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表1 破碎机类型、性能及应用
| 类型 |
品种 |
破碎比 |
性能特点及应用 |
| 颚式破碎机 |
简摆式 |
4:1-9:1 |
产品较粗、粉矿较少，适用于粗碎和中碎 |
| 复摆式 |
4:1-9:1 |
生产能力较大、效率较高，适用于中碎和细碎 |
| 圆锥破碎机 |
旋回式 |
3:1-10:1 |
处理量大、粉矿少，适用于各种硬度物料的粗碎 |
| 标准型 |
4:1-8:1 |
平行带短，适用于各种硬度物料的粗碎 |
| 短头型 |
4:1-8:1 |
平行带长，适用于各种硬度物料的细碎 |
| 中间型 |
4:1-8:1 |
平行中带等，适用于各种硬度物料的中碎和细碎 |
| 辊式碎碎机 |
单辊式 |
7:1 |
适用于脆软及磨蚀性物料的粗碎和中碎 |
| 双辊式 |
3:1-18:1 |
粉矿少，适用于物料的细碎 |
| 反击式破碎机 |
单转子 |
30-40:1 |
破碎比大、产品粒度均匀，适用于脆性物料的粗、中、细碎 |
| 双转子 |
30-40:1 |
| 锤式破碎机 |
|
20:1-40:1 |
破碎比大、产品粒度均匀，适用于脆性物料的粗、中、细碎 |
表2 磨矿机的种类及应用
| 磨机类型 |
入料/mm |
产品/μm |
应用 |
| 球磨机 |
≤30 |
45-150 |
硬、中硬、软质物料的湿式或干式细磨 |
| 棒磨机 |
≤30 |
125-3000 |
硬、中硬、软质物料的湿式或干式粗磨或细磨 |
| 砾磨机 |
≤30 |
45-500 |
中硬以下物料的湿式或干式细磨 |
| 自磨机 |
≤300 |
74-3000 |
物料的湿式或干式磨矿 |
| 雷蒙机 |
≤30 |
45-125 |
中等硬度以下物料的干式磨矿 |
| 振动磨 |
≤30 |
2-125 |
硬、中硬、软质物料的湿式或干式粗磨、细磨或超细磨矿 |
| 立式磨 |
≤30 |
30-150 |
硬、中硬、软质物料的干式粗磨或细磨 |
| 广义磨 |
≤30 |
45-175 |
莫氏硬度8以下物料的干式粗磨或细磨 |
| 柱磨机 |
≤50 |
45-800 |
物料的干式粗磨或细磨 |
| 高压辊磨机 |
≤60 |
30-2000 |
各种硬度物料的干式粗磨或细磨 |
| 冲击式粉碎机 |
≤10 |
10-150 |
中等硬度以下物料的干式细磨 |
| 涡轮式粉碎机 |
≤10 |
45-350 |
中等硬度以下物料的干式细磨 |
不同的破碎与粉磨设备，具有各自的性能特点和破碎比等，面对种类繁多的设备，非金属矿加工企业如何选用最适合自己的呢？设计研发单位相继开发出很多不同用途的碎磨试验方法。通过对不同粒度的矿石进行试验，从而确定相应的选型模型，并按照用户要求的设计规模和工艺要求，确定最终的设计方案。
1、常见的破碎与粉磨设备选型试验
目前，破碎机选型基本是通过观察设备型谱，根据处理量、产品细度要求直接进行型谱配型。在了解矿石性质的情况下，可更好地对所选设备进行再次判断，具体可参考矿石普氏硬度系数、单轴抗压强度或冲击破碎功指数等；粉磨设备选型目前主要根据现场工艺要求和矿石性质进行相应计算，对应矿石的粉碎特性参数是选型的重要依据。
表3 常见的破碎与粉磨试验
2、半自磨机选型试验
（1）JK落重试验
图1 落重试验机
JK落重试验主要是模拟半自磨/自磨机内矿石在高低两种能量下的碎磨情况。所需原矿石量约为100kg，高能量模拟试验选取粒度为63-13mm的矿石，共5个粒级，对每种粒级进行3个能量的冲击，针对不同矿石粒级所需的能量调整锤头高度，进行冲击破碎，进而获取相应矿粒组的冲击粒度曲线。根据破碎粒度与破碎能量的关系方程拟合出自磨、半自磨机参数A×b，如图2所示。
t10为通过原始粒度尺寸1/10的百分含量，%；Ecs为矿石冲击能量，kW·h/t；A×b代表能量为0时的斜率，A×b数值越大，代表矿石越软，反之则越硬。
同时，根据不同能量、不同粒度矿石的冲击破碎粒度曲线，获取破碎机模型参数，以及不同粒级样品t10在相似单位能耗下的变化趋势。
图2 破碎粒度和破碎能量的关系
对于低能量研磨试验，利用3kg粒度为38-55mm的矿石，在带有4×6mm提升条的φ305mm×305mm转筒磨机中自磨损，试验获取磨损指数ta，公式为：ta=t10/10。
图3 磨耗试验机
针对试验结果，可通过模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CITICSMCC软件进行选型。
（2）SMC试验
SMC试验适用于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25kg，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26.5-31.5mm的矿石，其次选用粒度为19-22.4mm的矿石，最差选用粒度为13.2-16mm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，并拟合出自磨机/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>750μm）、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、CITICSMCC软件和中信重工磨机选型计算程序软件。
（3）SPI试验
图4 SPI试验
SPI试验（SAG Power Index）是测试矿石的半自磨功指数试验，SPI试验需要2kg矿石，模拟矿石在半自磨机/自磨机内的运行情况，设备规格φ305mm×102mm。
图5 半自磨功指数球磨机
给料粒度-19mm（80%通过12.7mm）的矿石通过闭路磨矿，获取磨矿至80%产品通过1.7mm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1.7mm所用的时间，min。
针对SPI试验结果，可采用软件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。
（4）SAG Design试验
SAG Design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10kg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φ488mm×163mm。
图6 SAG Design试验机
磨机钢球充填率为11%（16kg），总充填率为26%，转速率为76%，要求给料粒度为-38.1mm（80%通过19mm），通过干法分批磨矿，测试磨矿至80%产品通过1.7mm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：半自磨机小齿轮功率=转数×（16000+g）/（447.3g）（kW·h/t），式中g为矿石的质量，g。
（5）Macpherson自磨可磨性试验
Macpherson自磨可磨性试验需要物料约为175kg，试验磨机规格为φ460mm×150mm。磨机钢球填充率为8%，总充填率为25%，给料粒度为-32mm。该试验是一种连续性试验，至平稳状态至少需要6h。试验期间，每15min对产量、筛上筛下及旋流器底流进行称重，经过5h的运行，产量与循环负荷平稳后，每15min取样一次，取样周期为1h。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。
2、高压辊磨机选型试验
（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Koppern高压辊磨机规格为φ750mm×220mm，KHD试验机为φ800mm×250mm，Polysisu试验机规格为φ710mm×210mm，中信重工采用φ420mm×100mm辊压试验机；也有小型的高压辊磨机设备，直径在200-300mm；辊面有采用Hexadur板、铸钉或堆焊等耐磨材料。
图7 高压辊磨结构
试验约需要物料1-2t，给料粒度在不同试验室有所区别，Koppern给料粒度为-32mm，Polysisu给料粒度为-25mm，SGS和中信重工一般给料粒度为-12.5mm。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。
目前，该方法作为高压辊磨机选型试验较为通用，选型软件有CITICSMCC软件及DUCS模型。
（2）活塞压力试验
活塞压力试验（Piston Press）是采用直径100mm的活塞缸及料桶装备，料样最大尺寸为4mm，共300mL。
图8 活塞压力试验机
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。
4、棒磨机选型试验
Bond棒磨功指数试验所需样品约为20kg，设备规格为φ305mm×610mm。
图9 棒磨功指数试验机
设备棒荷为33.38吨，转速率为60%，给料粒度为-12.7mm，采用干法闭路磨矿，要求产品粒度等于或接近选矿厂要求磨矿粒度。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为每转净生成量，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。
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8ft（约为2.44m）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
（1）Bond球磨功指数试验
Bond球磨功指数试验所需样品约为15kg，设备规格为φ305mm×305mm。设备球荷为20.125kg，采用干法闭路磨矿，要求产品粒度等于或接近选矿厂要求磨矿粒度，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为转净生成量，g/r。
试验控制筛适用范围为28目（（0.63mm）至500目（0.028mm），其试验结果同内径为8ft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。
6、其他矿石性质试验
（1）Bond冲击功指数试验
Bond冲击功指数试验即Bond Crushing Work index。试验需要50-75mm试样20块。
图10 摆锤冲击试验机
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为密度，g/cm3。
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。
（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50mm，高为100mm。
图11 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。
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。
（3）点载荷试验
点载荷试验（Point Load Index，简称PLT）可用图岩芯、方块或不规则块体进行，需要5-20块。
图12 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。
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《JISA1107》岩芯直径为100mm。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50mm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。
点载荷试验可间接地估算单轴抗压强度UCS，一般为UCS=24×Is（50），式中：因数变化范围为15-35，Is（50）很少受矿样结构的影响。
S.Morrel博士也对点载荷试验PLT与SMC试验结果DWi值的相关性进行了对比试验，结果如图12所示，两种试验的相关性非常明显。
图13 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，关于认可点载荷试验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
一些设备选型有多种试验方法，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。
（摘自：矿山碎磨设备选型的主要试验方法，作者：何剑伟）
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