CC BY
28
Библиографический список
1. Полифункциональные неорганические материалы на основе природных и искусственных соединений / В.И.Верещагин [и др.]. Томск, Изд-во ТПУ, 2002. 358с.
2. Сафонова Т.В., Зыкова Ю.А. Диопсид - эффективная добавка при производстве кирпича //Вестник ИрГТУ. 2009. №3. С.174-180.
3. Сафонова Т.В., Верещагин В.И., Баяндина Е.В. Строительная керамика на основе композиций низко - и cреднепластичного глинистого и диопсидового сырья. Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2012. № 3. С.154-182.
4. Эйтель В. Физическая химия силикатов. М.: Изд-во иностранной литературы, 1952. 1055с.
5. Усов П.Г., Губер Э.А. Изменение механической прочности изделий в связи со структурными изменениями глинистых минералов при обжиге // Известия Томского политехнического института. 1971. Т.174. С.бб—71.
6. Августинник А.И. Керамика. Изд.2-е, перераб. и доп. Л.: Стройиздат, 1975. 592 с.
УДК 622.734:622.76
ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКИ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ТРЕНИЕМ
© А.А. Шишкин1, К.Л. Ястребов2
1ОАО «Иргиредмет»,
664025, Россия, г. Иркутск, бул. Гагарина, 38. 2Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Качество поверхности рудных обломков определяется совокупностью характеристик шероховатости поверхности, физико-механического состояния, микроструктуры материала поверхностного слоя и остаточных напряжений. Изучаются условия, при которых разрушение рудных обломков трением будет максимальным в мельнице рудного самоизмельчения. При этом силам трения существенную помощь оказывают силы давления вышележащих слоёв рудной загрузки. Образование продуктов крупностью мельче 0,1 мм осуществляется, главным образом, на последней стадии разрушения именно силами трения и давления. Большая часть обломков и зёрен каждой фракции крупности характеризуется определённой шероховатостью поверхности. Последняя косвенным образом определяет долю участия разрушающих сил и зависит от условий рудного самоизмельчения, конструктивных особенностей оборудования при постоянстве свойств измельчаемого материала. Силы удара подготавливают весь рудный материал для его дальнейшего разрушения силами трения, что полностью согласуется с результатами работ по изучению кинематики, кинетики и основных закономерностей рудного самоизмельчения. Ил. 1. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: физика разрушения трением; физико-механическое состояние; рудное самоизмельчение; доли участия сил разрушения; методика выполнения экспериментов; технологическая наследственность.
STUDYING PHYSICS OF ROCK DESTRUCTION UNDER FRICTION A.A. Shishkin, K.L. Yastrebov
JSC "Irgiredmet",
38 Gagarin Blvd., Irkutsk, Russia, 664025. Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.
The surface quality of ore fragments is determined by the combination of surface roughness characteristics, the physical and mechanical condition, the microstructure of the surface layer material and residual stresses. The paper studies the conditions of ore fragment maximum destruction by friction in the ore autogenous mill, whereas the pressure forces of overlying ore feed provide a substantial assistance to the forces of friction. It is the forces of friction and pressure, which affect the formation of products with the fineness less than 0.1 mm in the last stage of destruction. Most of the debris and grains of each coarseness fraction are characterized by a specific surface roughness. The last indirectly determines the participation of destructive forces and depends on the conditions of ore autogenous grinding, the design features of the equipment under constant properties of grinding material. The impact forces prepare the whole ore material for its further destruction by the forces of friction, which agrees completely with the results of studies on kinematics, kinetics, and the basic regularities of the ore autogenous grinding. 1 figure. 5 sources.
Key words: physics of destruction by friction; physical and mechanical condition; ore autogenous grinding; participation of destruction forces; methods to carry out experiments; technological heredity.
1Шишкин Анатолий Анатольевич, старший менеджер коммерческого центра, тел.: 89149456210, e-mail: [email protected] Shishkin Anatoly, Senior Manager of Commercial Center, tel.: 89149456210, e-mail: [email protected]
2Ястребов Константин Леонидович, доктор технических наук, профессор, тел.: 8(3952) 405651, e-mail: [email protected] Yastrebov Konstantin, Doctor of technical sciences, Professor, tel.: 8(3952) 405651, e-mail: [email protected]
В ходе наблюдений за разрушением рудных обломков и частиц обращает на себя внимание изменение качества и шероховатости поверхности измельчающего и измельчаемого материала при изменении режимных, технологических и конструктивных параметров работы мельниц рудного самоизмельчения [13]. Качество поверхности рудных обломков определяется совокупностью характеристик шероховатости поверхности, физико-механического состояния, микроструктуры материала поверхностного слоя и остаточных напряжений. При этом поверхность обломка руды, отделяющую его от внешнего пространства, называют технической или рабочей поверхностью. Она является реальной поверхностью, всё обновляющейся в процессе разрушения перерабатываемого материала. Рабочая поверхность имеет неровности, образующиеся в результате воздействия ударных и истирающих сил. Контур сечения рабочей поверхности плоскостью, нормальной к соответствующей геометрической поверхности, представляет собой профиль неровностей. Совокупность неровностей, образующая рельеф поверхности в пределах заданной базовой длины, представляет собой шероховатость поверхности. Трение и износ материала в значительной степени связаны с высотой ^ неровностей, формой неровностей поверхности и направлением износа в пределах базовой длины [4,5].
В начальный период работы трущихся поверхностей их контакт происходит по вершинам неровностей, в результате чего фактическая поверхность соприкосновения составляет лишь небольшой процент от расчётной. Ударные нагрузки способствуют восстановлению начального состояния неровностей. Поэтому в местах фактического контакта по вершинам неровностей развиваются большие удельные давления, в конечном счёте, превышающие предел прочности трущихся материалов. Чем быстрее наступит превышение этого предела, тем эффективнее процесс разрушения горной породы. Под действием указанных усилий в точках контакта происходит интенсивное упругое сжатие и пластическая деформация смятия неровностей, переходящие в хрупкое разрушение, а при внезапном перемещении поверхностей - деформация среза, отламывания, пластического сдвига вершин неровностей, переходящая в хрупкое скалывание. Это приводит к интенсивному износу трущихся образцов и увеличению зазоров трущейся пары. Силы удара и давления резко снижают величину этих зазоров. Восстановление начального состояния неровностей и снижение величины зазоров между трущимися обломками под действием сил удара и давления способствуют росту эффективности самоизмельчения. Повышенному начальному износу способствует возникновение в точках контакта при ударе и трении высоких мгновенных температур, срыва пластинок и плёнок материалов, что является следствием молекулярного сцепления трущихся и соударяющихся обломков и образования узлов схватывания. Следствием указанного в виде искр, светящихся точек от нагрева контактирующих поверхностей можно визуально наблюдать в пульпе работающей мельницы. От этого температу-
ра слива мельниц всегда заметно выше температуры исходной руды и воды, поступающих в оборудование. Как показали замеры, в период начального износа поверхностей, работающих в лёгких и средних условиях, высота неровностей уменьшается на 60-76 % при одновременном увеличении фактической поверхности их контакта, а следовательно, и снижении фактического удельного давления. Это в большей степени относится к обломкам, находящимся на внутренних траекториях ближе к центру мельницы. В это же время происходит изменение размера и формы неровностей. При этом высота неровностей уменьшается до некоторого «оптимального» значения, различного для разных условий работы и разных перерабатываемых материалов.
Если в процессе разрушения горных пород ударом, давлением и трением высоту неровностей удаётся сохранять «оптимальной», устойчивой, то в процессе самоизмельчения сырья на поверхностях конкретной крупности обломков она не изменится. Величина износа в этом случае будет минимальной. Задачей оборудования и всего процесса является избежать такого стечения обстоятельств, когда образуется «оптимальная», устойчивая для того или иного класса крупности обломков высота неровностей. Тогда износ трущихся поверхностей будет наибольшим, а время, потребное на разрушение - минимальным. В противном случае неизбежно накопление «упорной» гальки и снижение производительности оборудования. В более тяжелых условиях работы функциональная зависимость величины износа от шероховатости поверхности графически смещается вправо вверх, а точка «оптимальной» шероховатости - вправо, в сторону увеличения высоты неровностей (рисунок). В тяжёлых условиях износа находятся зёрна и частицы, движущиеся по наружным траекториям вблизи футеровки мельницы. Здесь силам трения существенную помощь оказывают силы давления вышележащих слоёв рудной загрузки.
Ьй
ей о о X СО
к
05 X 5:
В1 к ч
о «
"I "г
Шероховатость Вг ,мкм.
Характер влияния шероховатости на величину износа образцов: 1 - в лёгких условиях;
2 - в тяжёлых условиях
Влияние шероховатости поверхности на её износ не только связано с размером фактической поверхности контакта, но и зависит от формы и величины неровностей. При одинаковой площади контакта тонкие
и многочисленные неровности обеспечивают большую износоустойчивость, чем крупные неровности большого шага, что резко ухудшает эффективность измельчения. При жидкостном трении и малой высоте неровностей направление рисок износа значения не имеет. В этом случае для повышения эффективности самоизмельчения руд необходимо увеличивать роль ударных сил. Однако при увеличении шероховатости несколько повышается износоустойчивость обломков и, следовательно, снижается эффективность рудоподго-товки при параллельном направлении рисок износа и параллельном движении обломков при трении. В этом случае положительную услугу оказывают конструктивные особенности оборудования, вносящие элемент перемешивания всей массы руды, - это лифтёры футеровки барабана, разгрузочной решетки и коническая торцевая загрузочная крышка. При граничном трении в области малых неровностей с параллельным направлением рисок износа относительное движение образцов сопровождается схватыванием и слипанием поверхностей, а износ оказывается по величине не больше, чем при перпендикулярном направлении рисок износа. В области большой шероховатости, когда схватывания не наблюдается, параллельное направление рисок даёт наименьший износ. Величина коэффициента трения связана с направлением рисок износа и высотой неровностей. При сочетании поверхностей, имеющих одинаковое направление рисок износа при их перпендикулярном направлении к движению, коэффициент трения достигает наибольшего значения. Этому может способствовать правильно разработанная форма рабочего пространства мельницы. Усталостная прочность обломков руды в значительной мере зависит от величины шероховатости поверхностей. Наличие на поверхности обломков, работающих в условиях циклических, знакопеременных нагрузок, отдельных дефектов, выбоин, неровностей, способствует концентрации напряжений, величина которых может превзойти предел усталости материала. Гидроабразивный износ обломков трением оказывает существенную помощь силам удара при самоизмельчении руд. Поверхностные, всё усиливающиеся дефекты играют роль очагов возникновения нарушений сплошности поверхностного слоя и его разрыхления. Последние являются первопричиной образования трещин. Силы удара рудных измельчающих тел завершают это образование и приводят к лавинному характеру трещинообразования и последующему разрушению обломка. Конец одного цикла разрушения обломков является началом нового цикла, в котором принимают участие все три основные силы: удара, давления и трения. Эффект работы каждой силы зависит от доли её участия в процессе рудного самоизмельчения. Так, разрушение крупных обломков и глыб силами трения также малоэффективно, как и разрушение мелкодроблёной и грубоизмельченной фракции за счёт приложения только сил удара. Образование продуктов крупностью мельче 0,1 мм осуществляется главным образом на последней стадии разрушения именно силами трения и давления. Эта работа подготовлена первыми операциями - разрушением
крупных обломков силами удара при вспомогательном значении сил трения. Тогда очевиден вывод: большая часть обломков и зёрен каждой фракции крупности характеризуется определённой шероховатостью поверхности. Последняя косвенным образом определяет долю участия разрушающих сил и зависит от условий рудного самоизмельчения, конструктивных особенностей оборудования при постоянстве свойств измельчаемого материала. В противном случае накладывается ещё зависимость от физико-механических свойств сырья и в большей степени от критерия прочности ^=(1-$) ^, где Ц и Е - соответственно коэффициент Пуассона и модуль упругости перерабатываемой горной породы [1-5].
При изучении шероховатости рудных обломков, участвовавших в процессе рудного самоизмельчения, в зависимости от указанных величин появляется возможность градуировки параметров шероховатости по доле участия разрушающих сил. Изменение методов и режимов механической обработки вызывает соответствующее изменение отдельных характеристик качества поверхности рудных образцов, что, в свою очередь, влияет на физико-химические свойства готового продукта операций рудоподготовки. В этом смысле уместно говорить о существовании «технологической наследственности» качества поверхности и определяемых ею физико-механических и физико-химических свойств готового продукта от отдельных технологических операций и всего технологического процесса подготовки руд к последующему обогащению. При трении обломков руды между собой и о металл футеровки в материале поверхностного слоя происходят значительные пластические и хрупкие деформации, сопровождающиеся интенсивным разрушением поверхностного слоя и возникновением в нём больших напряжений. Если тёрущиеся обломки до начала трения имели в поверхностном слое остаточные напряжения, созданные предшествующей обработкой (взрывом, дроблением и пр.), то в самом начале трения под действием пластической деформации эти напряжения, являющиеся по своей природе упругими, полностью снимаются независимо от их знака. Одновременно в поверхностном слое возникают в результате трения напряжения, величина которых зависит от условий трения и не зависит от величины и знака остаточных напряжений, вызванных предшествующей обработкой полезного ископаемого. При наличии в поверхностном слое напряжений сжатия предел прочности рудных кусков повышается, а при наличии напряжений растяжения - снижается.
Если сравнить работу мельниц рудного самоизмельчения и рудногалечных мельниц с работой шаровых и стержневых мельниц, то налицо будет большая разница в условиях работы. В шаровых и стержневых мельницах удар металлических измельчающих тел по металлу футеровки обеспечивает упрочнение (наклёп) поверхностного слоя футеровки. Это несколько повышает износостойкость последней. В мельницах же самоизмельчения руд наблюдается только удар кусков руды по металлу футеровки, а также трение руды по руде и по футеровке. При этом наблюдается более
сильное взаимное внедрение поверхностных слоёв руды и футеровки. Здесь увеличивается диффузия кислорода воздуха в металл, создающая в нём твёрдые химические соединения РвО, Рв20з, Рв304, характерные для окислительного износа, протекающего с малой интенсивностью. Износ металлической футеровки в мельницах рудного самоизмельчения выше, чем в шаровых и стержневых мельницах. Здесь отсутствует влияние наклёпа, вызывающего упрочнение поверхностного слоя металла и затрудняющего процесс возникновения и развития первоначальных усталостных трещин. Но, с другой стороны, несколько понижается химическая активность поверхностного слоя футеровки. При шаровом помоле пластическая деформация и наклёп поверхностного слоя футеровки протекают в различно ориентированных зёрнах разного состава с разной интенсивностью. Ферритные зёрна деформируются интенсивнее перлитных. Это вызывает неравномерное повышение энергии и различное изменение электродного потенциала. Более наклёпанные ферритные зёрна становятся анодами, менее наклёпанные перлитные зёрна - катодами. При этом
имеем микронеоднородность поликристаллического металла, в котором возникает большое количество коррозионных микроэлементов. Здесь наблюдается усиленная адсорбция химических веществ, развиваются коррозионные и диффузионные процессы. Подавать химические реагенты в шаровую и стержневую мельницы менее выгодно, чем в мельницу рудного самоизмельчения.
Измельчение руд в мельницах рудного самоизмельчения осуществляется при сочетании сил удара, давления и трения. Исследования характера разрушения рудных обломков позволяют считать, что чаще всего сила удара в мельнице рудного самоизмельчения несколько превалирует над остальными силами и может в определённых условиях являться главенствующей. По этой причине в конструкции этих мельниц увеличен диаметр за счёт длины. Сила удара подготавливает весь рудный материал для его дальнейшего разрушения силами трения, что полностью согласуется с результатами работ по изучению кинематики, кинетики и основных закономерностей рудного самоизмельчения.
1. Андреев С.Е., Товаров В.В., Петров В.А. Закономерности измельчения и исчисление характеристик гранулометрического состава. М.: Металлургиздат, 1959.
2. Кармазин В.И., Денисенко А.И., Серго Е.Е. Бесшаровое измельчение руд. М.: Недра, 1968.
3. Сыса А.Б. О распределении энергии мелющих тел на измельчение истиранием и ударом // Обогащение полезных
Библиографический список
ископаемых. Киев, 1979. № 23.
4. Теория рудного самоизмельчения: монография / К.Л.Ястребов [и др.]. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2002. 180 с.
5. Технология рудного самоизмельчения и конструкция оборудования / К.Л.Ястребов [и др.]. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2005. 189 с.
