Роль и место конусных дробилок в горнодобывающих отраслях

Эрик Труман, компания Metso Minerals


В горнодобывающих отраслях промышленности рудоподготовка в значительной степени предопределяет технологические и экономические показатели работы предприятия. В настоящей статье показаны пути повышения рентабельности горных разработок за счет использования запатентованных новых технологий измельчения добываемой горной массы на основе применения конусных дробилок. При этом основное внимание уделено эксплуатационным показателям конусных дробилок и факторам, влияющим на их производительность.


Целью руководителей любого коммерческого предприятия является максимальное повышение рентабельности производства, к важнейшим показателям которой можно отнести наивысшую производительность и минимальные эксплуатационные затраты. Эти показатели в равной мере применимы и для процесса измельчения, связанного как с извлечением полезных компонентов из горной массы, так с производством окатышей на железных рудниках или производством инертных заполнителей при выпуске бетона и дорожно-строительных материалов.

Измельчение в широком смысле определяется как уменьшение размера частиц, а иными словами – дробление крупных кусков на более мелкие. При этом, конечный продукт в зависимости от целей его использования может отличаться как размером частиц и грансоставом, так и формой получаемых кусков. Для выщелачивания или получения заполнителей для производства бетона и дорожно-строительных материалов требуются крупные фракции, причем, лучше кубовидной формы, в то время как для процесса обогащения желательно получение более мелких фракций, имеющих микронные размеры. Поэтому, по мнению автора настоящей статьи, нет «универсальной» схемы измельчения. Для каждого конкретного предприятия, будь то горнодобывающее предприятие или карьер инертных материалов, необходима разработка индивидуальной схемы измельчения, учитывающей тип перерабатываемой породы, сложившуюся стоимость товаров, инженерных сооружений и услуг, а также соблюдение необходимых эксплуатационных требований. Кроме того, при выборе схемы измельчения, наряду с вышеуказанными аспектами, должны рассматриваться расход энергии, износ футеровок, форма и гранулометрический состав получаемого продукта, производительность и т.д.

Выбор конкретного проекта схемы дробления и измельчения (мельничное самоизмельчение, полное самоизмельчение / полусамоизмельчение, мокрое или сухое), должен учитывать:

-    капитальные затраты;

-    эксплуатационные затраты: техническое обслуживание, электроэнергия, износ металла и пр.;

-    эффективность схемы;

-    чувствительность к колебаниям производительности;

-    готовность схемы к работе;

-    наличие запчастей;

-    способность к переработке тяжелой руды: с изменяющейся твердостью, влажной, липкой и пр.;

-    шум и загрязнение выделениями из воздуха;

-    управление схемой;

-    периоды стабилизации схемы и т.д.

Компания Metso Minerals выпускает широкий диапазон дробильной техники Nordberg, а также мельничного и просеивающего оборудования на основе самых современных технологий и готова разработать для конкретных условий эксплуатации наиболее эффективную схему дробления и измельчения с учетом физико-механических характеристик руды, требований к конечному продукту, проектной мощности предприятия и пр.

Основное внимание в этой статье уделено использованию только конусных дробилок, произведенных на базе проектов с использованием самых современных технологических решений, т.к. они в наибольшей степени способствуют достижению наивысшей производительности и минимальных эксплуатационных затрат. Следует отметить, что эти дробилки являются лишь отдельными составными частями дробильно-измельчительного комплекса и их выбор должен осуществляться с учетом эксплуатационных характеристик остального задействованного оборудования (например, грохотов, питателей и пр.).

Эксплуатационные ограничения

в работе конусных дробилок

Конусные дробилки являются легко предсказуемыми машинами с точки зрения работы и, благодаря избирательному действию, обеспечивают наиболее эффективное дробление твердых абразивных пород, таких как медная руда, золотоносный кварцит и железные руды. Конструирование конусных дробилок осуществляется на основе новейших разработок конструкционных материалов, обширных научных исследований, накопленного опыта их эксплуатации.

Ограничения по использованию конусных дробилок связаны с превышением в производственных условиях следующих параметров их работы:

-    предельного объема загружаемого материала;

-    предельной установленной мощности двигателя;

-    предельных усилий внутри камеры дробления.

Предельный объем загружаемого материала

Предельный объем имеет место, когда скорость подачи загружаемого материала соответствует скорости его прохода через камеру дробления. При этом значения предельного объема зависят от ширины разгрузочной щели, скорости подачи загружаемого материала, формы камеры дробления, а также физико-механических характеристик материала и крупности кусков руды, подвергаемой дроблению.

Предельная мощность

Рама и компоненты привода дробилки предназначены для работы с заданным уровнем установленной мощности. Как только будут достигнуты максимальные значения уровня мощности электродвигателя, дальнейшие попытки повышения производительности или уменьшения размера материала приведут к перегрузке или сокращению срока службы основных элементов дробилки – эта дробилка достигла предельной мощности. Факторы, которые влияют на потребление мощности дробилкой и выбранную конфигурацию камеры дробления, включают, среди прочих, характеристики дробимого материала, скорость подачи питания, ширину разгрузочной щели, коэффициент измельчения и режим дробления.

Предельное усилие внутри камеры дробления

Конические дробилки сконструированы для работы в рамках заданных механических и конструкционных ограничений.

Усилия, возникающие внутри камеры дробления, которые превышают расчетный предел, должны ослабляться во избежание возможной поломки дробилки. Этого можно достичь с помощью предварительно нагруженных механических или гидравлических устройств, которые служат в качестве предохранительного механизма, эффективно защищающего долговременную механическую целостность дробилки.

Предел дробящего усилия может возникнуть в случае попадания в рабочую камеру куска «недробимого» материала. Наряду с этим, он может быть результатом сочетания усилий, возникающих в камере при выполнении операций дробления, на которые в свою очередь влияют многие факторы: тип материала, скорость подачи питания, ширина разгрузочной щели и режим дробления.

Отмеченное выше позволяет лишь кратко оценить воздействие различных факторов на характеристики и работу конусной дробилки. Неизбежно, одно из ограничений будет доминировать, и работоспособность традиционных конусных дробилок будет ограничиваться его наличием (рис. 1). Эти производственные ограничения в сочетании с влиянием многих индивидуальных технологических параметров, которые всегда существуют в схемах дробления, будут влиять на общую производительность предприятия. Так, из рис.1 следует, что показатели работы дробилки «B» будут ограничены сниженным пределом усилия.

Инженерами-разработчиками Nordberg, наряду с полевыми испытаниями, была выполнена программа широких научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по установлению оптимальных параметров дробилок. Была установлена зависимость между размером и формой камеры дробления, скоростью подачи и рабочим объемом камеры, изучено воздействие геометрии машин, динамики их работы и изменений конструкции на мощность, а также уровня усилий внутри камеры дробления на рабочие характеристики машин.

Результатом выполнения этой программы явилась разработка высокоэффективных (HP) и максимально производительных (MP) технологий, в том числе мокрого дробления (WH), которые позволили создать наиболее совершенные на сегодняшний день конструкции конусных дробилок, успешно работающих на многих предприятиях мира. Они способны перерабатывать почти до 2500 т в час в зависимости от модели, ширины разгрузочной щели и режима работы. Конструкции подходят для среднего и мелкого дробления и пригодны как для широкомасштабных, так и для малых схем дробления. Сохраняя принцип дробления Саймонса, запатентованные комбинации геометрии машин, динамики и формы камеры дробления обеспечивают более высокие объемные показатели и повышенную мощность, которые достигаются без использования чрезвычайно высоких дробящих усилий. Это позволяет сделать машины серии НР более компактными, легкими по весу и способными превзойти показатели прежних конструкций с эквивалентным размером подвижного конуса. Машины серии MP разработаны для обеспечения максимального увеличения дробящего усилия с целью достижения высоких степеней измельчения твердых материалов, позволяя получать более мелкий продукт мельничного питания со значительно более высокими скоростями.

Использование конусных дробилок усовершенствованной конструкции обеспечивает за счет их меньшего веса и компактности значительную экономию при возведении фундамента и здания. При этом, благодаря более высоким эксплуатационным характеристикам, сокращается число задействованных дробилок, что приводит к сокращению перечня и стоимости вспомогательного оборудования и систем управления.

На рис. 2 показано поперечное сечение типовой конусной дробилки усовершенствованного технологического решения.

Применение высокопроизводительного процесса дробления по усовершенствованной технологии позволяет осуществить в пределах существующих ограничений конструкции здания модернизацию существующих производств по достижению более высокой производительности, получить более тонкий конечный продукт с улучшенной формой зерен. В настоящее время стало возможным использование меньшего числа высокопроизводительных машин для получения заданного объема производства на предприятиях Гринфильда со значительной экономией капитальных затрат. Проблемы дробления высокопрочных материалов, которые обычно отрицательно влияют на производительность и механическую целостность традиционной дробилки сухого измельчения, теперь могут быть эффективно решены за счет использования процесса мокрого дробления.

В качестве примера успешного использования усовершенствованной технологии дробления может служить Североамериканский медный рудник, на котором внедрение новой технологии позволило достигнуть значительного повышения производительности дробления и сокращения эксплуатационных расходов.

Модернизация схемы дробления на Североамериканском медном руднике

Многие годы крупный Североамериканский медный рудник успешно эксплуатировал одну гирационную дробилку крупного дробления и три семифутовые тяжелые конусные дробилки Саймонса по открытой схеме, которые применялись для производства материала питания для семипоточной традиционной схемы со стержневой и шаровой мельницами с объемом производства около 38 тыс.т в сутки (рис. 3).

По мере отработки месторождения в глубину породы, рудного тела, замещались на более прочные и в конечном итоге достигли значения индекса дробимости в среднем 16 кВт·час/т и даже выше 20 кВт·час/т. Это привело к снижению производительности предприятия до 31 тыс. т, частично в результате того, что семифутовые конусные дробилки Саймонса, оборудованные 185 кВт электромоторами, достигли предела мощности. Производительность стержневой мельницы варьировалась от 180 до 225 тонн в сутки при установленной мощности 350 кВт. Рудник стал малорентабельным. Анализ показал, что строительство участка мелкого дробления потребует затрат на сумму более 60 млн. долл. США, что экономически нецелесообразно.

Исследования, проведенные персоналом рудника, показали, что потребуется повышение производительности мельничного измельчения, примерно, на 30% за счет более тонкого измельчения, чтобы компенсировать производственные потери, возрастающие из-за повышения твердости руды. Было ясно, что для достижения этой цели могут потребоваться дробилки с более значительным дробящим усилием и более высокой установленной мощностью. При этом их необходимо было установить на площадях, высвобождаемых семифутовыми конусными дробилками Саймонса серии HD. Однако стесненность здания и других сооружений практически исключала возможность проведения крупномасштабных работ по реконструкции. Кратковременные испытания с использованием дробилки, опирающейся на вал, на имеющемся пространстве оказались безуспешными из-за достижения предела мощности и неспособности получить материал достаточно тонкой степени дробления с требуемой скоростью.

В результате анализа, сделанного инженерами Metso Minerals и персоналом рудника, было принято решение заменить каждую из трех стареющих семифутовых дробилок Саймонса конусными дробилками Nordberg MP800. Эти дробилки, выполненные на базе самых современных технологических решений, с установленными 600 кВт электродвигателями были способны обеспечить повышенное дробящее усилие для производства более тонких фракций питания мельниц, требуемых для достижения необходимой производительности.

После замены первой машины и ее работы в течение часа сразу же было установлено повышение эффективности процесса измельчения. Замена двух оставшихся дробилок последовала немедленно.

Установленные дробилки производят питание стержневой мельницы фракцией –18 мм по открытой схеме.

Гидравлический привод дробилки делает возможным обеспечить регулировку ширины разгрузочной щели, выгрузку недробимого материала и очистку камеры дробления, а также позволяет автоматике дробилки легко интегрироваться в систему управления всего процесса. В этом конкретном случае легко и эффективно внедряется мониторинг мощности и хороший контроль питания.

Суточная производительность в настоящее время в среднем превышает 47 тыс.т и может достигать 60 тыс.т, если ведется отработка мягких рудных «карманов» (технико-экономическим обоснованием капитальных вложений предусматривалась производительность в 43.2 тыс.т). Производительность стержневой мельницы на более крепкой руде составляет 330–340 тонн в сутки при полном использовании имеющейся мощности в 375 кВт на одну мельницу.

Требуемые показатели «наивысшей производительности» и «минимальных эксплуатационных затрат» были достигнуты.

В табл.1 представлены сравнительные показатели гранулометрического состава продукта дробилки и мельницы.

Опыт работы Североамериканского медного рудника показал преимущества усовершенствованной технологии дробления. Это было продемонстрировано также на многих горнодобывающих предприятиях мира и на предприятиях по производству инертных заполнителей.

Факторы, влияющие

на производительность дробилки

Во многих случаях неадекватный оперативный контроль или ненормальные условия питания способны свести на нет значительные преимущества, которые являются достижимыми при высокоэффективном дроблении.

Некоторые из таких факторов кратко рассматриваются ниже и служат в качестве справочного пособия для тех, кто отвечает за работу и рентабельность дробильных установок, используемых как на рудниках, так и на предприятиях по производству заполнителей.

Как указано выше, конусные дробилки являются легко предсказуемым компонентом оборудования в части их механического действия. Вращение приводного вала вызывает поворот эксцентрика, что обеспечивает непрерывное и плавное движение конуса в сторону неподвижного узла чаши (неподвижного конуса) и обратно. Это приводит к постепенному уменьшению размера частиц материала, проходящего под действием силы тяжести через камеру дробления машины.

Производительность дробилок, однако, может быть значительно снижена плохо контролируемыми и неверно сконструированными системами питания материала, важность которых не всегда правильно оценивается или упускается из виду управляющими или операторами горных предприятий. Некоторые из более важных аспектов рассматриваются ниже.

Работа «под завалом»

Одним из наиболее важных факторов для эффективной работы дробилки является требование обеспечить условие работы «под завалом». Для этого необходимо, чтобы материал питания заполнял камеру дробления до точки, в которой обеспечивается максимальная мощность без переполнения дробилки. В усовершенствованной технологии дробления происходит многоярусное измельчение с возрастающим доминированием межчастичного дробления, что улучшает производство более мелкого и высококачественного кубического материала, который очень ценится на горных предприятиях и в производстве заполнителей. Там, где работа «под завалом» не используется, эти преимущества теряются.

Условие работы «под завалом» также обеспечивает повышение поверхностной твердости дробящих деталей машины, содержащих марганец, что необходимо для достижения оптимальной износоустойчивости и наименьших затрат на тонну дробленого материала.

На рис. 4 показано условие работы «под завалом», когда материал внутри камеры дробления покрывает головку дробящего конуса без полной её засыпки.

Равномерно распределенное питание

Для обеспечения оптимального срока службы футеровки, нормального использования мощности и производства высококачественных материалов нужных фракций питание должно быть равномерно и однородно распределено по всей камере дробления. Сегрегированный материал приводит к неравномерному дроблению и происходит произвольный неровный износ поверхности внутри камеры дробления. Это делает чрезвычайно трудным поддержание постоянной ширины разгрузочной щели (C.S.S), что крайне негативно влияет на качество и гранулометрический сотав продукта. Кроме того, происходит нежелательное движение регулировочного кольца, именуемое как «подпрыгивание», или раскрытие щели в машинах, имеющих конструкцию с опорой на вал, что неизбежно нарушает механическую целостность дробилки.

Сегрегированный материал может быть результатом нескольких ситуаций, основными среди которых являются:

-    плохая конструкция загрузочного бункера;

-    наслоение материала при его транспортировке на ленточных конвейерах;

-    разделение фракций крупного и более мелкого размера на выходе с ленточного конвейера в приёмный бункер;

-    беспорядочное добавление крупноразмерного материала или материала одного размера, не находящего сбыта, обратно в камеру для вторичного дробления и т.д.

Если материал питания свободен, либо содержит избыток фракции конкретного размера, он считается материалом с пропуском некоторых фракций. Это может вызывать неравномерный и произвольный износ дробящих частей и снизить важный эффект межчастичного дробления, в результате чего возникает необходимость в преждевременной замене футеровок чаши и подвижного конуса. Все это повышает эксплуатационные затраты и снижает объем выпуска и качество дробленого материала.

Неправильный способ питания, показанный на рис. 4.1, иллюстрирует разделение материала, когда крупный материал подается в одну сторону камеры дробления, а более мелкий материал – в другую. На рис. 4.2 показано правильное питание с соблюдением условия загрузки навалом.

Выбор камеры дробления

Важность правильного выбора камеры дробления невозможно переоценить. Это так же важно, как кинематика и динамика самой конструкции дробилки. Камера дробления должна быть выбрана правильно, чтобы она обеспечивала свободное и беспрепятственное проникновение материала питания внутрь камеры на протяжении всего времени своего срока службы и гарантировала равномерный износ дробящих деталей сверху донизу.

Определение следа износа на старых футеровках четко укажет на то, пригодна ли такая футеровка для конкретной сферы применения или она слишком мелкая, или наоборот слишком грубая. Часто питание дробилки может меняться из-за неконтролируемых изменений в условиях процесса переработки. Это может стать результатом того, что ширина разгрузочной щели дробилки верхнего уровня становится больше из-за износа и производства более крупного продукта, или наоборот, изменения распределения крупности материала питания на операции замкнутого цикла, как результата изменений эффективности грохота и пр. Регулярный мониторинг условий питания и плановая проверка изнашиваемых частей дробилки покажут, необходима ли переоценка конструкции камеры дробления.

Контроль скорости подачи питания

с использованием средств автоматизации дробилки

В 1980-е годы исследования, предпринятые инженерами компании Nordberg, показали, что производительность дробилки способна возрасти в среднем более, чем на 30% за счет внедрения основных средств автоматизации дробилок в противовес применению ручного управления, которое и сегодня остается общепринятой практикой на многих предприятиях по всему миру.

Табл. 1    Сравнительные показатели гранулометрического состава продукта дробилки и мельницы

Для поддержания стабильных эксплуатационных условий важно иметь контролируемую, управляемую и устойчивую скорость подачи питания в дробилку. Системы автоматизации дробилок, такие как Nordberg A2020, используют принцип постоянного измерения уровня материала в камере дробления и потребленной мощности. Эта система способна гарантировать работу дробилки с постоянной нагрузкой и стабильностью с точки зрения производительности, кривой гранулометрического состава и качества продукта за счет поддержания требуемого условия работы «под завалом».

В случаях, когда происходит «прерывистая» подача материала, скорость износа футеровок возрастает из-за утраты возможности упрочнения металла. Таким же образом, крупный материал плохого качества может быть получен при условиях неверного использования мощности. Оба эти условия приводят к росту затрат и ухудшению качества конечного материала, а в общем являются неэффективными для поставленных целей.

Имеются альтернативные возможности средств автоматизации, которые можно приспосабливать для конкретных условий эксплуатации предприятия. Когда задан параметр «постоянной нагрузки», оператор выбирает заданное значение мощности и блок контроля нагрузки регулирует ширину разгрузочной щели дробилки так, чтобы потребляемая мощность всегда находилась в рамках заранее заданных пределах.

Когда выбран режим «постоянной ширины разгрузочной щели», оператор выбирает нужную установку и дробилка автоматически регулирует этот параметр. Блок управления будут поддерживать заданную установку до тех пор, пока не потребуется новая установка.

Другие особенности этого типа системы включают функцию «самообучения», которая автоматически компенсирует износ футеровок для получения максимально возможного гранулометрического состава конечного продукта и оптимального срока службы футеровок. Она может также предоставлять информацию о дробилке в реальном масштабе времени и имеет полезные диагностические функции, которые помогают при обнаружении первых признаков неполадок задолго до того, как они превратятся в дорогостоящие проблемы.

Дополнительные факторы, которые влияют на производительность и эксплуатационные качества любой дробилки, включают:

-    содержание влаги;

-    содержание вредных материалов;

-    содержание глины и липких материалов и т.д.

Важно, чтобы информация о каждой дробилке была оценена индивидуально для того, чтоб обеспечить полную оптимизацию научного вклада и технического расчета. Две дробилки, установленные рядом друг с другом и загружаемые от одного источника, будут работать по-разному, если условия питания и контроль несовершенны или различны. Учет этих функциональных аспектов на стадиях проектирования при минимальном росте общих капитальных затрат способен устранить многие трудности и значительно сократить общие эксплуатационные расходы в течение длительного периода. Во многих случаях реконструкция рабочих площадей является дорогостоящим мероприятиям и может оказаться не способной эффективно исправить положение из-за ограниченных размеров территории, высоты помещений и прочего.

* * *

Многие факторы влияют на общие показатели работы схем измельчения. Очень важно, чтобы все они учитывались в процессе принятия ясного решения по определению наиболее приемлемой схемы, соответствующей четко установленным производственным потребностям.

Усовершенствованная технология дробления оптимально соответствует операционным пределам объема, усилия и мощности конструкции конусной дробилки для достижения максимальной её производительности. Возможны приросты производительности на 30–40% по сравнению с традиционной конструкцией конусной дробилки, имеющей сходный размер головки подвижного конуса и работающей с такой же шириной разгрузочной щели.

Усовершенствованная технология дробления гарантирует компактные размеры конструкции дробилки, которая легко монтируется на том пространстве, которое ранее занимали машины меньшей производительности, наряду с возросшими показателями производительности.

На горнодобывающих предприятиях производство  дробленого материала более мелких фракций с использованием правильно выбранных дробилок сухого или мокрого способа дробления обеспечивает возросшую производительность мельниц или возможность получения материала более тонкого измельчения. Возможны приросты производительности до 50%.

На предприятиях по производству заполнителей достигаются более высокие показатели производства кубовидного щебня, благодаря дроблению «материал об материал».

Автоматизация дробилок будет гарантировать оптимальную их производительность.

Влияние возросшей производительности, получение материалов более мелких фракций и улучшенной формы за счет использования усовершенствованной технологии дробления способствуют достижению наивысшей производительности и минимальным эксплуатационным затратам, которые в свою очередь обеспечивают максимальную рентабельность.  

Журнал "Горная Промышленность" №2 2004