Мельница самоизмельчения консольного типа

В.Г. Кочнев — генеральный директор ЗАО «Техника и Технология Дезинтеграции».

На рис. 1, 2, 3, 4 показаны фотографии работающих мельниц самоизмельчения с размерами барабана D х L = 1,7 х 0,8; 3,0 х 1,1; 4,0 х 1,12; 5,02 х 1,33.

Представленные разработки, несомненно, являются инновационными, и вот почему. Прежде всего, конфигурация барабана, она имеет совершенно нетипичное соотношение диаметра к длине (D:L), оно составляет 3,75–8,8, причем для мелких машин диаметром от 3-х до 5-ти метров этот параметр 3,75–4,45, а для мельниц большого диаметром 8–17 м соотношение составляет уже 5,53–8,8. Для конкурентных мельниц диаметром 10–13 м этот показатель находится в пределах 1,9–2,2. Позже попробуем обосновать преимущество высокого значения соотношения D:L.

Рис. 1. D х L = 1,7 х 0,8

Второй инновационный компонент разработки — это необычная конструкция футеровки, мы назвали ее каблучковой по аналогии с элементами дамских туфель. Необычная конструкция футеровки не главное ее достоинство — применение для некоторых руд (например, кимберлиты) дали колоссальные показатели — прирост производительности до 80% и снижение энергозатрат до 55%. Более подробно каблучковая футеровка будет рассмотрена ниже.

Рис. 2. D х L = 3,0 х 1,1

Третье инновационное решение, которое является неотъемлемой частью нашей мельницы, это разгрузочная решетка.

Чрезвычайно малый объем проведенных по решетке НИР и ОКР в России и мире в какой-то степени оправдывает их низкую эффективность, что и послужило основной причиной перехода на малоэффективную разгрузку через горловину (сливной тип разгрузки). Более подробно наша разгрузочная решетка будет рассмотрена ниже, в самостоятельном разделе.

Рис. 3. D х L = 4,0 х 1,12

Четвертая инновационная составляющая разработки — это отсутствие необходимости использования уникальных станков для изготовления наших крупногабаритных мельниц, что делает их недосягаемыми (в наше время и в обозримом будущем) по скорости изготовления, доставки к месту эксплуатации с мельницами уважаемых конкурентов.

Пятое — на базе принципиального решения, а именно консольного крепления барабана, появляется возможность создания уникальных модификаций, таких как — двухконсольные мельницы, где оба барабана работают в режиме самоизмельчения или шаровом режиме, либо один барабан работает как первичная мельница, а второй — как шаровая мельница. И все это на одном валу и на одной раме.

Рис. 4. D х L = 5,02 х 1,33

Шестое — эти мельницы работают на подшипниках качения, используя либо консистентную смазку (при диаметре барабана до 8 метров), либо местную циркуляционную смазку (при диаметре свыше 8 метров). В любом случае мощные маслостанции и уникальные по сложности подшипники скольжения, как это у мельниц конкурентов, для наших мельниц не требуются.

Седьмое инновационное решение — наличие собственной несущей рамы, что для монтажа мельницы позволяет использовать натуральную подложку (ровный участок земли) для мелких мельниц, либо бетонную подложку (300–500 мм) для крупных мельниц. А в два раза меньшая масса мельниц при одинаковой производительности по сравнению с конкурентными мельницами позволяет смонтировать их и на металлических высотных конструкциях. И что еще важно — установка мельницы в горизонтальном положении до десятых долей градуса не является обязательной.

Рис. 5. Мельница самоизмельчения консольного типа с размерами барабана 4,0 х 1,12 м.

Восьмое инновационное решение — обеспечение прямого привода (без венцовой шестерни) для мельниц до 1000 кВт и применение небольшой (до 4-х метров) венцовой шестерни для мельниц свыше 1000 кВт.

Краткая история развития техники и технологии самоизмельчения

Появление первых мельниц самоизмельчения в рудной отрасли следует отнести к 1890 году [1], хотя в английской керамической промышленности они стали известны в 1870 году [2] . Первая промышленная мельница, очень напоминающая современные, была изготовлена в 1932 году. Патент на нее получил норвежский инженер A.D. Hadsel. Диаметр мельницы составлял 7320 мм при ширине 900 мм и мощности привода 100 л.с. Максимальная крупность куска в загрузке мельницы составляла 300 мм [1].

Рис. 6. Монтажные и транспортные узлы мельницы самоизмельчения консольного типа с размерами барабанов 5,0 х 1,33 м.

В 1934 году появилась мельница H. Hardinge, изготовленная по лицензии A.D. Hadsel. С тех пор, когда речь идет о мельницах самоизмельчения, ее родоначальником считается H.Hardinge. В последующие годы, особенно после первого применения мельницы самоизмельчения (фабрика Vassbov, Швеция) начинается настоящий ажиотаж — создается огромное количество специальных компаний и исследовательских учреждений, создающих новые конструкции элементов мельниц, их испытание и промышленное освоение.

Зарубежные мельницы			Отечественные мельницы
Размер барабана, D х L, м		D:L	«ТЯЖМАШ»			«УРАЛМАШ»			«ТТД»
			Размер барабана, D х L, м		D:L	Размер барабана, D х L, м		D:L	Размер барабана, D х L, м		D:L
D	L		D	L		D	L		D	L
5,49	1,83	3,00	5,00	2,30	2,30	5,70	1,85	3,08	5,00	1,33	3,76
6,71	2,13	3,15	7,00	2,30	3,04	8,70	2,60	3,35	8,30	1,50	5,53
7,32	2,44	3,00	7,00	3,00	1,00				10,80	1,80	6,00
7,91	3,05	2,59	9,00	3,00 3,00	3,00				15,60	2,00	7,80
8,23	3,35	2,46	10,50	5,40	1,94				17,60	2,00	8,80
8,53	3,66	2,33							19,80	2,00	9,90
9,75	4,27	2,28
10,36	4,57	2,27
10,97	4,88	2,25
11,58	5,79	2,00
12,19	6,40	1,90
12,80	6,71	1,91
13,42	7,01	1,91

Табл. 1. Некоторые значения соотношения D:L для зарубежных и отечественных мельниц.

В СССР работы над созданием мельниц самоизмельчения, исследованием процесса измельчения начались лишь в 1963 году, когда за рубежом было внедрено уже около 400 мельниц. Институты Механобрчермет, Ленинградский Механобр, Гипронеметаллонеруд, Якутнипроалмаз, Иргиредмет, ВНИИцветмет за короткое время (1963–1980 гг.) выполнили огромный объем работ, как теоретического, так и прикладного характера. Было создано несколько полупромышленных установок в Усть-Каменогорске, Иргиредмете, ВНИИцветмете, в институте Якутнипроалмаз, на Новокриворожском ГОКе. Это время освоения уникальной техники в горнорудной отрасли, многообещающей техники. Оно характеризуется жаркими дискуссиями на конференциях, в научных статьях, конечно и в кулуарах. Рождаются научно-инженерные школы, привлекаются в огромных количествах выпускники горных институтов Ленинграда, Свердловска, Москвы, Красноярска, Иркутска. Мне выпало удивительное по интересу и по значимости инженерное дело, начать свой профессиональный путь в институте Якутнипроалмаз, в лаборатории А.Б. Лейтеса — выдающегося инженера и ученого. Именно под его руководством и с его изобретательской подачи была построена вторая в СССР крупная (D x L = 5,0 x 2,3 м) мельница самоизмельчения. Ее внедрение на фабрике №2 стало заметным событием не только в алмазодобывающей отрасли, но также послужило толчком к последующему внедрению мельниц диаметром 7,0; 9,0; 10,5 м. В 1973 году на Ингулецком ГОКе впервые была внедрена секция самоизмельчения на базе МБ 90 х 30 с доизмельчением промпродуктов в рудногалечной мельнице (безшаровое дробление-измельчение и доизмельчение). Данные по испытанию этой секции легли в основу проекта Лебединского ГОКа.

Рис. 7. Последовательность монтажных работ мельницы самоизмельчения с размером барабана 5,0 х 1,33 м.

В середине 70-х годов появилась концепция об отрицательном влиянии на показатели измельчения «критической» крупности. Это та крупность, которая чрезвычайно плохо поддается измельчению и в силу своей незначительной крупности и массы, не способна выступать в качестве мелющего тела. Из результатов исследований стало известно, что ее крупность составляет 50–70 мм. Борьба с «критической» крупностью приняла мировой масштаб. Из всего многообразия технологических приемов борьбы наиболее востребованным оказался прием добавления крупных шаров в мельницы самоизмельчения, из-за этого их название поменялось на мельницы полусамоизмельчения. В настоящее время около 90–96% мельниц в мире работают в режиме полусамоизмельчения, причем полученная из разгрузки мельницы «критическая» крупность додрабливается в дробилке, а продукт дробления возвращается в мельницу. Также необходимо отметить, что если на заре этого процесса добавка шаров составляла 3–5%, то сейчас не редкость — 10, 15, 18 и более процентов. По сути, идет приближение к шаровым мельницам, тем более что крупность исходного куска 130–160 мм теперь считается оптимальной. Пожалуй, одним из апологетов классического самоизмельчения остается алмазодобывающая отрасль — все-таки специфика не позволяет добавлять шары. Кстати сказать, крупность исходного куска на алмазных фабриках составляет 600–1200 мм и далеко не на всех фабриках применяется первичное дробление. Но вот, например, Ингулецкий и Лебединский ГОКи — как они-то выдерживают давление конъюнктуры — понять сложно, но вызывает уважение.

Табл. 8. Изготовление крупной мельницы самоизмельчения западного производителя.

Конструкция мельницы самоизмельчения консольного типа

На рис. 5 показана мельница с размерами барабана D x L = 4,0 x 1,4 м. Видно, что мельница имеет свою несущую раму, на которой смонтирован привод, состоящий из вала, закрепленного на двух подшипниковых опорах, зубчатой муфты, насаженной на один конец вала и соединенный с тихоходным валом редуктора. Быстроходный вал редуктора связан с электродвигателем посредством гидравлической муфты. На другом конце вала закреплен барабан мельницы. Как видно из фотографии передний торец барабана имеет отверстие для загрузки руды. Для проведения каких-либо ремонтных или профилактических работ отверстие увеличивается до 2-х метров, что позволяет выполнить, например, перефутеровку в течение суток, тем более что для режима самоизмельчения мы предлагаем поставить легкую резиновую футеровку каблучкового типа. Более подробные данные о конструкции каблучковой футеровки и технологических показателях, достигаемых с ее помощью, будут показаны дальше.

Табл. 9. Двухконсольная мельница ТТД с размерами барабана 17,6 х 4 м.

На рис. 6 показаны основные монтажные и транспортные узлы мельницы самоизмельчения консольного типа, а на рис. 7 — последовательность монтажных работ.

Как упоминалось выше, консольные мельницы самоизмельчения имеют нетипичное соотношение диаметра к длине (D x L). Что дает увеличение этого параметра? Попробуем разобраться.

Табл. 10. Мельница зарубежная с размерами барабана 13,4 х 7,0 м.

В работе [3], являющейся настольной книгой горного инженера-технолога, отмечено, что из-за колоссальной разницы в содержании крупного класса (речь идет о шаровых мельницах) в загрузочной и разгрузочной частях барабанной мельницы, эффективность измельчения меняется от максимума к минимуму. Поэтому, как считают уважаемые авторы: «было бы идеальным измельчение вести в мельницах настолько коротких, что материал подвергался бы минимально необходимому количеству ударов, и весь образовавшийся готовый продукт сразу же удалялся из мельницы». Казалось бы, очевидное утверждение, однако, на практике оно практически не используется.

Рис. 11. Расчет прочностных показателей барабана и вала мельниц самоизмельчения консольного типа с размером барабана 5,0 х 1,33 м.

К настоящему времени разработчики измельчительной техники так и не определились в части оптимизации соотношения диаметра барабана мельницы к его длине (D:L). На практике этот показатель колеблется от 0,3 до 3, причем, наибольшее расхождение наблюдается для мельниц само- и полусамоизмельчения. Например, для североамериканского континента характерно D:L = 2,5–3,0, для скандинавских стран — 0,9–1,1, для Южной Африки — 0,3– 0,5. Для шаровых мельниц этот показатель более унифицирован и составляет 0,7–0,9 (редко встречается 0,3 и 1,1). Хотя, на наш взгляд, именно для шаровых мельниц он важен. Несомненно, важен, но мы сейчас рассматриваем мельницы самоизмельчения, заглянуть во чрево которых весьма интересно. Во-первых, бросается в глаза (особенно в длинных южноафриканских мельницах), что на первом метре от загрузки мельницы материалом видны следы работы кусков руды — видна характерная гранулометрия — есть крупные, средние и мелкие и очень мелкие куски, окатанные, дробленые. Далее, через 1,5 метра и на всю длину (описание мельницы самоизмельчения диаметром 4 м и длиной 10 м) превалирует окатанная галя размером 50–80 мм без видимых следов дробления. Убедительная картина, позволяющая сделать однозначный вывод — работа дробления-измельчения проходит эффективно на расстоянии 1–1,5 м от загрузки мельницы, последующая длина обеспечивает, в основном, истирающий режим, малоэффективный для сформированной гали и малоэффективный с точки зрения использования подводимой мощности.

Рис. 12. Экспериментальная футеровка.

Этот эффект был хорошо изучен советским исследователем С.М. Гольдманом на примере изучения самоизмельчения в мельнице «Аэрофол». Используя отражательные кольца на торцах мельницы, ему удалось увеличить производительность мельницы на 23% и снизить удельные энергозатраты на 10–16% [4]. Исследователь объяснил это снижением продольной сегрегации, утрированную картину которой мы показали при описании южноафриканской мельницы.

Рис. 13. Футеровка на мельницы 7,0 х 2,3 м.

В таблице 1 приведены данные значений D:L для некоторых зарубежных мельниц с размерами барабанов от 5,49 х 1,83 до 13,42 х 7,01 м [5], а также для отечественных мельниц компаний «ТЯЖМАШ», «УРАЛМАШ» и «ТТД». Как видно из таблицы с ростом размеров мельницы снижаются значения D:L для зарубежных мельниц, компаний «ТЯЖМАШ» и «УРАЛМАШ», в то время как этот показатель для мельниц компании «ТТД» растет.

Протокол с результатами исследования.

С учетом постулата наших корифеев [3], выше процитированного, а также известной зависимости производительности от диаметра барабана в степени 2,6, а от длины в степени 0,8–1,0 [5] очевидно, что выгодно иметь большой диаметр и малую длину. Почему не делают? Этот вопрос и нас мучил долгое время. Может зарубежные исследователи знают что-то такое, а нам не показывают? Да нет, все гораздо проще — просто нет в достаточном количестве станков, которые бы расточили 12 или 14 м. Необходимых станков в мире два или три. Были бы станки — делали бы мельницы большого диаметра и маленькой длины. Посмотрите на рис. 8, как растачивают барабаны и к ним крышки — картина многоговорящая.

Рис. 14. Результаты испытаний каблучковой футеровки на мельнице D х L = 7,0 х 2,3 м. 

Ну а куда тогда… компания «ТТД» с диаметрами 15, 17 и 20 м. У нее есть такие станки? Нет, конечно, у нас нет таких станков, но у нас есть техническое решение, позволяющее делать мельницы указанных размеров, используя рядовые станки. По крайней мере, мельницы диаметром 5 м мы не растачиваем.

Теперь хотелось бы несколько слов сказать о предельном диаметре. В работе [6] приведены доказательства о существовании «критического» диаметра, был определен его размер, который составляет 11 м. Работа большая, интересная, насыщенная данными и графиками. Однако, сделанные выводы, на наш взгляд, требуют корректировки. Во-первых, снижение некоторой эффективности измельчения не связано с ростом диаметра, а связано с ростом длины, как следует из формулы [5]. Во-вторых, резкий спад производства мельниц диаметром 11 м и более не связан с увеличением диаметра, а находился в зависимости от успеха разработки и изготовления надежного кольцевого привода. Поскольку обечайка мельницы, где располагается привод, не допускает ни малейшего прогиба, то конструкция обечайки усилена за счет утолщения и применения соответствующих сталей. Отсюда и масса. Несомненно, предел диаметр когда-нибудь достигнет, но какой он будет — 30 или 120 м, пока сказать возможно только теоретически. По крайней мере, расчет дает оптимистический прогноз, что мельница диаметром 20 метров при длине 3 м обеспечит производительность на 22% больше, чем уже существующая самая большая мельница в мире 13,42 х 7,01 м, а с учетом каблучковой футеровки и новой разгрузочной решетки прирост составит 45–55%. Кроме того, существует двухконсольная компоновка (рис. 9), где на одном валу располагаются с двух сторон два барабана. Возможно, что для крупных мельниц этот вариант компоновки будет наиболее оптимальным. Ниже показаны сравнительные характеристики мельницы двухконсольной компании «ТТД» и зарубежной, на сегодня самой крупной мельницы.

Рис. 15. Стандартная футеровка, используемая на зарубежных мельницах.

Необходимо также сказать о длине рабочей части мельницы, чем она регламентируется. Мы предлагаем использовать простые критерии: — первое, максимальное исключение продольной сегрегации, как это сделано по рекомендации С.М. Гольдмана [4], т.е. внедрение отражательных колец; — второе, исходить из крупности максимального куска в питании мельницы. Например, на нашей пилотной установке мы применяем мельницу с размерами барабана 1,2 х 0,3 м, крупность максимального куска в питании составляет 200 мм. К настоящему времени проведено около 50-ти технологических испытаний измельчаемости различных руд, причем более половины из них на счету «МЕХАНОБРИНЖИНИРИНГ». На основании этих испытаний выполнены полноценные расчеты промышленных технологий, часть из которых подтверждена промышленным внедрением. По нашим расчетам удельные технологические показатели, полученные в нашей «укороченной» мельнице самоизмельчения, значительно выше, чем на традиционных мельницах полусамоизмельчения. Следовательно, технические решения, принятые нами при конструировании консольной мельницы, верны.

Рис. 16. Фрагмент решетки мельницы 7,0 х 2,3 м на алмазной фабрике в Якутии(поздний вариант).

При конструкторских проработках консольных мельниц различных диаметров нами большое внимание уделялось и уделяется прочностным расчетам силовых элементов мельницы. Для этого были приглашены специализированные компании, владеющие современными приемами расчета. На основании их теперь мы знаем, что срок службы вала мельницы составляет 58 лет, а срок службы самого нагруженного подшипника качения — 22 года. На рис. 11 показаны результаты расчета барабана и вала консольной мельницы с размером барабана 5,0 х 1,33 м методом конечных элементов. Поскольку такие мельницы работают — одна 10, другая 7 лет, будем считать, что расчет выполнен правильно.

Каблучковая футеровка для мельницы самоизмельчения

На рис. 12 и рис. 13 показана конструкция каблучковой футеровки, из которой понятно, что часть загрузки, представленной средними и крупными кусками руды, за счет каблуков разной высоты поднимаются наверх, скатываются или летят на противоположную стенку, на нижележащие куски, дробя и истирая их и себя. Мелкие же куски, имеющие размеры меньше чем размеры между каблуками, просасываются меду ними и находятся всегда внизу, подвергаясь ударам более крупных кусков. Такое простое описание не раскрывает всей сложности динамики процесса, но все же дает о нем некоторое представление.

Рис. 17. Фрагмент решетки мельницы 7,0 х 2,3 м на алмазной фабрике в Якутии (ранний вариант).

Впервые каблучковая футеровка была испытана в 1986–1989 гг. при технологических исследованиях алмазоносной руды месторождения им. М.В. Ломоносова на северо-востоке Архангельской области.

Основная концепция футеровки и дальнейшее технологическое воплощение прежде всего предусматривали повышение сохранности алмазов в процессе дезинтеграции руды в мельницах самоизмельчения. Однако, как показали последующие испытания, роль каблучковой футеровки в механизме измельчения руды оказалось шире. Так, в период обработки 6000 тонн технологических проб в мельнице с размерами барабана 2,1 х 0,7 м было установлено, что ее производительность на 50–70% выше, а удельные энергозатраты на 30–40% ниже расчетных. Полученные показатели, в том числе и по сохранности алмазов, оказались настолько неординарные, что потребовали тщательной проверки в специализированных условиях и с привлечением соответствующего персонала. Такими условиями в те далекие времена обладал институт Якутнипроалмаз. Благодаря директору института Смольникову В.А. — неравнодушному человеку, прекрасному специалисту, к сожалению рано ушедшему, были проведены сравнительные испытания футеровок — стандартной и каблучковой (рис. 12), смонтированных на мельнице с размерами барабана 2,3 х 0,7 м. Каблучковая футеровка была выполнена из стали, а стандартная — из резины. Результаты представлены в протоколе.

Рис. 18. Фрагмент решетки мельницы 5,0 х 2,3 м на алмазной фабрике в Архангельской области.

Как видно из пожелтевшего со временем протокола производительность мельницы, оснащенной каблучковой футеровкой, на 84% выше, а энергозатраты на 32% ниже по сравнению с мельницей, оснащенной стандартной футеровкой. В связи с более низкой, на доли процента, сохранностью алмазов-индикаторов высокая комиссия решила продолжить испытания в следующем году. Действительно через год испытания повторились, но уже каблучковая футеровка была выполнена из резины. Не буду утомлять читателя таблицами с гранулометрическими составами, тем более что материалы были опубликованы [7]. Скажу только, что по результатам испытаний при отработке 94 т на эксперимент производительность мельницы с каблучковой футеровкой увеличилась на 47,4%, а энергозатраты снизились на 28,7%. Был 1991-й год. По результатам испытаний было принято решение провести промышленные испытания на фабрике №8, где параллельно стояли две мельницы самоизмельчения 7,0 х 2,3 м, на которые подавалась одна и та же руда. Идеальный случай, если бы не срок проведения испытаний — 1999 г. В апреле-мае 1999 г. были проведены сравнительные промышленные испытания резиновой каблучковой футеровки (рис. 13) со стандартной также резиновой.

Рис. 19. Фрагмент решетки мельницы 7,0 х 2,3 м на железорудной фабрике

Как видно из диаграмм, скорость питателя, подающего руду в мельницу, оснащенную каблучковой футеровкой, приблизительно в 2–2,5 раза превышает скорость питателя мельницы, оснащенной стандартной футеровкой. Работа в таком режиме продолжалась сутки, затем скорости питателей сравнялись, что и побудило остановить мельницу для осмотра. Осмотр показал, что большая часть крупных (около 90%) и часть средних каблуков были срезаны по закладному диску. Выполненный неправильно диск, края которого не были завальцованы, сработал как нож. В составленном протоколе совместно с работниками фабрики было указано, что производительность мельницы с каблучковой футеровкой была стабильно выше на 30–35%. Нашей компании было рекомендовано для завершения испытаний изготовить и поставить на фабрику плиты с крупными каблуками из металла, что и было выполнено в 2000-м году. По независящим от нас причинам установка футеровки несколько раз переносилась. Сейчас в 2013-м году на фабрике уже, наверное, и не осталось работников, кто участвовал в испытании футеровки, плиты пошли на металлолом, резина, думаю, на дачи. Так бесславно закончилась история внедрения одной из ярких разработок — каблучковой футеровки в «АЛРОСЕ», которая бы «взорвала» всю технологию, изменила экономику, как за счет снижения эксплуатационных затрат, так и за счет значительного повышения стоимости конечного продукта.

В 1995–1996 гг. были проведены испытания каблучковой футеровки на кимберлитах трубки Premier (ЮАР). Основной целью работы, проведенной в исследовательской лаборатории компании «Англо-Америкен Корпорейшин», была оценка основных технологических показателей (производительности и удельных энергозатрат) работы мельницы самоизмельчения с размерами барабана 1,8 х 0,5 м, оснащенной металлической стандартной и каблучковой футеровками. Всего было проведено восемь экспериментов (четыре со стандартной футеровкой и четыре с каблучковой). В каждом эксперименте участвовало 13 т руды. По сводным данным, полученным в результате экспериментов, производительность мельницы, оснащенной каблучковой футеровкой увеличилась на 75,7%, а энергозатраты на тонну руды снизились на 55%. Для продолжения испытаний компания изготовила первую в алмазной промышленности ЮАР мельницу самоизмельчения с размерами барабана 3,66 х 1,58 м с традиционными резиновыми футеровками и традиционной решеткой. Мне удалось лишь заставить работать решетку, которая при наличии ячеек размером 60 х 60 мм не пропускала кусочки и 10 мм. В последующий период и без моего участия компания провела эксперимент по самоизмельчению кимберлитов с подсадкой имитаторов алмазов крупностью 20 х 30 мм, выполненных из высокопрочной керамики.

Рис. 20. Разгрузочная решетка для консольной мельницы 5,0 х 1,33 м.

В таблице 2 приведены сводные данные по испытаниям каблучковой футеровки.

Новая решетка для мельниц самоизмельчения

В патентной и специальной литературе вопросу влияния параметров разгрузочной решетки на показатели самоизмельчения уделено мало внимания, тогда как, на наш взгляд, ее роль весьма существенна. Нижеприведенные факты являются убедительной иллюстрацией к этому.

№ п/п	Страна	Компания	Размеры мельницы DxL,м и материал футировки	Процент увеличения производительности	Процент снижения удельных энергозатрат
1	Россия	Невскгеология	2,1х0,7 металл	56,0	35,0
2	Россия	АЛРОСА	2,3х0,7 металл	82,0	32,0
3	Россия	АЛРОСА	2,3х0,7 металл	50,0	30,0
4	Россия	АЛРОСА	7,0х2,3 резина	35,0	30,0
5	ЮАР	MINTEK	1,5х0,5 металл	32,0	29,0
6	ЮАР	ANGLO- AMERICAN CORPORATION	1,8х0,5 металл	76,0	55,0

Табл. 2. Результаты испытаний каблучковой футеровки на различных рудах.

В середине 90-х годов мне пришлось анализировать работу вновь изготовленной мельницы самоизмельчения с размерами барабана 3,66 х 1,9 м корпорации De Beers. Решетка в ней была смонтирована таким образом, что при размерах ячейки 60 х 60 мм в разгрузке можно было зафиксировать крупность не более 10мм.

Изменение расположения, количества и размеров разгрузочных ячеек по площади решетки позволяет получить совершенно разные гранулометрические характеристики конечного продукта.

При «правильных» геометрических параметрах разгрузочных ячеек производительность или пропускная способность мало зависит от площади «живого» сечения решетки.

Рис. 21. Экспериментальная решетка с инновационными (а) и удлиненными стандартными ячейками (б)

Эти и некоторые другие обстоятельства послужили основой к постановке специальных исследований, для чего был изготовлен стенд и заготовлена искусственная смесь, состоящая из фракций различной крупности, а также крупные куски керамики, имитирующие алмазы, как по конфигурации, так и по плотности.

Основной задачей в период исследований мы собирались оценить влияние параметров решетки на ее пропускную способность. Изучалось влияние как конструктивных параметров (конфигурация и размеры отверстий, их расположение по площади, конструкция лифтеров), так и технологических (содержание тонкого класса в мельнице, коэффициент заполнения, площадь «живого» сечения, относительная скорость вращения барабана мельницы). Отдельный этап был связан с изучением выхода крупных имитаторов алмазов. На рис. 15 показана традиционная решетка, широко используемая в мельницах само-, полусамоизмельчения. Обращает на себя внимание, что вся доступная поверхность занята разгрузочными ячейками, что говорит о главной цели — добиться максимальной площади «живого» сечения. Благодаря масштабу в виде двух операторов, видна ширина отражательных лифтеров, их соответствие решетчатым элементам (вставам). Не очень ошибусь, если скажу, что ширина между лифтерами в средней части равна 450–550 мм. Добавлю, что высота лифтеров составляет 400–450 мм, а толщина встава — 100–120 мм, при этом разгрузочные ячейки расположены параллельно обечайке или, если быть строгим, перпендикулярно образующей.

Рассмотрим еще два типа решетки (рис. 16 и 17), установленные на мельнице с размером барабана 7,0 х 2,3 м на одной из алмазных фабрик в разное время. Видно, (рис. 17), что у части вставов ячейки выполнены в «елочку», а небольшая часть — с круглыми отверстиями. В более позднем варианте (рис. 16) уже отказались от «елочки» и круглых отверстий, но хорошо видно старание конструктора обеспечить максимальную площадь «живого» сечения. Такая же решетка (рис. 18) была установлена на мельницу, работающую на высокоглинистом сырье. Видно, что около 90% площади ячеек забиты сырьем. На рис. 19 показана решетка с направляющими, выполненными вдоль естественного движения рудной загрузки. Инновационное решение, придуманное работниками Лебединского ГОКа, показало положительные результаты. Пропускная способность такой решетки с площадью «живого» сечения 1 м² была равноценна пропускной способности решетки с площадью «живого» сечения 3,5 м².

Рис. 22. Выход алмазов-имитаторов через различные уровни разгрузочной решетки с инновационными ячейками.

На рис. 20 показан фрагмент решетки, сконструированной в компании «ТТД», и установленной на мельнице самоизмельчения с размерами барабана 5,0 х 1,33 м.

Что здесь мы видим? Мы не видим лифтеров, потому, что их нет. Мы с трудом можем рассмотреть на поверхности фрагмента разгрузочные ячейки. Что бы их рассмотреть вынуждены сделать сноску. Ячеек действительно мало, но пропускная способность чрезвычайно высока. Следует обратить внимание на расположение ячеек — они все расположены радиально. Также следует заметить, что ячейки защищены каблучками, как и вся поверхность решетки. Надо сказать, что все перечисленные конструктивные особенности появились в результате исследований, о которых говорилось выше. Поскольку все же в площади статьи мы ограничены, да и читателю будет не очень интересно читать весь отчет, поэтому приведу лишь основные выводы, ссылаясь на рис. 21, показывающий фрагмент экспериментальной разгрузочной решетки.

Несколько слов об экспериментальной решетке. Решетка условно поделена на два пояса, как это часто бывает в реальных мельницах. Каждый пояс состоит из нескольких рядов, в каждом из которых выполнены ячейки — круглые (сектор А), перпендикулярно расположенные к образующей (сектор В), наклонные под углом 45 градусов, причем для одних наклон выполнен в сторону вращения барабана, для других — в противоположную (сектор С и С₁), радиальные (сектор Д). Для каждого геометрического типа было испытано два вида ячеек — удлиненный тип (б), напоминающий реально используемый в промышленных мельницах, и инновационный (а) или просто новый.

Итак, основные выводы по исследованиям решетки:

• наименьшей пропускной способностью обладают круглые отверстия;
• наибольшую пропускную способность имеют радиально расположенные ячейки;
• пропускная способность удлиненных и коротких (инновационных) отверстий независимо от геометрической конфигурации ячеек отличается в 6–8 раз в пользу инновационных;
• для наклонных щелей, чей наклон выполнен в сторону вращения барабана мельницы, пропускная способность в 3–4 раза выше, чем для противоположно наклонных;
• пропускная способность щелей, находящихся за лифтером по ходу вращения барабана (теневая зона), в 5–6 раз ниже, чем тех, которые находятся до лифтера.

Попробуем теперь, с позиции наших знаний, разобрать работу решетки, представленную на рис. 17. Как видно, решетка в основном обеспечена наклонными щелями с шириной 25 мм и отдельными вставами с круглыми отверстиями диаметром 50 мм для вывода крупных алмазов. Наклонные щели, примыкающие к лифтеру по ходу вращения (вращение в данном случае против часовой стрелки), должны бы обеспечить достаточно активную разгрузку готового продукта, однако, в силу того, что они находятся в тени лифтера их активность на 35–40% занижена. Вторая часть наклонных щелей также имеет низкую эффективность разгрузки, поскольку ее наклон выполнен в противоположную от необходимой сторону. Что касается круглых отверстий, то их пропускная способность в отличие от остальных итак самая низкая, а с учетом толщины решетчатой плиты, вероятность вывода через нее алмазов крупностью 40–50 мм минимальна.

Рис. 23. Зарубежная мельница с решеткой с ячейкой круглого сечения.

Как показали исследования, на выход алмазов-индикаторов по разным уровням решетки существенно влияет содержание мелкого (для алмазных фабрик -1+0,5 мм) класса в мельнице, рис. 22. При его содержании 10% около 97% (рис. 22 А) имитаторов разгружается через периферический пояс (уровни 9, 10, 11, 12) и только 3% через уровень 5. Увеличение содержания этого класса всего лишь до 30% (рис. 22 В) способствовало выходу имитаторов через внутренний пояс на 35%, а при увеличении мелкого класса до 60%, выход через внутренний пояс составил уже 65% (рис. 22 Б). И при содержании мелкого класса 80% выход имитаторов через внутренний пояс составил 73% (рис. 22 Г), причем через периферические пояса 11, 12 не вышло ни одного, а через 10-й — только один имитатор. Почему я пишу об этом так подробно? Да потому что вышеизложенное напрямую связано с сохранностью алмазов, соответственно с его стоимостью. При небольших содержаниях мелкого класса большинство алмазов попадают на периферию, на «пяту», где попадают под удар кинематически активных кусков. При высоких содержаниях мелкого класса алмазы уходят в зону внутреннего пояса, где и разгружаются. Те кристаллы, которые по каким-то причинам не вышли, будут крутиться внутри мельничной загрузки, не подвергаясь ударным нагрузкам.

Из всего сказанного следует сделать выводы:

• нельзя работать только через периферический пояс — такие примеры на некоторых алмазных фабриках существуют. В этом случае в мельнице всегда в избытке мелкого класса, который вытесняет алмазы на внутренний пояс, но там-то решеток нет. Казалось бы, хорошо — все алмазы сидят внутри мельничной загрузки, но с учетом нестабильности процесса у них всегда есть шанс попасть на периферию и там получить повреждение;
• отверстия в решетке должны быть щелевыми с определенным соотношением между геометрическими параметрами (не круглыми и не квадратными) и располагаться вдоль радиуса;
• вся поверхность решетки должна быть оснащена каблуками — чрезвычайно эффективная защита, причем в районе наибольшего износа (пояса 5–9) необходимо располагать крупные каблуки;
• нет необходимости ставить задачу достижения максимальной площади «живого» сечения, «правильные» ячейки обеспечат максимальную пропускную способность;
• максимальный эффект достигается при совместном использовании каблучковой футеровки и инновационной решетки.

В завершении хотелось бы показать решетку, разработанную западной компанией (рис. 23). Как видно все ячейки выполнены круглыми. А мы с вами уже знаем, что разгрузочные ячейки круглого сечения обладают самой низкой пропускной способностью (в 3–5 раз ниже любой щелевидной ячейки). Это еще раз подтверждает, что исследования параметров решетки не проводились в должном объеме и в этой компании.

Заключение

Несмотря на обширный материал, представленный в настоящей статье, тем не менее, часть исследований, испытаний, разработок, идей, наверное, не удалось донести до читателя. Если тематика заинтересовала, прошу не стесняться обращаться. Резюмируя статью, понимаешь, что проделана огромная работа по созданию совершенно новой мельницы самоимельчения. Выполнены теоретические расчеты, проделано колоссальное количество конструкторских и экспериментальных работ, выполнено практическое применение, внедрено, пусть еще очень мало мельниц, но все они, от самой маленькой (1,7 х 0,8), работающей в геологической экспедиции в Якутии до, пока, самой большой (5,0 х 1,33), работающей в компании РУСАЛ, оправдали наши надежды. Чрезвычайно важно, что мы, пожалуй, впервые в мире создали мельницу в комплексе с ее внутренними элементами — футеровкой и решеткой — отсюда и ее фантастическая эффективность. Мы проработали, в надежде на заказы, крупные мельницы с обоснованными планируемыми показателями существенно выше показателей, которые обеспечивают западные мельницы.

1. E.C.Bond. An expert reviews the design and evolution of early autogenous grinding systems. Engineering and Mining J., 1964, №8, рр. 105–111.
2. H.S. Giesser/Tube milling practice. Engineering and Mining J., 1914, feb., p.463
3. С.Е. Андреев, В.В. Зверевич, В.А. Перов. Дробление, измельчение и грохочение. Издательство «Недра», М., 1969 г.
4. С.М. Гольдман, Э.Д. Клюева, К.Г. Френкель. «Влияние типа футеровки торцевых стенок мельницы „Аэрофол“ на показатели ее работы». Тр. института «Механобр», Л., 1975. Вып. 140
5. Яшин В.П. Исследование закономерностей мокрого самоизмельчения руд в мельницах типа «Каскад». Дисс., канд. техн. наук. Л., ЛГИ им. Плеханова, 1969 г.
6. А.В. Бортников, А.Д. Самуков (НПК «Механобр-техника»), В.Ф. Баранов (ЗАО «Механобр-инжиниринг»). Обогащение руд, №6, 2004.

---

«Техника и Технология Дезинтеграции»
195220, Россия, Санкт-Петербург, а/я 43.
Тел./факс:+7(812) 535-8882; 535-2920
E-mail: ttd@mail.wplus.net
www.ttd.spb.ru

Опубликовано в журнале «Золото и технологии», № 1 (19)/март 2013 г.