автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Развитие теоретических основ совершенствования барабанных мельниц

' Гв С.?> 2 2 МП к .

На правах рукописи УДК 622.734:734:622.76

Сыса Анатолий Борисович

РАЗВИТИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ БАРАБАННЫХ МЕЛЬНИЦ

Специальность: 05.05.06 - "Горные машины"

05.15.08 - "Обогащение полезных ископаемых"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Владикавказ 1998

Работа выполнена на кафедре обогащения Северо-Кавкааского государственного технологического университета

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Н.П. Максимов

доктор технических наук, профессор Н.И. Сысоев

доктор технических наук, профессор П.Е. Остапенко

Ведущее предприятие

Институт проблем комплексного освоения недр РАН

Защита диссертации состоится - "20" июня 1998 г. в часов на заседании специализированного Совета Д 53.12.01 . при Северо-Кавказском государственном технологическом университете

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северо- Кавказского государственного технологического университета

Автореферат разослан '"20"" мая 1998 г.

Ученый секретарь специалиэиро Совета, кандидат технических

Общая характеристика работы

Актуальность праблеыи. В народном хозяйстве любой страны используют большое количество измельченных материалов. Значительное количество руд и других полезных ископаемых подвергается дроблению и измельчению перед их обогащением. Б связи с постоянным усложнением состава и уменьшением размера вкрапленности руд технологически необходимая крупность измельчения уменьшается. Это приводит к постоянно нарастающим затратам электроэнергии, футеровоч-ной стали, стальных мелющих тел. Значительное энерго- и материа-лопотребление опосредствованно приводит к росту потребления угля и газа, увеличению массы золы и газообразных выбросов. Добыча, обогащение и производство материалов, расходуемых для осуществления процессов рудоподготовки, влечет за собой ухудшение и без того сложной в ведущих экономических районах экологической обстановки. Все это требует всестороннего изучения и совершенствования технологии измельчительного процесса.

Теоретической основой измельчения, как и любого непрерывного технологического процесса, являются кинетические законы, определяющие его. Их изучение является необходимой предпосылкой для разработки мер по интенсификации этого процесса. Наибольший интерес представляет изучение работы барабанных измельчителей, в которых осуществляется переработка более 90* всех измельчаемых материалов. Вопреки прогнозам, барабанные измельчительные агрегаты 1е только не исчезли к концу 20 века, но значительно увеличились ос объемы, мощности приводов, ^то вызвало новые проблемы, свлзан-ше с увеличением типоразмеров, также нуждающиеся в детальном [зучении. Серьезные задачи возникли в 70е годы в связи с широким недрением в мировую практику процесса рудного самоизмельчения, 'яогообещающий по своей сути, данный процесс в настоящее время астично заменен полусамоизмельчением или шаровым измельчением з-за недостаточно развитой теоретической и экспериментальной на-чной базы,

Создание принципиально новых высокопроизводительных методов змельчения сталкивается с трудностями обеспечения надежности 5орудования, от которой в наибольшей степени зависит экономичес-1Я целесообразность этих методов.

Многие из перечисленных проблем позволит решить детальное исследование основ измельчительного процесса, котороый во многом универсален для ряда типов измельчительных аппаратов и циклов измельчения. включающих эти аппараты.

Цель работ: Развитие теоретических' основ процесса измельчения и методов его интенсификации путем совершенствования конструкций барабанных мельниц.

Основная идея рабооол заключается в определении основных направлений совершенствования измельчительного процесса на основе изучения теоретических закономерностей кинетики в усло-

виях промышленных измельчительных циклов, использующих современное технологическое оборудование и исследовании методов интенсификации, соответствующих наиболее перспективным направлениям.

Нелюди исследований. При проведении теоретических исследований использовались фундаментальные положения физики твердого тела и закономерностей разрушения твердых материалов, гидродинамики сплошных сред и теоретические закономерности кинетики непрерывных процессов. Использованы апробированные методы аналитического и численного решения дифференциальных уравнений, математического моделирования технологических процессов и планирования экспериментов. В ходе исследований применялись методы системного анализа, физического моделирования процессов разрушения материалов в сочетании с процессом классификации. Исследования проводились с использованием методов гранулометрического, химического и магнитометрического анализа, фото- и киносъемки и т.д. Математическая обработка данных и моделирование измельчительных процессов выполнялись с применением известных современных аналитических и численных методов на высокопроизводительных вычислительных средствах.

Научные положения:

1. Скорость убывания крупного остатка при измельчении пропорциональна' его количеству, возведенному в степень, показатель которой убывает с увеличением энергонасыщенности процесса; при увеличении плотности мелющих тел от 2800 до 7800 кг/м5 показатель степени уменьшается от 1,95 до 1,0.

- Б -

2. Оптимальная длина рабочего пространства барабанных мельниц, при которой достигается максимальная производительность по готовому классу , зависит от крепости руды; при уЕблКч&кик коэффициента крепости в 1,78 раза оптимальная длина мельниц увеличивается в 1,28 раза.

3. Скорость износа выступающих элементов футеровки барабанных мельниц пропорциональна квадрату степени их износа.

4. Мощность, потребляемая рудной мелющей средой мельниц самоизмельчения, снижается при росте ее крупности согласно линейной зависимости с угловым коэффициентом -0,65; максимальная для данного типа мельниц производительность достигается при определенном соотношении потребляемой мощности и коэффициента заполнения, равном 29,0 для ММС-70x23.

Научная новизна

1. Зависимости, характеризующие связь между скоростными показателями процесса измельчения и его энергонасыщенкостьв, получены с использованием мелющих тел (шаров) с переменной плотностью.

2. Зависимость для определения оптимальной длины рабочего пространства получена с учетом коэффициента крепости перерабатываемой руды.

3. Квадратичная зависимость для определения скорости износа выступающих элементов футеровки барабанных мельниц получена с учетом текущей степени износа данных элементов.

4. Зависимость между производительностью барабанных мельниц самоизмельчения и'их заполнением материалом учитывает значение отношения потребляемой приводом мельниц мощности к коэффициенту их заполнения.

Научное значение

1. Зависимости между энергонапряленкостью процесса игмёлъчэ-ния и скоростными показателями, входящими в уравнения кинетики, позволили разработать методику сравнительного исследования шарового и бесшарового способов измельчения.

2. Полученная зависимость между производительностью барабанных мельниц и их длиной дала возможность разработать методику определения оптимальной длины рабочего пространства с учетом кз-мельчаемости материала. .

3. Обнаруженная связь между скоростью и степенью износа элементов футеровки барабанных мельниц самоизмельчения дала возможность разработать методику расчета степени износа и сроков эксплуатации элементов футеровки.

4. Связь между производительностью барабанных мельниц самоизмельчения, заполнением их мелющими телами и потребляемой приводом мощностью дала возможность получить достоверное описание механизма действия внутримельничной загрузки в рабочем пространстве барабанных мельниц.

Праюшческое значение работ

1. Полученные зависимости параметров, характеризующих кике-тику процесса измельчения, от энергонасыщенности процесса позволяют осуществить уточненный расчет производительности барабанных мельниц при создании новых конструкций.

2. Разработана методика определения оптимальной длины рабочего пространства барабанных мельниц с учетом крепости руды.

3. Полученные данные об особенностях износа элементов футеровки позволили выработать рекомендации по совершенствован™ конструкции и условиям эксплуатации данных элементов.

4. Закономерности потребления энергии мелющими телами, находящимися в барабанных мельницах, позволили выработать подход к технологической оптимизации процесса измельчения.

Достоверность научных и положений и результатов подтверждается полученными аналитическими и эмпирическими зависимостями, описывающими процесс измельчения, а также экспериментальной проверкой последних преимущественно в промышленных условиях с использованием современного крупного оборудования, совершенных методов планирования экспериментов и обработки результатов. Достоверность основных выводов подтверждается соответствием опытных и теоретических результатов.

Реаллааиця рлСкхпи. Был разработан новый способ интенсификации работы цикла самоизмельчения с' использованием зависимости производительности мельниц от потребляемой приводом мощности при постоянном заполнении. Способ был внедрен Лебединским ГОКом с получением заметного увеличения производительности.

Разработки по оптимизации конструктивных параметров барабанных мельниц были переданы институту Механобрчермет для совершенствования конструкций, используемых на Лебединском, Стойленском и Михайловском ГОКах.

Результаты работы по интенсификации циклов измельчения использованы Белгородским филиалом института Механобрчермет при совершенствовании технологии обогащения на фабриках комбината КМА-руда и Лебединского ГОКа. Предложенные рекомендации использованы при проведенной реконструкции для повышения производительности и надежности используемого оборудования.

Апробзцця рабаш. Основные положения работы доложены и обсуждались :

- на Всесоюзной научно-технической конференции по проблема« обогащения и окускования полезных ископаемых ( Ленинград, 1978 г.);

- на Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам обогащения и окускования руд черных металлов ( Кривой Рог, 1980 г.); . .

- на 2-м Международном съезде обогатителей ( г. Фрайберг, 1989г.);

- на 17 Международном Конгрессе по обогащению (Дрезден, 1991

г.);

- на научно-технической конференции "Системный анализ в обогащении полезных ископаемых",(г. Свердловск, 1989 г.);

- на Всесоюзном коммерческом совещании "Комплексное освоение технологических отходов промышленных предприятий" (Челябинск, 1990 Г.);

- на научно-технической конференции "Снижение экологического утцерба на фабриках цветной металлургии", Москва, 1993 г.;

- на научно-технической конференции "Экологические проблемы горного производства", Москва, 1993 г.;

- на заседаниях научно-технического совета Белгородского фи-5иала ин-та Механобрчермет (г. Белгород, 1980-1986гг. ) на заседа-

- а -

ниях кафедры и на научно-технических конференциях, проводимых в СКГТУ (г. Владикавказ, 1987-1996гг.):

Публшации- По теме диссертации опубликовано 22 статьи, получено 44 авторских свидетельства и патента на изобретения, опубликована монография, результаты исследований изложены в 12 отчётах.

Объёи рабоаи. Диссертация состоит из введения, 7 разделов, заключения, описка литературы из 263 наименовании, 7 приложений; содержит 350 страниц машинописного текста, 4Ь таблиц и 93 рисунка; в приложения включены полученные фактические данные, примеры расчетов по разработанным методикам и документы, подтверждающие полезность выполненной работы.

С0С0Т0ЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в области измельчения твердых материалов, содержат данные о возможностях интенсификации данного процесса. Среди путей интенсификации следует выделить главные, сводящиеся к двум основным приемам:

- увеличение коэффициента скорости измельчения, входящего в уравнение кинетики процесса измельчения;

- увеличение массы крупного остатка в рабочем пространстве мельниц.

Все методы, относящиеся к первой группе, связаны со значительными трудностями их осуществления и требуют больших дополнительных затрат, повышают расход энергии на измельчение. Методы, направленные на увеличение массы классов, более крупных, чем заданный предел уменьшения крупности, как правило, не требуют роста количества потребляемой энергии, они более экономичны и, с нашей точки зрения, более предпочтительны.

Осуществление второй группы методов тесно связано с необходимостью детального изучения кинетики процесса образования тонких классов. Наиболее широко применяемыми и удобными являются кинетические зависимости Тунцова-Загустина и уравнение В.В. Товарова. Эти выражения могут найти применение для практических расчетов,

однако смысл и свойства параметров, входящих в них, должны быть изучены для решения задач интенсификации процесса и конструирования нового оборудования. Значительный вклад в изучение процесса тонкого измельчения и в совершенствование измельчительной техники внесли С.Е.Андреев, -К.А.Разумов, В.А.Олевский, С.Ф.Шинко-ренко, О.Н. Тихонов, В.И.Кармазин, В.В.Кармазин, А.В.Ягупов, Д.К. Крюков, П.Е.Остапенко, Н.П.Максимов, Е.Е.Серго, В.П.Яшин, А.Н.Ма-рюта, Ф.У. Попов, А.Фаренволд, Д.В.Фюрстенау, Ф.Бонд, И.Гилварри, Л.Г.Остин, Д.Ф.Келсалл, Р.Шуман, Г.Румпф, В.Шайбе, С.Стэнли,Т.Ол-сен.Р.Гийо, Р. Хукки,

В практике создания барабанных измельчителей наметились тенденции преобладания мельниц о искусственной мелющей"средой, имеющих характерное соотношение размеров 0:Ь < 1, и аппаратов для рудного самойзиельчёнйя, для которых традиционным является соотношение О: Ь > 1. В 70е годы появилась тенденцга проектирования и создания барабанных мельниц с соотношёнией диаметра и" длины, равным 1,0 и менее. Предварительные данные, полученные в России и за рубежом свидетельствуют". о повышении экономической эффективности применения таких мельниц, однако, в частности, отсутствие теоретической базы такого усовершенствования и недостаточная изученность вопроса об организации высокоэффективного привода для мельниц больших объемов привели к ограниченному их применению. Данный факт повидимому послужил причиной недостаточной* конкурентоспособности мельниц самоизмельчения по сравнешш о шаровыми мельницами и постепенной замены на последние всех измельчительных агрегатов.

Имеется значительное количество данных о кинетике износа классов "критической крупности", также являющихся серьезным препятствием на пути повышения эффективности самоизмельчения. Было показано, что принципиальное различие между процессами рудного самоизмельчения и измельчения о применением искусственных мелющих тел сводится к различной энергонасыщенности процесса образования мелочи в зонах контактов мелющих тел. Однако процесо образования классов готовой крупности в барабанных мельницах, сопровождающийся потреблением наибольшего количества энергии, недостаточно изучен.

Коэффициент скорости измельчения и производительность мельниц самоизмельчения существенно зависят от прочности исходной ру-

ды и ее способности образовывать крупную измельчающую среду внутри мельницы. Возможна разработка способа интенсификации на основе создания оптимального гранулометрического состава исходной руды. Последний зависит от прочностных свойств и не может быть определен однозначно. Необходим критерий, в соответствии с которым может производиться шихтовка исходного материала, подаваемого на измельчение.

Существуют различные взгляды на вопроо о влиянии циркулирующей нагрузки на показатели процесса измельчения в цикле, состоящем из барабанной мельницы и классифицирующих устройств. Можно выделить три основные точки зрения:

- зависимость производительности от циркулирующей нагрузки имеет экстремальный характер;

- наблюдается монотонное возрастание производительности при увеличении циркулирующей нагрузки;

- рост циркуляции сопровождается снижением производительности по вновь образованным тонким классам.

Все приведенные тезисы сопровождаются достоверными опытными данными и не могут быть опровергнуты без должного обоснования. Различие во взглядах на влияние циркулирующей нагрузки объясняется повидимому отсутствием учета влияния пропускной способности мельниц на оптимальное значение циркулирующей нагрузки.

Имеющиеся литературные источники свидетельствуют о зависимости оптимальной циркуляции <от, скорости транспортирования материала в рабочем пространстве мельниц, от коэффициента, характеризующего измельчающую способность мельниц, от эффективности отделения готовых классов в классификаторе. Имеются также сведения о влиянии пропускной способности барабанных мельниц на оптимальное значения циркуляции. Пропускная способность возрастает при уменьшении крупности исходной руды, способствующем увеличению текучести пульпы. Отмечается изменение средневзвешенной измельчаемости крупных классов, поступающих о исходным питанием.

Анализ рассмотренных математических моделей измельчительных циклов дает возможность сделать вывод о том, что наиболее адекватными и информативными являются различного рода зависимости кинематического типа. Стержневым фактором, включаемым в эти модели, является время иамельчитежьного процесса. Для непрерывно действующего измельчительного цикла эта величина интерпретируется

по-разному, однако наиболее строгим является использование в качестве упомянутого фактора продолжительности пребывания частиц измельчаемого материала в рабочем пространстве измельчителя, которая непосредственно связана о количеством материала, транспортируемого мельницей в единицу времени, и, следовательно, с пропускной способностью барабанных мельниц, хотя данный фактор непосредственно не применяется ни в одной из рассмотренных зависимостей. Недостаточное понимание роли пропускной способности мельниц при оценке работы измельчительного цикла в целом приводит к недостаточно обоснованным упрощениям. Например, для различных классов крупности в некоторых моделях используется одно и то же время измельчения.

Недостатком математических моделей, основанных на кинетических зависимостях, являются ограниченные возможности их использования при недостаточной исходной информации (при наладке, реконструкции и проектировании отделений измельчения).

В итоге системных исследований, проведенных в цементной.про-мышденности, была доказана возможность описания циклов в целом, если известен механизм измельчения материала, его транспортировки и классификации. Классифицирующие устройства считаются идеальными, эффективность их работы не связывается с количеством продуктов, поступающих в процесс классификации, и, следовательно, с величиной циркулирующей нагрузки. Данное обстоятельство объясняется недостатком сведений о влиянии, пропускной способности системы мельница-классификатор на эффективность ее работы.

Обзор математических моделей, характеризующих циклы иэмель- . чения, учитывающих ' физические свойства образующейся в рабочем пространстве естественной мелющей среды, масштабный фактор, обус-лр«ливающий прочность фрагментов и гранулометрический состав загрузки мельниц, дает возможность сделать вывод о значительном влиянии классов "критической крупнооти" на производительность по вновь образованным классам. Данное явление объясняется воздействием этих классов на пропускную способность мельниц, которая не учтена при проведении предыдущих исследований.

5 ииЛЗСТИ конструирования и5р£иаикых мельниц самоизмельчения сохраняется прежняя тенденция - увеличение единичных объемов при сохранении прежнего соотношения длины и диаметра мельниц. Наиболее значительные технические усовершенствования касались разгру-

зочных решеток, формы разгрузочных лифтеров VI приводов. Сокращение расхода футеровки достигается путем применения более прогрессивных материалов. Работы по детальному изучению механизма износа футеровок отсутствуют. Удельная производительность крупноразмерных мельниц оказалась ниже, чем предполагаемая перед их внедрением.

РеЫОНТ ЫеДЬКИЦ ЫМС-ЗОлЗО И бОЛсй Кру'ПКЫл ООущ£СхЕ.11Яс~ОН К5" посредотвенно на секциях, что приводит к увеличению продолжительности простоев всего оборудования фабрик, к снижению коэффициента использования оборудования.

Сравнительно малонадёжным узлом циклов самоиамельчения являются классифицирующие устройства. Их совершенствование может заметно снизить количество неплановых простоев.

Для решения поставленных задач необходимо выполнение комплексного исследования,. включающего изучение кинетики иамельчи-тельного процесса, влияния циркуляции, пропускной способности и свойств материала ка параметры конструируемого измедьчительного оборудования и на разработку путей его дальнейшего совершенствования.

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ В БАРАБАННЫХ МЕЛЬНИЦАХ

Основным фактором, влияющим на скорость образования тонких классов, является энергия, подводимая непосредственно к материалу. Доля энергии, расходуемой непосредственно для создания механических нагрузок, и характер приложения этих нагрузок зависит от заполнения рабочего пространства мелющими телами, от соотношения между размерами последних и. барабана мельницы и от скоростного режима. В соответствии о этим, на основе физико-математического анализа было принято решение об использовании для проведения экспериментов пуототелых стальных шаров, в большей или в меньшей степени заполненных утяжелителем - свинцовыми вкладышами.

Для проверки предположения, что а перенасыщенность процесса измельчения определяет характер связи между массой крупного остатка в рабочем пространства измельчителя и скоростью убывания этой массы.исследовалась зависимость показателя степени п, входя-

цего в уравнение

- -кК", (1)

в котором Я - масса крупного остатка, от плотности мелющих тел. Было установлено, что ее увеличение о 3400 до 8400 кг/и9 связано о уменьшением показателя степени п от 1,9 до 1,0. В овяэи о этим применение уравнения кинетики первой степени при плотности измельчающей среды, отличающейся от плотности стали, возможно лишь на основе эмпирического определения коэффициента к.

Коэффициент скорооти измельчения к, как было установлено, при постоянном значении величины п зависит от количества расходуемой энергии. Данная зависимость подчиняется уравнение:

к-ко-е-Еа/Е, (2)

где ко- коэффициент, определяемый опытным путем; ко-к, если Еа -0; Еа - Ер - Е, где Ер - энергия, которую при данных условиях следует подвеоти к единице объема материала в единицу времени, чтобы соблюдалось условие ко-к. Е - количество энергии, реально подводимое к измельчаемому материалу. Величины, входящие в уравнение (2) определялись графоаналитическим способом (Рис.1).

По углу наклона графика, построенного-в координатах 1/Е;1егк определяют величину Еа, равную тангенсу угла наклона в. По величине отрезка, отсекаемого на оси 1(гк определяют ко- При наличии данных о скорооти измельчения, если известна удельная анергия Еа, можно определить коэффициент кг, соответствующий подводу энергии Е2:

к2 - к1-ехр[-Еа(Е1-Е2)/Е1Е£>Э (3)

На основе уравнения (1), о учетом того обстоятельства, что, несмотря на вероятностный характер перемещения частиц материала, можно пользоваться понятием времени пребывания в рабочем пространстве материала, можно записать выражение для расчета производительности по вновь образованному классу:

п

0 - кРц, (4)

где (X - производитель нооть мельницы; Р^- масса крупного остатка в рабочем пространстве; кип- параметры, аналогичные применяемым в уравнении (1).

к

о^об 0,05

о,о« О.ОЗ

о.оа

о.о* О.о

л

\\\

\\ \

\о О \Гч

\ и Ч

V \ \

V3 Х^4 Ч*'

✓.о

а. о

Рис. 1. Определение параметров уравнения к - ко'ехр(-Еа/Е).

Масса крупного остатка в мельнице Рк равна среднеинтеграль-ному его содержанио, умноженному на массу материала, находящегося в рабочем пространстве Р:

ьг

Рк - РйоУ й(Ь)сЛЛ., и

где R(t)- функция убывания крупного оогатка в рабочей пространстве со временем; t- время пребывания материала в мельнице; ti-время начала процесса измельчения, tg- время окончания процеооа.

Зависимость, полученная из уравнения (1) при п - 2, как показала опытная проверка, адекватно описывает процесс рудного самоизмельчения

Рис. 2. . Зависимости общей и удельной производительности мельниц диаметром 9 м от их длины.

1,2,3 - производительности по исходному питанию длй руд Лебединского, Ингулецкого и Михайловского месторождений. 1", 2*. 3*- удельные производительности.

гг - 1/(1/120 + кь>, получим выражение для определения производительности:

а - РМ1п[1+к(0.*.»);Ь(Х)- ад/ЬШ, (6)

где Р(Х)- функция, отображающая зависимость массы внутримельяичной загрузки от размеров барабана мельницы и объемного содержания твердого в пульсе; Ь(Х)- функция транспортировки пульпы в мельнице; к(0,ф,<р)- зависимость коэффициента скорости измельчения от диаметра барабана мельницы, относительной скорости вращения и коэффициента заполнения его мелющими телами.

Для случая шарового измельчения, соответственно, получено выражение:

О - РОЖЬа-ехрС-кСО.У.ФМОО^/иА) (7)

Изучение закономерностей образования тонких классов при измельчении показало, что лишь при наличии однородных свойств материала и равномерной шкалы сит частные выходы классов крупности йу представляют собой ряд равных или плавно меняющихся чисел. Если в рассматриваемом материале дефекты прочности распределены неравномерно, то частные выходы классов крупности изменяются скачкообразно. В частности, возможен случай, когда Луп-1<ДУп>ДУп+1•

Аномально большой выход класса крупностью Хп свидетельствует о замедленном разрушении частиц крупностью Хп до размера Хп-1. Использование данного .факта для прогнозирования скорости образования отдельных частных классов крупнооти дало положительные результаты. Разработана соответствующая процедура проведения расчетов.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЛИНЫ И ДИАМЕТРА БАРАБАННЫХ МЕЛЬНИЦ НА ИХ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

Было покааано, что для определения производительности мельниц с учетом их размеров необходимо определить величины:

- массу материала избыточной крупности в рабочем пространстве мельниц;

- коэффициент скорости измельчения при заданных условиях.

При изменении длины барабана изменяется масса крупного материала и время транспортировки пульпы в зоне действия мелющих тел, а коэфициент скорости измельчения к, изменяющийся только при вариациях механических нагрузок, остается на прежнем уровне. Увеличение диаметра приводит к росту коэффициента к вследствие роста высоты падения мелющих тел в мельнице.

Лабораторные и промышленные опыты подтвердили вывод о том, что при расчетах производительности мельниц самоизмельчения в качестве величины времени пребывания материала в рабочем пространстве I должно быть использовано время транспортировки сквозь зону действия мелющих тел пульпы. Время пребывания в рабочей зоне материала, который измельчается наиболее интенсивно, а также время, определенное из отношения маосы руды, находящейся в мельнице, к производительности, не может использоваться при расчетах результатов измельчения, так как эти величины не соответствуют скорости удаления частиц готовой крупнооти из мельницы.

Время транспортировки пульпы в барабанной мельнице с аналогичной измельчающей средой и конструкцией разгрузочных уотройств при переходе от одних размеров барабана к другим может быть определено из эмпирической зависимости:

Ь1 - Ь(01/0)ч(11/иг, (8)

■•де 11 и I - время транспортировки пульпы, соответственно, в <елькицах с длиной барабана 1-1 и Ь, диаметром 01 и О. ц и г - зм-шрические показатели степени.

Конкретизируя уравнение (6) за счет подстановки в него выражения для определения времени транспортировки пульпы (в) и для коэффициента скорости измельчения к, получим формулу для расчета производительности мельниц самоизмельчения, имеющих различные характерные размеры:

Р

Ъ__(01/0)ч+2(1УЬ1)г"11пС1+ехр(-ЕА0/Е101)Ч(0/01)Ч(Ь1/1)г], (9)

Ь

где 01 - производительность мельницы а размерами 1)1 и 1-1; О и Ь -размеры базовой мельницы; Ех - энергия, подводимая к единице массы материала в мельнице с диаметром Б} за время транспортировки пульпы. Величина Ед рассчитывается на основе опытных данных:

Ед - (Inka - lnkb)/(l/Na - 1/Nb). (10)

где Inka и lnkb - логарифмы коэффициентов скорости измельчения в мельницах различных размеров о индексами а и Ь. Величина ко для базовой мельницы определяется решением уравнения:

(lnk-lnka)/(lnkb-lnk)-(l/N-l/Nft)(l/Nb ~ 1/N), (12)

где In к и 1/Na - соответственно, значения логарифма коэффициента скорости измельчения в базовых условиях, а также величины, обратной количеству подводимой энергии в соответствующей мельнице.

Путем подстановки в систему, составленную на основе уравнения (9) данных о производительности по вновь образованному классу

мельниц различных размеров, работающих в идентичных условиях, были определены показатели степени q и г. Они оказались равными соответственно 1,0 и 2,0. Непосредственные замеры времени транспортирования пульпы в мельницах подтвердили данный результат.

С использованием выражения (9) были построены расчетные зависимости производительности барабанных мельниц самоизмельчения от их длины (Рис. 2:). Из данных зависимостей следует вывод: для

более прочных руд оптимальная длина мельниц должна быть большей.

На рио.З представлена зависимость производительности мельниц самоизмельчения от их диаметра.

ОГ/,

2.00

УОО

о а 4 б 8 У),

м

'М'Ч

С

• о

• X О - X

О 2 А 6 «? 2?, л,

Рис. 3. Зависимости общей и удельной производительности барабанных мельниц от их диаметра, оо - опытные данные; •• - рассчитанные по формуле (7); хх - рассчитано по формуле (6);

Изменение энергозатрат на 1 т измельченного материала пру изменении длины мельниц характеризуется выражением:

Е1 - (N1+1*1)/460'Р1-' 1пС 1+кЬКо, (12

где Е1 - энергия, расходуемая на 1т исходной руды в мельнице, имеющей длину Ьц N1- мощность, потребляемая мельницей, имеющей длину Ьх.

Произведенные расчеты показали, что увеличение длины рабочего пространства мельниц в пределах, которые соответствуют восходящей ветви графика, представленного на рио.2 соответствуют росту экономической эффективности эксплуатации таких мельниц.

В результате исследования влияния разжижения пульпы, находящейся внутри мельницы, на ее производительность по вновь образованному классу -0,074 мм было установлено, что оптимальное разжигание зависит от измельчаемости руды.

ИЗУЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АСПЕКТОВ РАБОТЫ МЕЛЬНИЦ САМОИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ПЕРВОЙ СТАДИИ

С целью воздействия на режим самоиемельчения предложено использование корректировки водного режима, шихтовки исходной руды по крупности, выбора оптимального заполнения мельниц рудой.

При самоизмельчении источником информации о соотоянии режима образования тонких классов может являться крупность исходного материала. Методом фотогранулометрического анализа была получена зависимость производительности по исходной руде от содержания в

питании мельниц классов большой крупности. Несмотря на достаточно высокую достоверность, такая зависимость, снятая при стабильном вещественном составе руды, оказалась малоэффективной при определении производительности мельницы при работе о материалом переменного минералогического состава. Следует также отметить, что оперативный контроль крупности крупнокусковой руды сопряжен со значительными трудностями.

В связи с этим была исследована возможность использования сигнала потребляемой мощности мельницы в качестве индикатора измельчав мости материала, находящегося в мельнице, который связан с характеристиками крупности и прочности исходной руды посредством функции, отображающей ее прочностные свойства.

На основе наблюдений за работой модели мельницы можно утверждать, что размеры малоподвижной зоны, содержащей преимущественно крупные фрагменты, растут о увеличением содержания этих фрагментов в рабочем пространстве. С некоторым приближением может быть использовано выражение, основанное на экспериментально установленном факта пропорциональности площади малоподвижной зоны содержанию крупного материала в мельнице:

к - (сгк)0'5,

где к - коэффициент, равный отношению Ra/Rя. в котором RB - внутренний радиус вращения внутримельничной загрузки, a RH - наружный радиус; С - коэффициент пропорциональности; rie - содержание крупных мелющих тел в мельнице.

Для текущего определения производительности были выведены расчетные выражения для использования " при управлении с помощью УБМ. В частности, было получено выражение для расчета производительности:

Q40 - 38,5-exp{-[0,29(N/?)40-8,41BD>+90,0, (14)

корреляционное отношение, характеризующее степень соответствия уравнения (14) и экспериментальных данных равно 0,72, погрешность корреляционного отношения равна - 0,0В.

Максимум производительности мельницы ШС-70х23, соответствующий оптимальному содержанию крупных частиц в рабочем пространстве, достигается при мощности N40 • равной 1160 квт.

В соответствии с описанными результатами предложен способ формирования шихты исходной руды перед самоизмельчением, учитывающий крупность и минералогический состав, отличающийся тем, что в качестве критерия, определяющего состав шихты, используется отно-

шение полезной потреоляемой мощнооти к коэффициенту заполнения мельниц рудой, которое при оптимально подобранном ооотаве имеет определенное для данной мельницы значение. Данный способ позволяет заметно увеличить производительность по вновь образованным тонким классам эа очет стабилизации режима измельчения по исходному питанию и, следовательно, по содержанию твердого в пульпе.

. О,

т/я -*20

-НО

■/О О

90

8о

2о 2Ь 28 за А//фг нат/%

Рис. 4. Зависимость производительности мельницы ШС-70х23 от отношения потребляемой приводом мощности к коэффициенту заполнения рудой.

На оонове данных о работе измельчительных циклов, ооотоящих из первичного рудного самоимзмельчения и рудногалечного доизмель-чения, было установлено, что экстремумы зависимостей производительности, выпуска рудной гали и потребляемой мощности не совпадают, что позволяет находить режимы, соответствующие пониженной

степени заполнения мельниц измельчающей средой, при которых в большей степени снижаются потребляемая мельницей мощность, выпуск рудной гали и, в меньшей степени, производительность по исходной руде. На данном наблюдении основан способ управления циклом самоизмельчения, включающий изменение степени заполнения мельницы первой стадии, отличающийся тем, что, о целью повышения качества управления, измеряют выход рудной гали из мельницы первой стадии и потребность в измельчающей среде мельниц второй стадии, а изменение степени заполнения мельницы первой стадии осуществляют в зависимости от разнооти измеренных значений выхода гальки из первой мельницы и потребности в ней второй мельницы. Данный способ обеспечивает значительную экономию электроэнергии.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ЦИКЛА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИИ

В качестве исходной предпосылки было использовано положение о независимом измельчении фракции материала различной крупности, обуславливающих различную максимальную пропускную способность мельницы:

Вп - п8и,

где п - 8п/8и - £ (<3П)/Г (<3И); 8пи Ви - пропускная способность мельницы по пескам классификации и по исходной руде, а (1П и -соответственно, номинальная крупность песков и исходной руды.

Очевидно пропускная способность по суммарному продукту, включающему исходную'руду и пески классификации, будет определяться следующим образом:

8(Е) - п(Е)8и,

где п(Е) - 8(Е)/Ви ГСс1(Е)]/Г[с1(и>], а ¿(Е)- номинальная крупность частиц в суммарном питании.

После преобразований били получены зависимости для определения песковой нагрузки Б:

Б - (6,, - («п, (16)

а также для пропускной опоообнооти по оинтетическому питанию 8:

8 - 8и(1+С)п/(С+п), (17)

где С-. циркулирующая нагрузка, т/ч.

<9,

2. е.

<5

/,о

о.ег

° < * * * с.а.е

Рис. 5. Зависимость максимальной пропускной способности мельницы от величины циркулирующей нагрузки и коэффициента п.

Анализируя выражение (17) приходим к выводу, что при n > 1 пропускная способность мельницы растет с увеличением циркулирующей нагрузки С. При n < 1 величина 8(Е) с ростом циркуляции С уменьшается, (рио. б).

Производительность по исходному питанию может быть определена из выражения:

Q - п8и/(п + о)

Из данного выражения следует, что производительность Q уменьшается о ростом циркулирующей нагрузки при любых значениях отношения пропускной способности по пескам к пропускной способности по руде п.

В циклах измельчения часто можно выделить две составляющие циркулирующей нагрузки различной крупности. Их влияние на суммарную пропускную способность мельниц несомненно различно. Например, при самоизмельчении обычно существуют два вида циркуляции - по пескам классификатора, для которых в большинстве случаев n > 1 и по рудной гале, для которой n < 1.

(ви-Q) - CiQ/ni + CiQ/n2, .

где Ci и Cg, ni и пг - соответственно,- параметры, относящиеся к двум видам циркулирующей нагрузки. Из приведенного равенства можно получить выражение для расчета производительности Q и пропускной способности 8;

Q - 8иП1П2/(С1Г>2 + С1П2 + П1П2), (18)

8 - 8иП1П2(1 + С?1 + Сг)/(Ст2+С1П2+П1П2). (19)

При этом доля одной из составляющих, характеризующихся коэффициентом щ определится по формуле:

С - СщП2(8и - Q) - 0C¡>niJ/Cfri2

(20)

В общем олучае циркулирующая нагрузка распределяется на ш элементарных нагрузок С^, соответствующих характеристикам гц. В данном случае имеют меото следующие равенства:

т

Ц - 0и/(1 + ЕС^/щ), (21)

1

т т

8 - Ви/(1 + ТС1)/{1 + П34/П1), (22)

* 11 Где Е04 - С.

А

Данные промышленных исследовании подтверждают адекватостъ выражений (18-23). Было установлено, что оущэотвует связь между производитель кость п мельниц по-вновь образованному классу и содержанием данного класса в оливе классификатора и были получены выражения, связывающие указанные величины со значениями циркуляции и ее характеристикой, выражаемой коэффициентом п.

Содержание расчетного класса в сливе мельницы изменяется в зависимости от циркуляции:

0М2 - Ша + ЧСУС1)/Г01(1 + С01, (23)

где до и яс - производительности по вновь образованному класоу, отнесенные к единице занятого объема, образованные из материала, представляющего ообой исходную руду и из циркулирующего материала соответственно. Уо и Ус - объемы, занимаемые соответственно исходной рудой и материалом циркуляции в рабочем пространстве мельницы.

Уравнение для определения максимальной 'производитель кости по исходному питанию при заданной величине Вел.:

Ч - п8и0се/(Всл + Во). (24)

где е - эффективность классификации, которая в свою очередь определяется из выражения, отражающего снижение е при увеличении нагрузки на классификатор:

е - 1 - кСЦ.

0СД - содержание расчетного класса в сливе классификатора; оо и Вс - содержание готового класса в материале, поступившем с исходной рудой и с инокуляцией.

Удельная производительность мельницы по вновь образованному расчетному классу достигает максимума при:

Сопт - п + п[кО0с(1+к0п)(Осп-Ро)3°'5/С0с(1+кО)). (25)

С использованием данных зависимостей может быть найден оптимальный режим работы цикла измельчения при любом заданном содержании расчетного класса в сливе классификатора- Разработаны расчетные программы для ЭВМ, номограммы, позволяющие находить приближенные решения. Одна иэ номограмм представлена на рис. 6. Она связывает величины 8, О, С и Пел для всех возможных режимов работы измельчительного устройства.

О 2 4 6 8

Рис. 6. Номограмма для определения показателей работы цикла измельчения.

Линия АБ представляет собой зависимость пропускной способности мельницы 8 от производительности по исходному питанию Лучевые линии соответствуют соотношению 0 и 8 при постоянных значениях циркуляции. Кривые линии обозначают соотношение С} и 8 при постоянном оодерэсании расчетного класса в сливе классификатора с учетом изменения извлечения этого класса в слив при различных нагрузках на классификатор.

ИЗУЧЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАБОТЫ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ Ш СТАДИЯМ

При наличии двух и более стадии измельчения или нескольких приёмов классификации возникает задача распределения работы измельчения по стадиям. В частности, задачу определения оптимального значения циркуляции следует решать для всех приемов классификации. Для выполнения данных операций по данным предварительных промышленных исследовании находят следующие зависимости:

- циркуляционной нагрузки С от производительности по исходному питанию Q:

С - а + b/Q,

где а - коэффициент, который по абсолютной величине соответствует коэффициенту п в выражении (15), а пропускная споообкость по исходному питанию выражаются в этом случае так:

8 - |Ь/а|, т.к. С - n8/Q-n;

- зависимость количества готового клаоса в сливе мельницы от циркулирующей нагрузки:

0(1 + С) - BQ + вес,

где 0Q и 0с - соответственно, содержание расчетного класса в исходном питании и в циркулирующем продукте;

- зависимость извлечения готового класса в слив классификатора от величины циркулирующей нагрузки:

е - 1/(С + 1)- С/(С + 1)-ехр(-кС), (26)

где коэфициент к зависит от производительности по исходному питанию:

к - А-ехр(ВО), (27)

где А и В г коэффициенты.

Пользуясь приведенными зависимостями, определяют содержание расчетного класса в сливе классификатора любой из стадий, принимая во внимание ограничение по пропускной способности:

О < п8/(С + п) (28)

Изложенная последовательность расчетов была реализована в веде конкретных алгоритмов для одно- и двухстадиальной схемы с оборудованием, работающим на обогатительной фабрике комбината КМА-руда. Были составлены программы, реализующие алгоритмы на ЭВМ. Результаты расчетов согласуются с данными промышленных испытаний. Последние подтвердили справедливость выражений, отображающих связь между величинами циркулирующей нагрузки и пропускной способности мельницы. Было получено уравнение для определения содержания готового класса в сливе класс«$жатора: -

В г (60+28,5С) (0,97-0,00049СО) (29)

При изменении физико-механических свойств исходной руды возникает вопрос о подборе оптимальных режимов измельчительных циклов. Подобные задачи возникают в связи с реконструкциями, о переходом на другую сырьевую базу.

Определение оптимальных параметров режима самоиэмельчения производилось по программе, реализующей на ЭВМ разработанный с учетом величины пропускной способности алгоритм.Г

ПОВЫШЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Обще принципы повышения механической надежности оборудования обогатительных фабрик предусматривают удаление или совершенствование наиболее уязвимых звеньев схем, находящихся в последовательной связи с другими элементами

Анализ отказов оборудования обогатительных фабрик позволил

*

выделить следующие элементы циклов измельчения, обуславливающие наибольшее количество простоев:

- ускоренный и неравномерный износ отдельных элементов футеровки мельниц самоизмельчения (особенно лифтеров цилиндрической части);

- частый выход из строя устройств для первичной классификации, материала (грохотов, бутар, имеющих сита для тонкого грохочения) ;

- Недостаточная МОЩНОСТЬ ПРИВОДНЫХ устройств бО^ЪшёраЗюёрНЫл мельниц самоизмельчения не позволяет осуществлять запуск мельниц, остановившихся из-за перегрузки.

Изучение особенностей износа показало, что решающее влияние на интенсивность абразивного износа оказывает крупнооть мелющих тел, физические свойства футеровочной стали и измельчаемого материала. Данные замеров степени износа элементов футеровки барабанных мельниц подтверждают этот вывод. В частности, наибольший износ лифтеров цилиндрической части наблюдается вблизи загрузочной торцевой стенки, где преобладают наиболее крупные мелющие тела.

Предложенное в работе гидравлическое разгрузочное устройство позволяет устранить значительную часть простоев, связанных с износом просеивающих' поверхностей обычных первичных классифицирующих устройств.

На рис. 7 показана схема одного из предложенных устройств, хорошо зарекомендовавших себя на обогатительной фабрике N2 Лебединского ГОКа.

Рис. Схема первичного классифицирующего устройства с гидравлической классифицирующей емкоотью.

1 - подъемник; 2 - разгрузочная цапфа; 3 - труба для возврата крупного материала; 4 - емкость для гидравлической классификации ; 5 - кожух; 6 - наклонное сито; 7 - желоб для крупных фракций.

Задачу запуска крупноразмерных мельниц предложено решить с помощью периферийного привода, включающего маховичный двигатель. Последний дает возможность уменьшить пиковые нагрузки, имеющие место в период запуска мельниц самоизмельчения и снизить установочную мощность двигателей, приблизив ее к величине, потребляемой при работе мельниц в обычном режиме.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате- исследования решена крупная научно-техническая проблема, имеющая важное народно-хозяйственное еначекие к вашг чающзяся в разработке новых научно обоснованных методов интенсификации дорогостоящего и энергоемкого процесса измельчения, учитывающих свойства измельчаемых материалов и существенно улучшающих экономические показатели передела обогащения.

1. Доказано, что скорость убывания крупного остатка при измельчении пропорциональна его массе, возведенной в степень, показатель которой уменьшается от 1,95 до 1,0 при увеличении зкер-гонасыщенности процесса за счет роста плотности мелющих тел от 2800 до 7800 кг/м3.

2. Определено, что длина рабочего пространства барабанных мельниц, при которой достигается максимальная производительность по готовому классу, зависит от крепости руды; при увеличении коэффициента крепости в 1,78 раза оптимальная длина мельниц увеличивается в 1,28 раза.

3. Установлено, что скорость износа выступающих элементов футеровки пропорциональна квадрату степени их износа. ■

4. Установлено, что оптимальное значение циркулирующей нагрузки в циклах измельчения определяется пропускной способностью мельниц, на которую влияет гранулометрический состав материала, поступающего в мельницы.

5. Обнаружена связь между значением пропускной способности барабанных мельниц и важнейшими технологическими факторами: гранулометрическим составом и измельчаемостыз материала, количеством подаваемой в мельницу воды, количеством выводимого крупнозернистого материала.

6. Установлено, что мощность, потребляемая рудной мелющей средой мела ниц самоизмельчения, снижается при росте ее крупности согласно линейной зависимости с угловым коэффициентом, равным -0,65; максимальная для данного типа мельниц производительность

достигается при определенном соотношении потребляемой мощности и коэффициента заполнения, равном 29,0 для мельниц ММС-70х23.

7. Показано, что постоянному соотношению между количествами циркулирующей нагрузки и исходного питания соответствует определенное содержание расчетного класса -0,074 мм в готовом продукте при постоянной эффективности классификации. Разработана методика практических расчетов и расчетная программа для ЭВМ.

8. Показана возможность применения параметра, характеризующего пропускную способность мельниц, для определения оптимальных характеристик работы цикла измельчения при его наладке и совершенствовании. Полученные выражения позволяют оптимизировать конструкции мельниц по пропускной способности.

9. Разработана технология двухстадиального измельчения для сложных типов руд, которая без снижения производительности обеспечивает увеличение содержания полезного компонента в железорудном концентрате на 0,8 - 1,0%.

10. На основе исследования закономерностей процесса измельчения разработаны меры по повышению механической надежности мельниц, разработана новая конструкция классифицирующего устройства для мельниц самоизмельчения, усовершенствована конструкция лифтеров для цилиндрической части барабана и предложено устройство для облегчения запуска мельниц.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Сыса А.Б. Теория и практика процессов рудоподготов-ки.//Изд. Терек, Владикавказ, 1997.

2. Сыса А.Б., Николаенко В.П., Докучаева И.Н. и др. Самоизмельчение и обогащение магнетитовых кварцитов на Лебединском Г0-Ке//Обогащение руд черных металлов. М., Недра, N4, 1975.

3.Сыса A.B. Исследование лабораторной барабанной мельницы с отражателем//Обогащение полезных ископаемых. Респ. межвед. сб., Техника, Киев, N 22, 1978.

4. Сыса А.Б., Серго Е.Е. О кинетике измельчения железистых кварцитов. "Обогащение полезных ископаемых", Киев, "Техника",

5. Сыса А.Б. О значении коэффициентов уравнения кинетики измельчения. Рукопись деп. в ин-те ЦНИИЧерметинформация, М., 1979, N ЗД/449, с.12.

6. Сыса А.Б., Чернуха В.И. О явлении сегрегации материала по крупности у торцевых стенок барабанной мельницы. Рукопись деп. в ин-те ЦНИИЧерметинформация, 1979, N ЗД/448, с. 9.

7. Сыса А.Б. Определение продолжительности пребывания пульпы в мельнице самоизмельчения//0богащение полезных ископаемых. Респ. межвед. сб. Техника, Киев, N 27, 1980.

8. Сыса А.Б. О влиянии крупности исходной руды на потребляемую мельницей мощность. "Обогащение полезных ископаемых", 1980, вып. 27, с. 27-22.

9. Сыса A.B. Некоторые результаты исследования кинетики самоизмельчения. "Обогащение полезных ископаемых", Киев, "Техника", 1981, вып. 28.

10. Сыса А.Б. Рецензия на монографию В.П. Яшина "Теория и практика самоизмельчения"//Горный журнал, Недра, М., N3, 1980.

11. Сыса А.Б. О распределении анергии мелющих тел на измельчение истиранием и ударом//Обогащение полезных ископаемых. Респ. межвед. сб. Техника, Киев, N 27, 1980.

12. Сыса А.Б. О влиянии содержания твердого в пульпе на производительность мельниц самоизмельчения.- Обогащение полезных ископаемых: Респ. межвед. сборник. Киев, 1982, вып. 31, с. 8-11.

13. Сыса А.Б., Захаров А.К., Молозина Г.В. Исследование надежности работы технологического оборудования фабрики самоизмель-чения//06огащение полезных ископаемых. Респ. межвед. сб.: Техника, Киев, N 31, 1983.

14. Сыса А.Б. О моделировании процесса измельчения//0богаще-ния полезных ископаемых. Респ. межвед. сб. Техника, Киев, N 31, 1983.

15. Сыса А.Б., Краминский В.П. Закономерности работы пластинчатых питателей, подающий крупнодроблёную руду// Металлург, и горнорудн. промышленность/ Днепропетровск, N2, 1985.

16. Сыса А.Б., Сыса Г.И. Зависимость мощности барабанной мельницы от степени заполнения её материалом и частоты вращения// Обогащение полезных ископаемых/Респ. межвед. сб., Техника, Киев, вып. 36, 1986.

17. Sysa A.B., Karmazin Y.V. Untersuchungen zur Mahlung und zum Aufschluß von ErzervVKurzfassungen der Vortrage u. Posterbeitrage. 2 Int. Fachtagung "Vortschritte in der Theorie und Praxis der Aufbereitungstechnik, Freiberg, 1989.

18. Сыса A.B., Кармазин B.B. О современных способах оценки эффективности измельчения// Дробкльно-размольное оборудование и технология дезинтеграции: Межвед. сб. научных трудов/ Механобр, 1989, с.119-124.

19. Sysa A.B., Karmazin V.V. Same Peculiarities of ore Liberation// XVII Int. Mineral Processing Congress, Dresden/ FRG, Sept. 23-28.1991, Prepr. Y.l, Comminution and Classification; Modelling and Process Control, pp.113-122.

20. Сыса A.B., Афанасенко А.И. Систематизация результатов исследования кинетики самоизмельчения// Цветная металлургия. Изв. Высш. учебк. заведений, N4, 1996.

21.Сыса A.B. О выборе рациональных направлений развития из-мельчительного оборудования//Изв.ВУЗов,Цветная металлургия, N4, 1994.

22.Сыса A.B., Бондарь Н.зГ К расчету производительности барабанных мельниц// Изв.ВУЗов, Цветная металлургия, N3, 1994

23.Сыса A.B., Сыса Г.И. Влияние циркулирующей нагрузки на показатели работы циклов измельчения//Изв. ВУЗов, Цветная металлургия, N3, 1995.

24 . Сыса А.Б., Карпов В.В., Чернуха В.И. Способ подготовки шихты к обогащению. A.c. N 895502, Бюлл. N1, 1982.

25 . Сыса А.Б., Чернуха В.И. Бункер. A.c. N 630172, бюлл. N40, 1978.

26 . Сыса А.Б., Балес A.A. Мельница, A.c. N 709170, бюлл.Ы 2, 1980.

27 . Сыса А.Б. Мельница, A.c. N 1119728, бюлл. N39, 1984.

28 . Сыса A.B., Захаров А.К. Способ самоизмельчения рудных материалов. A.c. N 808137, бюлл. N 8, 1981.

29 . СысаА.Б., Карпов В.В., Захаров А.К., Чернуха В.И. Классифицирующее устройство мельниц самоизмельчения. A.c. N 884729, бюлл. N 44, 1981.

30 . Сыса А.Б., Сыса Г.И. Способ управления приготовлением измельчаемых материалов. A.c. N 856558, бюлл. N37, 1979.

31 . Сыса А.Б., Серго Е.Е. Отражательный экран для сверхкри-

измельчаемых материалов. A.c. N 856558, бюлл. N37, 1979.

31 . Сыса А.Б., Серго Е.Е. Отражательный экран для сверхкритических барабанных мельниц. A.c. N 656657, бюлл. N14, 1979.

32 . Сыса A.B. Способ определения степени заполнения барабанных мельниц. A.c. N 772589, бюлл. N 39, 1980.

33 . Сыса A.B., Сыса Г.И. Устройство для возврата крупного материала в мельницу. A.c. N 933113, бюлл. N 21, 1982.

34 . Сыса A.B., Захаров А.К. Способ контроля крупности транспортируемого материала и устройство для его осуществления. A.c. N 933113, бюлл. N 21, 1982.

35 . Сыса А.Б. Способ управления циклом измельчения. A.c. N 992095, бюлл. N4, 1983.

36 . Сыса A.B. Устройство для вывода рудной гали из мельницы. A.c. N 1180067, бюлл. N 35, 1985.

37 . Сыса A.B., Захаров А.К. Периферийный привод барабанной мельницы. A.c. N 1232282, бюлл. N 19, 1985.

38 . Сыса А.Б. Способ управления циклом мокрого саыоизмель-чения. A.c. N 1248661, бюлл. 29, 1986.

39. Сыса А.Б., Сыса Г.И., Евдокимов С.И. Спиральный классификатор. A.c. N 1570775, бюлл. N 22, 1990.

40 . Сыса А.Б., Кармазин В.В. Мельница. Пат. РФ N 1833754, бюлл. N 30, 1993.

41 . Сыса А.Б. Разгрузочное устройство трубной мельницы. A.c. N 583816, бюлл. Ы 46, 1977.

42 . Сыса А.Б. Барабанная мельница. A.c. N 613806, бюлл. N 25, 1978.

43 . Сыса А.Б. Отражательный экран барабанной мельницы. A.c. N 613808, бюлл. N 25, 1978.

44 . Сыса А.Б., Захаров А.К. Сито-бурат барабанной мельницы. A.c. N 623578, бюлл". N 34, 1978.

45 . Сыса А.Б. Барабанная мельница. A.c. N 651842, бюлл. N 10, 1979.

46 . Сыса А.Б. Центробежная мельница. A.c. N 655424, бюлл. N 13, 1979.

47 . Сыса А,Б. Барабанная мельница. A.c. N 695702, бслл. N 41, 1979.

48 . Сыса А.Б. Барабанная мельница. A.c. N 749426, бюлл. N 27, 1980.

49 . Сыса А.Б. Устройство для контроля крупности. A.c. N 308154, бюлл. N 8, 1981.

50 . Сыса Г.И., Сыса A.B. Отражательный экран барабанной 1ельницы. A.c. N 837404, бюлл. N 22, 1981.

51 . Сыса А.Б., Модозина Г.В. Конусная эксцентриковая дро->илка. А.с N 837396, бюлл. N 22, 1981.

52 . Сыса А.Б., Захаров A.C. Устройство для контроля содержания кусков в транспортируемом материале. A.c. N 852357, бюлл. !29, 1981.

53 . Сыса А.Б., Молозина Г.В. Конусная эксцентриковая дро-илка. A.c. N 867413, бюлл. N 36, 1981.

53 . Карпов В.В., Сыса А.Б., Чернуха В.И. Барабанная мельки-а. A.c. N 886413, бюлл. N 45, 1981.

54 . Карпов В.В., Сыса А.Б., Чернуха В.И. Способ подготовки ихты к самоизмельчению. A.c. N 895502, бюлл. М 1, 1982.

55 . Карпов В.В., Сыса А.Б., Чернуха В.И. Барабанная мельнк-з. A.c. N 895503, бюлл. Н 1, 1982.

56 . Сыса А.Б., Захаров А.К. Устройство для контроля круп-зет и транспортируемого материала. A.c. N 927311, бюлл. N 18, 382.

57 . Сыса А.Б. Конусная дробилка. A.c. N 904773, бюлл. N 6,

382.

58 . Сыса А.Б. Устройство для дробления сыпучих материалов, с. N 957960, бюлл. N 34, 1982.

59 . Сыса А.Б. Мельница. A.c. N 967557, N 39, 1982.

60 . Сыса А.Б. Спиральный классификатор. A.c. N 975089, um. N 43, 1982.

61 . Сыса А.Б.," Сыса Г.И. Способ усреднения руд. A.c. Ы 0830, бюлл. N 46, 1982.

62 . Сыса А.Б., Захаров А.К., Кириленко Ю.П. Бутара для ру-размольных мельниц. A.c. N 1033192, бюлл. N 29, 1984.

63 . Сыса А.Б. Барабанная мельница. A.c. N 1068168, бюлл. М 1984.

64- . Сыса A.B. Барабанная мельница. A.c. N 1068168, бюлл. N 3, 1984.

65 . Сыса A.B., Захаров А.К. Спиральный классификатор. A.c. N 1077632, бюлл. N 9, 1984.

66 . Сыса А.Б. Спиральный классификатор. A.c. N 1142158, бюлл. N 8, 1985.

67. Сыса A.B., Евдокимов С.И. Способ обогащения полезных ископаемых, Патент РФ N 31, 1993.

Подписано к печати /¿у.05 "Объем 2,0 п. л. Тираж 100 экз. Заказ N 23 Северо - Кавказский государственный технологический университет. 36202 1 г. Владикавказ, ул. Николаева, 44

Ротопрннт СКГТУ, 362021 г. Владикавказ, ул. Николаева, 44-

) /

л

МИНИСТЕРСТВО ОБ1ДЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 622.734: 622.76

Сыса Анатолий Борисович

РАЗВИТИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ БАРАБАННЫХ МЕЛЬНИЦ

Специальность: - 05.05.06 - "Горные машины"

05.15.08 - "Обогащение полезных ископаемых"

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

о^Г. 9 Г г,

Владикавказ 1998

1.Содержание.

1. Введение. 4

2. Состояние вопроса и задачи исследования. 10

2.1. Кинетический подход к изучению процесса из- 10 мельчения.

2.2. Моделирование процесса измельчения в барабанных мельницах. 25

2.3. Повышение эффективности измельчительных установок. 29

2.4. Изучение особенностей циклов измельчения. 35

2.5. Математические модели циклов измельчения. 44

2.6. Выводы. Задачи исследования. 55

3. Исследование кинетики измельчения в барабанных мельницах. 57

3.1. Исследование уравнений кинетики измельчения 57

3.2. Исследование зависимости коэффициента скорости измельчения от энергонасыщенности процесса. 83

3.3. Исследование зависимости производительности мельниц от времени пребывания в них материала. 87

3.4. Исследование процесса раскрытия. 90

3.5. Выводы. 102

4. Исследование влияния длины и диаметра барабанных ^на их производительность. 103

4.1. Вывод уравнений производительности барабанных мельниц. 103

4.2. Влияние коэффициента скорости измельчения на водный режим процесса измельчения. 117

4.3. Расчет энергопотребления при измельчении. 120

4.4. Разработка методики приближенного расчета производительности. 124

4.5. Выводы. 127

5.

5.1.

Изучение технологических аспектов работы мельниц самоизмельчения первой стадии. Изучение возможности интенсификации работы

R 9 * ^

измельчительного цикла ба счет учета гранулометрического состава исходного материала. 128 Методы интенсификации самокзмельчения. 149

5.3. Основные принципы совершенствования конструкций барабанных мельниц и их совершенствование. 15с

5.4. Выводы. 161

5. Теоретическое исследование работы цикла игме льчения и классификации.

5.1. Расчет производительности мельниц, работающих в замкнутом цикле с учетом пропускной способности.

6.2. Формирование циркуляции в циклах измельчения.

6.3. Выводы.

а.4. ВЫЕОДЫ.

162

7. Изучение работы измельчения по стадиям. 134

7.1. Одностадиальная схема. 195

7.2. Двухстадиальная схема. 1УЗ

7.3. Некоторые результаты использования методики расчета. 2G1

7.4. Исследование режимов работы мельницы

МШР-45x60 в замкнутом цикле. 204

7.5. Определения влияния циркулирующей нагрузки в циклах оамоивмельчения на показатели измельчения и обогащения. 236

{ .и. оЫаидьк X.DC

8. Повышение механической надежности измельчитель кого оборудования. 254

8.1. Исследование закономерностей износа футеровки

, Т.Т 1Л1П ПП^ОП* =-;СГ,.:

ыслсииц ши-эилоия. сии

8.2. Расчет гидравлической емкости классифицирующего устройства. 264

8.3. Определение основных параметров маховичного двигателя для запуска барабанных мельниц. 267

9. Заключение. 274

10. Описок литературы. 275 Приложения. я

1. Введение

Актуальность проблемы. В народном хозяйстве любой страны используют большое количество измельченных материалов. Значительное количество руд и других полезных ископаемых подвергается дроблению и измельчению перед их обогащением. В связи с постоянным усложнением состава и уменьшением размера вкрапленности руд .технологически необходимая крупность измельчения уменьшается. Это приводит к постоянно нарастающим затратам электроэнергии, футеровоч-ной стали, стальных мелющих тел. Значительное энерго- и материа-лопотребление опосредствованно приводит к росту потребления угля и газа, увеличению массы золы и газообразных выбросов. Добыча, обогащение и производство материалов, расходуемых для осуществления процессов рудоподготовки, влечет за собой ухудшение и без того сложной в ведущих экономических районах экологической обстановки. Все это требует всестороннего изучения и совершенствования технологии измельчительного процесса.

Теоретической основой измельчения, как и любого непрерывного технологического процесса, являются кинетические законы, определяющие его. Pix изучение является необходимой предпосылкой для разработки мер по интенсификации этого процесса. Наибольший интерес представляет изучение работы барабанных измельчителей, в которых осуществляется переработка более 90% всех измельчаемых материалов. Вопреки прогнозам, барабанные измельчительные агрегаты не только не исчезли к концу 20 века, но значительно увеличились их объемы, мощности приводов, что вызвало новые проблемы, связанные с увеличением типоразмеров, также нуждающиеся в детальном изучении. Серьезные задачи возникли в 70е годы в связи с широким внедрением в мировую практику процесса рудного самоизмельчения. Многообещающий по своей сути, данный процесс в настоящее время частично заменен полусамоизмельчением или шаровым измельчением из-за недостаточно развитой теоретической и экспериментальной научной базы,

Создание принципиально новых высокопроизводительных методов измельчения сталкивается с трудностями обеспечения надежности оборудования, от которой в наибольшей степени зависит экономическая целесообразность этих методов.

Многие из перечисленных проблем позволит решить детальное

Многие из перечисленных проблем позволит решить детальное исследование основ измельчительного процесса, котороый во многом универсален для ряда типов измельчительных аппаратов и циклое измельчения, вкипочающих эти аппараты.

Цель работы: Разработка теоретических основ процесса измельчения, разработка и исследование методов его интенсификации при подготовке к обогащению твердых полезных ископаемых.

Основная идея работы заключается в определении основных направлений совершенствования измельчительного процесса на основе изучения основных теоретических закономерностей кинетики в условиях промышленных измельчительных циклов, использующих современное технологическое оборудование и исследования методов интенсификации, соответствующих наиболее перспективным направлениям.

Методы исследований. При проведении теоретических исследований использовались фундаментальные положения физики твердого тела и закономерностях разрушения твердых материалов и закономерностей разрушения твердых материалов, гидродинамики сплошных сред и теоретические закономерности кинетики непрерывных процессов. Использованы апробированные методы аналитического и численного решения дифференциальных уравнений, математического моделирования технологических процессов и планирования экспериментов. В ходе исследований применялись методы системного анализа, физического моделирования процессов разрушения материалов в сочетании с процессом классификации. Исследования проводились с использованием методов гранулометрического, химического и магнитометрического анализа, фото- и киносъемки и т.д. Математическая обработка данных и моделирование измельчительных процессов выполнялись с применением известных современных аналитических и численных методов на высокопроизводительных современных вычислительных средствах.

Научные положения: 1. Увеличение энергонасыщенности процесса измельчения за счет роста плотности мелющих тел от 2800 до 7800 кг/м3 сопровождается уменьшением показателя степени п, характеризующего порядок уравнения процесса,от 1,95 до 1,0, а также увеличением коэффициента скорости измельчения к согласно экспоненциальной завкоймио-ти, аналогичной уравнению С. Аррениуса, описывающему химические реакции.

2. При увеличении крепости руды происходит смещение максимума параболической зависимости, отображающей связь между производительностью барабанных мельниц и их длиной, в сторону роста длины; увеличение коэффициента крепости руды в 1,8 раза предполагает рост длины рабочего пространства в 1,28 раза.

3. Существует квадратичная связь между скоростью износа выступающих элементов футеровки барабанных мельниц самоизмельчения и степенью их износа.

4. Увеличение крупности рудной измельчающей среды приводит к снижению мощности, потребляемой для приведения мелющих тел в движение, согласно линейной зависимости с угловым коэффициентом, равным - 0,65; максимальной производительности по вновь образованному тонкому продукту соответствует определенное отношение потребляемой мощности к степени заполнения мельницы, равное 29,0 для мельниц типа ММС-70x23.

Научная новизна

1. Зависимости, характеризующие связь между скоростными показателями процесса измельчения и его энергонасыщенностъю, получены с использованием мелющих тел (шаров) с переменной плотностью.

2. Зависимость для определения оптимальной длины рабочего пространства получена с учетом коэффициента крепости перерабатываемой руды.

3. Квадратичная зависимость для определения скорости износа выступающих элементов футеровки барабанных мельниц получена с учетом текущей степени износа данных элементов.

4. Зависимость между производительностью барабанных мельниц самоизмельчения и их заполнением материалом учитывает значение отношения потребляемой приводом мельниц мощности к коэффициенту их заполнения.

Научное значение

1. Зависимости между энергонапряженностью процесса измельчения и скоростными показателями, входящими в уравнения кинетики, позволили разработать методику сравнительного исследования шарового и бесшарового способов измельчения.

2. Полученная зависимость между производительностью барабанных мельниц и их длиной дала возможность разработать методику определения оптимальной длины рабочего пространства с учетом из-мельчаемости материала. .

3. Обнаруженная связь между скоростью к степенью износа элементов футеровки барабанных мельниц самоизмельчения дала возможность разработать методику расчета степени износа и сроков эксплуатации элементов футеровки.

4. Связь между производительностью барабанных мельниц самоизмельчения, заполнением их мелющими телами и потребляемой приводом мощностью дала возможность получить достоверное описание механизма действия внутримельничной загрузки в рабочем пространстве барабанных мельниц.

Прашяическое значение работы

1. Полученные зависимости параметров, характеризующих кинетику процесса измельчения, от знергонасыщеннооти процесса позволяет осуществить уточненный расчет производительности барабанных мельниц при создании новых конструкций.

2. Разработана методика определения оптимальной длины рабочего пространства барабанных мельниц с учетом крепости руды.

3. Полученные данные об особенностях износа элементов футеровки позволили выработать рекомендации по совершенствованию конструкции и условиям эксплуатации данных элементов.

4. Закономерности потребления энергии мелющими телами, находящимися в барабанных мельницах, позволили выработать подход к технологической оптимизации процесса измельчения.

Достоверность научных полаяешш и результатов подтверждается анализом, полученными аналитическими и эмпирическими зависимостями, описывающими процесс измельчения, а также экспериментальной проверкой последних преимущественно в промышленных условиях с использованием современного крупного оборудования, совершенных методик планирования экспериментов и обработки результатов. Достоверность основных выводов подтверждается сходимостью результатов

аналитических исследований и экспериментов, проведенных в лабораторных, полупромышленных и промышленных условиях. С вероятностью 957а связь между исследованными параметрами измельчительного процесса является достоверной, а относительная погрешность измерений

в пределах доверительных интервалов не превосходит 10%.

*

Реализация работ. Был разработан новый способ интенсификации работы цикла самоизмельчения с использованием зависимости производительности мельниц от потребляемой приводом мощности при постоянном заполнении. Способ был внедрен Лебединским ГОКом с получением заметного увеличения производительности.

Разработки по оптимизации конструктивных параметров барабанных мельниц были переданы институту Механобрчермет для совершенствования конструкций, используемых на Лебединском, Стойленском и Михайловском ГОКах.

Результаты работы по интенсификации циклов измельчения использованы Белгородским филиалом института Механобрчермет при совершенствовании технологии обогащения на фабриках комбината КМА-руда и Лебединского ГОКа. Предложенные рекомендации использованы при проведенной реконструкции, повысив производительность и надёжность используемого оборудования.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждались :

- на Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам обогащения и окускования полезных ископаемых'( Ленинград, 1978 г.);

- на Всесоюзной научно-технический конференции по проблемам обогащения и окускования руд черных металлов ( Кригой Рог, 1980 г.);

- на 2-м Международном съезде обогатителей ( г. Фрайберг, 1989г.);

- на 17 Международном Конгрессе по обогащению (Дрезден, 1991

г.);

- на научно-технической конференции "Системный анализ в обогащении полезных ископаемых",(г. Свердловск, 1989 г.);

- на Всесоюзном коммерческом совещании "Комплексное освоение технологических отходов промышленных предприятий" (Челябинск, 1990 г.);

- на научно-технической конференции "Снижение экологического ущерба на фабриках цветной металлургии", Москва, 1993 г.;

- на научно-технической конференции "Экологические проблемы горного производства", Москва, 1993 г.;

- на заседаниях научно-технического совета Белгородского филиала ин- та Механобрчермет (г. Белгород, 1980-1986гг.) на заседаниях кафедры и на научно-технических конференциях, проводимых в СКГТУ (г. Владикавказ, 1987-1996гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 статьи, получено 44 авторских свидетельства и патента на изобретения, опубликована монография, результаты исследований изложены в 12 отчётах.

Объем работ. Диссертация состоит из введения, 8 разделов, заключения, списка литературы из 237 наименований, 8 приложений, содержит 360 страниц машинописного текста, 45 таблиц и 93 рисунков; приложения включают полученные фактические данные, примеры расчетов по разработанным методикам и документы, подтверждающие полезность выполненной работы.

2. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Кинетический подход к изучению процесса измельчения

Измельчение - это процесс уменьшения крупности частиц, сопровождающийся потреблением большого количества энергии. Разрушение взрывом также происходит во времени, но достаточно быстро и временным фактором, как правило, пренебрегают. В расчете на единицу массы материала при измельчении тратится гораздо больше энергии, чем при взрывах. Поэтому, а также и в силу того, что энергию каждая частица получает не в сконцентрированном виде, а в соответствии с вероятностным механизмом распределения, процесс измельчения является протяженным во времени. Процессы, происходящие в течение более или менее протяжённого отрезка времени, подчиняются кинетическим закономерностям.

Описывая процесс сокращения массы крупных частиц, Дэвис впервые прибег к аналогии с химическими реакциями /1,2/ и пришел к уравнению:

сШ/сИ: = - к!?п, (2.1)

где й - содержание (масса) крупного остатка, находящегося в рабочем пространстве мельниц;

к - коэффициент скорости измельчения; п - показатель степени, определяющий порядок уравнения кинетики, в данном случае п = 1;

<11г/сИ: - скорость убывания количества крупных классов (производительность) ; Это уравнение стало основой для вывода целого ряда формул, приведенных под номерами 2.2 - 2.В. На основе большого количества экспериментов, проведенных с шаровыми мельницами, было установлено, что в каждый момент времени скорость убывания содержания крупных зёрен находится в прямой зависимости от количества этих зёрен в рабочем пространстве мельниц.

Для повышения точности расчетов, производимых по формуле с одним экспериментально определяемым параметром к /1,3/:

^ = Но е к1%

(2-2)

в которой и ~ соответственно, остаток на сите в момент времени I и в начале процесса, был введен дополнительный параметр т. Было получено наиболее часто цитируемое в отечественной литературе уравнение В.В. Товарова /4,5/:

ш

^ = йо . (2.3)

Появление параметра ш невозможно объяснить с точки зрения исходной гипотезы. Показатель степени т делает уравнение (2.3) сугубо эмпирическим, т.к. величина времени в дробной степени лишена какого-либо физического смысла. Параметры к и гп требуют для их определения не одну, а две опытных точки, и это заметно повышает адекватность уравнения. На данные параметры влияет характеристика измельчаемого материала и условия измельчения. Величина ш связана с прочностью