Развитие систем мельничных футеровок

Klas-Goran Eriksson, технический директор компании Metso Minerals (Skelleftea) AB, Швеция
Gunder Marklund, директор по продажам компании Metso Minerals (Skelleftea) AB, Швеция
А.Л.Гребенешников, директор по маркетингу (Защита от износа и конвейеры),
ЗАО «Метсо Минералз РУС ЦО», Россия
В.Ю.Фищев, директор Сибирского-Дальневосточного отделения ЗАО «Метсо Минералз СНГ», Россия


За долгие годы различные системы мельничных футеровок прошли многочисленные стадии развития. В начале своей истории футеровки мельниц измельчения выполняли только защитные функции и оценивались только по стоимости и сроку службы.

По мере развития тенденции сокращения числа размольных мельниц и увеличения их размеров, повышались требования к качеству измельчения и надежности оборудования. Это привело к тому, что производители футеровок стали заниматься не только подбором материалов, но и совершенствованием конструкции футеровки, чтобы обеспечить оптимальные характеристики процесса для всех видов измельчения.

Для большинства случаев применения мельниц измельчения, затраты на футеровку [2] являются только малой частью общей себестоимости процесса измельчения в сравнении со стоимостью измельчающей среды, электроэнергии и объемом перерабатываемого мельницей материала (рис. 1). Это означает, что сегодня более выгодно выбрать правильную конструкцию футеровки, обеспечивающую оптимальный помол, сбережение измельчающей среды и снижение энергопотребления, чем делать ставку только на стоимость футеровки.

Уникальный и более чем 40-летний собственный опыт работ в области создания и проектирования технологии измельчения, в т.ч. с использованием программ компьютерного моделирования механических и технологических процессов, протекающих в мельнице, позволяет сегодня компании Metso Minerals (Skelleftea) AB, (в прошлом – Svedala Trellex-Skega AB) разрабатывать гораздо более привлекательные в экономическом плане системы футеровок мельниц практически для любых задач измельчения (табл. 1) [2]. Комбинирование различных материалов дало импульс развитию систем футеровок на основе полимеров, которые имеют более долгий срок службы при том же объеме футерующих изделий для первых стадий измельчения. Другой особенностью комбинированной футеровки является сохранение ее профиля в течение всего периода эксплуатации за счет различия характеристик износостойкости материалов.

Типы футеровок

В ассортимент выпускаемой продукции компании Metso Minerals (Skelleftea) AB входят следующие виды мельничных футеровок:

•    металлическая футеровка;

•    резиновая футеровка;

•    комбинированная резинометаллическая футеровка Poly-Met™ («Полимет»);

•    магнитная футеровка Orebed™ («Орбед») типа «рудная постель»;

•    футеровка узла разгрузки через решетку (резиновые разгрузочные решетки, система элеваторов центральный конус), цапфы.

Металлическая футеровка

Металлические футеровки – давно и хорошо известны и наиболее часто применяемы. Сплавы, используемые для их производства, могут быть отнесены к трем разным группам [3]:

•    высокохромистый белый чугун (мельницы самоизмельчения – МС, шаровые мельницы – МШ и стержневые мельницы – МСЦ с центральной разгрузкой);

•    хром-молибденистая мартенситовая сталь (мельницы шаровые – МШЦ с разгрузкой через решетку);

•    хром-молибденистая перлитовая сталь (мельницы полусамоизмельчения – МПС и мельницы с высокими ударными нагрузками).

Металлические футеровки занимают первое место в мире по объемам годового потребления. Они обладают высокой универсальностью, так как могут успешно применяться в большинстве случаев измельчения как в сухих, так и в мокрых процессах.

В шаровых мельницах наиболее часто применяется металлическая футеровка, элементы которой имеют волнообразный профиль. На мельницах 2-ой стадии и мельницах доизмельчения применяются элементы двойного рифления (рис. 2), а также элементы одиночного рифления, которые используются также на шаровых мельницах первичного измельчения и стержневых мельницах.

На крупных мельницах самоизмельчения и полусамоизмельчения высокую экономичность показали схемы «плита-лифтер» (рис. 3), в которой футеровочные элементы устанавливаются в виде раздельных или отлитых вместе деталей.

Резиновая футеровка

Использовать резину в качестве материала для промышленных футеровок компания Skega AB (Швеция) стала в начале 60-х годов [1]. До 1995 года на рынке резиновых футеровок действовали два лидера – шведские компании: Skega AB и Trellex AB. На сегодняшний день эти две фирмы входят в состав Metso Minerals (Skelleftea) AB и имеют торговую марку TRELLEX.

В мире резиновые футеровки широко применяются в мельницах второй и третьей стадий измельчения, а также на мельницах доизмельчения. Резиновые футеровки характеризуются долгим сроком службы, в общем превышающим срок службы металлических футеровок при мокром измельчении, где сталь подвергается коррозии.

В футеровках из резины обычно применяется схема «лифтер-плита» (рис. 4), что обусловлено характеристиками износа этого материала. Для подстройки под конкретные технические условия применения имеется достаточно широкая гамма различных профилей плит и лифтеров, а также вариантов их установки.

Полное использование всех уникальных особенностей резины, как футеровочного материала, позволяет получить существенные преимущества перед металлом, включая:

•    меньший износ – больший срок службы;

•    снижение расхода мелющих тел;

•    меньший вес – меньшее давление на опорные подшипники;

•    плотность прилегания – отсутствие протекания пульпы под футеровку и через болтовые соединения;

•    простота установки и демонтажа без применения специальных сварочных и резательных работ – существенное снижение трудозатрат для данных видов операций;

•    минимальная опасность травматизма при проведении монтажных и демонтажных работ;

•    поглощение шума (до 50%) и вибрации.

Продолжение исследований в данной области несомненно внесет свой вклад в развитие популярности этого материала и еще более широком использовании резиновых футеровок даже в особо сложных процессах измельчения. К последним, без сомнения, относятся условия эксплуатации резиновой футеровки Tellex в мельнице мокрого самоизмельчения ММС 103.6(40.8 Svedala на обогатительной фабрике АК «Алроса» (Россия).

Мельница загружается материалом с крупностью кусков до 1200 мм и разгружается через резиновую решетку. Футеровка состоит из плит со ступенчатым профилем толщиной 123 мм/163 мм и лифтеров прямоугольного сечения шириной 400 мм и высотой 500 мм. По окружности мельницы укладываются 32 ряда плит и лифтеров. Рабочий ресурс лифтеров составляет 3500 час., для плит – 7000 час., для решетки – 7500 час. (ожидаемый – 10500 час.).

Комбинированная резинометаллическая футеровка Poly-Met™

В конце 80-х годов получило начало новое направление в комбинировании различных материалов, например, стали и резины, для изготовления футеровок, которое и по настоящее время интенсивно развивается. Такое комбинирование позволяет максимально использовать преимущества каждого из материалов – эластичности резины и износостойкости стали. При этом представляется возможным использования гораздо более твердых и износостойких сортов стали и чугуна, чем при сплошной металлической футеровке. В этом случае, резина выступает в роли демпфирующего материала, поглощающего ударные нагрузки. Например, в мельницах полусамоизмельчения металлические элементы комбинированной футеровки (рис. 5) могут иметь твердость до 500–600 НВ, тогда как при сплошном металлическом футеровании твердость ограничивается значениями 350–400 НВ.

Преимущества комбинированной футеровки Poly-Met™ перед металлической, в целом, аналогичны перечисленным выше для резины в мельницах второй и третьей стадий измельчения:

•    меньший износ – больший срок службы (рис. 5);

•    меньшая масса, в среднем составляющая 1/3 или 1/2 от массы аналогичного металлического профиля (рис. 6).

В настоящее время комбинирования футеровка Poly-Met™ может быть установлена на большинстве существующих сегодня мельниц самоизмельчения и полусамоизмельчения. Для указанных мельниц предлагается футеровка с чередующейся высотой лифтеров типа «высокий-низкий» (рис. 7а) или постоянной высоты (рис. 7б).

Преимуществом схемы с чередующейся высотой лифтеров является сохранение рабочих характеристик мельницы на протяжении всего срока службы футеровки, так как лифтеры вырабатываются равномерно, сохраняя профиль.

Футеровка с одинаковой высотой лифтеров применяется в случае необходимости максимального увеличения межремонтного периода эксплуатации мельницы.

В отличие от мельниц полусамоизмельчения и самоизмельчения для шаровых мельниц применяется несколько другой профиль футеровки Poly-Met™ (рис. 7в), что обусловлено схемой движения шаровой загрузки мельницы и задачей максимального поддержания эффективного объема измельчения.

Одной из преимуществ комбинированного профиля Poly-Met™ из материалов с разной износостойкостью является возможность в течение всего срока службы футеровки постоянно сохранять ее конфигурацию, а значит подъемное воздействие, передаваемое шарам загрузки через футеровку (рис. 7г). При однородной резиновой или металлической футеровке ее выступающая часть изнашивается более интенсивно, что ведет к сглаживанию профиля и ухудшению его подъемно-транспортирующей способности при захвате шаровой загрузки.

На сегодняшний день комбинирования футеровка Poly-Met™ часто является эффективной альтернативой металлической футеровки мельниц первичного измельчения.

После установки футеровки Poly-Met™ в мельницу ММПС 85.4(4.27 на предприятии Mantos de Oro (Чили) производительность мельницы стабилизировалась за счет сохранения подъемного профиля лифтеров Poly-Met™ в течение всего их срока службы [4]. Ранее при использовании металлической футеровки наблюдалось постоянное падение производительности мельницы после выработки на 60% общего ресурса футеровки. Срок службы лифтеров Poly-Met™ увеличился на 20% в барабане мельницы и на 50% по торцевым стенкам. Кроме того, масса футеровки уменьшилась на 55%, уровень шума понизился на 10 дБ, время на замену футеровки сократилось на 40%.

Сравнение результатов эксплуатации двух мельниц ММПС 67.1(36.6 на золотоизвлекательной фабрике Williams Mine (Канада) – одна с металлической футеровкой, другая с футеровкой Poly-Met™ – показало, что срок службы всех основных элементов футеровки Poly-Met™ превысил аналогичные показатели для металлической футеровки практически в 2 раза и достиг 7300 часов. Больший срок эксплуатации футеровки Poly-Met™ в сочетании с меньшими затратами времени на её замену обеспечили сокращение на 30% продолжительности годовых регламентных работ, предусмотренных для обслуживания металлической футеровки. Годовая экономия от использования футеровки Poly-Met™ была оценена в 169 тыс. долл. США, стоимость обслуживания которой на 19% ниже, чем металлической.

После замены металлической футеровки на комбинированную Poly-Met™ в шаровой мельнице ММПС 61(27.5 на золотоизвлекательной фабрике «Кубака» (Россия), производительность мельницы возросла на 38% за счет снижения массы мельницы и возможности увеличения (до 18%) шаровой загрузки. Кроме того, существенно упростились работы по монтажу и демонтажу футеровки (нет наклепа, отпадает необходимость применения тяжелых манипуляторов и т.д.), что привело к сокращению времени на замену футеровки на 31% (рис. 8).

Магнитная футеровка Orebed™ типа «рудная постель»

Этот тип футеровки содержит серию постоянных магнитов, завулканизированных в высокоизносостойкие резиновые элементы (рис. 9) [3]. Мощные магниты удерживают футеровку вместо болтов на металлической поверхности мельницы и обеспечивают притяжение магниточувствительного материала, находящегося в мельнице. Последний формирует непрерывный постоянно восстанавливающийся по мере износа защитный слой волнообразного профиля (см. рис. 9). Общая толщина футеровки Orebed™, включая изнашиваемый слой, меньше, чем у обычной футеровки. За счет этого мельница приобретает больший рабочий диаметр, что дает повышение производительности (или снижение энергопотребления) и не менее 10% – экономию среды измельчения.

Конфигурация футеровки Orebed™ идеальна для тонкого измельчения, обеспечивая высокую эффективность технологического процесса.

Так как технология изготовления футеровок Orebed™ достаточно сложная, она дороже обычных резиновых футеровок, но в идеальных условиях реальное изнашивающее воздействие на футеровку чрезвычайно мало, что обеспечивает ей долгие годы безотказной службы. Фактором, ограничивающим применение таких футеровок, является их относительная хрупкость и, как следствие, недостаточная устойчивость к ударным воздействиям.

Футеровки Orebed™ пригодны для применения в мельницах диаметром более 4 м при использовании шаров диаметром не более 25 мм, а также в мельницах диаметром менее 3 м с шарами диаметром до 38 мм. Хорошие результаты дает применение этих футеровок в вертикальных мельницах Vertimill™ («Вертимилл») (рис. 10).

Футеровка решетчатого узла разгрузки мельницы, цапфы

Мельницы с разгрузкой через решетку обычно имеют более высокую производительность, чем мельницы с центральной разгрузкой переливом, особенно на первой стадии относительно крупного измельчения. Однако применение мельниц с разгрузкой через решетку ограничено тем, что решетки забиваются. В этом случае, резина, благодаря своей эластичности, имеет явные преимущества. Резиновые решетки (рис. 11) могут иметь меньшие отверстия с меньшим углом расширения, чем металлические решетки, при этом они меньше забиваются.

Конструктивно резиновые решетки выполнены на основе армирующей металлической рамы, поверх которой натянута кордовая сетка, которая затем заливается резиной. Такая конструкция выдерживает значительные механические нагрузки и, в то же время, при износе резинового массива конструкция решетки не ослабляется.

Переоборудование мельницы на разгрузку через решетку обычно повышает ее производительность и эффективность измельчения.

По данным Бойера и Сан Мартино [1] производительность шаровых мельниц с центральной разгрузкой и металлической футеровкой возросла с 7200 до 8100 т/сутки после оснащения их резиновой футеровкой с разгрузочной решеткой при крупности продукта 80% – 330 мм.

Для разгрузки измельченного материала компания Metso Minerals (Skelleftea) AB производит различные типы полностью обрезиненных элеваторов (пульпоподьемников), располагаемых под решеткой (рис. 12а). Такая обрезиненная подрешеточная футеровка обеспечивает высокую эффективность процесса измельчения за счет решения проблем коррозии и износа, ведущих к преждевременному выходу из строя металлических или чугунных пульпоподъемников.

Использование резины в 3 раза и более снижает общую массу каждого элемента подрешеточной футеровки, выполняемого полностью из металла.

Толщина обрезиненного слоя может изменяться в широких пределах. Со стороны, где ожидается наибольший износ, слой резины составляет обычно 20 мм, на противоположной стороне – до 6–10 мм.

Кроме того, компания Metso Minerals (Skelleftea) AB предлагает полностью обрезиненные центральные конусы (рис. 12а), а также гуммированные загрузочные и разгрузочные цапфы (рис. 12б).

Проектирование мельниц

Разработка систем мельничных футеровок

При разработке футеровок необходимо учитывать множество факторов. Ни для одной мельницы нельзя предложить стандартного решения. Перед тем как выбрать футеровку из множества возможных вариантов, необходимо рассмотреть ряд аспектов:

•    эксплуатационные характеристики мельницы;

•    требования по производительности;

•    срок службы футеровки и ее себестоимость;

•    периодичность технического обслуживания;

•    коэффициент технической готовности мельницы;

•    простота обслуживания;

•    рыночная цена.

Таким образом, основными определяющими параметрами при выборе системы футеровки для мельницы являются задачи, формулируемые заказчиком, а также общие требования по экономичности процесса измельчения.

Выбор оптимального решения – процесс не простой. В настоящее время имеется ряд достаточно сложных инструментов для решения этой задачи и возможности усовершенствовать процесс оптимального выбора.

Компьютерное моделирование процесса измельчения

В компании Metso Minerals (Skelleftea) AB имеются ряд компьютерных программ для создания двух- и трехмерных моделей сложных механических и технологических процессов, протекающих в мельнице. На рис. 13 показан пример двухмерного компьютерного моделирования для оценки поведения шаров загрузки в различных ситуациях при заданном профиле футеровки с точки зрения расходования среды измельчения, эффективности измельчения и срока службы предлагаемого варианта футеровки. Здесь смоделирована ситуация, когда уменьшение только одного параметра – угла скоса кромки лифтера приводит к изменению внешней траектории шаров загрузки. Также показан случай, когда шары перелетают через нижнюю границу технологической загрузки (черная область на рис. 13) при угле скоса меньше 20° (рис. 13б), что в результате может привести к увеличению интенсивности износа футеровки.

Результаты двухмерного моделирования представлены в табл. 2.

Фрагменты трехмерного моделирования показаны на рис. 14.

Расчет объема мельницы

Энергопотребление мельницы является функцией эффективного диаметра барабана мельницы [3]. В связи с этим, толщина футеровки является важнейшим параметром, особенно для мельниц с относительно небольшим диаметром барабана. Так, для мельницы диаметром 2.4 м энергопотребление при толщине футеровок 50 мм и 75 мм будет отличаться примерно на 6%, в то время как для мельницы диаметром 5 м эта разница составит всего 2.5%. Так как производительность квазилинейно зависит от энергопотребления, то для того, чтобы понять, что произойдет при изменении конфигурации футеровки, необходимо рассчитать объем мельницы.

Отношение А/В

Важным параметром, определяющим эффективность измельчения, является пространство, заключенное между лифтерами футеровки [3]. Необходимая величина отношения между шагом установки лифтеров к их высоте – А/В (рис.15) зависит от скорости вращения барабана мельницы. Поэтому для обеспечения высокой эффективности измельчения при увеличении скорости вращения барабана должно увеличиваться и отношение А/В. На всем протяжении срока службы футеровки отношение А/В не остается постоянным и увеличивается по мере уменьшения высоты лифтеров за счет истирания. Поэтому в новой футеровке отношение А/В должно быть чуть меньше оптимального, чтобы расчетная величина А/В была достигнута после ее «приработки».

Оценка срока службы футеровки

Опыт эксплуатации около 4000 установок в течение 40 лет позволяет компании Metso Minerals (Skelleftea) AB оценивать и прогнозировать сроки службы футеровок различных типов. Для сравнения интенсивности износа футеровок мельниц, применяемых для решения разных задач измельчения, был выбран показатель удельной интенсивности изнашивания, измеряемой в граммах на киловатт (г/кВт). На основе данных по условиям эксплуатации футеровки, в обширной базе данных Metso Minerals (Skelleftea) AB находится аналог и достаточно точно прогнозируется срок службы проектируемой футеровки.

Послепродажное обслуживание

Компания Metso Minerals (Skelleftea) AB придерживается принципа никогда не прерывать деловых отношений с партнером после выполнения заказа и отгрузки футеровки в его адрес. Партнерство на долгосрочной основе между компанией Metso Minerals (Skelleftea) AB и заказчиком – залогом успеха. В связи с этим, компания Metso Minerals (Skelleftea) AB обеспечивает полноценное сопровождение своих изделий после ввода их в эксплуатацию.

Одним из наиболее действенных методов отслеживания работы футеровки является периодическая оценка ее износа. Таким образом, возможно проследить динамику скорости изнашивания и эффективности измельчения, выработать график расходования изнашиваемых деталей и оптимально отрегулировать профиль футеровки.

Для этих целей была разработана программа компьютерного моделирования износа WearWin5`.

Данные замеров футеровки заносятся в специальную форму (табл. 3), после чего вводятся в программу WearWin5. Программа рассчитывает скорость изнашивания, оставшийся срок службы футеровки и выдает профиль износа (рис. 16).

Поскольку профиль износа получается практически сразу после обследования футеровки, данная программа является полезным инструментом для оперативной работы.

Выводы

Потребление металлов и минерального сырья в мире неуклонно растет, для этого все больше и больше в разработку вовлекаются рудные месторождения с небольшим содержанием полезных компонентов.

В результате повышается спрос на все более производительные мельницы, которые становятся ключевым оборудованием обогатительных фабрик, малым числом перерабатывая огромные объемы рудной массы. Поэтому постоянное поддержание этих крупных машин на пике производительности является непростой задачей. Поскольку основной причиной остановки мельниц является необходимость замены футеровки, все большее значение приобретают ее долговечность при одновременной простоте процедуры замены. Поэтому сегодня при выборе мельничных футеровок для конкретных установок необходимо учитывать абсолютно все составляющие себестоимости эксплуатации мельницы.   

Журнал "Горная Промышленность" №1 2003, стр.