Лекция 2. Процессы рудоподготовки в горнорудной промышленности. Задачи, методы, технологические процессы рудоподготовки 1-4-го поколений

Сущность технологий, применяемых в горно-металлургической промышленности, сводится к последовательному концентрированию полезных компонентов в товарном продукте, который можно использовать как готовый материал для химико-металлургической переработки. Концентрирование включает две основные операции:

1) раскрытие зерен полезных минералов на фазы, контрастные по содержанию;

2) разделение этих фаз на основе различия физических, физико-химических или химических свойств.

При подготовке руды к обогащению разрушение горной породы осуществляют для того, чтобы разделить добытую из недр руду на частицы определенных размеров и на слагающие ее минералы, чтобы затем отделить промышленно полезные минералы от пустой породы.

Будем называть технологию разрушения горных пород собирательным термином «дезинтеграция» от латинского слова integer – целый и приставки de, означающей нарушение целостности.

При обогащении полезных ископаемых дезинтеграции подвергают рудную часть добываемых горных пород

В практике механической обработки полезных ископаемых и обогащения часто употребляют более узкие термины: дробление и измельчение. Под дроблением обычно понимают процесс дезинтеграции, в результате которого большая часть готового продукта оказывается крупнее 5 мм, а под измельчением – процесс, весь продукт которого мельче 5 мм. Граничный размер, разумеется, условен и может колебаться в некоторых пределах в зависимости от типа обрабатываемого материала и особенностей технологии последующей переработки.

Основную группу твердых материалов, подвергающихся дезинтеграции, представляют различные виды минерального сырья, которое приходится дробить и измельчать в процессе первичной обработки. Эта группа включает в себя:

1) руды, используемые в качестве металлургического, горно-химического и неметаллического сырья;

2) твердое энергетическое топливо;

3) цементное сырье и строительные материалы;

4) горные породы, используемые в дорожном и гражданском строительстве в качестве инертных наполнителей.

Общее количество материалов, ежегодно подвергаемых дезинтеграции, составляет 3–3,5 млрд. т, а расход электроэнергии на эти процессы составляет 4,5–5 % ее общего производства в стране. Масса дробильно-измельчительного оборудования, перерабатывающего 1 млн. тонн горного сырья в год, составляет в среднем 1 тыс. тонн. Значительная часть металла (от 1 до 3 кг на 1 т дробимой и измельчаемой руды в зависимости от ее характеристики и степени измельчения) безвозвратно теряется в результате абразивного и коррозионного износа измельчающих тел и футеровок рабочих органов машин. В целом безвозвратные потери металла в процессах дезинтеграции минерального сырья составляют до 4 млн. тонн в год, или 2 % общего производства его в стране.

Процессы дробления и измельчения, как правило, являются многостадиальными, а для размещения оборудования требуется несколько корпусов с тяжелыми железобетонными фундаментами, что обусловливает большие затраты на здания и сооружения. Так, например, в структуре капитальных вложений на обогатительное производство на долю дробильно-измельчительных отделений приходится 45-55 % общих затрат.

Обслуживание многостадиальных дробильно-измельчительных отделений требует многочисленного технологического и ремонтного персонала, работа которого в основном связана с ручным трудом.

Избыточный уровень шума, повышенная вибрация, обильное пылеобразование при сухих способах обработки пагубно влияют на окружающую среду и делают процессы дробления и измельчения одними из наиболее профессионально тяжелых с точки зрения охраны труда.

Если учесть, что помимо переработки минерального сырья процессы разрушения твердых материалов широко применяются в целлюлозно-бумажной промышленности для подготовки древесины, в пищевой промышленности, в производстве медицинских препаратов, при переработке бытовых и промышленных отходов и в ряде других отраслей, то можно сделать вывод, что они являются одними из наиболее массовых и в то же время энерго-, металло-, капитало- и трудоемких технологических процессов в народном хозяйстве. Наряду с этим существующие методы дезинтеграции не удовлетворяют ряду требований промышленного производства.

Во-первых, традиционные процессы разрушения отличаются низкой селективностью. Это выражается в том, что при разделении многокомпонентных материалов приходится нарушать целостность самих компонентов, что вредно сказывается на их технических и технологических свойствах. Например, переизмельчение минералов, из которых состоят горные породы, является основной причиной технологических потерь при обогащении полезных ископаемых.

Во-вторых, традиционные процессы дробления и измельчения пригодны для разрушения не всех твердых материалов: особо прочные материалы (металлы, твердые сплавы, сырье для порошковой металлургии, абразивные, керамические и ряд других) известными способами разрушаются неэффективно или вообще не разрушаются. Вместе с тем необходимость дезинтеграции таких материалов остро ощущается как в ряде развивающихся в последнее время технологий синтеза новых материалов, так и при переработке вторичного сырья, поскольку большинство промышленных отходов относится к трудноразрушаемым объектам.

В-третьих, для некоторых технологий, в частности при обогащении полезных ископаемых и при подготовке горно-химического сырья, серийно выпускаемое измельчительное оборудование уже не обеспечивает получения необходимой крупности измельчения. Это связано как с резким изменением минерально-сырьевой базы, вызвавшим вовлечение в переработку большого количества тонковкрапленных руд, так и с новыми требованиями промышленности к качеству сырья.

Сложившееся положение в области дробления и измельчения руды в принципе характерно для мировой практики в целом. Чтобы понять причины создавшейся ситуации, проанализируем основные этапы развития техники и технологии дезинтеграции.

Согласно терминологии, принятой в последнее время при анали­зе и планировании научно-технического прогресса, под новым поко­лением техники понимают системы машин, оборудования, техноло­гических процессов, энергетических источников, которые обеспечивают резкое повышение техниче­ского уровня системы при реализации новаторских изобретений.

Жизненный цикл одного поколения техники охватывает пять фаз (рисунок 1): создание (0), освоение (1), распро­странение (2), стабильность или зрелость (3) и старение (4). Гра­фическая модель смены фаз (0-4) и поколений (I-IV) изображе­на на рисунке 2.

Q – объем производства тех- никой данного поколения.
Рисунок 1. Фазы жизненного цикла одного поколения техники	Рисунок 2. Графическая мо- дель смены поколений техники.

Революционные сдвиги в развитии техники связаны с формиро­ванием нового технического направления в определенной ее обла­сти, означающего переход к новому физическому принципу организации процессов, что приводит к качественному скачку в эф­фективности производства. Как правило, это обусловлено крупными научными открытиями. Каждое направление включает ряд сменяю­щих друг друга или развивающихся параллельно поколений техни­ки.

Анализ истории развития техники показывает, что перевороты, связанные с возникновением новых направлений и сменой поколе­ний техники, наблюдались систематически с постепенно сокращаю­щейся периодичностью (в течение второго тысячелетия: XII-XIII вв., XV-XVI вв., конец XVIII-начало XIX вв., середина XIX в., конец XIX-начало XX вв., 40-е – 50-е годы XX в. – первая научно-техническая революция (НТР), середина 70-х – середина 90-х годов – вторая НТР, можно прогнозировать третью НТР в 10-20-е годы XXI в.).

В последние десятилетия периодичность смены поколений тех­ники составляет в среднем 15-20 лет, поскольку конечные фазы предыдущего и начальные фазы последующего поколений совпа­дают во времени. Жизненный цикл поколения техники – 70-80 лет.

Рассмотрим историческую последовательность смены направле­ний и поколений применительно к процессам дезинтеграции.

Механическое разрушение с целью дезинтеграции – один из наиболее древних трудовых процессов, освоенных человеком. Для этой цели им был выработан арсенал приемов:

1) раздавливание, наступающее после перехода напряжений за предел прочности на сжатие;

2) раскалывание в результате расклинивания, когда в мате­риале создаются напряжения растяжения, приводящие к раз­рыву кусков;

3) излом – в результате изгиба;

4) срезывание, при котором материал подвергается деформации сдвига;

5) истирание, при котором внешние тонкие слои материала под­вергаются деформации сдвига и постепенно срезываются;

6) удар, при котором перечисленные нагрузки носят динамический характер.

Тысячелетиями эти приемы осуществлялись вручную с помощью простейших орудий труда, а в некоторых сферах деятельности че­ловека такая ситуация сохраняется и до сих пор. Очевидно, что первый качественный переворот следует отнести к появлению механизмов в виде каменных жерновов и других про­стейших устройств для помола зерна, приводимых в действие с по­мощью мускульной энергии человека и домашних животных.

На­чало возникновения дезинтеграции с использованием механизмов датировать довольно трудно. Горное дело явилось той отраслью промышленного производ­ства, которая стимулировала развитие машинных способов дезин­теграции. В связи с необходимостью резкого увеличения производи­тельности при переработке руд и подготовке их к плавке в эпоху бурного развития металлургии в XVI в. появились первые машины для обработки сравнительно больших масс материала – такие, как толчеи, валки, бегуны, вначале с водяным, а с XVII века – с па­ровым приводом.

Помимо задачи повышения производительности труда по пере­работке руды научно-технический прогресс машинных способов дез­интеграции был ориентирован на решение следующих основных за­дач:

1) увеличение предельной прочности материалов, которые могут подвергаться дезинтеграции;

2) повышение предельно возможной крупности исходного продук­та;

3) снижение крупности конечного продукта.

Настоятельная необходимость решения этих задач отодвигала на второй план такие факторы, как энерго- и металлоемкость ма­шин, низкая селективность и многостадиальность процесса.

Поставленной цели достигали благодаря применению макси­мально простых конструктивных решений машин, исключительно надежных в условиях массовой переработки материалов в тяже­лых эксплуатационных условиях.

Возможности дробильно-измельчительных машин, созданных в период XVI—XIX вв., с точки зрения прочностных свойств мате­риалов, которые они могли разрушать, ограничивались мягкими горными породами и рудами средней крепости – не более 10-12 по шкале М. М. Протодьяконова.

Поскольку сжимающие нагрузки доминируют при разрушении горных пород, профессором М. М. Протодьяконовым была разработана шкала их крепости по напря­жению на сжатие. Коэффициент крепости принят равным 10^–7 разрушающего усилия на сжатие, измеренного в паскалях. Согласно этой шкале, все горные породы делятся на 10 категорий, характеризующихся коэффициентами крепо­сти (от 0,3 – для самых слабых до 20 – для наиболее прочных пород). Материа­лы, разрушающиеся при усилии сжатия более 2*10⁸ Па, в шкалу не включены. Они считаются особо прочными, не поддающимися эффективному механическо­му разрушению.

Формирование данного, если можно так выразиться, нулевого поколения закончилось на рубеже XIX и XX веков созданием машин, составляющих основу современной технологии дезинтеграции руд. Необходимость вовлечь в переработку бедные тонковкрапленные руды черных и цветных металлов, отличающиеся большей проч­ностью, обусловила создание технологий тонкого измельчения при значительном увеличении объемов переработки. Появились новые конструкции дробильно-измельчительных машин, способные дро­бить и измельчать в потоке скальные породы с коэффициентом кре­пости 16-18 до крупности вплоть до 10 мкм. К ним относятся щековая дробилка (изобретена в 1858 г.), конусная дробилка (1878 г), вращающиеся барабанные мельницы с использованием в качестве измельчающих тел каменной гали, металлических шаров, стержней (конец XIX века) (смотри рисунок 3).

При создании этих машин в качестве основного способа разру­шения было использовано раздавливание, т. е. сжатие куска мате­риала, захваченного между рабочими органами машины (щеки, ко­нус и корпус, стержни, шары). Безусловно, характер деформацион­ного нагружения более сложен, и в реальном процессе происходят также раскалывание, удар, истирание, но превалирующим остает­ся раздавливание. Таким путем конструктивно наиболее просто удалось создать в рабочем пространстве машин необходимую энергонапряженность, хотя с физической точки зрения организа­ция процесса стала крайне нерациональной, так как горные поро­ды имеют наибольшую прочность именно на сжатие.

Этот исторический экскурс приведен, чтобы подчеркнуть, что со средних веков в течение ряда столетий вплоть до XX в. при раз­витии процессов дезинтеграции принципы их организации, по су­ти дела, оставались неизменными: твердое тело разрушалось пу­тем воздействия на него механического приспособления (рабо­чего органа машины) с использованием приемов, освоенных еще на заре развития человечества.

В отличие от дезинтеграции материалов, в области разрушения горных по­род в массиве уже в XVI в. возникло новое направление: применение порого­вых взрывов заменило кирковую и клиновую работу в забое.

Первое поколение современной технологии дезинтеграции руд для подготовки их к обогащению, так называемая технология ста­диального дробления и измельчения, стабилизировалось в 30-е годы XX века. Эта технология неразрывно связана с взрывным спо­собом ведения горных работ и для наиболее прочных тонковкрап­ленных руд включает до семи стадий:

I – дробление при взрывной отбойке, в процессе которого руд­ное тело превращается в раздробленную силой взрыва горную массу. Максимальная крупность кусков исходной руды в зависи­мости от способа разработки (открытая или подземная) и физи­ко-механических свойств пород составляет от 500 до 1500 мм;

II – крупное дробление в конусных или щековых дробилках до 100-350 мм;

III – среднее дробление в конусных дробилках до 40-100 мм;

IV – мелкое дробление в конусных дробилках до 10-30 мм;

V – грубое измельчение в стержневых мельницах до 2-6 мм;

VI – тонкое измельчение в шаровых мельницах до 0,5-1 мм;

VII – сверхтонкое измельчение в шаровых мельницах до 0,05-0,1 мм.

Удельные энергозатраты по стадиям механической дезинтегра­ции в зависимости от прочностных характеристик руды распреде­ляются следующим образом. кВт-ч/т:

крупное дробление 0,3-0,5

среднее и мелкое дробление 0,8-1,2

грубое и тонкое измельчение 18-20

сверхтонкое измельчение 50 и более

Дальнейшее развитие дробильно-измельчительной техники шло эволюционным путем – по линии укрупнения машин в целях уве­личения их единичной мощности, что обусловливалось прогрессом в развитии конструкций электропривода, создании конструкционных материалов и станков.

К концу 50-х – началу 60-х годов для крупного дробления по­всеместно начали применять конусные дробилки с шириной заг­рузочного отверстия от 1065 до 1525 мм.

Из-за сравнительно низ­кой производительности, большей крупности дробленого продукта по сравнению с продуктом конусных дробилок, а также невозмож­ности прямой загрузки руды из транспортных средств щековые дробилки в I стадии дробления постепенно стали вытесняться ко­нусными.

В стадиях среднего и мелкого дробления господствующее по­ложение заняли стандартные и короткоконусные дробилки Саймонса с диаметром конуса 2135 мм, работающие с грохотами виб­рационного типа с площадью поверхности грохочения до 9 м².

Двойную функцию выполняли стержневые мельницы. Принимая дробленую руду крупностью в среднем –20 мм, при замкнутом цикле дробления они производили грубое измельчение. При влаж­ных глинистых рудах, когда мелкое дробление в обычном замкну­том цикле затруднительно, стержневая мельница в открытом цик­ле дробления (или в замкнутом, но с более крупными отверстиями сит грохотов, исключающими забивание) выполняла роль дробилки сверхмелкого дробления. В обоих случаях она подготавливала идеальное питание для шаровых мельниц с максимальным разме­ром кусков 2-6 мм. Вместимость стержневых мельниц, в 30-е годы составлявшая 17 м³, к концу 50-х годов достигла 81.5 м³.

Тонкое (для получения материала крупностью 50-80 % клас­са –0,074 мм) и сверхтонкое (при необходимости получения бо­лее мелкого материала) измельчение производили в шаровых мель­ницах. Их вместимость выросла от первоначальных 18 до 49 м³ к концу 50-х годов, но диаметр не превышал 3,6 м.

Мельницы этого диаметра работали с шарами диаметром до 50 мм, что обеспечивало их оптимальное соотношение (от 100:1 до 80:1), соответствующее наиболее рациональному использова­нию мощности мельницы.

Указанное оборудование, обеспечивая достаточно высокую про­изводительность технологических линий до 3000 т/сутки (или 1 млн. т/год), одновременно гарантировало оптимальную крупность продукта по стадиям. Последнее обстоятельство существен­но, поскольку для разрушения раздавливанием кусок материала должен быть надежно захвачен между рабочими поверхностями машины (щеками, конусом и корпусом, стержнями, шарами).

Рисунок 3. Сравнительные характеристики дробильно-измельчительных машин по предельной прочности f разрушаемых в них руд, диапазону крупности d исходного и конечного продуктов, степени сокращения К.

Это условие определяется углом захвата, а также коэффициентом трения (в динамических условиях) между рабочими органами и раз­рушаемым материалом. С учетом этого обстоятельства крайне важно поддержание оптимального состава продукта, поступающе­го в каждую стадию, по крупности. Наличие кусков материала сверхкритической крупности приводит к резкому снижению эффек­тивности процесса (падает производительность по готовому классу, повышаются удельный расход энергии и износ металла). Особенно важно поддержание оптимальной крупности дробленого продукта, поступающего на шаровое измельчение.

Технология первого поколения стала своего рода классической. Они пригодна для подготовки руд любой категории крепости, в том числе вязких, глинистых. В этом отношении она универсальна. Для тонковкрапленных полиметаллических руд она является, по суще­ству, единственной широко применяемой в мировой практике. Для нее характерны наиболее низкие сквозные удельные энергетиче­ские затраты для получения заданного класса крупности. Вместе с тем вследствие многостадиальности она требует максимальных капитальных затрат на здания и сооружения, а большое число аг­регатов — значительного количества технологического и ремонтно­го персонала. Поэтому с ростом мощности фабрик по переработке естественным было стремление сократить число стадий в техноло­гической схеме, исключив громоздкое оборудование, и уменьшить число агрегатов в каждой из них.

Технология второго поколения, получившая широкое распрост­ранение с 50-х годов, в соответствии с этой новой тенденцией ха­рактеризуется исключением из схемы одной стадии – операции грубого измельчения в стержневых мельницах, требовавшей значи­тельной производственной площади для установки машины с уче­том ее повышенной длины и наличия устройства для загрузки стержней.

Такое технологическое упрощение стало возможным только на основе прогресса в области конструирования и изготовления оборудования. Попытки внедрить бесстержневую технологию в 30-х годах окончились неудачно в связи с отсутствием технической ба­зы.

Основными элементами технического прогресса во втором поко­лении были разработка и освоение производства надежных в ра­боте вибрационных грохотов с большой активной площадью грохочения, крупных шаровых мельниц, гидроциклонов и песковых на­сосов с регулируемой подачей.

Создание рядом американских фирм вибрационных грохотов тя­желого и сверхтяжелого типов позволило надежно замкнуть цикл дробления и обеспечить стабильное качество продукта, поступаю­щего на измельчение (крупностью 10 мм и менее). В начале 60-х годов площадь грохотов составляла 9 м², в начале 70-х – 15 м²,. а в последнее время достигла 40 м².

Появление крупных шаровых мельниц диаметром более 4 м вместимостью до 141 м³ с приводом мощностью до 4000 кВт дало возможность при использовании шаров диаметром 75 мм и более повысить верхний предел крупности принимаемого продукта без значительного снижения эффективности их работы.

Переход от механических классификаторов (реечных и спираль­ных) к гидроциклонам позволил интенсифицировать классифика­цию в цикле измельчения, повысить точность разделения, увеличить плотность слива, поступающего в основную флотацию. Эффектив­ная работа гидроциклонов обеспечивалась песковыми насосами с большой подачей и регулируемым питанием, обладающими высо­ким ресурсом работы.

Сочетание этих агрегатов дало возможность обеспечить надеж­ную работу всего передела и автоматизировать технологический процесс дезинтеграции в целом. Гарантированная крупность пи­тания, поступающего из цикла дробления, исключила необходи­мость в разгрузочных решетках мельниц, предназначавшихся для нормальной работы насосов и гидроциклонов. Отсутствие решеток обеспечило безостановочную работу мельниц, что особенно важно для полностью автоматизированного цикла измельчения в усло­виях большой производительности.

Для того чтобы компенсировать ликвидацию стадии грубого измельчения, соответствующая часть работы была передана в ста­дии дробления, начиная с дробления при взрыве.

Несмотря на то, что средства погрузки и транспортирования взорванной горной массы к этому периоду значительно укрупни­лись (вместимость ковша экскаватора увеличилась к началу 70-х годов до 11,5-13 м³, а самосвалов – до 100 т), техника буровзрывных работ обеспечила сохранение максимального размера кусков руды, поступающих на крупное дробление, в пределах 900–1300 мм.Поэтому размеры дробилок крупного дробления не только оста­лись без изменения, но даже появилась тенденция ограничиваться машинами с максимальными размерами приемной щели 1350-1370 мм вместо 1520 мм.

Максимальную крупность и, до некоторой степени, гранулометрическую характеристику исходной руды стали регулировать с помощью управляемого взрыва, а точнее, технологией и параметрами горных работ (высота уступа, диаметр и сетка скважин, глубина перебура, состав и оптимальный расход ВВ). Крупное дробление руды, как правило, стало относиться к горному комплексу, что све­ло к минимуму затруднения из-за попадания негабарита в дро­билки. В дополнение к этому в каждом корпусе крупного дробле­ния появились специальные механические средства для додрабливания случайных негабаритных кусков.

Освоение выпуска широкой номенклатуры конусных дробилок для крупного дробления по эксцентриситету, ширине разгрузочной щели и установочной мощности электродвигателя позволило гиб­ко, в зависимости от конкретных условий достигать требуемой про­изводительности и крупности продукта при сниженном расходе электроэнергии.

Вместительные напольные склады крупнодробленой руды с большим запасом (до 2-4 суток) стали обязательными сооружения­ми каждой фабрике, в любом географическом регионе независимо от климатических условий.

Выделение из основной массы руды после I и II стадий дробле­ния мелкого продукта, готового для измельчения, значительно об­легчило работу всей последующей технологической цепи дробилок и грохотов III стадии, конвейеров и перегрузочных узлов.

В целях повышения эффективности процесса в цикле среднего и мелкого дробления, была усовершенствована конструкция стан­дартных и короткоконусных дробилок Саймонса и увеличена мощ­ность электродвигателей. Так, мощность электродвигателей этих дробилок с конусом диаметром 2135 мм в конце 60-х годов состав­ляла 200 кВт, а в середине 70-х годов – 224 кВт.

Для особо прочных руд фирма «Рекснорд» (США) начала вы­пускать дробилки сверхтяжелого типа с электродвигателями мощ­ностью 375 кВт с частотой вращения эксцентрикового стакана 529 об./мин. вместо 435 об./мин. и большой силой прижатия пружин. Это поз­волило удлинить параллельную зону рабочего пространства, уве­личить разгрузочную щель с 6 до 13 мм и, вместе с тем, при работе в замкнутом цикле, снизить крупность питания мельниц. Появи­лись и начали широко применяться дробилки для сверхмел­кого дробления типа «Гидрокон» фирмы «Аллис-Чалмерс» (США).

В целом технология второго поколения оказалась более эконо­мичной по проектно-компоновочным решениям для создания линий производительностью до 2-3 млн. т/год, но более энергоемкой по сравнению с классической схемой, поскольку дробленая руда, по­ступающая на измельчение, в этом случае загрублена.

Попытки дальнейшего сокращения числа стадий были сделаны в 70-е годы с внедрением мельниц самоизмельчения, что стало воз­можным после освоения машиностроителями методов изготовления сварных стальных корпусов диаметром свыше 7 м.

Технология самоизмельчения, которую можно считать техно­логией третьего поколения, сократила схему еще на две стадии – среднего и мелкого дробления, что уменьшило затраты на здания и сооружения. Кроме того, при введении рудно-галечных мельниц вместо шаровых значительно снижается расход металла за счет устранения шаров.

Диаметр мельниц самоизмельчения стремительно возрастал. В 1960 году он составлял 7 м, в 1965 году было освоено производство мельниц диаметром 10 м, а в 1975 г. появились мельницы диаме­тром до 11 м с приводом мощностью 9 МВт, что обеспечивало ли­ниям достаточно высокую производительность – до 2-3 млн. т/год. Технология оказалась пригодной и для вязких глинистых руд. Кроме того, самоизмельчение по сравнению с шаровым измельчением обеспечи­вало более селективное раскрытие минералов, вследствие чего снизились потери полезных компонентов при последующем обога­щении.

Несмотря на указанные преимущества, эта прогрессивная схе­ма получила сравнительно ограниченное применение. Она оказа­лась незаменимой для алмазных и золотосодержащих руд, руд ред­ких металлов, где селективность раскрытия и снижение переиз­мельчения имеют первостепенное технологическое значение. Для руд повышенной крепости, хотя капитальные затраты по схеме полного самоизмельчения были на 20 % ниже по сравнению со схемой ста­диального дробления и шарового измельчения, удельный расход электроэнергии соответственно возрастал на 20-30%. Поэтому в большинстве случаев общая экономическая оценка была не в поль­зу технологии самоизмельчения.

Возможность сочетания преимуществ процессов самоизмельче­ния и шарового измельчения для переработки руд в широком диа­пазоне крепости возникла с развитием процесса полусамоизмельчения. Более точно этот процесс можно охарактеризовать как ин­тенсификацию самоизмельчения путем добавки шаров (до 8 % по объему) в мельницу самоизмельчения и выведения накапливаю­щихся «трудных зерен» с додрабливанием их в отдельном цикле.

Наиболее рациональный вариант технологии четвертого поко­ления, получившей широкое распространение в 80-х годах, – ком­бинированная схема полусамоизмельчения с шаровым измельче­нием. Эта технология предусматривает крупное дробление в кону­сной дробилке, располагающейся на борту или вблизи карьера и связанной с накопительным складом крупнодробленой руды на площадке фабрики длинной конвейерной трассой. Руда из склада крупнодробленой руды подземными пластинчатыми питателями и мощными конвейерами подается непосредственно в мельницы полусамоизмельчения или самоизмельчения, как правило, макси­мальной вместимости 350 м³ (разработана мельница вместимостью 450 м³) с регулируемым приводом. В итоге производительность технологической линии по переработке руды достигла 7-10 млн. т/год. Каждая мельница самоизмельчения или полуса­моизмельчения в замкнутом цикле с грохотом обеспечивает оптимальное по крупности питание для шаровой мельницы (класс –5 мм), с которой она работает в паре. С мельницей самоизмельче­ния вместимостью 350 м³ сочетается шаровая мельница вмести­мостью 148 м³.

Схема требует минимального объема зданий и сооружений, до­статочно низкого удельного расхода электроэнергии при перера­ботке руд любой крепости (способна перерабатывать как камени­стые, так и вязкие глинистые руды) и, будучи полностью авто­матизированной, – минимального количества ремонтного персона­ла, который работает, как правило, только в дневную смену. Та­ким образом, технология последнего поколения 80-х годов вобрала в себя все лучшее от технологий предыдущих поколений.

Следует, однако, подчеркнуть, что в силу своей специфичности схемы предыдущих поколений не потеряли значимости. При проек­тировании новых предприятий обычно проводится опыт- но-промыш­ленное сравнение всех вариантов, и лучший из них выбирается на основе детального технико-экономического расчета.

К сожалению, приходится констатировать, что по техническому уровню оборудования и степени применения прогрессивных техно­логий последних поколений отечественные обогатительные фабрики существенно уступают фабрикам стран с развитым горнодобываю­щим производством, таких, как США и Канада. Вследствие этого на отечественных фабриках в операциях дробления и измельчения удельный расход электроэнергии выше на 20—30 %, удельный рас­ход металла из-за повышенного износа измельчающих тел и футеровок больше примерно в 2 раза, а производительность труда в 4-5 раз ниже, чем в передовых зарубежных странах. Соответст­венно ниже и все остальные технологические и технико-экономиче­ские показатели.

Основной причиной такого положения явились попытки внедре­ния более прогрессивных технологических схем дробления и из­мельчения без достаточного обеспечения их необходимой и надеж­ной техникой.

В 30-е годы по инициативе Механобра по закупленным зару­бежным образцам на отечественных машиностроительных заводах было осуществлено воспроизводство щековых и конусных дроби­лок, стержневых и шаровых мельниц, необходимых для широкого промышленного освоения технологии рудоподготовки первого поко­ления. Продолжая совершенствовать это оборудование, специали­зированные конструкторские бюро и заводы создали машины, ко­торые являются патентно-чистыми и выдерживают конкуренцию ведущих иностранных фирм США, ФРГ, Франции и Швеции, спе­циализирующихся в данной области. Лицензии на производство этих дробилок проданы в Иран, Индию, Бразилию и другие разви­вающиеся страны. По советским чертежам организовано производ­ство дробилок в Болгарии, ГДР, Чехословакии, Румынии.

Таким образом, технологическая схема первого поколения (трех­стадиальное дробление с последующим измельчением в стержневых и шаровых мельницах) с самого начала внедрения была обес­печена технически совершенным оборудованием.

Обогатительные фабрики, рудоподготовительные отделения ко­торых функционируют по технологии первого поколения, обладают наиболее высокими показателями по удельным затратам энергии, расходу металла, коэффициенту движения оборудования и прочим технико-экономическим показателям, не уступая аналогичным за­рубежным предприятиям. К таким фабрикам в цветной металлур­гии относятся: фабрика № 2 и комплексная секция фабрики № 1 Джезказганского комбината, фабрика № 1 ГМК «Печенганикель», Балхашская и Красноуральская фабрики; в черной металлургии – фабрики Новокриворожского и Полтавского ГОКов.

Однако большая часть действующих обогатительных фабрик спроектирована и построена по технологии второго поколения с исключением из схемы грубого измельчения в стержневых мельни­цах. Массовый переход на эту технологию начался в 50-х годах, даже несколько раньше, чем это произошло за рубежом. Вместе с тем необходимое оборудование, составляющее техническую осно­ву технологии второго поколения, в то время отсутствовало. Вы­пуск его начал осваиваться заводами в более поздний период, и до настоящего времени его технические показатели и, что самое глав­ное, надежность не отвечают мировому уровню, многие характе­ристики не оптимизированы.

Дробилки крупного дробления ККД-1500/180 по единичной мощ­ности аналогичны зарубежным аналогам. Однако не организован выпуск широкой номенклатуры типоразмеров, конструкций и мощности привода. Поэтому в данной операции очень часто происходит зна­чительный перерасход электроэнергии из-за невозможности по­добрать машину, параметры которой соответствовали бы конкрет­ным условиям.

Дробилки среднего и мелкого дробления по единичной мощно­сти также соответствуют мировому уровню и даже выше его – разработаны и внедрены самые крупные машины среднего и мел­кого дробления с дробящим конусом диаметром 3000 мм. Но по сравнению с зарубежными аналогами они дают завышенную круп­ность дробленого продукта (коэффициент закрупнения 3,8 по срав­нению с 3), недостаточно автоматизированы и обеспечены комплек­сными средствами механизации, характеризуются низким сроком службы наиболее изнашивающихся деталей (футеровка служит от 1 до 3 месяцев, антифрикционный слой втулок – до 6 месяцев, зубчатые колеса – до 1,5 лет). Вследствие этого коэффициент технического использования дробилок среднего и мелкого дробления составляет 0,70 при проектном значении 0,85.

Грохоты тяжелого типа с площадью поверхности сит 10 и 12,5 м² освоены только во второй половине 70-х годов. В стадии освоения находятся грохоты с площадью сит 15-21 м². Большинст­во из них по уровню эксплуатационной надежности и качеству исполнения наиболее нагруженных деталей не соответствуют тре­бованиям практики. Не производятся специальные грохоты для тонкого грохочения липких глинистых материалов. Низка надеж­ность просеивающих поверхностей (проволочная сетка имеет срок службы 2-5 суток, колосниковые решетки – 15-20 суток). Резино­вые сита, изготавливаемые на ремонтных заводах бывшего Минчермета СССР, служат до 3 тыс. ч, но имеют большую толщи- ну – до 60 мм и малое «живое сечение», не обеспечивающее необходимую эффективность просева. Не разработано надежное крепление сит. На грохотах устанавливаются невибростойкие подшипники, имею­щие наработку 5-6 тыс. ч.

Положение усугубляется тем, что при горных работах, в отли­чие от зарубежной практики, наблюдается постоянная тенденция к увеличению максимальной крупности взорванной горной массы. В нормах технологического проектирования горнорудных предпри­ятий цветной металлургии с открытым способом разработки уста­новлен следующий допустимый размер куска в исходной руде в зависимости от вместимости ковша экскаватора:

Вместимость, м^3			12,5
Размер куска, мм	1300—1350	1400—1500

Крупная шаровая мельница диаметром 5,5 вместимостью 140 м³ с приводом мощностью 4000 кВт создана только в 1979 г., причем она имеет в 1,4 раза большую металлоемкость и требует на 30 % больше производственной площади по сравнению с зарубежными аналогами. Основной же парк шаровых мельниц на отечественных фабриках представлен машинами вместимостью от 36 до 83 м³, для которых максимальная крупность питания не должна превы­шать 2-6 мм; на них же подается дробленый продукт крупностью в среднем 22-24 мм.

Работа шаровых мельниц в условиях их перегрузки еще более осложняется низкой эффективностью классификации в гидроцикло­нах. Высокопроизводительные грунтовые насосы для перекачки пульпы типа Гр имеют узкую номенклатуру типоразмеров и испол­нений. У них низкий коэффициент полезного действия (0,66-0,67), подача и напор в них не регулируются, промывочная вода в уп­лотнение должна подаваться в объеме до 5 % подачи насоса. До­пустимая плотность перекачиваемой насосом пульпы не превышает 1300 кг/м³ вместо необходимой по условиям технологии 2200 кг/м³. Вследствие этого пульпу приходится разжижать водой. Детали проточной части имеют низкий срок службы – 300-700 ч, время работы подшипников 300-500 ч. Ремонт проточной части произво­дится только с отсоединением трубопроводов. Насосы поставляют­ся без специальных износостойких задвижек с механическим приводом, без средств контроля состояния насоса.

Следует особо отметить, что схемы дробления и измельчения недостаточно автоматизированы.

Вследствие указанного несоответствия техники и технологии на обогатительных фабриках, рудоподготовительные отделения ко­торых запроектированы по схеме второго поколения (а их в стра­не большинство), нарушены принципы рациональной организации процессов дробления и измельчения. В итоге технологические и технико-экономические показатели операций дробления и измельчения на фабриках, построенных после 50-х годов, оказались значительно ниже, чем на фабриках первого по­коления, и, прежде всего, это относится к энергетическим показа­телям. Так, например, на фабриках черной металлургии сочетание стержневой мельницы в I стадии измельчения с шаровой по срав­нению с чисто шаровым измельчением обеспечивает снижение удельного расхода электроэнергии на 20-30 % и расхода мелющих тел более чем в 2 раза. Цикл измельчения на Балхашской фабрике со стержневыми мельницами в I стадии по расходу электроэнер­гии экономичнее цикла измельчения Алмалыкской медной фабрики с шаровыми мельницами в той же операции более чем на 30%.

Внедрение самоизмельчения при переносе на отечественные фаб­рики зарубежного технологического опыта также проходило на базе недостаточно совершенного оборудования, повышением надежно­сти которого пришлось заниматься в условиях эксплуатации.

Отечественные мельницы самоизмельчения диаметром 7 и 9 м³ значительно (в 1,3-1,4 раза) уступают зарубежным по всем пока­зателям технического уровня – энерго- и материалоемкости, сро­кам службы изнашивающихся деталей. По надежности достаточно работоспособной является пока только мельница ММС-70-23А вместимостью 80 м³ и мощностью 1600 кВт. Поэтому внедрение технологии третьего поколения осуществлено в основном на фаб­риках относительно небольшой производительности. Попытка внед­рить технологию полного самоизмельчения в мельницах диаметром 9 м на Лебединском, Ингулецком и Северном ГОКах пока не при­вела к положительным результатам.

Оборудование большой единичной мощности, необходимое для внедрения комбинированной технологии полусамоизмельчения и шарового измельчения, в странах СНГ не производится.

Передвижные дробильные агрегаты, крупные мельницы самоиз­мельчения и шаровые мельницы вместимостью до 450 и 320 м³ со­ответственно, надежные насосы, износостойкие трубы, микропро­цессорная компьютерная техника для полной автоматизации упра­вления пока находятся в стадии разработки. Поэтому попытки внедрения технологии последнего поколения по неполной схеме предприняты пока лишь на трех фабриках.

Технический уровень современного оборудования складывается не только из показателей его технологической эффективности, еди­ничной мощности и металлоемкости. В это понятие также входят: его эксплуатационная надежность; оснащенность комплектными приспособлениями для механизации ремонтных и вспомогательных работ; оснащенность микропроцессорными средствами автоматиза­ции рабочих узлов. По этим факторам в целом, за исключением от­дельных видов, отечественное оборудование не выдерживает кон­куренции с зарубежными аналогами.

Процессы дробления и измельчения руд осуществляются техно­логическими линиями, в составе которых работает одновременно до 90 единиц различного оборудования. Естественно, что остановка одной из машин вызывает остановку всей линии. Тем не менее, все это оборудование разрабатывается, производится и поставляется без учета его работы в единой технологической линии. В резуль­тате все машины имеют различные надежность и ресурс работы и не приспособлены для автоматического контроля и управления. Главные причины такого положения – отсутствие в системе ма­шиностроения специализации по разработке оборудования для обо­гатительных фабрик и то, что не предусмотрена ответственность за недостаточное повышение технического уровня этих видов обору­дования. Дробильно-обогатительное оборудование производится на многих заводах, причем оно не является основным в их номенклатуре. Вспомогательные аппараты и устройства (шаропитатели, пульподелители, арматура и т. д.) вообще не имеют отраслевой принадлежности и отнесены к категории нестандартного оборудо­вания.

Поставляемые средства механизируют только часть работ, сох­раняется применение ручного труда в ряде тяжелых и трудоемких операций. Так, перефутеровка мельницы самоизмельчения диамет­ром 9 м на фабрике Лебединского ГОКа занимает 570 ч. Система же ремонта мельницы диаметром 10,5 м на канадских фабриках с помощью манипуляторов и робототехники позволяет без раз­грузки мельницы осуществить необходимые операции в 5-6 раз быстрее.

Дробилки ПО «Уралмаш», завоевавшие хорошую репутацию на мировом рынке, при установке на зарубежных фабриках подверга­ются полному переоснащению приборами контроля и микропроцес­сорной техникой управления.

Необходимо особо подчеркнуть, что дробильно-измельчительная техника, установленная на наших предприятиях, устарела, не толь­ко морально, но и физически. На фабриках цветной и черной ме­таллургии доля оборудования, у которого истек нормативный срок эксплуатации, составляет 50 % и более.

Таким образом, в технологии дезинтеграции минерального сырья в настоящее время наблюдается отставание стран СНГ от мирового уровня в распространении наиболее прогрессивной техники второ­го и четвертого поколений в среднем на 5 лет.

Для дезинтеграции других видов твердых нерудных материалов используется аналогичная техника. В тех случаях, когда прочно­стные свойства материалов не превышают 10-12 по шкале М.М. Протодьяконова, наряду с дробилками и мельницами, рабо­тающими по принципу раздавливания, используются машины удар­ного действия и различного рода истиратели. Как правило, кон­структивные образцы оборудования и организация технологии бо­лее примитивны, чем в горнорудной промышленности и остаются неизменными в течение десятков лет. Сюда следует отнести под­готовку твердого энергетического топлива, горно-химического и неметаллического сырья, каменных материалов дорожного строи­тельства и инертных заполнителей в строительстве.

Особые затруднения испытываются при переработке трудно­разрушаемых твердых материалов. Так, при производстве цемента для получения молотого клинкера приходится применять шаровые мельницы трубного типа, длина которых достигает 15 метров. При при­готовлении керамических масс применяют вращающиеся галечные мельницы периодического действия, продолжительность измельче­ния в которых достигает 8 часов. При дроблении абразивных материа­лов число последовательных стадий процесса достигает 8-ми, износ металла на 1 т перерабатываемого материала достигает 20 кг, а удельный расход электроэнергии более чем в 10 раз превышает обычные затраты при переработке руд.

Из всего вышесказанного неизбежен следующий вывод: несмот­ря на четырехкратную за последние 100 лет смену технологии рудоподготовки, затраты на этот передел возрастают и их доля в об­щих затратах на обогащение увеличивается. Это связано с посто­янным обеднением сырья и вовлечением в эксплуатацию все более тонковкрапленных руд. Для получения тонны металла приходится дробить и измельчать существенно большее количество материала и до более тонкой конечной крупности. Так, при обогащении медно-порфиро-вой руды, содержащей 0,75 % меди, полная установоч­ная мощность в условиях большой производительности во всех опе­рациях рудоподготовки составляет 77 %, во флотации – 23 %. С уменьшением содержания меди в руде до 0,45 % энергоемкость рудоподготовки еще более возрастает: ее доля в общем балансе достигает 85 % и лишь 15 % приходится на флотацию.

Вот как оценивает сложившуюся ситуацию А. Макферсон, стояв­ший в начале XX века у истоков создания применяющейся в настоя­щее время технологии дробления и измельчения. Процитируем его статью, появившуюся в 1983 г., под характерным названием «Нуж­на ли революция в обогащении?»:

«Дробильные агрегаты, так же как и мельницы, увеличиваясь в размерах, достигли своего приемлемого максимума. Размеры мельниц самоизмельчения и полусамоизмельчения продолжают расти. Возможно, что этот процесс наращивания единичной мощ­ности продолжится, если будут модернизированы электроприводы и использованы новые более прочные материалы. Но все эти но­вовведения не революционны. Они являются усовершенствования­ми не слишком радикального характера. Принципы остаются те же. Мы стоим перед необходимостью создания радикально новых методов разрушения. Они должны явиться результатом широчай­шего фронта совместной деятельности ученых и инженеров во всех фазах совокупной программы. Я считаю, что следует пойти еще дальше и обратиться к фундаментальным исследованиям, т. е. не совершенствовать существующие методы, а разрабатывать новые принципы разрушения».

Очевидно, настало время, когда очередное поколение техники дезинтеграции должно сформироваться на базе нового научно-тех­нического направления.

Решение проблемы создания эффективных машин для дробле­ния и измельчения твердых материалов в теоретическом отношении зависит от успехов в развитии таких разделов фундаментальных наук, как механика разрушения, физика твердого тела, физиче­ская химия, физическая кинетика, реология (в частности, механика сыпучих тел и гидроаэродинамика), нелинейная механика, теория удара, теория колебаний и волн, теории управления и оптимальных процессов, материаловедение, машиноведение, трибоника и т. д. Однако определяющее значение имеют физика разрушения и ди­намика машин.

Применительно к дробильно-измельчительным машинам пробле­мы механики достаточно активно развивались целой плеядой со­ветских ученых: академиками И.И. Артоболевским, К.В. Ураловым, К.В. Фроловым, В.Н. Потураевым, профессорами Л.Б. Левенсоном, Д.П. Береновым, В.Р. Кубачеком, И.И. Блехманом, Ю.Н. Панкратовым, В.А. Петровым и рядом других.

Вместе с тем развитию физики разрушения горных пород и других гетерогенных материалов до последнего времени и у нас, и за рубежом достаточного внимания не уделялось. Именно этим обстоятельством можно объяснить длительный застой и эволюци­онное развитие техники дезинтеграции. Существующие теории дробления и измельчения стремились объяснить закономерности разрушения руд традиционными методами и на их основе дать ин­женерные методики выбора необходимой мощности машин и рас­чета энергозатрат. Проблема же состоит в том, чтобы теория мог­ла наметить научно обоснованные пути и принципиально новые способы, посредством которых с наименьшей затратой энергии, селективно, при минимальном числе стадий можно осуществить про­цесс разрушения.

Для решения задач обеспечения прочности конструкций труда­ми академиков А.Ф. Иоффе, А.Л. Александрова, И.В. Обреимова, Н.В. Давиденкова, С.В. Серенсена. С.Н. Журкова, В.В. Но­вожилова и других ученых создано современное научное направ­ление, основанное на учете неоднородностей и дефектов твердых тел на атомно-молекулярном и макроскопическом уровнях. Пара­доксально то, что при решении, по сути дела, обратных задач, где с успехом могли бы быть использованы разработанные физические модели и математический аппарат, рассмотрение проблем проходит на полуэмпирическом уровне.

Таким образом, главной задачей на данном этапе становится развитие фундаментальных исследований в области физики раз­рушения при всемерной интенсификации исследований в смежных областях теории.

Лит.: 4 доп. [9–14].

Контрольные вопросы:

1) в чем состоит сущность технологии I поколения?;

2) в чем состоит сущность технологии II поколения?;

3) в чем состоит сущность технологии III поколения?;

4) в чем состоит сущность технологии IV поколения?;

5) расскажите о недостатках технологий рудоподготовки 1-4 поколений.

Дата добавления: 2017-01-13