ВСТУП
Сучасний етап розвитку світового господарства характеризується глобалізацією, що сприяє інтенсивному розширенню та ускладненню взаємозв’язків і взаємозалежностей економічних суб’єктів завдяки підвищенню міжнародної мобільності факторів і результатів виробництва. У зв’язку з цим протиріччя між наявністю власних ресурсів і потребами в них, вичерпаність запасів паливно-енергетичних ресурсів і зростання масштабів екологічних проблем, пов’язаних з їх видобутком, транспортуванням, переробкою і споживанням, визначають тенденції загострення проблем енергоспоживання і забезпечення життєдіяльності населення кожної окремої країни.
Україну також не обминули ці проблеми. Адже Україна є промислово розвинутою країною з дефіцитом нафти та газу. В зв’язку з недостатньою кількістю цих ресурсів і високою ціною їх експорту було прийнято рішення повертатися до використання вугілля. Вугілля – єдиний природний вид палива, геологічних запасів якого в Україні достатньо для задоволення потреб теплової електроенергетики, а також сировинного забезпечення чорної металургії, інших галузей протягом століть.
Запаси вугілля на території України зосереджені в основному в трьох басейнах: Донецькому, Львівсько - Волинському та Дніпровському. В загальних запасах вугілля в Україні найвища питома вага належить Донецькому басейну — 87,0%, Львівсько-Волинському та Дніпровському — відповідно 2,0% та 3,5%. Крім того, запаси вугілля є на території Харківської і Полтавської областей та Закарпатської вугленосної площі. Запаси вугілля в Україні цілком достатні для задоволення власних потреб і забезпечення експортних поставок. Однак складні гірничо-геологічні та технологічні умови розробки вугільних родовищ України, в першу чергу Донбасу, суттєво впливають на економічну ефективність виробництва у вугільній промисловості.
Геологічні запаси вугілля в Донецькому басейні зосереджені переважно в тонких і надто тонких пластах. Вугілля використовується головним чином для потреб енергетики та коксохімічної промисловості. В решту областей донецьке вугілля постачається лише для теплової електроенергетики. Оскільки в Україні запаси вугілля зосереджені переважно в тонких і надто тонких пластах, то постає проблема зольності. В Посланні Президента України від 06.03.2001 р. “Про внутрішнє і зовнішнє становище України у 2000 р.” прямо сказано, що рівень зольності та вміст сірки в українському вугіллі у 2-3 рази гірші за встановлені стандарти (вітчизняні). Не говорячи про міжнародні. У нас є вугледобувні підприємства, де планові показники зольності сягають 47,7%, а непланові може і 60%... Про це йдеться в Наказі Мінвуглепрому від 26.06.2007 р. № 236 "Про встановлення завдання з видобутку та якості вугілля".
На сьогодні існує ряд методів збагачення корисних копалин, що мають суттєві відмінності щодо використання певних властивостей складових чи організації самого збагачувального процесу. Найпоширеніші сучасні методи збагачення корисних копалин використовують, для налагодження стійкого збагачувального процесу, велику кількість рідини. Відомо ще й такий метод збагачення, пов'язаний з присутністю великих об'ємів рідини, розділення за яким відбувається в обертовому чи похило рухомому потоці води завдяки різниці в густині компонентів та основного потоку рідини, чи крупності частинок.
Сьогодні вже очевидно, що збагачувальні технології, в основі яких лежить поділ вугілля у водному середовищі або важкої суспензії, пов'язані з необхідністю вирішувати цілий ряд проблем. Це організація водообігового господарства для очищення оборотної води та її підігріву, зміст водовідстійників. Велика кількість відходів у рідкому вигляді призводить до утворення з них цілих озер і величезних за площею шламонакопичувачів. Крім того, штучні водойми поступово змикаються з річками, що призводить до серйозного забруднення навколишнього середовища. Виникають і не менш гострі виробничі проблеми, пов'язані з необхідністю обезводнення і сушки вугілля, одержуваного при «мокрому» збагаченні, опалення великих обсягів приміщень. Також ці методи вимагають великих затрат водних ресурсів, на які Україна не багата. І для спорудження таких збагачувальних комплексів потрібно дуже багато металу – сотні і навіть тисячі тон. Потрібно також зазначити невисоку ефективність даних методів. Тому вченими України було зроблено ряд спроб що до зменшення собівартості концентрату шляхом розробки інших методів збагачення з метою зменшення затрат на виконання збагачувального процесу. Найефективніший результат отримали методи у напрямі виборчого дроблення, робота яких заключається в тому, що одна складова загального потоку гірничої маси захвачується та подрібнюється, а інша проходить на розвантаження не подрібненою. Типовими представниками машин виборчого дроблення, розроблених в Україні є: машина виборчого дроблення та шнековий збагачувальний агрегат.
1 Інфомаційне дослідження
1.1 Аналіз наукових публікацій
Добуті з глибини землі корисні копалини, як правило, не використовуються у своєму первинному вигляді, а потребують подальшого збагачення для набуття концентратом певного необхідного з екологічної точки зору вмісту цінного компоненту. Наприклад у металургійній промисловості неможливо отримати високоякісний метал, якщо вихідна руда матиме високий вміст забруднюючих домішок. В вугільній промисловості спалюване вугілля повинно мати зольність вищу за максимально допустиму. Така ж ситуація спостерігається і в будівельній галузі. Наприклад, якість бетонних виробів значно залежить від однорідності фізичних властивостей заповнювачів. Тому актуальною є потреба у розробці і створенні методів для ефективного збагачення різних матеріалів.
На сьогодні існує ряд методів збагачення корисних копалин що мають суттєві відмінності щодо використана певних властивостей складових чи організації самого збагачувального процесу. Найпоширеніші сучасні методи збагачення корисних копалин використовують, для налагодження стійкого збагачувального процесу, велику кількість рідини. Наприклад, процес гідравлічної класифікації проходить у водному середовищі, яке рухається горизонтально, вертикально чи криволінійно. Процес розділення проходить завдяки різниці швидкості переміщення окремих зерен під дією сил ваги чи відцентрових сил. До гідравлічних класифікаторів відносяться механічні спіральні, елеваторні, спірально-лопатеві (гідросепаратори, дешламатори), згущувальні конуси та гідроциклони. На принципі використання рухомого потоку рідини працюють промивочні машини, в яких процес розділення корисних копалин проходить шляхом розпушування, диспергування, дезінтеграції та видалення за допомогою води та механічного впливу глинистого матеріалу, що цементує рудну фазу. Такий процес широко використовується для збагачення сировини, в якій мінеральні зерна не пов'язані взаємним приростанням; а зцементовані відносно м'якою глинистою речовиною. Промивка відбувається в барабанних промивочних грохотах чи скруберах. Розділення гірничої маси по густині відбувається в гравітаційному чи відцентровому полі важкого середовища, а отримані в такий спосіб концентрати мають густину вище, або нижче густини робочого середовища. Основною перевагою такого методу є його висока технологічна ефективність: кінцеві результати тут наближені до теоретично можливих. Збагачення проходить у рідкому (органічні рідини, водяні розчини солей, суспензії) середовищі чи у повітряних підвісах (аеросуспензіях). А от розділення часток матеріалу на шари різних густин у водяному чи повітряному пульсуючому потоці зветься процесом відсадки, переважне застосування яка отримала при переробці матеріалів що містять в основному вільні рудні та мінеральні компоненти різної густини. Особливе поширення відсадка отримала при збагаченні вугілля.
Існує ще й такий метод, роботу якого основано на використанні різниці в природній чи штучно створеній змочуваності природних матеріалів, який має назву флотаційного методу Процес здійснюється у водному середовищі та застосовується для розділення тонкоподрібнених матеріалів (до 0,5 мм), не залежно від їхньої щільності, магнітних, електричних чи інших властивостей. Таку універсальність методу пов'язано з регульованими можливостями вживаємих флотореагентів — речовин, здатних вибірково адсорбуватись на поверхні мінералів та зменшувати чи збільшувати величину їхнього змочування. Відомо чотири різновиди процесу плівкова, масляна та пінна флотація, а також пінна сепарація.
Відомо ще й такий метод збагачення, пов'язаний з присутністю великих об'ємів рідини, розділення за яким відбувається в обертовому чи похило рухомому потоці води завдяки різниці в густині компонентів та основного потоку рідини, чи крупності частинок.
А от у Німеччині було запропоновано процес збагачення, оснований на хімічних властивостях матеріалу. Хімічне збагачення є можливим виконати двома способами: розчиненням цінного компоненту чи розчиненням домішок. На прикладі збагачення вугілля в першому випадку нерозчиненою лишається порода, в іншому випадку — вугілля. При обробці вугілля кислотами концентрат утворюється з надзвичайно низькою зольністтю та вмістом сірки.
Крім широко відомих методів збагачення гірничої маси з використанням великих мас рідини, існують такі, в яких для виконання збагачувального процесу нема потреби в рідині, тим паче в таких кількостях.
Такі методи безрідинного, або так би мовити "сухого", збагачення також грунтуються на використанні фізико-механічних особливостей компонентів гірничої маси. Один із таких методів основано на магнітній сприйнятності матеріалів. Процес проходить в спеціальних машинах — сепараторах, характерною ознакою яких є магнітне поле в робочій зоні, при русі через яку частинки з різними властивостями під дією сили притягування переміщуються по різним траєкторіям, що дозволяє розділити матеріал на магнітний і не магнітний продукти. В процесі руху, частинка сприймає дію сил тяжіння, опору середовища, молекулярного зчеплення, відцентрових сил.
Крім магнітної сепарації існує ще й така, принцип дії якої основано на використанні різниці окремих мінералів в їхній властивості електропровідності чи здатності електризуватись. Основним вузлом такого сепаратора є електролізатор для зарядки мінеральних частинок, сепаруючий пристрій з робочою роздільчою зоною та високовольтний агрегат для створення електричного поля значної напруженості та постійної полярності. Така сепарація зветься електричною і її призначено для зернистих сипучих матеріалів крупністю 0,05 — 3 мм.
Як бачимо, із наведеного вище огляду, на сьогодні високу популярність мають високоефективні та високопродуктивні методи збагачення гірничої маси з використанням в технологічному процесі великої кількості рідини. Але, основними недоліками даних методів є складність технологічного процесу, необхідність кількох підготовчих та наступних стадій і, як наслідок, великої кількості відповідних машин та агрегатів, що призводить до необхідності у значних виробничих площах. Саме ці факти суттєво впливають на собівартість концентрату, в кілька разів її збільшуючи порівняно з вихідною гірничою масою. Саме тому на сьогодні все актуальнішою постає проблема що до створення таких методів збагачення гірничої маси які б надали змогу зменшити собівартість концентрату, без втрат ефективності, та ще й дозволяли б встановлення збагачувального агрегату в межах кар`єру чи шахти, тобто на обмежених ділянках, та без потреби у спеціалізованих збагачувальних підприємствах. Як показує досвід попередників, пошук такого методу слід вести у напрямі відсутності рідини, тобто це має бути метод "сухого" збачення гірничої маси. Основною особливістю якого є те, що розділення гірничої маси проходить внаслідок внутрішнього впливу машини на матеріал з боку робочих органів і без присутності проміжних заповнюючих середовищ.
Тому наведемо короткий огляд методів збагачення гірничої маси в напрямі безрідинного проходження збагачувального процесу.
До першої групи належать насамперед механічні породовідбірники в яких, для розділення гірничої маси на складові, використовують різницю у формі кусків, в опорі тертю та в пружніх властивостях матеріалу. Але основним недоліком у роботі таких машин є необхідність вузько класифікованого вихідного матеріалу, тому їх застосування обмежується обробкою окремих фракцій. Такі машини можна розділити за конструктивними особливостями на два вида. До першого виду віднесемо щілинні та колосникові грохоти розділення гірничої маси, в яких, відбувається в результаті потрапляння між колосники чи в щілини бортів з днищем плоскої фракції та пересуванням по колосникам чи днищу більш опуклої фракції. До другого — так звані роликові вловлювачі, плоска фракція яких потрапляє в проміжок між роликами, що обертаються в одному напрямі з частотою близько 300 об./хв. та розташованих в похилій відносно горизонту площині, а опукла фракція рухається до низу перескакуючи з одного ролика на інший.
До другої групи належать апарати в яких розділення гірничої маси відбувається завдяки різниці в коефіцієнті тертя розділяємих матеріалів. Такі апарати розрізняють по підгрупам рухомі та нерухомі. До нерухомих апаратів відносяться наприклад вловлювачі Циглера та Мауері, основним елементом яких є похилий сталевий жолоб з поперечними щілинами, в які провалюються повільно ковзні плоскі шматки породи, тоді як опуклі шматки вугілля швидко перекочуючись перескакують ці щілини. До нерухомих також належить спіральний сепаратор в якому гірнича маса потрапивши до внутрішнього жолоба, що зветься спіраллю для сепарації, рухається до низу, при цьому куски матеріалу, що мають більшу швидкість (внаслідок сил тертя), під дією відцентрових сил перескакують через бік спіралі в зовнішній жолоб з більшим кроком. Порода та інші забруднювачі рухаючись з меншою швидкістю ковзнуть до низу спіралі для сепарації та потрапляють в відповідний бункер. До цієї підгрупи відноситься також сепаратор Борисфорда, дію якого основано на одночасному використанні різниці в пружніх властивостях вихідного продукту, а також в коефіцієнті тертя та формі кусків.
До рухомих агрегатів належить вловлювач Айерса, який складається з пластинчатого конвеєра, встановленого під таким кутом, що падаюча зверху кусковата гірнича маса вступаючи у взаємодію з поверхнею конвеєра частково захвачується і переміщується до верху (плоскі куски), а інша — скочується до низу (опуклі куски). До цієї підгрупи належить також класифікатор конструкції Тимченко Н. К. в якому, кусковата гірнича маса потрапляє на обертовий барабан і, в результаті взаємодії з поверхнею останнього під дією пружніх сил відскакує в бік, протилежний напряму обертання, чи, під дією сил тертя, захвачується та переміщується в бік обертання барабану. Тобто розділення потоку гірничої маси на складові відбувається на одночасному використанні пружніх властивостей матеріалу та коефіцієнта тертя. Цікавою за своїм змістом є машина виборчого дроблення, робота якої грунтується на використанні різниці у коефіцієнтах тертя компонентів двокомпонентної гірничої маси. Представлено машину у вигляді щокової дробарки з похилою, відносно горизонту, камерою дроблення утвореної розміщеними під кутом, що є проміжним між подвійним кутом тертя розділяємих матеріалів, двох робочих поверхонь. Той матеріал, подвійний кут тертя якого є меншим за кут розташування робочих поверхонь, захвачується та подрібнюється, а матеріал, подвійний кут тертя якого є більшим за кут розташування останніх, висковзує та перекочуючись переміщується в напрямі нахилу камери.
Основними недоліками наведених пристроїв є такі:
Непридатність більшості агрегатів до роботи з дрібними класами
2. Гостра потреба у вузькокласифікованому вихідному матеріалу. Ефективність роботі машин значно знижується при розширенні інтервалу розмірів робочої фракції.
3. Значне зниження ефективності процесу розділення в машинах після простоїв їх більше одної доби внаслідок окислення робочих поверхонь.
4 Для встановлення стійкого процесу розділення має місце гостра необхідність в однорідності фізико-механічних властивостей відповідних складових загального потоку вихідної гірничої маси.
5. Непридатність вологих матеріалів, внаслідок зміни властивостей поверхні при зміні вмісту вологи в зразку.
До машин, збагачення в яких відбувається завдяки використанню міцносних характеристик матеріалу відносяться роторні дробарки вибіркової дії, що є типовими представниками класу дробарок ударної дії. Розділення гірничої маси відбувається на два потоки, один з яких складається з "міцної"', а інший — зі "слабкої" складової вихідного потоку гірничої маси. В таких дробарках процес розділення відбувається внаслідок сприйняття куском матеріалу удару величина якого є постійною не зважаючи на розмір вихідного матеріалу та його орієнтації відносно прикладеного зусилля. Саме тому в таких машинах спостерігаються такі негативні явища як дроблення "міцних" кусків матеріалу меншого розміру, та пропускання "слабких" — більшого, тобто ефективне розділення гірничої маси відбувається в дуже вузьких межах розмірів кусків гірничої маси. Крім цього, якість кінцевого продукту суттєво залежить від однорідності фізико-механічних показників гірничої маси в межах окремого куска.
За таким же принципом працюють барабанні дробарки, гірнича маса в яких захвачується лопатками робочого барабану та при досягненні певної висоти, що залежить від конструктивних особливостей барабана, падає до низу, при цьому сприймаючи удар, величина якого є наслідком величини падіння, тобто є постійною для даної дробарки. Крім ударного навантаження від падіння, на кусок діє зусилля від падіння на нього інших кусків, що знаходяться в барабані. В роботі барабанних дробарок спостерігаються такі ж недоліки що і в роботі звичайних ударних дробарок. Виходячи з цього, дуже важким постає питання фізичного моделювання процесу вибіркового дроблення в барабанній дробарці, внаслідок практичної неможливості прогнозування поведінки куска матеріалу в робочій камері.
І на прикінці загального огляду розглянемо ще одну збагачувальну установку, робота якої грунтується на використанні міцносних характеристик вихідної двокомпонентної гірничої маси — шнекового грохота . Розділення гірничої маси також відбувається на два потока, один з яких є "міцною" складовою вихідного пототку, інший "слабкою". В грохот гірнича маса потрапивши на решітку грохочення, що складається з валів-шнеків транспортується в напрямі робочих органів — зубів, які розміщено над останніми і псиними зазорами. Кусок матеріалу опиняється затиснутим між ребром спіралі вала-шнека та поверхні зуба. Зуб тисне на матеріал зі сталою величиною, не залежно від його розмірів, і якщо величина діючого зусилля не перевищує міцності матеріалу то зуб підіймається пропускаючи кусок, що переміщується далі на розвантаження. У випадку, коли міцність матеріалу не перевищує діючого з боку зуба зусилля — кусок подрібнюється і просіюється в підрешідчатий простір.
Як показав досвід експлуатації таких машин, вони є малоефективними а, тим паче, при роботі з дрібними класами гірничої маси (до 50 мм). Але, як бачимо зі сформованої світової тенденції впровадження у гірничодобувну промисловість механізованих методів розробки родовищ, отримання гірничої маси крупністю до 50 мм. складає, наприклад, у вугільній промисловості, близько 35% від загальної видобутої маси.
Тепер сформулюємо низку питань, які підкреслять особливості створення машин:
Повна (або часткова) відсутність у технологічному процесі рідини
Низькі енергозатрати.
Можливість використання машин безпосередньо в умовах шахти, кар'єру чи будівельного майданчика.
Отже суть виборчого дроблення зводиться до того, щоб при створених певних умовах усередині машини відбувалось одночасне дроблення одної складової та пропускання іншої складової вихідного матеріалу. Методики розрахунку машин такого класу на сьогодні не існує, отже, основною задачею є дослідження процесів, що супроводжують вибіркове дроблення, та створення методики інженерного розрахунку машини вибіркового дроблення.