矿山破碎磨机设备选型的主要方法

不同的碎磨设备适应不同的矿石粒度范围，有不同的选择试验方法。根据不同研磨设备的选择，介绍了目前国际上常用的主要测试方法。同时，有些研磨设备有多种测试选择方法。在不同的测试方法中，有些通过研究建立了相关性，而有些则没有。然而，不同的测试不能轻易相互替代。

矿山开发涉及很多设备。就磨矿设备而言，不同粒度的矿石所用的磨矿设备会有所不同。在过去的一百多年里，根据不同研磨设备的特点及其适用的粒度范围，设计和研发了多种研磨设备。d单位先后开发了多种不同用途的磨削试验方法。通过对不同粒度的矿石进行实验，确定相应的选型模型，并根据用户要求的设计规模和工艺要求，确定最终的设计方案。

粉磨设备主要有破碎机、半自磨机/自磨机、高压辊磨机、棒磨机、球磨机、搅拌磨等。其中，破碎机包括破碎机，回转破碎机和圆锥破碎机。有溢流型和格子型球磨机；棒磨机有溢流式和格栅式、中心出料式和周边出料式。不同设备适应的矿石粒度范围不同。在破碎设备中，破碎机能适应较大的矿石粒度(可达1 m以上)，其次是旋回破碎机、圆锥破碎机、HPGR和VSI破碎设备。具体投料范围与设备型号、投料口大小等因素有关。对于粉磨设备，半自磨机可以适应较大的给料粒度(现场最大可达350 mm)，而球磨机需要较小的给料粒度，而搅拌磨可以低至几十微米给料。

目前破碎机选型基本上是根据设备型谱的观察，根据处理能力和产品细度的要求直接进行型谱匹配。在矿石性质的情况下，可以再次判断所选设备是否更好，具体参考矿石的普氏硬度系数、单轴抗压强度或冲击破碎功指数等。目前磨机选型主要是根据现场工艺要求和矿石性质进行计算，相应矿石的破碎特性参数是选型的重要依据。表1列出了目前常用的研磨试验。

表1常见磨削试验概况

1　主要碎磨设备选型试验

2.1 J  K重量跌落试验

JK落锤试验(简称JK  DWT)是澳大利亚昆士兰大学Julius  Kruttschnitt矿物研究中心(JK  MRC)研究的一种商业试验方法，也是目前常用的试验方法。

JK  DWT试验所需原矿量约为100 kg。试验模拟了矿石在高、低能下在半自磨机/自磨机中的破碎和磨矿。测试装置如图1和2所示。其中高能模拟试验选取粒度为63 ~ 13 mm的矿石，分五种粒度，对每种粒度进行三种能量的冲击。根据不同矿石粒度所需的能量，调整锤头高度进行冲击破碎，进而得到相应矿石颗粒群的冲击粒度曲线。根据粉碎粒度与粉碎能量的关系方程，拟合自磨机和半自磨机的参数Ab，如图3所示。

式中：t10为原粒径1/10的百分数，%;Ec为矿石冲击能，kwh/t；Ab代表能量为0时的斜率。Ab值越大，矿石越软，反之越硬。

同时，根据不同能量、不同粒度矿石的冲击破碎粒度曲线，得到了相似单位能耗下不同粒度t10样品的破碎机模型参数及变化趋势。

图1重量跌落测试设备

图2磨损测试仪

图3破碎粒度与破碎能量的关系

对于低能研磨试验，将3 kg粒度为38 ~ 55 mm的矿石在305 mm 305 mm的鼓式磨机中用46 mm的提升杆进行自磨，通过试验获得磨损指数ta。公式是

根据测试

拟软件进行半自磨机/自磨机流程的模拟、分析及预测，也可通过 CITIC SMCC 软件 (澳大利亚 S. Morrell 博士开发) 进行选型，还可通过中信重工磨机选型计算程序软件进行选型。

2.2　SMC 试验

SMC 试验 (SAG Mill Comminution) 是由 S. Morrel博士开发的试验方法，也是常用的试验方法。在岩芯矿或矿石量少的情况下，该试验极为适用，适用范围比较广泛。

SMC 试验所需矿量约为 25 kg，同样采用 JK 落重试验装置，模拟矿石在不同能量下的冲击破碎情况。试验采用一种粒级，优先选用粒度为 26.5～31.5 mm的矿石，其次选用粒度为 19～22.4 mm 的矿石，最差选用粒度为 13.2～16 mm 的矿石，选好后对样品进行5 个能量的冲击。

试验通过对单颗粒矿石进行不同能量的冲击，获取不同能量下的冲击粒度曲线，根据式 (1)，拟合出自磨机/半自磨机参数 A×b，同时获取磨损指数 ta、落重指数 DWi、磨矿功指数 Mia(磨矿产品 P80> 750 μm)、破碎功指数 Mic、高压辊磨功指数 Mih等。

对于磨损指数 ta，区别于 JK 落重试验，SMC 试验是通过落重试验结果进行推导获取。其所涉及选型软件同 JK 落重试验一样，有 JKSimMet 模拟软件、CITIC SMCC 软件、中信重工磨机选型计算程序软件。

2.3　SPI 试验

SPI 试验 (SAG Power Index) 是由 Minnov EX 技术有限公司开发的半自磨功指数试验，1996 年底正式投入商业使用。

SPI 试验需要 2 kg 矿石，模拟矿石在半自磨机/自磨机内的运行情况，设备规格 φ305 mm×102 mm，见图4。给料粒度 -19 mm (80% 通过 12.7 mm) 的矿石通过闭路磨矿，获取磨矿至 80% 产品通过 1.7 mm 所用的时间，并最终转换为半自磨机所需的单位能耗，即半自磨功指数。具体函数关系为

式中：P80为 80% 产品通过筛孔的尺寸，mm；T 为磨矿至 80% 产品通过 1.7 mm 所用的时间，min。

图4　SPI 试验机

针对 SPI 试验结果，Minnov EX 技术有限公司于2001 年开发了评估工具软件 CEET，进行多种方案的流程设计，包括计算所需设备功率、规格和投资，以及预测生产指标和操作成本。

该试验在设计新磨机方面，其试验使用量偏小，用于半自磨机选型在精度上可能不够，比较适用于矿床的地理冶金测绘。

2.4　SAG Design 试验

SAG Design 试验 (Standard Autogenous Grinding Design) 是由 Outokumpu 技术有限公司、冶金试验室有限公司及 Starkey & Associates 组成的 SAG Design咨询集团于 2006 年研发成功，并由 Outokumpu 技术有限公司申请了国际专利。该试验是基于 SPI 试验的不足而开发的更加稳定的测试方法。

SAG Design 试验需要约 10 kg 的矿石，用于模拟矿石在半自磨机/自磨机内的运行情况，设备规格为 φ488 mm×163 mm，见图5。磨机钢球充填率为11% (16 kg)，总充填率为 26%，转速率为 76%，要求给料粒度为 -38.1 mm (80% 通过 19 mm)，通过干法分批磨矿，测试磨矿至 80% 产品通过 1.7 mm 磨机所转的圈数。试验通过下式获取半自磨机的小齿轮功率为

式中 g 为矿石的质量，g。

图5　SAGDesign 试验机

根据该试验结果，由 Starkey & Associates 按Outokumpu 提供和推荐的程序设计商用磨机。

2.5　Macpherson 自磨可磨性试验

Macpherson 自磨可磨性试验 (Macpherson Autogenous Grindability) 是由 Arthur MacPherson 等人开发的自磨可磨性测试技术。

Macpherson 试验需要物料约为 175 kg，试验磨机规格为 φ460 mm×150 mm。磨机钢球填充率为 8%，总充填率为 25%，给料粒度为 -32 mm。该试验是一种连续性试验，至平稳状态至少需要 6 h。试验期间，每 15 min 对产量、筛上筛下及旋流器底流进行称重，经过 5 h 的运行，产量与循环负荷平稳后，每 15 min 取样一次，取样周期为 1 h。运行结束后，对产品进行粒度分析，将磨机内物料排出，并取出介质进行粒度分析及密度测试。

根据试验磨机的运行功率、平稳状态下的产量(kg/h) 及产品粒度分布，计算单位能耗 (kW·h/t) 及Macpherson 自磨功指数 AWi。该试验也是广泛使用的自磨试验程序之一。

3　高压辊磨机选型试验

3.1　HPGR 试验

高压辊磨试验即 High Press Grinding Rolls，简称 HPGR。目前国际上所采用试验设备不尽一致，哥伦比亚大学的 K oppern 高压辊磨机规格为 φ750 mm×220 mm，KHD 试验机为 φ800 mm×250 mm，Polysisu 试验机规格为 φ710 mm×210 mm，中信重工采用 φ420 mm×100 mm 辊压试验机；也有小型的高压辊磨机设备，直径在 200～300 mm；辊面有采用Hexadur 板、铸钉或堆焊等耐磨材料。目前该试验方法类似。

试验约需要物料 1～2 t，图6所示为中信重工辊压试验机，属于小型辊压试验。给料粒度在不同试验室有所区别，Koppern 给料粒度为 -32 mm，Polysisu 给料粒度为 -25 mm，SGS 和中信重工一般给料粒度为-12.5 mm。试验观察不同条件下的辊压变化情况，包括给料含水量、辊压压力、辊速、开闭路作业和二次辊压等，通过试验获取单位时间处理量及功率数据、产品料饼情况及产品粒度变化情况，通过数据分析获取相应条件的辊压效果。辊压效果衡量指标有吨功耗(总吨功耗、产品指标对应破碎功耗、产品 P80对应破碎功耗) 和细度变化 (包括产品指标增量和 P80变化量)。最后，对某合理辊压条件下的辊压产品及原料进行球磨功指数试验，对比辊压前后功指数的变化情况。

图6　高压辊磨试验机

目前，该方法作为高压辊磨机选型试验较为通用。中信重工使用的选型软件有 CITIC SMCC 软件及DUCS 模型，不同实验室也有自己相应的选型计算程序。

3.2　活塞压力试验

活塞压力试验 (Piston Press) 是由英属哥伦比亚大学 (UBC，加拿大一所大学) 的 CAMIRO HPGR 研究，用于对 HPGR 进行适用性预测。

压力测试采用直径 100 mm 的活塞缸及料桶装备，料样最大尺寸为 4 mm，共 300 mL。活塞压力试验机如图7所示。试验考察不同负载下料样变化情况，同时与高压辊磨试验建立相关关系。该试验方便快捷，目前试验情况与高压辊磨试验非常接近，正在研究推广。

图7　活塞压力试验机

4　棒磨机选型试验

Bond 棒磨功指数试验 (Bond Rod Mill Work Index)于 1952 年 由 Milwaukee Allis-Chalmers 实验室 F. C. Bond 先生总结提出。

试验所需样品约为 20 kg，设备规格为 φ305 mm ×610 mm，见图8。设备棒荷为 33.38 kg，转速率为60%，给料粒度为 -12.7 mm，采用干法闭路磨矿，要求产品粒度等于或接近选厂要求磨矿粒度。试验原则上在 5～10 个磨矿周期内使棒磨机达到稳定状态，即循环负荷稳定在 (100±2) %，另外每转产生的产量 Grp稳定出现 2～3 次，或 Grp出现最大值或最小值，即试验结束。试验要求对给料、产品粒度进行筛分，用于获取 Bond 棒磨功指数。具体公式为

式中：WiR为 Bond 棒磨功指数，kW·h/t；P1为控制筛孔径，μm；Grp为每转净生成，g/r；P80为产品80%通过量筛孔尺寸，μm；F80为给料 80% 通过量筛孔尺寸，μm。

图8　Bond 棒磨功指数试验机

Bond 棒磨功指数试验针对产品粒度，测定范围为 3～65 目，其试验结果同内径为 8 ft (约为 2.44 m)的普通溢流型棒磨机湿法开路磨矿相一致。如果工作条件不同，需要通过修正系数进行修正，目前该方法在国际上通用。

5　球磨机选型试验

5.1　Bond 球磨功指数试验

Bond 球磨功指数试验 (Bond Ball Mill Work Index)于 1952 年由 Milwaukee Allis-Chalmers 实验室提出。

试验所需样品约为 15 kg，设备规格为 φ305 mm× 305 mm，见图9。设备球荷为 20.125 kg，转速率为91.3%，给料粒度为 -3.35 m，采用干法闭路磨矿，要求产品粒度等于或接近选厂要求磨矿粒度，试验原则上在 10～12 个磨矿周期内结束。试验要求运行达到稳定状态，循环负荷稳定在 (250±5) %，且最后 2～3 个周期内达到平衡，或 Gbp出现最大值或最小值，满足这两个条件后才能结束试验。需要说明的是，最后 3 次 Gbp的最大值和最小值之差不能大于平均值的3%。试验要求对给料、产品粒度进行筛分，用于获取 Bond 球磨功指数。具体公式为

式中：WiB为 Bond 球磨功指数，kW·h/t；Gbp为转净生成，g/r。

图9　Bond 球磨功指数试验机

试验控制筛适用范围为 28 目 (0.63 mm) 至 500 目(0.028 mm)，其试验结果同内径为 8 ft 的溢流型球磨机湿法闭路磨矿相一致，如果工作条件不同，需要通过修正系数修正。目前该方法在国际上通用。

5.2　哈氏可磨指数试验

哈氏可磨指数试验 (Hardgrove index，简称 HGI)于 1932 年由 R. M. Hardgrove 提出，1951 年做为煤的标准测试程序。

该试验每次给料为 50 g，试验设备如图10所示。制样粒度为 0.63～1.25 mm，通过指定的 60 转进行研磨，取出研磨产品筛分，并最终获取 71 μm 的筛上筛下产品质量，并根据筛下质量查标准煤样的校准图，获取该样品的可磨性指数值。公式为

式中：HGI 为哈氏可磨指数；W 为磨矿产品 -71 μm的质量，g。

图10　哈氏可磨指数试验机

哈氏可磨指数可转换为 Bond 球磨功指数，Bond于 1961 年修正了前期的推导公式，具体为

1980 年，A. Mcintyre 和 L. R. Plitt 经过研究，提出以容积法进行试验，即每次给料由 50 g 改为 36 cm3的物料，即质量为 36 ρ (g)，ρ 为松散密度，公式矫正为

转换为 Bond 球磨功指数

HGI 值反映了不同煤样被破碎成粉的相对难易程度，HGI 值越大，说明磨得越细，所消耗的能量越少，越易磨。哈氏指数的测定程序较简单，时间周期短，但是其测试样品量偏少，重复性较差，专用于测试煤及其他脆性物料的可磨度试验。

6　其他矿石性质试验

6.1　Bond 冲击功指数试验

Bond 冲击功指数试验即 Bond Crushing Work index。1934 年，美国 ALLis-Chalmers 公司高级工程师 F. C. Bond 发明了双摆球试验机，1945 年改进为双摆锤试验机。

试验需要 50～75 mm 试样 20 块，图11所示为北京矿冶总院的冲击功指数试验机。试验时，把样品放置于 2 个摆锤间，通过提升不同角度的摆锤，找到破碎矿石的冲击能量，即通过提升的摆锤角度计算该能量，同时测试矿块密度和冲击面厚度，用于计算破碎功指数，计算公式为

式中，Wic为冲击功指数，kW·h/t；Ep为矿块抗冲击强度，kg·m；B 为样品冲击面厚度，cm；Sg为矿块密度，g/cm3。

图11　北京矿冶总院冲击功试验机

其中，Bond 设计摆锤势能为 Ep≈11.21 (1-cos φ)，北京矿冶总院摆锤势能为 Ep=9.96 (1-cos φ)，单位均为 kg·m。

该设备用于评估矿石在破碎机中的受力情况，作为可碎性的判断依据之一。

6.2　单轴抗压强度试验

单轴抗压强度试验即 Uniaxial Compressive Strength或 Unconfined Compressive Strength，简称 UCS。

试验需要圆柱形标准试件，直径为 50 mm，高为100 mm，图12为 UCS 试验机。试验采用同一含水状态或同一加载方向下，每组试验试件数量应为 3 个。试验通过不断增加试样的轴向载荷，直到达得载荷的峰值且试样失效。其公式为

式中：σc为单轴抗压强度，MPa；Pc为最大负载，N；A 为横截面积，mm2。

图12　UCS 试验机

在实验室测量的岩芯矿石强度通常不能准确反映大范围的原位特性，原位特性深受节点、缺陷尺寸、弱位面和其他因素的限制。通常，岩石单轴抗压强度用于估算其他强度参数，是衡量岩块基本力学性质和工程岩体分类，以及建立岩体破坏判据的重要指标。

6.3　点载荷试验

点载荷试验 (Point Load Index，简称 PLT) 可用岩芯、方块或不规则块体进行，需要 5～20 块，图13所示为点载荷试验机。试验作为岩石强度等级的一种指数测试方法，也可作为其他相关材料强度的估算。

图13　点载荷试验机

对于同一含水状态或同一加载状态，岩芯数量每组 5～10 块，方块或不规则块体每组 15～20 块。选取岩芯直径时，按照标准《JIS A1107》岩芯直径为100 mm。在后来研究中，通常把较小岩芯做为大岩芯强度计算的替代品。将试件放置到球端圆锥间，稳定施加荷载，在一定时间范围内直至试件破坏，获取破坏载荷。点载荷指数

式中：Is(50)为等价岩芯为 50 mm 直径岩芯的点载荷指数，MPa；F 为粒度修正系数；P 为破坏载荷，N；De为等价岩芯直径，mm；m 为修正系数，可取 0.4～0.45，或根据同类岩石的经验值确定。

PLT 可间接地估算 UCS，一般为

式中：因数变化范围为 15～35，Is(50)很少受矿样结构的影响。

同时，S. Morrel 博士也对 PLT 与 SMC 试验结果 DWi值的相关性进行了对比试验，结果如图14所示，两种试验的相关性非常明显。

图14　点载荷强度与 DWi值 (SMC 试验结果) 的相关性

该试验成本较低，便于测试，样品易于准备，且方便现场操作。目前，关于认可 PLT 的研究工作已经进行了很多，其结果已得到了广泛应用。

7　结语

笔者介绍了主要碎磨设备选型试验方法，有些设备选型开发了多种试验方法，如半自磨机选型对应的试验方法较多，但是其建立的选型模型结构不同，因此这些试验相互之间不能直接替代。当然有些试验之间建立了相关性，这样可通过其中一个试验获取对应相关性试验的结果数据，比如可通过 DWT 试验结果推导 SMC 试验结果、哈氏可磨度推导 BWi等。

针对碎磨设备选型，具体需要做哪个试验，必须要进行大量工作，同时需要考虑已运行碎磨设备的经验综合来选型。