Кинетические особенности измельчения массивных комплексных руд

К.М. Гумениченко, 2004

УДК 622.7

А.И. Ракаев, П.А. Шумилов, К.М. Гумениченко

КИНЕТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ МАССИВНЫХ КОМПЛЕКСНЫХ РУД

Семинар № 21

~П России, несмотря на ее огромный

-Я-М минерально-сырьевой потенциал, сложилась напряженная ситуация с получением качественного и эффективного сырья для промышленности. В первую очередь это связано с распадом государства, в границах которого в течение длительного времени создавался единый добывающий и перерабатывающий комплекс. В результате этого потребность в целом ряде металлов может полностью удовлетворяться только за счет поставок из-за рубежа.

В то же время существующая минеральная база страны используется неудовлетворительно. Это обусловлено ростом потребностей в сырье, истощением месторождений, усложнением технологии переработки вследствие ухудшения обогатимости сырья. При добыче полезных ископаемых на различных стадиях разработки месторождений более 50% всех потерь приходится на потери при обогащении. Поэтому совершенствование существующих процессов обогащения с целью повышения извлечения полезных компонентов, снижения их энергоемкости и разработка относительно простых и эффективных технологий обогащения руд является актуальной научно-технической проблемой.

Один из путей решения этой проблемы связан с совершенствованием технологий подготовки руд к обогащению. Один из основных процессов рудоподготовки, измельчение, имеет своим назначением разъединение зерен различных минералов, содержащихся в полезном ископаемом, тесно связанных и сросшихся между собой. Чем полнее раскрываются (освобождаются один от другого) минералы при дроблении и измельчении, тем успешнее последующее обогащение полезного ископаемого.

При измельчении любого полезного ископаемого необходимо соблюдать принцип "не измельчать лишнего", т.е. обеспечивать раскрытие ценных минералов при сохранении их

природных размеров. Переизмельчение приводит к излишнему расходу энергии, увеличению износа мелющих тел и мельниц, уменьшению их производительности и, соответственно, ухудшению показателей последующего обогащения. Из всех операций, осуществляемых на обогатительных фабриках, дробление и измельчение наиболее дорогие. Они являются наиболее капиталоемкими, энергоемкими и трудоемкими. Их оптимизация - актуальная задача.

Методической основой исследований является развиваемый в лаборатории № 31 Горного института КНЦ РАН принцип технологической оптимизации рудоподготовки [1], согласно которому задача повышения селективности раскрытия ценных компонентов руды решается одновременно с целенаправленным формированием качественного состава питания и продуктов операций обогащения на всех стадиях переработки руды. При этом большое значение придается исследованиям текстурноструктурных особенностей и физикомеханических свойств перерабатываемого сырья и разработке на этой основе рациональных технологий обогащения.

Основные исследования проводятся для руд Кольского полуострова. Ведь в Мурманской области на площади менее одного процента территории страны сосредоточены крупные и эффективные источники важнейших видов минерального сырья, создан мощный горнопромышленный комплекс, обеспечивающий значительную часть потребностей России во многих видах полезных ископаемых. В частности, в фосфатных рудах, флогопите, вермикулите, ниобии, тантале, редкоземельных металлах (почти 100 %), никеле (45), алюминиевом и керамическом сырье (примерно по 35), кобальте (26), меди (17), железе (10).

При разработке новых и совершенствовании существующих технологий измельчения широко используются результаты изучения за-

кономерностеи сокращения крупности измельчаемого материала. Не менее важными информативными параметрами процесса разрушения руды в механических мельницах являются закономерности измельчения узких классов крупности при одновременном учете изменения в них количества ценных минералов. Переход от оценки измельчаемости руды по характеру изменения величины остатка руды на выбранном сите на изучение поведения частиц руды и минералов в узких классах крупности позволяет выявить роль отдельных классов в формировании всего процесса измельчения руды, а также оценить динамику раскрытия ценных минералов и последовательность вовлечения частиц различных классов в процесс разрушения, установив тем самым момент, при котором дальнейшее извлечение неэффективно. Хотя данный подход позволяет более наглядно наблюдать особенности раскрытия минералов, ему в России уделяется недостаточно внимания. В качестве примера использования такого подхода за рубежом можно привести матричную модель, предложенную в 1956 г. Бродбентом и Каллкоттом [2].

В основу наиболее распространенных теорий измельчения (уравнения В.В. Товарова, А.И. Загустина, К.А. Разумова, О.Н. Тихонова и С.Ф. Шинкоренко [3], [4], [5]), разработанных с позиций формальной кинетики разрушения материала в мельнице, принята линейная зависимость между скоростью измельчения крупного класса (остатка на выбранном сите) и его содержанием Я в мельнице:

&Я

— = -кЯ,

&

Решение уравнения (1) при принятых условиях Г = 0, Я = 0 имеет вид:

Я = Я0 е

- ы

Однако зависимость (1) на практике чаще всего не подтверждается или подтверждается частично. Объясняется это изменением из-мельчаемости остатка, обусловленным гетерогенностью руд, уменьшением размера частиц в процессе помола, наличием в измельчаемом материале кусков разной прочности, условиями измельчения и т.п. Для учета этого факта в формулу (1) вводят различные эмпирические коэффициенты, что в ряде случаев приводит к удовлетворительному описанию опытных данных.

Детальный обзор и анализ существующих уравнений кинетики измельчения показывает, что предложенные уравнения кинетики практически не отличаются от уравнений, разработанных с позиций шарового измельчения, и не отражают такого важного физического свойства процесса помола в стержневой мельнице, как избирательность измельчения по крупности.

В начальный период времени в стержневой мельнице происходит преимущественное разрушение крупных кусков, причем в первую очередь измельчаются менее прочные куски с развитой естественной микротрещинновато-стью. Вследствие этого интенсивность уменьшения всего остатка должна быть незначительной. По мере разрушения крупных кусков возрастает количество частиц промежуточного класса, приближающихся по размеру к верхнему пределу крупности продукта измельчения, увеличивается площадь линейного контакта стержней с частицами, что вызывает повышение скорости измельчения остатка. На этом интервале времени в результате многократных периодических нагружений в крупных кусках происходит накопление повреждаемости, что также способствует увеличению скорости измельчения. При дальнейшем измельчении гранулометрический состав материала становится более однородным по крупности и процесс измельчения должен в большей степени соответствовать зависимости (1).

Учитывая эти особенности, выражение для абсолютной скорости измельчения приводится к виду:

. п ч дЯ Я2

а

0Г Я0

Интегрирование этого выражения при начальных условиях Г^0, Я=Я0 приводит к выражению для расчета содержания остатка:

Я =

-,

С + (к - С)еи

Уравнение (3) более точно отражает физическую сущность стержневого измельчения [1]. Первое слагаемое (СЯ2/Я0) определяет скорость измельчения остатка в начальный период помола, т.е. измельчаемость крупных кусков остатка. По мере их исчезновения влияние коэффициента С на скорость измельчения снижается. Коэффициент к (второе слагаемое) в большей степени определяет интенсивность из-

Таблица 1

МиаЬттошшичения рхпштишеюемдркяаппязмельчения узких классов крупности

№ Хромовая руда Чистый хромит Пустая порода

стержневое шаровое стержневое шаровое стержневое шаровое

ьреми 1 кла -8 0+' 1 ллас : круцниои, мм

М1 0 -8 ’•0+5'А 0+5 0 -5:0+-8,0+5 0 -2 0+0 0+ 5 0 -0.63+0:125 -0.125+0.045

истатки узких ю ассов, %

М2 о -5.0+2 .0 18 39- 5.0+2. > 26.66 - 15.37 - 1-^.0+5.0 -8 0+5.0

1 М3 2 2 клас -2.0+1 са .0 1039 класс 634-2.0+0.( 1 3 20.'23класса 133-5 .0+2.0 25 ійассов 1857§+0.63 “^кйюса 3-Ш2.0 5 йМгсов -51.8ч27 63

3 М4 4 4 клас -1.0+0. са 125 4.°73 класс 2.7-0 .63+0.1 1 25 8^6°классоі 4~5Й0+0.12. 14326іасса 9ї).5>3+0.125 39ойссов -20+Ь . 125 32^^ёса -0.6Ш. 063

5 М5 6 2 клас -0.125+0 :а 045 1832 класс; 1-Й?125+0.( 45 2.'25класса 10<^425 +0.0/ 5 ^Й^ласса -0? 1365+0.045 І'іМсса -0.417+0.045 ЖЖс -0.0Ш. 045

7 0.86 0.57 1.86 46.85 32.30

8 0.59 0.22 1.01 45.13 34.15

9 0.41 0.04 0.54 43.02 35.78

1о 0.28 -0.04 0.28 40.79 37.22

11 0.19 -0.07 0.15 38.55 38.47

12 0.14 -0.08 0.07 36.38 39.59

13 0.09 -0.07 0.04 34.32 40.55

14 0.06 -0.06 0.02 32.38 41.41

15 0.04 -0.05 0.01 30.56 42.16

16 0.03 -0.04 0.01 28.85 42.81

Скорости измельчения, % / мин

0 10.72 2.18 -8.66 -4.35 -5.20

1 5.52 7.68 -1.20 -7.16 -4.48

2 2.94 6.37 3.49 -7.79 -3.88

3 1.72 4.32 4.94 -6.28 -3.37

4 1.08 2.69 4.32 -3.75 -2.94

5 0.70 1.58 3.06 -1.37 -2.57

6 0.47 0.90 1.92 0.35 -2.25

7 0.32 0.48 1.13 1.40 -1.97

8 0.22 0.25 0.63 1.96 -1.73

9 0.15 0.12 0.35 2.20 -1.53

10 0.11 0.05 0.18 2.26 -1.34

11 0.07 0.02 0.09 2.22 -1.19

12 0.06 -0.01 0.05 2.12 -1.04

13 0.04 -0.01 0.02 2.01 -0.92

14 0.02 -0.01 0.02 1.88 -0.80

15 0.01 -0.01 0.01 1.76 -0.70

16 0.01 -0.01 0.00 1.65 -0.61

мельчения частиц промежуточной крупности после исчезновения крупных кусков. Очевидно, С^О, когда измельчается однородный мелкий материал или когда рассматривается из-мельчаемость самого крупного класса в остатке.

Из приведенного материала следует, что изучение закономерностей измельчения относительно узких фракций по крупности является одним из важнейших направлений в разработке общей модели процесса разрушения руды в барабанных мельницах.

Если принять, что каждый остаток более мелкого класса Я+у включает в себя остаток более крупного класса Я+, (при у'<1), то разность (R+j - Я+1) будет представлять собой содержание остатка узкой фракции АЯу в продукте измельчения в момент времени Г. Тогда значение скорости измельчения узкого класса крупности АЯц может быть представлено разностью скоростей измельчения классов +’ и +у:

Я ^ Я ~

а

\ у ’ / у о ] ] ’о 11

Я0 Я0

Значения коэффициентов уравнения (к и с) для различных остатков классов определяются по разработанной в лаборатории расчетной программе. С учетом значений этих коэффициентов выполнялись расчеты скоростей измельчения узких классов крупности руды и изменения количества ценных компонентов в них. Наиболее корректно задача определения коэффициентов уравнения кинетики может быть решена методом наименьших квадратов. Целевая функция имеет вид:

Я2

Я0 к

-)2 = ШШ

,=1 С + (к - С)ек‘-

В последние годы лаборатории № 31 Горного института КНЦ РАН успешно занимается изучением закономерностей разделения хромовых руд севера России, в т.ч. Кольского полуострова. Эти руды имеют большое значение для экономики Мурманской области и народного хозяйства в целом, поскольку после распада СССР в России практически не осталось источников получения хрома.

Наибольший интерес представляет собой Сопчеозерское месторождение хромитов (СМХ). По содержанию хромита на СМХ установлены все известные типы руд, соответствующие общепринятой классификации. Имеются убоговкрапленные, содержащие менее 30 % хромита, редковкрапленные - 30-40 %, сред-невкрапленные - 50-70 %, густовкрапленные -70-90 % и сплошные, содержащие более 90 % хромита.

Для хромовых руд СМХ комплексный подход к изучению структурно-текстурных особенностей руд и кинетики раскрытия минералов в процессе измельчения позволил разработать эффективную технологию их обогащения. Высокая однородность распределения зерен хромшпинелида по их размерам в руде, ярко выраженный идиоморфизм кристаллов и низкая прочность их сцепления с вмещающими минералами являются основными параметрами хромовых руд, определяющими начальную и конечную крупности измельчения, полноту раскрытия ценного минерала, степень его ош-ламования. Повышенная плотность хромита (4.4 - 4.6 г/см3) и концентрация основной его массы в классе крупности более 0.1 мм предопределяет выбор гравитационного способа обогащения. Разнообразие текстур и наличие «мономинеральных» сегрегаций явилось основой применения при обогащении метода тяже-лосредной сепарации, позволяющего получить на начальной стадии кусковые концентраты, являющиеся наиболее ценными продуктами переработки хромовых руд.

Время измельчения, мин

М4

Изучение и учет различий в упругопрочностных свойствах минералов особенно необходимы при выборе начальной крупности измельчения комплексных руд. Именно на этой стадии задается темп извлечения минерала и обеспечиваются необходимые условия для сепарации других ценных компонентов на последующих переделах руды.

При стержневом измельчении хромовых руд экстремальный характер скорости раскрытия основного минерала в узком классе крупности определяется в большей степени избира-

Время измельчения, мин

М2

Время измельчения, мин

М4

Рис. 1. Изменение содержаний остатков

тельностью разрушения (очередностью разрушения кусков по размерам) и размерностью зерен полезного компонента. Благодаря этому отсутствует чрезмерное ошламование хромита, несмотря на его высокое содержание в руде и повышенную хрупкость.

На примере изучения кинетики шарового измельчения массивных хромовых руд (месторождение "Западное", массив Рай-Из, Приполярный Урал) выделены несколько относительно узких фракций руды, отличающихся между собой характером измельчаемости

Рис. 2. Изменение скоростей измельчения промежуточных узких классов крупности титаномагнетит-

ильменитовой руды месторождения Юго-Восточная Гремяха при стержневом измельчении

(табл. 1). Установленные закономерности разрушения частиц отмечаются и при исследовании стержневого измельчения хромовой руды, а также при стержневом и шаровом измельчении пустой породы (дунитов) и чистого хромита (табл. 2). Всего выделены пять фракций измельчения (М1-М5), каждая из которых включает в себя различное число узких классов руды, с повышенной однородностью по измель-чаемости.

Так, при исходной крупности руды -8 мм лишь самый крупный класс (+5 мм) имеет общепринятую линейную зависимость скорости измельчения а+8(Я,1) от его содержания (см. выражение (1) и М1 на рис. 1). В диапазоне размеров частиц от 5 до 2 мм кривая а+2(К,1) имеет четко выраженный максимум, после достижения которого скорость измельчения, как и в случае с классом +5 мм, начинает уменьшаться пропорционально количеству частиц крупностью -5+2 мм (см. М2 на рис. 1).

Более мелкие частицы (-2+0.63 мм) разрушаются несколько иначе (см. М3 на рис. 1). В начальный период времени а+0.63(К,1) имеет отрицательное значение, что свидетельствует о происходящем в этот период в большей степени накоплении частиц данного размера, чем их разрушении. После перехода через нуль кривая скорости достигает максимума, и только с этого момента времени скорость измельчения, достигнув максимума, начинает уменьшаться согласно вышеописанной закономерности разрушения для крупных классов (М1). Процесс измельчения класса -0.63+0.125 мм характеризуется уже двумя максимумами в кривой скорости а+о.125(КД). Первый максимум, характеризующий интенсивность накопления материала в этом классе, достигается в начальный период помола в отрицательной области (1=2 мин.), а второй, по-

казывающий интенсивность разрушения частиц, наступает после перехода кривой а+0.125(К,1) через нуль (см. М4 на рис. 1).

Самый мелкий класс (-0.125+0.045 мм), куда попадает и средневзвешенный размер зерен хромита, в течении всего периода помола (32 минуты) практически не разрушается. Большую часть времени измельчения здесь происходит накопление материала, а в последнюю треть периода помола скорость измельчения даже приближается к нулю (см. М5 на рис. 1).

Отмеченные особенности поведения узких классов определяют колебательный механизм изменения интенсивности сокращения крупности измельчаемого материала, который выражается в чередовании максимумов скоростей измельчения расчетных классов крупности. Эта закономерность наиболее четко проявляется при стержневом измельчении. В качестве примера приведены скорости измельчения ти-тано-магнетитовых руд месторождения ЮгоВосточная Гремяха (рис. 2). Рассмотрены промежуточные классы в диапазоне крупности -1.6+0.2 мм, измельчающиеся по ранее выделенной модели М4. Момент перехода кривой скорости из отрицательной области в положительную означает начало активного измельчения частиц рассматриваемого узкого класса крупности. Момент практически окончательного разрушения более крупного класса (и, соответственно, перехода материала из него материала в мелкие классы) характеризуется максимумом скорости измельчения класса более мелкого. Видно, что узкие классы крупности вовлекаются в процесс измельчения постепенно, по мере разрушения более крупных классов. Таким образом, приведенные данные по измельчаемости узких классов наглядно пока-

зывают, что процесс измельчения в стержневой мельнице осуществляется путем последовательного разрушения узких классов, начиная с самых крупных.

Приведенный механизм разрушения руды и обнаруженные закономерности наблюдаются также при измельчении других руд, в частности, лопаритовых [6] и апатито-нефелиновых [7], существенно отличающихся от хромитовых текстурно-структурными и физикомеханическими свойствами. Следовательно,

1. Ракаев А.И. Оптимизация рудоподготовки при гравитационном обогащении. - Л.: Наука, 1989. -183 с.

2. Линч А.Дж. Циклы дробления и измельчения. Моделирование, оптимизация. Проектирование и управление: Пер. с англ. - М., Недра, 1981. - 343 с.

3. Андреев С.Е., Товаров В.В., Перов В.А. Закономерности измельчения и исчисление характеристик

кроме того, что установленные закономерности могут быть использованы для оптимизации процесса измельчения указанных выше руд, в частности, для выбора и обосновании начальной крупности измельчения, они являются основой для разработки модели кинетики измельчения, которая в максимальной степени соответствовала бы физической сущности процесса разрушения руды в механических мельницах.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

гранулометрического состава. - М.: Гос. научн.-техн. изд-во лит-ры по черной и цветной металлургии, 1959. -437 с.

4. Биленко Л.Ф. Закономерности измельчения в барабанных мельницах. - М.: Недра, 1984. - 200 с.

5. Шинкоренко С.Ф. и др. Справочник по обогащению руд черных металлов. - М.: Недра, 1980. - 527 с.

— Коротко об авторах -------------------------------

Ракаев А.И, Шумилов П.А. — Горный институт КНЦ РАН, Апатиты. Гумениченко К.М. — ОАО "Апатит", Кировск.

-------^

^--------

-------------------------------------------- © П.К. Федотов, 2004

УДК 621.926.5 П.К. Федотов

РАЗРУШЕНИЕ МАТЕРИАЛА В ВАЛКОВЫХ МЕЛЬНИЦАХ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Семинар № 21

Дезинтеграция горных пород осуществляется с разными целями. Для получения щебня например требуется уменьшить исходный кусок в необходимое число раз. При этом кусок рассматривается как однородный, изотропный объем материала. В обогащении дезинтеграция имеет совершенно другое назначение. Основная ее задача освободить ценный компонент от пустой породы, раскрыть его.

Новым способом при рудоподготовки является разрушение руды в слое материала подающегося между прокатными валками. Схема реализации разрушения разработана К. Шенертом и достаточно проста. Основным достоинством валковых мельниц высокого давления (ВМВД) является возможность регулирования воздействия на разрушаемую частицу материала.