SMD-мельницы компании Metso Minerals

Грэхам Дэвий, компания Metso Minerals


В данной статье обсуждаются различные проблемы масштабного моделирования установок измельчения и приводятся решения, используемые в компании Metso Minerals. Данные моделирования сравниваются с фактическими результатами, полученными при эксплуатации промышленных мельниц с перемешиванием измельчающей среды (SMD).

Методы особо тонкого измельчения минералов широко используются в горнодобывающей промышленности уже более 30 лет. За последние 10 лет повысился интерес к технологии сверхтонкого измельчения и в металлургической отрасли промышленности. Это объясняется развитием новых химических, физико-химических и физических методов сепарации материалов, позволяющих отделять частицы металлоносных материалов, имеющие минимальную крупность. По мере истощения основных месторождений, приходит очередь разработки месторождений с более сложными способами добычи и обогащения руд. Перспективные технологии обогащения также призваны обеспечить максимальный выход продукта на уже эксплуатируемых месторождениях.

При разработке конструкции любой промышленной измельчающей установки необходимо обязательно предусмотреть масштабное моделирование процессов, происходящих при данных рабочих условиях. Это относится и к мельницам с перемешиванием, хотя при моделировании этого типа мельниц возникает больше проблем, чем для крупногабаритных мельниц самоизмельчения, полусамоизмельчения и шаровых мельниц.

Мельницы с перемешиванием измельчающей среды (SMD) производства компании Metso Minerals

SMD-мельница производства компании Metso Minerals уже в течение 4 лет используется для измельчения металлоносных пород (цинкосодержащих руд, медных руд, свинцовых руд, а также руд, содержащих металлы платиновой группы). Базовая конструкция мельницы Imerys (ECCI) используется уже свыше 25 лет в более чем 600 промышленных установках для измельчения мрамора (карбоната кальция) и каолина.

Конструкция SMD-мельницы содержит восьмигранный корпус, внутри которого установлен механизм многолопастной мешалки, приводимой в действие электродвигателем и редуктором с косозубой зубчатой передачей. Корпус служит также опорой для приводной системы.

На верхней части корпуса мельницы установлено несколько секций полиуретановых просеивающих поверхностей, имеющих клиновидный профиль. Они служат для удержания измельчаемой среды внутри мельницы и для разгрузки измельченного продукта. Количество секций просеивающих поверхностей и размер их ячеек выбирается исходя из требуемой крупности выходного продукта и конкретных рабочих условий.

Шлам подается в мельницу через впускной штуцер, установленный на верхней части корпуса, а затем поступает в зону измельчения SMD-установки. Измельчаемая среда также подается сверху, через фланцевый штуцер (при пневматической загрузке), либо через загрузочную течку (при механической загрузке). Измельченный материал, прошедший через просеивающие поверхности, собирается во внешнем разгрузочном желобе и поступает на следующую установку технологической линии.

Материалы конструктивных узлов мельницы и ее футеровок выбираются в зависимости от конкретных рабочих условий. Как правило, футеровки изготавливаются из эластомерных материалов, обеспечивающих высокие антикоррозийные характеристики и минимальный износ.

Лабораторное масштабное моделирование

Многие проблемы, возникающие при масштабном моделировании перемешивающих мельниц, справедливы также и для конструкций мельниц барабанного типа. Однако, по мере уменьшения крупности измельченного продукта, несоответствие характеристик этих конструкций мельниц увеличивается. Одним из преимуществ конструкций для тонкого измельчения является возможность лабораторного моделирования технологических процессов. Например, для получения достоверных результатов лабораторного моделирования процессов в мельнице полусамоизмельчения (ММПС), потребуется около 100 кг исходного материала, а для контрольных испытаний – от 20 до 100 тонн исходного материала. Это объясняется высокой заданной крупностью материала питания. Для перемешивающих мельниц максимальная крупность материала питания, как правило, составляет не более 200 микрон, что позволяет провести статистически достоверное лабораторное моделирование, используя всего лишь 100 г исходного продукта. Для лабораторных испытаний конструкции SMD-установки потребуется всего лишь 500 г материала, а для полупромышленных испытаний – от 2 до 10 тонн.

Одним из преимуществ использования среды измельчения с низкой крупностью является возможность применять результаты лабораторного масштабного моделирования к мельницам различного размера, поскольку они используют среду измельчения одинаковой крупности. Кроме того, низкая крупность среды позволяет исключить в лабораторных установках влияние краевых эффектов между мешалкой и стенками мельницы. Тем самым исключается одна из главных составляющих погрешности при измерении входной мощности установки.

Если материал питания имеет крупность менее 100 микрон, то использование среды измельчения с крупностью менее 5 мм позволяет получить выигрыш потребляемой мощности (Weller, 1997) по сравнению с использованием более грубой измельчающей среды. Это объясняется низкой величиной затраченной энергии, необходимой для измельчения материала до значения параметра P80, равного 6.5 микрон.

Обычно, в обогатительной промышленности для характеристик крупности выходного продукта мельниц используется параметр Р80, при котором в суммарном выходе 80% продукта имеют крупность меньше заданной. Однако данный параметр не всегда достаточно точно характеризует фактическое распределение измельченного продукта по его крупности. В конструкции перемешивающих мельниц сильное влияние на распределение выходного материала по крупности оказывает тип конструкции самой мельницы, а также крупность и тип среды измельчения. Во многих обогатительных установках более точную картину распределения можно получить, используя значения параметров P95, или P10 вместо общепринятого значения P80. В системах с выщелачиванием обычно для оценки выхода используется процентное соотношение задержанного материала, имеющего крупность выше заданного значения. Во флотационных установках часто используется значение потерь, отнесенное к массе продукта, имеющего крупность ниже заданной. Таким образом, для оценки характеристик мельниц в совокупности с последующими технологическими процессами обработки материала разумнее всего использовать полное распределение выходного продукта по крупности.

При оценке характеристик мельницы необходимо обязательно задавать требования к методу измерения крупности выходного продукта. В мельницах особотонкого измельчения процесс измерения крупности материала становится еще более сложным. В отличие от стандартных мельниц с крупностью продукта до 38 микрон, где для измерений традиционно используется грохочение, для данного типа мельниц не существует стандартного метода измерений распределения по крупности. Современные методики измерений включают лазерные дифракционные способы, осаждение, циклонирование, оптические методы и т.д. Наиболее часто используются такие измерительные установки как Malvern Mastersizer, Microtrac, Cyclosizer и Sedigraph. Каждая из этих установок имеет свои преимущества и недостатки. На результирующую точность измерений оказывает влияние различие форм частиц, их плотности, просвечиваемости и других физических свойств. В перерабатывающей и фармацевтической отрослях промышленности, где крупность материала всегда задается в определенных диапазонах, используются общие стандартные отраслевые методы измерений. В металлургической промышленности не существует единой методики измерений.

Кроме погрешностей, присущих данной методике измерений крупности материала, сами измерительные приборы (одного и того же типа) вносят достаточно большую погрешность в результаты измерений. Даже при стандартной модели измерительной установки и стандартной методике измерений самих измерений на точность измерений оказывает большое влияние процедура установки прибора, его техническое обслуживание и даже квалификация оператора.

При анализе распределения материала с крупностью менее 5 микрон ошибка даже в 1 микрон, связанная с методом измерения размера частиц, может привести к погрешности оценки потребляемой мощности установки, равной более 50%. Данная проблема не имеет простого решения. Ключевым фактором процедуры измерения должно быть скрупулезное и строгое соблюдение методики и условий измерений. Необходимо реалистично оценивать надежность и точность проведенных измерений.

Другим важным требованием при выборе типа и размера измельчающего оборудования является реалистичное и точное определение требований к их характеристикам. Если в данной установке для того, чтобы изменить значение параметра P80 на 1 микрон потребуется увеличить производительность мельницы на 30–50%, необходимо трезво оценить результирующий выигрыш всей технологической линии.

Одной из общих проблем при выполнении лабораторных и полупромышленных испытаний является использование мельницы, больше всего удовлетворяющей данным требованиям. Затем разрабатывается установка, позволяющая получить оптимальное значение параметра P80, не учитывая при этом всех факторов, влияющих на выход готового продукта. Тип выбранной мельницы и конфигурация системы должны обеспечивать максимальную удельную эффективность извлечения руды, в то время как каждый тип мельниц влияет на распределение продукта по крупности, а также на химические поверхностные свойства руды и хвостов.

Установка особотонкого измельчения Pasminco Century

Месторождение свинцово-цинковых руд Pasminco Century представлено массивным мелкозернистым рудным телом, расположенным на северо-западе провинции Квинсленд (Австралия). Извлекаемые запасы руды составляют около 100 млн.т. Руда содержит около 1.7% свинца и 12.5% цинка. Флотационная установка имеет расчетную производительность 5 млн.т в год. Промышленная добыча началась в ноябре 1999 года (Barnham и Kirby, 2001).

Месторождение было открыто компанией Conzinc Riotinto of Australia (CRA) в 1990 году, а в 1994 и 1995 г.г. проводился анализ реализуемости данного проекта. Этот проект был продан компанией Rio Tinto Corporation (RTZ) компании Pasminco после того, как в 1997 году произошло слияние компаний RTZ и CRA.

Основной трудностью обогащения руды месторождения Century является наличие в ней цинковой обманки – основного цинкосодержащего минерала, очень мелкие частицы которого вкраплены в кремнезем (Sutherland 1999). В качестве наиболее эффективного и практического способа добычи было выбрано особотонкое измельчение руды до P80 при 6.5 микрон, с последующей ее флотацией. На месторождении Century было установлено 15 установок SMD компании Metso Minerals (каждая мощностью 355 кВт), которые должны были обеспечить заданную крупность выходного продукта. При этом для дополнительного измельчения цинка использовались три дополнительные установки.

В 1995 году были проведены лабораторные испытания SMD-установки компании Metso Minerals, как часть программы оценки реализации проекта CRA. Кроме того, были проведены дополнительные полупромышленные испытания установки во время ее пуска в эксплуатацию на месторождении Century, а также через два года ее эксплуатации. Как видно из рис. 1, результаты этих испытаний практически идентичны. Небольшое различие данных объясняется отличием методов измерения крупности продукта. На месторождении Century использовалась лазерная измерительная установка Malvern, в то время как на установке Imerys использовался анализатор Sedigraph, обеспечивающий более точное измерение кривой распределения материала по крупности.

Как уже отмечалось ранее, для выходного продукта с размером частиц менее 100 микрон, использование среды измельчения с крупностью менее 5 мм требует меньших затрат энергии, чем при измельчении с более крупной средой. Этим объясняются сравнительно низкие значения затраченной энергии, требуемой для измельчения продукта с параметром P80 для 6.5 микрон. На месторождении Century в качестве среды измельчения используется песок со средним размером частиц 2 мм.

Во время полупромышленных испытаний с помощью SMD-мельницы мощностью 18.5 кВт проводились измерения для различных режимов работы мельницы и для сред измельчения различной крупности. На рис. 2 результаты этих измерений приведены вместе с результатами лабораторных испытаний для одинаковой крупности среды измельчения и одинаковой концентрации твердого.

В таблице приведен перечень рабочих параметров SMD-мельниц для особотонкого измельчения цинкосодержащей руды.

Как видно из приведенной таблицы, значения удельного потребления энергии для рабочей мельницы совпадает с данными лабораторных испытаний SMD-мельницы для образцов руды месторождения Century. Характеристики отдельных SMD-мельниц постоянно контролируются, а удельный массовый расход и количество используемых установок регулируется в соответствии с изменениями флотационной массы. Это позволяет свести к минимуму недостаточное или чрезмерное измельчение в контуре обогащения цинковой руды. Единственным ограничением установок тонкого и особотонкого измельчения является отсутствие промышленных моделей анализатора крупности материалов, способных измерять размеры частиц до 20 микрон.

В целом было показано, что лабораторные и полупромышленные испытания, выполненные перед монтажом полной технологической линии, позволили получить точные данные о классификации по крупности материала на данной установке для их использования при проектировании систем измельчения. Лабораторные испытания проводились с оригинальными образцами руд.

* * *

Как видно из данных, полученных для измельчающих установок, применяемых на месторождении Century, программа лабораторных и полупромышленных  испытаний позволяет значительно видоизменить технологические линии обогащения руд и избежать значительных затруднений при пуске измельчающей установки. Проект на месторождении Century был реализован в намеченные сроки и с установленным бюджетом. Через год эксплуатации технологической линии ее эффективность осталась такой же высокой, как и при ее установке, что позволило избежать монтажа дополнительного оборудования, изменения схемы прокладки трубопроводов и т.д.

Использование лабораторных и пилотных SMD-мельниц для программы испытаний с последующей установкой полномасштабной рабочей SMD-мельницы позволяет избежать многих технологических и механических проблем, связанных с масштабным моделированием процесса.

Последующие технологические установки также могут быть оптимизированы для работы с более мелкой фракцией материала. Распределение материала по крупности, а также форма частиц материала также могут отличаться для мельниц разного типа. Эти параметры влияют не только на процессы обогащения или выщелачивания, но также и на такие технологические процедуры, как фильтрация, сушка или перекачка.


Автор выражает свою благодарность персоналу компании Pasminco Century за предоставленные данные и за разрешение их публикации. Кроме того, автор благодарит персонал компании Imerys, участвовавший в программе полупромышленных испытаний и ввода в эксплуатацию обогатительной установки на месторождении Century.

Журнал "Горная Промышленность" №4 2003