Оценка эффективности измельчения и распределения потребляемой энергии между стадиями измельчения

ГОРНОЕ ДЕЛО И ГЕОЛОГИЯ

УДК 622.34

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИИ МЕЖДУ СТАДИЯМИ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ

© 2008 г. П.В. Маляров, А.А. Кузьминых

В практике подготовки руд к обогащению одним из основных и энергоемких технологических процессов является дезинтеграция минерального сырья, обусловленная образованием новой поверхности. Процессы образования новой поверхности в измельчи-тельных установках связаны с освобождением поверхностной энергии [1], которая пропорциональна энергии, затраченной на ее образование. Дезинтеграция минерального сырья осуществляется в машинах, использующих различные принципы разрушения. Важнейшей задачей с точки зрения энергоёмкости является рациональное распределение энергии дезинтеграции между последовательными операциями и выбор типов соответствующего оборудования. Для эффективного раскрытия минеральных зерен в виде продуктивных классов, с целью наиболее полного извлечения полезного компонента, в схемах рудопод-готовки используют классифицирующее оборудование. На стадиях дробления чаще применяют грохоты различных конструкций, а в секциях мокрого измельчения - классификаторы и гидроциклоны. Эффективность извлечения готовых классов на различных этапах разрушения рудной массы определяется количеством труднообогатимых шламов в продуктах, поступающих на обогащение.

Известно [2], что структурно-текстурные особенности руды в значительной мере влияют на характеристики обогатимости.

Тонкозернистые руды со сложными срастаниями минералов, а также натечной, катакластической, цементной и коррозионной текстурами обогащаются с большими потерями в шламах размером менее 10-20 мкм, для которых пока нет эффективных методов обогащения.

В процессе рудоподготовки дезинтеграция минерального сырья на большинстве обогатительных предприятий делится на операции дробления и измельчения. Операции дробления представляют собой периодические процессы накопления дробленного до определенного гранулометрического состава минерального сырья на складах усреднения. Вопросам дробления посвящено значительное количество работ [2-4]. Ведущим предприятием в области снижения энергоёмкости и совершенствования процессов дробления является ОАО НПК «Механобр-техника», важнейшим достижением которого служит создание конструкций и производство высокоэффективных вибра-

ционных дробилок различных типоразмеров. Следует отметить, что вибрационные дробилки эффективно применяют не только на обогатительных предприятиях, но и в строительной индустрии при получении кубовидного щебня.

Вопросам кинетики процессов дезинтеграции и связи затрачиваемой при этом энергии с образуемой поверхностью посвящен ряд исследований. Впервые австрийский инженер Петер фон Риттингер в 1867 г. писал: «....увеличение обнаженной поверхности прямо пропорционально силе, требуемой для дробления». В 1885 г. Ф. Кик выдвинул гипотезу, согласно которой «энергия, необходимая для получения аналогичных изменений конфигурации геометрически подобных тел одинакового технологического строения, изменяется как веса или объемы этих тел». Согласно гипотезе Ф. Бонда, работа разрушения куска линейного размера Б пропорциональна Б2'5, т.е. является промежуточным значением между гипотезами П. Риттин-гера и Ф. Кика.

В соответствии с гипотезой Ф. Бонда «индекс чистой работы», равный расходу электроэнергии на измельчение 907 кг исследуемого материала бесконечной крупности в шаровой мельнице сливного типа диаметром 2440 мм до крупности 80 % класса -0,100 мм, определяется по эмпирической формуле

= 44,5/а 0-23д0п*2010(1/^ - и4Ё),

где а - размер ячейки сита, на котором проводилось выделение готового продукта, мкм; qn - количество вновь образованного продукта «минус а» за один оборот барабана, г/об; ^ и Р - 80 %-я крупность исходного и готового продуктов, мкм.

Как отмечено в работе [2], гипотеза Бонда также строится по принципу двух параметров - начальной и конечной крупности материала. Очевидно, что удовлетворительная аппроксимация методик выбора дробиль-но-измельчительного оборудования, основанных на перечисленных выше гипотезах, может быть достигнута только в ограниченной параметрической области.

Анализ указанных гипотез позволяет утверждать, что разработка методик для сравнительного анализа эффективности распределения работы дезинтеграции между последовательными операциями для равнозначных процессов в однотипных машинах актуальна.

В практике отечественных и зарубежных обогатительных предприятий раскрытие минеральных зерен происходит в основном в непрерывных процессах мокрого измельчения в барабанных мельницах. Одним из основных показателей эффективности измельчения в шаровых мельницах в России и странах СНГ является удельная производительность по вновь образованному расчетному классу крупности - d:

4d = (QV)(Pd - ad) = qo APd = qa+AP,

где qd - в т/(м3-ч)[кг/дм3-ч]; V - рабочий объем мельницы или мельниц в измельчительной установке, м3 (дм3); q0 - удельная нагрузка по исходному питанию (скорость загрузки единицы объема мельницы свежим исходным материалом), т/(м3-ч) [кг/дм3-ч]; q0+ = q0 (1 - Orf) - удельная нагрузка по крупному классу (+d) в исходном питании, т/(м3-ч)[кг/дм3-ч]; Ap = pd - a d - прирост содержания расчетного класса крупности, доли ед.; pd - относительное количество расчетного класса в продуктах измельчения, доли ед; a d - то же в исходном питании.

Представленный выше показатель qd является технологической характеристикой и никак не связан с энергетическими затратами, а лишь оценивает образование расчетного класса крупности, при этом не учитывает образование других более крупных классов, которые появляются одновременно с ним. Весьма важной характеристикой является энергетическая эффективность измельчения ed по вновь образованному классу - d:

ed = Q

где ed - в т/(кВт-ч); qd - удельная производительность мельницы или установки по вновь образованному расчетному классу крупности - d, т/(м3-ч); d - размер расчетного класса крупности, мм (мкм); Nv - удельная мощность, потребляемая двигателем мельницы, кВт/м3.

Из формулы (1) следует, что при N = const энергетическая эффективность измельчения пропорциональна удельной производительности измельчитель-ной установки по вновь образованному классу той же крупности, т.е. ed = qd. Последнее широко используется при расчете производительности мельниц и оценке их работы.

Рассмотренный показатель может служить и экономическим критерием при оценке удельных затрат, однако он, как и удельная производительность по вновь образованному классу, оценивает процесс измельчения только с учетом одного расчетного класса крупности. При многостадиальном измельчении минерального сырья актуальными являются вопросы выделения из разгрузки мельниц первой стадии не только готовых к обогащению классов, но и необходимых по крупности классов для обеспечения рационального питания мельниц последующих стадий.

В настоящее время назрела необходимость создания методики, которая позволит производить оценку рациональности распределения энергии измельчения между стадиями.

Для оценки энергетической эффективности с учетом образования всех классов крупности нами [3] введено понятие «индекс измельчаемости», который представляет собой отношение количества вновь образованной поверхности AS, м2, к единице мощности, потребляемой мельницей N (кВт):

Is = AS/N.

Индекс измельчаемости в представленном виде является размерной величиной и позволяет по площади вновь образованной поверхности AS (м2) количественно оценивать работу, затрачиваемую на измельчение в барабанных мельницах:

AS = S — S

¿ли иразгр и загр?

где S^jp - суммарная площадь поверхности твердого в выходе мельниц, м2; S.^ - суммарная площадь поверхности питания мельницы, включая площадь поверхности исходного питания и циркуляционной на-

2

грузки, м .

Для секций измельчения, в которых мельницы работают в замкнутом цикле с классифицирующими устройствами любых типов, при расчете индексов измельчаемости из суммарных площадей поверхностей слива и питания следует исключить площадь поверхности циркуляционной нагрузки. При установившемся режиме пески классифицирующих устройств являются циркуляционной нагрузкой и остаются постоянными как по крупности питания, так и по площади ее поверхности.

Таким образом, для мельниц первой стадии измельчения, работающих в замкнутом цикле со спиральными классификаторами, площадь вновь образованной поверхности ASb м2 составляет:

AS = S — S ,

где - площадь поверхности твердого в сливе

спирального классификатора, м2; S^ - площадь по-

2

верхности исходного питания мельниц, м .

Аналогично можно определять индекс измельчае-мости для мельниц второй и последующих стадий измельчения.

Высвобожденная энергия поверхности, образованной в процессе разрушения частиц перерабатываемого материала в барабанных мельницах, пропорциональна энергии, затраченной на измельчение, т.е. пропорциональна потребляемой мельницей мощности при установившемся режиме работы. Следовательно, количество вновь образованной поверхности (независимо от класса крупности, на котором она образована) пропорционально энергии (потребляемой мощности), затраченной на ее получение. Таким образом, индекс измельчаемости мельницы может определяться суммированием индексов измельчаемости отдельных классов Is = Ylsi..

В практических расчетах вместо мощности, необходимой на образование новой поверхности, используется пропорциональная ей постоянная величина мощности, потребляемой мельницей. Очевидно, что большая часть потребляемой мощности преобразуется в тепловую энергию, а также расходуется на накопле-

ние внутренних дефектов в минералах. Однако такое приближение вполне допустимо, так как ставится задача сравнительного потребления энергии на различных стадиях измельчения. При этом вводится систематическая ошибка, которая не влияет на сопоставление полученных результатов, так как вышеуказанные потери мощности при измельчении в равной степени характерны как для первой, так и для последующих стадий.

Ниже рассмотрены примеры оптимизации распределения работы измельчения между последовательными стадиями с использованием индекса из-мельчаемости.

На обогатительной фабрике (ОФ) Урупского ГОКа применяется двухстадиальная схема с замкнутым циклом в первой и второй стадиях измельчения. На первой стадии измельчения используется одна мельница МШР 3200x3100, а на второй стадии -одновременно две мельницы МТТТТЦ 2700x3600. В замкнутом цикле на первой стадии применяются двухспиральные классификаторы типа 2КСН - 20, а для классификации выхода мельниц второй - батарея, состоящая из одного гидроциклона диаметром 710 мм и трёх параллельно включённых гидроциклонов диаметром 500 мм.

Результаты расчетов индексов измельчаемости приведены в работе [4]. Анализ полученных зависимостей позволил сделать вывод о неравномерном распределении работы измельчения между стадиями.

С целью рационального распределения нагрузки между мельницами первой и второй стадий измельчения нами была осуществлена замена спирального классификатора специально спроектированным и изготовленным барабанным классифицирующим устройством, представляющим собой двухдечный барабанный грохот. Методика и результаты производственных испытаний и принцип действия барабанного классифицирующего устройства изложены в работе [4].

Отметим, что в процессе промышленных испытаний модернизированной схемы на ОФ Урупского ГОКа выявлены следующие преимущества:

- из песков барабанного классификатора выведено значительное количество мелких и готовых к обогащению классов (- 3 мм), суммарный процентный состав которых в циркуляционной нагрузке достигал 18,7 % при Q = 64 т/ч и 17,9 % при Q = 73 т/ч (для сравнения - при опробовании, взятом в июле 2005 г. до проведения модернизации, эта величина составляла 92,2 %);

- исключение из циркуляционной нагрузки мельницы первой стадии мелких и готовых к обогащению классов позволило увеличить производительность секции рудоподготовки с 55 до 73 т/ч, т.е. на 32 %;

- прирост содержания готового класса в мельницах второй стадии увеличился от значений 2,9^4,9 % при опробовании в июле 2005 г. до 6,8^8,3 %, полученных во время испытаний барабанного классификатора;

- содержание готового класса в сливе гидроциклонов составило 90^95 % и не изменилось по сравнению с опробованием в июле 2005 г.

На Талнахской обогатительной фабрике (ТОФ) ОАО «ГМК "Норильский никель"» ряд измельчитель-ных секций включены по стандартной двухстадиаль-ной схеме, представленной на рис. 1, в которой мельницы первой и второй стадий измельчения работают в замкнутом цикле с классифицирующими устройствами.

Рис. 1. Технологическая схема секции рудоподготовки ТОФ до модернизации: 10 - МШРГУ-4,5х6,0; 11 - МШЦ-4,5х6,0; (£) - точки опробования

На рис. 2 и 3 представлены соответственно графики индексов измельчаемости по классам крупности для мельниц первой и второй стадии секции измельчения ТОФ.

Анализ графиков индексов измельчаемости по классам крупности позволяет получить дополнительную информацию о кинетике процессов измельчения. Экстремальное значение вновь образованной поверхности на классах от 75 до 100 мкм для мельницы первой стадии измельчения соответствует средним размерам сростков минеральных зерен для норильских руд. Очевидно, что прочность сульфидной составляющей минеральных зёрен, заключенных в матрицу из породы, а также между отдельными минеральными зернами в сростках значительно ниже прочности самой матрицы. Поэтому при раскрытии сульфидной составляющей интенсивность образования новой поверхности происходит со значительно большей скоростью вплоть до раскрытия минеральных зерен. Об этом свидетельствует больший угол наклона кривой на классах меньше 70 мкм.

На графике индекса измельчаемости для мельницы второй стадии, также как и для мельницы первой стадии, угол наклона на классах крупности меньше 100 мкм увеличивается вплоть до 37 мкм, что соответствует размерам продуктивных классов. Разрушение минеральных зерен происходит с меньшей интенсивностью, что характеризует большую их прочность, однако количество труднообогатимых шламов значительно, что приводит к снижению показателей извлечения.

Размеры частиц, мм

Рис. 2. График индексов измельчаемости по классам крупности мельницы 1 стадии на ТОФ

s н о о

S

<D Л F

СП

S

£ CJ

Размеры частиц, мм

Рис. 3. График индексов измельчаемости по классам крупности мельницы 2 стадии на ТОФ

Кумулятивные характеристики индексов измельчаемости, представленные на рис. 4 для мельниц первой и второй стадий измельчения, свидетельствуют о недогрузке мельниц второй стадии измельчаемым материалом и, как следствие, снижением эффективности измельчения. Так, суммарный, кумулятивный индекс измельчаемости для мельницы второй стадии (600 м /кВт-ч) измельчения практически на порядок ниже, чем у мельницы первой стадии (4500м2/кВт-ч).

Перераспределение нагрузки между мельницами первой и второй стадий измельчения возможно не только за счет применения более эффективных классифицирующих устройств, но и путем технологического регулирования существующих, а также изменением конфигурации технологических схем. На ТОФ специалистами предприятия увеличение нагрузки на мельницы второй стадии осуществлено с помощью использования технологической схемы, показанной на рис. 5.

F H

s н о о

S

ä F л

ч

<D

4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500

Мельница 1 стадии

s

4/

Мельница 2 стадии

/ /

o<

S

о 1000

w

<D

н

о

0 0,0125 0,025 0,0375 0,05 0,0625 0,075 0,0875 0,1 0,1125 0,125 0,1375 0,15

Размеры частиц, мм

Рис. 4. Кумулятивные графики индексов измельчаемости мельниц 1 и 2 стадий на ТОФ

Рис. 5. Технологическая схема секции рудоподготовки ТОФ после модернизации 10 - МШРГУ-4,5хб,0; 11 - МШЦ-4,5хб,0; (g) - точки опробования

F H

s

H о о

S

<D Л F

e

<D

8

<D

¡3

53

0 0,025 0,05 0,075 0,1 0,125 0,15 0,175 0,2 0,225 0,25 0,275 0,3

Размеры частиц, мм

Рис. 6. Кумулятивные графики индексов измельчаемости мельниц 1 и 2 стадий на ТОФ

При использовании представленной схемы увеличение нагрузки на мельницы второй стадии № 9 и № 11 двух секций осуществляется за счет доизмельчения продуктов рудной мельницы № 12, работающей в замкнутом цикле с гидроциклоном.

Это позволило повысить производительность мельницы первой стадии измельчения № 12 по исходному питанию со 150 т/ч до 180 т/ч, т.е. на 20 %, и увеличить нагрузку на мельницы второй стадии для более полноценного измельчения. На рис. 6 представлены кумулятивные характеристики индексов измель-чаемости модернизированной схемы измельчения. В этом случае отличие в кумулятивных характеристиках значительно меньше, а перераспределение энергии измельчения позволило увеличить производительность одной из секций измельчения со 150 до 180 т/ч.

Таким образом, анализ графиков индексов из-мельчаемости по классам крупности позволяет более детально характеризовать кинетику процессов измельчения и особенности образования отдельных классов, что в свою очередь дает возможность выработать практические рекомендации для получения продуктов рудоподготовки высокого качества. Кумулятивные характеристики позволяют представить не только качественную, но и количественную картину распределения работы измельчения между последовательными стадиями.

Учитывая то, что процессы дезинтеграции в шаровых мельницах являются многопараметрическими зависимостями, рациональное соотношение энергии разрушения в мельницах разных стадий следует определять в каждом конкретном случае с учетом технологических особенностей.

Литература

1. Ржевский В.В. Новик Г.Я. Основы физики горных пород. М., 1984.

2. Вайсберг Л.А., Загорадский Л.П., Туркин В.Я. Вибрационные дробилки. Основы расчета, проектирования и технологического применения. СПб., 2004.

3. Маляров П.В., Степурин В.Ф., Солдатов Г.М., Конник Н.Д. К вопросу об оценке эффективности процесса измельчения руд и распределения потребляемой энергии между стадиями //Обогащение руд. 2006. № 2. С. 3-6.

4. Маляров П.В. Степурин В. Ф. Солдатов Г.М. Конник Н.Д. Перераспределение энергии измельчения между стадиями в условиях Урупского ГОКа //Обогащение руд. 2006. № 3. С. 3-6.

Общество с ограниченной ответственностью «Ресурс», г. Ставрополь 19 декабря 2007 г.