CC BY
91
---------------------------------- © Г.Г. Пивняк, В.И. Кириченко,
П.И. Пилов, В.В. Кириченко, 2009
Г.Г. Пивняк, В.И. Кириченко, П.И. Пилов,
В.В. Кириченко
О ПУТЯХ ПОВЫШЕНИЯ КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТИ ПРЕДПРИЯТИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
Приведены перспективные решения в направлении экономии материальных и энергетических ресурсов в процессах измельчения полезных ископаемых. Предложены пути усовершенствования электрического привода барабанных мельниц с синхронными двигателями.
Ключевые слова: горно-металлургический комплекс, барабанные мельницы,
эксплуатационные расходы, экономия электроэнергии.
Я а предприятиях горно-металлургического комплекса только на операции дробления и измельчения тратится по разным источникам от 5 до 20% всей потребляемой в стране электроэнергии. Из этого количества до 70% приходится на наиболее энергорасходную операцию измельчения. Одна из причин этого в том, что коэффициент полезного действия традиционных тихоходных барабанных мельниц лежит в пределах 0,4...2%. Поэтому поиск направлений экономии энергетических и материальных ресурсов на предприятиях горно-металлургического комплекса (ГМК) приобретает стратегическое значение.
Критический анализ процессов и основного оборудования для измельчения - барабанных мельниц - позволил установить, что среди факторов, непосредственно определяющих удельный расход энергии на единицу продукции, запас установленной мощности привода, наличие или отсутствие в приводе промежуточного преобразователя частоты, способ передачи энергии двигателя барабану и от него - измельчаемому сырью. Важнейшие факторы - использование или отсутствие шаров, эффективность защиты рабочей поверхности барабана от износа, частота его вращения и энергетика разрушения сырья. Таким образом, основные факторы, влияющие на стоимость готовой продукции ГМК, можно разделить на связанные с особенностями системы привода мельниц и на конструктив-
ные особенности и энергетику используемого в мельнице способа разрушения. Рассмотрим влияние этих факторов отдельно.
Известно, что большинство традиционных барабанных мельниц укомплектовано синхронными двигателями, номинальная мощность которых нередко превышает потребляемую в устоявшемся режиме мельницы на 20.30% и более. Это объясняется не всегда оптимальными условиями использования одного типоразмера мельниц в зависимости от измельчаемого сырья, дискретностью шкалы номинальных мощностей и частот вращения приводных синхронных двигателей и типоразмеров мельниц, тяжелыми условиями их запуска после длительного перерыва в работе и тому подобное. Поскольку КПД двигателя при существенном недоиспользовании по мощности снижается, то один из резервов экономии электрической энергии заключается в обеспечении возможно лучшего соотношения мощности установившегося и номинального режимов работы двигателя. Направления решения этой проблемы -расширение номенклатуры синхронных двигателей и типоразмеров барабанных мельниц, их использование в более целесообразных энергетических режимах, применение эффективных средств успешного запуска мельниц после длительного перерыва в работе без разгрузки барабанов. Например, это могут быть преобразователи частоты, используемые только для запуска мельниц, специальные алгоритмы и устройства программного управления возбудителями. И хотя такие решения требуют дополнительных капитальных расходов и усложняют систему привода, следует учесть, что при повышении КПД двигателей хотя бы на 1% и удельного расхода электроэнергии на измельчение каждые 20 млн т продукции комбината дадут экономию 2,8.4,34 млн кВт-ч в зависимости от прочностных свойств измельчаемой руды. А это означает, что в современных условиях непрерывного роста стоимости электроэнергии и мощности горно-обогатительных комбинатов пренебрегать такой возможностью экономии энергии не стоит.
В попытке снизить эксплуатационные расходы ГОКи часто стремятся повысить единичную производительность барабанных мельниц. При мощности выше 4 МВт это требует многопоточных вариантов передачи вращательных моментов барабану, а при мощности выше 8 МВт изготовители мельниц вынуждены применять исключительно кольцевые варианты привода с низкочастотными преобразователями. Однако при мощностях 4 и 8 МВт КПД таких
приводов составляет лишь 93,6 и 95,1% соответственно [1]. К тому же приводы достаточно сложны и требуют от обслуживающего персонала соответствующего уровня подготовки. Необходимо учитывать и дополнительные потери энергии в сети от высокочастотных гармоник при использовании преобразователя с непосредственным преобразователем частоты. Поэтому такие приводы целесообразны при технологической необходимости регулирования скорости мельниц и тщательном технико-экономичес-ком обосновании такой единичной производительности. Поэтому, с точки зрения экономии энергетических ресурсов, целесообразность использования безредукторных приводов неоднозначна. К тому же, увеличение размеров и единичной производительности мельниц нередко ухудшает энергетику собственно самого режима измельчения [2], а при внеплановых перерывах в работе приводит к значительным экономическим потерям.
Коэффициент полезного действия двигателей существенно зависит от номинальных скорости вращения пн и мощности PH. В работе [3] для КПД синхронных двигателей показано, что рост скорости двигателя на 1000 об/мин приводит к увеличению его КПД в среднем на 1,9%. А это означает, что даже при условии использования промежуточных редукторов есть возможность некоторой экономии энергии. Об этом свидетельствует и широкое использование такого привода ведущими зарубежными фирмами. В итоге можно сделать достаточно взвешенный вывод о том, что снизить удельный расход электроэнергии на измельчения на 2.3% возможно путем использования вместо тихоходных синхронных двигателей быстроходных (желательно с неявно выраженными полюсами и скоростью 3000 об/мин) с промежуточными редукторами.
Рассмотренные мероприятия по экономии электрической энергии предусматривают оптимизацию электромеханических систем мельниц путем как можно более полного использования установленной мощности двигателей и обеспечения их возможно большего КПД. Учтено, что традиционные мельницы - тихоходные, с докри-тической частотой вращения. По мнению авторов, создание условий для работы мельниц на повышенных частотах вращения позволит изъять или уменьшить передаточное число редукторов с соответствующим уменьшением энергетических потерь. Еще один резерв экономии электрической энергии за счет усовершенствования
электропривода - оптимизация системы управления возбуждением приводных синхронных двигателей. Важность этого направления в том, что регулированием токов возбуждения можно обеспечить наиболее экономичное использование электрической энергии и благоприятный режим собственно привода [5]. Следует учесть принципиальную возможность системы управления возбуждением компенсировать негативное влияние на сеть питания случайных колебаний нагрузки привода, потенциальную способность системы возбуждения усиливать колебания внутримельничной загрузки для повышения эффективности собственно самого процесса измельчения Таким образом, делаем обобщенный вывод о том, что для традиционных барабанных мельниц только за счет оптимизации параметров приводных синхронных двигателей и режимов работы систем их возбуждения можно снизить расход энергии на несколько процентов.
Рассмотренные направления экономии электроэнергии базируются исключительно на возможностях усовершенствования электромеханических систем мельниц, однако передача энергии от барабана к сырью внутримельничной загрузки также сопровождается потерями энергии, в частности на износ футеровки барабана и шаров. В среднем для руд Кривбасса износ шаров составляет 0,09, а футеровки барабана - 0,007 кг на каждый кВт-ч энергии, затраченной на измельчение [6]. Известно, что скорость износа футеровки барабана (и дополнительные потери энергии) определяется скольжением по ней внутримельничной загрузки. Поэтому дополнительный резерв экономии энергии (и футеровок) - в использовании эффективных, самозащитных профилей футеровок [7]. При сырьевых материалах с содержанием железа рабочей поверхности целесообразно придавать магнитные свойства, что способствует самозащите футеровок (в том числе и резиновых) измельчаемым сырьем. Есть информация о возможности экономии 15.19% энергии использованием «квадратного» профиля футеровки [8]. Что касается уменьшения удельного расхода энергии на износ шаров, то важно выбирать их рациональные размеры и материалы, придерживаться оптимального соотношения сырье/шары в барабане и стабилизации рационального гранулометрического состава шаров и тому подобное. Способствует экономии электроэнергии и соблюдения рационального соотношения между крупностью дробления и измельчения, оптимальные плотность пульпы и циркуляционная
нагрузка, количество стадий измельчения и частота вращения мельниц и др. Испытаниями в промышленных условиях, в частности, доказано, что при крепких рудах перевод мельниц с высоким уровнем пульпы с частоты вращения 0,76.0,88 (наибольшая производительность) на 0,5 от критической снизило расход электроэнергии на 7%. Что касается компенсации уменьшения производительности, то разница в капитальных расходах на приобретение и монтаж мельницы больших размеров возмещается уже через год эксплуатации [9].
Подытоживая, можно констатировать, что для предприятий горно-металлургического комплекса Украины существуют весомые предпосылки уменьшения потребления электроэнергии на 10.20% и больше только благодаря модернизации традиционных барабанных мельниц, оптимизации их электропривода и оптимальным режимам эксплуатации.
Изложены положения относительно экономии электроэнергии на предприятиях горно-металлургического комплекса не учитывают возможностей принципиально новых технологий и оборудования. Так, весьма ощутимую дополнительную экономию электроэнергии предлагается получить за счет использования перед измельчением в традиционных мельницах валковых мельниц с развитием давления на сырье последовательно в разных направлениях до 50.250 МПа. По информации производителей валковых мельниц такое совершенствование технологической схемы измельчения руд способно снизить удельный расход энергии на 71.80% [10]. Снизить вдвое расход энергии прогнозируется при эксплуатации башенных мельниц [11], хотя и на относительно некрепких материалах.
Наряду с отмеченными вариантами решения проблемы экономии электроэнергии существуют и другие, в частности, оптимизация собственно режима разрушения. Ведь известно, что снижения расхода энергии на измельчение можно достичь высокой скоростью приложения значительных усилий, способных обеспечить высокую степень дробления кусков при каждом нагружении. То есть, когда скорость распространения упругой деформации предельного уровня превышает скорость образования отдельных трещин в объеме частиц желаемого размера [12]. Это, а также попытка совместить в одной конструкции преимущества перечисленных направлений усовершенствования мельниц способствовало разработке в Национальном горном университете Украины принципиально нового типа из-
мельчительного устройства. В основу конструкции и режимов его работы положены такие принципы: повышение полезной мощности, переход на самоизмельчение для более полного раскрытия полезного компонента и уменьшение удельных расходов металла, поочередное интенсивное сжатие сырья в разных направлениях для экономии электроэнергии и возможности оптимизации режима измельчения, перенесение энергии дезинтеграции во внутренние слои сырья и исключение скольжения дробимого материала относительно рабочих поверхностей при помощи принудительной поперечной сегрегации внутри-мельничной загрузки, возможность применения повышенных частот вращения.
Реализация отмеченных подходов - ресурсосберегающая мельница принудительного измельчения. Рост полезной мощности мельницы - за счет размещения внутри вращающегося барабана подвижного интенсификатора. Преимущества мельницы - в возможности работы с обычными и повышенными (сверхкритически-ми) частотами вращения, принудительном усилении поперечной сегрегации и перенесении энергии измельчения во внутренние слои внутримельничной загрузки. Разрушение в мельнице - раздавливанием, стиранием, ударом и скалыванием. Мельница работает без и с использованием дробящих тел, в мокром и сухом режиме помола.
При измельчении сухим способом материалов достигнуто существенной экономии электроэнергии. Так сухое принудительное шаровое измельчение талька в мельнице мощностью 30 кВт с частотой вращения 1,75 от критической дало возможность получить удельный расход электроэнергии по готовому классу 17,6 кВт-ч/т (у традиционной шаровой мельницы они 36,6 кВт-ч/т, а объем барабана - в 6 раз больший). Принудительное шаровое измельчение в этой мельнице с целью получения графита для потребностей электротехнической промышленности дало удельный расход энергии 322 кВт-ч/т (при традиционном измельчении в мельнице типа “Фу-лер” зарубежного производства они превышают 1500 кВт-ч/т, то есть почти в пять раз). При сухом принудительном шаровом измельчении дробленного диопсида энергозатраты снижаются практически втрое. Повышение давления на загрузку барабана действующей модели угольной шаровой мельницы пылеприготовления для тепловой электростанции повысило производительность и уменьшило энергетический расход вдвое.
Для оценки эффективности использования новой мельницы при измельчении железорудных материалов произведены ее испытания в режиме помола железорудных материалов ОАО «Ингулецкий ГОК». Сравнение гранулометрических составов продуктов измельчения мельницы принудительного самоизмельчения и шарового помола на РОФ-1 свидетельствует о том, что при близком содержании железа в концентрате и практически одинаковом гранулометрическом составе концентратов крупность помола исходной руды существенно отличается (61,46% класса минус 50 мкм при принудительном и 80,11% при шаровом измельчении). Существенно отличаются по гранулометрическому составу и хвосты магнитной сепарации продуктов принудительного самоизмельчения и шарового помола - 61,97 и 68,9% класса минус 50 мкм соответственно. Сделан вывод о более высокой селективности раскрытия магнетитовых зерен при принудительном само-измельчении, поскольку более высокое качество концентрата достигнуто при более грубом помоле. При этом гранулометрический состав магнитной фракции (концентрата) близок, а немагнитная фракция (хвосты) в меньшей степени измельчается при принудительном само-измельчении. Установлено, что при достижении идентичных показателей обогащения при принудительном самоизмельчении по сравнению с измельчением в шаровых мельницах следует ожидать снижения удельных энергозатрат около 23,3%. При использовании одностадиального принудительного самоизмельчения содержание железа в концентрате выше на 0,85%, а выход концентрата выше на 1,08%. В результате сделан вывод об одинаковой эффективности обогащения проб руды, подготовленных к обогащению с помощью одностадиального принудительного измельчения и трехстадиального шарового измельчения на РОФ-1. Таким образом, принудительное самоизмельче-ние имеет важные преимущества по сравнению с традиционным стадиальным измельчением в шаровых мельницах, состоящие в том, что даже при одностадиальном помоле возможно получение более качественных концентратов при более грубом помоле исходной руды.
Общий вид экспериментального образца мельницы МПС(Р)-1500х900
Сделан вывод, что одностадиальное принудительное самоизмельче-ние, позволяющее достичь показателей обогащения таких же и даже более высоких по сравнению с показателями РОФ-1, позволит использовать более короткую, малооперационную технологическую схему и снизит расходы на измельчение порядка 20%, что существенно снизит себестоимость передела и уменьшит себестоимость концентрата.
По результатам испытаний ОАО «Ингулецкий ГОК» принято решение изготовить и испытать экспериментальный образец мельницы принудительного самоизмельчения МПС(Р)-1500х900 с производительностью до 5.8 т/ч по исходной руде крупностью минус 30 мм. Согласно разработанного Национальным горным университетом проекта технического задания общий вид экспериментального образца мельницы приведен на рисунке. Мельница снабжена загрузочным устройством в виде воронки и разгрузочным устройством в виде бутары, имеет групповой привод вращающихся рабочих поверхностей. Для согласования скоростей их вращения использован редуктор. Основной и вспомогательный приводы барабана соединены между собой при помощи промвала и упругих муфт.
Для оценки преимуществ от использования на предприятиях крупных образцов мельниц нового типа разработаны технические задания на их создание с привязкой к существующим фундаментам заменяемых мельниц. Так, ожидаемый экономический эффект от реконструкции сек-
ции шарового помола РОФ-1 ОАО «Ингулецкий ГОК» путем замены 2-х мельниц МШР-3600х4000 первой стадии и 2-х мельниц МШЦ-3600х5500 второй и третьей стадии на две мельницы принудительного самоизмель-чения МПС(Р)-3600х3200 составит $ 2,6 млн при сроке окупаемости 2 года. При реконструкции секции самоизмельчения этого предприятия путем замены во второй стадии доизмельчения промпродуктов 2-х рудногалечных мельниц МГР-4000х7500 на одну мельницу МПС(Р)-3600х3100 годовой экономический эффект составит $ 0,83 млн при сроке окупаемости 3,7 года. Использование на ОАО «Михайловский ГОК» мельницы МПС(Р)-3600х3100, адаптированной к фундаментам заменяемой мельницы МШРГУ-4500х6000, даст годовой экономический эффект $ 1 млн при окупаемости 1,5 года.
Приведенные данные свидетельствуют о целесообразности промышленного освоения мельниц принудительного самоизмельчения с повышенной экономией энергетических и материальных расходов в процессах измельчения. Перспективные сферы применения предлагаемых технологии и мельниц: черная и цветная металлургия, строительная промышленность, электроэнергетика, получение угольной пыли, материалов повышенной белизны, лещадности и дисперсности, в химической, электротехнической и других отраслях. У новых мельниц удельный расход энергии меньше на 10. 30% и больше, а экономия футеровок - до 50.75%, причем при измельчении кусковых материалов использовании шаров нет необходимости. При наличии данных опросного формуляра, технологической схемы измельчения и чертежей существующих фундаментов Национальный горный университет по заказу предприятия готов разработать техникоэкономическое обоснование и техническое задание на создание мельниц МПС(Р), предназначенных для замены мельниц секций шарового и рудногалечного помола, обеспечить авторское сопровождение работ по проектированию, изготовлению и испытаниям мельниц нового типа. Разработка не имеет аналогов в мире.
Заключение
Современное состояние на комбинатах ГМК свидетельствует о неоправданных расходах электроэнергии и материальных ресурсов при измельчении рудных и нерудных материалов. Фактически для крупных предприятий существует реальная опасность потерять конкурентоспособность своей продукции на мировом рынке. В тоже время для используемых сегодня традиционных барабанных мельниц еще существуют определенные возможности снижения удельного
расхода электроэнергии средствами электропривода, модернизацией конструкции и более рациональными режимами эксплуатации. Значительной экономии можно достичь улучшением технологии измельчения, в том числе путем использования «квадратного» профиля футеровки барабанов, энергонапряженных валковых дробилок с поочередным сверхдавлением на сырье в разных направлениях, оптимизацией скорости вращения мельниц. Остро стоит проблема разработки и внедрения в промышленность новых технологий измельчения и мельниц. Поэтому на сегодня и в ближайшей перспективе производители и потребители измельчительной техники должны разрабатывать новое ресурсосберегающее оборудование для замены устаревшего или отслужившего свой срок. Именно это направление должно стать приоритетным, что в перспективе позволит повышать объемы производства и прибыль предприятий машиностроительного и горнометаллургического комплексов. Одно из перспективных решений этой проблемы - использование ресурсосберегающей технологии принудительного самоизмельчения и мельниц для ее практического использования в промышленности, которые обеспечат экономию электроэнергии и массы мельниц на уровне 10.30%, а на отдельных направлениях - и больше. Одновременно уменьшается на 50.75% расход футеровок, исчезает необходимость в использовании шаров. За счет их исключения и меньших размеров новых мельниц снижается уровень шумов и вибраций, стоимость приводных двигателей, транспортных перевозок и др. При этом снижается количество стадий дробления, а количество стадий измельчения сокращается с трех до одной, уменьшаются площади производственных помещений и масса фундаментов.
--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Von Seebach Michael, Ranze Wilgelm. Design concepts and efficiency of mechanical and wrap-around mill drivers // 29th IEEE Gem. Ind. Techn. Conf., San Francisco, Calif., May 25-26, 1987. Rec. Conf. Par. New York. - 1987, №4. - P. 53-82.
2. Harris C., Arbitor N. Grinding mill scale-up problems // Mining Eng/ (USA).
- 1982/-34, №1. - P. 43-46.
3. Гомілко В.С. До визначення узагальнених параметрів математичної моделі синхронних двигунів // Тр. междунар. науч.-практ. конф. «ХХІ столетие -проблемы и перспективы освоения месторождений полезных ископаемых». -Днепропетровск, 1998. - №3, том 6. - С. 250-255. - (Тр. НГА Украины).
4. Петелин Д.П. Автоматическое управление синхронными электроприводами. - М.: Энергия, 1968. - 192 с.
5. ДонченкоА.С., ДонченкоВ.А. Справочник механика рудообогатительной фабрики. - М.: Машиностроение, 1975. - 796 с.
6. КрюковД.К. Футеровки шаровых мельниц. - М.: Машиностроение, 1965.
- 183 с.
7. Mill modifications for Codelko-Chile // Mining J. - 1984. - 302, №7757. -P. 263.
8. Крюков Д.К. Усовершенствование размольного оборудования горнообогатительных предприятий. - М.: Недра, 1966. - 173 с.
9. Cochet F., Paliard M. Rollers press for finish grinding // CIM. Betons platres. Chaux. -1989, - №4. - P. 234-235.
10. Tower mills: instellations for finel utsafine grinding // Mining Mag. - 1992. -166, №2. -Р. 102.
11. Шинкоренко С.Ф. Технология измельчения руд черных металлов. М.: Недра. - 1982. -210 с. шгЛ
Pivnyak G.G., Kirichenko V.I., Pilov P.I., Kirichenko V. V.
THE WAYS TO INCREASE THE COMPATIBILITY OF MINING AND METALLURGICAL ENTERPRISES
Perspective decisions are resulted in the direction in direction of economy of financial and power resources in the processes of grinding down of minerals. The ways of improvement of electric drive of rattlejacks are offered with synchronous engines.
Key words: Mining and metallurgical enterprise, drum mills, exploitation costs, energy saving.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------
Пивняк Г.Г. - академик Национальной академии наук Украины, ректор, заведующий кафедры систем электроснабжения, доктор технических наук, профессор, E-mail: rector@nmu.org.ua, nmu@.org.ua;
http://www.nmu.org.ua
Кириченко В.И. - профессор кафедры электропривода, доктор технических наук, профессор, E-mail: ViKirichenko@nmu.org.ua Пилов П.И. - 1-й проректор, заведующий кафедрой обогащения полезных ископаемых, доктор технических наук, профессор, E-mail: nmu@.org.ua; http://www.nmu.org.ua
Кириченко В.В. - доцент кафедры систем электроснабжения, кандидат технических наук, nmu@.org.ua; http ://www.nmu.org.ua
