非金屬礦開(kāi)發(fā)與應用過(guò)程中，涉及到很多破碎與粉磨設備。
表1 破碎機類(lèi)型、性能及應用
| 類(lèi)型 |
品種 |
破碎比 |
性能特點(diǎn)及應用 |
| 顎式破碎機 |
簡(jiǎn)擺式 |
4:1-9:1 |
產(chǎn)品較粗、粉礦較少，適用于粗碎和中碎 |
| 復擺式 |
4:1-9:1 |
生產(chǎn)能力較大、效率較高，適用于中碎和細碎 |
| 圓錐破碎機 |
旋回式 |
3:1-10:1 |
處理量大、粉礦少，適用于各種硬度物料的粗碎 |
| 標準型 |
4:1-8:1 |
平行帶短，適用于各種硬度物料的粗碎 |
| 短頭型 |
4:1-8:1 |
平行帶長(cháng)，適用于各種硬度物料的細碎 |
| 中間型 |
4:1-8:1 |
平行中帶等，適用于各種硬度物料的中碎和細碎 |
| 輥式碎碎機 |
單輥式 |
7:1 |
適用于脆軟及磨蝕性物料的粗碎和中碎 |
| 雙輥式 |
3:1-18:1 |
粉礦少，適用于物料的細碎 |
| 反擊式破碎機 |
單轉子 |
30-40:1 |
破碎比大、產(chǎn)品粒度均勻，適用于脆性物料的粗、中、細碎 |
| 雙轉子 |
30-40:1 |
| 錘式破碎機 |
|
20:1-40:1 |
破碎比大、產(chǎn)品粒度均勻，適用于脆性物料的粗、中、細碎 |
表2 磨礦機的種類(lèi)及應用
| 磨機類(lèi)型 |
入料/mm |
產(chǎn)品/μm |
應用 |
| 球磨機 |
≤30 |
45-150 |
硬、中硬、軟質(zhì)物料的濕式或干式細磨 |
| 棒磨機 |
≤30 |
125-3000 |
硬、中硬、軟質(zhì)物料的濕式或干式粗磨或細磨 |
| 礫磨機 |
≤30 |
45-500 |
中硬以下物料的濕式或干式細磨 |
| 自磨機 |
≤300 |
74-3000 |
物料的濕式或干式磨礦 |
| 雷蒙機 |
≤30 |
45-125 |
中等硬度以下物料的干式磨礦 |
| 振動(dòng)磨 |
≤30 |
2-125 |
硬、中硬、軟質(zhì)物料的濕式或干式粗磨、細磨或超細磨礦 |
| 立式磨 |
≤30 |
30-150 |
硬、中硬、軟質(zhì)物料的干式粗磨或細磨 |
| 廣義磨 |
≤30 |
45-175 |
莫氏硬度8以下物料的干式粗磨或細磨 |
| 柱磨機 |
≤50 |
45-800 |
物料的干式粗磨或細磨 |
| 高壓輥磨機 |
≤60 |
30-2000 |
各種硬度物料的干式粗磨或細磨 |
| 沖擊式粉碎機 |
≤10 |
10-150 |
中等硬度以下物料的干式細磨 |
| 渦輪式粉碎機 |
≤10 |
45-350 |
中等硬度以下物料的干式細磨 |
不同的破碎與粉磨設備，具有各自的性能特點(diǎn)和破碎比等，面對種類(lèi)繁多的設備，非金屬礦加工企業(yè)如何選用最適合自己的呢？設計研發(fā)單位相繼開(kāi)發(fā)出很多不同用途的碎磨試驗方法。通過(guò)對不同粒度的礦石進(jìn)行試驗，從而確定相應的選型模型，并按照用戶(hù)要求的設計規模和工藝要求，確定最終的設計方案。
1、常見(jiàn)的破碎與粉磨設備選型試驗
目前，破碎機選型基本是通過(guò)觀(guān)察設備型譜，根據處理量、產(chǎn)品細度要求直接進(jìn)行型譜配型。在了解礦石性質(zhì)的情況下，可更好地對所選設備進(jìn)行再次判斷，具體可參考礦石普氏硬度系數、單軸抗壓強度或沖擊破碎功指數等；粉磨設備選型目前主要根據現場(chǎng)工藝要求和礦石性質(zhì)進(jìn)行相應計算，對應礦石的粉碎特性參數是選型的重要依據。
表3 常見(jiàn)的破碎與粉磨試驗
2、半自磨機選型試驗
?。?）JK落重試驗
圖1 落重試驗機
JK落重試驗主要是模擬半自磨/自磨機內礦石在高低兩種能量下的碎磨情況。所需原礦石量約為100kg，高能量模擬試驗選取粒度為63-13mm的礦石，共5個(gè)粒級，對每種粒級進(jìn)行3個(gè)能量的沖擊，針對不同礦石粒級所需的能量調整錘頭高度，進(jìn)行沖擊破碎，進(jìn)而獲取相應礦粒組的沖擊粒度曲線(xiàn)。根據破碎粒度與破碎能量的關(guān)系方程擬合出自磨、半自磨機參數A×b，如圖2所示。
t10為通過(guò)原始粒度尺寸1/10的百分含量，%；Ecs為礦石沖擊能量，kW·h/t；A×b代表能量為0時(shí)的斜率，A×b數值越大，代表礦石越軟，反之則越硬。
同時(shí)，根據不同能量、不同粒度礦石的沖擊破碎粒度曲線(xiàn)，獲取破碎機模型參數，以及不同粒級樣品t10在相似單位能耗下的變化趨勢。
圖2 破碎粒度和破碎能量的關(guān)系
對于低能量研磨試驗，利用3kg粒度為38-55mm的礦石，在帶有4×6mm提升條的φ305mm×305mm轉筒磨機中自磨損，試驗獲取磨損指數ta，公式為：ta=t10/10。
圖3 磨耗試驗機
針對試驗結果，可通過(guò)模擬軟件進(jìn)行半自磨機/自磨機流程的模擬、分析及預測，也可通過(guò)CITICSMCC軟件進(jìn)行選型。
?。?）SMC試驗
SMC試驗適用于巖芯礦或礦石量少的情況下，該試驗極為適用，適用范圍比較廣泛。
SMC試驗所需礦量約為25kg，同樣采用JK落重試驗裝置，模擬礦石在不同能量下的沖擊破碎情況。試驗采用一種粒級，優(yōu)先選用粒度為26.5-31.5mm的礦石，其次選用粒度為19-22.4mm的礦石，最差選用粒度為13.2-16mm的礦石，選好后對樣品進(jìn)行5個(gè)能量的沖擊。
試驗通過(guò)對單顆粒礦石進(jìn)行不同能量的沖擊，獲取不同能量下的沖擊粒度曲線(xiàn)，并擬合出自磨機/半自磨機參數A×b，同時(shí)獲取磨損指數ta、落重指數DWi、磨礦功指數Mia（磨礦產(chǎn)品P80>750μm）、破碎功指數Mic、高壓輥磨功指數Mih等。
對于磨損指數ta，區別于JK落重試驗，SMC試驗是通過(guò)落重試驗結果進(jìn)行推導獲取。其所涉及選型軟件同JK落重試驗一樣，有JKSimMet模擬軟件、CITICSMCC軟件和中信重工磨機選型計算程序軟件。
?。?）SPI試驗
圖4 SPI試驗
SPI試驗（SAG Power Index）是測試礦石的半自磨功指數試驗，SPI試驗需要2kg礦石，模擬礦石在半自磨機/自磨機內的運行情況，設備規格φ305mm×102mm。
圖5 半自磨功指數球磨機
給料粒度-19mm（80%通過(guò)12.7mm）的礦石通過(guò)閉路磨礦，獲取磨礦至80%產(chǎn)品通過(guò)1.7mm所用的時(shí)間，并最終轉換為半自磨機所需的單位能耗，即半自磨功指數。具體函數關(guān)系為：
式中：P80為80%產(chǎn)品通過(guò)篩孔的尺寸，mm；T為磨礦至80%產(chǎn)品通過(guò)1.7mm所用的時(shí)間，min。
針對SPI試驗結果，可采用軟件CEET進(jìn)行多種方案的流程設計，包括計算所需設備功率、規格和投資，以及預測生產(chǎn)指標和操作成本。
該試驗在設計新磨機方面，其試驗使用量偏小，用于半自磨機選型在精度上可能不夠，比較適用于礦床的地理冶金測繪。
?。?）SAG Design試驗
SAG Design試驗是基于SPI試驗的不足而開(kāi)發(fā)的更加穩定的測試方法。
SAG Design試驗需要約10kg的礦石，用于模擬礦石在半自磨機/自磨機內的運行情況，設備規格為φ488mm×163mm。
圖6 SAG Design試驗機
磨機鋼球充填率為11%（16kg），總充填率為26%，轉速率為76%，要求給料粒度為-38.1mm（80%通過(guò)19mm），通過(guò)干法分批磨礦，測試磨礦至80%產(chǎn)品通過(guò)1.7mm磨機所轉的圈數。試驗通過(guò)下式獲取半自磨機的小齒輪功率為：半自磨機小齒輪功率=轉數×（16000+g）/（447.3g）（kW·h/t），式中g(shù)為礦石的質(zhì)量，g。
?。?）Macpherson自磨可磨性試驗
Macpherson自磨可磨性試驗需要物料約為175kg，試驗磨機規格為φ460mm×150mm。磨機鋼球填充率為8%，總充填率為25%，給料粒度為-32mm。該試驗是一種連續性試驗，至平穩狀態(tài)至少需要6h。試驗期間，每15min對產(chǎn)量、篩上篩下及旋流器底流進(jìn)行稱(chēng)重，經(jīng)過(guò)5h的運行，產(chǎn)量與循環(huán)負荷平穩后，每15min取樣一次，取樣周期為1h。運行結束后，對產(chǎn)品進(jìn)行粒度分析，將磨機內物料排出，并取出介質(zhì)進(jìn)行粒度分析及密度測試。
根據試驗磨機的運行功率、平穩狀態(tài)下的產(chǎn)量（kg/h）及產(chǎn)品粒度分布，計算單位能耗（kW·h/t）及Macpherson自磨功指數AWi。該試驗也是廣泛使用的自磨試驗程序之一。
2、高壓輥磨機選型試驗
?。?）HPGR試驗
高壓輥磨試驗即High Press Grinding Rolls，簡(jiǎn)稱(chēng)HPGR。目前國際上所采用試驗設備不盡一致，哥倫比亞大學(xué)的Koppern高壓輥磨機規格為φ750mm×220mm，KHD試驗機為φ800mm×250mm，Polysisu試驗機規格為φ710mm×210mm，中信重工采用φ420mm×100mm輥壓試驗機；也有小型的高壓輥磨機設備，直徑在200-300mm；輥面有采用Hexadur板、鑄釘或堆焊等耐磨材料。
圖7 高壓輥磨結構
試驗約需要物料1-2t，給料粒度在不同試驗室有所區別，Koppern給料粒度為-32mm，Polysisu給料粒度為-25mm，SGS和中信重工一般給料粒度為-12.5mm。試驗觀(guān)察不同條件下的輥壓變化情況，包括給料含水量、輥壓壓力、輥速、開(kāi)閉路作業(yè)和二次輥壓等，通過(guò)試驗獲取單位時(shí)間處理量及功率數據、產(chǎn)品料餅情況及產(chǎn)品粒度變化情況，通過(guò)數據分析獲取相應條件的輥壓效果。
輥壓效果衡量指標有噸功耗（總噸功耗、產(chǎn)品指標對應破碎功耗、產(chǎn)品P80對應破碎功耗）和細度變化（包括產(chǎn)品指標增量和P80變化量）。最后，對某合理輥壓條件下的輥壓產(chǎn)品及原料進(jìn)行球磨功指數試驗，對比輥壓前后功指數的變化情況。
目前，該方法作為高壓輥磨機選型試驗較為通用，選型軟件有CITICSMCC軟件及DUCS模型。
?。?）活塞壓力試驗
活塞壓力試驗（Piston Press）是采用直徑100mm的活塞缸及料桶裝備，料樣最大尺寸為4mm，共300mL。
圖8 活塞壓力試驗機
試驗考察不同負載下料樣變化情況，同時(shí)與高壓輥磨試驗建立相關(guān)關(guān)系。該試驗方便快捷，目前試驗情況與高壓輥磨試驗非常接近，正在研究推廣。
4、棒磨機選型試驗
Bond棒磨功指數試驗所需樣品約為20kg，設備規格為φ305mm×610mm。
圖9 棒磨功指數試驗機
設備棒荷為33.38噸，轉速率為60%，給料粒度為-12.7mm，采用干法閉路磨礦，要求產(chǎn)品粒度等于或接近選礦廠(chǎng)要求磨礦粒度。試驗原則上在5-10個(gè)磨礦周期內使棒磨機達到穩定狀態(tài)，即循環(huán)負荷穩定在（100±2）%，另外每轉產(chǎn)生的產(chǎn)量Grp穩定出現2-3次，或Grp出現最大值或最小值，即試驗結束。試驗要求對給料、產(chǎn)品粒度進(jìn)行篩分，用于獲取Bond棒磨功指數。具體公式為：
式中：WiR為Bond棒磨功指數，kW·h/t；P1為控制篩孔徑，μm；Grp為每轉凈生成量，g/r；P80為產(chǎn)品80%通過(guò)量篩孔尺寸，μm；F80為給料80%通過(guò)量篩孔尺寸，μm。
Bond棒磨功指數試驗針對產(chǎn)品粒度，測定范圍為3-65目，其試驗結果同內徑為8ft（約為2.44m）的普通溢流型棒磨機濕法開(kāi)路磨礦相一致。如果工作條件不同，需要通過(guò)修正系數進(jìn)行修正，目前該方法在國際上通用。
5、球磨機選型試驗
?。?）Bond球磨功指數試驗
Bond球磨功指數試驗所需樣品約為15kg，設備規格為φ305mm×305mm。設備球荷為20.125kg，采用干法閉路磨礦，要求產(chǎn)品粒度等于或接近選礦廠(chǎng)要求磨礦粒度，試驗原則上在10-12個(gè)磨礦周期內結束。試驗要求運行達到穩定狀態(tài)，循環(huán)負荷穩定在（250±5）%，且最后2-3個(gè)周期內達到平衡，或Gbp出現最大值或最小值，滿(mǎn)足這兩個(gè)條件后才能結束試驗。需要說(shuō)明的是，最后3次Gbp的最大值和最小值之差不能大于平均值的3%。試驗要求對給料、產(chǎn)品粒度進(jìn)行篩分，用于獲取Bond球磨功指數。具體公式為：
式中：WiB為Bond球磨功指數，kW·h/t；Gbp為轉凈生成量，g/r。
試驗控制篩適用范圍為28目（（0.63mm）至500目（0.028mm），其試驗結果同內徑為8ft的溢流型球磨機濕法閉路磨礦相一致，如果工作條件不同，需要通過(guò)修正系數修正。目前該方法在國際上通用。
6、其他礦石性質(zhì)試驗
?。?）Bond沖擊功指數試驗
Bond沖擊功指數試驗即Bond Crushing Work index。試驗需要50-75mm試樣20塊。
圖10 擺錘沖擊試驗機
試驗時(shí)，把樣品放置于2個(gè)擺錘間，通過(guò)提升不同角度的擺錘，找到破碎礦石的沖擊能量，即通過(guò)提升的擺錘角度計算該能量，同時(shí)測試礦塊密度和沖擊面厚度，用于計算破碎功指數，計算公式為：
式中：Wic為沖擊功指數，kW·h/t；Ep為礦塊抗沖擊強度kg·m；B為樣品沖擊面厚度cm；Sg為密度，g/cm3。
該設備用于評估礦石在破碎機中的受力情況，作為可碎性的判斷依據之一。
?。?）單軸抗壓強度試驗
單軸抗壓強度試驗即Uniaxial Compressive Strength或Unconfined Compressive Strength，簡(jiǎn)稱(chēng)UCS。試驗需要圓柱形標準試件，直徑為50mm，高為100mm。
圖11 UCS試驗機
試驗采用同一含水狀態(tài)或同一加載方向下，每組試驗試件數量應為3個(gè)。試驗通過(guò)不斷增加試樣的軸向載荷，直到達得載荷的峰值且試樣失效。其公式為：
式中：σc為單軸抗壓強度，MPa；Pc為最大負載，N；A為橫截面積，mm2。
在實(shí)驗室測量的巖芯礦石強度通常不能準確反映大范圍的原位特性，原位特性深受節點(diǎn)、缺陷尺寸、弱位面和其他因素的限制。通常，巖石單軸抗壓強度用于估算其他強度參數，是衡量巖塊基本力學(xué)性質(zhì)和工程巖體分類(lèi)，以及建立巖體破壞判據的重要指標。
?。?）點(diǎn)載荷試驗
點(diǎn)載荷試驗（Point Load Index，簡(jiǎn)稱(chēng)PLT）可用圖巖芯、方塊或不規則塊體進(jìn)行，需要5-20塊。
圖12 點(diǎn)載荷試驗機
試驗作為巖石強度等級的一種指數測試方法，也可作為其他相關(guān)材料強度的估算。
對于同一含水狀態(tài)或同一加載狀態(tài)，巖芯數量每組5-10塊，方塊或不規則塊體每組15-20塊。選取巖芯直徑時(shí)，按照標準《JISA1107》巖芯直徑為100mm。在后來(lái)研究中，通常把較小巖芯做為大巖芯強度計算的替代品。將試件放置到球端圓錐間，穩定施加荷載，在一定時(shí)間范圍內直至試件破壞，獲取破壞載荷。點(diǎn)載荷指數：
式中：Is（50）為等價(jià)巖芯為50mm直徑巖芯的點(diǎn)載荷指數，MPa；F為粒度修正系數；P為破壞載荷，N；De為等價(jià)巖芯直徑，mm；m為修正系數，可取0.4-0.45，或根據同類(lèi)巖石的經(jīng)驗值確定。
點(diǎn)載荷試驗可間接地估算單軸抗壓強度UCS，一般為UCS=24×Is（50），式中：因數變化范圍為15-35，Is（50）很少受礦樣結構的影響。
S.Morrel博士也對點(diǎn)載荷試驗PLT與SMC試驗結果DWi值的相關(guān)性進(jìn)行了對比試驗，結果如圖12所示，兩種試驗的相關(guān)性非常明顯。
圖13 點(diǎn)載荷強度與DWi值（SMC試驗結果）的相關(guān)性
該試驗成本較低，便于測試，樣品易于準備，且方便現場(chǎng)操作。目前，關(guān)于認可點(diǎn)載荷試驗PLT的研究工作已經(jīng)進(jìn)行了很多，其結果已得到了廣泛應用。
7、結語(yǔ)
一些設備選型有多種試驗方法，如半自磨機選型對應的試驗方法較多，但是其建立的選型模型結構不同，因此這些試驗相互之間不能直接替代。當然有些試驗之間建立了相關(guān)性，這樣可通過(guò)其中一個(gè)試驗獲取對應相關(guān)性試驗的結果數據，比如可通過(guò)DWT試驗結果推導SMC試驗結果等。
針對碎磨設備選型，具體需要做哪個(gè)試驗，必須要進(jìn)行大量工作，同時(shí)需要考慮已運行碎磨設備的經(jīng)驗綜合來(lái)選型。
（摘自：礦山碎磨設備選型的主要試驗方法，作者：何劍偉）
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