Теория движения мелющей загрузки и повышение эффективности оборудования для тонкого измельчения горных пород

Актуальность работы. В настоящее время в развитых странах на механические способы обогащения полезных ископаемых тратится 5−8% всей производимой электроэнергии. Примерно 80% от этой величины составляют энергозатраты на измельчение. На современных горно-обогатительных комбинатах используются мельницы в основном больших типоразмеров. Масса мелющих тел в таких машинах соизмерима, а иногда и превосходит массу остальных частей мельницы. На движение мелющей загрузки расходуется 95% всей подводимой к мельнице энергии. Динамика мелющих тел тесно связана с потреблением энергии мельницей. В связи с этим точное измерение и задание строго определенных величин динамических параметров мелющих тел позволяет оптимизировать процесс по критерию энергоемкости. Определение истинных значений динамических характеристик мелющих тел до настоящего момента не представлялось возможным в связи с замкнутостью объема помольной камеры и вследствие этого отсутствием возможности передачи информации от мелющих тел к приёмному устройству традиционными методами (например, с помощью проводов). Существующие в настоящее время методы измерения параметров движения шаровой загрузки мельниц носят косвенный характер, вследствие чего точность полученных результатов не позволяет достоверно оценивать величину энергии, затрачиваемой на измельчение материалов.

Как правило, в пределах технологической линии измельчение осуществляется мельницами одного типа. Это приводит к необходимости обеспечения большого значения числа кратности измельчения — значительной разнице между средней величиной диаметра частиц измельчаемого материала, содержащихся в исходном и готовом продуктах. Вследствие этого энергоёмкость измельчения повышается.

Практически неисследованным остаётся вопрос, связанный с определением динамических параметров отдельных мелющих тел по всему объёму мелющей загрузки. Исследования в данной области имеют важное значение в определении энергоёмкости измельчения, т.к., зная параметры движения и энергию отдельных мелющих тел, можно с достаточной степенью точности определить величину энергии всей шаровой загрузки, необходимой и достаточной для измельчения материала до требуемого гранулометрического состава.

В связи с вышеизложенным развитие теории движения мелющей загрузки и повышение эффективности оборудования для тонкого измельчения горных пород, обеспечивающие снижение энергоёмкости процесса измельчения горных пород, является актуальной научной проблемой.

Цель работы. Снижение энергоёмкости измельчения горных пород и повышение эффективности оборудования на основе новых закономерностей движения мелющей загрузки, установленных с использованием оригинальных методов и устройств, позволяющих определять истинные значения динамических параметров мелющих тел.

Идея работы. Исследование движения мелющей загрузки с учётом взаимосвязи между динамическими параметрами ударных импульсов, возникающих при движении мелющих тел, и величиной энергии, необходимой для измельчения частиц материала до требуемой величины и обоснование на данной основе типа измельчительно-го оборудования и параметров его работы.

Методы исследований. Для выполнения поставленной цели использовались методы компьютерного моделирования и спектрального анализа ударных импульсов, проводились лабораторные и промышленные испытания комплексов измельчительного оборудования, а также использовался способ передачи из внутренних областей мелющей загрузки информации о динамических параметрах ударных импульсов с помощью радиосигнала.

Основные научные положения, выносимые на защиту, состоят в следующем:

1. Математическая модель процесса движения шаровой загрузки в мельницах различных типов, отличающаяся тем, что учитывает динамические параметры отдельных мелющих тел, а также включает вероятностный метод оценки влияния их соударений на формирование фазового портрета шаровой загрузки.

2. Динамические параметры отдельных мелющих тел находятся в корреляционной зависимости от фрикционных свойств измельчаемого материала и определяют фазовый портрет мелющей загрузки и энергию, потребляемую мельницей.

3. При ударных импульсах с амплитудами, превышающими 250 g и длительностями менее 0,01 с, стенки трещин в измельчаемом материале можно рассматривать как тонкие однородные пластины с упругими и диссипативными свойствами, движение которых описывается уравнением Лагранжа II рода с одной степенью свободы, решение которого определяет энергию ударного импульса.

4. Установлена структура условно неподвижного ядра барабанной мельницы, доказано существование динамически пассивной зоны в центре помольной камеры вибрационной мельницы и определены динамические параметры мелющей загрузки, при которых шары, находящиеся в этих зонах, могут быть вовлечены в У рабочий процесс, что обеспечивает повышение эффективности работы мельниц. Научная новизна работы.

1. Осуществлено аналитическое описание процесса взаимодействия мелющих тел с измельчаемым материалом, основанное на использовании метода Лагранжа при описании движения стенки трещины, а также на установлении и применении энергетического критерия оценки способности мелющего тела разрушать материал до требуемого размера.

2. Дано описание физики процесса соударений отдельных мелющих тел, позволившее установить формы и параметры ударных импульсов для различных материалов и типов мельниц.

3. Определены критерии выбора измельчительного оборудования и его параметров для различных типов измельчаемых материалов, учитывающие динамику шаровой загрузки и обеспечивающие минимальную энергоёмкость измельчения.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируются на использовании широкого диапазона современных научных методов исследований, включающих аналитические исследования с использованием основополагающих положений механики, научное обобщение и экспериментальные исследования процессов измельчения горных пород на стендах и в промышленных условиях с применением современной измерительной аппаратуры. Опытно-промышленные испытания комплекса измельчительного оборудования на ряде карьеров нерудной промышленности подтвердили результаты исследований. Сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований при доверительной вероятности 0,9 составляет 85%.

Научное значение работы заключается в развитии теории движения мелющих тел, как в общей массе шаровой загрузки, так и в отдельности, а именно:

1. Осуществлено математическое описание формы ударных импульсов, определён энергетический критерий разрушения материала;

2. Разработаны математические модели взаимодействия мелющих тел с измельчаемым материалом в мельницах различных типов.

3. На основе представления стенки трещины в виде сплошной однородной пластины определены критерии развития трещины вследствие ударного воздействия мелющих тел на частицы материала.

4. Получены зависимости между режимными и технологическими параметрами мельниц, а также установлено влияние основных параметров мельниц на энергоёмкость измельчения. Практическое значение работы заключается:

1. В разработке методики оптимизации выбора оборудования и его параметров по критерию минимизации энергоёмкости измельчения.

2. В разработке программного обеспечения математического моделирования движения шаровой загрузки в мельницах различных типов, графической интерпретации энергетического критерия разрушения, обработки полученного с мелющего тела радиосигнала, спектрального анализа ударных импульсов.

3. В разработке оригинальных (запатентованных в Российской Федерации) способа и устройства для измерения истинных значений параметров мелющих тел и передачи информации от мелющего тела к приёмному устройству.

4. В разработке оригинальных способа и устройства для измерения реальных ударных импульсов, возникающих в результате взаимодействия мелющих тел с измельчаемым материалом и позволяющие передавать полученную информацию на приёмное устройство с помощью радиосигнала.

4. В разработке и создании нового высокоэффективного комплекса виброизмерительного оборудования, позволяющего оперативно получать и обрабатывать информацию о движении мелющих тел в любой точке помольной камеры. Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации выводы и рекомендации внедрены на П/О «Фосфаты» в технологической линии по производству фосфоритной муки, а также при производстве порошка из древесного угля с использованием промышленной установки на базе планетарной мельницы фирмы «FunPlanet Enterprises, Ltd.», (г.Чэпел Хилл, штат Северная Каролина, США).

Результаты исследований использованы отраслевой лабораторией переработки нерудных строительных материалов и камнеобработ-ки МГГУ при разработке технической документации на наклонную вибрационную мельницу МВН-8 и комплекс передвижного оборудования для производства известняковой муки из карбонатных отходов.

Суммарный экономический эффект от внедрения перечисленного оборудования составил 630 тыс. руб. в ценах 1991 года.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и одобрены на XI Международной конференции молодых ученых (Москва, МГГУ 1992 г.), на XX Международной научно-технической конференции «Проблемы проектирования, производства и эксплуатации горного оборудования» (Польша, Гливице, 1993 г.), на Международном семинаре ученых, инженеров, аспирантов и студентов (Москва, МГГУ, 1994 г.), на Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых (Москва, МГГУ, 1995 г.), на Международном симпозиуме, посвященном 80-летию МГГУ, (Москва, МГГУ, 1999 г.), на Международной научно-практической конференции «Неделя Горняка-99» (Москва, МГГУ, 1995 г.), на XXXY Симпозиуме «Моделирование в механике» (Польша, Силезский политехнический институт 1999 г.), на заседании Технического Совета П/О «Фосфаты» (Воскресенск, 1999 г.), на заседании Технического Совета фирмы «Fuller» (г. Катасакуа, штат Пенсильвания, США, 1999 г.), на заседании Технического Совета фирмы «MicroGrinding Systems, Inc.» (г.Литл Рок, штат Арканзас, США, 1999 г.), на заседании Технического Совета фирмы «FunPlanet Enterprises, Ltd.» (г.Чэпел Хилл, штат Северная Каролина, США, 1999 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации изложенно в 35 работах, в том числе 29 статьях и 6 авторских свидетельствах и патентах на изобретения.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 246 наименований. Диссертация изложена на 429 страницах, включая 259 страниц текста, 194 рисунка 16 таблиц и 2 приложения.

4.11. Выводы.

1. Для экспериментального подтверждения теоретических исследований движения мелющей загрузки в помольных камерах различных типов мельниц были спроектированы и изготовлены лабораторные стенды на базе шаровой мельницы фирмы «Fuller» г. Катасакуа, штат Пенсильвания, США, на базе вибрационной мельницы фирмы «MicroGrinding Systems, Inc.», г. Литтл Рок, штат Арканзас, США и на базе планетарной мельницы фирмы «FunPlanet Enterprises, Ltd.», г. Чэпел Хилл, штат Северная Каролина, США, установленные в лабораториях вышеуказанных фирм.

2. Для экспериментального подтверждения результатов проведённых теоретических исследований создан принципиально новый комплекс виброизмерительного оборудования, позволяющий измерять реальные динамические параметры шаровой загрузки непосредственно в зоне контакта мелющих тел с измельчаемым материалом и передавать полученную информацию без искажения на приёмное устройство.

3. С целью уменьшения количества опытов при сохранении точности экспериментальных данных, для определения влияния различных факторов на энергоёмкость измельчения и достижения области оптимальных по критерию энергоёмкости значений параметров работы мельницы было проведено симплекс-планирование экспериментальных исследований, в результате которого получены зависимости энергоёмкости процесса измельчения от факторов, наиболее сильно влияющих на неё.

4. Для экспериментального подтверждения теоретических выводов о характере процессов измельчения в мельницах различных типов была проведена серия опытов по определению формы и параметров ударных импульсов при различных конструктивных и технологических параметрах мельниц. В результате установлена однотипность форм ударных импульсов для одного вида мельниц. В то же время в различных мельницах формы и параметры ударных импульсов имеют существенные отличия.

5. На основании проведённого спектрального анализа ударных импульсов, возникающих в процессе измельчения горных пород в мельницах различных типов, сделаны следующие выводы:

• ударные импульсы, генерируемые различными типами мельниц, отличаются друг от друга спектральными параметрами, причём частотный диапазон спектров зависит от типа мельницы;

• в мельницах, рабочими органами которых являются мелющие тела, например шары, могут существовать области, в которых амплитуды и длительности ударных импульсов, а также амплитуды частотных составляющих их спектров не достигают величины, необходимой для разрушения частиц материала до заданного размера.

5. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ КОМПЛЕКСОВ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ТОНКОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

5.1. Промышленные испытания комплексов оборудования для тонкого измельчения горных пород.

Проведённые исследования по определению параметров движения мелющей загрузки позволили перейти к промышленным испытаниям комплексов оборудования на базе мельниц различных типов. На рис. 5.1 построены в одних и тех же осях зависимости энергии шара, которой он может обладать в помольных камерах мельниц различных типов, от среднего диаметра частиц измельчаемого материала. На этом же рисунке отложена кривая изменения энергии шара, которой он должен обладать для измельчения материала до требуемого размера. Зависимости, представленные на рис. 5.1, являются важным результатом настоящей работы, т.к. они служат инструментом для выбора вида мельницы и диапазона её работы при минимальных затратах энергии. Для каждого вида материала, пользуясь рекомендациями глав 2−4 настоящей работы и пакетом программ, разработанных для осуществления сформулированных в диссертации задач исследований, построены зависимости, аналогичные, представленным на рисунке 5.1. Проанализируем данный рисунок. При необходимости измельчить материал со средним размером частиц 2−5 мм целесообразно применить барабанную мельницу, т.к. только в этом случае энергия шаров достаточна для стабильного процесса измельчения. Если требуется измельчить материал со средним размером частиц 1−2 мм, то, как следует из рисунка 5.1, можно использовать как барабанную, так и вибрационную мельницы (в данной точке рисунка кривые значений энергий шаров этих мельниц лежат выше графика требуемой величины энергии шара согласно (3.52). Однако использование вибрационной d [mm].

Тип мельницы.

Б- 1 В-2 П-3.

Параметры dK=2 м сок — 9.42 с'1 dK =0.4 м (ок =150 с1 Л = 4 мм dK =0.4 м оэк = 90 с1 а=40 с'1.

1 — график изменения энергии шара в барабанной мельнице.

2 — график изменения энергии шара в вибрационной мельнице.

3 — график изменения энергии шара в планетарной мельнице.

4 — график изменения величины энергии шара, необходимой для измельчения частицы материала согласно критерию (3.53) доз мельницы является предпочтительным, т.к. энергия её шаров меньше аналогичной величины в барабанной мельнице. Следовательно, на процесс измельчения с использованием вибрационной мельницы будет потрачено меньше энергии, чем при использовании барабанной мельницы. На практике в силу определённых обстоятельств часто используют вместо вибрационной барабанную мельницу, что приводит к перерасходу энергии, идущей на измельчение. С уменьшением тонины помола использование вибрационных и, тем более, барабанных мельниц становится малоэффективным и повышает расход энергии измельчения. Более того, как следует из рисунка 5.1, существуют такие диапазоны значений d4, при которых измельчение в указанных типах мельниц становится невозможным. Однако на практике широко известны случаи использования, например, барабанных мельниц для сверхтонкого измельчения. Так как процесс взаимодействия шаров с материалом носит случайный характер, то теоретически такое применение барабанных мельниц возможно. При этом время измельчения, а, следовательно, и затрачиваемая энергия возрастают многократно. Анализ зависимостей, представленных на рисунке 5.1, позволяет говорить о целесообразности использования конкретного типа мельницы для измельчения материала определённого диапазона крупности.

Учитывая вышесказанное, были проведены промышленные испытания комплексов оборудования, в состав которых входили мельницы различного типа. На рисунке 5.2 показан общий вид промышленной установки для получения фосфоритной муки. Данная установка расположена на обогатительной фабрике фирмы «Fuller», г. Катасакуа, штат Пенсильвания, США. В состав установки вошла вибрационная мельница конструкции фирмы «MicroGrinding Systems, Inc.», США. Технические характеристики установки представлены в таблице 5.1. фирма «Fuller», г. Катасакуа, штат Пенсильвания, США). о.

Jbf.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе на основании выполненных исследований осуществлено теоретическое обобщение и решение крупной научной проблемы по созданию теории взаимодействия мелющих тел в помольных камерах мельниц и повышению эффективности оборудования для тонкого измельчения горных пород, имеющей большое значение для горнодобывающей промышленности.

Основные научные выводы и результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

• разработана теория движения шаровой загрузки в мельницах различных типов, отличающаяся тем, что в ней учтены динамические параметры отдельных мелющих тел, а также применён вероятностный метод оценки влияния их соударений на формирование фазового портрета шаровой загрузки;

• установлена структура условно неподвижного ядра, расположенного внутри шаровой загрузки барабанной мельницы, представляющая собой цепочку мелющих тел, способных разрушать материал до требуемого гранулометрического состава, если амплитуды ударных им пульсов будут превышать400 g, а их длительности будут не менее 0,015 с- .

• установлена возможность существования динамически пассивной зоны внутри помольной камеры вибрационной мельницы, и параметры ударных импульсов — амплитуда более 300 g, длительность не менее 0.01 спри которых исключается её появление в мельницах различных типоразмеров;

• разработана математическая модель процесса взаимодействия мелющих тел с измельчаемым материалом, основанная на использовании метода Лагранжа при описании движения стенки трещины, а также на установлении и применении энергетического критерия оценки способности мелющего тела разрушать материал до требуемого размера;

• разработаны принципиально новый способ и устройство для определения истинных величин динамических параметров мелющих тел, а также бесконтактной передачи информации от мелющего тела к приёмному устройству на расстояние до 8 м;

• установлено, что динамические параметры ударных импульсов, возникающих в помольных камерах, имеют следующие диапазоны значений: для барабанной мельницы — амплитуда от 350 g до 800 g, длительность от 0,007 с до 0,01 сдля вибрационной мельницыамплитуда от 250 g до 450 g, длительность от 0,002 с до 0,007 сдля планетарной мельницы — амплитуда от 400 g до 600 g, длительность от 0,0009 с до 0,002 спри этом форма, параметры и спектры ударных импульсов, возникающих при взаимодействии мелющих тел с измельчаемым материалом, зависят от типа мельницы, вида и крупности измельчаемого материала и оказывают существенное влияние на энергоёмкость процесса измельчения и эффективность работы измельчительного оборудования;

• получены зависимости между режимными и технологическими параметрами мельниц, в частности установлено, что энергия шара находится в параболической зависимости от величины среднего диаметра частиц измельчаемого материала;

• установлен энергетический критерий разрушения, учитывающий физические свойства измельчаемого материала, а также диссипацию энергии ударного импульса, связанную с проявлением материалом демпфирующих свойств, что позволяет повысить эффективность работы барабанных мельниц на 10 — 12%- вибрационных мельниц на 8 -10% и планетарных мельниц на 11−15%;

• разработана методика выбора оборудования и его параметров по критерию минимизации энергоёмкости измельчения, которая позволяет снизить себестоимость тонны готовой продукции на 10 -15% в зависимости от типа мельницы;

• разработано программное обеспечение для математического моделирования движения шаровой загрузки в мельницах различных типов, графической интерпретации энергетического критерия разрушения, обработки полученного с мелющего тела радиосигнала, спектрального анализа ударных импульсов;

• спроектирован новый высокоэффективный комплекс виброизмерительного оборудования, прошедший успешные опытно-промышленные испытания при производстве известняковой муки на Пятовском карьере (Калужская область), фосфоритной муки на П/О «Фосфаты» (г. Воскресенск), фосфоритной муки на производственной площадке фирмы «Fuller» (г.Катасакуа, штат Пенсильвания, США), гранитного щебня фр. 5−20 мм на производственной площадке фирмы «Fuller» (г. Ралли, штат Северная о HI.

Каролина, США), порошка из древесного угля в лаборатории фирмы «FunPlanet Enterprises, Ltd.». (г.Чэпел Хилл, штат Северная Каролина, США).

Разработанные в диссертации выводы и рекомендации внедрены на П/О «Фосфаты» в технологической линии по производству фосфоритной муки, а также при производстве порошка из древесного угля с использованием промышленной установки на базе планетарной мельницы фирмы «FunPlanet Enterprises, Ltd.», (г.Чэпел Хилл, штат Северная Каролина, США).

Результаты исследований использованы отраслевой лабораторией переработки нерудных строительных материалов и камнеобработки МГГУ при разработке технической документации на наклонную вибрационную мельницу МВН-8 и комплекс передвижного оборудования для производства известняковой муки из карбонатных отходов.

Суммарный экономический эффект от внедрения перечисленного оборудования составил 630 тыс. руб. в ценах 1991 года.