GrindForce — физические принципы работы мельницы тонкого измельчения Outotec HIGmill™

Стив Шмит — Директор по коммерциализации технологии HIGmill™

Решения по измельчению с перемешиванием мелющей среды приходят на смену традиционным мельницам барабанного типа и уже стали эталоном оборудования для доизмельчения на переделах флотации и тонкого помола на участках выщелачивания. Это обусловлено в большей степени преимуществами в энергоэффективности мельниц такого типа. Переход к технологиям измельчения с перемешиванием мелющей среды вызван растущими требованиями по обеспечению тонкого помола для увеличения степени раскрытия минералов, поступающих в переработку, и ввиду того, что более тонкий помол требует увеличения затрат энергии на измельчение. Кроме того, наблюдается снижение исходного содержания полезного компонента в руде, что приводит к необходимости измельчения большего объема породы для получения того же количества ценного металла.

Горнодобывающая отрасль нуждается в инновационных технологиях и решениях, позволяющих снизить себестоимость производства, и ключевым направлением оптимизации является снижение энергопотребления. Вне горнодобывающей отрасли существуют технологии, которые имеют ценное межотраслевое применение. Следует особо выделить возможности межотраслевого переноса технологий и ноу-хау, возникающие благодаря схожести отраслей рудных и нерудных полезных ископаемых. Одной из таких межотраслевых технологий, применяемой в переработке нерудных полезных ископаемых, является технология измельчения Outotec HIGmill™, которая позволяет достичь существенной экономии затрат энергии на помол мелких частиц.

Технология HIGmill™

HIGmill™ представляет собой вертикальную мельницу тонкого помола, которая работает по принципу измельчения с перемешиванием мелющей среды. Ее конструкция включает приводной механизм, который присоединен к вертикальному валу, вращающемуся в неподвижном корпусе камеры измельчения. На валу вместо плоских дисков традиционных мельниц с перемешиванием установлены вращающиеся мелющие роторы GrindForce. Мелющие роторы производят перемешивание слоя тонких (2–6 мм) керамических мелющих тел (бисера), создавая условия для высокоэффективного измельчения истиранием. На корпусе мельницы закреплены неподвижные контрдиски, являющиеся уникальной конструктивной особенностью мельниц HIGmill™. Поток пульпы течет вверх и проходит через зоны измельчения, ограниченные неподвижными контр-дисками.

Пространство вокруг каждого ротора можно рассматривать как отдельную стадию классификации, где грубые частицы перемещаются к стенкам камеры, в то время как более мелкие частицы быстрее поднимаются вверх сквозь отверстия в роторах. Благодаря вертикальному расположению мельницы HIGmill™, классификация происходит одновременно с помолом, при этом крупные частицы более продолжительное время находятся на периферии, где имеется высокая концентрация мелющих тел, а более мелкие частицы перемещаются вверх. Неподвижные контр-диски создают раздельные зоны измельчения вокруг каждого ротора, которых в мельнице HIGmill™ имеется от 15 до 20 — больше чем у любых других мельниц с перемешиванием мелющей среды, представленных на рынке. Кроме того, эти отдельные неподвижные контрдиски обеспечивают последовательное движение пульпы и мелющей среды через зоны измельчения, что исключает возможность возникновения байпасных потоков или мертвых зон в рабочем объеме аппарата, который занимает около 60–70 % общего объема мельницы.

Рис. 1. Мельница Outotec HIGmill™, установленная на одном из предприятии в Европе

Физические принципы

Физические принципы объясняют ключевые механизмы измельчения с перемешиванием мелющей среды и, в частности, мельницы HIGmill™, разработка которой на протяжении многих лет была нацелена на достижение экономии энергоресурсов. В статье используются основы физики для объяснения базовых принципов работы мельницы HIGmill™ и причин того, почему ее уникальная конструкция, которая представляет собой трубчатый сосуд с мелющими роторами и неподвижными контрдисками, где течение пульпы происходит в поршневом режиме, идеально подходит для эффективного измельчения частиц минералов.

Поршневой поток

Знание теории поршневого режима течения в гидродинамике, при котором практически не происходит обратного смешения жидкости, помогает понять важные достоинства конструкции мельницы HIGmill™.

В гидродинамике поршневой поток является упрощенной моделью профиля скоростей течения жидкости в трубе, в которой скорость жидкости считается постоянной в любом сечении плоскости, перпендикулярной оси потока в камере. Течение жидкости и характер смешивания в мельнице HIGmill™ можно считать аналогичными поршневому режиму, рассматриваемому в химическом машиностроении, или потоку в трубчатом реакторе. Трубчатый реактор представляет собой простой реактор непрерывного действия, в котором реагенты подаются в основание вертикального сосуда, что аналогично подаче пульпы насосами в мельницу HIGmill™.

В химическом машиностроении считается, что реактор не обеспечивает идеальные условия течения и перемешивания, если профиль движения жидкости отклоняется от условий идеального поршневого потока и в камере реактора возникают байпасные потоки и мертвые зоны. Поэтому, создание реактора с поршневым режимом движения потока, таким как HIGmill™, исключает возможность возникновения байпаса или мертвых зон в объеме мелющей камеры. Кроме того, конструкция, создающая поршневой режим течения, снижает обратное смешивание частиц, обеспечивая более единообразную крупность готового продукта измельчения и узкий гранулометрический состав, при котором наибольшее количество частиц максимально приближено к целевой крупности помола (P80).

Узкий гранулометрический состав исключительно важен для оптимизации следующих за измельчением переделов флотации и выщелачивания, что позволяет оптимизировать металлургические параметры по извлечению и качеству.

Теоретически, для создания идеального поршневого потока требуется бесконечное число смесительных реакторов непрерывного действия, соединенных последовательно. Предполагается, что в одном реакторе идеального смешения непрерывного действия поступающая жидкость немедленно смешивается и концентрация на входе равна концентрации на выходе единичного сосуда (Cвх = Cвых). Это показано на рисунке 2.

Рис. 2. Предполагается, что в одном реакторе идеального смешения непрерывного действия поступающая жидкость немедленно смешивается и концентрация на входе равна концентрации на выходе единичного сосуда

Соединяя последовательно несколько реакторов идеального смешения непрерывного действия мы создаем режим течения, приближенный к поршневому, как показано на рисунке 3. 

Рис. 3. В практике химического машиностроения несколько смесительных реакторов непрерывного действия соединяются последовательно для создания режима течения, приближенного к поршневому

Отдельные зоны измельчения между неподвижными контрдисками GrindForce мельницы HIGmill™ работают как последовательно соединенные смесительные реакторы непрерывного действия, при этом 15–20 последовательных зон измельчения HIGmill™ обеспечивают режим движения, приближенный к поршневому потоку. Обе неотъемлемые составляющие создания поршневого режима течения — непрерывный поток и трубчатая конструкция камеры измельчения — присутствуют в устройстве мельницы HIGmill™. Мельница HIGmill™ имеет конструкцию вертикальной трубчатой камеры измельчения с самым большим соотношением высоты к ширине среди всех мельниц, представленных на рынке сегодня.

Измельчение истиранием

С точки зрения технологии, эффективность помола и степень измельчения продукта мельницы HIGmill™ определяются тремя основными факторами, а именно:
1. Механизмами напряжений сдвига и сжатия, создаваемого мелющей средой.
2. Частотой воздействий напряжений на частицы сырья.
3. Интенсивность каждого воздействия.

Механизм измельчения с перемешиванием мелющей среды почти на 100 % представлен истиранием, в отличие от измельчения ударным действием мельниц барабанного типа, таких как мельниц ПСИ и шаровых мельниц. Ударное измельчение эффективно работает с крупными частицами (>1 мм), при этом метод разрушения заключается в разбивании частиц за счет прямого падения на них мелющих тел, таких как металлические шары в барабанных мельницах. Однако, для тонкого измельчения (<1 мм), более эффективно применение измельчения истиранием, особенно если необходимо получение частиц размером менее 75 мкм.

В мельницах с перемешиванием мелющей среды действуют два  основных механизма измельчения,  а именно:
1. Воздействие напряжения сдвига между двумя поверхностями, то есть напряжения, направленного параллельно поверхности материала, например, мелющей среды или стенки мельницы.
2. Воздействие сжатия между двумя поверхностями, то есть напряжения, направленного перпендикулярно поверхности материала.

Эти механизмы показаны на  рисунке 4.

Рис. 4. В мельницах с перемешиванием мелющей среды действуют два основных механизма измельчения

Частота воздействий вышеуказанных механизмов на частицы сырья пропорциональна числу контактов частиц со средой и вероятности захвата частицы и оказания на нее достаточного воздействия. При этом оба фактора сильно зависят от конкретной конструкции мельницы тонкого помола. Особенности конструкции перемешивающего устройства, число зон измельчения в камере, скорость вращения перемешивающего устройства, время пребывания и наличие или отсутствие байпаса или мертвых зон, являются исключительно важными характеристиками мельницы, которые учтены в новейшей конструкции GrindForce мельницы HIGmill™. Более того, HIGmill™ является единственной мельницей на рынке, в которой используются неподвижные контрдиски уникальной конструкции GrindForce, установленные на стенках корпуса, которые исключают возможность образования байпсаса в мельнице, в то время как трубчатая конструкция с увеличенным по сравнению с любыми другими мельницами количеством зон измельчения исключает всякую возможность образования мертвых зон в сосуде.

GrindForce

GrindForce является торговой маркой новой профильной конструкции ротора компании Outotec, используемого в мельницах с перемешиванием мелющей среды. Название происходит от наименования очень удачной конструкции механизма флотомашин FloatForce®, который, как и GrindForce, представляет собой механизм перемешивания нового поколения. Ключевой особенностью конструкции HIGmill™ является перемешивающее устройство (ротор) с неподвижными контрдисками камеры измельчения, являющимися аналогами ротора и статора механической флотационной машины. Главным элементом флотационной машины является перемешивающий механизм, состоящий из ротора и статора, который осуществляет перемешивание пульпы, диспергирование воздуха и создает кинетическую энергию турбулентного потока. Турбулентный поток требуется для ускорения частиц и придания им достаточной энергии для надлежащего контакта между частицами и пузырьками воздуха. Аналогичным образом в мельнице HIGmill™ механизм GrindForce обеспечивает более эффективное перемешивание мелющей среды для улучшения взаимодействия частиц со средой.

Перемешивающее устройство первой мельницы HIGmill™, установленной на обогатительной фабрике, отличалось несколькими изменениями в выборе материала для изготовления по сравнению с дисками, используемыми при переработке нерудных материалов, однако принципиальная конструкция и профиль оставались без существенных изменений. В основе конструкции лежал плоский цельный диск с расположенными под углом спицами, имеющий шпоночное соединение с валом, во многом аналогичный дискам других мельниц с перемешиванием мелющей среды, представленных на рынке сегодня. Однако инженеры-конструкторы Outotec стремились разработать уникальную для современного рынка технологию и приступили к решению этой задачи силами собственной команды специалистов по измельчению с использованием лучших в мире средств по моделированию с помощью метода дискретных элементов (DEM). Моделирование с помощью DEM применялось для анализа напряжения сдвига, происходящего между поверхностью мелющего диска и слоем мелющей среды, а также интенсивности перемешивания, которое может быть достигнуто при использовании плоского диска.

Результатом этой работы стал переход от обычных мелющих дисков с плоской поверхностью к профилированным мелющим роторам, которые в сочетании с неподвижными контр-дисками образуют механизм GrindForce. Моделирование с помощью DEM показало, что с новой конструкцией, скорости ротора и слоя мелющей среды, находящейся в контакте с ротором, будут примерно одинаковыми, что существенно снижает напряжение сдвига, вызывающее износ. Другим значительным преимуществом применения роторов по сравнению с плоскими дисками, на которое указало моделирование с помощью DEM, стало улучшение движения среды. В результате моделирования было установлено, что плоская поверхность мелющих дисков не является лучшим решением с точки зрения перемешивания, в то время как именно перемешивание/движение среды лежит в основе измельчения истиранием. Ротор обеспечивает более высокую интенсивность и частоту, с которыми частицы сырья подвергаются воздействию со стороны слоя мелющей среды.

По результатам моделирования с помощью DEM были изготовлены полноразмерные мелющие роторы и установлены на промышленной мельнице на обогатительной фабрике. Работа установки отслеживалась на протяжении 8 месяцев. Модернизация продемонстрировала превосходные результаты — интервал между заменами мелющих роторов превысил целевой показатель в 4 тыс. часов эксплуатации, поскольку только треть роторов GrindForce по истечении этого времени потребовала замены. Дополнительным положительным эффектом стало значительное улучшение эффективности измельчения до целевой крупности. Это объясняется улучшением передачи энергии между поверхностью ротора GrindForce и измельчаемым материалом. На рисунке 5 показано существенное повышение энергоэффективности в промышленной эксплуатации мельниц HIGmill™ после внедрения новейших мелющих роторов GrindForce. Примечательно то, что на момент подготовки отчетных данных только 9 из 17 исходных плоских дисков были заменены на роторы GrindForce.

Рис. 5. Мелющие роторы GrindForce* — энергоэффективность в промышленной эксплуатации

Заключение

Мельницы HIGmill™ компании Outotec обеспечивают гарантированные, проверенные производственные показатели и высокую эффективность измельчения. Понимание физических процессов и собственные исследования и разработки в области гидродинамики мельниц измельчения с перемешиванием мелющей среды позволили компании Outotec разработать конструкцию роторов и статоров GrindForce через год после создания самих мельниц HIGmill™. Промышленная эксплуатация подтвердила, что применение роторов и статоров GrindForce обеспечивает существенное улучшение показателей мельниц HIGmill™ в сочетании с повышением износоустойчивости. 

Опубликовано в журнале "Золото и технологии" № 1/март 2018 г.