Закономерности измельчения бедных медно-никелевых руд в барабанных мельницах

Ракаев А.И., Шумилов П.А. Закономерности измельчения бедных медно-никелевыхруд... УДК 622.73.764

Закономерности измельчения бедных медно-никелевых руд в барабанных мельницах

А.И. Ракаев, П.А. Шумилов

Горный институт КНЦРАН

Аннотация. В работе приведены результаты исследований измельчаемости пробы бедной медно-никелевой руды, показаны различия в поведении узких классов крупности при стержневом и шаровом помоле, выделены характерные механизмы разрушения этих классов, приведена оценка затрат энергии на измельчение. На основании полученных данных обоснован выбор двухстадиальной схемы измельчения со стержневой мельницей в первой стадии, и шаровой - во второй, для рациональной подготовки руды к флотации.

Abstract. The paper presents the investigation results of grindibility of copper-nickel ore sample, differences in the behavior of narrow grain size categories using rod and ball mill grinding. The characteristic mechanisms of destruction of the categories have been identified; the energy input on grinding has been estimated. Basing on the obtained data the choice of a two-stage scheme of grinding with rod mill at the first stage, and the ball mill at the second one for efficient ore preparation for flotation has been substantiated.

Ключевые слова: измельчение, рудоподготовка, стержневая мельница, шаровая мельница, двухстадиальное измельчение Key words: grinding, ore preparation, rod mill, ball mill, two-stage grinding

1. Введение

В последнее время наблюдается тенденция к усложнению технологических процессов и повышению затрат на обогащение полезных ископаемых. Это связано в первую очередь с исчерпанием ресурсов, вовлечением в разработку бедных, труднообогатимых и труднодоступных месторождений, а также отвалов. В период глобального финансового кризиса ситуация лишь обострилась. Снизившийся спрос на продукты добычи и переработки полезных ископаемых напрямую влияет на экономическую эффективность технологий обогащения.

Процессы рудоподготовки (дробление, измельчение и грохочение) занимают среди всех обогатительных процессов особое место, являясь наиболее энергоемкими, металлоемкими и трудоемкими. На них, по некоторым данным, приходится до 50 % потерь при обогащении. Таким образом, оптимизация процессов рудоподготовки в целом и измельчения в барабанных мельницах в частности является актуальной научно-технической задачей.

Для исследования закономерностей измельчения в барабанных мельницах в нашей стране традиционно применяется интегральный подход - изучение кинетики измельчения остатка на сите. Данная методика, при ее распространенности и изученности, тем не менее, обладает определенными недостатками. Подобный подход дает мало информации о поведении в процессе помола узких классов крупности. А эта информация зачастую необходима для оценки раскрытия ценного компонента и разработки технологий рудоподготовки, позволяющих достичь оптимальных показателей без переизмельчения и излишнего ошламования.

За рубежом для оценки измельчаемости узких классов крупности используется также матричная модель дробильно-измельчительных процессов (Broadbent, Callcott, 1956). В России исследователи чаще опираются на кинетическую модель, имеющую в своей основе уравнение кинетики Разумова (Андреев и др., 1959). Используемый нами подход совмещает два вышеупомянутых - базируется на усовершенствованном уравнении Товарова, более точно отображающем характер измельчения в стержневых мельницах (Ракаев, 1989), но при этом позволяет определять закономерности сокращения крупности частиц в узких классах крупности, оценить интенсивность раскрытия в них ценных компонентов и установить очередность их вступления в процесс измельчения.

2. Исследование закономерностей измельчения

Используемое в исследованиях модифицированное уравнение кинетики Разумова (в дифференциальной форме) выглядит следующим образом:

a

где Я0, Я - содержание остатка руды на выбранном сите (расчетный класс) в начальный момент времени и в текущий момент времени t, %; к - относительная скорость измельчения, характеризующая измельчаемость мелких классов остатка в данный момент времени, 1/с; С - коэффициент, характеризующий измельчаемость более крупных классов, 1/с.

Для оценки интенсивности изменения количества ценного компонента (скорости раскрытия) в расчетном классе крупности использовалась формула аналогичная (1):

а(е^) = de/dt = Се- (е2/е0) - кее,

где ке, Се - коэффициенты, характеризующие удельные скорости (интенсивности) изменения количества ценного компонента в мелких и крупных классах остатка; е0, е - количество ценного компонента в расчетном классе в начальный и текущий момент времени соответственно, %.

Поведение узких классов крупности исследовалось на примере измельчения бедной медно-никелевой руды в стержневой и шаровой мельницах (рис. 1).

Стержневое

Шаровое

Рис. 1. Скорости измельчения узких классов крупности в стержневой и шаровой мельницах

При стержневом измельчении в начальный период времени (/я = 0-4 мин) разрушаются частицы только двух самых крупных классов -10+8 мм и -8+5 мм. Скорости их измельчения в начальный момент времени (0 = 0 мин) составляют соответственно 6.8 %/мин и 30.9 %/мин. Именно эти классы задают темп стержневого измельчения.

В остальных классах скорости измельчения имеют отрицательные значения. Это свидетельствует о том, что в них в этот период интенсивнее происходит накопление материала за счет продуктов разрушения крупных классов, нежели разрушение. Это относится к классу -5+3 мм, который менее чем через t = 0.3 мин вступает в процесс разрушения. Затем в этот процесс вступают следующие классы: -3+2 мм и -2+1 мм. Происходит это в момент исчезновения частиц крупных классов -10+8 мм и -8+5 мм. В этом интервале времени в классах мельче 1.6 мм накопление материала превалирует над процессами разрушения. Время, после которого процесс разрушения начинает превышать накопление в более мелких классах, составляет: -3+2 мм - 1.5 мин; -2+1 мм - 3 мин; -1.6+1 мм и -1+0.63 мм - 2.5 мин, и т.д. Только в классах мельче 0.1 мм на всем интервале времени (к = 32 мин) накопление материала превышает разрушение.

Аналогично происходит разрушение руды и в шаровой мельнице, но его интенсивность гораздо ниже. Здесь крупные классы -10+8 мм и -8+5 мм исчезают только к 16 мин, тогда как в стержневой мельнице это происходит через 4 мин от начала измельчения. В дальнейшем активно разрушается только фракция крупностью -5+3 мм (от ^ = 0.5 мин до = 32 мин). Скорость измельчения этого класса достигает максимального значения около 3 %/мин при t = 2 мин. В то же время в стержневой мельнице эта фракция измельчается со скоростью 15 %/мин при t = 1 мин.

Вопреки ожиданию, в шаровой мельнице частицы мельче 0.4 мм имеют отрицательную скорость на всем интервале времени измельчения (к = 128 мин). Начиная с t = 8 мин, когда исчезают самые крупные классы (-10+8 мм и -8+5 мм), процесс разрушения активно поддерживается за счет классов промежуточной крупности: -2+1.6 мм, -1.6+1 мм и -1+0.63 мм до t = 64 мин. На конечном интервале времени, начиная с t = 64 мин до t = 128 мин, измельчаются только частицы класса -1.6+1 мм со скоростью около 0.05 %/мин и класса -0.63+0.4 мм со скоростью несколько большей (0.10-0.15 %/мин).

Приведенный анализ измельчаемости узких классов крупности проявляется во всех опытах, и он достаточно убедительно показывает, что почти 50 % времени в шаровой мельнице материал практически не измельчается. В стержневой же мельнице во вторую половину периода измельчения (1 = 16-32 мин) процесс измельчения поддерживается частицами класса -0.63+0.4 мм и -0.4+0.2 мм, причем наибольшую скорость измельчения имеет класс -0.4+0.2 мм. Скорость разрушения в среднем равна 1.5 %/мин, что на порядок больше, чем при шаровом измельчении во второй половине периода, а также за счет измельчения классов -0.2+0.16 мм и -0.16+0.1 мм (средняя скорость 0.25-0.4 %/мин).

Отчетливо проявляются преимущества стержневой мельницы: к моменту времени t = 32 мин выход кл. -0.071 мм достигает 59.26 % (см. табл. 1). В шаровой же мельнице к этому времени содержание кл. -0.071 мм достигает всего 26.79 % (см. табл. 2).

Таблица 1. Кинетика измельчения руды в стержневой мельнице

Класс крупности, мм Выход классов крупности, %

0 0.5 1 2 4 8 16 32 64 128

+10 0.66 0.26 0.17 - - - - - - -

-10+8 2.34 0.77 0.69 0.11 - - - - - -

-8+5 30.66 16.63 12.68 2.57 - - - - - -

-5+3 31.74 31.49 25.46 12.69 0.54 - - - - -

-3+2 10.10 16.00 18.30 22.29 5.85 - - - - -

-2+1.6 5.61 7.05 8.25 12.21 12.51 - - - - -

-1.6+1 5.50 7.73 9.38 13.34 21.14 1.27 - - - -

-1+0.63 3.85 5.71 6.90 10.23 16.95 4.84 - - - -

-0.63+0.4 2.51 3.68 4.82 6.84 11.58 28.09 1.02 - - -

-0.4+0.2 3.06 4.18 5.32 7.60 12.24 27.52 29.16 1.12 - -

-0.2+0.16 0.55 0.81 1.04 1.50 2.47 4.65 9.79 3.68 - -

-0.16+0.1 1.25 1.71 2.20 3.14 5.15 10.19 19.51 21.20 - -

-0.1+0.071 0.60 0.88 1.14 1.56 2.64 5.03 9.11 14.74 - -

-0.071+0.045 0.63 0.92 1.23 1.83 2.99 5.61 10.06 16.44 - -

-0.045 0.94 2.18 2.43 4.09 5.94 12.80 21.35 42.82 - -

Прод. класс -0.071 мм 1.57 3.10 3.66 5.92 8.94 18.41 31.41 59.26 - -

Таблица 2. Кинетика измельчения руды в шаровой мельнице

Класс крупности, мм Выход классов крупности, %

0 0.5 1 2 4 8 16 32 64 128

+10 0.66 0.41 0.37 0.36 0.30 0.21 0.19 0.15 0.12 0.07

-10+8 2.34 1.69 1.14 0.97 0.93 0.75 0.40 0.26 0.06 0.06

-8+5 30.66 20.50 20.09 16.52 12.68 11.47 2.46 2.17 0.74 0.72

-5+3 31.74 31.98 27.77 29.09 23.71 18.78 2.81 1.33 0.81 0.76

-3+2 10.10 14.64 17.95 15.90 15.31 15.55 4.98 1.23 0.72 0.63

-2+1.6 5.61 6.37 5.96 6.21 7.42 7.22 6.28 1.71 0.51 0.92

-1.6+1 5.50 6.49 6.58 7.09 7.90 8.15 9.19 4.57 1.13 1.48

-1+0.63 3.85 4.79 5.24 5.56 6.44 6.65 8.26 7.91 2.66 2.46

-0.63+0.4 2.51 3.34 3.88 4.51 5.32 5.78 15.00 11.34 4.87 5.78

-0.4+0.2 3.06 3.91 4.26 5.24 6.94 8.04 8.58 18.19 17.82 15.09

-0.2+0.16 0.55 0.71 0.82 1.04 1.40 1.94 4.16 5.22 5.99 4.09

-0.16+0.1 1.25 1.66 1.84 2.28 3.39 4.21 10.12 12.28 13.98 11.26

-0.1+0.071 0.60 0.80 0.95 1.20 1.73 2.22 5.49 6.85 7.58 6.96

-0.071+0.045 0.63 0.96 1.04 1.39 2 14 2.70 6.93 8.77 9.53 9.72

-0.045 0.94 1.73 2.12 2.63 4.40 6.32 15.15 18.03 33.49 40.01

Прод. класс -0.071 мм 1.57 2.69 3.16 4.02 6.54 9.02 22.08 26.79 43.02 49.73

Даже к конечному времени ^ = 128 мин) содержание кл. -0.071 мм составляет около 50 %, тогда как для данных руд оптимальная крупность составляет не менее 90 % кл. -0.071 мм. Добиться такой крупности помола возможно путем перехода на двухстадиальное измельчение при использовании стержневой мельницы в I стадии.

Время измельчения руды в мельницах можно выбрать исходя из данных, приведенных на рис. 1. Отчетливо видно, что при t = 4 мин частицы крупнее 2 мм практически измельчены. Для стержневой мельницы оптимальная крупность помола руды составляет около 2 мм. Этот режим достигается в момент исчезновения основной массы крупных классов. По времени это составляет около t = 5 мин (см. рис. 1). В этот момент в процесс разрушения начинают активно вовлекаться классы руды мельче 2 мм. Благодаря этому режиму успешно достигается основная цель измельчения: содержание продуктивного кл. -0.071 мм в продукте конечного измельчения (разгрузке шаровой мельницы) составляет более 90 %. Время достижения данной крупности составляет t = 128 мин. При этом в I стадии используется стержневая мельница ^ = 5 мин), в которой руда измельчается до крупности -2 мм (табл. 3).

Таблица 3. Результаты двухстадиального измельчения

Класс крупности, мм Выход классов крупности, %

Исх. руда I стадия II стадия

0 5 2 4 8 16 32 64 128

+10 0.66 - - - - - - - -

-10+8 2.34 - - - - - - - -

-8+5 30.66 - - - - - - - -

-5+3 31.74 - - - - - - - -

-3+2 10.10 - - - - - - - -

-2+1.6 5.61 1.50 1.10 0.59 - - - - -

-1.6+1 5.50 14.29 9.77 3.73 0.63 - - - -

-1+0.63 3.85 24.50 20.91 13.87 3.79 - - - -

-0.63+0.4 2.51 16.78 18.25 20.51 13.19 1.27 - - -

-0.4+0.2 3.06 17.28 19.61 24.18 30.74 22.07 3.43 - -

-0.2+0.16 0.55 3.07 3.56 4.68 6.63 8.98 5.00 1.33 -

-0.16+0.1 1.25 6.73 7.83 9.72 13.19 19.53 19.98 9.48 3.21

-0.1+0.071 0.60 3.41 3.88 4.68 6.76 9.04 13.42 12.64 6.23

-0.071+0.045 0.63 3.65 4.27 5.10 7.58 10.37 15.96 18.76 16.24

-0.045 0.94 8.80 10.81 12.92 17.49 28.74 42.21 57.80 74.32

Прод. класс -0.071 мм 1.57 12.46 15.08 18.02 25.06 39.11 58.18 76.55 90.56

Как видно из табл. 3, содержание кл. -0.071 мм более 90 % в конечном продукте (разгрузке шаровой мельницы) достигается за то же время ( = 128 мин), при котором при одностадиальной схеме содержание кл. -0.071 мм составляет всего 50 % (см. табл. 2).

Приведенные результаты убедительно показывают, что только переход на двухстадиальное измельчение, при котором полностью проявляются преимущества стержневой мельницы (первоочередное разрушение крупных кусков и подготовка материала к измельчению в шаровой мельнице), позволяет достичь требуемых результатов.

Выполнена сравнительная оценка энергозатрат при одностадиальном (табл. 4) и двухстадиальном измельчении.

Таблица 4. Энергозатраты при одностадиальном измельчении

Время измельчения, мин Энергозатраты на измельчение, кВт*ч/т

стержневое шаровое

Т = 0.5 40.27 29.66

Т = 1 58.92 41.73

Т = 2 56.61 54.18

Т = 4 66.86 53.55

Т = 8 58.51 71.40

Т = 16 66.03 51.85

Т=32 68.30 84.30

Т = 64 - 102.60

Т = 128 - 176.61

При двухстадиальном измельчении для первой стадии оценивались энергозатраты на измельчение исходной руды до содержания 90 % крупности -2 мм (в стержневой и шаровой мельницах). Для стержневой мельницы они составили 7.84 кВт*ч/т (Т = 5 мин), для шаровой -30.22 кВт*ч/т (Т = 32 мин). При этом энергозатраты на измельчение в течение 128 минут в шаровой мельнице после стержневой составили 131.81 кВт*ч/т, а на измельчение в течение того же периода времени после шаровой - 336.63 кВт*ч/т. Кривые удельной производительности и энергозатрат приведены на рис. 2.

Рис. 2. Показатели шарового измельчения во II стадии, при использовании на I стадии стержневой мельницы

Таким образом, отчетливо видна эффективность схемы двухстадиального измельчения с использованием в первой стадии стержневой мельницы. За меньшее время и с меньшими затратами энергии исходная руда доводится до крупности более 90 % класса -2 мм. Дальнейшее измельчение руды в шаровой мельнице позволяет наработать при минимальных энергозатратах необходимое для флотации количество класса -0.071 мм (90.56 % против 49.73 %, см. табл. 2 и 3).

3. Заключение

Проведенные исследования продемонстрировали различия в измельчаемости узких классов бедной медно-никелевой руды в шаровой и стержневой мельницах. Показано, что в стержневой мельнице в первую очередь разрушаются крупные куски, и скорость измельчения в целом заметно выше, чем в шаровой.

Выделены три основные группы классов: в крупных фракциях происходит преимущественно разрушение руды, в мелких - накопление, в промежуточных классах крупности кривые скоростей

измельчения имеют экстремальный характер. В этих классах накопление сменяется разрушением (на графике - переход из отрицательной области значений в положительную область), четко прослеживается последовательное вовлечение узких классов в процесс измельчения.

По результатам исследований, можно сделать вывод, что стержневое измельчение представляется более эффективным способом подготовки руды к окончательному измельчению руды перед флотацией. Однако даже стержневой помол не дает возможности быстро довести руду до требуемого содержания продуктивного класса. В связи с этим, целесообразным представляется использование двухстадиального измельчения со стержневой мельницей на первой стадии, позволяющей быстро разрушить крупные куски, и дальнейшим доведением руды до нужной крупности в шаровых мельницах.

Литература

Broadbent S.R., Callcott T.G. A matrix analysis of processes involving particle assemblies. Phil. Trans. R. Soc.

Lond, Ser.A, v.249, p.99-123, 1956. Андреев С.Е., Товаров В.В., Перов В.А. Закономерности измельчения и исчисление характеристик

гранулометрического состава. М., Металлургиздат, c.284-292, 1959. Ракаев А.И. Оптимизация рудоподготовки при гравитационном обогащении. Л., Наука, c.16-21, 1989.