Разработка научных и методологических основ повышения производительности мельниц рудного самоизмельчения

Машиностроение и машиноведение

Росойл-500 (Ксм = 0,089), Аквол-6 (Км = 0,089) и Экол-Б2 (Ксм = 0,096).

Выводы

1. В работе выполнены экспериментальные исследования смазочного действия испытанных СОЖ. Представленные результаты позволяют подобрать наиболее эффективную марку СОЖ для черновой обработки алюминиевых сплавов.

2. Результаты работы будут особенно полезны при производстве деталей авиационной техники, так как к авиационным деталям предъявляют повышенные требования по качеству и точности обработки.

3. Применение эффективной СОЖ обеспечивает максимально возможное снижение трения и средней температуры резания, что приводит к продлению срока службы инструмента, снижению сил резания, уменьшению шероховатости поверхности, повышению точности обработки.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Чернобай С.П. Разработка и исследование ресурсосберегающих технологий обработки металлов резанием для производства деталей летательных аппаратов : дис. ... канд. техн. наук : 05.07.02 / С.П. Чернобай. Комсомольск-на-Амуре, 2004. 154 с.

2. Евсеев Д. Г., Попов А. Ю. Измерение сил резания при токарной обработке : метод. указ. к лаборат. работе по дисц. «Резание металлов». М. : МИИТ, 2006. 34 с.

3. Косилова А.Г. Мещерикова Р.К. Справочник технолога-машиностроителя. В 2 т. М. : Машиностроение, 1986. 496 с.

4. Шашин А.Д. Исследование влияния СОЖ на процесс взаимодействия инструмента и заготовки при обработке металлов резанием : дис. ... канд. техн. наук : 05.03.01 / А.Д. Шашин. М., 2003. 118 с.

5. Латышев В.Н. Повышение эффективности СОЖ. М. : Машиностроение, 1975. 88 с.

УДК 669.71:502.3 Дружинина Татьяна Яковлевна,

к. т. н., доцент кафедры сопротивления материалов и строительной механики, Иркутский национальный исследовательский технический университет, тел. 89500664707, e-mail: dr@istu.edu

Шахрай Сергей Георгиевич, к. т. н., доцент кафедры техносферной безопасности горного и металлургического производства ИЦМиМ, Сибирский федеральный университет, тел. 8-908-2025567, e-mail: shahrai56@mail.ru

Гронь Вера Александровна, к. т. н., доцент кафедры техносферной безопасности горного и металлургического производства ИЦМиМ, Сибирский федеральный университет, тел. 8-913-5192680, e-mail: gronva@mail.ru

РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ МЕЛЬНИЦ РУДНОГО САМОИЗМЕЛЬЧЕНИЯ

T. Y. Druzhinina, S. G. Shahrai, V. A. Gron

DEVELOPMENT OF SCIENTIFIC AND METHODOLOGICAL BASIS FOR INCREASING THE PRODUCTIVITY OF THE ORE AUTOGENOUS GRINDING MILLS

Аннотация. В статье проведено исследование характеристик оптимальных соотношений мельниц рудного самоизмельчения. Определены экспериментальные данные, позволяющие определить оптимальное соотношение расстояния между лифтёрами и их высот. С этим тесно связана величина относительной частоты вращения барабана мельницы. Если мельница оснащена гладкой футеровкой, то оптимальная величина относительной частоты вращения близка к критической, а именно находится в пределах 0,9-1,0 от критической частоты вращения. Полученным оптимальным параметрам ребристой футеровки соответствует относительная частота вращения барабана мельницы 0,75-0,80 от критической частоты вращения. Мельница переходит в оптимальный кинематический режим работы. При этом, как показали последующие исследования, наблюдается рост удельной производительности по расчётным классам крупности. Дальнейшее увеличение высоты лифтёров оказывает тормозящее влияние на отрыв рудных обломков и их полёт по параболической траектории.

Ключевые слова: рудное самоизмельчение, мельницы рудного самоизмельчения, конструкция мельницы, механические свойства, методы управления комплексом измельчения.

Abstract. The article investigates the characteristics of the optimal ratios of ore autogenous grinding mills itself. Experimental data is defined to determine the optimal ratio of the distance between the lifters and their height. Closely tied to this is the relative frequency of rotation of the mill drum. If the mill is equipped with a smooth lining, then the optimal value of the relative speed is close to the critical one, namely, is in the range of 0.9-1.0 of the critical speeds. The resulting optimal parameters of ribbed lining correspond to the relative frequency of rotation of the mill drum 0,75-0,80 of the critical speeds. Mill goes into optimal kinematic mode. However, later research showed that there is increase of the specific productivity for settlement classes. Further increase of the height of the lifters has an inhibiting effect on the separation of ore fragments and their flight on a parabolic trajectory.

Keywords: ore selfgrinding, ore selfgrinding mills, mill design, mechanical properties, methods of managing complex grinding.

Введение

Отечественные и зарубежные исследователи справедливо указывают на чёткую зависимость величины производительности мельниц от их геометрических размеров: В - диаметра, Ь - длины и от отношения ВхЬ. Одни, оценивая влияние длины барабана, считают, что [1] — = —, другие по-

02

лагают, что приведённое соотношение производительности Q и длины Ь допустимо лишь при ориентировочных расчётах [2]. За последние 20 лет объёмы мельниц, выпускаемых отечественной и мировой промышленностью, увеличились в 3-5 раз. В связи с тенденцией к увеличению размеров барабанных мельниц большое значение имеет определение конструктивных размеров и параметров мельниц, в частности, рационального отношения диаметра В к длине Ь барабана мельницы, при котором достигаются наиболее эффективное использование её рабочего объёма Жм, максимальная производительность по готовому классу рудопод-готовки при допустимой степени переизмельчения материала и минимальных капитальных, энергетических и эксплуатационных затратах.

Ряд отечественных учёных [3] утверждают, что увеличение рабочего объема мельницы должно достигаться удлинением барабанов до соотношения ЬхВ = 1,4-1,7 или ВхЬ = 0,7x0,59. С. Ф. Шинкоренко рекомендует отношение ВхЬ = 1,1x0,91. В России по ГОСТ 10141-81 для шаровых мельниц с решеткой значение ВхЬ=1,4х0,7. За рубежом крупные шаровые мельницы имеют соотношение ВхЬ=0,7х0,6 (фирма «Алис-Чалмерс», США), а на фабрике «Эвелет» (США) работают шаровые мельницы той же фирмы с ВхЬ=0,4. Каких-то закономерных ограничений отношения ВхЬ нет. До сих пор не ясно, какое влияние оказывает на оптимальное соотношение диаметра и длины мельницы ряд параметров. В работе «Техника конструирования бесшаровых мельниц» показано, что для мельниц первичного рудного самоизмельчения оптимальным отношением диаметра мельницы к её длине равно ВхЬ=3х1. С этими данными [4-6] согласен Р. Г. Хуки, который при этом отмечал, что разработанная форма мельниц «Аэрофол» и «Каскад» соответствует работе на докритических скоростях. Для работы на сверхкритических скоростях длина барабана должна быть увеличена и желателен при этом переход к ВхЬ=1х1 до 2^1. К этому мнению пришли на железнорудной фабрике «Mu-i-Pana» (Норвегия), на фабрике «Vmtgarn» (Швеция). Но данных по обоснованию выбора мельниц с отношением

ВхЬ=1х1 в литературных публикациях нет. В России полупромышленные образцы были изготовлены институтом «Механобр» и «Механобрчермет», НКГОКом и комбинатом «Балейзолото» с отношением диаметра к длине, равным трём. С таким же отношением изготовлены первые опытно -промышленные мельницы МБ 70-22 и ММС 7023. Размерный ряд на изготовление мельниц первичного мокрого рудного самоизмельчения был составлен также с отношением диаметра к длине, равным трём: ММС 50-18, ММС 70-23, ММС 9030 и ММС 105-38.

При изучении кинематики процесса рудного самоизмельчения определено, что при гладкой футеровке работа рудной загрузки характеризуется приливно-отливными толчкообразными колебаниями. Для предотвращения этого необходимо изменить величину коэффициента сцепления руды с футеровкой и тем самым между различными слоями загрузки. Этого можно достигнуть двумя путями: либо постоянно поверхность гладкой футеровки обеспечивать шероховатой поверхностью, используя для этого в качестве футеровки каменное литьё из базальта или из самого перерабатываемого материала, либо установить ребристую, волнистую или иного профиля футеровку [7-8]. При использовании ребристой футеровки, как конструктивно наиболее простой, необходимо обеспечить оптимальную высоту и оптимальное число лифтёров. С целью определения оптимальной величины высоты и числа лифтеров выполнена кино-фотосъёмка работы модели мельницы через прозрачную стеклянную торцевую крышку. Относительная частота вращения барабана мельницы была принята у = 0,75 от критической частоты.

Установка двух, а затем четырёх лифтёров заметно ослабляет колебания и сегрегацию по крупности в вертикальной плоскости рудной загрузки.

При этом наблюдаются отдельно редкие толчки без чёткой и выраженной периодичности, что в свою очередь свидетельствует о еще недостаточном количестве лифтёров ребристой футеровки.

Вестон [9-10] утверждал, что число лифтёров в мельнице рудного самоизмельчения должно определяться из условия свободного размещения максимальных по крупности рудных обломков между лифтёрами. Тогда при диаметре мельницы 2,0 м и размере максимальных рудных кусков 200 мм число лифтёров должно быть 32-30 шт. Сокур [11-13] отмечает, что для промышленной мельницы рудного самоизмельчения производительно-

Машиностроение и машиноведение

стью 80 т/ч оптимальными величинами являются высота лифтёров 170 мм при их шаге 450 мм. Это значит, при относительной высоте лифтёров 0,07 от диаметра мельницы число их должно быть равно 44 шт. Установка в моделях мельницы шести лифтёров уже показывает дальнейшую стабилизацию работы рудной загрузки. При восьми и десяти лифтёрах наблюдается наиболее стабильная и ритмичная в кинематическом отношении работа рудной загрузки в мельнице. Дальнейшее увеличение числа лифтёров при их постоянной высоте, равной 0,04 от диаметра мельницы, резко снижает сегрегацию рудного материала по крупности в вертикальном направлении, усиливает перемешивание всей массы рудной загрузки, но при этом наблюдается возникновение и усиление эффекта «протаскивания» рудной загрузки. Это нарушает кинематику полёта обломков руды, уменьшает скорость соударения и силу удара кусков руды при максимально заниженном эффекте износа трением. При 16 лифтёрах работа мельницы напоминает работу барабанного перемешивателя сыпучих материалов. С другой стороны, футеровка с числом лифтёров более 16 напоминает известную самофутерующуюся футеровку типа «Осборн». Рудные обломки и зёрна забивают межлифтёрные пространства, искусственно уменьшая диаметр мельницы, при этом её футеровка вновь приближается к гладкой футеровке с повышенной шероховатостью. При установке оптимального числа лифтёров 8-10 шт., но с разной величиной их высоты, то есть от гладкой, когда высота лифтёров Н = 0, до их соединения в центре мельницы, наблюдается следующее (рис. 1).

При изменении высоты лифтёров от нуля до 0,04 от диаметра мельницы постепенно ослабляются сегрегация загрузки по крупности и её колебательные движения.

Мельница переходит в оптимальный кинематический режим работы. При этом, как показали последующие исследования, наблюдается рост удельной производительности по расчётным классам крупности. Дальнейшее увеличение высоты лифтёров оказывает тормозящее влияние на отрыв рудных обломков и их полёт по параболической траектории.

Здесь также наблюдается эффект «протаскивания» рудного материала, резкое нарушение распределения доли участия разрушающих сил. В этом случае работа мельницы переходит в режим плохого смесителя. Можно принять оптимальным число лифтёров Пл = 8-10 шт. и их высоту Нл = 0,04В от диаметра мельницы. Отношение при этом расстояния между лифтёрами лВ/п к их высоте равно 9,8-7,6. (рис. 2). Приведём сравнение диапазонов изменения величины коэффициента трения рудных обломков между слоями и футеровкой: при оптимальных параметрах ребристой футеровки /= 0,83-0,67 соответственно для внутреннего и наружного слоёв и при гладкой футеровке f= 1-0,40. Видимо, диапазон изменения величины коэффициента трения должен быть также оптимальным [14]. Коэффициент трения не должен быть одинаков для всех слоёв загрузки, и в то же время величина коэффициентов трения не должна сильно отличаться для внутреннего и наружного слоёв.

Лифтёры футеровки устанавливаются ради-ально, но в процессе износа рабочая поверхность их снашивается и приобретает угол наклона у к радиусу. Учёт влияния угла наклона рабочей поверхности лифтёров на кинематику движения рудного материала имеет большое значение для регулировки режимов работы мельниц рудного самоизмельчения. Из условия равновесия сил, действующих вдоль радиальной линии на рудный обломок, имеем:

2У12

+ / 8т(аг - у) X 008 у = С08(аг - у) X 008 у,

Рис. 1. Влияние числа лифтеров высотой 0,04 от диаметра модели мельницы = 0,5^0,17 м на её производительность по расчётному классу крупности: 1 - 1 мм, 2 - 0,5 мм, 3 - 0,2 мм, 4 - 0,1 мм, 5 - 0,074 мм

где V - окружная скорость вращения; g - ускорение силы тяжести; f - коэффициент трения рудного обломка о материал лифтёра;

а, - угол отрыва рудного обломка от круговой траектории;

у - угол наклона поверхности лифтёра.

ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения

Рис. 2. Влияние высоты лифтеров при числе лифтеров 8 шт. ребристой футеровки модели мельницы = 0,5^0,17 м на её производительность по расчётным классам крупности: 1 - 1 мм, 2 - 0,5мм, 3 - 0,2 мм, 4 - 0,1 мм, 5 - 0,074 мм

О. И. Мосин предложил зависимость между частотой вращения барабана мельницы п, об/мин, и углом отрыва рудных обломков от круговой траектории

п = 30 <

, cos у ' D

[cos(a. -у)- f sin(a. -у)]

Очевидно, при а! = у и а! = 0 частота вращения барабана мельницы должна быть соответственно равна:

па=у = 30

л0,5

2 cos у D

Пх=0 = 30

2(cos2 у - f sin ух cos у D

а при n = 0, tg(x; - у) = 1f откуда Xi = arc tg(1f) + у. Из этого видна нелинейность зависимости угла схода материала с круговой траектории от частоты вращения барабана мельницы [15]. При неизменных Di, n и f угол отрыва материала от круговой траектории увеличивается с возрастанием износа лифтёров, то есть с ростом угла у ослабляется сила ударного воздействия кусков руды по руде. При постоянных n, f и у угол схода материала с круговой траектории увеличивается с уменьшением радиуса вращения материала Ri = D/2, находящегося на лифтёре. Этим дополнительно объясняется концентрация крупных рудных тел в центре рудной загрузки и сегрегация рудного материала по крупности в поперечном направлении: более мел-

кий материал располагается ближе к футеровке и наоборот: то есть в процессе избирательного дробления куски материала большого диаметра сходят с круговой траектории при больших значениях угла отрыва.

Имеется возможность, используя изменение гранулометрической характеристики исходного питания, регулировать значение углов отрыва материала от круговых траекторий в процессе работы мельницы, что важно для оценки траектории скольжения материала по лифтёру и движения по параболическим траекториям после отрыва от лифтёров. Это один из методов регулировки соотношения разрушающих сил и их долевого участия в процессе переработки полезных ископаемых.

При экспериментальных исследованиях влияния числа лифтёров на результаты работы моделей мельниц мокрого рудного самоизмельчения (рис. 2) замечено, что с увеличением числа лифтёров до 8 шт. при их высоте 0,04,0 от диаметра мельницы постепенно повышается величина удельной производительности по расчётным классам крупности [16]. Дальнейшее увеличение числа лифтёров сопровождается снижением выхода измельчённого продукта и уменьшением величины удельной производительности по расчётным классам крупности, что полностью согласуется с результатами изучения кинематики данного процесса. Увеличение высоты лифтёров до 0,04 от диаметра мельницы сопровождается ростом удельной производительности и выхода измельчённого продукта расчётной крупности (рис. 2). Дальнейшее увеличение высоты лифтёров сопровождается резким ухудшением основных показателей работы оборудования, что также согласуется с результатами исследования кинематики процесса рудопод-готовки.

Экспериментальные данные позволяют определить оптимальное соотношение расстояния между лифтёрами и их высоты. С этим тесно связана величина относительной частоты вращения барабана мельницы. Если мельница оснащена гладкой футеровкой, то оптимальная величина относительной частоты вращения близка к критической, а именно находится в пределах 0,9-1,0 от критической частоты вращения. Полученным оптимальным параметрам ребристой футеровки соответствует относительная частота вращения барабана мельницы 0,75-0,80 от критической частоты вращения.

0.5

Машиностроение и машиноведение

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Карлина А.И. Изучение механизма процесса гравитационного обогащения и совершенствование математических моделей процессов // Вестник ИрГТУ. 2015. № 2. С. 168-173.

2. Карлина А.И. Применение процесса мокрого рудного самоизмельчения для дезинтеграции глины и песков металлоносных россыпей // Вестник ИрГТУ. 2014. № 10 (93). С. 189-195.

3. Колодин А.А., Ёлшин В.В. Исследование процесса адсорбции кислорода сульфидными минералами минералами измельченной руды // Вестник ИрГТУ. 2013. № 12. С. 205-210.

4. Савченко А.А., Каимов Е.В., Карлина А.И. Влияние структуры внешних воздействий на динамические свойства механических колебательных систем // Ку-лагинские чтения : материалы XI Междунар. науч.-практ. конф. Чита : Изд-во ЗабГУ, 2011. С. 203-205.

5. Новые технологические решения по переработке отходов кремниевого и алюминиевого производств / В.В. Кондратьев и др. // Металлург. 2013. № 5. С. 92-95.

6. Кондратьев В.В., Иванов Н.А., Ржечицкий Э.П., Сысоев И.А. Перспективы применения нанотехнологий и наноматериалов в горно-металлургической промышленности // Вестник ИрГТУ. 2010. № 1. С 168174.

7. Карлина А.И. Cовершенствование математических моделей гравитационного обогащения полезных ископаемых из результатов опыта отечественных и зарубежных исследований // Вестник ИрГТУ. 2015. № 1 (96). С. 118-124.

8. Ястребов К.Л., Дружинина Т.Я., Карлина А.И. Рудное самоизмельчение : Германия : Изд-во Lap Lambert Academic Publishing, 2014. 413 с.

9. Афанасьев А.Д., Иванов Н.А., Ржечицкий А.Э., Кондратьев В.В. Наночастицы углерода в отходах производства алюминия и их модифицирующие свойства // Вестник ИрГТУ. 2009. № 4. С. 13-17.

10. Ёлшин В.В., Колодин А.А., Овсюков А.Е. Изменение концентрации золота в цианистых растворах // Вестник ИрГТУ. 2010. № 5. С. 187-194.

11. Карлина А.И. Изучение гидродинамики гравитационного обогащения полезных ископаемых // Вестник ИрГТУ. 2015. № 3. С. 194-199.

12. Ржечицкий Э.П., Кондратьев В.В., Шахрай С.Г. Сульфат натрия при производстве алюминия: проблемы и перспективы // Вестник ИрГТУ. 2011. № 8. С. 148-154.

13. Ястребов К.Л., Дружинина Т.Я., Надршин В.В., Карлина А.И. Подготовка и очистка природных и сточных вод. Иркутск : Издательство ИрГТУ. 2014. 564с.

14. Карлина А.И. Изучение и совершенствование математических моделей гравитационного обогащения полезных ископаемых // Вестник ИрГТУ. 2014. № 11 (94). С. 211-216.

15. Ястребов К.Л. Развитие теории, технологии и совершенствование конструкции оборудования рудного самоизмельчения и гравитационного обогащения полезных ископаемых : дисс. ... д-ра техн. наук. Иркутск, 2002.

16. Ёлшин В.В., Колодин А.А., Овсюков А.Е. Внедрение автоматизированной системы управления циклом десорбции золота из активных углей на Кочкар-ской ЗИФ // Вестник ИрГТУ. 2011. № 5. С. 115-120.