Дробление и измельчение руд

 

Дробление– придание кускам материала определённых размеров или освобождение зерен рудного минерала для последующего обогащения.

Дробление и измельчение – очень энергоемкие процессы. По данным ЮНЕСКО человечество до 10% всей вырабатываемой электроэнергии расходует на дробление и измельчение. Стоимость дробления в стоимости рудного концентрата составляет 40%.

Существуют следующие способы дробления (рисунок 2.1): раздавливание (а), истирание (б), раскалывание (в), удар (г), раздавливание совместно с раскалыванием (д), раздавливание совместно с изгибом (е).

Рисунок 2.1 – Способы дробления

 

На выбор метода дробления оказывают свойства материалов.

Дробление и измельчение могут быть сухими и мокрыми. Обычно крупное, среднее и мелкое дробление осуществляют сухим способом.

Процесс дробления зависит от следующих факторов: размеров, формы и взаимного расположения отдельных кусков материалов в рабочей зоне дробилки, физических свойств руды (прочность, твердость, вязкость, плотность, однородность, трещиноватость, влажность), а также конфигурации рабочих органов оборудования, траектории их движения, массы, скорости и угла встречи с обрабатываемыми рудами.

Степенью дробления называется степень уменьшения размера кусков материала в результате дробления:

 

,

 

где D и d соответственно размер кусков руды до и после дробления.

Эффективность дробления определяется массой раздробленного материала, получаемого при расходовании единицы электроэнергии. Она зависит от прочности материала, подвергающегося дроблению.

В зависимости от крупности кусков дробимого материла, условно различают дробление:

– крупное – от 1500 до 300 мм (i = 2-5);

– среднее – от 300 до 30 мм (i = 5-10);

– мелкое – от 30 до 3-5 мм (i = 10-50);

– тонкое или измельчение – от 3-5 до 0 мм (i = 50 и более).

Сопротивление, которое руда оказывает дроблению, называется прочностью руды. В зависимости от прочности различают руды:

– мягкие – менее 10 МПа;

– средней твердости – 10-50 МПа;

– твердые – 50-100 МПа;

– весьма твердые – более 100 МПа.

В связи со сложностью процесса нет единой универсальной теории дробления. Существует две гипотезы дробления: поверхностная и объемная.

Согласно поверхностной гипотезе, работа, затраченная при дроблении, пропорциональна величине вновь полученной поверхности:

 

Е_п = К_п∙S,

 

где Е_п – расход энергии на дробление материала;

К_п∙- коэффициент пропорциональности;

S – площадь вновь образованной поверхности.

 

Согласно объёмной гипотезе, работа, затраченная при дроблении, пропорциональна объёму тела:

 

Е_о = К_о∙V,

 

где Е_о – расход энергии на дробление материала;

К_о∙- коэффициент пропорциональности;

V – объём тела.

 

При сравнении обеих гипотез видно, что поверхностная гипотеза более соответствует процессам, где дробление идет за счет истирания и раскалывания, а объёмная – дроблению раздавливанием и ударом.

Выбор способа дробления и типа дробилок зависит от физических свойств материала, начальной и конечной крупности его кусков. Твердые и вязкие материалы рациональнее дробить раздавливанием, ударом и истиранием; хрупкие – раскалыванием. Дробилки бывают: щековые, конусные, грибовидные, молотковые, валковые (рисунок 2.2).

1-неподвижная щека; 2-подвижная щека; 3-вал подвижной щеки; 4-эксцентриковый вал; 5, 6-механизм регулировки ширины разгрузочной щели; 7-станина; 8-неподвижный конус; 9-подвижный конус; 10-траверса; 11-вал конуса; 12-приводной вал; 13-ротор; 14-отбойные плиты; 15-колосниковая решетка; 16-молотки; 17-основная рама; 18-дробящие валки

Рисунок 2.2 – Схемы дробилок

 

В щековой дробилке материал раздавливается качающейся 2 и неподвижной 1 щеками. Изменением размера щели можно регулировать степень дробления.

Щековые дробилки применяют для дробления крупных кусков руды (i = 3-8). Удельный расход электроэнергии составляет от 0,3 до 1,3 кВт∙ч/т, производительность наиболее крупных составляет 450–500 т/ч. Преимущества – простота, надежность, низкие эксплуатационные затраты; недостатки: сильная вибрация, залипание щек при дроблении влажных и глинистых материалов, необходимость установки специального верхнего питателя для обеспечения равномерной подачи исходного материала.

Дробление материала в конусной дробилке происходит между неподвижным 8 и вращающимся внутренним 9 конусами. Эти дробилки предназначены для среднего и мелкого дробления. Основные части дробилок: цилиндрический корпус, установленный на фундаменте, неподвижный конус (чаша), подвижный дробящий конус, укрепленный на валу и опирающийся на сферический подпятник, приводной механизм. Приводной вал через зубчатую передачу вращает вал-эксцентрик. Производительность составляет 350-400 т/ч, степень дробления i = З-8, удельный расход электроэнергии 0,1-1,3 кВт∙ч/т.

Конусные дробилки применяют для материалов любого типа, в том числе со слоистым, плитчатым строением куска, а также для глинистых руд. Они не нуждаются в питателях и могут работать «под завалом», т.е. с рабочим пространством, полностью заполняемым рудой, поступающей из расположенного выше бункера.

Дробление в молотковых дробилках осуществляется в основном под действием ударов по кускам материала стальными молотками, закрепленными на вращающемся валу. Диаметр роторов 370-1700 мм, скорость вращения 580-2800 об/мин, степень дробления i = 8-12, производительность до 300 т/ч.

Валковые дробилки применяют для хрупких, нетвердых материалов (глина, кокс). Материал увлекается вращающимися валками и раздавливается. Степень дробления невысокая: i = 3-4. Иногда устанавливают две пары валков одна над другой, это увеличивает степень дробления до 10-16.

Измельчение.

Измельчениематериалов выполняется в барабанных мельницах, в которые загружают дробленую руду крупностью от 8 до 50 мм после второй, третьей и даже четвертой стадий дробления. Измельчение происходит за счет свободно падающих дробящих тел в шаровых или стержневых мельница. Измельчение может быть мокрое и сухое. Как правило, мокрое измельчение производится, если последующее обогащение руды идет в водной среде.

При вращении мельницы за счет трения между шарами и ее стенкой шары начнут подниматься в сторону вращения до тех пор, пока угол подъема не превысит угла естественного откоса, после чего они начнут падать вниз, измельчая материал. В зависимости от частоты вращения барабана в мельнице создаются различные режимы измельчения (рисунок 4.4): каскадный (а), смешанный (б), водопадный (в).

 

Рисунок 2.3 – Схема движения мелющих тел в барабане мельницы для

различных режимов движения

 

При критической частоте вращения барабана, мелющие тела прижимаются центробежной силой к его внутренней поверхности и вращаются вместе с ним, не отрываясь, она вычисляется по формуле:

 

,

 

где D – внутренний диаметр мельницы, м.

 

Скорость вращения мельниц обычно равна 0,70–0,85 от критической. В процессе мокрого измельчения шары при указанных условиях поднимаются в мельнице на достаточную высоту и эффективно дробят руду.

При частоте вращения менее 0,75–0,85 от критической, создается водопадный режим измельчения – основная масса мелющих тел поднимается вместе с внутренней поверхностью на некоторую высоту, а затем, отрываясь, свободно падает под действием сил тяжести по траекториям, близким к параболическим. Измельчение рудных зерен в данных условиях происходит преимущественно ударом. Водопадный режим применяется при измельчении более крупного материала (в первой стадии).

При смешанном режиме измельчения одна часть мелющих тел участвует в свободном полете, а другая – перекатывается внутри барабана по замкнутым траекториям, измельчая руду ударом и истиранием. Смешанный скоростной режим применяется при мокром измельчении; скорость вращения составляет 0,6–0,75 от критической.

Каскадный режим наиболее тихоходный, скорость вращения составляет 0,5–0,6 от критической, при этом свободный полет мелющих тел исключен, т.к. они непрерывно циркулируют внутри барабана, поднимаясь по круговым траекториям на некоторую высоту, затем скатываясь под углом, близким к углу естественного откоса.

Руду загружают в мельницу через пустотелую цапфу с одной стороны, а с другой – измельченный продукт выходит из мельницы.

По методу разгрузки измельченного продукта различают мельницы со свободным выходом продукта (рисунок 2.4, а–в) и с принудительной разгрузкой через решетку (рисунок 2.4, г).

Различают следующие типы мельниц (рисунок 2.4).

а – шаровые мельницы с центральной разгрузкой измельченного материала, они характеризуются тем, что их длина в 1,5–2 раза больше диаметра.

б – шаровые мельницы конические с высоким уровнем пульпы и центральной разгрузкой измельченного материала, для которых характерна короткая цилиндрическая часть, заключенная между двумя коническими частями.

в – стержневые мельницы цилиндрические с высоким уровнем пульпы и центральной разгрузкой измельченного материала, имеют длину в 1,5–2 раза больше ее диаметра.

г – шаровые мельницы с низким уровнем пульпы и принудительной разгрузкой измельченного материала через решетку. Их длина меньше или равна диаметру.

 

1 – стальная колосниковая решетка; 2 – промежуточная камера; 3 – конус; 4, 5 – цапфы соответственно загрузочная и разгрузочная.

Рисунок 2.4 – Типы мельниц

 

д – трубные мельницы с длинной цилиндрической частью в три-четыре раза больше ее диаметра. Чем длиннее мельница, тем дольше руда находится в ней под действием дробящих тел и выше степень измельчения. Их применяют в основном для тонкого сухого измельчения.

е – стержневые мельницы для сухого измельчения с периферической разгрузкой, применяются для измельчения коксовой мелочи и известняка.

Мельницы заполняют шарами на 30–50% их объема. Перегрузка и недогрузка мельницы шарами нерациональны: перегрузка ведет к повышенным расходам энергии и шаров, а недогрузка снижает производительность.

Производительность барабанных мельниц зависит от диаметра, рабочего объема, скорости вращения, конструктивных особенностей, размера и формы мелющих тел, твердости и крупности кусков руды (исходных и измельченных), плотности пульпы и выхода конечного продукта.

Шаровые мельницы. Основными размерами мельниц являются: внутренний диаметр Dи длина цилиндра L.

Шаровые мельницы с центральной разгрузкой (рисунок 4.6) состоят из сварного стального цилиндрического барабана 1 с приваренными на его концах литыми фланцами и торцовыми крышками 2 и 3. Внутри барабан и торцовые крышки мельницы защищены футеровкой 5 и 6 из износостойкой стали, которую крепят болтами 7. Полые цапфы 8 и 9 также изнутри защищены футеровкой. Мельницу устанавливают на двух подшипниках 4, которые имеют только нижние вкладыши с баббитовой заливкой. Привод мельницы осуществляется электродвигателем и редуктором через зубчатую передачу и зубчатый венец 10. Загрузка материала в мельницы производится через улитковый питатель 11 и полую цапфу 8.

Рисунок 2.5 – Шаровая мельница с центральной разгрузкой

 

В мельнице с разгрузкой через решетку (рисунок 2.4 г) стальная колосниковая решетка 1 задерживает крупные куски руды и шары. Измельченная руда выгружается через решетку (диафрагму), установленную перед цапфой, в промежуточную камеру. Между решеткой и торцовой стороной мельницы, радиально прикреплены реборды, на которые поступает пульпа. Поэтому при вращении реборды поднимают пульпу вверх и сливают ее на конус, расположенный вершиной к разгрузочной цапфе. Пульпа стекает по конусу, попадает в разгрузочную цапфу и выходит из мельницы, при этом создается разность уровней загружаемого исходного материала и разгружаемого измельченного продукта, что способствует его более быстрому движению. Поэтому производительность мельницы с решеткой выше, чем мельниц с центральной разгрузкой.

В месте установки каждой колосниковой решетки в диафрагме имеется специальное углубление. Пульпа сначала проходит через отверстия, затем через круглые отверстия диафрагмы.

Уровень пульпы в месте ее разгрузки регулируется с помощью отверстий, которые могут быть открытыми или закрываются деревянными пробками через люки. Имеются мельницы с разгрузкой через решетку без регулирования уровня пульпы, у них диафрагма состоит из отдельных колосниковых решеток секторного типа. Каждый сектор решетки крепят к торцовой крышке мельницы с помощью литых стальных полос болтами. Площадь отверстий решетки во много раз больше площади разгрузочной цапфы. Скорость движения пульпы в такой мельнице регулируется водой, т.е. отношением Т: Ж.

Толщина металлической футеровки в зависимости от размеров мельниц составляет от 50 мм до 150 мм. Диафрагма, футеровочные плиты и колосники изготавливаются из износостойкой марганцевой сталей типа 35ГЛ или 45ГЛ.

Стержневые мельницы.Внутри мельница заполнена стальными стержнями, длина которых на 25–30 мм меньше длины барабана.

Торцовые крышки барабана выполняются плоскими или слегка коническими. При работе мельницы стержни, раздвинутые кусками руды, производят своего рода классификацию материала по крупности: мелкие зерна проваливаются через зазоры между стержнями и не переизмельчаются; более крупные задерживаются на стержнях и подвергаются наиболее интенсивному разрушению. Поэтому в измельченном продукте отсутствуют излишне крупные недоизмельченные куски и сравнительно мало тонкого класса. Стержневые мельницы обычно работают в первой стадии открытого цикла.