CC BY
124
© А.Ф. Усов А.Ф., В.А. Цукерман, 2002
УДК 622.026.01
А.Ф. Усов А.Ф., В.А. Цукерман
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ СПОСОБОВ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД И РУД
Р
астущее производство топлива, черных, цветных и редких металлов, неметаллорудных материалов, являющихся основой для развития современной промышленности, требуют увеличения объемов добычи и обогащения полезных ископаемых. Вместе с неметаллорудными, строительными материалами и горнохимическим сырьем объем добычи и переработки полезных ископаемых в мире составляет несколько миллиардов тонн в год.
Переработка большинства добываемой горной массы означает дробление и измельчение ее, как подготовительного процесса к непосредственному обогащению. Указанные процессы являются весьма дорогостоящими операциями и достигает 50 %, а в некоторых случаях 70 % от всех затрат на обогатительных фабриках. Большое значение для последующих технологических операций имеет качества дробления и измельчения, предполагающее получение продукта заданной крупности без пе-реизмельчения с максимальным освобождением зерен полезных минералов от пустой породы при минимальной их повреждаемости. Требования увеличения количества перерабатываемых горных пород и руд при улучшении качественных показателей переработки (повышение степени извлечения) ставят весьма актуальные задачи, направленные на рационализацию и удешевление процессов дробления и измельчения. Кардинальное решение проблем комплексного использования минерального сырья, повышения полноты извлечения полезных минералов может быть достигнуто на базе новых способов дробления и измельчения, отличающихся повышенной
избирательностью разрушения, высокой селективностью раскрытия минералов.
В настоящее время основные направления технического прогресса в области дробления и измельчения горных пород и руд следующие:
а) усовершенствование существующей и разработка новой техники и технологических процессов;
б) изыскание принципиально новых способов разрушения, исследование и разработка на их основе принципиально новых видов техники и технологии.
Первое направление предполагает поиск способов повышение КПД разрушения и повышения удельной производительности и сводится к усовершенствованию существующих и созданию новых машин (дробилок, мельниц) повышенной производительности за счет увеличения подводимой удельной и общей мощности, увеличения размеров оборудования, интенсификации режимов работы, применения более качественных и стойких материалов и других конструктивных мероприятий.
К настоящему времени механические способы и оборудование, работающее на этих принципах разрушения в достаточной степени теоретически исследовано и конструктивно отработано, поэтому здесь глубоко качественных улучшений ожидать не приходится. Дальнейшая интенсификация процессов связана с резким повышением энергозатрат, металлоемкости конструкций, использованием дорогих высококачественных сталей и сплавов наряду с непропорционально малым ростом технико-экономических показателей.
Механические способы дробления и измельчения, техника и технология, основанная на них, обладают многими существенными недостатками:
1) в них реализуется физический принцип разрушения горных пород
механическими напряжениями сжатия, сопротивляемость которым для горных пород в 10-30 раз больше, чем напряжения разрыва. Поэтому КПД механического разрушения остается низким. Реализация принципа разрушения с использованием напряжений разрыва в механических устройствах невозможна;
2) подводимая электрическая энергия многократно трансформируется в механическую в редукторах и передачах с потерями, значительная часть энергии теряется на взаимные соударения мелющих тел (шаров) между собой и по футеровке;
3) значительная часть зерен полезного компонента остается в сростках с пустой породой или, наоборот, переизмельчается. Наличие недоиз-мельченного или переизмельченного продуктов разрушения усложняет дальнейшую технологию обогащения, значительная часть их не извлекается и теряется со шламами в хвостах, снижая тем самым степень извлечения;
4) продукты измельчения загрязняются металлическими примесями частиц от мелющих тел футеровки, что требует дополнительных операций очистки;
5) технико-экономические показатели дробления измельчения в значительной степени зависят от твердости и абразивности разрушаемых горных пород и руд.
Основные требования к эффективному способу дробления и измельчения в настоящее время понимаются так:
1) производить разрушение за счет усилий разрыва;
2) использовать импульсный характер воздействия;
3) устранять ограничения, обуславливаемые стойкостью рабочего органа;
4) исключать или значительно уменьшать число промежуточных преобразований энергии;
Таблица 1
УДЕЛЬНЫЕ ЗАТРАТЫ ЭНЕРГИИ ПРИ ИЗМЕЛЬЧЕНИИ РАЗЛИЧНЫМИ СПОСОБАМИ
(РУДА ШЕРЛОВОГОРСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ; ИСХОДНАЯ КРУПНОСТЬ - 30 мм, КОНЕЧНАЯ - 2 мм)
№ им Способ измельчения Установка Производительность, кг/час Удельный расход энергии, кВт.ч/т
1. Электроимпульсный ЭИ установка 100 13,1
2. Механический Лабораторная центробежная мельница 150 11,7
3. Механический Лабораторная стержневая мельница 85 12,6
4. Электрогидравлический Установка ВостНИГРИ 100 117,2
5) добиваться эффективной управляемости и направленности разрушения.
Многим критериям эффективного способа разрушения горных пород и руд отвечает электроимпульсных способ, использующий для разрушения твердых диэлектрических и полупроводящих материалов энергию импульсного электрического разряда при их непосредственном электрическом пробое [1, 2]. В детальной разработке физических основ способа и его технологических приложений участвовали многочисленные коллективы исследователей Томского и Карагандинского политехнических институтов, института «Механобр», Кольского научного центра РАН. Отдельные стороны проблемы ранее обсуждались на страницах настоящего журнала [3-5]. В настоящей работе по материалам исследований, обобщенных авторами в [6], приводятся некоторые данные о сопоставлении различных способов дезинтеграции материалов. Сравнения касались энергетических характеристик измельчения руд, гранулометрического состава продукта измельчения, эффективности раскрытия зерен полезных минералов и конеч- Таблица 2 ных технологических показателей обогащения руд.
Энергетические характеристики измельчения руд различными способами
Для сопоставления энергетических затрат при различных способах измельчения были поставлены специальные опыты на установках с одинаковой производительностью на одном материале (руда Шерловогорского месторождения) в оптимальных режимах до одинаковой крупности готового продукта. В качестве оптимального режима для электроимпульсной установки принят режим с и = 180
кВ, Шо = 220 Дж, величина компенсирующей емкости С„=0,0025х10'6 мкФ, что позволило получить значение энергоемкости разрушения 13.1 кВт-ч/т.
Результаты сравнительных испытаний, представленные в табл. 1, показывают, что для электроимпульсной установки, лабораторной стержневой и центробежной мельниц затраты энергии сопоставимы, а на электро-гидравлической установке затраты энергии на порядок выше. Проведена количественная оценка удельных затрат энергии на единицу новой поверхности при электроимпульсном разрушении образцов руд и полученные данные (табл. 2) сопоставлены с механическим измельчением.
Для сопоставления были взяты систематизированные Г. Румфом результаты ряда работ по КПД измельчения кварца на промышленных механических дробилках и представленные зависимостью КПД измельчения в функции степени измельчения (удельной новой поверхности). Для принятой удельной свободной энергии ю = 10-4 Дж/см2 КПД измельчения кварца составил
ФАКТИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ПО УДЕЛЬНОМУ РАСХОДУ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПРИ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЙ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ (РУДЫ СОЛНЕЧНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ)
0.03-1 % при тонине помола, оцененной по удельной внешней поверхности Q = l02-5 -104 см-1. Аппроксимация этих данных на область элек-троимпульсного измельчения (Q = 1-50 см-1) в соответствии с «законом измельчения» Бонда, дает г = =0.002-0.05 %. Полученные экспериментальные результаты электроим-пульсного измельчения показывают, что удельные энергозатраты при электроимпульсном измельчении в указанной области Q не ниже, чем при механическом [4].
Возможности электроимпульсной технологии в аспекте снижения удельных энергозатрат реализованы еще не полностью. В специальных исследованиях энергораспределения по стадиям процесса электроимпульсного
Толщина образцов, мм Энергия импульса, Дж Энергия, выделившаяся в ка-нале разряда, Дж Средняя величина вновь образованной поверхности, см2 Затраты энергии на вновь образованную поверхность, Дж/см2
20.53 130.5 107.2 177.5 0.605
20.78 168.3 111.26 260.0 0.426
21.11 217.0 126.9 180.0 0.450
21.52 244.0 149.5 317.0 0.421
19.99 279.0 169.3 414.0 0.410
35.55 220.0 102.17 517.0 0.197
36.0 244.0 202.0 517.0 0.34
36.0 279.5 232.0 725.0 0.308
28.2 168.3 115.86 170.0 0.680
27.52 220.0 107.7 385.0 0.278
26.6 244.0 131.0 243.5 0.540
27.4 279.5 140.0 158.8 0.884
Таблица 3
РЕЗУЛЬТАТЫ ОБОГАЩЕНИЯ ШЕРЛОВОГОРСКОЙ РУДЫ, ИЗМЕЛЬЧЕННОЙ РАЗЛИЧНЫМИ СПОСОБАМИ (ПОКАЗАТЕЛИ ПО ОЛОВУ)
Продукты Электроимпульсная установка Лабораторная стержневая мельница Центробежная мельница
выход % содержание олова % извлечение олова % выход % содержание олова % извлечение олова % выход % содержание олова % извле-чение олова %
Концентраты 1 стадии
2,0-0,5 мм 0,61 0,41 7,85 0,42 2,16 9,06 0,51 1,95 9,00
0,5-0,2 мм 0,32 4,27 12,31 0,39 5,60 21,79 0,43 2,97 11,73
0,2-0,04 мм 0,24 10,08 22,08 0,20 6,71 13,40 0,48 5,13 22,64
0,04-0,013мм 0,10 1,42 1,28 0,10 1,33 1,33 0,20 1,59 2,91
Всего 1,27 3,78 43,52 1,11 4,10 45,58 1,62 3,14 46,28
Концентраты 2 стадии 0,86 2,19 17,19 0,88 1,49 13,11 0,58 1,70 8,99
Всего к-ты 2,13 3,13 60,71 1,99 2,95 58,69 2,20 2,76 55,27
Промпроду-кты 12,51 0,06 7,13 10,86 0,07 7,32 13,40 0,06 7,08
Хвосты 51,50 0,03 12,51 51,27 0,03 13,36 49,85 0,04 19,01
Шламы 33,86 0,064 19,65 35,88 0,06 20,63 34,55 0,06 18,64
Руда 100,00 0,11 100,00 100,00 0,10 100,00 100,00 0,11 100,00
разрушения доля энергии, доставляемая каналом разряда на деформирование среды и трещинообразование, оценена в 1-8%. С учетом вариации физико-механических свойств измельчаемых материалов, определяющих соотношение энергии новой поверхности и затрат на пластическую деформацию, КПД электроимпульс-ной дезинтеграции г , если под ним понимать соотношение новой поверхности к затраченной энергии, в условиях грубого измельчения определен интервалом порядка 0.01-0.32%. С учетом отброса оценок на границах интервала, полученных путем выбора только нижних или только верхних границ сомножителей, наиболее вероятно, что г ~ 0.05-0.2 %. Это в интервале О = 1-2 Дж/м2 соответствует для электроим-пульсной дезинтеграции удельным затратам на образование единицы площади новой поверхности 0.4-0.05 Дж/см2, то есть приведенные выше достигнутые показатели (0.884-0.197 Дж/см2) ближе к верхнему пределу возможных значений и дальнейшая оптимизация электротехнического оборудования и режимов измельчения способна уменьшить затраты не менее чем в 2-2.5 раза.
Гранулометрический состав продукта измельчения
На примере кварцевых материалов, руд различных месторождений
(Полманстундровскго, Кухи-Лал, Шерловогорского, Солнечного, Ков-дорского и Ловозерского) исследованы гранулометрические характеристики готового продукта, кинетика разрушения при электроимпульсном дроблении и измельчении сырья, а также осуществлено сравнение с традиционно используемыми аппаратами (стержневыми, центробежными
мельницами и валковыми дробилками, электрогидравлическими установками). Анализ физических явлений при электроимпульсном разрушении материала указывает на возможность получения продукта с более равномерной характеристикой крупности. Отсутствие истирающего эффекта, характерного для традиционных аппаратов, используемых для грубого измельчения, нагружение материала во всем объеме создает предпосылки для равномерного распределения готового продукта по классам крупности.
На рис. 1. представлены гранулометрические характеристики, полученные на различных аппаратах в оптимальных режимах для нескольких видов руд. Электроимпульсная
дезинтеграция дает наиболее равномерный гранулометрический состав по сравнению со всеми видами исследуемых аппаратов. Сопоставление выходов труднообогатимых (-40 мк) и необогатимых (-13 мк) классов крупности, которые, как правило, в технологических процессах переработки руд идут в отвальные хвосты и определяют потери полезной компоненты, показывает, что выход этих классов при электроимпульсном разрушении существенно меньше, чем на других испытуемых аппаратах. Полученные распределения по крупности на элек-троимпульсной установке наиболее предпочтительны при обогащении руд.
Сопоставление эффективности раскрытия зерен полезных минералов при дезинтеграции различными способами
Для оценки степени раскрытия
Рис. 1. Гранулометрические характеристики руды Шерловогорского ме-сторждения, измельченной на различных аппаратах: 1 - ЭИ установка, 2
- стержневая мельница, 3 - центробежная мельница, 4 - ЭГ установка, 5
- промышленная стержневая мельница
Промышленная стержневая мельница
выход % содержание олова % извлечение олова %
0,43 2,30 8,89
0,24 7,35 15,54
0,46 4,27 17,61
0,15 0,85 1,17
1,28 3,71 43,21
0,83 1,37 10,24
2,11 2,81 53,45
11,64 0,07 7,66
46,92 0,04 16,24
39,33 0,06 22,65
100,00 0,11 100,00
сростков при различных способах измельчения проводился минералогический анализ концентратов, полученных в ходе проведенных сопоставительных исследованиях на обогати-мость. Учитывая особенности схем обогащения различных типов руд, для руд Шерловогорского и Ловозерского месторождений для анализа брались тяжелые фракции, полученные разделением в тяжелых жидкостях концентратов, а руд Солнечного месторождения - концентраты, полученные на концентрационных столах в первой стадии обогащения. Определялось количество свободных зерен полезных минералов и их сростков с другими минералами в отдельных классах крупности. Для примера на рис. 2 представлены данные по содержанию свободных зерен рудных минералов,
выделенных из концентратов, полученных при измельчении на различных аппаратах.
Количество свободных зерен касситерита и лопарита возрастает по мере убывания крупности продукта. Наибольшее количество раскрытых зерен в каждом классе соответствует электроимпульсному измельчению, при этом полное раскрытие зерен минералов осуществляется в более крупных классах. Так, при электроим-пульсном измельчении руд Шерлово-горского месторождения практически полное раскрытие зерен достигается в классе крупности -0.125-0.071 мм, в то время как при измельчении другими способами раскрытие не превышает 90 %. Для руд Ловозерского месторождения раскрытие зерен полезной компоненты при электроимпульсном измельчении происходит в классе -0.25+0.125 мм, а при измельчении другими способами только в классе -0.125+0.071 мм.
Аналогичные сопоставительные данные по раскрытию и распределению зерен полезных минералов при различных способах дезинтеграции получены для многих других типов и разновидностей руд, обогащаемых как гравитационным, так и флотационным способом. Во всех случаях элек-троимпульсная дезинтеграция позволяет эффективно вскрывать зерна минералов с размером включений выше 0.1-0.2 мм, обеспечивает по сравнению с механическим измельчением лучшую сохранность целостности кристаллов и зерен вскрытых минералов.
В совокупности с последующим механическим доизмельчением в процессе рудоподготовки представляется возможным вскрывать включения размером менее 0.1 мм вплоть до микронных размеров. В тех случаях, когда энергетические затраты не играют определяющего значения в сравнении с возможностью достижения технологического эффекта максимального вскрытия тонковкрапле-ных минеральных включений, в том числе акцессориев, режим электроим-пульсного тонкого измельчения материалов обеспечивает вскрытие вклю-
чений микронного размера. Это находит свое применение в методике подготовки проб для изучения вещественного состава и проведения геохронологических определений [7].
Сопоставление технологических показателей при дезинтеграции различными способами
Как следствие более качественной дезинтеграции (меньшее ошламование, лучшее раскрытие зерен минералов) электроимпульсное измельчение способствует повышению извлечения и улучшению качества концентрата в сравнении с традиционными механическими способами.
Для примера приводим данные сравнительных исследований продуктов измельчения руд, обогащаемых гравитационными методами, выполненных на касситеритовых рудах Солнечного, Шерловогорского месторождений и лопаритовых рудах Лово-зерского месторождения. Пробы всех исследуемых руд измельчались до 2 мм различными способами и обогащались по оптимальным для данных руд схемам в две стадии. Перед обогащением в каждой стадии продукт крупностью +0.2 мм подвергался классификации на вибрационном грохоте 250х1100 мм, а продукт крупностью 0.2 мм - гидроклассификации в конусе диаметром 1000 мм. Обогащение производилось на концентрационных песковых и шламовых столах 360х460х990 мм.
При испытании на обогатимость руд Шерловогорского и Ловозерского месторождений было отмечено, что после первой стадии обогащения остается большое количество нераскрытых сростков, поэтому промпродукты и хвосты крупнее 0.2 мм объединялись и доиз-мельчались в стержневой мельнице. Это несколько нивелирует результаты, полученные при измельчении различными способами.
Для примера в табл. 3 представлены конечные результаты обогащения руд Шерловогорского месторождения. Как видно из представленных результатов, показатели обогащения в первой стадии лучше для стержневой и центробежной мельниц, что связано с более тонким помолом материала в этих аппаратах.
Рис. 2. Содержание свободных зерен рудных минералов в классах, выделенных из концентратов при обогащении руды Ловозерского (кр.1, 2, 3) и Шерловогорского (4, 5, б, 7) месторождений, измельченных различными способами: 1, 4 - ЭИ установка, 2, 6 - центробежная мельница,
3, 7 - стержневая мельница, З - электрогидравлическая установка.
Однако, разупрочнение границ «зерновмещающая порода» в первой стадии измельчения на электроимпульсной установке приводит при последующем до-измельчении к существенному увеличению извлечения полезной компоненты и уменьшению ее перехода в шламы. Конечные показатели извлечения полезной компоненты из руд Ловозерского и Шерловогорского месторождений с ис-
пользованием электроимпульсной установки в первой стадии измельчения превышают на (2-7)% те же показатели, полученные на традиционных аппаратах.
Аналогичные данные получены и для руд, обогащаемых флотацией.
Заключение
Сопоставительные исследования различных способов дезинтеграции руд
показали возможности электроимпульс-ной дезинтеграции, как процесса, отвечающего критериям эффективной рудо-подготовки в цикле гравитационного и флотационного обогащения руд, обеспечивающего высокую энергетическую эффективность и наилучшую среди известных способов эффективность раскрытия полезных минералов практически во всех типах руд.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульс-ного разрушения материалов.- Апатиты: КНЦ, 1995, - 276 с.
2. Основы электроимпульсной дезинтеграции и перспективы ее применения в промышленности /И.И. Каляцкий, В.И. Курец, В.А. Цукерман, Г.А. Финкельштейн // Обогащение руд. 1980. N 1. - С. 611.
3 Усов А.Ф., Цукерман В.А. Работающая искра: инновационные физические процессы горного производства. - Горный информационно-аналитический бюллетень - М.: Изд-во МГГУ, 2000, №1, с. 188193.
4. Усов А.Ф., Цукерман В.А. Потенциал электрофизических процессов и технологий в производстве (энергетический аспект). Горный
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------
информационно-аналитический бюллетень, №6. - М.: Изд-во МГГУ, 2001, 120-127.
5. Усов А.Ф., Цукерман ВА. Современное состояние и перспективы электроимпульсных технологий в горном деле -Г орный информационно-аналитический бюллетень, № 7 - М.: Изд-во МГГУ, 2001, с. 161-170.
6. Курец В.И., Усов А.Ф., Цукерман ВА. «Электроимпульсная дезинтеграция материалов» - Апатиты: КНЦ РАН, 2002. - 321 с.
7. A.Usov, V. Tsukerman. Prospective of electric impulse processes for the study of the structure and processing of mineral raw materials/ - In Proceedings of the XXI International Mineral Processing Congress, Rome, Italy, July, 23-27, 2000, volume C, p. C2. 8-C 2.15.
Усов Анатолий Федорович — кандидат технических наук, начальник научно-организационного отдела Кольского научного центра РАН. Цукерман Вячеслав Александрович — кандидат технических наук, зав. Отделом промышленной и инновационной политики Института экономических проблем Кольского научного центра РАН.
