» » Дробление и измельчение руд
15.05.2015

Добытое полезное ископаемое в большинстве случаев представляет собой смесь кусков различной крупности, в которых минералы тесно срослись, образовав монолитную массу. Крупность руды зависит от вида горных работ и, в частности, от метода взрывных работ. При открытых горных работах наибольшие куски имеют в поперечнике 1—1,5 м, при подземных — несколько меньше.
Чтобы отделить минералы друг от друга, руду надо дробить и измельчать.
Для освобождения минералов от взаимного срастания в большинстве случаев требуется тонкое измельчение, например до —0,2 мм и мельче.
Отношение диаметра наибольших кусков руды (D) к диаметру продукта дробления (d) называют степенью дробления или степенью измельчения (К):
К = D ÷ d.

Например, при D = 1500 мм и d = 0,2 мм.
К = 1500 ÷ 0,2 = 7500.

Дробление и измельчение обычно ведут в несколько стадий. На каждой стадии применяют дробилки и мельницы различных типов, как это показано в табл. 68 и на рис. 1.
Дробление и измельчение руд

Дробление и измельчение руд

Дробление и измельчение руд

Дробление и измельчение руд

Дробление и измельчение может быть сухим и мокрым.
В зависимости от конечной практически возможной степени измельчения в каждой стадии выбирают число стадий Если необходимая степень измельчения К, а па отдельных стадиях — k1, k2, k3..., то
К = k1k2k3.

Общая степень измельчения определяется крупностью исходной руды и крупностью конечного продукта.
Дробление тем дешевле, чем мельче добытая руда. Чем больше объем экскаваторного ковша для горных работ, тем крупнее добытая руда, а значит п больших размеров должны применяться дробильные агрегаты, что экономически не выгодно.
Степень дробления выбирают такую, чтобы стоимость оборудования и эксплуатационные расходы были наименьшими. Размер загрузочной щели должен быть у щековых дробилок на 10—20% больше поперечного размера наибольших кусков руды, у конических и конусных — равен куску руды или несколько больше. Расчет производительности выбранной дробилки ведется на ширину разгрузочной щели с учетом того, что продукт дробления всегда содержит куски руды в два-три раза большие, чем выбранная щель. Чтобы получить продукт крупностью — 20 мм, нужно выбирать конусную дробилку с разгрузочной щелью 8—10 мм. С небольшим допущением можно полагать, что производительность дробилок прямо пропорциональна ширине разгрузочной щели.
Дробилки для небольших фабрик выбирают в расчете на работу в одну смену, для фабрик средней производительности — в две, для больших фабрик, когда на стадиях среднего и мелкого дробления установлено несколько дробилок, — в три смены (по шесть часов).
Если при минимальной ширине пасти, соответствующей размеру кусков руды, щековая дробилка может дать необходимую производительность за одну смену, а коническая будет недогружаться, то выбирают щековую дробилку. Если же коническая дробилка при размере загрузочной щели, равной размеру наибольших кусков руды, обеспечена работой на одну смену, то предпочтение должно быть отдано конической дробилке.
В рудной промышленности валки устанавливают редко, они вытеснены короткоконусными дробилками. Для дробления мягких, например марганцевых руд, а также углей применяют зубчатые валки.
За последние годы относительно широкое распространение получают дробилки ударного действия, основное преимущество которых — большая степень измельчения (до 30) и селективность дробления в силу раскалывания кусков руды по плоскостям срастания минералов и по наиболее слабым местам. В табл. 69 приведены сравнительные данные ударных и щековых дробилок.
Дробление и измельчение руд

Ударные дробилки устанавливают для подготовки материала в металлургических цехах (дробление известняка, ртутных руд для процесса обжига и др.). Механобром испытан опытный образец разработанной HM конструкции инерционной дробилки с 1000 об/мин, обеспечивающей степень дробления около 40 и дающей возможность производить мелкое дробление с большим выходом тонких фракций. Дробилка с диаметром конуса 600 мм будет пущена в серийное производство. Совместно С Уралмашзаводом проектируется образец дробилки с диаметром конуса 1650 мм.
Измельчение как сухое, так и мокрое ведут преимущественно в барабанных мельницах. Общий вид мельниц с торцовой разгрузкой показан на рис. 2. Размеры барабанных мельниц определяют как произведение DxL, где D — диаметр барабана, L — длина барабана.
Объем мельницы
V = πD2/4*L.

Краткая характеристика мельниц дана в табл. 70.
Дробление и измельчение руд

Производительность мельницы в весовых единицах продукта определенной крупности или класса на единицу объема в единицу времени называют удельной производительностью. Она обычно дается в тоннах на 1 м3 в час (или сутки). Ho эффективность работы мельниц можно выразить и в других единицах, например в тоннах готового продукта на квт*ч или в квт*ч (расход энергии) на тонну готового продукта. Последнее используют чаще всего.
Дробление и измельчение руд

Мощность, потребляемая мельницей, слагается из двух величин: W1 — мощности, потребляемой мельницей на холостой ход, без загрузки дробящей средой и рудой; W2 — мощности на подъем и вращение нагрузки. W2 — продуктивная мощность — расходуется на измельчение и связанные с ним потери энергии.
Общий расход мощности
W = W1 + W2.

Чем меньше отношение W1/W, т. е. чем больше относительная величина W2/W, тем эффективнее работа мельницы и меньше расход энергии на тонну руды; W/T, где T — производительность мельницы. Наибольшая производительность мельницы в данных условиях соответствует максимуму потребляемой мельницей мощности. Так как теория действия мельниц недостаточно разработана, то оптимальные условия работы мельницы находят опытным путем или определяют на основании практических данных, которые порой разноречивы.
Удельная производительность мельниц зависит от следующих факторов.
Скорость вращения барабана мельницы. При вращении мельницы шары или стержни под влиянием центробежной силы
mv2/R = mπ2Rn2/30,

где m — масса шара;
R — радиус вращения шара;
n — число оборотов в минуту,
прижимаются к стенке барабана и при отсутствии скольжения поднимаются со стенкой на некоторую высоту, пока не оторвутся от стенки под влиянием силы тяжести mg и не полетят вниз по параболе, а затем упадут на стенку барабана с рудой и при ударе произведут работу дробления. Ho можно дать такое число оборотов, что шары He оторвутся от стенки (mv2/R>mg), и начнут вращаться вместе с ней.
Минимальную скорость вращения, при которой шары (при отсутствии скольжения) не отрываются от стенки, называют критической скоростью, соответствующее число оборотов — критическим числом оборотов nкр. В учебниках можно найти, что
Дробление и измельчение руд

где D — внутренний диаметр барабана;
d — диаметр шара;
h — толщина футеровки.
Рабочую скорость вращения мельницы обычно определяют в процентах от критической. Как видно из рис. 3, потребляемая мельницей мощность возрастает с увеличением скорости вращения за пределы критической. Соответственно должна возрастать и производительность мельницы. При работе со скоростью выше критической в мельнице с гладкой футеровкой скорость движения барабана мельницы выше, чем скорость движения прилегающих к поверхности барабана шаров: шары скользят по стенке, вращаясь вокруг своей оси, истирают и раздавливают руду. При футеровке с лифтерами и отсутствии скольжения максимум потребления мощности (и производительности) сдвигается в сторону меньших скоростей вращения.
Дробление и измельчение руд

В современной практике наиболее распространены мельницы со скоростью вращения 75—80% от критической. По новейшим данным практики, в связи с повышением цен на сталь, ставят мельницы с более низкой скоростью (тихоходные). Так, на крупнейшей молибденовой фабрике Клаймакс (США) мельницы 3,9х3,6 M с мотором 1000 л. с. работают при скорости 65% от критической; на новой фабрике «Pima» (США) скорость вращения стержневой мельницы (3,2x3,96/1) и шаровых (3,05x3,6 м) составляет 63% от критической; на фабрике Теннесси (США) новая шаровая мельница имеет скорость 59% от критической, а стержневая работает на необычно высокой для стержневых мельниц скорости — 76% от критической. Как видно на рис. 3, повышение скорости до 200—300% может обеспечить повышение производительности мельниц в несколько раз при их неизменном объеме, но для этого потребуется конструктивное усовершенствование мельниц, в частности подшипников, удаление улитковых питателей и др.
Дробящая среда. Для измельчения в мельницах применяют стержни из марганцовистой стали, кованые или литые стальные или легированные чугунные шары, рудную или кварцевую гальку. Как видно на рис. 3, чем выше удельный вес дробящей среды, тем выше производительность мельницы и тем ниже расход энергии на тонну руды. Чем ниже удельный вес шаров, тем выше должна быть скорость вращения мельницы для достижения той же производительности.
Размер дробящих тел (dш) зависит от крупности питания мельницы (dр) и ее диаметра D. Ориентировочно должно быть:
Дробление и измельчение руд

Чем мельче питание, тем мельче можно применять шары. В практике известны следующие размеры шаров: для руды 25—40 мм = 100, реже, для твердых руд — 125 мм, а для мягких — 75 мм; для руды — 10—15 мм = 50—65 мм; во второй стадии измельчения при питании крупностью 3 мм dш = 40 мм и во втором цикле при питании крупностью 1 мм dш = 25—30 мм; на доизмельчении концентратов или промпродуктов применяют шары не крупнее 20 мм или гальку (рудную или кварцевую) — 100+50 мм.
В стержневых мельницах диаметр стержней обычно 75—100 мм. Необходимый объем дробящей среды зависит от скорости вращения мельницы, метода ее разгрузки и характера продуктов. Обычно при скорости вращения мельницы 75—80% от критической загрузка заполняет 40—50% объема мельницы. Однако в некоторых случаях снижение загрузки шаров более эффективно не только с экономической, но и с технологической точки зрения — обеспечивает более селективное измельчение без шламообразования. Так, в 1953 г. на фабрике Коппер Хилл (США) объем загрузки шаров был снижен с 45 до 29%, в результате чего производительность мельницы увеличилась с 2130 до 2250 т, расход стали снизился с 0,51 до 0,42 кг/т; содержание меди в хвостах снизилось с 0,08 до 0,062% вследствие лучшего селективного измельчения сульфидов и понижения переизмельчения пустой породы.
Дело в том, что при скорости вращения мельницы 60—65% от критической в мельнице с центральной разгрузкой при небольшом объеме шаровой загрузки создается относительно спокойное зеркало движущегося к разгрузке потока пульпы, которое не взмучивается шарами. Из этого потока крупные и тяжелые частицы руды быстро оседают в зону, заполненную шарами, и измельчаются, а тонкие и крупные легкие частицы остаются в потоке и разгружаются, не успевая переизмельчаться. При загрузке же до 50% от объема мельницы вся пульпа перемешивается с шарами и тонкие частицы переизмельчаются.
Метод разгрузки мельницы. Обычно мельницы разгружаются с торца, противоположного загрузочному (за редким исключением). Разгрузка может быть высокой — в центре торца (центральная разгрузка) через пустотелую цапфу, или низкой — через решетку, вставленную в мельницу с разгрузочного конца, причем пульпа, прошедшая через решетку, поднимается лифтерами и также разгружается через полую цапфу. В этом случае часть объема мельницы, занятая решеткой и лифтерами (до 10% объема), не используется для измельчения.
Мельница с центральной разгрузкой до уровня слива заполнена пульпой с уд. весом Δ. Шары с уд. весом б в такой пульпе становятся легче на уд. вес. пульпы: δ—Δ. т. е. их дробящее действие уменьшается и тем больше, чем меньше δ. В мельницах с низкой разгрузкой падающие пары не погружаются в пульпу, поэтому дробящее действие их больше.
Следовательно, производительность мельниц с решеткой больше в δ/δ-Δ раз, т. е. при стальных шарах — примерно на 15—20%, при измельчении рудной или кварцевой галькой — на 30—40%. Так, при переходе с центральной разгрузки на разгрузку через решетку производительность мельниц увеличилась на фабрике Касл Доум (США) на 12%, на Кировской — на 20%, на Миргалимсайской — на 18%.
Это положение верно только при крупном измельчении или измельчении в одну стадию. При тонком измельчении на мелком питании, например при второй стадии измельчения, потеря веса дробящего тела имеет меньшее значение и основное преимущество мельниц с решеткой исчезает, а их недостатки — неполное использование объема, высокий расход стали, высокая стоимость ремонта — остаются, что заставляет отдать предпочтение мельницам с центральной разгрузкой. Так, испытания на Балхашской фабрике дали результаты не в пользу мельниц с решеткой; на фабрике Теннесси (США) увеличение диаметра разгрузочной цапфы не дало лучших результатов; на фабрике Тулсиква (Канада) при удалении решетки и увеличении за счет этого объема мельницы производительность осталась та же, а стоимость ремонтов и расхода стали понизились. В большинстве случаев не целесообразно ставить мельницы с решеткой на второй стадии измельчения, когда работа истиранием и раздавливанием эффективнее (скорость вращения 60—65% от критической), чем работа ударом (скорость 75—80% от критической).
Футеровка мельниц. Различные типы футеровок показаны на рис. 4.
При измельчении истиранием и при скоростях выше критической целесообразны гладкие футеровки; при измельчении ударом — футеровки с лифтерами. Простой и экономичной по расходу стали является футеровка, показанная на рис. 4, ж: промежутки между стальными брусками над деревянными рейками забиты мелкими шарами, которые, выступая, предохраняют стальные бруски от износа. Производительность мельниц тем выше, чем тоньше и износоустойчивее футеровка.
В процесс работы шары изнашиваются и уменьшаются в размере, поэтому мельницы догружают шарами одного большего размера. В мельнице цилиндрической формы крупные шары перекатываются к разгрузочному концу, поэтому эффективность их использования понижается. Как показали испытания, при устранении перекатывания крупных шаров к разгрузке повышается производительность мельницы на 6%. Для устранения перемещения шаров предложены различные футеровки — ступенчатая (рис. 4, з), спиральная (рис. 4, и) и др.
В разгрузочном конце стержневых мельниц крупные куски руды, попадая между стержнями, нарушают их параллельное расположение при перекатывании по поверхности загрузки. Для устранения этого футеровке придают форму конуса, утолщая ее к разгрузочному концу.
Размер мельниц. По мере увеличения количества перерабатываемых руд возрастают размеры мельниц. Если в тридцатых годах самые крупные мельницы имели размеры 2,7х3,6 м, установленные на Балхашской и Среднеуральской фабриках, то в данное время изготовляют стержневые мельницы 3,5х3,65, 3,5х4,8 м, шаровые 4х3,6 м, 3,6x4,2 м, 3,6x4,9, 4x4,8 м и др. Современные стержневые мельницы пропускают в открытом цикле до 9000 т руды в сутки.
Расход мощности и удельная производительность Туд являются показательной функцией от n — скорости вращения, выраженной в процентах от критической nк:
Дробление и измельчение руд

где n — число оборотов мельницы;
D — диаметр мельницы, k2 = T/42,4;
K1 — коэффициент, зависящий от размеров мельницы и определяемый экспериментально;
отсюда
Дробление и измельчение руд

T — действительная производительность мельницы пропорциональна ее объему и равна удельной производительности, умноженной на объем мельницы:
Дробление и измельчение руд

По опытам в Оутокумпу (Финляндия), m = 1,4, на фабрике Сулливан (Канада) при работе на стержневой мельнице m=1,5. Если принять m=1,4, то
T = k4 n1,4 * D2,7 L.

При одинаковом числе оборотов производительность мельниц прямо пропорциональна L, а при одинаковой скорости в процентах от критической — пропорциональна D2L.
Следовательно, выгоднее увеличивать диаметр мельниц, а не длину. Поэтому у шаровых мельниц диаметр обычно больше длины. При дроблении ударом в мельницах большего диаметра, футеровка которых с лифтерами, при подъеме шаров на большую высоту кинетическая энергия шаров больше, поэтому эффективность их использования выше. Можно загружать и более мелкие шары, что увеличит их число и производительность мельницы. Значит, производительность мельниц с мелкими шарами при одинаковой скорости вращения возрастает быстрее, чем D2.
При расчетах часто принимают, что производительность возрастает пропорционально D2,5, что преувеличено.
Удельный расход энергии (квт*ч/т) меньше в силу того, что уменьшается отношение W1/W, т. е. относительный расход энергии на холостой ход.
Мельницы выбирают по удельной производительности на единицу объема мельницы, по определенному классу крупности в единицу времени или по удельному расходу энергии на тонну руды.
Удельную производительность определяют экспериментально на опытной мельнице или по аналогии на основании данных практики работы фабрик при таких же по твердости рудах.
При крупности питания — 25 мм и измельчении примерно до 60—70% — 0,074 мм необходимый объем мельниц составляет около 0,02 м3 на тонну суточной производительности по руде или около 35 объема мельницы в 24 часа по классу — 0,074 мм для руд Золотушинского, Зыряновского. Джезказганского, Алмалыкского, Коджаранского, Алтын-Топканского и других месторождений. По магнетитовым кварцитам — 28 и/сутки на 1 м3 объема мельницы по классу — 0,074 мм. Стержневые мельницы при измельчении до — 2 мм или до 20% — 0,074 мм пропускают 85—100 т/м3, а при более мягких рудах (Оленегорская фабрика) — до 200 м3/сутки.
Расход энергии при измельчении на тонну — 0,074 мм составляет 12—16 квт*ч/т, расход футеровки 0,01 кг/т при никелевой стали и мельницах Диаметром свыше 0,3 ж и до 0,25 /сг/г при марганцовистой стали в меньших мельницах. Расход шаров и стержней около 1 кг/т при мягких рудах или крупном помоле (около 50%—0,74 мм); для руд средней твердости 1,6—1,7 кг/т, для твердых руд и тонком помоле до 2—2,5 кг/т; расход чугунных шаров в 1,5—2 раза выше.
Сухое измельчение применяют при приготовлении угольного пылевидного топлива в цементной промышленности и реже — при измельчении руд, в частности золотосодержащих, урановых и др. В этом случае измельчение производится в замкнутом цикле с пневматической классификацией (рис. 5).
В рудной промышленности за последние годы для сухого измельчения стали применять короткие мельницы большого (до 8,5 м) диаметра с воздушной классификацией, причем в качестве дробящей и измельчающей среды используется руда в том виде, в каком она получается с рудника — крупностью до 900 мм. Руда крупностью 300—900 мм сразу в одну стадию измельчается до 70—80% — 0,074 мм.
Дробление и измельчение руд

Таким методом измельчают золотые руды на фабрике Рэнда (Южная Африка); на фабриках Мессина (Африка) и Гольдстрим (Канада) измельчают сульфидные руды до флотационной крупности — 85% — 0,074 мм. Стоимость измельчения в таких мельницах ниже, чем в шаровых, при этом стоимость классификации составляет половину всех расходов.
На золотоизвлекательных и урановых фабриках при использовании таких мельниц удается избежать загрязнения металлическим железом (истирание шаров и футеровки); железо, поглощая кислород или кислоту, ухудшает извлечение золота и повышает расход кислоты при выщелачивании урановых руд.
Селективное измельчение более тяжелых минералов (сульфидов и др.) и отсутствие шламообразования ведет к улучшению показателен извлечения металлов, к повышению скорости осаждения при сгущении и скорости фильтрации (на 25% по сравнению с измельчением в шаровых мельницах с классификацией).
Дальнейшее развитие измельчительного оборудования, по-видимому, пойдет по пути создания центробежных шаровых мельниц, выполняющих одновременно и роль классификатора или работающих в замкнутом цикле с классификаторами (центробежными), как и существующие мельницы.
Измельчение в вибрационных мельницах относится к области сверхтонкого измельчения (краски и пр.). Применение их для измельчения руд He вышло из стадии эксперимента; наибольший объем испытанных Бибромельниц составляет около 1 м3.