Концепция увеличения производительности шаровых рудоизмельчительных мельниц

Е.Ф.Чижик, ООО «НПП Механобр-Полимет» (Украина)
В.Н.Алексеев,
ОАО «Покровский рудник» (Россия)

Процессы измельчения в барабанных рудоизмельчительных мельницах с каждым годом приобретают все большую актуальность. Это определяется, прежде всего, необходимостью ведения более тонкого измельчения (до класса 40 мкм и ниже) в связи с практически повсеместным ухудшением качества добываемых руд (снижением содержания минералов и увеличением тонковкрапленности), а также возрастанием спроса на рынке на продукты обогащения. При этом в ближайшие 20-30 лет не просматривается создание каких-либо иных способов измельчения. Как это не звучит парадоксально, одним из более надежных путей увеличения производительности шаровых мельниц как по питанию, так и готовому классу, является использование резиновых футеровок.

Высокая износостойкость резин в гидроабразивной среде определяется способностью к большим обратным деформациям с сохранением прочности при сжатии и растяжении. Наиболее важным свойством резин является их эластичность. При ударе абразивной частицы о резину последняя сжимается, увеличивается площадь контакта, что приводит к резкому снижению контактных нагрузок и предотвращению повреждений. Кроме этого, эластичность резин способствует рассеиванию энергии удара и упругому восстановлению размеров и формы при кратковременных деформациях.

Согласно гипотезе Риттингера вновь образованная удельная поверхность (AS) при измельчении пропорциональна затраченной удельной работе (А). Увеличение выхода готового класса при резиновых футеровках может быть объяснено перераспределением энергии, затраченной на выполнение работы измельчения. Независимо от применяемого материала футеровки энергетические затраты на измельчение элементарного объема руды и износ шара на единицу веса остаются величинами постоянными.

Также остается постоянной и энергия единичного шара, которая зависит толь ко от высоты его подъема. Следователь но, энергия шара расходуется на выполнение работы измельчения, износа самого шара и футеровки. Но резиновые фу теровки вследствие высоких эластичных свойств обладают способностью к боль шим обратимым деформациям, поэтому часть энергии шара будет затрачи ваться на выполнение работы деформа ции, вследствие которой создается вибрация шаровой загрузки.

В целом при прочих равных условиях на износостойкость и технологические показатели работы шаровых мельниц с резиновой футеровкой влияет тип резиновой смеси и конструкция футеровки.

Наиболее широкое распространение имеют резиновые футеровки конструкции «плита-лифтер». Как показывает длительный опыт эксплуатации, лифтер всегда изнашивается более интенсивно по сравнению с плитой. Поэтому требуется две-три замены лифтеров прежде, чем износится плита. Эта конструкция снижает производительность мельниц по питанию, требует дополнительных материальных затрат по замене лифтеров.

Из всего разнообразия созданных металлических футеровок наиболее оптимальной оказалась созданная в 1960-е гг. волновая футеровка, более известная под названием ее автора - Д.К.Крюкова.

Выполненные нами исследования взаимодействия внутримельничной загрузки с футеровкой позволяют отдать предпочтение волновому профилю при конструировании резиновых футеровок.

Вместе с тем, учитывая уникальное свойство резин - эластичность, конструкция будет иметь существенные от личия рабочей поверхности.

Процесс взаимодействия резиновой футеровки и перерабатываемого мате риала, несмотря на кажущуюся простоту физической модели, изучен совершенно недостаточно. Трудность объясняется, прежде всего, нелинейностью и стохас тичностью процесса, взаимным влиянием многих факторов (геометрических, физико-механических, химических), трудностью проведения экспериментальных работ в натурных условиях. По этой же причине отсутствует и достаточно полная математическая модель процесса измельчения. Накопленный опыт как при создании, так и при эксплуатации рудоразмольных мельниц с резиновой футеровкой позволил установить ряд общих закономерностей.

Основными факторами, вызывающими разрушение резиновой футеровки, являются: ударная нагрузка, абразивный или абразивно-усталостный износ и агрессивное влияние перерабатываемой среды.

Удар является одной из важных составляющих разрушающего действия от крупнокускового материала и измельчающих тел. Максимальный износ резиновой футеровки имеет место при углах соударения с поверхностью близких к 20-30°, а минимальный - при углах, близких к 90°. Поэтому форма резиновых элементов футеровки должна быть такой, чтобы угол встречи всегда был не менее 70°. Большое влияние на процесс разрушения футеровки от ударных нагрузок оказывает скорость встречи шаров с ее поверхностью, осо бенно, если удар воспринимается по верхностью футеровки через измельчаемую руду. Следует подчеркнуть, что именно на долю ударных нагрузок приходятся такие разрушения как сколы, вырывы материала, глубокие трещины от внедрения в резиновый массив острых граней и т.д. Одновременно удар создает мгновенную деформацию макрообъема, что приводит к локальным температурным вспышкам. Естественно возникает предположение, что удар способствует пиролизным превращениям, т.к. в местах локальных очагов разогрева углеводороды претерпевают термический пиролиз, распадаясь на элементарные компоненты, вплоть до газообразного водорода.

Исходя из вышеизложенного конструкция резиновой футеровки должна обладать конструкционным демпфированием для снижения напряжений в момент деформаций от ударов. Одним из таких решений является насыщение рабочей поверхности металлическими элементами, например, шарами. Такая футеровка создана, представляет собой набор плит трапецеидальной формы, образующих волну. В конструкции нет лифтеров, набор состоит только из плит высотой 130-200 мм, получивший на практике название «бегущая волна».

Созданная резиновая футеровка «бегущая волна» с эффектом самофутерования рабочей поверхности шарами 40 мм позволяет увеличить производительность шаровых мельниц не только по готовому классу, но и по питанию. При этом до 15-20% снижается расход шаров и до 10-15% снижается удельный расход электроэнергии. Кроме этого, процесс измельчения может осуществляться при меньшем количестве шаров без ухудшения технологических показателей.

Так, например, на обогатительной фабрике СП «Эрдэнэт» мельница МШЦ 5500x6500 с металлической футеровкой при частоте вращения 13.69 об/мин и средней шаровой загрузке 265-268 т шарами диаметром 100 и 80 мм в соотношении 1 — 1 имеет производительность по исходной руде 280-285 т/ч. Проведенные промышленные испытания мельницы с резиновой футеровкой показали уникальные результаты: при шаровой загрузке 210 т шарами 80 мм достигалась стабильная производительность мельницы по исходному питанию 275-279 т/ч.

В последующем мельница была догружена согласно принятому на фабрике режиму шарами диаметром 100 мм до 265-268 т и питанию по исходной руде 280-285 т/ч. Увеличение количества шаров на 50-55 т позволило повысить производительность по питанию всего на 5-6 т/ч и потребовало использования бо лее крупных шаров.

Этот эксперимент подтверждает гипотезу об интенсификации процесса измельчения вследствие возврата энергии, затраченной на деформацию резины.

Одновременно было получено под тверждение гипотезы, что наиболее интенсивно процесс измельчения осуществляется в начальной половине мельницы, т.е. на расстоянии 1/3-1/2 ее длины от загрузочной стенки. Так, в испытуемой мельнице резиновая футеровка «бе гущая волна» наиболее интенсивно изнашивалась на расстоянии 700-750 мм от загрузочной крышки с распространением зоны износа до 2500-2800 мм. Более всего были разрушены футеровочные плиты первых двух колец длиной 1250 мм и 1500 мм. Далее интенсивность износа существенно уменьшилась. Футеровочные плиты третьего кольца изношены в пределах 65-70%, четвертого 30-35% и пятого (плиты длиной 1000 и 1250 мм) изношены примерно на 15%.

Из вышеизложенного можно предположить о наличии некоторого ядра потока, в котором находилась основная масса крупной измельчаемой руды и шаров диаметром 80 и 100 мм, воздействующих на первое и второе кольцо резиновой футеровки. Именно в этой зоне происходило наиболее интенсивное измельчение руды и, следовательно, наиболее интенсивный износ футеровки. Величина ядра движущегося потока загрузки и его не симметричное размещение по длине мельницы, безусловно, связано с целым рядом механических и технологических факторов: диаметром мельницы, скоростью вращения барабана, крупностью измельчаемой руды, величиной питания, шаровой загрузкой, диаметром шаров и т.д. Это сложное многообразие факторов в своем коллективно-функциональном взаимодействии и порождало феномен несимметрии загрузки.

Явление несимметрии изнашивания футеровки по длине мельницы пока недостаточно изучено, в том числе и при эксплуатации металлических футеровок. Наиболее явно этот эффект проявился на мельнице МШЦ 5500x6500, эксплуатируемой с шарами диаметром 100 мм и при крупности руды в питании 35 мм.

Накопленный опыт эксплуатации металлических футеровок на мельницах с шарами диаметром 40, 60 и 80 мм не свидетельствует о таком резком различии износа по длине. В данном случае отличие в три раза на расстоянии 3500-4800 мм и в шесть раз на расстоянии 5000-6500 мм от загрузочной стенки получено впервые.

Постоянно изменяющееся состояние шаровой загрузки по диаметру при вра щении мельницы от горизонтального до наклонного 70-75° в сторону вращения и до 10-12° в противоположную, а также нестабильности движения самих шаров внутри их массы одновременно с наличием шаров 100 мм и руды 35 мм свидетельствует о том, что измельчение пред ставляет сложнейший динамический процесс, особенно на мельницах первой стадии, а само измельчение в основном осуществляется на третьей части ее первоначальной длины.

Следовательно возможность увеличе ния производительности барабанных шаровых мельниц вполне реальна и подтверждается результатами эксплуатации на различных предприятиях.

В сравнении с ранее применяемыми конструкциями футеровок для шаровых мельниц, в т.ч. плита-лифтер и, тем более, изготовленных из автопокрышек, футеровка «бегущая волна», кроме об щеизвестных положительных сторон (значительное снижение веса; упрощение выполнения монтажных и демонтажных работ; снижение уровня шума), обеспечивает:

- дополнительное ужесточение барабана за счет жестких элементов крепежной арматуры, завулканизированной в резину;

- увеличение по сравнению с металлической футеровкой срока службы на 20-25% при использовании шаров 80 мм, на 30-35%, если это шары 60 мм и 50-60% при эксплуатации с шарами 40 мм или цильпепсами;

- снижение удельного расхода шаров на 25-30% (вследствие снижения контактных напряжений в момент удара);

- увеличение производительности в пределах 5-10% как по готовому классу, так и по питанию;

- возможность ведения процессов измельчения без нарушения технологических показателей при меньшем объеме шаров;

- снижение потребляемой мощности (расхода электроэнергии) в связи с уменьшением величины объема шаров.

Кроме того, ведение процессов измельчения с принятым на фабрике шаровым заполнением мельницы, но с увеличением питания и выходом более тонкого помола позволяет снизить удельный расход электроэнергии. Также установлено, что следы износа не оказывают отрицательного воздействия на последующие технологические процессы обогащения золота и урана.

В целом концепция увеличения производительности мельниц предусматривает значительное сокращение затрат на процессы измельчения путем ведения его по двум стадиям в одном барабане, подобно цементным мельницам, разделенным решеткой. Это возможно на мельницах при длине барабана более 4.5 метра и только при эксплуатации с резиновой футеровкой «бегущая волна».

Журнал "Горная Промышленность" №5 2005