Особенности процессов дезинтеграции железорудного сырья и предпосылки для выбора оптимального варианта рудоподготовки

А.В. Постолатьева, к.т.н., инженер-технолог Tenova Mining & Minerals Division (Bateman CIS) А.А. Твердов, к.т.н., руководитель направления развития горных работ IEEC (группа IMC Montan) С.Б. Никишичев, к.э.н., директор IEEC (группа IMC Montan), FIMMM

Дезинтеграция рудного сырья, независимо от специфики руд и вида извлекаемого компонента, зачастую является наиболее весомой статьей как капитальных, так и эксплуатационных затрат. В этой связи при разработке проектов освоения новых месторождений вопросам выбора оптимального варианта рудоподготовки уделяется самое серьезное внимание.

Так, за последние 40 лет на обогатительных фабриках, перерабатывающих различное рудное сырье, наблюдалась тенденция к установке в рудном цикле измельчения мельниц само- и полусамоизмельчения. Эта тенденция подкреплялась постоянным ростом объемов добычи и высокой единичной пропускной способностью данного типа оборудования. Так, в зависимости от характеристик руды одна мельница полусамоизмельчения может переработать от 70 до 90 тыс. т руды в сутки. Хотя в настоящее время производятся высокопроизводительные дробилки среднего и мелкого дробления, очень часто для обеспечения аналогичной производительности их требуется несколько единиц. Безусловно, увеличение количества оборудования, необходимого для обеспечения конкретного объема переработки, требует боґльших площадей под размещение, повышенных требований к фундаменту и конструктивным особенностям зданий, что, в свою очередь, обуславливает общий рост капитальных затрат. Также следует отметить, что дефицит земель для размещения обогатительного комплекса зачастую является одним из лимитирующих факторов при выборе типоразмера оборудования. Особо актуален дефицит площадей для сложившихся производств, претерпевающих реконструкцию или расширение мощностей.

Одновременно существует и противоположная тенденция, определяемая эскалацией цен на электроэнергию и склоняющая приоритеты в сторону выбора процессов дробления в качестве оптимального варианта рудоподготовки, как менее энергозатратного процесса для получения продукта относительно высокой крупности. Широко известно, что для большинства твердых руд дробление до фракций ~5 мм весьма энергоэффективно, однако при дальнейшем снижении крупности продуктивного класса дробление становится все более непрактичным, уступая место измельчению.

Кроме того, в последние годы в мировой практике получили развитие схемы рудоподготовки, основанные на применении валковых прессов высокого давления (роллер прессов) для получения питания мельницы при размере частиц <3 мм для гарантированного исключения из схемы стержневых мельниц и подачи питания непосредственно на шаровое измельчение.

Вместе с тем следует отметить, что, несмотря на единство подходов к выбору схем и оборудования для дезинтеграции рудного сырья в целом, дезинтеграция железорудного сырья имеет свои специфические особенности. Для оценки технологических аспектов различных вариантов рудоподготовки применительно к железорудному сырью авторами данной статьи были более подробно рассмотрены пять альтернативных схем дезинтеграции железной руды высокой крепости до крупности Р80~100 мкм:

• Вариант 1. Трехстадиальное дробление в открытом цикле до класса <15 мм, за которым последовательно производится стержневое и шаровое измельчение.

• Вариант 2. Трехстадиальное дробление до класса <10мм с замкнутым циклом мелкого дробления с последующим шаровым измельчением.

• Вариант 3. Двухстадиальное дробление до класса <40 мм, дезинтеграция среднедробленой руды на валковых дробилках высокого давления High Pressure Grinding Roll (HPGR) в замкнутом цикле, за которой следует шаровое измельчение.

• Вариант 4. Крупное дробление и самоизмельчение с грохочением разгрузки мельницы, додрабливанием надрешетного продукта и шаровым измельчением подрешетного продукта.

• Вариант 5. Крупное дробление и полусамоизмельчение с грохочением разгрузки мельницы, прямым возвратом надрешетного продукта в мельницу полусамоизмельчения (без додрабливания) и шаровым измельчением подрешетного продукта.

Кроме того, была проведена предварительная оценка перспектив применения вертикальных мельниц в цикле рудного измельчения.

Вариант 1. Три стадии дробления и измельчение в стержневой и шаровой мельницах

Для более объективной оценки данного варианта рудоподготовки следует раздельно рассмотреть процессы дробления железной руды и ее последующего измельчения.

Так, можно с полной уверенностью утверждать, что три стадии дробления являются стандартной и многократно опробованной технологией. По сути – это классика дезинтеграции железорудного сырья, поэтому рассматриваемая схема рудоподготовки в тех или иных вариантах аппаратурного оформления используется практически на всех железорудных комбинатах России и СНГ. Поскольку трехстадиальное дробление позволяет успешно раздробить рудный материал, характеризующийся практически любой степенью крепости, данный вариант нашел широкое применение и для переработки других типов твердых полезных ископаемых.Три стадии дробления и измельчение в стержневой и шаровой мельницах

Также необходимо отметить, что с позиции формирования рудной шихты, ее опробования и усреднения наиболее удобным и приемлемым продуктом является мелкодробленая руда. Данное обстоятельство приобретает решающее значение в случае переработки железорудного сырья, характеризующегося существенной изменчивостью как по твердости, так по технологическим свойствам.

Вместе с тем следует признать, что трехстадиальное дробление обладает и рядом недостатков, к числу которых относится его высокая капиталоемкость и громоздкость.

Стержневые мельницы по своей сути могут рассматриваться как аппараты мелкого дробления, которые дают более равномерный готовый класс, препятствуя переизмельчению материала, что в некоторых случаях весьма целесообразно, например, перед гравитационным обогащением мелковкрапленных руд. Однако применительно к железорудному сырью последовательная установка на рудном измельчении стержневых и шаровых мельниц не может рассматриваться как оптимальный вариант рудоподготовки, и в настоящее время в современных проектах данный способ дезинтеграции практически не встречается.

Это является следствием нескольких причин. Во-первых, в силу конструктивных особенностей стержневых мельниц существуют довольно жесткие ограничения по их единичной производительности. Отношение длины барабана к его диаметру для стержневых мельниц обычно составляет 1,4–2 ед. При этом не рекомендуется изготавливать стержневые мельницы длиной менее 1,25 ед. от диаметра по условиям спутывания стержней, и обычно это отношение составляет (1,4–1,6) D. В настоящее время предельной считается длина стержневой мельницы 6 м (этот предел определяется трудностями изготовления стержней большей длины), а предельный диаметр стержневой мельницы – 4,5 м [1]. Низкая единичная производительность стержневых мельниц требует установки большего количества оборудования и, как следствие, ведет к увеличению производственных площадей.

Во-вторых, применение последовательного шарового и стержневого измельчения характеризуется повышенными энергозатратами.

В-третьих, загрузка мелющих тел в стержневую мельницу должна сопровождаться ее остановкой, что снижает коэффициент использования рабочего времени данного оборудования.

Вариант 2. Три стадии дробления в замкнутом цикле и измельчение в шаровой мельнице

Как уже было сказано выше, к преимуществам трехстадиальной схемы дробления можно отнести высокую степень ее опробированности, технологическую надежность и удобство при опробовании и усреднении, к недостаткам – высокую капиталоемкость и громоздкость.

Вместе с тем дополнительным преимуществом рассматриваемого варианта рудподготовки является организация замкнутого цикла мелкого дробления, который гарантированно обеспечивает получение готового класса постоянной крупности даже при существенных колебаниях твердости и крепости поступающего рудного сырья и позволяет отказаться от использования низкопроизводительных стержневых мельниц. Данное обстоятельство, кроме прочего, обеспечивает общее снижение энергозатрат и, следовательно, себестоимости производства, что в настоящее время, в условиях экономического спада и снижения цен на продукцию железорудных комбинатов, является одной и приоритетных задач.

Установка аппаратов контрольного грохочения – весьма заманчивая идея даже для действующих производств, хотя в данном случае, как правило, существуют жесткие ограничения (по производственным площадям, возможностям размещения конвейерного оборудования, высоте существующих зданий и т.д.), препятствующие реализации данного технического решения. Но при проектировании новых промышленных объектов организация замкнутого цикла мелкого дробления представляется необходимым и обязательным условием. Так, даже с учетом капитальных и операционных затрат на грохочение, достигается существенная экономическая отдача за счет снижения нагрузок на последующие стадии рудоподготовки, что не только обеспечивает стабилизацию крупности питания мельниц, но и позволяет выбрать оборудование меньшего размера и снизить операционные затраты на процесс измельчения.

Вариант 3. Две стадии дробления, High Pressure Grinding Roll (HPGR), шаровое измельчение

От рассмотренного выше варианта данный способ рудоподготовки отличается применением валков высокого давления (HPGR) на стадии мелкого дробления взамен традиционных конусных дробилок. Валки высокого давления имеют значительно более высокий коэффициент дробления по сравнению с другими дробилками. HPGR могут легко работать с коэффициентом дробления (отношение крупности питания F80 к крупности продукта P80) на уровне 1:10.

Принцип, лежащий в основе использования валков, состоит в медленном и равномерном приложении высокого давления (100–300 МПа) к определенной зоне спрессованных частиц, что вызывает растрескивание материала под напряжением и разрушение преимущественно по межзерновым поверхностям, характеризующимся высокой степенью примесных дефектов, микротрещин и дислокаций. В аппарате создается общее поле напряжений, на материал действует сила, равная величине сопротивления материала. Усилия накладываются крупным фронтом. Изменение нагрузки имеет пиковый характер с резким максимумом в районе оси валков. Разрушение происходит при действии частиц друг на друга в слое материала. Время воздействия на материал значительно [2].

В данных условиях разрушение происходит по дислокационному принципу, т.е за счет образования первичных трещин в зонах дислокации дефектов кристаллической структуры материала. Такой характер разрушения обеспечивает не только минимальное переизмельчение материала, но и снижение энергозатрат, необходимых на разрыв межатомных связей и преодоление пластической деформации [2].

Кроме того, установка HPRG на стадии мелкого дробления взамен конусных дробилок способна обеспечить сокращение размеров шаровой мельницы и снижение ее энергопотребления за счет повышения коэффициента дробления и, как следствие, уменьшения нагрузки на 1-ю стадию измельчения.

Вариант 4. Крупное дробление, самоизмельчение, додрабливание критического класса в конусных дробилках, шаровое измельчение

Мельницы самоизмельчения (МСИ) успешно конкурируют с мельницами со стальной шаровой загрузкой и в некоторых случаях не только удешевляют процесс рудоподготовки, но и улучшают технологические показатели переработки руд. По сравнению с рассмотренными выше способами дезинтеграции вариант рудоподготовки с применением мельниц самоизмельчения позволяет:

- исключить из процесса рудной дезинтеграции стадии среднего и мелкого дробления, поскольку необходимый для измельчения размер кусков может быть получен после первой стадии дробления;

- достичь экономии эксплуатационных затрат за счет снижения расхода мелющих тел;

- снизить уровень переизмельчения руды благодаря изменению характера ударного воздействия и разрушению кусков главным образом по межзерновым контактам.Крупное дробление, самоизмельчение, додрабливание критического класса в конусных дробилках, шаровое измельчение

Вместе с тем удельная производительность мельниц самоизмельчения ниже, чем шаровых и стержневых, а расход энергии выше в 1,3–1,4 раза по сравнению с расходом энергии при работе по обычным схемам дробления и измельчения стальной средой. Расход футеровки в мельницах самоизмельчения также выше, чем в обычных шаровых и стержневых мельницах. Так, освоение технологии самоизмельчения магнетитовых кварцитов на Лебединском ГОКе (Россия), СевГОКе и ИнГОКе (Украина) хотя и позволило снизить капитальные затраты на строительство предприятий на 20-, но при этом на 20- увеличился удельный расход электроэнергии [3].

Основная технологическая особенность рудного самоизмельчения, отличающая этот процесс от измельчения в мельницах со стальной средой, – накапливание в мельнице кусков критического размера, т.е. кусков размерами от 25 до 75 мм, которые слишком малы, чтобы дробить другие куски, и слишком велики и прочны, чтобы быть раздробленными крупными кусками. Для предотвращения накапливания кусков критического класса крупности в мельнице рудного самоизмельчения приходится выводить их из процесса и дезинтегрировать в отдельном аппарате, которым выступает галечная дробилка, или рудно-галечная мельница.

Кроме того, процесс самоизмельчения отнюдь не универсален, т.е. его нельзя без предварительных испытаний рекомендовать для всех материалов и руд. Наиболее подходят для самоизмельчения хрупкие руды зернистого сложения. Для выбора процесса рудоподготовки самоизмельчением необходимо провести полупромышленные, а лучше промышленные исследования по самоизмельчению конкретной руды. Данное условие, бесспорно, должно выполняться при промышленной реализации любого способа рудоподготовки, но в случае с самоизмельчением определение особенностей размолоспособности руды (индексов самоизмельчения) и проведение крупномасштабных испытаний в непрерывном режиме приобретают критическое значение. Также в случае применения МСИ определяющим условием, обеспечивающим эффективность рудоподготовки, является построение модели месторождения (районирование месторождения) на основании технологического картирования с учетом изменчивости прочностных характеристик руд различных участков, отрабатываемых на отдельных этапах добычных работ, с прогнозированием вариантов шихтовки, дифференцированных по типам руд.

Вариант 5. Крупное дробление, полусамоизмельчение без додрабливания критического класса, шаровое измельчение

Мельницы полусамоизмельчения (МПСИ) нашли широкое применение при переработке рудного сырья, так, к примеру, в цветной металлургии все больше и больше новых проектов используют именно этот вариант рудоподготовки. Мельницы полусамоизмельчения успешно работают практически на всех производственных объектах, но по стандартной схеме, включающей додрабливание рудной гали с предварительным выделением из нее сработавшихся мелющих тел магнитными методами.

Вместе с тем для переработки железных руд использование мельниц полусамоизмельчения имеет серьезные ограничения, которые определяются степенью магнитности руды в целом и магнитности получаемой рудной гали в частности. Это в первую очередь связано с тем, что при определенной степени магнитности рудной гали ее отделение от сработавшихся шаров магнитными способами становится невозможным.

Авторам не известно ни одного примера промышленного использования мельниц полусамоизмельчения с додрабливанием рудной гали на магнетитовых рудах, также нет ни одного примера эффективной работы мельницы полусамоизмельчения в схеме без додрабливания рудной гали при переработке немагнитного сырья.

Исключением могут считаться те производства, где изначально в проектной схеме была заложена мельница самоизмельчения, но в результате изменения характеристик руды (например, повышение твердости) она перестала самоизмельчаться, что привело к резкому снижению производительности операций первичного измельчения и практически к остановке всего производства. В такой ситуации эксплуатирующей компании в некоторых случаях приходилось в срочном порядке проводить модернизацию мельниц самоизмельчения, обеспечивая возможность подачи в них мелющих тел, т.е. образно говоря, превращать самоизмельчение в полусамоизмельчение. Разумеется, это были вынужденные меры, повлекшие за собой не только массу дополнительных трудностей и неудобств, но и приведшие к снижению общей производительности обогатительного комплекса относительно проектных значений.

Другой отрицательный пример реализации схем рудоподготовки с полусамоизмельчением – это обход операции додрабливания и прямой возврат критического класса и сработавшихся шаров в мельницу полусамоизмельчения. Такое явление имеет место на некоторых действующих предприятиях по переработке немагнетитового сырья в случае высокой степени образования пласкуши при измельчении и ее попадания в надрешетный продукт грохочения. Причины могут быть разные, но чаще всего – это неправильный подбор материала, из которого изготовлены мелющие тела. В данной ситуации в условиях избытка металлического скрапа шаров в питании дробилок додрабливания улавливающие магнитные системы не справляются, и дробилка начинает работать на байпас. При попадании критического класса и пласкуши обратно в мельницу ими создается паразитная нагрузка, которая либо не позволяет подать нужное количество руды, либо не позволяет подать требуемое количество свежих шаров. Оценки компании AMIRA, полученные в рамках исследовательских работ на промышленной одноступенчатой мельнице полусамоизмельчения золотого рудника Навачаб (Намибия) (оператор AngloGold Ashanti), свидетельствуют о том, что при работе мельницы полусамоизмельчения в режиме с прямым возвратом снижение производительности первой стадии измельчения (следовательно, и производства в целом) доходит до 10- [4].

Здесь следует отметить, что критический класс потому и называется критическим, что в условиях конкретной мельницы, при размерах отверстий ее разгрузочной решетки и диаметрах галечных отверстий, измельчение продукта данной крупности затруднено. Поэтому для радикального изменения критической крупности рудной гали и используют такой прием как ее дробление, который также имеет целью дополнительное уменьшение размера возвращаемого в мельницу материала. В условиях отсутствия додрабливания рудной гали не приходится ожидать, что скорость измельчения возвращенной гали в мельнице полусамоизмельчения будет той же самой, что и при ее додрабливании. Также нельзя упускать из виду, что помимо мелющих шаров полезный объем в мельнице SAG нерационально занимает возвращенный в мельницу металлический скрап шаров, массу рециркуляции которого достоверно предсказать практически невозможно.

Таким образом, применительно к железорудному сырью становится совершенно очевидным, что без додрабливания рудной гали добиться высокой эффективности полусамоизмельчения не представляется возможным. А ее додрабливание невозможно, дробилку попросту может заклинить при попадании в нее металлического скрапа шаров. В свою очередь разделение рудной гали и скрапа шаров друг от друга традиционными магнитными способами неосуществимо. И здесь мы вплотную подходим к выводу, что проблема ограничения возможности реализации схем рудоподготовки с полусамоизмельчением для переработки железных руд заключается не в самих процессах полусамоизмельчения или додрабливания, а вообще во вспомогательной операции – магнитном удалении металлического скрапа из продукта критического класса.

В таком случае можно предположить, что для разделения рудной гали и металлического скрапа нужно использовать не магнитные, а другие методы, например гравитационные, основанные на различном удельном весе руды (~3,5–4,5 т/м3) и стали шаров (~7–8 т/м3). В данном случае наиболее приемлемым и низкозатратным представляется процесс отсадки. Однако введение этой операции в схему рудоподготовки, ввиду вероятной необходимости разделения питания отсадочных машин на более узкие классы крупности, существенно усложнит общую конфигурацию фабрики и приведет к росту капитальных затрат.

Оценка перспектив применения вертикальных мельниц Говоря о дезинтеграции железорудного сырья, также стоит упомянуть еще об одном достаточно перспективном решении в области измельчения, а именно о применении аппаратов с перемешиванием мелющей среды, включая вертикальные мельницы. Данные технологии постепенно получают распространение в силу ряда потенциальных преимуществ, с постепенным расширением круга возможных поставщиков оборудования (Metso, Outotec, XSM, Xinhai и др.). Перемешивание мелющей среды в данных технологиях осуществляется гравитационными и флюидизационными методами. В обоих случаях ожидается повышение однородности мелющей среды и пульпы и рост общей эффективности процесса измельчения, что способствует как снижению расходных коэффициентов (по электроэнергии, мелющим телам и футеровке), так и сокращению размеров оборудования.

Мельницы с перемешиванием мелющей среды получили наибольшее распространение применительно к процессам тонкого и сверхтонкого измельчения продуктов обогащения. Вместе с тем производителями данного оборудования делаются заявления о возможности загрузки вертикальных мельниц питанием класса +6 мм и даже крупнее [5], что в принципе позволяет рассматривать данные мельницы в качестве альтернативы шаровым мельницам, например на стадии измельчения мелкодробленой руды, или в качестве аппаратов для измельчения продуктов МСИ и МПСИ.

Несмотря на вышеперечисленные достоинства, вертикальные мельницы, как и другие аппараты дезинтеграции, не лишены недостатков, включая их ограниченную опробированность на железорудном сырье. Также следует отметить, что возможность применения вертикальных мельниц в рудном цикле измельчения является достаточно дискуссионым моментом.

Более того, прогнозирование уровня энергопотребления вертикальных мельниц недостаточно точно воспроизводится даже для уже весьма хорошо изученных процессов доизмельчения промпродуктов обогащения. В частности, стандартные методики и показатели, служащие для прогноза энергоемкости процесса измельчения, дают высокую степень погрешности в случае измельчения с перемешиванием тонкой мелющей среды [6]. Зачастую реальные удельные энергозатраты на измельчение руды оказываются выше 50- и более прогнозных значений, определенных на стадии лабораторных и даже опытнопромышленных исследований. Это не только искажает ожидаемые операционные затраты, но и вносит необъективность в определение необходимой и достаточной производительности мельницы. Для железорудного сырья погрешность может быть еще более значительной в силу его специфики и высокой крепости железных руд. Таким образом, для обеспечения эффективности применения вертикальных мельниц необходимы более тщательный анализ для каждого типа сырья с учетом масштабирования при переходе к «промышленному» размеру мельниц, а также определение оптимального класса питания.


Работа железорудных горно-обогатительных комбинатов в современных рыночных условиях требует совершенствования техники и технологии переработки сырья с получением товарной продукции требуемого качества и высокой рентабельностью. Поскольку с рудоподготовкой связаны основные (85–87-) затраты на электроэнергию, основным направлением повышения рентабельности горно-обогатительных комбинатов является обеспечение эффективной работы узла рудной дезинтеграции.

Естественно варианты дезинтеграции железной руды не исчерпываются рассмотренными в настоящей статье, и возможны дополнительные подварианты. Однако в них мы отразили наиболее распространённые решения по дезинтеграции данного типа сырья – как реализованные по факту на горно-обогатительных комплексах, так и входящие в традиционный круг проработки при проектировании новых производств или реконструкции существующих.

Бесспорно, для окончательного выбора варианта рудоподготовки применительно к железной руде конкретного месторождения необходимо выполнить оценку особенностей размолоспособности руды (определение индексов дробления и измельчения), провести технологическое картирование и крупномасштабные испытания в непрерывном режиме, а также осуществить иные подготовительные и исследовательские работы, включая прогноз качества сырой руды с учетом календарного горного планирования. Вместе с тем у различных схем дезинтеграции железной руды в общем случае существуют некоторые особенности, изложенные в данной статье, которые позволят сориентировать технологов и инвесторов уже на начальном этапе оценки привлекательности разработки нового железорудного месторождения.

Ключевые слова: рудоподготовка, железорудного сырья, дезинтеграция, переработки, руд

Журнал "Горная Промышленность" №6 (111) 2013, стр.82