Крупногабаритные мельницы измельчения компании Metso Minerals

Стюарт М. Джонс, Витас Свалбонас, Компания Metso Minerals

До конца 1960-х годов самые большие мельницы поставлялись для цементной промышленности. Вначале это были шаровые мельницы с относительно большим отношением длины к диаметру. Для 1960-1970-х гг. типичными для этих целей стали мельницы с диаметром барабана от 3.96 м до 5.18 м и длиной - от 12.2 м до 15.2 м. Некоторый период в цементной промышленности также использовались мельницы самоизмельчения с большим отношением диаметра барабана к его длине. В этот период самые большие венцовые шестерни могли передавать на ведущую шестерню мощность около 4000 л.с. / 2985 кВт, и уровень качества зубчатых пар по стандарту AGMA 6 был самым высоким из имевшихся в то время в мире. Однако одним из недостатков конструкций мельниц того времени являлась необходимость техобслуживания открытых венцовых шестерен на шаровых мельницах, продолжительно работающих в «сухом» режиме. Поэтому для цементных мельниц стали применяться другие конфигурации привода, включая центральные приводы с большими редукторами и безредуктор-ные приводы. Также распространенным было применение конструкций с опорой на барабан, а не на цапфы.

Для горнодобывающей индустрии развитие крупногабаритных мельниц началось практически одновременно с развитием цементных мельниц. Однако мельницы в горнодобывающей отрасли быстро обогнали цементные мельницы как по диаметру, так и по установленной мощности. Процесс укрупнения размеров мельниц зависит от нескольких факторов, в числе которых можно назвать следующие: наличие спроса на большие мельницы, возможность сокращения капитальных и/или эксплуатационных затрат, а также
уверенность в том, что существующий потенциал проектирования и изготовления мельниц позволит получить приемлемое изделие с минимальным для этого риском.

В данной статье рассматриваются вопросы развития мельниц самоизмельчения/полусамоизмельчения и шаровых мельниц.


Здесь приведен сводный перечень таких мельниц, в подавляющем большинстве случаев изготовленных на предприятиях компании Metso Minerals и являющихся своеобразными ступенями в развитии крупногабаритных мельниц в мире.

Указанный выше перечень требует некоторых комментариев. Первоначальная тенденция укрупнения мельниц самоизмельчения в основном была обусловлена потребностью железорудной промышленности в более экономичной переработке больших объемов руд. Обычные технологические схемы, включающие стержневые/шаровые мельницы, требовали большего количества линий измельчения (и более крупных капитальных затрат), и в тоже время большинство типов железных руд очень хорошо подходило для самоизмельчения и галечного измельчения. Последнее явилось привлекательным с точки зрения экономии мелющих тел и затрат на замену футеровки. Первые мельницы самоизмельчения диаметром 5.49 м, 7.32 м, 9.76 м и 11.0 м (см. выше) были закуплены производителями железорудных концентратов.

Для переработки руд цветных металлов (в основном, меди и золота) мельницы самоизмельчения использовались в меньшей степени до тех пор, пока не стало очевидным, что способ полусамоизмельчения идеален для переработки рудных тел с различными типами руд. Но, несмотря на то, что идеи укрупнить мельницы приветствовались, в течение более двадцати лет в горнодобывающей индустрии диаметр мельниц не выходил за пределы 11.0м до тех пор, пока не произошел скачок на новый уровень размеров. В этот период поставляемые мельницы самоизмельчения и полусамоизмельчения диаметром 11.0 м могли укомплектовываться приводами мощностью от 12000 л.с. / 9955 кВт до 18000 л.с. / 13433 кВт.

Развитие шаровых мельниц попало в застой, который более чем на десятилетие ограничил диаметр шаровых мельниц пределом 5.49 м. Первые мельницы этих размеров не оправдали возлагавшихся на них надежд. Поэтому специалисты-технологи скоропалительно вынесли вердикт, что в больших мельницах количество слоев шаров превышает необходимое для обеспечения эффективной работы мельницы. Как оказалось впоследствии, этот вывод был неправильным.

После того как мельницы достигли и превысили порог мощности 4000 л.с. / 2985 кВт, передаваемой на ведущую вал-шестерню открытой зубчатой пары, в распространение вошли системы сдвоенного привода со скоростными редукторами и асинхронными кольцевыми двигателями. В дальнейшем успешное применение нашли сдвоенные синхронные электродвигатели с системой распределения нагрузки. К семидесятым годам XX века изготовители зубчатых пар подняли мощность, передаваемую на ведущую вал-шестерню, до 6000 л.с. / 4478 кВт. На данный момент в эксплуатации находятся приводы с одной ведущей вал-шестерней мощностью 9500 л.с. / 7090 кВт, и уже спроектирован привод с мощностью 11000 л.с. / 8209 кВт на ведущую вал-шестерню.

Для любой мельницы основными являются такие технологические показатели как пропускная способность и степень измельчения. А способность разработчиков мельниц точно предсказывать их технологические показатели была подтверждена даже для самых крупных мельниц.


Первая мельница полусамоизмельчения диаметром барабана 12.2 м и длиной - 6.71 м с приводом мощностью 26800 л.с. / 20000 кВт, изготовленная Metso Minerals и установленная в Австралии, подтвердила и даже превзошла прогнозы по мощности и эффективности измельчения. Аналогичная, но более длинная мельница, также изготовленная компанией Metso Minerals, в настоящий момент готовится к отправке в Чили. В Индонезии мельница полусамоизмель-чения Metso Minerals диаметром 11.6 м с приводом мощностью 26800 л.с. / 20000 кВт перерабатывала свыше 6000 т/час. На этой же фабрике шаровые мельницы диаметром 7.32 м также оправдали все прогнозы как по их мощности, так и производительности.

Самыми крупными из уставновленных на сегодняшний день шаровыми мельницами являются мельницы Metso Minerals диаметром 7.93 м длиной 11.74 м с безредукторным приводом мощностью 20770 л.с. / 15500 кВт. Это мельницы с опорой на цапфы, заказ на изготовление которых был получен также из Чили (Медное предприятие). Самые крупные в горнодобывающей промышленности шаровые мельницы с центральной разгрузкой имеют диаметр 7.62 м, длину 12.2 м и привод мощностью 18000 л.с. / 13433 кВт. Эти мельницы также выпускаются компанией Metso Minerals и установлены в Чили.

В начале 1990-х годов компания Metso Minerals разработала детальную конструкцию мельницы самоизмельчения диаметром барабана 12.87 м. В настоящее время компания Metso Minerals готова проектировать, изготавливать и поставлять мельницы полусамоизмельчения диаметром 13.4 м с приводом мощностью 36000 л.с. / 26866 кВт, а также шаровые мельницы диаметром 8.23 м с приводом мощностью 22000 л.с. / 16418 кВт. Указанные мельницы находятся в пределах современных возможностей конструирования, изготовления и могут производиться без всякого риска.

Основные узлы крупногаборитных мельниц


Опорные конструкции

Проверенная практикой технология Metso Minerals по изготовлению опорных конструкций существует сегодня для мельниц полусамоизмельчения диаметром 12.2 м и шаровых мельниц диаметром 7.93 м. Современные системы опорных подшипников рассчитаны на удержание массы до 3800 метрических тонн вращающейся мельницы и массы загрузки. Эти конструкции легко экстраполируются для изготовления опорных конструкций мельниц полусамоизмельче-ния диаметром 13.4 м и шаровых мельниц диаметром 8.23 м.

Предпочтительными для крупногабаритных мельниц по-лусамоизмельчения и шаровых мельниц являются самоцентрующиеся гидростатические опорные подшипники. На рисунке показан 4-х сегментный опорный подшипниковый узел с гидростатической смазкой для мельницы самоизмельчения диаметром 12.2 м. Такая конструкция, разработанная компанией Metso Minerals в середине восьмидесятых годов, безупречно работает на многочисленных мельницах полу-самоизмельчения диаметром от 10.4 м до 12.2 м. Такая же конструкция была применена на концептуальных мельницах полусамоизмельчения диаметром 13.4 м с приводом мощностью 36000 л.с. / 26866 кВт.

Указанная конструкция сегментного опорного подшипникового узла никогда не выходила из строя и не требовала замены ни одного из опорных сегментов с момента своего первого внедрения в 1986 году. Данный узел обычно комплектуется:

• гидростатической системой смазки, обеспечивающей снижение потерь на трение;

• смазываемым шаровым шарниром для обеспечения необходимого наклона (поворота) опорного сегмента;

• системой гидравлической регулировки отдельных сегментов;

• гидростатическими опорными пятами.

Имеется особенность, которая делает указанный опорный подшипниковый узел уникальным и наиболее привлекательным для оператора мельниц - гидравлическая регулировка отдельных опорных сегментов, что устраняет необходимость поднимать мельницу для проведения техобслуживания или регулировки. Отдельные опорные сегменты опускаются и демонтируются по мере необходимости.

Сами сегменты, по сути своей, представляют собой гидравлические домкраты, служащие для поднятия или опускания мельницы.

Опорные подшипники имеют довольно простую конструкцию и состоят из баббитовой подушки со сферическим шаровым шарниром, из поршня со стопорной плитой и контргайкой, а также из основания. В стандартной конструкции безредукторной мельницы самоизмельчения/полусамо-измельчения диаметром 10.4 м и 11.0 м с опорой на цапфы диаметром 3353 мм предусмотрены 4-х сегментные коренные подшипниковые узлы, каждый сегмент которых имеет опорную поверхность размером 762 мм 3 763 мм. Для мельницы полусамоизмельчения диаметром 11.6 м и 12.2 м с цапфами диаметром 3810 мм каждый из коренных подшипниковых сегментов имеет опорную поверхность размером 914 мм х 914 мм. Коренные подшипниковые узлы для проектируемых мельниц полусамоизмельчения диаметром 12.8 м и 13.4 м с цапфами диаметром 4420 мм будут укомплектованы сегментами с опорной поверхностью 1067 мм х 1067 мм.


Трехмерная модель иллюстрирует систему смазки, которая подает фильтрованное и охлажденное масло под высоким давлением к опорным сегментам подшипникового узла, и обеспечивает забор масла обратно от пьедестала мельницы для регенерации. Система смазки состоит из системы (контура) низкого давления и системы (контура) высокого давления, которые установлены отдельно на самостоятельные платформы и соединены с главным резервуаром.

Система смазки мельницы имеет следующий принцип работы. В контуре низкого давления масло забирается из отсека загрязненного масла и подается через фильтр 10 микрон в отсек восстановленного масла. В контуре используются основные (рабочие) и резервные насосы, предохранительные клапаны, фильтры и охладители трубчатого типа.

В контуре высокого давления обеспечивается постоянная гидростатическая смазка каждого опорного сегмента по центру и по периферии. Для опорных подшипниковых узлов выделены насосы, как основные, так и резервные. В стандартную комплектацию данного контура входят три насоса предохранительные клапаны, делители потока с поворотным механизмом, датчики потока и давления. Гидравлическая система регулировки опорных подшипников обеспечивает индивидуальную настройку положения отдельных сегментов и смазку шаровых опор для свободного их наклона

Из контура высокого давления масло подается в автономный резервный контур, оснащенный аккумулятором. Данный контур предназначен для подачи масла под высоким давлением к опорным подшипникам в случае экстренной остановки при перебоях энергоснабжения или остановке насосов высокого давления, что позволит произвести останов мельницы без повреждения поверхностей опорных подшипников или цапф.

Таким образом, разработанная компанией Metso Minerals система смазки предназначена для обеспечения высоконадежной непрерывной эксплуатации крупногабаритных мельниц самоизмельчения/полусамоизмельчения с малыми потерями на трение и с минимальным объемом техобслуживания.


Вращающиеся детали


Барабан, крышки и цапфы являются вращающимися деталями, содержащими рабочую загрузку мельницы и на которые монтируются отдельные части привода мельницы. Для удобства отгрузки данные узлы выполняются разборными и поставляются отдельными сегментами. В процессе изготовления барабана каждый его сегмент усиливают дополнительными элементами жесткости для сохранения своей формы при транспортировке. Эти элементы жесткости остаются внутри сегментов барабана до момента их сборки на объекте. Барабан и крышки индивидуально растачиваются на вертикальном токарно-расточном станке с обеспечением минимальных допусков. Сегменты перед демонтажем маркируют для обеспечения правильной сборки на месте эксплуатации мельницы. Специальные профили на круговых стыках обеспечивают соосность при сборке сегментов. Точность изготовления обеспечивается тщательным контролем размерной совместимости всех сопрягаемых деталей. Края продольных фланцев подвергаются механической обработке, а болтовая сборка осуществляется с использованием тарированных болтов, обеспечивающих правильное выравнивание.

На сегодняшний день компания Metso Minerals имеет физическую возможность и готова к изготовлению барабанов и крышек для мельниц диаметром до 13.4 м. Изготовление очень больших мельниц с обычной опорой на цапфы зависит от того, имеется ли возможность отлить и механически обработать цапфу как монолит. Расчеты показывают, что для компании Metso Minerals не будет проблематично изготовить цапфы для мельниц полусамоиз-мельчения с мощностью привода 36000 л.с. / 26866 кВт и шаровых мельниц с мощностью привода 22000 л.с. / 16418 кВт.


Мельничная футеровка


В начале изготовления крупногабаритных мельниц в них использовалась футеровка, конструкция которой была просто перенесена с малых мельниц. На первых мельницах самоизмельчения большого диаметра представлялось возможным использование относительно прочной износостойкой футеровки без риска их повреждения в результате ударных воздействий. Когда для процесса полусамоизмельчения стали добавлять стальные шары диаметром 100 мм и 125 мм, повреждение футеровки стало реальной опасностью. Улучшенное качество стальных сплавов позволяет мельничным фу-теровкам выдерживать удары шаров на мельницах большого диаметра. Акустические датчики системы контроля уровня загрузки, поставляемые вместе с футеровкой, предупреждают оператора мельницы о возможном повреждении футеровки в результате низкого уровня загрузки.

Современное компьютерное моделирование процессов, протекающих внутри барабана мельницы, позволяет компании Metso Minerals оптимизировать конструкцию футеровки для достижения требуемой производительности мельницы, расхода электроэнергии, а также максимально возможного межремонтного периода эксплуатации оборудования.

Приводы

На сегодняшний день для мельниц с приводами мощностью до 21000 л.с. / 15000 кВт в конфигурации «венец зубчатый -ведущий вал шестерня» применяются обычные системы привода со сдвоенном двигателем. В настоящее время в эксплуатации находятся приводы с одной вал-шестерней мощностью 9500 л.с. / 7090 кВт. Такие уровни мощности стали достижимы благодаря применению улучшенных материалов и усовершенствованию методов металлообработки (до уровней стандарта AGMA 1012).

Мельницы полусамоизмельчения безредукторные изготавливаются в настоящее время с приводами мощностью до 36000 л.с. / 26866 кВт. Самые крупные безредукторные приводы, которые находятся сегодня в эксплуатации, установлены на мельницах Metso Minerals. Это мельница полусамо-измельчения диаметром 12.2 м, установленная в Австралии (Кадиа), и мельница полусамоизмельчения диаметром 11.6 м в Индонезии (Фрипорт).
Работа над безредукторным приводом мощностью 26800 л.с. / 20000 кВт для указанных выше мельниц полуса-моизмельчения подготовила компанию Metso Minerals к переходу на новый уровень мощности привода 36000 л.с. / 26866 кВт для одноприводной безредукторной мельницы по-лусамоизмельчения.

Методы проектирования


До начала 1970 годов конструкция больших мельниц была достаточно примитивной. Мельницы самоизмельчения диаметром 9.76 м и 11.0 м, поставляемые в середине 1970 гг., испытывали серьезные конструкционные неполадки из-за которых приходилось менять барабаны. Стало очевидным, что на тот период конструкция мельницы и методы контроля качества были неадекватными. Уже в то время компания Metso Minerals начала применять методы конечных элементов, позже перешедшие в аэрокосмическую промышленность, проектируя вращающиеся детали мельниц. Ни одна из мельниц Metso Minerals, спроектированных после создания в Metso Minerals специальной группы проектировщиков для анализа объектов методом конечных элементов (FEA), не имела поломок в своей конструкции.

Компоненты вращающихся деталей, показанные на рисунке, помечены цветом, отражающим уровни нагрузок, которые получают испытываемые детали при вращении мельницы самоизмельчения диаметром 13.4 м. Эта информация используется для подбора толщины барабана, крышек и цапф мельницы. Толщина подбирается таким образом, чтобы эти уровни нагрузок не выходили за допустимые пределы, установленные на практике для крупногабаритных мельниц. В компании Metso Minerals используемые программы FEA периодически проверяются специализированными сторонними организациями. Тензометрические испытания большого числа крупных мельниц, включая новейшие мельницы полусамоизмельчения диаметром 12.2 м, подтвердили адекватность методов, применяемых компанией Metso Minerals для анализа и контроля качества изготавливаемых конструкций.

Существующие материалы и материаловедение


Для изготовления основных деталей мельниц применяются довольно простые материалы: сварные несущие конструкции, отливки из серого чугуна, ковкого чугуна или стали. Однако по мере укрупнения мельниц увеличивается масса и толщина этих деталей. Такое увеличение может продолжаться до момента (точки), где обычные качества материалов могут изменяться в зависимости от процесса изготовления или размеров деталей. Для того чтобы оценить это изменение свойств в зависимости от размеров, необходимы тщательные испытания материалов. На сегодняшний момент компания Metso Minerals проводит испытания по следующим программам:

• Испытание усталостной прочности сварки в зависимости от толщины.

• Проверка зависимости усталостной прочности чугунных отливок от усадки, дросса, поверхностного песка и шероховатости.

• Исследование развития трещин чугунных отливок.

• Исследование дроссовой трещиностойкости чугуна. Эти исследования и участие в международных исследовательских организациях предоставили возможность инженерам компании Metso Minerals глубже понять тонкости моделирования поведения материалов и вложить больше безопасности в конструкцию крупногабаритных мельниц.

Методы изготовления


Изготовление барабана крупногабаритной мельницы ограничивается размерными и весовыми пределами вертикальных токарно-расточных станков. Кроме того, должна существовать возможность изготовления таких больших деталей не только в одном цехе.

В 2000 году на одном из предприятий компании Metso Minerals был запущен новый большой токарно-расточный станок, предоставивший еще большие возможности, чем тот, который использовался при изготовлении мельницы диаметром 12.2 м. Ниже, в табл., приведено сравнение деталей существующей мельницы полусамоизмельчения размером 40' / 12.2 м 3 22' / 6.71 м с деталями проектируемой мельницы полусамоизмельчения размером 44' / 13.4 м 3 24' / 7.32 м.


Возможности изготовления и обеспечения качества

Существующие производственные мощности и применяемые методы изготовления позволяют компании Metso Minerals обеспечить необходимое качество изготовления деталей для мельниц с номинальным диаметром до 13.4 м.

Не все станочные или литейные производства, привлекаемые для изготовления деталей мельниц, одинаково подходят для крупногабаритных мельниц. Поэтому для оценки реальных возможностей таких предприятий, а также для работы с ними, в компании Metso Minerals существуют группа Структурного анализа элементов мельниц, а также инженерная группа, специализирующаяся в вопросах механической обработки материалов. Первая группа владеет различными методиками испытаний и пониманием их точности при исследовании материалов различной толщины. Вторая инженерная группа определяет изменение точности станочной обработки при изменении массы и баланса масс тяжелых деталей в специальных центрах механической обработки. Вся информация, собранная этими группами, передается в проектный центр Metso Minerals для обсуждения возможности изменений и отклонений в проектируемой конструкции мельницы, которые изначально не прогнозировались.

Выводы


Входя в новое тысячелетие, горнодобывающая промышленность прилагает все силы для того, чтобы удерживать низкие цены на свою продукцию. Новые обогатительные фабрики проектируются таким образом, чтобы минимизировать капитальные вложения и эксплуатационные затраты на тонну продукции и получить абсолютно минимальную цену килограмма извлеченного из руды металла. Для достижения максимального успеха требуется совместная деятельность горняков и обогатителей. Измельчение уже начинается с этапа добычи, и требуется оптимизация взрывных работ для того, чтобы дальнейшие процессы были более эффективными. Применение самых крупных мельниц и максимальное сокращение количества линий измельчения - это реальная возможность добиться наименьших как капитальных затрат, так и эксплуатационных расходов. Использование крупногабаритных мельниц необходимо для успеха производства, а само оборудование должно быть максимально надежно, иметь максимальный коэффициент готовности.

Особое внимание в конструкции мельницы должно быть уделено оптимальному выбору системы футеровки и максимальному сокращению объема работ по техобслуживанию футеровки. Контроль существующих и новых производств позволит внедрять технологии, которые развиваются непрерывно во времени. Такой контроль будет предусматривать применение методов как по стабилизации, так и по оптимизации производства, что сможет поднять производительность до максимального уровня.

Журнал "Горная Промышленность" №1 2007