CC BY
31
УДК 622.272/275.34; 504.05/06:622.34
К КОНЦЕПЦИИ ЭНЕРГОЁМКОСТИ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ В МЕЛЬНИЦАХ
Ю.В. Дмитрак
Приведены результаты аналитического исследования путей увеличения эффективности использования мельниц для измельчения твердых материалов за счет неиспользованных резервов. Сделан обзор результатов исследований проблемы энерговооруженности процессов дробления и тонкого измельчения в России и в Зарубежье. Предложен метод прямого измерения динамических параметров отдельных мелющих тел. Систематизированы направления совершенствований мельниц и разработан алгоритм совершенствования измельчительного оборудования.
Ключевые слова: мельница, измельчение, твердые материалы, энерговооруженность, динамические параметры, мелющие тела, алгоритм, оборудование.
Введение
Обогащение полезных ископаемых характеризуется высокими затратами электроэнергии, большая часть которой тратится на измельчение твердых пород. Энергоёмкость измельчения определяется соотношением величин энергии движения мелющих тел и необходимой для измельчения энергии.
Процессы измельчения твердых материалов, осуществляемые посредством удара, раздавливания, истирания и другими способами, являются приоритетными во многих технологических процессах, например, при обогащении твердых полезных ископаемых [1 - 2].
При производстве дисперсной продукции наибольшим распространением используют барабанные мельницы, эксплуатирующие феномен удара по измельчаемому материалу телами, например, шарами, заполняющими объём помольной камеры на 25.. .45 % (рис. 1).
Резервом повышения производительности шаровых мельниц является увеличение размеров их помольных камер, что сопровождается увеличением энергозатрат.
Поэтому поиск путей увеличения производительности мельниц за счет неиспользованных резервов является целью многих исследований [35].
Методы
Анализ возможностей мельниц проводится по данным публикаций за последние двадцать лет.
Измерение динамических параметров мелющей загрузки в зоне контакта мелющих тел с измельчаемым материалом осуществляется экспериментально на стенде.
Энергия радиоволн при передаче от мелющего тела к приёмному устройству передается с помощью экспериментального пьезоэлектрического вибропреобразователя - шара.
Рис. 1. Принципиальная схема барабанной мельницы
Измерение наложенной вынужденной частоты колебаний корпуса на собственную частоту колебаний пьезоэлемента производится в ходе эксперимента общепринятым методом.
По амплитуде и частоте колебаний камеры истинное значение ускорения шара в любой точке шаровой загрузки получается расчетом.
Результаты
Богданов В.С. для увеличения времени пребывания мелющей загрузки в камере и приобретения мелющими телами дополнительной энергии оборудовал помольную камеру наклонными перегородками.
Сыса А.Б. поставил размеры помольных камер в зависимость от вида и крупности материала [6].
Фирма "Fuller" (США) совершенствовала барабанную мельницу путем механизма для удаления измельченного продукта аспирационным устройством, что снижает энергоёмкость процесса.
Фирма "Sweco" (Австралия) интенсифицировала процесс движения мелющей загрузки за счет введения в конструкцию аспирационных секций и междукамерных перегородок, хотя при тонком измельчении энергопотребление не уменьшилось из-за демпфирующих свойств измельчаемого материала.
Специалисты Центрального университета штата Юта (США) повысили энергию шаровой загрузки путем оптимизации параметров ступенчатой футеровки, с увеличением угла отрыва шаров от стенки камеры и увеличением высоты падения шаров.
В вибрационных мельницах высокая степень измельчения достигается за счет комбинирования феноменов удара и истирания.
В Московском государственном горном университете процесс передачи энергии от перегородок в глубину шаровой загрузки оптимизирован введением в конструкцию наклонных камерам.
Франчук В.П. предложил вибромельницу с вертикальным расположением помольных камер с минимизацией переизмельчения продукта [7].
Фирма "KHD Humboldt Wedag" (ФРГ) обеспечила конструктивно возможность изменения режимов работы многотрубной вибромельницы поэтапного измельчения.
Фирма "Colorox Ltd." (ЮАР) увеличила диаметр помольной камеры и повысила производительность вибрационной мельницы включением в процесс вибратора с повышенным значением статического момента де-балансов.
Направления совершенствований мельниц включают в себя недопущение попадания мелких фракций в окружающую среду, сочетание мельницы с другими видами обогатительного оборудования в одну технологическую линию, Фирма увеличение габаритов мельниц и производительность по классу -25 мкм.
В практике использования энергию мелющих тел для измельчения твердых материалов прослеживается тенденция повышения интенсивности воздействия мелющей загрузки без уменьшения энергоёмкости измельчения [8-10].
В барабанных мельницах больших размеров большая часть энергии тратится на движение мелющих тел. В центре помольной камеры создается ядро, в пределах которого шары неподвижны или движутся с недостаточной для измельчения твердых материалов энергией. При моделировании загрузки малоподвижное ядро рассматривают как единое тело и не учитывают энергию движения шаров [11-13].
Исследователи Центрального университета штата Юта (США) при моделировании движения мелющей загрузки в камерах барабанных мельниц учитывают динамику удара оценкой нормальной и сдвиговой жесткости шаров. Полученная ими модель движения отдельных мелющих тел не
учитывает случайность соударений шаров и демпфирующие свойства пород.
Овчинников П.Ф. разработал теорию движения мелющей загрузки, рассматривая вибромельницу с одним мелющим телом, которое совершает независимое от камеры движение. Дифференциальные уравнения движения мелющей загрузки:
[( m+m ) •+тл + mqcos 9+Ssin ф] + с ( x - x0 )-cr (cos^ -cosP10)-C5R2(cosP2 -cosP23) + Cq(cos9-cos90 ) = 0, где m,m,m - массы камеры, шаровой загрузки и вала с дебалансом; x,x0 - координаты по вертикали системы и центра тяжести загрузки; q расстояние от центра тяжести системы до центра тяжести дебаланса.
Красовский Б.П. разработал математическую модель движения загрузки с учётом силы трения между стенкой помольной камеры и крайнем рядом шаров:
d^j - - F (®t)cosф + F (®t)sinф = 0, (2)
где ф - угол поворота загрузки при её качении по поверхности камеры; f - коэффициент трения качения;
F = q - a®2 (sin ®t + f cos ®t ) ; F = qf - a®2 ( f sin ®t + cos ®t ), (3) где r - радиус загрузки;
a=— , (4)
ri
где A - амплитуда колебаний камеры; ® - угловая скорость колебаний центра масс системы.
Специалисты фирмы «Microgrinding corporation» (США) оценивали перспективы снижения энергоёмкости и разработали виброкинетическую мельницу со встречным креплением пружин, что позволяет использовать потенциальную энергию.
Бушуев Л.П. разработал математическую модель движения шаровой загрузки в планетарных мельницах.
Направление рационального использования динамики мелющей загрузки включает в себя оптимизацию энергетических параметров режимов работы мельниц.
В большинстве случаев мелющая загрузка идентифицируется, как одно тело, или как распределённая масса с упругими и диссипативными свойствами, что не позволяет создать картину процессов в помольных камерах мельниц.
При сложных механизмах динамического разрушения твердых тел трудно построить общую модель разрушения, поэтому предпочтительнее
развитие частных теорий, описывающих поведение твердого тела в условиях динамического нагружения.
Процесс разрушения твердого материала носит вероятностный характер, а применение строго детерминированных моделей искажает сущность процесса измельчения.
Чтобы понять происходящие в мельнице процессы, нужно определить их параметры путем прямого измерения динамических параметров отдельных мелющих тел (рис.2).
Рис. 2. Пьезоэлектрический вибропреобразователь: 1- корпус;
2 - крышка; 3 - пьезоэлемент; 4 - электрод; 5- кожух; 6- усилитель;
7 - дополнительный усилитель; 8 - плата; 9- канавка 9; 10 - антенна;
11 - отверстие; 12 - элементы питания
Один из шаров был превращен в измерительное устройство. Внутрь его поместили акселерометр КБ - 35 фирмы " УеЪ ЯоЪо1хопше88г1ек1гоп1к". Шар был помещен в выделенный в загрузке столбик шаров. Таким образом, измерительное устройство имело возможность перемещаться только в вертикальном направлении, что позволило впервые измерить центральный прямой удар шаров.
Сигнал с датчика вибраций KD-35 через провод передавался на виброметр. Для бесконтактной передачи измеренного сигнала от шара на приемное устройство была использована энергия радиоволн с помощью пьезоэлектрического вибропреобразователя - шара, внутри которого размещены элементы устройства.
При включении мельницы под действием внешних нагрузок корпус устройства испытывает импульсное нагружение, в результате чего происходит наложение вынужденной частоты колебаний корпуса на собственную частоту колебаний пьезоэлемента.
Зная амплитуду и частоту колебаний камеры, можно тарировать прибор, присвоив ширине сигнала, зафиксированного осциллографом, численное значение виброускорения камеры и получить истинное значение ускорения шара в любой точке шаровой загрузки.
Характеристика пьезоэлектрического вибропреобразователя приведена в табл. 1.
Таблица 1
Параметры пьезоэлектрического вибропреобразователя
Показатели Единицы измерения Величина
Диаметр корпуса м 0,04...0,125
Количество каналов передачи сигналов шт. 3
Диапазон частот сигналов - FM
Рабочее напряжение В 6
Количество элементов питания шт. 4
Время работы без подзарядки с 90
Количество передающих антенн шт. 3
Диапазон воспринимаемых ударных ускорений g 1.1000
Количество акселерометров шт. 3
Тип акселерометров - емкостной
Тип чувствительных элементов - осевой
Взаимное расположение акселерометров - ортогональное
Дальность передачи сигнала м 5
Количество одновременно используемых ТРА шт. 1.3
Масса ТРА кг 0,1.7
Однако пьезоэлектрический вибропреобразователь не учитывает вращения шара во время работы мельницы и снижения интенсивности излучения радиоволн по отношению к приемной антенне и не фиксирует косой удар шара или одновременный удар нескольких шаров в трех направлениях.
Кварцевая пластина не выдерживает перегрузки больше 50 g при сильных ударах в барабанной мельнице и высоком статическом напряжении в планетарной мельнице.
В рамки дальнейших исследований по существу рассматриваемой проблемы входит комплекс задач (рис. 3).
Рис. 3. Алгоритм совершенствования измельчительного оборудования
Результаты выполненных исследований корреспондируют с выводами специалистов данного направления горного дела [14 - 16].
Выводы
1. Эффективность использования мельниц для измельчения твердых материалов может быть повышена за счет оптимизации энерговооруженности процессов дробления и тонкого измельчения.
2. Количественные значения динамических параметров отдельных мелющих тел могут быть измерены прямым измерением с помощью пьезоэлектрического вибропреобразователя.
3. Процесс комплексного совершенствования мельниц для измельчения твердых материалов описывается предложенным алгоритмом.
Список литературы
1. Гуриев Г.Т., Воробьев А.Е., Голик В.И. Человек и биосфера: устойчивое развитие. Владикавказ, 2001.474 ^
2. Разоренов Ю.И., Голик В.И., Куликов М.М. Экономика и менеджмент горной промышленности. Новочеркасск, 2010. 247 ^
3. Дмитрак Ю.В., Шишканов К.А. Разработка вероятностной кинематической модели мелющих тел в помольной камере вибрационной мельницы // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2010. № 12. С. 302-308.
4. Дмитрак Ю.В. Теория движения мелющей загрузки и повышение эффективности оборудования для тонкого измельчения горных пород: ав-тореф. дис. ... д-ра техн. наук. М.: МГГУ, 2000.
5. Бобков С. П. Имитационное моделирование ударного разрушения частиц // Интенсивная механическая технология сыпучих материалов. Иваново, 1990. С. 27-33.
6. Сыса А. Б. О выборе рациональных направлений развития из-мельчительного оборудования // Известия вузов. Цветная металлургия. 1994. № 3. С. 36-43.
7. Франчук В. П. Основы динамического расчета дробильно-измельчительных и классифицирующих вибрационных машин // Известия Днепропетровского горного института. 1990. С. 156-163.
8. Гуюмджян П. П., Ясинскиий Ф. Н. Разрушение одиночных частиц ударом // Известия вузов. Химия и хим. технология. 1994. Т. 37. Вып.1. С. 113-115.
9. Доброборский Г. А., Лянсберг Л. М., Рабин А. Н. Определение основных режимов движения загрузки в барабанах многобарабанной пла-нетарно-центробежной мельницы с вертикальными осями // Известия вузов. Горный журнал. 1993. № 1. С. 85-89.
10. Марюта А. Н., Ступак И. И. Внутренняя механика барабанных рудоразмольных мельниц // Известия вузов. Горный журнал. 1995. № 2. С. 125-130.
11. Подэрни Р. Ю. Горные машины и комплексы для открытых работ. М.: Недра, 1985. 544 с.
12. Селективное разрушение минералов / В. И. Ревнивцев, [и др.]. М.: Недра, 1988. 286 с.
13. Родин Р. А. Физическая сущность прочности и возникаемых напряжений упруго-хрупкого твердого тела // Известия вузов. Горный журнал. 1993. № 8. С. 2-9.
14. Устройство для приема информации по телефонным линиям: пат. 2013879 RU. № 5062344/09. С1, 30.05.1994. 16.09.1992.
15. Голик В.И., Хадонов З.М., Габараев О.З. Управление технологическими комплексами и экономическая эффективность разработки рудных месторождений. Владикавказ, 2001. 390 с.
16. Ракишев Б. Р., Кушпанов М. С. Некоторые особенности хрупкого разрушения минералов // Изв. вузов. Горный журнал. 1994. № 1. С. 120— 123.
Дмитрак Юрий Витальевич, д-р техн. наук, проф., ректор dmitrakayandex.ru, Россия, Владикавказ, Северо-Кавказский государственный технологический университет,
TO THE CONCEPT OF ENERGY CAPACITY OF GRINDING SOLID MA TERIALS
IN MILLS
Yu. V. Dmitrak
The results of an analytical study of ways to increase the efficiency of using mills for grinding solid materials at the expense of unused reserves are presented. A review of the results of studies of the problem of power-to-weight ratio of crushing and fine grinding processes in Russia and abroad is made. A method for direct measurement of the dynamic parameters of individual grinding bodies is proposed. The directions of improving the mills are systematized and an algorithm for improving the grinding equipment is developed.
Key words: mill, grinding, solid materials, energy equipment, dynamic parameters, grinding bodies, algorithm, equipment.
Dmitrak Yuri Vitalievich, doctor of technical sciences, professor, the rector, dmitrak@, yandex. ru, Russia, Vladikavkaz, North Caucasus State Technological University
Reference
1. Guriev G. T., Vorobyev A. E., Golik V. I. Man and the biosphere: sustainable development. Vladikavkaz, 2001.474 p.
2. Razorenov Yu. I., Golik V. I., Kulikov M. M. Economy and management of the mining industry. Novocherkassk, 2010. 247 p.
3. Dmitrak Yu. V., Shishkanov K. A. Development of a probabilistic kinematic model of grinding bodies in the grinding chamber of a vibrating mill. Gorny informatsionno-analiticheskiy bulletin (nauchno-tekhnicheskiy zhurnal). 2010. No. 12. P. 302-308.
4. Dmitrak Yu. V. Theory of the movement of the grinding load and increasing the efficiency of equipment for fine grinding of rocks: abstract. dis. ... doctor of technical sciences. Moscow state mining University. Moscow, 2000.
5. Bobkov S. P. Simulation modeling of shock destruction of particles // Intensive mechanical technology of bulk materials. Ivanovo, 1990. pp. 27-33.
6. Sysa A. B. On the choice of rational directions of development of grinding equipment // Izvestiya Vuzov. Non-ferrous metallurgy. 1994. No. 3. P. 36-43.
7. Franchuk V. P. Fundamentals of dynamic calculation of crushing and grinding and classifying vibration machines. Izvestiya Dnepropetrovskskogo gornogo instituta. M.: Nedra, 1990. pp. 156-163.
8. Guyumdzhyan P. P., Yasinsky F. N. Razrushenie odinochnykh chastits udarom / / Izvestiya vuzov. Chemistry and chemical technology. 1994. Vol. 37. Issue 1. pp. 113-115.
9. Dobroborsky G. A., Lyansberg L. M., Rabin A. N. Determination of the main modes of loading motion in the drums of a multi-drum rotary-centrifugal mill with vertical axes. Mountain magazine. 1993. No. 1. S. 85-89.
10. Maryuta A. N., Stupak I. I. Internal mechanics of drum ore-grinding mills // Izvestiya vuzov. Mountain magazine. 1995. No. 2. pp. 125-130.
11. Poderni R. Yu. Mining machines and complexes for open works. Moscow: Nedra, 1985. 544 p.
12. Revnivtsev V. I., Gaponov G. V., Sargatskiy L. P., and others. Selective destruction of minerals. Moscow: Nedra, 1988. 286 p.
13. Rodin R. A. The physical essence of the strength and the resulting stresses of an elastic-brittle solid // Izvestiya vuzov. Mountain magazine. 1993. No. 8. Pp. 2-9.
14. Device for receiving information via telephone lines: pat. 2013879 EN. No. 5062344/09. C1, 30.05.1994. 16.09.1992.
15. Golik V. I., Hadonou Z. M., Gabaraev O. Z. Management of technological systems and economic efficiency ore mining // Vladikavkaz, 2001. 390 p.
16. Rakishev B. R., M. S. Kuspanov Some features of brittle fracture minerals, Izv. universities. Mountain magazine. 1994. No. 1. S. 120-123.
УДК 622.271.5
РАЗУБОЖИВАНИЕ ПЕСКОВ В ЗАБОЕ ЭФЕЛЬНЫМИ ОТВАЛАМИ ПРИ ДРАЖНОЙ РАЗРАБОТКЕ РОССЫПНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
В.Е. Кисляков, Н.А. Цимбалюк, В.И. Деннер
Предложена методика определения величины разубоживания песков в забое хвостами эфельных отвалов при дражном способе разработки россыпных месторождений. Описан процесс программного моделирования выемки пород и отвалообразова-ния драгой при различных геологических, технических и технологических условиях разработки месторождения, который стал основой в построении необходимых математических моделей.
Ключевые слова: дражный способ разработки, драга, отвалообразование, эфельный отвал, россыпные месторождения, разубоживание, математическая модель.
Дражный способ разработки имеет большое распространение не только в Российской Федерации, но и в США, Канаде, Монголии, Китае [1 - 3], Таиланде, Индонезии, Малайзии и Боливии [4 - 6]. Перспективы все большего вовлечения в разработку техногенных месторождений [7 - 13] создают необходимость в актуализации научного подхода к недостаткам и особенностям данного способа разработки с целью обоснования исключения или снижения уровня их влияния.
Для дражного способа разработки присущи особые виды разубожи-вания [4, 14, 15], одним из которых является разубоживание хвостами эфельных отвалов песков в забое драги. Этот вид разубоживания становит-
