紫金山铜金矿石高压辊磨产品特性研究

马英强， 印万忠， 吴 凯， 黄发兰， 李晓慢

(福州大学紫金矿业学院， 福建 福州 350116)

紫金山铜金矿石高压辊磨产品特性研究

马英强， 印万忠， 吴 凯， 黄发兰， 李晓慢

(福州大学紫金矿业学院， 福建 福州 350116)

针对紫金山铜金矿石， 开展了不同破碎方式下产品的粒度特性、 裂纹性质、 比表面积、 孔体积和相对可磨度研究. 结果表明， 与常规破碎方式相比， 经高压辊磨机粉碎后物料的中值直径更小， 粒度分布更均匀， 细粒级含量多； 高压辊磨机在辊面压力为3.5 MPa时粉碎后物料的比表面积和孔体积为2.544 m2·g-1和11 mm3·g-1， 比常规破碎产品分别提高了12.36%和22%； 高压辊磨机在辊面压力为5.5 MPa时粉碎后物料的比表面积和孔体积分别为2.568 m2·g-1和13 mm3·g-1， 比常规破碎产品分别提高了13.42%和33%， 表明高压辊磨机粉碎物料粒度细、 颗粒裂纹更多， 且高压辊磨机粉碎后物料由于裂纹丰富， 故更易磨.

高压辊磨机； 铜金矿； 粒度特性； 比表面积； 孔体积

0 引言

高压辊磨机是20世纪80年代发展起来的新型高效破碎设备， 采用准静压方式高压辊磨机比传统破碎方式可节约30%左右的能耗[1-3]. 高压辊磨机由于其独特的粉碎机理， 具有处理量大、 单位能耗低、 产品裂纹丰富、 显著降低入磨粒度等优点， 是实现“多碎少磨， 提产降耗”的关键设备[4-5]. 高压辊磨机可以改善矿石粉碎过程中矿物之间的解离状态[6-7]， 提高选矿回收率， 最终可提高矿产资源的利用效率， 在矿业生产领域值得大力推广[8-9].

本文研究了高压辊磨机和传统破碎机对紫金山铜金矿石粉碎产品特性的影响， 高压辊磨机采用3.5、 5.5 MPa两个辊面压力， 对比不同粉碎方式对粉碎产品粒度特性、 比表面积、 孔体积、 裂纹种类和相对可磨度的影响， 为高压辊磨新技术在铜金矿领域的应用奠定基础.

1 试验方法

矿样采用如图1所示流程分别进行传统破碎和高压辊磨机破碎， 由于高压辊磨机液压可调系统可提供的辊面压力范围为3.5～5.5 MPa， 且实践经验显示当辊面压力小于3.5 MPa时， 破碎效果较差； 辊面压力大于5.5 MPa时， 破碎产品易出现结块严重的现象； 当处于3.5～5.5 MPa范围之内时， 破碎效果变化趋势缓慢， 故采取了3.5、 5.5 MPa两个压力进行破碎， 将粉碎产品混匀、 缩分、 取样， 然后对三种粉碎产品进行筛析； 比较各粒级产品的比表面积和孔体积， 同时应用扫描电镜观察颗粒的裂纹及裂纹的种类. 将三种矿样分别进行相对可磨度试验， 其磨矿流程如图2所示.

图1 破碎流程

图2 磨矿流程

粗碎采用PEX-150×250型颚式破碎机， 调整排矿口宽度为70 mm； 中碎采用XPC-60×100型颚式破碎机， 调整排矿口宽度为20 mm； 细碎分别采用CLM-25-10型高压辊磨机和PEF-60×100型颚式破碎机， 高压辊磨机的辊间距和颚式破碎机的排矿口均调节为3 mm.

采用Quanta650扫描电镜对粉碎产品进行微裂纹形貌及点扫描分析. 工作距离为10.5 mm， 电压为25 kV， 电子束大小为6.4 μm， 放大倍数为1 200倍.

采用Quantachrome Instruments v2.0全自动比表面积及微孔分析仪, 利用低温氮吸附法测定不同粉碎方式下产品的比表面积和孔体积.

磨矿采用XMQ-240×90型锥形球磨机， 每次取制备好的500 g矿样， 按照磨矿浓度为70%的条件在球磨机进行磨矿， 初步设定磨矿时间2、 4、 6和8 min. 磨矿产品应用0.074 mm标准筛进行湿筛， 将筛分产品烘干、 称量， 计算-0.074 mm粒径组分的含量(%).

2 试验结果与讨论

2.1 不同粉碎方式产品粒度组成对比分析

图3 不同粉碎方式产品粒度分布柱状图

按照图1所示流程将-20 mm的物料给入颚式破碎机和高压辊磨机与筛子构成的破碎系统， 将粉碎产品进行筛析， 其结果如图3所示.

从不同粉碎方式产品粒度分布图可知， 高压辊磨机产品比常规破碎产品分布更均匀， 两种辊压产品在各个粒级的分布相当； 与常规破碎相比， 辊压产品在粗粒级(-3.2+2)mm级别产率分别降低了74.89%和75.48%， 并且在中间粒级(-2+0.125)mm级别的产率分布提高26.33%和23.61%， 降低了入磨粒度， 这可以大大降低后续作业的磨矿能耗. 而在粒级(-0.0385+0)mm级别， 辊压产品的产率均为19.12%， 比常规破碎产品提高了37.61%， 该级别物料磨矿时可能造成过粉碎， 对后续浮选不利. 本文还采用中值直径(产率分布50%处颗粒的直径)的大小来描述粉碎产品各粒级产率与粒度的关系， 如图4～6所示.

图4 辊面压力3.5 MPa时中值直径

图5 辊面压力5.5 MPa时中值直径

图6 常规破碎中值直径

结果可知， 辊面压力为3.5、 5.5 MPa时， 对应的中值直径分别为0.33、 0.38 mm， 而常规破碎产品的中值直径为0.92 mm， 可见， 辊压产品的中值直径明显小于常规破碎产品的中值直径， 即辊压产品的粒径远小于常规破碎产品. 同时， 在选矿厂主要能耗集中于球磨机的生产现状前提下， 辊磨机的主要优势即体现在辊压产品易于破碎， 与常规破碎方式相比， 可使得进入球磨机的物料粒径变小， 有效实现“多碎少磨”的节能理念.

2.2 不同粉碎方式产品比表面积和孔体积对比分析

图7 粉碎产品各粒级的比表面积

图8 粉碎产品各粒级的孔体积

由于高压辊磨机采用准静压粉碎(或料层粉碎)机理， 在料层粉碎区， 应力在颗粒间相互传递， 使整个料层的颗粒受到不同程度的粉碎， 这种全粒级粉碎使辊压后的产品产生大量细粒、 微细粒及颗粒内微裂纹. 本文采用比表面积表征颗粒的细度， 用孔体积来定量描述颗粒的裂纹.

图7为三种粉碎方式下产品不同粒级的BET比表面积. 由图可知， 三种粉碎产品的比表面积随着粒级的减小而增大， 辊压产品(辊面压力为3.5、 5.5 MPa)的平均比表面积为2.544、 2.568 m2·g-1， 比常规破碎产品的比表面积分别提高12.36%、 13.42%. 就辊压产品而言， 由于辊面压力为5.5 MPa辊压产品中值直径比辊面压力为3.5 MPa时偏大， 辊面压力为3.5 MPa的辊压产品粒径小于辊面压力5.5 MPa的产品粒径， 所以出现了(-2+0.9)、 (-0.9+0.3)mm粒级中， 辊面压力为3.5 MPa产品的比表面积更大的结果； 而在其他粒级两者的比表面积相当. 说明辊面压力较小时矿石更易破碎. 与常规破碎产品相比， 在中间级别(-0.3+0.105)、 (-0.105+0.074)mm， 辊压产品的比表面积更大， 说明其产品表面更粗糙.

图8为三种粉碎方式下产品不同粒级的BJH孔体积. 三种粉碎产品的孔体积随着粒级的减小而增大， 辊面压力为3.5 MPa时， 平均孔体积为11 mm3·g-1；辊面压力为5.5 MPa时， 平均孔体积为13 mm3·g-1， 分别比常规破碎孔体积提高了22%和33%. 辊压产品(辊面压力为3.5 MPa)各个粒级的孔体积均高于常规破碎产品的孔体积. 就辊压产品而言， 在(-2+0.9)、 (-0.9+0.3)mm粗粒级， 辊面压力为3.5 MPa产品的孔体积大于辊面压力为5.5 MPa产品孔体积， 而在中、 细级别情况恰恰相反， 由此推测辊压产品的孔隙率比常规破碎产品高， 孔隙与裂隙明显增加， 裂纹丰富， 从岩石力学角度讲， 辊压产品力学性能较常规破碎产品差， 更容易磨细， 可降低后续磨矿能耗， 提高磨矿效率.

2.3 不同粉碎方式产品微裂纹观察分析

图9是对不同粉碎方式下产品(-3.2+2)mm粒级的扫描电镜图. 由图可见， 辊压产品表面微裂纹是非常明显的. 为进一步分析出矿粒表面的微裂纹形式是解理裂纹(不同矿物集合体之间的裂纹)还是晶内裂纹(同种矿物之间的裂纹)， 对图中a、 b、 c、 d四点分别进行了EDS(energy dispersive spectrometer)能谱分析.

辊压产品扫描电镜图中各点的EDS能谱分析结果显示： a点主要元素为Fe和S， 推测此点为黄铁矿， 而b点主要元素为Si和O， 为硅酸盐矿物， 可知a与b之间为解离裂纹； c点和d点主要元素为Si和O， 均为硅酸盐矿物， 故可知c与d之间为晶内裂纹.

常规破碎产品扫描电镜图片中各点的EDS能谱分析结果表明， a、 b、 c、 d点主要元素均为Si和O， 故均为硅酸盐矿物脉石， 故可知a与b、 c与d之间均为晶内裂纹.

由此可知， 物料在粉碎过程中会产生晶内裂纹(同种矿物之间)以及解离裂纹(异种矿物之间)[10]， 这些裂纹的存在对后续磨矿过程中能耗的降低非常有利. 与常规破碎产品相比， 辊压产品在(-3.2+2)mm粒级有丰富解离裂纹和晶内裂纹， 可以降低颗粒的亚显微硬度， 显著降低后续磨矿能耗， 提高有用矿物单体解离度与有价元素的回收. 对于紫金山含金铜矿石， 粉碎产品需进行浸出作业， 如果裂纹缺乏或裂纹的密度太小， 就会导致有价元素与浸出液接触不充分无法溶解， 最终导致有价元素回收率低. 因此与常规破碎产品相比， 辊压产品存在丰富的解离裂纹， 可使浸出液沿着裂纹晶型渗透， 溶解有价元素， 从而提高有价元素的回收率和浸出速率[11-12].

图9 粉碎产品中(-3.2+2)mm粒级扫描电镜图

2.4 不同粉碎方式产品的相对可磨度对比分析

图10 磨矿细度与磨矿时间曲线关系

以时间为横坐标， -0.074 mm含量为纵坐标， 绘制磨矿细度与磨矿时间关系曲线， 如图10所示.

由图10可明显看出， 在相同的时间(磨矿时间为5 min时)内， 辊压后的磨矿产品-0.074 mm的含量均比常规破碎后的磨矿产品-0.074 mm含量高， 而且辊面压力越大， -0.074 mm的含量越高. 这是由于高压辊产品细粒级别含量高， 并且在压力作用下产生了大量微细裂纹(高压辊压力越大， 产生裂纹越多)， 使得高压辊产品更易磨， 从而大大缩短了磨矿时间， 提高了磨矿效率. 以-0.074 mm占70%为例， 并以常规破碎产品为标准试样， 由图10结果可计算出辊压产品的相对可磨度：

式中:K3.5为辊面压力为3.5 MPa时， 辊压产品相对传统破碎的可磨度；K5.5为辊面压力为5.5 MPa时， 辊压产品相对传统破碎的可磨度.

由结果可知，K3.5和K5.5均大于1， 说明高压辊破碎产品相对于颚破产品易磨， 可提高磨矿效率， 并且K5.5>K3.5， 即辊面压力越大， 在相同的磨矿时间下， 产品中-0.074 mm含量就越高.

3 结语

1) 相同给料粒度矿石在不同破碎方式下产品的粒度特性研究表明， 高压辊磨机破碎产品比常规破碎产品分布更均匀， 细粒级含量较多. 当辊面压力不同时， 各粒级产率相当； 辊压产品的中值直径小于常规破碎产品的中值直径， 辊压产品粒径远小于常规破碎产品， 可降低进入球磨机的物料粒径， 有效实现“多碎少磨”的节能理念.

2) 辊面压力为3.5、 5.5 MPa时， 辊压产品的平均比表面积比常规破碎产品的比表面积分别提高12.36%、 13.42%， 辊面压力为3.5、 5.5 MPa时， 产品平均孔体积分别比常规破碎单位孔体积提高了22%和33%. 即辊压产品细粒级含量更高； 辊压产品的孔隙率比常规破碎产品高， 孔隙与裂隙明显增加， 裂纹丰富， 故比常规破碎产品更易磨细， 可降低后续磨矿能耗， 提高磨矿效率.

3) 与常规破碎产品相比， 辊压产品在(-3.2+2)mm粒级有丰富解离裂纹和晶内裂纹， 这些裂纹的存在可以提高有用矿物的单体解离度， 提高有价元素的回收率.

4) 当磨矿时间相同时， 辊压后物料磨矿产品-0.074 mm的含量均比常规破碎后物料磨矿产品-0.074 mm含量高， 而且辊面压力越大， -0.074 mm的含量越大. 说明高压辊破碎产品相对于颚破产品易磨， 可提高磨矿效率.

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(编辑： 蒋培玉)

Study on product characteristics of Zijinshan copper-gold ore by high pressure grinding roller

MA Yingqiang， YIN Wanzhong， WU Kai， HUANG Falan， LI Xiaoman

(College of Zijin Mining, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350116, China)

The size characteristic, the property of crack, the surface area, the pore volume and the relative grind ability of the products of different comminuting process were studied for Zijinshan copper-gold ore. The results show that the products crushed by HPGR contain smaller median diameter, more equal particle size distribution and the superior fine fraction content than that of the conventional crushing ore samples. For the samples crushed at high pressure roller surface pressure 3.5 MPa, their surface area and pore volume are 2.544 m2·g-1and 11 mm3·g-1, respectively improved to 12.36% and 22% compared with that of the conventional crushing ore samples. For the samples crushed at high pressure roller surface pressure 5.5 MPa, their surface area and pore volume are 2.568 m2·g-1and 13 mm3·g-1, respectively improved to 13.42% and 33% compared with that of the conventional crushing ore samples, which indicate that more finer fraction content and more cracks exist in the products crushed by HPGR, and with the abundant cracks the samples are easier to ground.

high pressure grinding roller; copper-gold ore; size characteristics; surface area; pore volume

2015-01-15

马英强(1983- )， 博士， 讲师， 主要从事难选矿分选技术与理论的研究， mayingqiang@fzu.edu.cn

国家自然科学基金资助项目(51374079)； 福建省自然科学基金资助项目(2015J05101)； 福州大学科技发展基金资助项目(2014-XQ-41)； 福建省大学生创新创业训练计划资助项目(201410386081)； 福州大学科研启动基金资助项目(510057)

10.7631/issn.1000-2243.2015.06.0864

1000-2243(2015)06-0864-05

TD952

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