 -26.5 mm，混匀、缩分后作为高压辊磨试验矿样。

BOND 功指数试验给料：将锂矿石用颚式破碎机、对辊破碎机破碎至 -3.35 mm，混匀、缩分后作为传统破碎产品功指数试验矿样；另，利用对辊破碎机将高压辊磨闭路试验稳定筛下产品破碎至 -3.35 mm，混匀、缩分后作为高压辊磨产品功指数试验矿样。

1.2.2 高压辊磨开路试验

高压辊磨开路试验流程如图1 所示，该试验在φ420 mm×100 mm 高压辊磨试验机上进行，挤压辊转速固定为 21 r/min，试验通过转矩传感器获取运行转矩来计算净比功耗，试验结束后对辊压产品中心料和边缘料 (中心料∶边缘料＝6∶4) 分别进行粒度分析。

图1 高压辊磨开路试验流程Fig.1 Open-circuit test flow of HPGR

1.2.3 高压辊磨闭路试验

根据高压辊磨开路试验结果选取适当辊压条件进行闭路试验，主要试验流程如图2 所示。闭路控制筛孔径为 6 mm，当循环负荷达到稳定时结束试验，对辊压产品中心料和边缘料进行粒度分析。

图2 高压辊磨闭路试验流程Fig.2 Closed-circuit test flow of HPGR

1.2.4 BOND 球磨功指数试验

对传统破碎产品和高压辊磨产品分别进行 BOND球磨功指数测定，试验过程根据标准 BOND 球磨功指数试验流程进行，并按式 (1) 计算功指数的值[10-11]。

式中：Wib为 BOND 球磨功指数，kW·h/t；P1为试验筛孔径，µm；Gbp为磨矿平衡时每转新生成小于试验筛孔径物料的质量，g/r；P80为产品中 80% 通过的粒度尺寸，µm；F80为给料中 80% 通过的粒度尺寸，µm。

2 试验结果与分析

2.1 试样成分

锂矿石来样含水率为 0.1%，矿石密度为 2.6 g/cm3，主要成分为含量 22% 的锂辉石和 5% 的锂白云母，伴有含量 28% 的石英、36% 的斜长石等脉石矿物。将来样破碎至 -26.5 mm，其堆密度为 1.6 g/cm3，粒度筛析结果如表1 所列。从表1 可知，辊压给料中-6.0 mm、-0.5 mm 含量分别为 20.0%、4.5%。

表1 高压辊磨试验给料粒度筛析结果Tab.1 Screening results of feed particle size in HPGR test

2.2 高压辊磨开路试验

2.2.1 给料含水率

固定高压辊磨机辊面压力为 4.1 N/mm2、辊子转速为 21 r/min，调整辊压给料含水率分别为 0.1%、2.0%、4.0%、6.0%。考察给料含水率对辊压效果的影响，单位通过量、比功耗结果如表2 所列，辊压产品粒度分布结果如图3 所示，中心料 -6.0 mm、-0.5 mm 含量变化情况如图4 所示。

表2 不同给料含水率下开路辊压试验结果Tab.2 Results of open-circuit rolling test under different feed moisture contents

图3 不同给料含水率下开路辊压产品粒度分布曲线Fig.3 Particle size distribution curves of open-circuit rolling products under different feed moisture contents

图4 不同给料含水率下开路辊压产品中心料 -6.0 mm 和-0.5 mm 含量Fig.4 Content of -6 mm and -0.5 mm in center material of opencircuit rolling products under different feed moisture contents

根据表2 可知，随着给料含水率从 0.1% 升高到6.0%，比功耗从 2.6 kW·h/t 增加到 3.0 kW·h/t，单位通过量由 172 t·s/(h·m3) 减小至 161 t·s/(h·m3)。这是由于辊压过程中水分吸收了部分能量，增加了高压辊磨机能耗；含水率高的物料还会发生结团现象，降低排料速度，使得单位通过量下降[12]。根据图3 可知，随着给料含水率的升高，辊压产品中心料和边缘料粒度均发生了变化，但变化不显著。另，从图4 可看出，当给料含水率为 0.1%、2.0%、4.0% 时，中心料 -6.0 mm 含量分别为 90.5%、93.1%、92.9%，-0.5 mm 含量变化不大，分别为 40.2%、39.8%、39.7%，说明适度的给料含水率能让辊压产品粒度分布更集中；当给料含水率达到 6.0% 后，中心料 -6.0 mm、-0.5 mm 含量分别降低到 89.1%、37.3%，过高的水分恶化了辊压效果，减少了细粒级物料的生成[13]。综合考虑给料含水率对辊压过程的影响，得出：产品粒度随给料含水率变化波动较小，且低水分下单位通过量高、比功耗低，高水分下辊压效果变差、产品不易打散，保持 0.1% 给料含水率进行辊压较为适宜。

2.2.2 辊面压力

在辊子转速为 21 r/min、给料含水率为 0.1% 条件下，改变辊面压力分别为 1.3、2.7、4.1、5.5 N/mm2，考察不同辊面压力下的辊压效果，结果如表3 所列，辊压产品粒度筛析结果如图5 所示，中心料 -6.0 mm、-0.5 mm 含量变化如图6 所示。

表3 不同辊面压力下开路辊压试验结果Tab.3 Results of open-circuit rolling test under different roller surface pressures

图5 不同辊面压力下开路辊压产品粒度分布曲线Fig.5 Particle size distribution curves of open-circuit rolling products under different roller surface pressures

图6 不同辊面压力下开路辊压产品中心料 -6.0 mm 和-0.5 mm 含量Fig.6 Content of -6 mm and -0.5 mm in center material of opencircuit rolling products under different roller surface pressures

由表3 可知，当辊面压力为 1.3 N/mm2时，单位通过量最大，比功耗最低，分别为 200 t·s/(h·m3)、1.0 kW·h/t。随着辊面压力增大，单位通过量开始下降，比功耗急剧升高，在 5.5 N/mm2辊面压力下分别为 168 t·s/(h·m3)、3.2 kW·h/t。从图5 可知，辊面压力对产品边缘料的粒度影响较小，而对中心料的粒度影响十分明显。从图6 可知，辊面压力为 1.3 N/mm2时，中心料 -6.0 mm、-0.5 mm 含量分别只有71.3%、21.4%；而当辊面压力增大到 5.5 N/mm2时，中心料 -6.0 mm、-0.5 mm 含量分别达到了 95.0%、44.6%，较大的辊面压力有利于细粒级物料的生成。另外，从图6 还可看出，中心料细粒级含量的增加量随辊面压力增大呈现下降趋势，造成该现象的主要原因是矿物颗粒的“尺寸效应”，即矿物颗粒的机械强度随尺寸减小而显著升高，粉碎难度增大[14-15]。

2.3 高压辊磨闭路试验

在开路试验的基础上进行高、低两种辊面压力(1.3、4.1 N/mm2) 的闭路辊压试验，辊压条件为：辊面压力 1.3 或 4.1 N/mm2、辊子转速 21 r/min、给料含水率 0.1%、控制筛孔径 6 mm，试验结果如图7 所示。

图7 高压辊磨闭路试验结果Fig.7 Closed-circuit test results of HPGR

由图7 可知，1.3 N/mm2和 4.1 N/mm2辊面压力下的闭路辊压试验分别在第 4 次、第 5 次达到平衡，平衡时循环负荷分别稳定在 65%、30%，此时单位通过量与比功耗分别为 195 t·s/(h·m3)、0.9 kW·h/t 和171 t·s/(h·m3)、2.2 kW·h/t。对比开路辊压产品和闭路辊压平衡后产品的粒度分布，结果如图8 所示。由图8 可知，相比于开路辊压试验，闭路辊压平衡后产品粒度较粗，主要原因为筛上物料循环返回到给料中，会使给料细粒级含量变少，且该部分物料的机械强度相对较高[16]。为尽量使锂矿石中有用成分在重选作业中被选出，并提前抛出粗粒的脉石矿物，避免其进入后续磨矿作业增加能耗，要求辊压产品中 -0.5 mm 含量要低。因此，结合单位通过量和比功耗，采用辊面压力为 1.3 N/mm2的低压力、高循环负荷的闭路辊压方式更合适，此时辊压产品中心料 -6.0 mm、-0.5 mm 含量分别为 72.1%、21.2%。

图8 开路辊压与闭路辊压平衡状态下产品粒度分布曲线Fig.8 Product particle size distribution curves under balance state between open-circuit rolling and closed-circuit rolling

2.4 球磨功指数试验

BOND 球磨功指数大小可以反映出矿石磨细的难易程度，通过对传统破碎产品和高压辊磨产品分别进行 BOND 球磨功指数测定，可探究高压辊磨机粉碎方式对矿石可磨度的影响。试验控制筛为 106 µm标准筛，试验结果如表4 所列。由表4 可知，以 106µm 标准筛作为控制筛时，传统破碎产品 BOND 球磨功指数为 20.2 kW·h/t，高压辊磨产品相比传统破碎产品功指数降低了 7.4%，为 18.7 kW·h/t，说明通过高压辊磨粉碎得到的产品更易磨。

表4 BOND球磨功指数试验结果Tab.4 Test results of BOND ball mill work index

2.5 高压辊磨闭路工艺优化

选厂原三段一闭路 (3C) 破碎工艺中粗碎设备为 1 台 PE1200×1400 颚式破碎机，中碎设备为 1 台CCS860 圆锥破碎机，细碎设备则为 2 台 CCS870 圆锥破碎机，在此基础上拟增设 1 台 GM170-140 高压辊磨机，形成了四段两闭路 (3CH) 工艺流程，流程图如图9 所示。

图9 高压辊磨闭路工艺流程Fig.9 Closed-circuit process flow of HPGR

该工艺流程中主要设备型号及工艺参数如表5 所列。由表5 可知，原有破碎工艺中增设高压辊磨后，粗碎和中碎无变动，细碎取消一台圆锥破碎机，最终的破碎产品粒度P80可从 8.5 mm 减小到 4.5 mm，优化了入磨粒度，实现了多碎少磨。虽然增设高压辊磨增加了破碎能耗，但经过高压辊磨处理过的锂矿石内部会产生大量微裂纹，减小了磨矿难度，碎磨总吨功耗为 20.8 kW·h/t，较原工艺总吨功耗降低了 3.3 kW·h/t，而且微裂纹有助于矿物的单体解离，利于选别指标的提高[17]。

表5 设备型号及工艺参数Tab.5 Equipment models and process parameters

3 总结

(1) 某锂矿石经高压辊磨粉碎后细粒级含量显著增加，在 -26.5 mm 给料粒度、0.1% 给料含水率、1.3 N/mm2辊面压力、21 r/min 辊子转速条件下开路辊压，产品中心料 -6.0 mm、-0.5 mm 含量达到 71.3%、21.4%，单位通过量、比功耗为 200 t·s/(h·m3)、1.0 kW·h/t；

(2) 闭路辊压相比于开路辊压，产品粒度稍有变粗，辊面压力为 1.3 N/mm2时，能为后续作业提供更合适的物料，此时的循环负荷稳定在 65%，产品中心料 -6.0 mm、-0.5 mm 含量分别为 72.1%、21.2%，单位通过量和比功耗分别为 195 t·s/(h·m3)、0.9 kW·h/t；

(3) 增设高压辊磨闭路超细碎工艺流程，可优化入磨粒度，改善锂矿石可磨性，降低后续磨矿作业的能耗，提高选别指标。