Обоснование применения роторных дробилок для производства щебня из скальной вскрыши Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Т.И. Юшина, A.B. Кукин, 2012

УЛК 622.7

Т.И. Юшина, A.B. Кукин

ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ РОТОРНЫХ ДРОБИЛОК ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЩЕБНЯ ИЗ СКАЛЬНОЙ ВСКРЫШИ

Изложена информация по обоснованию применения роторных дробилок для производства щебня из вскрышных пород карьера ОАО «Лебединского горнообогатительного комбината».

Ключевые слова: рациональное использование ресурсов, щебень, вскрышные породы, оптимизация параметров технологии, дробление, роторная дробилка.

В настоящее время в строительной промышленности Российской Федерации выпускается около 150 млн. м щебня в год, причем наибольший объем занимает производство щебня, главным образом из скальных изверженных пород. При производстве щебня примерно 50 млн м3 отходов (отсевы менее 5 мм.) ежегодно складируются на промпло-щадках дробильно-сортировочных заводов, занимая огромные площади. Только за счет повышения требований к форме зерен объем текущих отходов возрастает на 7-15 % в год. За годы своего существования в России более 3000 предприятий по производству нерудных строительных материалов уже накопили десятки миллионов кубометров отходов, занимающих значительные площади плодородных земель, которые невозможно рекультивировать.

Современные условия добычи минерального сырья обусловливают необходимость комплексного и рационального использования минеральных ресурсов. В регионе Курской Магнитной Аномалии (КМА), характеризующимся наличием высокоплодородных почв, сложилась напряженная

ситуация со складированием вскрышных пород и хвостов обогащения из-за дефицита земельных площадей. При добыче железной руды разрабатывают миллионы кубических метров вскрышных горных пород, пригодных для приготовления щебня. Эффективная подготовка вскрышных пород с требуемыми технологическими характеристиками - залог возможности производства и реализация этого вида товарной продукции, в частности для строительной и дорожно-строительной индустрии. Такое направление деятельности горнодобывающих

предприятий, позволяет снизить затраты на отвалообразование, рекультивацию земель, повысить эффективность производства и использования ресурсов недр.

Примером успешной реализации данного вида деятельности является крупнейшее железорудное предприятие РФ - ОАО «Лебединский горнообогатительный комбинат» (фото 1, таблица). Скальная вскрыша отрабатывается в объеме 10,2 млн м3 в год, из них рационально используется для производства щебня лишь 1,6 млн м3 и 0,31 млн м3 для внутренних нужд карьера. Остальной объем скальной

Таблица 1

Сводные показатели объемов добычи пород на месторождении ОАО «Лебединский горно-обогатительный комбинат»

Объемы добычи по годам, тыс. м3

Добыча

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

Объем горной массы 18,04 17,38 17,82 18,37 18,04 18,48 18,7

Объем вскрышных 9,84 9,48 9,72 10,02 9,84 10,08 10,2

пород

Объем руды 8,2 7,9 8,1 8,35 8,2 8,4 8,5

Объем песков 0,49 0,47 0,49 0,5 0,49 0,5 0,51

Объем мела 0,3 0,28 0,29 0,3 0,3 0,3 0,31

Объем щебня 0,7 0,7 0,6 0,8 1,3 1,6 1,6

Фото 1

вскрыши складируется в отвал. Одной из причин такого подхода, является стоимость производства щебня, так как на предприятии установлен энергоемкий комплекс, и стоимость переработки вскрышных пород, при рыночной стоимости готовой продукции не обеспечивает приемлемую для инвесторов величину прибыли.

В этой связи следует сказать несколько слов о качестве исходного сырья (породы) и получаемого из нее щебня. Вначале критерием оценки являлась величина плотности - не менее 2700 кг/м3. Однако это свойство может служить критерием качества лишь однородного материала, в частности, кристаллических сланцев. Сланцы, содержащие примесь более тяжелой породы, например, малорудных кварцитов, или смесь пород с весьма высоким содержанием примесей (полувыветрелых и выветрелых сланцев), могут иметь нормативную

плотность. В связи с этим, в отдельных случаях, щебень, соответствующий вышеуказанным техническим условиям, содержит повышенное количество вредных примесей. Это приводило к использованию в дорожном строительстве щебня из выветрелых, окисленных и полуокисленных разновидностей горных пород с низкой морозостойкостью, обладающих неудовлетворительным сцеплением с органическими вяжущими. Вырубки из дорожной одежды автодороги Прохоровка - Скородное в 1986 году показали наличие в щебеночном основании до 30 % каменного материала, разложившегося на мелкие пластинки под влиянием увлажнения, что привело к отдельным разрушениям покрытия. Из-за старения битума и неудовлетворительного сцепления его со щебнем асфальтобетон через три года эксплуатации имел значительное снижение физико-механических

свойств по сравнению с первоначальными. Появились выбоины, трещины и другие дефекты. Исследование вырубок показало, что водонасыщение асфальтобетона возросло с 1,8 до 4,2 %, а предел прочности на сжатие при температуре +50 °С изменился с 1,3 до 2,5 МПа, что свидетельствует об интенсивном процессе старения би-

тума, выразившемся в повышении хрупкости и отслаивании его пленки от минерального материала. Наличие в щебне вредных примесей сверхдо-пускаемого предела отрицательно влияет на долговечность дорожного покрытия. Следовательно, плотность не может служить адекватной характеристикой качества попутно-добы-ваемых скальных пород бассейна КМА и получаемых из них минеральных материалов

При строительстве автомобильных дорог важным критерием, определяющим надежность их работы, является качество щебня, используемого в конструктивных слоях дорожной одежды. До 2010 г. дорожникам необходимо около 10 млн м3 кубовидного щебня для отсыпки верхнего слоя дорог.

Практически весь щебень, используемый в дорожном строительстве, получается путем дробления горных пород на специализированном оборудовании, объединенном единым понятием - дробилки. Под этим единым названием подразумеваются машины, принцип действия которых отличается по существу. Единственно, что их объединяет, - это функциональное назначение - превратить фрагмент карьерного камня в полезный для строительства продукт.

Различают три базовых типа дробилок, и в основании этих различий лежат три типа воздействия рабочего дробящего органа на обрабатываемый материал.

Появившаяся по хронологии первой щековая дробилка использует эффект раздавливания материала между двумя поверхностями при сравнительно медленном нарастании давления. Конусная дробилка использует и истирание, и сжатие материала между двумя движущимися поверхностями. В дробилке ударного действия

(и в первую очередь роторная дробилка, появившаяся в середине XX века) материал измельчается путем ударов: либо по куску материала, лежащему на поверхности, либо ударом быстро движущейся детали (до 70 м/сек.) по куску материала, либо ударом куска материала, движущегося с большой скоростью, о неподвижную плиту. Надо отметить, что щековые и роторные дробилки, обеспечивающих в сумме около 80 % всего мирового производства щебня.

Основными параметрами, характеризующими щековую дробилку, являются максимальные размеры загрузочного и разгрузочного отверстий. Шириной загрузочного отверстия определяется наибольший размер загружаемых кусков материала. Размер максимального куска принимается равным 0,8-0,85 ширины загрузочного отверстия. От равномерности подачи материала и равномерности распределения его по длине загрузочного отверстия зависит производительность дробилки.

Все существующие типы щековых дробилок делятся по характеру движения подвижной щеки на два больших класса - на дробилки с простым или сложным качанием. Дробилки со сложным качанием щеки обеспечивают дробление материала не только за счет сжатия, но и за счет его истирания между обжимающими поверхностями, так как величина вертикальной составляющей хода щеки в этих дробилках существенно выше. Однако ценой этого повышения эффективности является снижение срока службы защитных футеровок за счет повышенного износа их материала.

Конусная дробилка предназначена для дробления прочных и высокопрочных горных пород на различных стадиях дробления, классифицируется по средней крупности дробления

(КСД), мелкой крупности дробления (КМД) и выполняет операцию грубого дробления (Гр).

Конусная дробилка применяется в основном на горно-обогатительных предприятиях по переработке руд, в частности, при переработке железных руд, а также при добыче рудного золота, и могут устанавливаться в автоматизированные технологические линии. Также различают конусные инерционные дробилки, например КИЛ 1200.

Как показывает опыт работы конусных дробилок дробилок КИЛ на различных материалах при переменных значениях статического момента дебаланса, его оборотах и разгрузочных щелях, их преимущества в сравнении с эксцентриковыми конусными дробилками заключаются в следующем:

• степень дробления регулируется в открытом цикле до 8-10 (против 4-5 в эксцентриковых конусных дробилках);

• при росте разгрузочной щели в процессе износа броней крупность продукта практически не меняется благодаря росту дробящей силы конуса за счет возрастания его амплитуды.

• можно добиваться минимума переизмельчения по заданному классу крупности;

• форма частиц в продукте имеет преимущественно кубовидную форму, достигая в некоторых случаях уровня 90 %;

• пуск и остановка дробилки осуществляется под нагрузкой, при этом упрощается её автоматизация;

• КИЛ не требует дозирующих устройств;

Недостатком КИЛ может являться только то, что она не может выступать самостоятельным дробильным агрегатом на производстве щебня из скальной вскрыши, так как обладает не

достаточной производительной мощ-ностью( до 380 куб. м в час) и размер максимального куска, который может принять эта дробилка, не превышает 150 мм.

По конструктивным признакам все существующие дробилки ударного действия разделяются на следующие типы: молотковая дробилка с шар-нирно-подвешенными молотками и роторная дробилка с жестко закрепленными билами.

Лля производства товарного щебня из горных пород преимущественно используется роторная дробилка, так как колосниковые решетки молотковых дробилок не позволяют обеспечить надежной работы с материалом средней и высокой прочности.

Все типы дробилок широко применяются на производстве как в комплексе и как самостоятельные дробильные агрегаты (роторные дробилки). В настоящее время на ОАО «Лебединский ГОК» используется трех-стадийное производство щебня (ще-ковая дробилка - конусная (КСЛ- конусная (КМЛ), а то очень энергоёмкий энергоемкий комплекс, и стоимость переработки вскрышных пород, при нынешней рыночной стоимости готовой продукции не обеспечивает приемлемую для инвесторов величину прибыли. Также известно, что щеко-вые и конусные дробилки не могут обеспечить высокое качество щебня (кубизацию) и обладают высокой ле-щадностью, тем самым роторная дробилка может обеспечить кубизацию щебня до 98 % и может производить щебень в одну стадию, что обеспечит минимум суммарных затрат на производство.

Рассмотрим реальный современный рынок дробильного оборудования, предназначенного для высокопроизводительного получения товарного щебня.

Рис. 1. График гранулометрического состава готового материала после дробления в шековой дробилке

Рис. 2. График гранулометрического состава готового материала после дробления в роторной дробилке

Уместно начать с базового отечественного производителя дробилок -ОАО «Дробмаш». Отмечающее в 2003 году свое 70-летие, это предприятие практически вышло из кризисной ситуации середины 90-х годов и в настоящее время является основным поставщиком дробильного оборудования для строительной отрасли и смежных производств. На заводе выпускаются все известные типы стационарного оборудования для получения товарного щебня.

Прежде всего, выигрышной по сравнению с западными конкурентами особенностью нынешнего произ-

водства является наличие высококачественных сталей для истираемых поверхностей дробилок - футеровок, бил, молотков и пр. Эти стали, как и ранее, производятся с содержанием марганца, обеспечивающим исключительное сопротивление истиранию при дроблении. В силу ряда экологических положений, влияющих на экономику стран Евросоюза, на его территории запрещено с середины 90-х годов производство марганцовистых сталей. Таким образом, европейские производители вынуждены были перейти при производстве дробящих элементов на использование ванадиевых сплавов, обладающих худшими характеристиками по износу.

Роторная дробилка имеет наглядное преимущество по степени измельчения, которое выявляется при сравнении предыдущего графика с рис. 2, графиком зернового состава продукта дробления роторных дробилок. Скорость бил до 41,5 м/сек. позволяет обеспечить степень измельчения до 7-8 единиц при дроблении прочных известняков. Такая энергетическая эффективность, верно, имеет и свою оборотную сторону - производство чрезмерного количества отсевов (0-5 мм). Однако это компенсируется высоким выходом кубооб-разных зерен, обеспечивающих высокие потребительские качества товарного щебня.

Рис. 3. График зависимостей суммарных удельных капитальных затрат при использовании традиционной схемы производства щебня (трёхстадийной) и предлагаемой схемой (с применением роторной дробилки)

120,00

100,00

80,00

е- бо.оо

40,00

20,00

0,00

у = т ХГ2ТО Уо !-<

к--1

0,2607 Х2-3,1 17х + е 9,911

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 300 Й50 900 950

Размер средневзвешенного куска пород, мм

-Удельные капитальные затраты прл трехстадийном производстве щебня варианте производств£нного комплечеэ

Удельные капитальные затраты прл исследуемом ваоиа нте комплекса

Лробление с более высокими скоростями в роторной дробилке (для щебня скорость составляет 56-64 м/сек.) позволяет увеличить не только степень дробления, но и качество получаемого щебня. Так, при дроблении гранитов кубовидность составляет 93-98 %, а при переработке материалов со сланцевидной структурой (геллефлинты, базальты) - 89-93 %. Причем форма зерна сохраняется по всем фракциям, включая мелкие, что позволяет использовать отсевы в качестве искусственного песка.

Единственными минусами роторной дробилки могут быть высокая степень выхода мелких фракций до 5

мм (в среднем 30 %) и большой износ бил. Но начиная с 2009 г. спрос на мелкую фракцию до 5 мм вырос в 10 раз, а средняя цена составляет 120 рублей за тонну и по сравнению с 2005 г. выросла в 9 раз, что приводит уже к плюсу , а не минусу применения роторной дробилки. Что же касается износа бил, в себестоимости продукции, затраты на износ бил составляют 3-4 копейки на тонну. Если рассмотреть современные роторные дробилки, то они оснащены двумя отбойными плитами с гидравлической регулировкой и ротором с четырьмя рядами ударных бил. Следящая система регулировки выходной щели

Рис. 4. График зависимостей суммарных удельных эксплуатационных затрат при использовании традиционной схемы производства шебня (трёхстадийной) и предлагаемой схемой (с применением роторной дробилки)

дробилки обеспечивает плавную установку отбойных плит в процессе работы, что сохраняет постоянным и оптимальным гранулометрический состав продукта, позволяет избежать дорогостоящих простоев и сократить до минимума износ бил. После начала эксплуатации наблюдается износ бил в центральной части ротора, и почти не истираются по бокам. Поэтому, после того, как за счет изменения длины тяг отбойных плит исчерпана возможность контроля за шириной разгрузочной щели, два била меняют местами, и еще неизношенная часть бил оказывается в центре ротора.

После истирания и этих частей била переворачивают относительно своей продольной оси. Так как бруски бил выполнены асимметричными, то это позволяет практически использовать металл бил не менее 38-40 %.

Анализ вариантов повышения качества товарной продукции показал, что при использовании существующей технологической схемы производства щебня на ОАО «Лебединский ГОК», снизить процент лещадности возможно за счет дополнительной стадии ку-бизации, что приводит к увеличению выхода объемов отсева с 30 до 50 %, эксплуатационных затрат на 15-25 %,

Рис. 5. Период окупаемости (РР) проекта с момента запуска предприятия или выхода на проектную мощность по товарной продукции

но вместе с этим снижает процент лешадности с 35 до 12 %. С целью оптимизации сушествуюшей технологической схемы производства шебня в данных условиях, в качестве альтернативного варианта -роторных дробилок, основного и единственного дробильного оборудования, так как при аналогичных условиях выхода отсева и лешад-ных зерен, эксплуатационные затраты на 30-70 % ниже, чем у су-шествуюшего дробильного комплекса. При производительности 770 т/ч роторной дробилкой эко-

номический эффект по сравнению с сушествуюшей технологией составляет в условиях одинакового объема товарной продукции и отпускной цены по всем показателям составит 22-35 %, срок окупаемости инвестиций будет меньше как минимум на 25-50 %.

Базовый вариант: Себестоимость тонны продукции - 272,7 рублей (р); средняя цена - 370 р/т; чистая прибыль - 31 р/т. Проектный вариант: себестоимость тонны продукции -222,2 р; средняя цена - 370 р/т; чистая прибыль - 69,5 р/т.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Обзор рынка щебня и сырьевой базы для его производства в России. Аналитический отчет Info Mine декабрь 2008.

2. Лопатников М.И. Сырьевая база производства нерудных строительных материалов Российской Федерации. Строительные материалы, №8/2006.

3. Харо О.Е. Левкова Н.С. и др. Номенклатура нерудных строительных материалов и перспективы ее расширения. Строительные материалы, №12/2005.

4. Маркетинговое исследование рынка нерудных материалов в России под влиянием кризиса: текущее состояние и перспективы развития, агентство DISCOVERY Research Group, 10.03.2009.

5. ТУ-218 РСФСР 511-84 «Щебень строительный из скальных вмещающих пород Лебединского месторождения КМА».

6. ТУ-14-205-06-86 «Щебень строительный из кристаллических сланцев Лебединского ГОКа».

7.Андреев С.Е., Петров В.А., Зверевич В.В. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. - М.: Недра , 1980.

8. Справочник по обогащению руд. Основные и вспомогательные процессы /под редакцией О.С. Богданова, В.А. Олевского. - М.: Недра, 1984.

9. Роторные дробилки / Под общей редакцией В.А. Баумана и др. - М.: Машиностроение ,1973.

10. Лукянов Н.А. Режим работы и методика расчёта зернового состава продукта дробления однороторных дробилок средне-

го и мелкого дробления: Автор диссертации Лукьянов Н.А. к.т.н. - М., 1977.

11. Кононенко Е.А. Измельчение вскрышных пород в роторной дробилке агрегата АДП-400 в статье «Добыча угля открытым способом». - М.., ЦНИЭИУголь, №4, 1978.

12. Бриджмен П.В. Анализ размерностей. - Перевод со 2-го английского издания. - М.: Гостехиздат, 1934.

13. Антонов В.И., Арбузов А.П., Кузнецов В.Н., Лукьянов H.A., Фомин А.И. К оптимизации процесса дробления в роторных дробилках.- В книге : Механизация технологических процессов в промышленности строительных материалов. М., 1974, №5.

14. Вайсберг Л.А, Загоранский Л.П., Туркин В.Я. Вибрационные дробилки, - СП, 2004.

15. Арсентьев В.А., Вайсберг Л.А., За-горатский Л.П., Шулояков А.Д. Производство кубовидного щебня и строительного песка с использованием вибрационных дробилок. - СП, 2004.

16. Кукин А.В. Принципы оптимизации параметров технологии разработки вскрышной породы с учётом последующего её дробления на щебень // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009.- №1.

17. Кононенко Е.А, Кукин А.В. Оптимизация параметров технологии производства щебня из вскрышных пород в условиях Лебединского горно-обогатительного комбината// Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011. - №12. и'.ца

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ-

Юшина Татьяна Ивановна - кандидат технических наук , доцент, kafopi@msmu.ru Кукин Алексей Владимирович - аспирант, kukin84@mail.ru Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru