3.6 Измельчение

Дробленая руда размером 10-30 мм поступает для измельчения в ба­рабанные (шаровые и стержневые) мельницы. При вращении барабана измельчающая среда (шары, стержни, куски руды) и измельчаемая среда поднимаются на определенную высоту, а затем скользят, скатываются или падают вниз. Измельчение происходит за счет удара падающей из­мельчающей среды, раздавливания и трения между перекатывающимися слоями содержимого мельницы. Движение материала вдоль барабана происходит от перепада уровней загрузки и разгрузки: при мокром из­мельчении материал транспортируется водой, а при сухом - воздушным потоком. Конструктивные типы барабанных мельниц различаются по ро­ду измельчающих тел, форме барабана, способам измельчения и разгруз­ки измельченного продукта.

3.6.1. Мельницы

На обогатительных фабриках применяются ша­ровые и рудно-галечные мельницы с разгрузочной решеткой, шаровые мельницы с центральной разгрузкой, стержневые мельницы с централь­ной разгрузкой, рудные мельницы для мокрого самоизмельчения типа «Каскад» и рудные мельницы для сухого самоизмельчения типа «Аэрофол». Мельницы характеризуются внутренним диаметром D барабана и его рабочей длиной L.

Барабанная мельница (рис. 3.12, а) представляет собой обычно цилиндрический (иногда конический или цилиндроконический) барабан 1 с торцевыми крышками 2, 3 и пустотелы­ми цапфами 4, 5, опирающимися на подшипники б, 7. Исходный материал загружается через одну цапфу, а измельченный про­дукт разгружается через другую. Движение материала вдоль оси барабана происходит за счет перепада уровней загрузки и разгрузки и напора в результате непрерывной загрузки ис­ходного материала: при мокром измельчении материал тран­спортируется водой, а при сухом - воздушным потоком.

При вращении барабана измельчающая среда (стальные шары, стержни, куски руды или рудная галя) и измельчаемая руда благодаря трению поднимаются на некоторую высоту и затем сползают, скатываются или падают вниз. Измельчение происходит за счет удара падающей измельчающей среды, раздавливания и трения между частицами и перекатывающи­мися слоями содержимого мельницы. Вклад удара, трения и раздавливания в работу измельчения зависит от режима ра­боты мельницы, определяемого частотой вращения ее бара­бана, по отношению к критической n_кр, когда для частицы или дробящего тела, например шара, в наивысшей точке А (рис. 4.12,б) достигается равновесие двух основных действую­щих сил — центробежной силы F и силы тяжести Р — и они уже не могут оторваться от поверхности вращающегося барабана.

Рис. 4.12. Схема барабанной вращающейся мельницы (а) и движения в ней мелющих тел при каскадном (б), водопадном (в) и смешанном (г) режимах измельчения

Для этих условий:

мин^-1

где D — внутренний диаметр барабана мельницы.

В промышленных условиях мельницы работают при час­тоте вращения барабана, равной 50 — 88 % критической, в кас­кадном, водопадном или смешанных режимах измельчения в зависимости от характера измельчаемого сырья, его исходной и необходимой конечной крупности.

Каскадный (перекатный) режим (рис. 4.12, б) наблюдается при небольшой частоте вращения бара­бана, составляющей 50 — 60 % критической. Мелющие тела, например шары, поднимаясь на некоторую высоту, затем ска­тываются «каскадом» или сползают вниз, измельчая материал главным образом раздавливанием и истиранием. Режим используется с целью: получения однородного по крупности продукта измельчения перед его, например, гравитационным обо­гащением; предотвращения ударных воздействий мелющих тел на материал и тем самым переизмельчения хрупких мате­риалов или некрепких пород; разупрочнения сростков и улуч­шения степени их раскрытия при доизмельчении концентра­тов и промпродуктов обогащения. Разупрочнение сростков обусловлено множеством относительно слабых ударов, произ­водимых мелющими телами при их каскадном перемещении относительно друг друга. Уменьшение диаметра шаров до 25-40 мм, но увеличение их количества, приводящее к уменьшению энергии ударов, но к увеличению их числа, повышает эффек­тивность разупрочнения и раскрытия сростков при уменьше­нии энергозатрат на 25-30 % без снижения удельной произ­водительности мельницы по готовому классу крупности. По­ложительным явлением при каскадном режиме измельчения является также внутримельничная классификация, благодаря которой в нижней части барабана концентрируются и подвер­гаются измельчению лишь наиболее крупные и тяжелые сро­стки; более тонкие частицы, находясь в пульпе выше зоны, заполненной мелющими телами, не измельчаются и выносят­ся из мельницы потоком. Для обеспечения этой классифика­ции измельчение проводится на относительно разбавленных пульпах (44 - 50% твердого), что необходимо также и для обе­спечения достаточной интенсивности измельчения при пере­катывании мелющих тел, так как слишком густая пульпа чрез­мерно смягчала бы их воздействие на измельчаемые зерна.

Водопадный (катарактный) режим (рис. 4.12, в) осуществ­ляется при частоте вращения барабана 75-88 % критической, обеспечивающей переход всех или большинства слоев мелю­щих тел с круговой на параболическую траекторию. Измель­чение материала при этом происходит главным образом за счет удара падающих тел и лишь незначительно за счет раз­давливания и истирания. Эффективность измельчения возрас­тает с увеличением плотности пульпы до 65-80 % твердого за счет уменьшения гасящего действия жидкой фазы на силу удара мелющего тела. Однако слишком большая плотность пульпы приводит к переизмельчению материала и может стать причиной забивки мельницы. Водопадный режим является наиболее оптимальным при измельчении крупнодробле­ных и трудноизмельчаемых материалов и широко использу­ется в настоящее время в промышленной практике.

Смешанный режим (рис. 4.12, г) является промежуточным между каскадным и водопадным режимами измельчения и наблюдается при частоте вращения барабана 60-75 % кри­тической. При этом внешние слои мелющих тел падают на внутренние слои материала, скатывающегося по склону вниз.

Оптимальная частота вращения барабана при всех режи­мах измельчения зависит от степени или коэффициента на­полнения его мелющими телами, которые изменяются от 30 до 50%. Чем больше их значение, тем меньше оптимальная частота вращения барабана.

Технологическая и экономическая эффективность работы барабанных вращающихся мельниц зависит не только от ре­жима измельчения, плотности пульпы и степени заполнения барабана мелющими телами. Существенное влияние на нее оказывают также характеристика измельчающей среды, про­филь и качество футеровки барабана, исходная и конечная крупность измельчаемого материала, его измельчаемость, кон­структивные особенности мельницы.

В качестве измельчающей среды наиболее часто исполь­зуются стальные шары, стержни, куски руды или рудная галя. Максимальный размер мелющих тел, загружаемых в мельни­цу, в 13-33 раза больше максимального куска измельчаемого материала. Для измельчения крупных и твердых материалов применяются более крупные, а для измельчения мелких и мяг­ких материалов -более мелкие мелющие тела. К примеру, раз­мер загружаемых стальных шаров изменяется от 100-125 до 25-30 мм. С целью повышения эффективности воздействия мелющих тел на измельчение материала, раскрытие сростков и снижение энергозатрат:

• производят рационирование гранулометрического состава измельчающей среды догрузкой мелющих тел (например, шаров) разного размера с учетом гранулометрической характеристики измельчаемого материала;

• применяют барабаны цилиндроконической и конической формы, способствующие рациональному распределению мелющих тел и измельчаемого материала по их крупности вдоль барабана: там, где диаметр и окружная скорость бара­бана больше, т. е. в начале барабана, сосредотачиваются бо­лее крупные мелющие тела и куски руды; последующее уменьшение диаметра барабана в направлении движения ма­териала сопровождается уменьшением крупности материала и мелющих тел;

• используют стальные тела нешарообразной формы, в том числе цильпебс, представляющий собой тела в виде цилин­дриков или усеченных конусов, шары из материалов различ­ной прочности или с изменяющейся твердостью по их радиусу.

Для защиты барабана мельницы от износа внутренняя по­верхность его футеруется (через каждые 6-15 мес.) плитами из марганцовистой, хромистой стали или резины. Их профиль (рис. 4.13) существенно влияет на характер движения измель­чающей среды.

Рис. 3.13. Профили ступенчатой брусчатой (а), каскадной (б), волнистой (в), гладкой (г), резиновой (д) и магнитной (е) футеровок

При ступенчатой, каскадной и волнистой футеровках (рис. 4.13, а — в) мелющие тела поднимаются выше и сила удара их больше, чем при гладкой (рис. 4.13, г) и резино­вой (рис. 4.13, д), используемых обычно для измельчения бо­лее мелких или более мягких материалов. При этом примене­ние резиновых футеровок является более эффективным, по сравнению с металлическими, так как позволяет увеличить срок их службы, уменьшить трудозатраты при перефутеровках барабана, а также энергозатраты и шум при работе мель­ницы. В последнее время начали применять магнитную футе­ровку, состоящую из керамических постоянных магнитов завулканизированных в резину (рис. 4.13, е). Магниты одной стороной прижимают футеровку к барабану, а другой — притягивают магнитный материал (измельчаемую магнетитовую руду, стальные мелющие тела), образуя постоянно восстанав­ливаемый защитный слой.

Технические характеристики барабанных мельниц преставлены в табл.3.16-3.19.

Таблица 3.16

Основные параметры вращающихся барабанных мельниц

Тип и размер мельниц	Внутр. диаметр барабана, мм	Длина барабана, мм	Рабочий объем барабана, м3	Частота вращения барабана, мин-1	Максим, размер загружаемых кусков, мм	Масса мельницы т	Мощность электро-двигателя, кВт
Мельницы мокрого (ММС) и сухого (МСС) самоизмельчения
ММС- 1500×400	1500	400	0,6	30	150	10,5	40
ММС-2100×500	2100	500	1,4	18-28	300	18,7	40
ММС-5000×1800	5000	1800	30	13,5-18,4	350	167,2	620
ММС-7000×2300	7000	2300	75	13	400	382,5	1600
ММС-7000×бООО	7000	6000	200	13	400	700	4000
ММС-9000×ЗООО	9000	3000	160	11,5	600	722,5	4000
ММС-9000×3500	9000 ___ ,	3500	195	11,5	600	755	4000
ММС- 10000×5000	10000	5000	380	10,2	750	1600	2×4000
ММС-5700×1850	5700	1850	55	13-18	300	179,3	705
Галечные и рудно-галечные мельницы
МГР-4000×7500	4000	7500	83	17,4	.	310	1600
МШГР-4500×6000	4500	6000	83	16,5	-	345	2000
МГР-5500×7500	5500	7500	160	13,6	_	650	3200
МГР-6000×12500	6000	12500	320	13,2	-	900	6300

Таблица 3.17

Основные параметры стержневых мельниц (МСЦ) для мокрого измельчения

Тип и размер мельниц	Толщина футеровки, мм	Внутр. диаметр барабана, мм	Длина барабана, мм	Рабочий объем барабана, м	Частота вращения в % от критич.	Масса стержн. загрузки (максим.)т	Масса мельницы, т	Мощность электро­двигателя, кВт
МСЦ-900×1800	60	900	1600	0,9	66,8	2	5,2	22
МСЦ- 1200×2400	65	1200	2400	2,2	66,0	5	13,5	40
МСЦ- 1500×3000	70	1500	3000	4,4	67,2	10	23	110
МСЦ-2 100×2200	80	2100	2200	6,5	61,6	15	46	160
МСЦ-2 100×3000	80	2100	3000	8,8	64,9	20	52	200
МСЦ-2700×3600	95	2700	3600	18	58,4	41	81	400
МСЦ-3200×4500	ПО	3200	4500	32	58,9	73	140	800
МСЦ-3600×5500	105	3600	5500	49	59,6	114	170	1000
МСЦ-4000×5500	120	4000	5500	61	59,7	141	250	2000
МСЦ-4500×6000	120	4500	6000	85	60,8	196	310	2500

Таблица 3.18

Основные параметры шаровых мельниц (МШР) для мокрого измельчения

Тип и размер мельниц	Толщина футеровки мм	Внутр. диаметр барабана, мм	Длина барабана мм	Рабочий объем барабана, м3	Частота вращения в % от критич.	Масса шаров, загрузки (макс.), т	Масса мельницы, т	Мощность электро­двигателя, кВт
МШР-900×100	60	900	1000	0,5	83,7	1,0	5,3	13
МШР-1200×1300	65	1200	1300	1,2	85,6	2,4	10,5	30
МШР-1500×1600	70	1500	1600	2,3	82,9	4,8	16,5	55
МШР-2100×1500	80	2100	1500	4,4	80,3	9,1	35,5	132
МШР-2 100×2200	80	2100	2200	6,5	80,3	13,4	40,5	160
МШР-2 100×3000	80	2100	3000	8,8	80,3	18,3	45,5	200
МШР-2700×2100	95	2700	2100	10	78,9	21,5	67	315
МШР-2700×2700	95	2700	2700	13	78,9	28	71	315
МШР-2700×3600	95	2700	3600	18	78,9	37	78	400
МШР-3200×З10О	105	3200	3100	22	81,0	45	97	630
МШР -3200×3800	105	3200	3800	27	81,0	55	-	800
МШР-3200×4500	105	3200	4500	32	81,0	65	141	1000
МШР-3600×4000	ПО	3600	4000	36	78,7	74	160	1000
МШР-3600×5000	ПО	3600	5000	45	78,7	93	165	1250
МШР-4000×5000	120	4000	5000	55	79,9	115	265	2000
МШР-4500×5000	120	4500	5000	71	80,4	148	300	2500
МШР-4500×6000	120	4500	6000	85	80,4	177	-	2500
МШР-5000×6500	120	5000	6500	141	74,0	290	-	-
МШР-6000×8000	120	6000	8000	208	75,0	430	-	-

Таблица 3.19

Основные параметры шаровых мельниц (МШЦ) для мокрого измельчения

Тип, размер мельниц	Толщина фу­теров-ки, мм	Внутр. диаметр барабана, мм	Длина барабана, мм	Рабочий объем барабана, м3	Частота вращения в % от критич.	Масса шаров, загрузки (макс.), т	Масса мельницы, т	Мощность электро­двигателя, кВт
МШЦ-900×1800	60	900	1800	0,9	83,7	1,7	5,2	22
МШЦ-200×2400	65	1200	2400	2,2	85,6	4,2	14	45
МШЦ-1500×3000	70	1500	3000	4,4	82,9	8,4	23	110
МШЦ-2100×2200	80	2100	2200	6,5	80,3	12,5	40	160
МШЦ- 2100×3000	80	2100	3000	8,8	80,3	17,1	46,5	200
МШЦ-2700×3600	95	2700	3600	18	78,9	34	76	400
МШЦ-3200×3100	105	3200	3100	22	81,0	42	90	630
МШЦ-3200×4500	105	3200	4500	32	81,0	61	140	800
МШЦ-3600×5500	110	3600	5500	49	78,7	95	170	1250
МШЦ-4000×5500	120	4000	5500	61	79,9	118	250	2000
МШЦ-4500×5500	12С	4500	5500	78	80,4	151	310	2500
МШЦ-4500×6000	12С	4500	6000	85	80,4	165	355	2500
МШЦ-4500×8000	12С	4500	8000	114	80,4	220	450	3150
МШЦ-5000×10500	120	5000	10500	186	78,7	360		—
МШЦ-5500×6500	12С	5500	6500	141	74,0	273	690	4000
МШЦ-5500х10500	120	5500	10500	228	74,0	440
МШЦ-6000×8000	120	6000	8000	208	75,0	400	-
МШЦ-8500×8500	120	8500	8500	221	75,0	426	-	-

Основными параметрами, характеризующими механический режим работы барабанной мельницы, являются: относительная частота враще­ния барабана ψ (%), относительное заполнение измельчающей средой барабана мельницы φ (%). В зависимости от частоты вращения барабана мельницы различают следующие режимы движения измельчающих тел: каскадный, водопадный, смешанный. Каскадный режим осуществляется при малой частоте вращения барабана посредством перекатывания из­мельчающих тел без их полета. При водопадном режиме измельчающая среда поднимается по круговым траекториям на большую высоту и па­дает водопадом по параболическим траекториям, нанося удары по руде, находящейся на круговых траекториях. Смешанный режим характери­зуется постепенным переходом от чисто каскадного к чисто водопадно­му режиму.

Сверхкритический режим наступает при частоте вращения бараба­на выше критической, при которой начинает центрифугировать измель­чающая среда и при которой работа измельчения равна нулю.

Критическая частота вращения барабана мельницы определяется по формуле [3,4]

(3.36)

где R - внутренний радиус барабана мельницы, м.

Наиболее высокие показатели измельчения достигаются при сле­дующих значениях φ и ψ:

Мельницы	Шаровые	Стержневые	«Каскад»	«Аэрофол»
φ	40-50	35-40	38-42	35-42
ψ	75-80	65-70	70-75	85-85

В качестве измельчающей среды применяют шары и стержни из различных марок стали диаметром 15-25 мм. Расход шаров при различ­ной крупности измельчаемого продукта составляет 0,5-1,5 кг/т, расход стержней 0,5-1,0 кг/т.

В последнее время наблюдается повышенный интерес к проблеме самоизмельчения в барабанных мельницах. Для многих типов руд самоизмельчение дает лучшее раскрытие рудных минералов, повышает качественно-количественные показатели, снижает расход стали (шаров, стержней) и затраты на обогащение руды.

Самоизмельчение применяется для измельчения материалов круп­ностью от 250-500 мм до 0,3 мм. Сущность процесса рудного самоизмельчения заключается в том, что куски руды крупнее 75 мм (дробящие тела) измельчают в мельнице более мелкие зерна руды и сами измель­чаются. Рудные мельницы типа «Каскад» и «Аэрофол» имеют большой диаметр (до 11-17 м) и сравнительно малую длину - отклонение D/L ≥ 3. Мельницы типа «Каскад» применяют для мокрого рудного самоизмельчения железных, золотосодержащих руд вместо конусных дробилок для среднего и мелкого дробления, стержневых и шаровых мельниц для доизмельчения продукта. Мельницы типа «Аэрофол» применяют для су­хого рудного измельчения на фабриках, обогащающих железные, золо­тосодержащие, урановые и полиметаллические руды, а также для про­изводства цемента. В некоторых случаях в мельницы самоизмельчения загружают 8-10 % шаров диаметром 100-150 мм. Преимущества мель­ниц самоизмельчения: заменяют две-три стадии дробления и одну-две стадии измельчения, обеспечивая получение готового продукта, при этом значительно упрощается технологическая схема фабрики.