選礦破碎理論及破碎設備概述

趙宇軒，王銀東

(1.本溪鋼鐵(集團)礦業有限責任公司，遼寧 本溪 111700；2.中國中鐵資源集團有限公司，北京 100039)

選礦設備與選礦工藝技術的發展是同步的，選礦設備水平不僅是選礦工藝水平的體現，也直接影響著生產過程、產品質量和綜合經濟效益，因此國內外非常重視選礦設備的開發和應用。破碎作業是選礦工藝的首道工序，為磨礦作業提供適宜粒度物料。由于磨礦作業電耗占選礦廠總電耗的50%左右，成本比重大，因此研究“多碎少磨”，以更精細的破碎作業為磨礦環節提供更細物料，實現磨礦效率提升，節省運營費用，成為近年來的研究熱點[1]。這部分的研究，不僅包括對破碎理論本身的研究，還包括對破碎設備的研發和改進。本文即闡述破碎相關理論，并在此基礎上對破碎設備進行綜述，以為相關研究應用者提供參考。

1 概述

1.1 破碎比

國內外一致認為，降低最終破碎產品的粒度是破碎作業增產、節能、降耗的重要用途，國內將這一思想歸納為“多碎少磨”。破碎作業的作用主要體現在以下幾方面：①滿足分選機械對入選物料最大入選粒度的要求；②滿足有用礦物與脈石的解離要求；③滿足用戶對選后產品粒度的要求。

開采的大塊礦石，一般需經粗碎、中碎和細碎來達到上述要求。每段破碎都會產生一個破碎比，破碎比即常用物料破碎前的平均粒度D與其破碎后的平均粒度d之比：

i=D/d

式中：i為破碎比，一般i=3～30。

破碎比的大小與所選用的破碎機械和破碎的礦石性質有關。破碎機械所施加的機械力，可以是擠壓力、劈裂力、彎曲力、剪切力、沖擊力等，在一般機械中大多是兩種或兩種以上機械力的綜合。對于堅硬的物料，適宜采用產生彎曲和劈裂作用的破碎機械；對于脆性和塑性的物料，適宜采用產生沖擊和劈裂作用的機械；對于粘性和韌性的物料，適宜采用產生擠壓和碾磨作用的機械。

礦石破碎過程中所表現出來的抵抗外力的強度大小，稱為礦石破碎的難易程度，它是衡量礦石可碎性的標準。影響礦石破碎難易程度的最主要因素是礦石的硬度，而硬度主要取決于礦石的結構特性和礦物的結晶形態。

礦石的破碎方法，主要根據礦石的物理力學性質、礦石塊料的尺寸和所要求的破碎比來選擇。由于破碎機構造和作用的不同，實際選用時，還應根據具體情況考慮下列因素：

1)物料的物理性質，如易碎性、黏性、水分泥沙含量和最大給料尺寸等；

2)成品的總生產量和級配要求，據以選擇破碎機類型和生產能力；

3)技術經濟指標，做到既合乎質量、數量的要求，操作方便、工作可靠，又最大限度節省費用。

1.2 破碎理論

破碎物料所消耗的功，一部分是使被破碎的物料變形，并以熱的形式散失于周圍空間；另一部分則用于形成新表面，變成固體的自由表面能。針對破碎過程提出的理論有：

1.2.1 面積假說

破碎理論的面積假說是由德國學者P．R．雷廷格(P．R．Rittinger)于1867年提出的。雷廷格認為：破碎過程是以減小物料顆粒尺寸為目的，破碎過程將使物料的表面積不斷增加。為此，物料破碎時，外力所做的功用于產生新表面，即破碎功耗與破碎過程中物料新生成表面的面積成正比。面積假說只能近似地計算破碎比很大時的破碎總功耗，也就是只能近似地用在磨礦機的磨礦中，因為它只考慮了生成新表面所需的功。

1.2.2 體積假說

破碎的體積假說是由俄國學者吉爾皮切夫與德國學者基克(kick)提出的。體積假說認為：將幾何形狀相似的同類物料破碎成幾何形狀也相似的產品時，其破碎功耗與被破碎物料塊的體積或質量成正比。體積假說只能近似地計算粗碎和中碎的破碎總功耗，因為它只考慮了變形。

1.2.3 裂縫假說

裂縫假說是由F.C.榜德(F.C.Bond)于1952年提出，它是介于面積假說和體積假說之間的一種破碎理論。裂縫假說認為破碎礦石時，外力首先使物料塊產生變形，外力超過強度極限以后，物料塊就產生裂縫而破碎成許多小塊，輸入功的有用部分成為新生表面上的表面能，其他部分成為熱損失。因此，破碎所需的功，應考慮變形能和表面能兩項，變形能和體積成正比，而表面能與表面積成正比。

2 破碎設備類型及介紹

由于實現多碎少磨的關鍵是降低最終破碎產品粒度(即入磨粒度)，因此在這一范圍的研發工作中，破碎設備所占的比重大于粉磨設備。為了實現多碎少磨，國內越來越多地引進國際先進破碎工程設備，并且越來越多地引進大型設備。國內開發的破碎設備特點是類型多樣化，部分產品也在向著大型化方向發展。

2.1 傳統破碎設備

傳統破碎設備是研究應用較早，技術相對成熟，在選礦廠破碎作業方面得到公認的設備，一般包括顎式破碎機、圓錐破碎機(包含旋回破碎機)、沖擊式破碎機和輥式破碎機。

2.1.1 顎式破碎機

顎式破碎機有簡單擺動型、復雜擺動型和混合擺動型三種。

顎式破碎機主要對原料進行粗破，為二級破碎做準備，適宜于破碎硬料或中硬度的原料，物料的含水率要求應不大于10%。給料時應注意兩點：一是在物料進破碎機前，應預先將物料中的粉粒篩出，這對于提高破碎機的利用效率具有很大意義；二是給顎式破碎機供料應盡可能保證沿著整個進料口的寬度施加料，保證均勻加料，必要時可采用特別的加料器。

顎式破碎機具有結構簡單、工作可靠、制造容易、維修方便、價格低廉、適用性強等優點。缺點是破碎不連續、效率較低，破碎比小以及由于給礦不均勻引起的顎板磨損不均勻等。顎式破碎機的改進方法有：優化結構與運動軌跡；改進破碎腔型，以增大破碎比，提高破碎效率，減少磨損，降低能耗，采用高深破碎腔和較小嚙角；改進動顎懸掛方式和襯板的支承方式，改善破碎機性能；顎板采用新的耐磨材料降低磨損消耗；提高自動化水平。新的機型，如雙腔雙動顎式破碎機，破碎比可達20～50，排料口調節方便，產量大；雙腔回轉破碎機，兼有顎式破碎機和圓錐破碎機的性能，其產量較同規格的顎式破碎機高50%[2]。

2.1.2 圓錐破碎機

圓錐破碎機包括粗碎的旋回破碎機和中細碎的菌形圓錐破碎機，適于破碎各種硬度的物料。圓錐破碎機工作原理為：當可動圓錐靠近固定圓錐時，處于兩錐體之間的礦石就被破碎，而其對面，可動圓錐離開固定圓錐，已破碎的礦石靠自重作用，經排礦口排出。礦石在旋回破碎機中，主要是受到擠壓作用而破碎，同時也受到彎曲作用而折斷。

圓錐破碎機優點是生產能力較大、單位電耗較低、工作較平穩、適于破碎片狀物料、破碎產品的粒度也較均勻。缺點是結構復雜、造價高、檢修困難、機身高，因而使廠房及基礎構筑物的建筑費用增加。

2.1.3 沖擊式破碎機

沖擊式破碎機包括錘式破碎機和反擊式破碎機。

錘式破碎機的型式分有立式、臥式、單轉子、雙轉子等幾種型式，出料處大部分設有固定的篩子，用戶可以根據自己的需要選用合適孔徑的篩子來控制出料粒度。該種破碎機適宜破碎脆性料，如煤殲石、頁巖等，對于很堅硬的料或黏性料不適用。單轉子的破碎比一般在10～15，雙轉子的可達20～30。其對原料的含水率要求很嚴，一般不宜超過8%，若含水率過高易堵篩孔而不出料。

錘式破碎機的優點是生產能力高、破碎比大、電耗低、機械結構簡單、緊湊輕便、投資費用少、管理方便。缺點是錘子和篦條磨損快、金屬消耗較大、檢修時間較長。

反擊式破碎機是一種新型高效率的碎礦設備，其特點是體積小、構造簡單、破碎比大(可達40)、能耗小、生產能力大、產品粒度均勻，并有選擇性的碎礦作用。但其最大的缺點是板錘和反擊板特別易磨損，尤其是破碎堅硬的礦石，磨損則更為嚴重，需要經常更換。

2.1.4 輥式破碎機

輥式破碎機按輥子的數目分為單輥式和對輥式，按輥面的光滑與否分為光棍式和齒輥式。選廠常用的是雙齒輥破碎機，其破碎比一般為3～15，入料粒度一般不應超過25mm，可用在生產線的中級破碎或細碎，處理中等硬度或中碎軟質物料，比如煤矸石、頁巖、淤泥、爐渣等原料都可用對輥機破碎。輥式破碎機主要的優點是結構簡單、機體不高、緊湊輕便、造價低廉、工作可靠、調整方便、能粉碎粘濕物料；但是最大的缺點是輥子外表面易磨損，磨損后造成兩輥之間的間隙加大，進而不能保證出料粒度要求[3]。

2.2 新型破碎設備

新型破碎設備可以分為兩類：一類是由于新材料新工藝的應用研發出的設備，通過對原有設備進行改進，提高設備性能和處理能力，減少設備自重和損耗，降低對配套設施的要求，延長使用壽命，這方面研究易出成果，形成的設備系列較多；另一類是根據新的破碎理論研發設計的新型設備，具有較傳統設備更突出的特點和破碎效率，是技術層次的提升。下面對新型設備中的水沖式圓錐破碎機、慣性圓錐破碎機和高壓輥磨機進行介紹。

2.2.1 水沖式圓錐破碎機

水沖式圓錐破碎機的主要特點：物料進入破碎機破碎時加水沖洗，以加大物料從破碎腔排出速度，減少經破碎形成的細顆粒在破碎腔中構成料層“襯墊作用”。該機產量高，產品粒度細，可開路破碎，不需粉碎倉，直接進入球磨機。典型的如諾德伯格專利：破碎機與球磨機配成的碎磨系統，破碎機產量可提高50%，能耗降低25%，產品粒度可達6～8mm。

2.2.2 慣性圓錐破碎機

慣性圓錐破碎機[4]通過向物料層施加嚴格定量的由慣性力造成的壓力，可以將物料層適當壓實，使物料承受全方位的擠壓，物料顆粒之間產生相互作用，從而實現“料層粉碎”。同時，在由慣性力引起的強烈脈動沖擊作用下，物料在破碎腔中承受變方位的擠壓、剪切、彎曲和扭轉應力。破碎后的物料具有最低的過粉碎，從而實現了物料的“選擇性破碎”。慣性圓錐破碎機與傳統的圓錐破碎機相比，具有如下優點：

1)具有良好的“料層選擇性破碎”作用，使單位破碎比功耗降低約40%；

2)破碎比大，產品粒度可調(能方便地調節所需破碎比4～30)，防止過粉碎，簡化了工藝流程；

3)產品粒度幾乎與襯板磨損無關；

4)具有良好的過鐵性能，無需過載保護裝置；

5)應用范圍廣，可破碎任何硬度下的脆性物料。

2.2.3 高壓輥磨機

高壓輥磨機是利用高擠壓力作用使粒群層壓破碎原理而設計的。擠壓力是通過兩個直徑相等、轉速相同且相向旋轉的輥子相互擠壓而產生的。其中一個輥子為定輥，另一個為可以前后水平小幅度移動的動輥，壓力通過高壓油缸加在動輥兩端的軸承座上。高壓輥磨機工作時，物料由料倉靠自重壓入料腔，同時被兩個相向旋轉的輥子咬入并在輥面作用下加速進入壓實腔，由于兩輥間距的逐漸減小，擠壓力由小增大，此時物料顆粒除了受到輥面的直接壓力外，物料顆粒之間也產生相互擠壓作用[5]。相比于傳統的破碎設備，高壓輥磨機具有如下優點：

1)單位粉碎能耗低，如果同后續設備共同裝機時，其總磨碎能耗可節約40%以上；

2)能處理水分含量較高的物料，如磨碎鐵礦石

制備球團給料時，其水分可高達10%，磨碎鐵礦石或貴金屬礦石時，國外推薦水分不高于8%；

3)提高后續作業產品的回收率、可磨性和產量；

4)機器占地面積小、土建投資少、機器振動小、噪音低、粉塵??；

5)機器的作業率高，可在95%以上，機器易損件工作壽命長。

近年來，針對高壓輥磨機的缺點作了三個方面的改進，一是提高輥面的耐磨性，二是壓輥軸承的改進，三是控制系統的改進，使其達到自動化[6]。

隨著國家對產業節能降耗要求的日益提高，改進選礦廠碎磨工藝以減小能耗勢在必行，這也將成為選礦廠巨大利潤增長點。同時，破碎理論研究的發展，也對破磨設備的研制開發產生了重大影響。在國內外眾多研究者的努力下，破碎機的發展必將出現驚人的成績，現有的破碎設備將不斷得到完善，新型破碎設備也將層出不窮。

[1] 夏曉鷗，吳建明，梁殿印，等.選礦設備第十屆選礦年評會論文集[C].北京：北京礦冶研究總院，2006.

[2] 饒綺麟.大破碎比顎式破碎機及對破碎工藝流程的變革[J].中國工程科學，2001(4)：82-86．

[3] 全文欣，張彬，龐玉榮，等.我國鐵礦選礦設備和工藝的進展[J].國外金屬礦選礦，2006，43(2)：8-14.

[4] 郎寶賢，郎世平.破碎機[M].北京：冶金工業出版社，2008.

[5] 劉建遠，黃瑛彩.高壓輥磨機在礦物加工領域的應用[J]．金屬礦山，2010(6)：1-8．

[6] 高瀾慶，王文霞，馬飛.破碎機的發展現狀與趨勢[J].冶金設備，2001(4)：13-16.