高压辊磨的岩石力学基础

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1、1998 专刊 匿外垒属矿选矿高压辊磨的岩石力学基础徐小荷(东北大学沈阳 110000) 摘要本文从岩石力学的角度研究了高压辊磨的粉碎原理以及影响辊磨的主要因素入料粒度组成、料层厚度和施载强度等，同时进行了辊磨效果试验。关键谓高压辊磨岩石力学粉碎原理1 高压辊磨的原理和应用情况高压辊磨由两个对辊组成，一个辊轴是固定的，另一个是可以水平移动的，后者受到强 大的推力，使两辊问的料层受到大约 50 300MPa 的压力。如图 1，两辊各有动力作相向转 动，其转速保持圆周速度约为 lm s，物料被滚动着的辊子不断地啮入，挤成料饼。高压辊磨的粉碎原理和平常的对滚破碎机不 同，普通对滚机两滚问间隙固定，小

2、于间隙的物科 直接漏下而不被破碎 大于间隙的物料只要被滚 压碎成小块也随之通过。物料通过高压辊磨时无 论粗细全部被啮入于两辊之间隙里，受到强大的 压力而成为齑饼，然后出料。岩石在辊间受到的压 强，大约是岩石单轴抗压强度的十倍，它的变形虽不算大，如岩石是脆性的略有变形便被挤酥丁，有 图 1高压辊磨示意图的岩石，如石灰岩，还形成饼状，抖动后才能散开，有的岩石，如石英岩，较难结饼，撤除压力后多半成为细粉。 作为商品的高压辊磨机，首先由德国的洪堡和克鲁虏两公司于 1987 年投入市场，目前世界上可能有百余台高压辊磨机在生产中运行。最大的一台在南非金刚石矿，辊的直径2 8m，入料块度 250mm ，处理

3、能力 400t h，用两台 600kw 的电机驱动。 高压辊磨目前多数用于水泥粉碎作业，少数用于矿山，据生产性运转表明，使用高压辊磨后，粉碎系统的能耗降低 20 30，系统生产能力增加 30 40，钢耗只有原先的十分之，简化了粉碎流程，节约基建投资约 25 30。高压辊磨在粉碎作业的应用，起了细碎和 粗磨的作用，给行之有效的 “多碎少蘑 ”提供了理想的装备。它所采用的准静压，挤压粉碎原 理，完全不同于既有设备，有人称它是粉碎作业的一个实质性突破，研究分析它的粉碎力学 基本问题是十分必要的。2静压和冲击粉碎的比较球磨机及许多粉碎机械，都利用冲击粉碎物料。在人们的观念里，好象冲击是粉碎物料国外盒晨

4、矿选矿 1998 专刊(岩石 )的捷径确实，冲击能够利用极其简单的装备，在瞬间达到很高的载荷水平直到今 日。锤、镐，凿等冲击工具，还是手头最得心应手的工具，实际测定中 48300ram 杆件冲击料 层时的载荷变化，如图 2当冲击速度为 15m s时，波峰载荷可达 46kN ，但作用时问仅为 t0 75ms冲击速度越高作用时间越短 I反之则反 但是另外一方面，随着冲击速度增高，加载速率增大，这时的物料强度、硬度，断裂韧性，粉碎功等都要增大在冲击速度为每秒几米的范围内，岩石的上列破碎参数大约要增大百分 之几十冲击和静载还有一个实质性区别是前者是以波的形式传递能量的，在传递过程中若 介质波阻变化，便

5、产生透射和反射，不能把全部能量传递给物料。在图 3中给出了两种载荷 粉碎岩石所须能量之比较图中纵坐标是每焦尔能量可造成的新表面，横坐标是施加之能 量从图可以看出冲击载荷的效率，只相当于静载的 2 3。尤其当冲击速度高时尤为显著拿茸3 重 膻 擀i 斑圳捌 _IL粉碎船 (J， g)时间 (msl图 2冲击料层的载荷历程曲线 圈 3冲击和静压粉碎岩石的效果比较为了进一步比较动静载粉碎岩石的能耗。在实验室我们测定了十种矿岩的邦德功指 数 “，压碎功指数和捣碎功指数 03。捣碎功指数是利用苏联采矿科学院规定的捣碎测定岩石 坚固性方法，将粉末筛分计算其功指数。结果列于表 l，捣碎法的功指数约为压碎法的

6、 1 24 倍，邦德功指数约为压碎法的 2 2倍，三者相关比较紧密。此结果再一次说明了静压粉碎的 功耗是较低的。从上列分析可以得出如下结论：冲击粉碎的装备是比较简单的，但其粉碎能耗却要高于 静压粉碎。表 1三种功指数测定结果 (kWh t)岩石名称 邦德功指数 jb 压碎功指数 w 捣碎功指数 H， m白色大理石 10 31 2 53 3 13 石英闪长石 21 96 12 17 14 24 绿泥岩 7 28 4 41 5 29 石灰岩 10 52 5 56 7 84绿色大理石 21 Z7 12 50 15 79 砂岩 15 98 5 33 5 6l 肆缘石 17 30 8 83 12 21

7、花岗岩 11 79 5 oo 6 tO 薯帙石英岩 7 3Z 2 36 2 88煤 17 25 6 33 6 361998 专讨 罾外金属矿遘矿3损伤和粉碎传统的材料力学，把材料的破坏问题，看成 是。一 1逻辑，要就好，要就坏，非此即彼。事实上破坏或破碎都是一个从好到坏的过程。尤其lI 是岩石本来就是带有很多结构上的缺陷。在受珂载荷之后，缺陷便发生、发展一称之谓损伤。 随着损伤之演化，终于全面崩溃图 4是大理岩 受压时，裂纹的发展过程 03八十年代发展起来 的损伤力学认为，在物体受载之后，就会产生损 伤，有效承载面积减少，于是引入了损伤因子 m材料力学最基本的虎克定律是说明应力一和 变度 e间

8、关系的，被修正为：一；脚刊 = c襞蓊窬，图 4 加载时裂纹发展过程=肌一嚣籍器，(圈中百分数是以破碎载荷为 100N)式中 E为弹性模量。 损伤力学的观点容易被接受，但内在的损伤因子 m，只有把它和宏观表现联系起来才能作运算之用，这就是个困难“。 我们曾用分形几何的方法来反映图 4中裂纹的发生发展过程 (有关分形的初步概念请参看 s3)。其结果如表 2。分形维数越大，表示裂纹密度越高，当分形维数为 2时，表示整个平 面充满了裂纹。裹 2加载时的损伤分形维数变化加载到破坏的百分事“ 64 82 93 96 100担伤分形维数 o 911 1 168 1 270 1 395有的教科书说，岩石的抗

9、压强度大于抗剪强度，更大于抗拉强度，因此采用拉伸粉碎的 方式将是最省能耗的，剪切次之。损伤过程的分析改变了这种观点。原来平常力学强度理论 是以不破坏为背景的，根本不涉及破碎之程度 (粒度、损伤 )。拉断只使对象 “一分为二 ”；压碎 可以使之 “粉身碎骨 ”，在缺乏自由面的压缩，会使得岩石变酥汴 B能是否合算，就得看结果是 否对下一步处理有效。如果将岩石破碎成建筑用骨料，采用拉剪、尽可能让它不受损伤；如果 下一步还要粉磨，那末预先用压缩使之损伤，将是极其有效的粉碎手段。高压辊磨就是基于 这个原理，预先把岩石压酥，造成极大的损伤，然后入球磨，以达到省能的效果 a随之带来的是粒度和破碎比这两个粉碎

10、工程中最基本概念。它并不反映粉碎过程中物 料受损伤的程度。考虑到粉碎中的损伤作用，启示我们针对后续工序要求，去设计不同的破 碎腔结构、物料在腔中的受力方式等，以期达到节能的目的。蕾外垒 矿选矿 1998 专刊4料层挤压试验l 压碎试验 为了研究钧料挤压粉碎的效果，常利用在刚性罐中装进一些物料，在压力机上加载，记录其载荷一位移曲线，然后筛分其粉碎后的粒度组成，见圈 5。图 6是三种岩石料层的载位位移曲线，随着料层被压实，载荷上升。软弱的岩石比坚硬岩石压实所须之位移耍大些酉一耀辑5 lO位移 (mm)田 5压碎试验装置 图 6三种岩石料层压碎的载荷位移曲线1一压头2一饲筒13一料晨 1一石英闪长岩

11、 f2一石灰岩 13一白色大理石图 7和图 8是不同料层厚度和不同粒度矿岩的载荷一位移曲线，凡料层厚度增大或粒度 增大，都要用较大的位移才能使料层压实。一颦辑位移 (rr岫 舯铁矿石粒度 20一 30mm 位移 (m)图 7不同料层辱度对科层压碎的影响 圈 8不同粒度对料层压碎的影响1998 专刊 国外金属矿选矿I 压碎后的辩层粒度组成，可以用 GS分布表示，即，一 100(告 )式中 y为粒度 x的筛下百分率，分布参数 B和 n除了取决于矿岩力学性质外，还和麓加载 荷 P(MPa) ，压碎前的粒度直径 D(mm) 有关。根据多种矿岩在不同的条件下压碎结果表明， 参数 B和 n和料层厚度的关系

12、不显著。回归分析得到：B一 (暑 +6)d+cn一下 d+e上两式中 n、 b、 c、 d和 c只取决于矿岩性质，例如对于南芬的铁矿石， n一 23 2， 60 380， c一6918，d；4333，一0348。当料层是由粗细颗粒混装的，细颗粒对粗颗粒有保护作用，压碎的效果变差。4 2压碎功 载荷位移曲线和位移轴所包围的面积就是压碎料层所作之功，将压碎产物加以筛分，求得平均粒度后，利用邦德关于粒度和功耗的关系，可求得压碎功指数如下：t w E(嚣芳 )删 式中：眠一压碎功指数 (kWh t)； 一压碎耗功，化成单位 (kWh)； P一压碎前物料的平均粒鞘馘聃取标如一 |赢 yt 2度 (pm)

13、 ； F一压碎产物的平均粒度 (pm) ； M一被压碎物料的重量 (t)。式中 d。一某一粒度级的尺寸 (pm)； t一此粒度级物料所占的百分率 ( )。 压碎功指数可以用来反映物料压碎的难易，也可用它来预测高压辊磨的效果。压碎功指数眠和邦德功指数 wm相关性颇好，可用下式作近似换算 Wib： 1 67 。 +3 2。4 3料层的碾压试验 直接用高压辊磨机来测定物料压碎时的受力状态比较困难。利用 碾压试验可以测定各种参数下的受 力情况。图 9是碾压测试系统。为 了便于测定，辊架是固定的，底座对 辊架作水平移动，可以测出轴推力 和牵引力、位移等有用数据，都由计 算机采集并加工，得到消耗的能量 等

14、需要的结果。曾对十种矿岩作了预先碾压再 图 9辊压测试系统框图入球磨机，和直接入球磨机，粉碎到基本相同的粒度，记录粉碎所需全部能耗，如表 3所列，结果表明，经过碾压的综合能耗可省z360。蜃外垒属矿选矿 1998 专刊 衰 3琢先碾压再儿球 和直接球 的总镌耗比较岩石名荐 白色大毫石 孽缸岩 砂岩 花嘲岩 石灰岩 盛帙石英岩 供 鼍色大理石 舞鼍岩 石荚内长石曩 后节鲁 22 9 68 5 15 S 63 7 76 5 68 1 19 1 81 75 7 843麓耗 (“)5p600X200 高压辊磨的初步效果我们根据实验室得到的粉碎参数，设计制造了一台辊径 600ram ，宽 200ram

15、的高压辊磨 样机，最大推力 1000kN ，用液压缸推进，利用它对石灰岩、花岗岩及南芬的含铁石英岩作了 试运转，入口粒度设计为 30ram ，实际上 50 70ram 也能啮入，生产能力 12 15t h产品粒 度组成和推力的大小及间隙宽窄有关，见图 10。图中 a、 b推力的 MPa数量推压油缸中的压 力，压力大的时候，粉碎程度加尉，但实际上 4MPa 已能正常工作 (折合推力 502kN) 太高 了似无必要调节两辊之间隙，见图 10， d，也能改变粒度组成和生产能力产品中较粗的部分，是由损伤而不能散开的岩石以及从旁侧漏出的岩石所组成总的加权平均粒度，三种岩石都在 lmm以下 馨察肇t石灰岩不同推力 b花岗岩不同推力墨 丑 电妞粒度 (mm) 粒度 (mm)c甫方铁矿石 d花岗岩不同同糜图 10高压辊唐产物粒度组成的筛下瞄线工业试验已在酒钢完成，并已通过部级鉴定。6结语