Механическая переработка горных пород. Интенсивность деформации пород в различных перерабатывающих механизмах. Затраты энергии на механическую переработку

Между дроблением и измельчением нет принципиальной разницы. Дроблением и измельчением называются процессы разрушения кусков (зерен) полезных ископаемых на более мелкие зерна путем действия внешних сил, преодолевающих внутренние силы сцепления между частицами. Условно считают, что при дроблении получаются зерна крупностью более 5 мм, а при измельчении – менее 5 мм. Машины, с помощью которых осуществляется дробление и измельчение, соответственно называются дробилками и мельницами.

Переизмельчение приводит к излишнему расходу энергии, увеличению износа дробилок и мельниц, уменьшению их производительности, а также ухудшению показателей последующего обогащения. На обогатительных фабриках дробление и измельчение руд обычно производится в несколько стадий, так как получить необходимую степень дробления в одной машине обычно невозможно. Общая степень дробления ровна произведению степеней дробления в отдельных стадиях. Эффективность Э работы дробилок и мельниц выражается в тоннах дробленного (измельченного) продукта на 1 кВт*ч израсходованной энергии.

Э=Q/E,

Где Q – масса дробленого (измельченного) продукта, т; Е – энергия, затраченная на дробление (измельчение), Дж. Величина, обратная Э, называется удельным расходом энергии Е_уд (Дж/т):

Е_уд = Е/Q.

Процесс дробления и измельчения горной породы начинается с ее разрушения по трещинам и наиболее слабым местам при напряжениях, превышающих пределы прочности при сжатии и сдвиге. Затем разрушается более однородная масса.

Хрупкие твердые тела обычно разрушаются при напряжении, составляющем тысячную часть от их модуля Юнга. Скорость распространения трещины в хрупком теле увеличивается с ростом напряжения до определенного предела. С повышением температуры и сжимающего давления процесс разрушения становится более сложным – возможна пластическая деформация. Медленное приложение усилий предопределяет меньшую пластическую деформацию перед разрушением и требует меньшего расхода энергии, чем более быстрое. Оптимальная скорость приложения напряжения находится в пределах от 40 до 120 м/с в зависимости от направления удара и крупности разрушаемого материала. Ввиду этого молотковые дробилки являются более эффективными по сравнению с другими типами дробилок. По мере уменьшения крупности зерен материала требуется сравнительно больше энергии для их разрушения.

Измельчение целесообразно осуществлять в два этапа: подготовка полезного ископаемого к раскрытию и самораскрытие. При подготовке к раскрытию необходимо добиваться измельчения механических (упругих) свойств полезного ископаемого (разупрочнения) по межзерновым граням, что повышает селективность раскрытия минералов. Желательно, чтобы при этом прочностные свойства рудных минералов существенно не изменялись. Если это возможно и экономически целесообразно, то первый этап подготовки материала к раскрытию должен включать тепловое воздействие в условиях всестороннего сжатия для уменьшения его пластичности.

Второй этап процесса раскрытия должен обеспечивать условия для слияния дислокаций и зарождения микротрещин. Для горных пород с различными упругими свойствами рудных и нерудных минералов целесообразно применять механический способ измельчения. При приложении сжимающих и растягивающих напряжений, меньших предела прочности, в твердом теле возникают микротрещины по межзерновым поверхностям. Такие напряжения можно создать, изменяя давление окружающей воздушной или водной среды или многократным соударением кусков измельчаемого материала. При ударно измельчении величина энергии, необходимой для получения новой поверхности материала, прямо пропорциональна этой поверхности независимо от ее первоначального значения.

Кроме механического существуют термический, акустический, электрический и другие способы разрушения, которые находятся в стадии разработки и освоения.

Механические свойства норных пород зависят от их состава и строения (пористости, слоистости, крупности зерен и др. Сила сцепления между кристаллами, цементирующим веществом и обломками, кристаллитами цементирующего вещества (пустой породы) изменяются в широких пределах, что обусловливает значительные колебания механических свойств одних и тех же горных пород.

Упругие породы при достижении предельного значения напряжений подвергается хрупкому разрушению – наступает разрыв их связей после упругих деформаций.

Пластичные породы имеют постоянную скорость деформирования. Различают также породы упруго-пластичные, вязкие, упруго-вязкие, упруго-вязко-пластичные и вязко-пластичные, представляющие комбинации первых двух типов.

Для хрупкого разрушения характерны четыре стадии; 1- уплотнение и закрытие трещин; 2- упругое деформирование; 3- зарождение и развитие новых трещин; 4- разветвление и слияние трещин, разрушение материала.

При разрушении горной породы сила, или нагрузка, может быть приложена различными способами. Различают статическое, динамическое, ударное (импульсное) и другие способы напряжения. С изменением скорости приложения нагрузки изменяются прочностные деформационные характеристики горных пород. Показателем скорости нагружения является отношение суммарного приращения напряжения ко времени его действия. Статическая нагрузка не зависит от времени, динамическая – характеризуется малой длительностью и мгновенным нарастанием нагрузки, при этом после максимума наступает быстрое ее снижение; ударное (или импульсное) нагружение характеризуется почти мгновенным возрастанием нагрузки, за которым следует быстрое ее уменьшение.

С увеличением скорости нагружения предел прочности на сжатие, модуль упругости и сопротивляемость материала разрушения возрастают. Интенсивность нарастания сопротивления сжатию и растяжению пород с увеличением скорости нагружения различна для различных пород.

При статическом нагружении напряжения распределяются практически равномерно по всему телу и разрушение происходит в самом слабом месте, а при динамическом нагружении разрушение может произойти в нескольких местах, так как напряжения распределяются неравномерно.

Энергия, расходуемая на дробление (измельчение), складывается из энергии на упругую деформацию разрушаемых зерен (рассеивается в окружающее пространство в виде тепла) и на образование новой поверхности (превращается в свободную поверхностную энергию измельченных зерен).

По закону Риттингера работа, затраченная на измельчение, пропорциональна вновь образованной поверхности.