CC BY
131
-------------------------------------------- © Е.Ф. Чижик, В.И. Соколов,
2005
УДК 622.8
Е. Ф. Чижик, В.И. Соколов
КОНЦЕПЦИЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ РУД В ШАРОВЫХ БАРАБАННЫХ МЕЛЬНИЦАХ
Семинар № 21
Ш Я ри вращающемся барабане шаровой
.ж .Ж мельницы футеровка и сегмент загрузки находятся в постоянном взаимодействии. С одной стороны профиль футеровки и ее геометрические размеры влияют на механику измельчения материалов; с другой стороны -физико-механи-ческие свойства дробящей среды определяют морфометрический механизм разрушения футеровки. Поэтому выбор рациональных параметров футеровки и режима движения барабана существенно влияют на основные технико-экономические показатели работы мельницы: производительность по готовому классу - 0,074 мм (т/ч-м3); удельный расход электроэнергии (кВт/т материала); расход футеровки (г/т материала); срок службы футеровки.
В практике, при конструировании футеро-вок обычно придерживаются следующих требований: футеровка должна обеспечить заданный технологический режим движения сегмента загрузки в барабане; футеровка должна иметь максимальную долговечность, простоту монтажно-демонтажных работ и унификацию элементов.
В качестве футеровок использовали самые различные материалы: износостойкие чугуны, легированные стали, карбид кремния, пластмассы (полиэтилен высокого давления, фторопласт, древесно-армированные пластики, стеклопластики и т.д.), эластомеры (резины, полиуретаны) и др.
Если не рассматривать специальные виды футеровок (например, использование бреке-ра изношенных крупногабаритных шин, магнитные футеровки и т.д.), то наиболее востребованными износостойкими материалами для футеровок промышленных мельниц оказались металлы и резины. В некоторых случаях используется сочетание резиновых и металлических элементов.
В большинстве случаев применение футеровок из резины имеет ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с металлом: по скорости изнашивания, по величине абразивного и усталостного износа в зависимости от угла падения материала, по износу в зависимости от крепости материала, по уровню звукового давления и т.д.
Однако прежде чем рассматривать механику измельчения руд в шаровых мельницах при резиновых футеровках, целесообразно остановиться на их основных конструкциях и механике разрушения резин как конструкционного материала.
Наиболее широкое распространение имеют резиновые футеровки конструкции «плита-лифтер». Как показывает длительный опыт эксплуатации, лифтер всегда изнашивается более интенсивно, по сравнению с плитой. Поэтому требуется две-три замены лифтеров, прежде чем износится плита. Эта конструкция снижает производительность мельниц по питанию, требует дополнительных материальных затрат по замене лифтеров, что приводит к потере объемов измельчения руды из-за остановок на ремонты.
Из всего разнообразия созданных металлических футеровок наиболее оптимальной, как по сроку службы, так и по обеспечению технологических показателей, оказалась созданная в 60-е годы волновая футеровка, более известная под названием ее автора - Д.К. Крюкова.
Выполненные нами исследования взаимодействия внутримельничной загрузки с футеровкой позволяют отдать предпочтение волновому профилю при конструировании резиновых футеровок.
Вместе с тем, учитывая уникальное свойство резин - эластичность, конструкция будет иметь существенные отличия рабочей поверхности.
Процесс взаимодействия резиновой футеровки и перерабатываемого материала, несмотря на кажущуюся простоту физической модели, изучен совершенно недостаточно. Трудность объясняется, прежде всего, нелинейностью и стохастичностью процесса, взаимным влиянием многих факторов - геометрических, физико-механических, химических, - трудностью проведения экспериментальных работ в натурных условиях. По этой же причине отсутствует и достаточно полная математическая модель процесса измельчения. Однако накопленный опыт как при создании, так и при эксплуатации рудоразмольных мельниц с резиновой футеровкой позволил установить ряд общих закономерностей.
Основными факторами, вызывающими разрушение резиновой футеровки, являются: ударная нагрузка, абразивный или абразивно-усталостный износ и агрессивное влияние перерабатываемой среды.
Удар является одной из важных составляющих разрушающего действия от крупнокускового материала и измельчающих тел. Максимальный износ резиновой футеровки имеет место при углах соударения с поверхностью близких к 20-300, а минимальный -при углах, близких к 900. Поэтому форма резиновых элементов футеровки должна быть такой, чтобы угол встречи всегда был не менее 70°. Большое влияние на процесс разрушения футеровки от ударных нагрузок оказывает скорость встречи шаров с ее поверхностью, особенно, если удар воспринимается поверхностью футеровки через измельчаемую руду. Следует подчеркнуть, что именно на долю ударных нагрузок приходятся такие разрушения как сколы, вырывы материала, глубокие трещины от внедрения в резиновый массив острых граней и т.д. Одновременно удар создает мгновенную деформацию макрообъема, что приводит к локальным температурным вспышкам. Естественно возникает предположение, что удар способствует пиролизным превращениям, т.к. в местах локальных очагов разогрева углеводороды претерпевают термический пиролиз, распадаясь на элементарные компоненты, вплоть до газообразного водорода.
Абразивный и абразивно-усталостный износ резиновой футеровки обусловлен, в основном, проскальзыванием загрузки в различных зонах футеровки (эффект контакта) и действием ударных нагрузок при падении с
высоты измельчающей среды и трения между слоями технологической загрузки (каскадный эффект). Скорость износа футеровки зависит от многих факторов. Среди них: геометрические размеры барабана и частота его вращения, конструкция и геометрические размеры резиновой футеровки, тип резины, физико-механические свойства перерабатываемого материала, размеры измельчающей среды.
За критерий износостойкости обычно принимают скорость изнашивания, т.е. уменьшение толщины футеровки за один час работы мельницы. Для футеровок из резин этот показатель равен примерно 0,001-0,004 мм/ч; для металлических - колеблется в пределах 0,008-0,012 мм/ч.
Влияние агрессивной среды на долговечность резиновой футеровки изучено совершенно недостаточно. Практика показывает, что используемые резины хорошо противостоят агрессивному влиянию перерабатываемых материалов горно-металлургической и строительной промышленности. С повышением температуры влияние агрессивной среды усиливается. Так, работоспособность футеровки на основе СКИ-3 существенно уменьшается при температуре среды (>105 0С) и водородного показателя pH (250-280 г/л щелочи).
На основании вышеизложенного конструкция резиновой футеровки должна обладать конструкционным демпфированием для снижения напряжений в момент деформаций от ударов. Одним из таких решений является насыщение рабочей поверхности металлическими элементами, например, шарами. Такая футеровка создана, представляет собой набор плит трапецеидальной формы, образующих волну. В конструкции нет лифтеров, набор состоит только из плит высотой 130-200 мм, получивший на практике название «бегущая волна».
Процесс измельчения и износа футеровки следует рассматривать на основе физической и математической модели автоколебательного процесса в зоне контакта загрузка-футеровка.
В барабане в условной точке А (в реальных условиях в определенной области по длине мельницы) будет действовать сила трения Е, стремящаяся сместить сегмент загрузки в сторону, противоположную собственному вращению барабана. Необходимое для появления силы трения давление обеспечивается центробежной силой. В теории колебаний
такие системы относят к неконсервативным (открытым) нелинейным самовозбуждаю-щимся системам или к так называемым автоколебательным системам. В таких системах стационарные незатухающие колебания поддерживаются за счет энергии, которую система получает от источников не колебательного характера. При этом действующие на систему внешние силы (в рассматриваемом случае это движение сегмента загрузки) не являются вынуждающими силами в принятом смысле этого термина, так как они не заданы в виде явных функций времени, а управляются непосредственно движением барабана. Отличительной чертой автоколебательного процесса является независимость его амплитуды и частоты от начальных условий; компенсация потерь осуществляется за счет внешнего источника энергии, т.е. вращения барабана.
Если представить динамику движения барабана с загрузкой в виде автоколебательной системы с одной степенью свободы (совершенно идеализированная модель), то ее движение можно описать дифференциальным уравнением вида________________________
X + 0)1 X + 2Ьх = Р{.\, х)
или
X + 0>1 х = /-"(х, х) — 2Их = /(х.х),
где — = о>1, — = 2А; т т
к - жесткость упругой системы; Ь - коэффициент внутреннего трения; Е(х, х ) - вынуждающая сила.
Решение уравнения достаточно сложное даже для самых простых случаев. В реальных мельницах движения загрузки носит стохастический нелинейный характер; с учетом поперечной циркуляции, крупномасштабных пульсаций полифазной среды и турбулентного движения пульпы загрузка имеет п степеней свободы, что существенно усложняет математическую модель. Поэтому корректное решение такой системы, особенно при наличии весьма ограниченной экспериментальной информации, на сегодняшний день вряд ли представляется возможным.
Для практики более необходимым является исследование устойчивости такой системы и возможность управления автоколебательным процессом. Наиболее подходящими для этого, как следует из уравнения, является жесткостные и диссипативные характеристики системы, в целом определяемые свойствами пульпы. При линейной зависимости
трения состояние равновесия системы неустойчиво и малые начальные возмущения вызывают нарастающие колебания; в нелинейной системе (например, при кубической характеристике трения) благодаря значительной величине диссипации энергии рост колебаний станет замедляться, и амплитуда колебаний будет стремиться к некоторому постоянному значению. При стохастическом нелинейном процессе амплитуда будет колебаться вокруг некоторого среднего значения; при этом флуктуации будут определяться структурными особенностями среды. Т.е. в мельнице с наличием сильно диссипативной среды (в основном за счет пульпы с повышенной вязкостью) автоколебательный процесс будет носить квазиустойчивый характер; потеря устойчивости будет происходить по вероятностным законам.
В барабанных мельницах колебательный характер движении сегмента внутримель-ничной загрузки имеет важное значение, как для процесса дезинтеграции измельчаемого материала, так и для долговечности резиновой футеровки. Именно этот процесс в сочетании с турбулентным движением монодис-персоида, поворотной асимметрией барабана и пульсирующими движениями пульпы определяют кинетику износа резиновой футеровки и рельеф ее рабочей поверхности.
На границе раздела фаз пульпа-футеровка гидродинамическое движение пульпы носит пульсирующий, волновой характер. При этом длина волны зависит от диаметра барабана, конструкции футеровки, механических характеристик технологической загрузки, объема пульпы и т.д.
Созданная резиновая футеровка «бегущая волна» с эффектом самофутерования рабочей поверхности шарами 40 мм позволяет увеличить производительность шаровых мельниц не только по готовому классу, но и по питанию. При этом до 15-20 % снижается расход шаров и до 10-15 % снижается удельный расход электроэнергии. Кроме этого процесс измельчения, без ухудшения технологических показателей, может осуществляться при меньшем количестве шаров.
Так, например, мельница МШЦ 5500x6500, эксплуатируемая в условиях обогатительной фабрики СП «Эрдэнэт», при следующих параметрах: частота вращения 13,69 об/мин; средняя шаровая загрузка 265268 т шаров диаметром 100 и 80 мм в соот-
ношении 1:1; величина питания по исходной руде 280-285 т/ч. Мельницу периодически останавливали для определения уровня шаров и оценки состояния футеровки. По периодическим визуальным осмотрам состояния мельницы было обнаружено, что в течение 1000-1200 ч износ футеровки был минимальным; в дальнейшем начался ее интенсивный износ. Наиболее интенсивно изнашивалась футеровка на расстоянии 700-750 мм от загрузочной крышки с распространением зоны износа до 2500-2800 мм; более всего были разрушены футеровочные плиты первых двух колец длиной 1250 мм и 1500 мм; далее интенсивность износа существенно уменьшилась. Футеровочные плиты третьего кольца изношены в пределах 65-70 %, четвертого 30-35 % и пятого (плиты длиной 1000 и 1250 мм) изношены примерно на 15 %.
Наряду с выявлением эффекта резко отличающейся величины износа футеровки по длине барабана следует также отметить, что при постепенной загрузке мельницы шарами и рудой получены данные, требующие проведения более длительных испытаний и обработки результатов. Так, при шаровой загрузке 210 т шарами 80 мм достигалась стабильная производительность мельницы по исходному питанию 275-279 т/ч в течение четырех часов.
В последующем мельница догружена согласно принятому на фабрике режиму шарами диаметром 100 мм до 265-268 т и питанию по исходной руде 280-285 т/ч. Увеличение количества шаров на 50-55 т позволило повысить производительность по питанию всего на 5-6 т/ч и потребовало использования более крупных шаров.
Этот эксперимент подтвердил ранее высказанную гипотезу об интенсификации процесса измельчения вследствие возврата энергии затраченной на деформацию резины.
Из вышеизложенного можно предположить о наличии некоторого ядра потока, в котором находилась основная масса крупной измельчаемой руды и шаров 0 80 и 100 мм, воздействующих на первое и второе кольцо резиновой футеровки. Именно в этой зоне происходило наиболее интенсивное измель-
Распределение интенсивности износа футеровки по длине мельницы: А — зона интенсивного износа; В — зоны умеренного износа
чение руды и, следовательно, наиболее интенсивный износ футеровки. Величина ядра движущегося потока загрузки и его несимметричное размещение по длине мельницы, безусловно, связано с целым рядом механических и технологических факторов: диаметром мельницы, скоростью вращения барабана, крупностью измельчаемой руды, величиной питания, шаровой загрузкой, диаметром шаров и т.д. Все это сложное многообразие факторов в своем коллективнофункциональном взаимодействии и порождало феномен не симметрии загрузки.
Явление не симметрии изнашивания футеровки по длине мельницы пока недостаточно изучено, в том числе и при эксплуатации металлических футеровок. Наиболее явно этот эффект проявился на мельнице МШЦ 5500x6500, эксплуатируемой с шарами диаметром 100 мм и при крупности руды в питании 35 мм.
Накопленный опыт эксплуатации резиновых футеровок на мельницах с шарами диаметром 40; 60; 80 мм не свидетельствует о таком резком различии износа по длине. В данном случае отличие в три раза на расстоянии 3500-4800 мм и в шесть раз на расстоянии 5000-6500 мм от загрузочной стенки получено впервые.
Постоянно изменяющееся состояние шаровой загрузки по диаметру при вращении мельницы от горизонтального до наклонного 70-75° в сторону вращения и до 10-12° в противоположную, а также нестабильности движения самих шаров внутри их массы одновременно с наличием шаров 100 мм и руды 35 мм свидетельствует о том, что измельчение представляет сложнейший динамический процесс, особенно на мельницах первой стадии, а само измельчение в основном осуществляется на третьей части ее первоначальной длины.
Известно, что влияние крупности руды на
ь,%
80 -
60 1 ® \
40 -
20 / 1 1 1 1 1 1
) 1.0 2,0 3,0 4,0 5,0 Ь,м
интенсивность изнашивания определяется зависимостью
ШК = 1,44 Д0,4,
где ШК — износ при докритических значениях крупности; Д — средний диаметр абразивных частиц в пульпе.
Несмотря на изменяющуюся во времени динамику движения шаров, крупная руда имеет ограниченную возможность перемещения по длине барабана. Поэтому измельчение в основном и происходит на одной трети первоначальной длины мельницы. Далее более мелкий материал свободно перемещается между шарами, и фактор влияния крупности на износ уменьшается согласно выше приведенной закономерности.
Применение резиновой футеровки «бегущая волна» на шаровых мельницах диа-
метром от 3,2 м до 5,5 м эксплуатируемых на различных горнодобывающих предприятиях однозначно обеспечивает сокращение расхода шаров и электроэнергии. А также, позволяет снизить удельные расходы, т.к. можно эксплуатировать с меньшим количеством шаров при заданной производительности по питанию и увеличенным выходом готового класса в разгрузке. Или при заданном по технологии количестве шаров увеличить производительность по питанию без ухудшения качества измельчения.
Таким образом, резиновая футеровка «бегущая волна», используя эластичные свойства материала (резины), обладает неоспоримыми преимуществами перед другими конструкциями.
— Коротко об авторах -----------------------
Чижик Е.Ф. - НПП «Механобр-Полимет», Украина. Соколов В.И - СП «Эрдэнэт», Монголия.
---------------------------------------------------------------------- НОВИНКИ
ИЗДАТЕЛЬСТВА МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
Королевский КЮ. Предпринимательское право. Учебное пособие.— 421 с.: ил.
КВЫ 5-7418-0265-6 (в пер.)
Изложены предмет и специфика российского предпринимательского права, рассмотрены общие положения о субъектах предпринимательской деятельности и особенности хозяйственных правоотношений для предприятий различных форм собственности. Отражена специфика основных аспектов предпринимательской деятельности предприятий угольной отрасли.
К.Ю. Королевский — доктор экономических наук.
Для практикующих специалистов в области экономики горно-добывающей промышленности. Может быть полезна студентам, аспирантам и преподавателям высших учебных заведений.
УДК 338.45:622.3
-------Ф
Ъ---------
