СПОСОБ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ ВО ВРАЩАЮЩЕМСЯ БАРАБАНЕ ФЕРРОМАГНИТНЫМИ МЕЛЮЩИМИ ТЕЛАМИ
METHOD FOR CRUSHING OF MATERIALS IN ROTARY DRUM WITH FERROMAGNETIC GRINDING BODIES

Изобретение относится к способу измельчения материалов во вращающемся барабане ферромагнитными мелющими телами и может быть использовано в процессах подготовки сырья к обогащению, а также в строительной, химической и др. отраслях промышленности.
КПД процесса измельчения на традиционных шаровых мельницах не превышает 1-2%. Низкий КПД связан с тем, что значительное количество взаимодействий частиц между собой и с мелющими телами носит характер трения, а не удара. При этом энергия тратится в основном на нагрев, износ мелющих тел и только частично на дробление материала. Траектория движения материалов в шаровой мельницы такова, что только малое количество взаимодействий происходит с высокими энергиями. Именно эти соударения и влекут за собой полезный эффект - разрушение породы. Значительная часть энергии, подводимой к валу мельницы, расходуется на трение материалов в «мертвой зоне», влекущей за собой нагрев породы, износ мелющих тел и брони. На сегодняшний день существует несколько технических решений, направленных на повышение КПД процесса измельчения на шаровых мельницах.
Известен способ, реализуемый в шаровой мельнице, включающей цилиндрическую камеру, смонтированную с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси цилиндра, множество стальных шаров в камере, отличающийся тем, что камера выполнена из парамагнитного материала, шары выполнены из ферромагнитного материала, снаружи камеры установлен, по меньшей мере, один магнит, магнитные силовые линии которого направлены в камеру и который является подвижным относительно камеры между множеством положений на соответствующей дуге, центр кривизны которой находится на оси вращения камеры [US 5,383,615, МПК B02C 17/00, 24.01.1995].
Недостатками данного способа является сложность изготовления конструкции для его реализации, а также невозможность устранения "мертвых зон" вследствие того, что электромагнит во время вращения мельницы статичен относительно корпуса.
Известен способ, реализуемый в электромагнитной шаровой мельнице, состоящей из трубчатого корпуса и передаточного механизма, отличающийся тем, что на внешней стороне трубчатого корпуса установлены от 2 до 3 электромагнитов, при этом один из электромагнитов напрямую соединен источником питания, а остальные электромагниты соединены через силовые реле времени [CN 101708477, МПК B02C 17/00, 19.05.2010].
Данный способ направлен на создание дополнительной кинетической энергии у мелющих тел, путем поднятия их на большую высоту за счет воздействия электромагнитов, однако из-за статичности электромагнитов недостатком данного способа является невозможность устранения "мертвых зон", отсутствие которых в первую очередь определяет энергоэффективность установки. Кроме того, реализация этого способа также ограничена требованием исполнения корпуса из парамагнитного материала.
Известен способ измельчения материалов во вращающемся барабане мельницы магнитомягкими измельчающими телами, например шарами, включающий их захват и подъем на оптимальную высоту магнитной силой притяжения электромагнитов, закрепленных на барабане, и сброс шаров в полость барабана при отключении электромагнитов от источника тока, отличающийся тем, что электромагниты закрепляют на барабане по винтовой линии со сдвигом на угол α, причем электромагниты, опускающиеся вниз мельницы, подключают к источнику тока в диапазоне центрального угла β=10÷40° при измерении угла от вертикального луча с вершиной, совпадающей с осью вращения барабана против направления движения барабана, а электромагниты, поднимающиеся вверх, отключают от источника тока в диапазоне центрального угла γ=90÷135° при измерении угла от вертикального луча по направлению вращения барабана, при этом угол α определяют по выражению: α=k(0,95÷1,05)π/n-1, где k - целое нечетное число, n - количество электромагнитов.
Недостатками данного способа является низкая энергоэффективность, обусловленная отсутствием возможности использования накопленной в электромагнитах энергии, а также низкая интенсивность размола породы в нижней части мельницы, обусловленная отсутствием обработки в этой зоне, и захватом малого количества мелющих тел, вызванные наличием всего лишь одного длительного постоянного магнитного импульса.
Наиболее близким по технической сущности и назначению является способ магнитомеханического измельчения материалов ферромагнитными мелющими телами, включающий вращение барабана мельницы с n=20/√D, где n - число оборотов в минуту; D - диаметр барабана, м, с диаметрально закрепленными на нем двумя электромагнитами (через 180°), полюса магнитных полей которых при движении в зоне нижней полусферы барабана направлены в полость барабана мельницы для обеспечения дополнительного к земному притяжению ускорения шаров во время падения их на измельчаемый материал и подъем шаров на оптимальную высоту, отличающийся тем, что магнитное поле каждого электромагнита формируют в виде отдельных импульсов в количестве не менее двух, при этом длительность первого импульса приравнивают к времени движения электромагнита с барабаном мельницы от левого конца горизонтали (начало угловых координат = 0°) вниз до точки с координатой от 30 до 50°, а второму импульсу придают длительность, равную времени перемещения электромагнита вверх от точки с координатой, находящейся в пределах 100-140° до правого конца горизонтали (координата 180°), причем каждый из этих магнитных импульсов разбивают на ряд более коротких импульсов, длительность которых равна, например, промежутку времени между окончанием и возбуждением короткого импульса [RU 2319546, МПК B02C 19/00, 08.11.2005]. Данное решение выбрано в качестве прототипа.
Недостатками данного способа является низкая эффективность, вызванная неверно выбранными границами включения и выключения магнитного поля электромагнитов. Кроме того, разбиение второго импульса, создаваемого электромагнитами, на ряд более коротких импульсов исключает захват и подъем мелющих тел на необходимую высоту, что ставит эффективность и возможность использования способа под сомнение.
Общим недостатком всех известных способов является отсутствие возможности использования трансформации энергии магнитного поля в кинетическую энергию мелющих тел, что приводит к малоупорядоченному движению мелющих тел и рассеиванию энергии, что определяет низкий КПД работы шаровых мельниц.
Задачей настоящего изобретения является увеличение энергоэффективности процесса измельчения материалов в шаровых мельницах.
Поставленная задача решается тем, что измельчение материалов производят во вращающемся барабане, частично заполненном ферромагнитными мелющими телами, при этом на мелющие тела воздействуют магнитной силой как минимум одного электромагнита, закрепленного на барабане, а магнитное поле формируют в виде отдельных импульсов в количестве не менее двух, при этом первый импульс разбивают на ряд более коротких импульсов. В отличие от прототипа, первый импульс характеризуется знакопеременным магнитным полем, его начинают подавать при угловом положении электромагнита от -60° до -30°, считая центральный угол от вектора, направленного из оси вращения корпуса вертикально вниз, второй импульс характеризуется постоянным магнитным полем, его начинают подавать при угловом положении электромагнита от 0° до +30°, а заканчивают подавать при угловом положении электромагнита от 130° до 165°.
Включения и выключения магнитного поля осуществляют за время не более 0,2√D сек, где D - диаметр корпуса, м, для использования рекуперации энергии магнитного поля в кинетическую энергию мелющих тел. Ограничение сверху гарантирует своевременное получение мелющим телом импульса; ограничение снизу накладывается электронной аппаратурой при физической реализации способа.
Окончанием первого импульса может считаться начало второго импульса, хотя это не является обязательным условием для реализации способа.
Граница начала первого импульса определяется степенью наполненности мельницы материалом. Угол откоса, как правило, близок к 45°, оптимальный коэффициент заполнения 40-50%, следовательно, угол начала первого импульса -45°. Учитывая возможную работу мельницы в режиме перегрузки, изменчивость угла откоса для разных пород, а также некий запас, определяет начало рабочего диапазона -60°. Вторая граница диапазона начала работы определяется минимально возможным углом откоса в условиях шаровой мельницы при минимальной загрузке -30°.
Подача второго импульса (режим удержания) осуществляется возле от 0° до 30°. Основной критерий выбора угла удержания - попасть в начало формирования «мертвой зоны». Окончательно выбор этого угла определяется при настройке мельницы на конкретную измельчаемую породу и зависит также от соотношения размеров мельницы и электромагнитов.
Количество электромагнитов зависит от их характеристик, диаметра мельницы и от количества и состава породы в мельнице. Даже установка одного электромагнита в каждом сечении мельницы приведет к положительному результату. Для максимального эффекта такое устройство должно иметь эффективную зону действия, близкую к радиусу кривизны корпуса мельницы. Реализация таких требований приводит к высокой стоимости и габаритам устройства. Размещение N электромагнитов по всей окружности корпуса мельницы приводит к уменьшению требований к величине поля каждого электромагнита, а соответственно, к снижению габаритов, стоимости и энергопотреблению. Например, при количестве электромагнитов, равном 12, размер эффективного поля каждого электромагнита близок к R/2. Максимальное количество электромагнитов не ограничено.
Заявляемый способ по сравнению с прототипом характеризуется рядом новых существенных признаков:
- новые режимы включения и выключения магнитного поля электромагнита, обеспечивающие эффективное воздействие на мелющие тела и измельчаемый материал;
- использование знакопеременного магнитного поля для формирования первого импульса.
Сравнение заявляемого способа с известным позволяет сделать вывод о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Ранее в процессе измельчения материалов в шаровых мельницах электромагниты использовались исключительно в целях изменения траектории мелющих тел и устранения "мертвой зоны", образующейся в нижней части мельницы. Настоящее изобретение позволяет увеличить КПД шаровых мельниц за счет рекуперации энергии магнитного поля, накопленного в электромагнитах на каждом цикле из включения, в кинетическую энергию мелющих тел, что способствует наиболее эффективному измельчению породы. Кроме того, применение знакопеременного магнитного поля позволяет создать условия развития дефектов в кусках магнитной породы по границам раздела сред, а также механическое импульсное воздействие за счет знакопеременных сил (притяжения и отталкивания), действующих на мелющие тела в знакопеременном магнитном поле. Для повышения энергоэффективности шаровых мельниц использование знакопеременного магнитного поля, обеспечивающего рекуперацию энергии магнитного поля в кинетическую энергию мелющих тел, является новым и обеспечивает получение заявленного результата. Кроме того, применение знакопеременного поля решает проблему остаточной намагниченности сердечника, наличие которой означает сохранение силы притяжения мелющих тел к электромагниту, составляющей 30-80% от начальной, что, в свою очередь, снижает кинетическую энергию в точке удара мелющего тела с рудой.
Вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «изобретательский уровень».
Заявляемый способ может быть успешно использован в процессах подготовки сырья к обогащению, а также в строительной, химической и др. отраслях промышленности. Способ осуществим в реальных условиях, с использованием известных материалов и устройств.
Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «промышленная применимость».
Заявленный способ реализуется следующим образом. Электромагниты вращаются вместе с подвижным корпусом мельницы с определенной скоростью. Работа электромагнитов синхронизирована с их угловым положением относительно вектора силы тяжести ввиду того, что она является одной из основных сил, на которых основана работа шаровой мельницы. Для определенности считаем, что угловое положение электромагнита, совпадающее с крайним нижним положением подвижного корпуса, является началом отсчета (0°). Радиус, проведенный в эту точку из оси вращения, совпадает с вектором силы тяжести произвольного тела, находящегося в точке оси вращения подвижного корпуса. Положительное направление отсчета углового положения - по ходу движения корпуса.
Первый период включения электромагнита имеет своей целью обработку сырья интенсивным знакопеременным магнитным полем для создания условий развития дефектов в кусках породы по границам раздела сред, а также механическое импульсное воздействие за счет знакопеременных сил (притяжения и отталкивания), действующих на мелющие тела в переменном магнитном поле. Цель может быть достигнута только при наличии породы и мелющих тел в зоне действия магнита, поэтому началом первого периода включения электромагнита является его угловое положение от -60° до -30° в зависимости от свойств сырья (угол откоса разный). Время окончания этого периода совпадает с началом второго периода.
При продвижении электромагнита в зону, где толщина породы значительна, импульсы сил, действующие на мелющие тела, неэффективны, в то время как важной целью становится препятствование возникновению «мертвой зоны». Для достижения этой цели необходимо притянуть мелющие тела и зажатую между ними породу к электромагниту. Этот период начинается в диапазоне положений электромагнита от 0° до +30°. Электромагнит в этом режиме создает постоянное магнитное поле максимальной интенсивности.
Завершение второго периода определяется выбранной скоростью вращения. При малой скорости выключение электромагнита осуществляется на больших высотах (угловое положение до 165°), при больших скоростях вращения от 130°. После выключения магнитного поля порода движется по параболе, а мелющие тела и электропроводные куски породы, помимо сил инерции, получают дополнительный импульс за счет взаимодействия токов, формируемых внутри мелющих тел путем заданного закона убывания магнитного поля с этим полем.
В ранее известных шаровых мельницах основная энергия расходуется на истирание (процесс характеризуется высоким потреблением энергии и малой степенью деструкции породы), а малая - на разделение породы. КПД процесса измельчения при этом равен 1-2%. Заявляемый способ позволяет увеличить КПД процесса измельчения до 2-3%, иными словами в 1,5-3 раза.
Для отладки аппаратных режимов и изучения эффективности мельницы, оборудованной электромагнитами по заявленному способу, была изготовлена модель шаровой мельницы диаметром корпуса - 1 м. В ходе экспериментов частота варьировалась в пределах от 0,05 до 0,5 об/сек. Число электромагнитов - 2, расположены диаметрально. Длина мельницы 0,8 м. Загрузка стальными мелющими телами Ø50 мм - 1,2 т. В ходе экспериментов обрабатывалась руда титано-магнетитовая руда крупностью 5 мм с Качканарского рудника, а также медно-цинковая руда Карабашского месторождения. Время обработки во всех экспериментах было фиксировано 30 минут.
Сравнение эффективности работы мельницы осуществлялось путем проведения трех экспериментов на каждом из двух видов сырья:
- в одном опыте (опыт 1) электромагниты были отключены и мельница работала в водопадном режиме,
- в другом опыте (опыт 2) был реализован способ, описанный в прототипе,
- в третьем опыте (опыт 3) электромагниты работали в соответствии с заявляемым способом, причем режимы работы были предварительно оптимизированы для конкретного сырья.
Результаты сравнения приведены в таблице 1, из которой видно, что реализация предлагаемого способа позволяет увеличить энергоэффективность шаровой мельницы в сравнении с прототипом в 1,68 раза, в случае измельчения качканарской руды, и в 2,22 раза в случае с измельчением Карабашской руды.
Таблица 1
Сырье
№ опыта
Расход Э/энергии КВт-час
Выход годного, класс 74 мкм, кг - %
Удельный расход э/э, кВт/кг
Качканарская руда
Опыт 1
5,1
108-27%
0,047 кВт/кг
Опыт 2
7,8
210-52%
0,037 кВт/кг
Опыт 3
7,4
340-85%
0,022 кВт/кг
Карабашская руда
Опыт 1
4,9
188-47%
0,026 кВт/кг
Опыт 2
6,9
170-42%
0,040 кВт/кг
Опыт 3
6,5
360-91%
0,018 кВт/кг