Процесс разрушения руды в роллер прессах

П.К. Федотов — ТОМС, г. Иркутск.

При дроблении и измельчении минерального сырья тратится огромное количество энергии, вместе с тем, необходимо признать, что значительная её часть расходуется неэффективно вследствие несовершенства дробильно-измельчительных машин. Анализ работы традиционных аппаратов, применяемых для дробления и измельчения руд, показывает ряд значительных недостатков, как самих механизмов, так и применяющихся технологических схем с их использованием. По-прежнему остаётся высоким энергопотребление, процессы разрушения в основном протекают хаотично и не поддаются регулированию. В настоящее время известны аппараты, использующие принципы рационального разрушения, в частности роллер пресс (рис. 1).

Рис. 1. Схема реализации разрушения руды в роллер прессе: 1 — неподвижно закреплённый валок; 2 — подвижный валок; 3 — разрушенная руда, спрессованная в агломерат.

Анализ схем рудоподготовки позволил выделить преимущества данного аппарата: снижение энергозатрат при разрушении руды на 30–40 %, в сравнении со схемой с применением только шаровой мельницы, снижения размера питания шаровой мельницы и коэффициента измельчаемости при совместном их применении.

Промышленные и лабораторные исследования разрушения руд в роллер прессах ведутся в основном зарубежными учёными, большинство из них основаны на практических данных.

К сожалению, недостаточно полно исследован механизм разрушения руды в роллер прессе и основные причины высокой эффективности данных аппаратов. Обратимся к теории разрушения материалов, и попытаемся объяснить, что происходит с рудой в слое между валками.

Первым шагом на пути исследования разрушения горных пород послужила теория английского инженера А. Гриффитса [56]. Он впервые заметил, что реальная прочность материала всегда ниже той, которую можно ожидать. Это предположение было позже доказано практически. Дело в том, что материал, даже на первый взгляд кажущийся монолитным, имеет огромное количество трещин разных размеров. В вершине этих трещин напряжения аккумулируются и способны превышать в несколько раз их среднее значение. Гриффитс определил, что трещина поглощает и концентрирует в себе упругую энергию. И при росте трещины происходит выгодное природе понижение энергии. Позже английский физик Тейлор и венгерский физик Орван выдвинули гипотезу о том, что в кристаллах существуют дислокации — линейные дефекты в кристаллической решётке, например, в виде недостающего ряда атомов. Позже эта теория была доказана, и сегодня мы сами можем наблюдать дислокации и их движение в микроскоп. Дислокаций в материале великое множество. Две или более дислокации при приложении сжимающего усилия, одновременно со сдвигом могут начать своё движение внутри кристалла и, попав на какую-либо преграду, например границу зерна, объединившись, образовать пространство. Так возникает зародышевая микротрещина, которая затем растает. Это, так называемый докритический период. Существует ряд механизмов дальнейшего роста одной, чаще сразу нескольких трещин. Обычно магистральная, самая крупная трещина, поглощая более мелкие, при действии внешней нагрузки или по причине «усталости» материала, продолжает своё движение. Кроме того, известно, что любое, даже самое хрупкое тело обладает пластической деформацией. Энергия разрушения тратится именно на преодоление пластической деформации, а так же на образование новой поверхности, обладающей своей энергией. При росте трещины за счёт уменьшения пластической деформации, материал вокруг дефекта упрочняется до предела, при этом вся упругая энергия идёт на рост трещины, трещина как бы поглощает её. Процесс разрушения становится подлинно хрупким, трещина стремительно разгоняется и ветвится. Доказано, что скорость трещины в некоторых материалах достигает звуковых скоростей. Разветвление обычно наблюдается при относительно равных напряжениях в широкой области перед трещиной. Далее разрушение происходит, хаотично, то есть так, как требует поле напряжений в данной точке пространства и времени [58, 49, 44, 38]. Вернёмся к разрушению горных пород. Самые разнообразные кристаллы слагают горные породы. Процесс разрушения любого тела, в том числе и горных пород, процесс не случайный, он предопределён самой природой. Дефектность кристаллической решетки минералов обусловлена процессом их рождения. Неравновесное затвердевание магмы сопровождается возникновением большого количества разного рода дефектов кристаллической структуры минералов. Дефектность возрастает в процессе последующего метаморфизма. Причем именно на межзерновых поверхностях наблюдается наиболее высокая концентрация примесных и иного рода дефектов, а также микротрещин и дислокаций, с которыми они могут взаимодействовать [29, 27, 18, 17]. В исследованиях Бюргера экспериментально показано, что трещины и дислокации сконцентрированы в межкристаллических зонах. Поэтому добытый из недр минерал уже наделен условиями для разрушения по межкристаллическим связям. Материалы, полученные из расплавов искусственным путем, например, металлы или электрокорунды, имеют еще большее количество различного рода дефектов кристаллической структуры. И эту на наш взгляд важную особенность процесса мы должны использовать при дезинтеграции руд. Множество дефектов достаточно развить и мы получим раскрытый ценный компонент. Дело в том, что как уже говорилось, напряжения скапливаются вокруг дефектов внутри тела. При образовании минеральных агломератов, слагающих горные породы, образуется множество таких дефектов на границах кристаллов в местах их спайности. Ясно, что минимум усилий будет требоваться при разрушении как раз по этим дефектам [17, 16].

Рис. 2. Граничные условия и условия нагружения в модели МКЭ.

В чём же причина столь высоких энергозатрат, а точнее потерь энергии при разрушении в традиционных аппаратах дезинтеграции. Дело в том, что кроме разрушения по дислокационному механизму разрушений, который я бы назвал «естественным», существует другой, с образованием трещин иного типа. Идеально хрупкие силовые трещины, возникают благодаря механическому силовому расщеплению слоёв кристалла. При этом рвутся межатомные связи, энергия которых очень велика. Именно так чаще всего происходит при хаотическом разрушении в шаровых мельницах, щековых дробилках и других подобных аппаратах [15, 7, 57].

Для эффективного использования природных дефектов, во-первых, необходимо, чтобы любая пластическая деформация, предшествующая разрушению была предельно малой. Это важно для обеспечения низкой энергоёмкости процесса и сохранения формы разрушаемого материала. Добиться этого можно путём увеличения усилий максимально возможным крупным фронтом, при этом время пластической деформации будет кратчайшим. Далее трещина должна расти по наиболее выгодной для нас траектории, а именно по спайностям кристаллов. Только в этом случае раскрытие полезного компонента будет максимально селективным. Здесь задача упрощается, ведь такое же направление трещины выгодно и для природы. Первый путь это — создание узкого коридора напряжений, вдоль спайности кристаллов. Но практически это почти не осуществимо. Другим способом является обеспечение однородного напряжённого состояния во всём районе распространения разрушения. Тогда за счёт прилагаемых нагрузок будет происходить рост магистральной трещины по удобной для неё траектории. Создавая такое состояние, мы как бы подавляем все посторонние напряжения, на самом же деле просто создаём оптимальное поле напряжений. Единственным условием при этом является то, что приложенная нагрузка не должна превышать энергии связи спайности кристаллов, иначе мы получим тот же эффект, что и в традиционных аппаратах. Понятно, что идеальных руд состоящих лишь из двух компонентов не бывает, но добиться среднего значения энергии для разрушения большинства спаянных кристаллов, возможно [17, 3, 1 ].

Рис. 3. Величина сжимающих напряжений вдоль оси X, материал — кварц, размер деформируемых объемов 5 и 10 мм.

Разрушая горную породу необходимо уделить особое внимание процессам измельчения и мелкого дробления, а именно сохранению целостности ценных компонентов содержащихся в рудах, так как их размеры в большинстве случаев менее 1 мм. Именно на этих этапах важно аккуратно раскрывать ценный компонент. При поступлении руды на стадии подготовки к обогащению основное количество материала имеет множество зародышевых микротрещин, которые образуются в процессе добычи и первичной переработки материала. Здесь начинают работать законы механики разрушения, поскольку большинство дефектов крупнее одной дислокации, то есть более 5–10 межатомных расстояний. Скольжение дислокаций начинается, когда соответствующая компонента напряжений сдвига достигает некоторой определенной критической величины. При резком превышении этой величины разрушение материала осуществляется беспорядочно.

Наличие в минералах дислокаций с различными векторами скольжения к направлению приложенной нагрузки говорит в пользу воздействия на разрушаемый материал не односторонней локальной нагрузкой, как это имеет место во всех промышленных дробильно-измельчительных машинах, а разнонаправленной нагрузкой, векторы напряжений от которой в полях дислокаций могут с этой нагрузкой не совпадать.

Таким образом, процесс измельчения многостадиален и в соответствии с теорией Гриффитса — Орована — Ребиндера о развитии микротрещин состоит из следующих этанов или стадий [28]:
1. Скопление дефектов, приводящее к концентрации напряжений;
2. Образование зародышевых микротрещин;
3. Развитие и объединение зародышевых микротрещин вплоть до образования магистральной трещины разрушения;
4. Разрушение твердого тела на несколько частей.

Рациональная организация процесса разрушения должна предусматривать оптимальные условия для последовательного протекания каждой из указанных стадий. Низкую селективность раскрытия минералов в существующих процессах дробления и измельчения можно объяснить тем, что в большинстве случаев эти оптимальные условия и последовательность стадий не соблюдаются. Если исходить из приведенной схемы, то первым условием должно быть скопление дефектов кристаллической решетки на межзерновых участках, так как только в этом случае можно рассчитывать на преимущественное развитие микротрещин на границах кристаллических блоков.

Основываясь на теории селективного разрушения материалов можно выделить несколько основных принципов рациональной организации рудоподготовки, а именно разрушения [28]:
а) куски материала должны подвергаться силовому воздействию в объемной массе, формируемому из разнонаправленных локальных нагрузок, действующих внутри этого объема, например, слоя кусков;
б) одновременно для инициирования напряжений на границах кристаллов и зерен, куски должны подвергаться многократному комбинированному нагружению, включающему элементы сдвига, изгиба и кручения;
в) нагружение должно быть импульсным с максимально крутым фронтом;
г) нагрузки должны быть строго дозированными, соответствующими прочности и выносливости дефектных зон;
д) в промежутках между циклами нагружения куски должны приобретать относительную подвижность, обеспечивающую их взаимную переориентацию, своевременное удаление из слоя частиц готовой крупности, а также возможность управления плотностью слоя;
е) соотношение величин сжимающих и комбинированных нагрузок и частота нагружения должны выбираться в зависимости от материала и поставленной технической задачи.

Данные принципы реализуются в роллер-прессе следующим образом. В аппарате создаётся общее поле напряжений, на материал действует сила равная величине сопротивления материала, её мы можем заранее выбрать и задать. Изменение нагрузки имеет пиковый характер, с резким максимумом в районе оси валков [63].

На материал не действуют рабочие органы, отличные по твёрдости от него самого, зазор между валками в несколько раз больше максимального размера кусков материала. По этой причине сохранность ценного компонента удаётся повысить в несколько раз. Разрушение происходит при действии друг на друга частиц в слое материала. Время воздействия на материал значительно. Крупные частицы разрушаются на несколько частей, которые в свою очередь успевают перейти в более мелкие классы. Как следствие выше сказанного мы имеем минимум переизмельчённого класса, при этом, если необходимо, регулируя прикладываемую к валку силу, мы можем регулировать выход мелкого класса. Энергозотраты уменьшаются, в сравнении с традиционным измельчением в шаровых мельницах.

Теоретические предпосылки и условия процесса разрушения руды в роллер прессе.

В механике разрушения, основу которой составляет теория трещин, важно знать условия локального разрушения. Для суждения о прочности тела недостаточно располагать решением теории упругости о концентрации напряжений около трещин. Необходимы, ещё так называемые критерии прочности, по которым определяется момент или процесс распространения трещин. Критерий начала развития трещины является дополнительным краевым условием при решении вопроса о предельном равновесии тела с трещиной.

Как известно, процесс разрушения состоит из зарождения трещины и ее распространения. Каждый из них подчиняется своим законам; соответственно существуют критерии прочности для любого этапа.

Критерии могут быть получены на основе как энергетических так и силовых суждений.

Для решения данной задачи был проведён анализ теории разрушения материалов в дробильно-измельчительных аппаратах.

Основоположник энергетического критерия разрушения Гриффитс сформулировал принцип, согласно которому трещина начинает распространяться в хрупком теле, если скорость освобождения энергии упругой деформации в процессе ее распространения будет больше прироста поверхностной энергии:

где:
U(l₁) — поверхностная энергия трещины;
W(P*,l₁) — энергия упругих деформаций, обусловленная раскрытием трещины длины l₁ при воздействии на тело внешних нагрузок Р, где Р* — предельное значение нагрузки.

Модель Гриффитса, позже доработанная Ирвином, не является полной, поскольку не содержит математических соотношений для определения размеров тела и трещины, когда это уравнение правомерно. Поэтому, анализируя критерии разрушения материалов, можно заключить, что точнее всего процесс разрушения материала между валками, а именно, хрупкого разрушения, характеризуется критерием Кулона-Мора. Хрупкие материалы различным образом сопротивляются сжатию и растяжению, а именно, прочность на сжатие выше прочности на растяжение. Это влияние можно учесть, например, если принять, что величина касательного напряжения t_n, действующего на «площадке разрушения», зависит от величины нормального давления σ_n на той же площадке, т. е.: t_n=f (σ_n)

Данное условие предложил О. Мор в 1900 г. На плоскости σ_n, t_n, ожил соотношение представляет предельную кривую, ограничивающую область безопасных состояний.

В теории селективного разрушения материалов известны основные принципы рациональной организации рудоподготовки. Данные принципы реализуются в роллер прессе следующим образом. В аппарате создаётся общее поле напряжений, на материал действует заданная сила, равная величине сопротивления материала; её можно заранее выбрать и задать. Изменение нагрузки имеет пиковый характер, с резким максимумом в районе оси валков. На материал не действуют рабочие органы, отличные по твёрдости от него самого, зазор между валками в несколько раз больше максимального размера кусков материала. По этой причине сохранность ценного компонента удаётся повысить в несколько раз. Разрушение происходит при действии друг на друга частиц в слое материала. Время воздействия на материал значительно. Крупные частицы разрушаются на несколько частей, которые в свою очередь успевают перейти в более мелкие классы. Как следствие выше сказанного, мы имеем минимум переизмельчённого класса. При этом, если необходимо, регулируя прикладываемую к валку силу, можно регулировать выход мелкого класса.

Рис. 4. Величина сдвиговых напряжений, материал — кварц, размер деформируемых объемов 5 и 10 мм.

При отсутствии бокового давления или малых его значениях, сопротивление сдвигу внутри зерна на порядок больше сопротивления сдвигу по границе. При сдвиге может происходить смещение в направлении, перпендикулярном поверхности трещины. При высоком боковом давлении и невозможности смещения, прочность на сдвиг по границе зерна приближается к прочности зерна. В точке пересечения прямой трения Кулона для границ зерна и огибающей Мора для зерна прочности выравниваются, и скол по зернам становится более вероятным. Так же известно, что на поверхностях разрушения, образованных путем сдвига, обычно наблюдается сильное истирание и образование порошка, что достоверно установлено при экспериментальных исследованиях.

Между валками при наличии бокового давления существует возможность смещения зёрен друг относительно друга по причине неоднородности крупности всего слоя материала. Это условие необходимо для повышения эффективности разрушения, снижения энергозатрат и селективности раскрытия минералов по границе зёрен. Ранее экспериментально подтверждено, что при отсутствии условия неоднородности слоя материала или же при отсутствии слоя как такового, разрушение происходит с нарушением целостности зёрен и резким возрастанием затрат энергии.

Рис. 5. Величина сжимающих напряжений вдоль оси X, материал — сланец, размер деформируемых объемов 5 и 10 мм. 

Анализ большого числа экспериментальных результатов показал, что в условиях объемного неравнокомонентного сжатия, когда σ₁ <σ₂ <σ₃ и U <μ_Q<=1,горные породы разрушаются за счёт скачкообразного прорастания критически ориентированных сдвиговых трещин. На основе выше представленного анализа можно выдвинуть гипотезу о наличии сдвигового механизма разрушения материала в слое частиц между валками, который является основной причиной оптимального протекания процесса.

Предшествующее описание предельных состояний горных пород в виде огибающих максимальных кругов Мора имеет недостаток, а именно, отсутствие универсальной аналитической формы представления огибающей в широком диапазоне видов напряженного состояния.

Рис. 6. Величина сдвиговых напряжений, материал — сланец, размер деформируемых объемов 5 и 10 мм.

В работах профессора А.Н. Ставрогина, на основе многолетних экспериментальных исследований принята концепция о существовании двух видов прочности твердых тел: прочность на разрыв и прочность на срез (сдвиг). Предложены все три вида предельного состояния в виде уравнений экспоненциального вида:

Каждое из представленных экспоненциальных уравнений означает соответственно условия: предельных упругих состояний, пределов прочности и пределов остаточной прочности. На основе экспериментальных данных и выражений для исследуемых деформируемых тел, в виде горных пород, в качестве предела прочности используются максимальные сдвиговые (касательные) напряжения в них.

Таким образом, на основе анализа экспериментально-аналитических данных можно утверждать, что при расчёте напряжённого состояния материала при деформации его между валками роллер пресса, целесообразно и допустимо в качестве основной характеристики прочности горных пород использовать предельное значение сдвиговой составляющей напряженного состояния. В качестве предельного по сдвиговым напряжениям значения использовать предел упругости, так как пределы прочности и запредельной прочности имеют у большинства видов горных пород на порядок меньшую зону (область) существования, а также высокий коэффициент хрупкости. Для изучения напряженного состояния горных пород в условиях неравнокомпонентного сжатия оправдано использование данных о свойствах горных пород, полученных экспериментально в условиях одноосного сжатия, при минимальных значениях на образцах бокового давления 2.

Рис. 7. Диаграммы изменения сдвиговых и сжимающих напряжений разрушаемых объемах породы на поверхности валка, материал — кварц, размер деформируемых объемов 5 мм.

Построение математической модели в данной работе основано на численном решении метода конечных элементов (МКЭ) с использованием принципа минимизации функционала потенциальной энергии рассматриваемой деформируемой системы, включающего энергию сил сопротивления и работу сил разрушения породы в условиях неравно-компонентного бокового сжатия.

Рис. 8. Диаграммы изменения сдвиговых и сжимающих напряжений в разрушаемых объемах породы на поверхности валка, материал — кварц, размер деформируемых объемов 10 мм.

МКЭ заключается, по существу, в аппроксимации сплошной среды с бесконечным числом степеней свободы совокупностью подобластей (конечных элементов), имеющих конечное число степеней свободы. Дальнейший ход решения задач по МКЭ сводится к вариационной минимизации функционала рассматриваемой физической задачи. Для задач механики деформируемого тела используется принцип стационарности или минимума функционала виртуальной работы.

Рис. 9. Диаграммы изменения сдвиговых и сжимающих напряжений в разрушаемых объемах породы на поверхности валка, материал — сланец, размер деформируемых объемов 5 мм.

В задачах механики твердого деформируемого тела существует энергетическая форма общего принципа, использующего виртуальные перемещения. Его применение предполагает, что на тело, находящееся в состоянии равновесия, действуют объемные и поверхностные силы. При этом для объекта задается некоторое виртуальное (воображаемое) поле перемещений, которое является искомым и характеризуется в каждой точке пространства значением величины некоторого вектора {d}. Равновесие будет полным только тогда, когда при произвольных вариациях перемещений виртуальные работы воздействующих сил равны работе внутренних сил сопротивления или деформирования. Сами виртуальные перемещения должны быть кинематически допустимы, то есть являться непрерывными функциями пространственных координат и удовлетворять кинематическим граничным условиям.

Общее энергетическое состояние рассматриваемой деформируемой системы характеризуется известным выражением вида:
,
где:
Λ— внутренняя энергия сил сопротивления деформированного тела;
W— работа внешних сил;
И— полная потенциальная энергия деформируемой механической системы.

С учетом условия непрерывности используемый энергетический принцип виртуальных перемещений утверждает, что сумма изменений потенциальной энергии внешних нагрузок dW и величины внутренней энергии деформации dL, при некотором поле перемещений {d}, равна нулю.

Рис. 10. Диаграммы изменения сдвиговых и сжимающих напряжений в разрушаемых объемах породы на поверхности валка, материал — сланец, размер деформируемых объемов 10 мм.

После конечно элементной аппроксимации, выражение полной потенциальной энергии представляется в виде глобальной системы алгебраических уравнений:

[K]{δ} = {F}

где: [K] – глобальная матрица жесткости деформируемой системы;
{δ} – векторстолбец неизвестных перемещений;
{F}– векторстолбец сил.

Правило построения глобальной матрицы жесткости [K], то есть формирование ее суммированием из отдельных матриц жесткости элементов, осуществляется методом прямой жесткости.

Решением глобальной системы алгебраических уравнений является некоторое поле перемещений, представленное в узловых точках значениями коэффициентов глобального вектор-столбца {δ} . На основе этого вектора вычисляются зависимые величины деформаций и напряжений рассматриваемого объекта деформирования.

В модели используется два вида граничных условий кинематического закрепления (рис. 2): на валке слева воздействие только силового момента вращения Мкр; на валке справа, кроме силового момента вращения, дополнительное воздействие осевой сжимающей силы Fосев. Относительно исходных данных производится расчет величины используемой в моделях внешней нагрузки, в виде сжимающей силы Fосев и моментов на валках Mкр.

Рис. 11. Картина сдвиговых напряжений в слое дробления породы в валках под давлением, где дополнительно выделен фрагмент слоя.

Построение сетки модели МКЭ для рассматриваемой области определения, производилось на одной форме и размерах канала между валками но с различным типоразмером объемов разрушаемой породы (форма кубическая, длина ребра 5 и 10 мм). Построение осуществляется с применением двух типов конечных элементов, типа solid (объёмное тело): изопараметрического гексаэдра и призматического, используемых для моделирования разрушаемых объемов породы и пространства между объемами породы, а также Ragid-элементов, абсолютно твёрдых, не деформируемых, для моделирования валков.

Для оценки влияния размеров породы на условия ее разрушения в роллер прессе была разработана математическая модель МКЭ разрушения образцов породы между валками под давлением, в которой при исследовании геометрические размеры объемов взяты не одинаковыми. Изучение фрагмента слоя между валками роллер пресса подтвердило, что различие в геометрических размерах объемов разрушаемой породы в одном деформируемом слое не оказывают никакого влияния на принцип разрушения объемов породы в рассматриваемом технологическом процессе дробления.

Рис. 12. Картина сдвиговых напряжений, с появлением на объеме породы предела упругости (пропорциональности). 

Математическая модель МКЭ предназначена для оценки напряженного состояния объемов горной породы в процессе ее разрушения под давлением во всём слое между валками роллер пресса. Дополнительной вариативностью в исследовании являлось использование двух типов материала, характерных для образцов горных пород: кварц и сланец. Они отличаются модулем упругости и пределом прочности, кварц: Е=67000 МПа, μ=0,17; сланец: Е=30000 МПа, μ=0,1; для песка, заполняющего пространство между объемами породы: Е=15000 МПа, μ=0,1

Анализ результатов моделирования разрушения образцов хрупкого материала

На рис. 3, 4, 5, 6  представлена визуализация результатов исследования, в виде картин напряжений: нормальных вдоль оси X и касательных (сдвиговых) напряжений в исследуемом фрагменте слоя породы, для материала разрушаемой породы — кварца и сланца.

Для анализа результатов, а также реализации целей проведенного численного эксперимента, величины рассматриваемых напряжений представлены, в виде диаграмм изменения величин сдвиговых и сжимающих напряжений (рис. 7, 8, 9, 10), по высоте слоя дробления. Штриховой линией показана зона разброса всплесков напряжений в местах их концентрации в объеме породы, а срединная линия диаграммы, вдоль высоты слоя породы обозначает закон изменения среднего уровня напряжений в слое. Представленные диаграммы показывают что, средний уровень напряжений в слое не достигает предела прочности (кварц — max=150 МПа, max=300 МПа, сланец — max=75 МПа, max=150 МПа), однако появляются зоны концентраций, где уровень напряжений превышает предел прочности. Таким образом, выявлено наличие мест концентраций напряжений, являющихся причиной более скорого разрушения материла.

Концентрации наблюдались на различных типах материала при различных параметрах работы роллер пресса, это говорит о его универсальности и соответственно возможности применения на различных типах руд.

Анализ напряженного состояния вокруг деформируемого объема породы

На рис. 11 представлена картина сдвиговых напряжений в слое дробления породы в валках под давлением, где дополнительно выделен фрагмент слоя. Этот фрагмент обозначает место расположения уровня начала процесса разрушения породы, с точки зрения появления в ней предельных значений сдвиговых напряжений.

На рис. 12 имеет место, 4 зоны концентрации по его контуру, проявленных красным цветом, в 3-х из которых сдвиговые напряжения близки к пределу прочности материала.

На рис. 13 по контуру этого объема показаны эпюры величины сжимающих нормальных напряжений, которые наглядно показывают, что в местах концентрации наблюдается высокий градиент нормальных напряжений, что, в свою очередь, означает высокие параметры сдвига.

Из наличия на рассматриваемом объеме явно выраженной плоскости сдвига между двумя впадинами по нормальным напряжениям, следует, что разрушение объемов породы наступит раньше ожидаемого.

Рис. 13. Эпюра нормальных напряжений по контуру (границе) объема

Таким образом, механизм разрушения материала в слое между валками основан на наличии мест концентраций напряжений и градиента нормальных напряжений.

Так же было, проведено сравнение величин удельной потенциальной энергии деформации разрушения руды в поршневом прессе и в валках под давлением. Общее соотношение величин плотности потенциальной энергии деформации в двух представленных типах разрушения составляет порядок примерно равный четырём. Данное соотношение позволяет сделать вывод о том, что сбережение энергии при дезинтеграции руды в слое происходит, прежде всего, на стадии самого разрушения.

Заключение

В результате выше представленных исследований выяснено, что:

• в качестве основной характеристики прочности горных пород возможно использовать предельное значение сдвиговой составляющей напряженного состояния, а в качестве предельного по сдвиговым напряжениям значения использовать предел упругости;
• выявлено наличие мест концентраций напряжений, являющихся причиной более скорого разрушения материла;
• за счет наблюдаемых концентраций напряжений предельное по прочности состояние разрушаемого объема наступает гораздо раньше, чем оно бы имело место при среднем уровне напряжений, который соответствует уровню напряжений при разрушении материала в поршневом прессе;
• механизм разрушения материала в слое между валками основан на наличии мест концентраций напряжений и градиента нормальных напряжений.

---

ТОМС
Иркутск: +7 (395 2) 40-53-01 +7 (395 2) 79-87-00
E-mail: fedotovpavel@tomsgroup.ru
www.tomsgroup.ru

Опубликовано в журнале «Золото и технологии», № 3 (17)/сентябрь 2012 г.