CN115335152A - 用于测试岩石颗粒的碎裂和机械特性的测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测试岩石颗粒的碎裂和机械性能的测试装置。测试装置包括支撑件(1、2)和支撑在支撑件(1、2)上的反向旋转的两个破碎辊(3、3')及旋转破碎辊(3、3')的驱动装置(M1、M2)。破碎辊(3、3')彼此面对并在其间限定岩石颗粒的输入间隙(G)，辊布置成将岩石颗粒(RP)破碎成更小的子颗粒(DP)。测试装置包括确定岩石颗粒(RP)的抗压强度的力测量装置(7、7')。力测量装置(7、7')联接到测试装置所包括的处理器(PR)。处理器(PR)布置为计算随时间施加到每个岩石颗粒(RP)的碎裂力。测试装置(TA)还包括能量测量装置(5、5')，测量与施加到每个岩石颗粒(RP)的能量有关的信息，能量测量装置(5、5')联接到处理器(PR)，处理器(PR)布置为计算施加到每个岩石颗粒(PR)的能量。

Description

用于测试岩石颗粒的碎裂和机械特性的测试装置和方法

背景技术

矿体由于其非均质性质而在组成和物理特性上固有地可变。几乎不存在由单一岩性或任何其它地质分类(矿石类型)组成的矿体。通过显示这些特性的空间分布，这种可变性通常从矿体表征程序中是明显的。矿体复杂性是公知的，然而，大多数加工厂的设计仍然使用矿体特性的固定或离散值作为输入参数来执行。设计加工厂具有许多惯例，其中之一是选择关键测量值的第80个百分位数值，例如JK(Julius Kruttschnitt)落锤测试(JKDWT)A*b参数，如在Napier-Munn,T.J.,Morrell,S.,Morrison,R.D.&Kojovi,T(2005)中讨论的：矿物粉碎回路：他们的操作和优化，Julius Kruttschnitt矿物研究中心(JKMRC)。

JKDWT和其它落锤测试使用额定能量

(E＝m×g×h，其中m是重量，g是重力常数，h是下落高度)。

还已知的是SMC

落锤测试指数(DWI)，在以下文献中讨论：Morrell,S.(2004)：由小直径的钻芯样品预测自动磨机和半自动磨机的比能量。矿物工程，17(2004)：447-451。

还已知的是在Starkey J.&Dobby,G.(1996)中讨论的SAG功率指数

Minnovex SAG功率指数在五个加拿大SAG工厂中的应用，Mular,A.L.,Barratt,D.J.和Knight，D.A.(编辑)中的：自动和半自动研磨技术国际会议论文集(第345-360页)。温哥华：不列颠哥伦比亚大学(UBC)。

也已知的是Bond球磨工作指数(BWI)，讨论于Bond，F.C.(1961)：破碎&研磨计算部分I，英国化工，6:378-385。

上述技术可以在工厂中提供毫无疑问的设计安全裕度。然而，该方法没有考虑矿体的固有可变性，并且因此可能导致对于一些矿石类型不是代表性的结果。

用于处理硬岩的粉碎回路的设计包括样本选择、测试工作、数据分析和数据模型建模/解释的过程。然而，在过去的几年中，由于矿石的可变性已经出现了若干问题，当处理比软矿石平均更硬的矿石时，由于对资金和操作成本的更大影响，这些问题对程序可行性的影响通常更显著。

采矿公司倾向于在理解资源方面比理解冶金投入更多，其中粉碎测试是冶金的关键组成部分。如果测试工作程序没有被充分地执行和解释，则存在建立错误的设计标准和损害最终设计的风险。其中一个结果是，一些项目表现欠佳，并且采取花费额外的资金来减轻问题(例如二次破碎、高强度爆破和/或废石子剔除)。另一个结果是，一些金融机构对设计者预测研磨回路性能的能力表现出较少的信心，并且这已经影响了公司获得资金的能力。

粉碎测试显然是选矿厂的适当设计中的重要元素。传统上，用一些代表性的参考样品进行测试工作。对于地质冶金建模，研究整个矿体以理解资源内的可变性，并建立显示对矿物处理的不同响应的空间地质冶金领域。建立用于矿床的地质冶金程序需要大量的测试工作。因此，测试粉碎行为的方法必须在时间和成本方面更有效，而且还必须在样品要求方面更有效。将测试方法集成到地质冶金模型框架中也是重要的。

需要地质冶金映射(mapping)/建模来找出矿体或其它岩体或其颗粒的特性。为此目的，岩石颗粒经受碎裂特性测试。

碎裂特性测试可以给出关于岩体的特征以及关于诸如采矿业加工厂的粉碎装置的加工设备的设计的有用信息。关于岩石碎裂特性的更深入的知识将是高度有利的，这是因为与挖掘中仅10％相比，采矿中消耗的能量中超过50％以粉碎方式消耗。

已经开发了不同的技术来评估岩石的碎裂特征并生成用于建模的参数。开创性的先例是双摆测试，在Narayanan，S.S；Whiten,W.J中讨论：从单个颗粒碎裂测试确定粉碎特性及其对球磨机放大的应用，公开于：Trans.Inst.Min.Metall.Sect.CMiner.Process.Extr.Metall.1988,97,C115-C124。

双摆测试后来被JK落锤测试机代替(JKDWT，JK指Julius Kruttscint)。

已经提到的Morrel-文献(Morrell，S.(2004)：由小直径的钻芯样品预测自动和半自动磨机的比能量。“矿物工程”(Minerals Engineering)，17.(2004)：447-451)介绍了SMC测试，该测试使用上述JKDWT装置和旨在简化该测试的不同程序。为了试图使程序稍微更快，开发了文献WO2007134367中所示的JK旋转碎裂测试器(JKRBT)，其依赖于不同的碎裂机构。最近，文献WO2017064562(Kojovic，T)介绍了HIT-装置，这是JKDWT装置的进一步简化。

这些测试使用可以在不同的比能水平Ecs(kWh/t)下破碎不同尺寸的单个颗粒的装置。然后，使用产品尺寸分布来定义对于所施加的不同能量而言称为T₁₀的碎裂程度(通过原始尺寸十分之一的百分比)。尽管充分制订的碎裂测试程序和测试装置提供了岩石强度的一些合理估计，但是这些测试方法具有限制性。这些限制依赖于所有施加到岩石颗粒的能量都使用全部能量来破碎的假设。然而，这不是真实的，并且由颗粒吸收的实际能量根据岩石物理性质而变化。已经观察到，二次碎裂对碎裂的程度具有显著影响，因此影响t₁₀参数(断裂)。这种影响严重依赖于机器，因此在测试类型之间变化。新开发的JKRBT也不例外。

在乌塔大学(Utah University)开发的超快速测力传感器旨在量化引起第一次断裂所需的峰值强度。这种量化岩石强度的方法基本上在以下文献中讨论：Bourgois，F.等人(1992)。低冲击能单粒子破碎。粉碎：理论与实践，S.K.Kawatra.Littleton，矿业、冶金和勘探学会：99-108。

另一文献：“单粒度断裂期间的断裂能测量”(矿物工程6(4)：353-367)已经提供了一些质量数据，然而，当与例如JKRBT的快速表征能力相比时，认为实验过程缓慢。

在US5392633“测量磨粒强度”和文献J.N.Brecker:“磨粒的断裂强度”(1974年11月)在工程杂志(Journal of Engineering)，第1253页-1257页中示出了使用双辊机构测量非岩石材料的颗粒强度的仪表化破碎机。用于岩石碎裂应用的类似装置示于：LieberwirthH等人，在出版物矿物工程(2016)中的“双辊式破碎机中的动力学”。该装置相比研究被破碎的颗粒的特性已经更多地用于研究破碎设备自身中存在的力。

总之，落锤测试(DWT)装置需要费力的程序并使用额定的能量水平。使用标称能级是不准确的，而先前已知的仪表化的双辊破碎机不具有合适的仪表化和其它元件来使得已知的布置对于可靠且准确的岩石碎裂特征测试足够良好。

发明内容

本发明的目的是提供一种测试装置以解决或减轻上述缺点。本发明的目的是能够在宽的尺寸范围内进行快速且低成本的岩石颗粒测试。其特征旨在测量抗压强度和由每个颗粒吸收的实际总能量。然后，将吸收的能量与从母体颗粒产生的子代相关联。

本发明的目的通过一种测试装置和方法来实现，其特征在于独立权利要求中所陈述的内容。本发明的优选实施例在从属权利要求中公开。

所公开的测试装置和方法的优点在于，其能够精确地产生大量的岩石抗压强度和碎裂特征数据，同时仍然能够保持快速并且适合于在线低成本测试。

附图说明

下面将参照附图通过优选实施例更详细地描述本发明，其中：

图1示出了测试装置；

图2示出了t₁₀％-值和比碎裂能量的依赖性。

具体实施方式

参照图1，示出了用于测试岩石颗粒RP的碎裂特性的测试装置TA，所述测试装置包括支撑件1、2和被支撑在支撑件1、2上的两个可反向旋转的破碎辊3、3'(轮)。由于调节机构6具有位于支撑框架1处的狭槽6A和诸如螺栓的元件6B以及被布置成将水平可动的支撑梁2压靠在框架1上的诸如螺母9的元件(位于螺栓6A上)，所以用于第一辊3的支撑件1可视为刚性框架，用于第二辊3'的支撑件2是可动的竖直梁或者可动的其他支撑件2。带有相关的第二辊3'的该第二支撑梁2相对于支撑件1和相对于第一辊3是水平可动的。支撑第二辊3'的该第二支撑件2是可动的，从而辊3、3'之间的输入间隙G的宽度可以被调节。类似的或不同的调节机构8也可以位于支撑梁2的下端处。

调节机构6或8也可以看作是铰链或铰链的一部分，用于保护目的。与此相关，如果由压碎的颗粒引起的力超过通过将支撑梁2压靠在支撑框架1上而产生的摩擦，那么支撑梁2可围绕部件8(调节机构/铰链)旋转，以允许第二辊(轮)3'脱离并释放该力，作为防止过载的保护机构。

在该装置的操作过程中，间隙调节机构被锁定，并且支撑梁2的上端和下端不动。支撑梁2的端部被压靠/夹靠在支撑框架1上，使得部件之间的摩擦防止支撑梁2(承载第二辊3')运动。

岩石颗粒RP进入平行辊3、3'之间的间隙G。装置包括用于测量岩石颗粒RP的碎裂力的力测量装置7、7'。力从支撑梁2的强有力的弯曲(由辊3、3'之间的岩石颗粒RP引起)测量，支撑梁2在支撑梁2的两端被锁定到其位置。

在间隙调节装置固定就位之后，梁2的一端或两端可以铰接抵靠在框架1上。支撑梁2的端部相对于支撑框架的旋转运动和水平运动两者改变了梁2的弯曲行为，这可以通过软件校准来考虑。

在一个实施例中，力测量装置7、7'包括一个或多个应变仪，其感测竖直支撑梁2的弯曲变形。支撑梁2(承载第二辊3')和相关的应变仪一起形成测力传感器。在一个实施方式中，仅作为示例，合适的应变仪可以是Kyowa KFG-5-120-C1-11L3M3R。测量支撑梁2的弯曲的其它装置也是可能的。力测量装置7、7'用于测量与岩石颗粒抗压强度有关的信息，所述力测量装置7、7'经由线路17、17'联接到处理器PR，所述处理器PR被布置成计算随着时间施加到每个岩石颗粒RP的碎裂力。

破碎辊3、3'(即粉碎辊，即可旋转的破碎元件)可以是窄轮，其具有例如25-50mm的窄轴向宽度和例如20-80cm的直径。用于辊3、3'的一种可能的材料是金属，例如硬化钢。每个辊3、3'的重量的一个实例是10-100kg，例如40-60kg，这取决于所需的最大可用能量。

此外，测试装置TA包括用于旋转破碎辊的驱动装置M1、M2。驱动装置可以是电马达M1、M2。仅作为示例，用于电马达的合适额定功率为50-100W。

破碎辊3、3'彼此面对，并且它们在其间限定用于岩石颗粒RP的输入间隙G，所述辊3、3'被布置成将岩石颗粒破碎/粉碎成较小的子颗粒DP(后代)。测试装置被布置成在岩石颗粒被输入到辊3、3'之间的输入间隙时仅接收一个岩石颗粒。

间隙G的宽度被调节为小于被输入的岩石颗粒RP的尺寸(最小直径)。在一个实例中，间隙G的宽度是平均颗粒尺寸(直径)的百分比(1/3至2/3)。颗粒尺寸可以为从8mm至40mm。

测试装置TA还包括用于确定岩石颗粒的抗压强度的能量测量装置5、5'，所述能量测量装置5、5'经由线路15、15'联接到所述处理器PR，所述处理器PR被布置成计算随着时间施加到每个岩石颗粒RP的能量。

术语“处理器”将被广泛地理解，它可以是微处理器(CPU)、计算机或一些其它合适的元件，并且它可以是整体单元，或者它可以具有若干相关但可能分离的元件，诸如分立部件。

处理器PR包括或访问包含测量特征(应变、速度)和计算输出(抗压强度、碎裂能量)的关系的数据。

关于相应的方法，该方法是一种用于测试岩石颗粒的碎裂特性的方法。该方法包括：称量岩石颗粒质量，将岩石颗粒输入到两个反向旋转的破碎辊3、3'之间以将岩石颗粒破碎成较小的子颗粒，完成(执行、进行)用于测量与施加到每个岩石颗粒RP的碎裂力有关的信息的力测量，完成(执行、进行)用于测量与施加到每个岩石颗粒(RP)的能量有关的信息的能量测量，计算施加到每个岩石颗粒(RP)的碎裂力，以及计算施加到每个岩石颗粒PR的能量。岩石颗粒的重量可以用合适的称量装置测量，并且重量值可以被传送/输入到处理器PR。

在一个实施例中，能量测量装置5、5'是用于测量在每个岩石颗粒RP的碎裂事件期间可旋转辊3、3'的能量损失的装置。辊3、3'之间的岩石颗粒RP将减慢辊3、3'的速度(和转矩)，并且速度损失(和转矩损失)的量涉及能量损失的量，其又涉及从反向旋转的辊给予岩石颗粒RP的能量的量。关于相应的方法，在一个实施例中，该方法使得测量在每个岩石颗粒的碎裂事件期间的可旋转辊3、3'的能量损失。

在另一实施例中，能量测量装置5、5包括传感器结构，所述传感器结构被布置成从辊3、3测量以下中的一个或多个：速度、角速度、旋转位置。传感器结构可以包括光学旋转编码器，其具有带齿轮状样式的齿的环，该齿形图案由TCST-1103型红外光闸测量，这仅作为示例提及。

在图1所示的实施例中，马达直接集成到相应的辊(轮)上。在马达不直接附接到辊(轮)的可能变型中，可以从中间轴测量转矩。转矩也可以根据马达施加在框架上的反作用力或转矩来测量。由马达产生的转矩表明在马达和轮之间传递能量，而不是直接在轮和岩石颗粒之间传递能量。在一个实施例中，可以通过观察马达施加到辊(轮)的转矩来间接测量能量。测量的转矩量取决于马达如何对辊(轮)的角速度损失作出反应，换句话说，需要多少时间、用于多少旋转的多少转矩来使辊(轮)回到起始速度。

关于碎裂事件，在典型的碎裂事件中，当岩石颗粒进入间隙并接触两个轮时，存在力的尖峰，随后是随着岩石的块在尺寸上进一步减小的力的短持续平台，并且然后是随着剩余的块离开间隙而短的逐渐缩小。所测量的最大力通常在碎裂事件开始时，其中初始碎裂跨越颗粒的整个横截面区域。这大致遵循应力＝力/面积的关系，其中使颗粒碎裂所需的应力取决于材料(理想地)，因此当颗粒或颗粒碎片的横截面面积变得更小时，使颗粒或颗粒碎片碎裂所需的力的量变得更小。间隙相对于原始颗粒尺寸越小，颗粒就必须更多地分解以适合通过它。这意味着必须在更长的时间内保持更大的力，并且消耗更多的能量。

为了从力测量传感器7、7'和从能量测量传感器5、5'获得更可靠的测量数据，在一个实施例中，测试装置TA包括控制器CNT，用于控制驱动装置M1、M2，以便针对使破碎辊旋转方面禁用和/或限制驱动装置M1、M2，以便在碎裂事件期间为测量操作形成无干扰条件。在一个实施例中，停止向马达M1、M2供电以允许自由旋转。马达将保持与辊(轮)一起旋转。非集成驱动配置也可以由诸如离合器或棘轮的机构机械地分离，以从轮移除马达的影响。在任何情况下，由于破碎辊3、3'仍然具有旋转动能，所以破碎辊3、3'将保持旋转。

关于相应的方法，在一个实施例中，该方法使得辊的驱动装置M1、M2针对使破碎辊旋转方面被禁用和/或受到限制，以便在碎裂事件期间为测量操作形成无干扰条件。

图2示出了t₁₀％-值和比碎裂能量Ecs的相关性。在图2中，水平轴线表示以kWh/t(千瓦时/吨)示出的比(＝每单位质量)碎裂能量Ecs。图2中所示的曲线由以下等式表示：t₁₀＝A*(1-e^-b*Ecs)，其中，矿石特定参数A和b通过对碎裂测试数据进行最小二乘拟合而生成。Ecs代表比碎裂能量，“e”是无理数且是超越的数，大约等于2.718281828459。参照图1-2，在一个实施例中，测试装置TA还包括或允许(能够连接)使用颗粒尺寸分析系统SAS，以测量在破碎辊(3，3')之间碎裂之后自由下落的子颗粒DP的尺寸，从而确定颗粒尺寸分布(PSD)和碎裂程度t₁₀。该t₁₀值是颗粒原始尺寸的1/10通过的％。或者，PSD和/或t₁₀可通过机械筛分分别地确定。尺寸分析系统SAS的一个例子是联接到处理器PR的光学检测系统，例如照相机。

参考上述内容，在一个实施例中，尺寸分析系统SAS联接到所述处理器PR，并且所述处理器PR被布置成确定施加到每个岩石颗粒RP的碎裂程度与测量的碎裂力之间的相关性和/或碎裂程度与测量的能量之间的相关性。关于相应的方法，在一个实施例中，该方法使得该方法包括确定施加到每个岩石颗粒RP的碎裂程度和测量的碎裂力之间的相关性和/或碎裂程度和测量的能量之间的相关性。

测试装置TA被布置成确定被测试材料(岩石颗粒RP)的抗压强度。

测试装置被布置成确定测试材料(即岩石颗粒RP)的碎裂-能量关系，参照图2，其中水平轴线表示以kWh/t(千瓦时/吨)示出的比(＝每单位质量)碎裂能量。关于相应的方法，在一个实施例中，该方法使得在该方法中确定岩石颗粒(RP)的碎裂-能量关系。

对于本领域技术人员来说，随着技术的进步，本发明的构思可以以各种方式实现。本发明及其实施例不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (14)

1.一种用于测试岩石颗粒的碎裂和机械特性的测试装置，所述测试装置包括支撑件(1，2)和支撑在所述支撑件(1，2)上的能反向旋转的两个破碎辊(3，3')以及用于旋转所述破碎辊(3，3')的驱动装置(M1，M2)，所述两个破碎辊(3，3')彼此面对并且在所述两个破碎辊之间限定用于岩石颗粒的输入间隙(G)，所述破碎辊被布置成将岩石颗粒(RP)破碎成较小的子颗粒(DP)，所述测试装置包括用于确定岩石颗粒(RP)的抗压强度的力测量装置(7，7')，所述力测量装置(7，7')联接到由所述测试装置包括的处理器(PR)，所述处理器(PR)被布置成计算随着时间施加到每个岩石颗粒(RP)的碎裂力，

其特征在于，所述测试装置还包括能量测量装置(5，5')，用于测量与施加到每个岩石颗粒(RP)的能量有关的信息，所述能量测量装置(5，5')联接到所述处理器(PR)，所述处理器(PR)被布置成计算施加到每个岩石颗粒(PR)的能量。

2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述能量测量装置(5，5')是用于在每个岩石颗粒(RP)的碎裂事件期间测量能旋转的所述破碎辊(3，3')的能量损失的装置。

3.根据权利要求2所述的测试装置，其特征在于，所述能量测量装置包括传感器结构，所述传感器结构被布置成测量所述破碎辊的速度和/或角旋转位置。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的测试装置，其特征在于，所述测试装置包括用于控制所述驱动装置的控制器，用于针对使所述破碎辊旋转方面禁止和/或限制所述驱动装置，以便在碎裂事件期间为测量操作形成无干扰条件。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的测试装置，其特征在于，所述测试装置还包括或允许使用颗粒尺寸分析系统(SAS)，用于分析在所述两个破碎辊(3，3')之间破碎之后自由下落的子颗粒(DP)的尺寸，以便确定颗粒尺寸分布(PSD)和碎裂程度，例如表示原始颗粒尺寸的1/10的材料通过的％值的t₁₀值。

6.根据权利要求5所述的测试装置，其特征在于，所述颗粒尺寸分析系统(SMS)联接到所述处理器(PR)，并且所述处理器(PR)被布置成确定施加到每个岩石颗粒(RP)的碎裂程度与测量的碎裂力之间的相关性和/或碎裂程度与测量的能量之间的相关性。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的测试装置，其特征在于，所述测试装置(TA)被布置成确定所述岩石颗粒(RP)的碎裂-能量相关性。

8.一种用于测试岩石颗粒的碎裂特性的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括：

称量岩石颗粒(RP)的质量，

将岩石颗粒输入到反向旋转的两个破碎辊之间，以将岩石颗粒破碎成较小的子颗粒，

完成用于测量与施加到每个岩石颗粒(RP)的碎裂力有关的信息的力测量，

完成用于测量与施加到每个岩石颗粒(RP)的能量有关的信息的能量测量，

计算施加到每个岩石颗粒(RP)的碎裂力，以及

计算施加到每个岩石颗粒(PR)的能量。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述能量测量中，测量在每个岩石颗粒的碎裂事件期间能旋转的所述破碎辊(3，3')的能量损失。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过测量所述破碎辊的速度和/或角旋转位置来测量所述能量损失。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法包括确定施加到每个岩石颗粒RP的碎裂程度与测量的碎裂力之间的相关性和/或碎裂程度与测量的能量之间的相关性。

12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述方法中确定所述岩石颗粒(RP)的抗压强度。

13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述方法中确定所述岩石颗粒(RP)的碎裂-能量关系。

14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，针对使所述破碎辊旋转方面禁用和/或限制所述破碎辊的驱动装置，以便在碎裂事件期间为测量操作形成无干扰条件。

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