Выбор технологии измельчения на базе лабораторных испытаний по сверхтонкому измельчению концентрата

Ю.А. Смирнов — инженер по технологии тонкого измельчения ООО «Метсо».




В середине 2004 г. была введена в эксплуатацию гидрометаллургическая демонстрационная установка для выборочного извлечения сульфидов основных металлов из концентрата сульфидов никеля месторождения Phoenix. Первый этап рудоподготовки — измельчение концентрата до размеров частиц, на 80 % проходящих через сито с ячейкой 10 мкм, с последующим низкотемпературным выщелачиваем под низким давлением. На установке были проверены четыре ведущие технологии сверхтонкого измельчения в мире – Metso, Isa, Deswik и Bradken (табл. 1).

Параметры	Низкоскоростная вертикальная мельница с перемешиванием B	Высокоскоростная горизонтальная мельница с перемешиванием	Низкоскоростная вертикальная мельница с перемешиванием A	Высокоскоростная вертикальная мельница с перемешиванием
Объем, л	200	40	400	25
Механизм перемешивания	Стержневой	Дисковый	Стержневой	Дисковый
Размеры, мм: длина диаметр	1000 1000	1000 300	1500 500	1500 350
Установленная мощность, кВт	18,5	32	30	30
Средняя удельная мощность, кВт/м3	69	240	33	600
Скорость конца лопатки, м/с	1,9	11,9 — 14	2,4	16
Классификация продукта	Сито 2 мм	Сито 2 мм *	Зона осаждения	Сито 2 мм
Рисунок	1	2	3	4

Табл. 1. Описание мельниц (* В опытной установке использовалось сито для классификации. В промышленных установках применяются центробежные классификаторы для продукта)

Оценка эксплуатационных характеристик мельницы

Впервые роль расхода энергии в процессе измельчения была оценена в XIX веке фон Риттингером и Киком. В XX веке продолжил исследования Бонд. По его утверждению, размер частиц, получаемых в результате процесса измельчения и соответствующий 80-процентному прохождению материала сквозь сито, напрямую связан с подводимой мощностью [кВт.ч/т] и может быть выражен в виде формулы в уравнении 2.1, Келли (1995:115):

(2.1),



 где df и dp — крупность частиц материала и продукта, проходящих сквозь сито на 80 %, C80 — константа для определенного типа руды. Самым широко используемым вариантом для выражения этих формул является так называемый третий закон Бонда, представленный в формуле 2.2:
(2.2),




где удельное потребление энергии E измеряется в кВт.ч/т, а размер проходящих фракций — в микронах. Широко используемая в настоящее время формула Бонда не может предоставить данные о гранулометрическом распределении, в особенности о мелкой высвобожденной фракции.

В настоящее время принято выражать результат гранулометрического распределения Pi (размер основной части частиц меньше размера ячейки сита di ) продукта дробления и измельчения посредством совокупного гранулометрического распределения загружаемого материала Fi , удельной подводимой мощности ξ (кВт.ч/т) и функции общей скорости измельчения (SCBR) Ki E (Hinde, 2005:1). Для мельниц непрерывного питания предполагается, что оборудование ведет себя как несколько сегментов с полным перемешиванием в последовательности, когда каждый сегмент работает по типу реактора с полным перемешиванием, как представлено в формуле 2.3 (Hinde, 2005:1):
(2.3).




Функция общей удельной скорости измельчения Ki E дает долю материала с размером частиц свыше di в питании, которые необходимо измельчить, чтобы они были меньше данного размера в среднем на единицу удельной подаваемой мощности. Приближенно это выражается логарифмической полиномиальной функцией, приведенной в формуле 2.4.
(2.4).



Значения функции общей удельной скорости измельчения можно вычислить, исходя из данных, полученных непосредственно от установки при помощи потребляемой мощности нетто и гранулометрического распределения в питании и выгрузке. Преимуществом данного уравнения является возможность расчета изменений в гранулометрическом распределении питания и расчета удельной подводимой мощности. Для вычисления удельной подводимой мощности общая потребляемая мощность была разделена на количество материала, пропускаемого через систему (формула 2.5):
(2.5),



где Pw — общая мощность, кВт.ч и F — скорость подачи, т/ч.

Для расчета перепада температур использована формула 2.6:
(2.6),



где T_in — температура на входе,
T_out — температура на выходе, °С.

Полезная мощность, кВт.ч, представлена в качестве общей потребляемой мощности (во время испытаний) минус общая потребляемая мощность при работе мельницы без загрузки.

Проведение эксплуатационных испытаний характеристик мельницы

Эксплуатационные испытания по измельчению были проведены на мельницах параллельно, причем источники питания были одинаковыми. Менялись скорость подачи питания, плотность (содержание твердых веществ 30–50 %) и тип мелющей среды (высушенный песок крупностью 1–5 мм, добытый в карьере Eggo, Южная Африка, керамический материал CARBO LITE® 8/14 1–3 мм и 1–2 мм кремния-алюмооксида-циркония (SAZ)) были различными. Во время процесса измельчения были проведены измерения таких параметров, как плотность материала питания, скорость подачи, типы мелющей среды, температуры на входе и на выходе, энергопотребление нетто, распределение гранулометрического состава материала питания и продукта. Оценка эксплуатационных характеристик мельницы была выполнена на основе данных гранулометрического распределения, общей удельной скорости измельчения, эксплуатационной надежности, простоты использования и продолжительности рабочего цикла мельницы.

Рис. 1. Низкоскоростная вертикальная мельница с перемешиванием B

Сравнение характеристик мельниц

Значения SCBR (Specific Cumulative Breakage Rate — функции скорости измельчения) для четырех мельниц были рассчитаны, исходя из данных о потребляемой мощности и скорости подачи питания, данных гранулометрического распределения материала питания и материала на выходе для каждой отдельно взятой мельницы, чтобы обеспечить уменьшение размера 80 % частиц концентрата Phoenix до 10 микрон.

Значения SCBR для четырех мельниц с различным размером частиц конечного продукта показаны на рисунке 5, где плотность материала питания составила 45 % с керамической мелющей средой в трех из четырех мельниц, и кремний-алюмооксид-циркониевой средой в горизонтальной и высокоскоростной вертикальной мельнице.

Рис. 2. Высокоскоростная горизонтальная мельница с перемешиванием 

При удельной подводимой мощности в 1 кВт.ч/т в горизонтальной мельнице сверхтонкого измельчения с керамической мелющей средой удалось достичь измельчения 2,4 % частиц, размер которых превышал 10 мкм до размера менее 10 мкм. Таким образом, для измельчения частиц концентрата Phoenix до 10 микрон потребовалась удельная подводимая мощность на уровне 33,3 кВт.ч/т. Замена керамической мелющей среды на мелющую среду SAZ в горизонтальной мельнице увеличила показатели SCBR почти в 2 раза, или в 2 раза сократило уровень удельной подводимой мощности, необходимой для уменьшения размера 80 % концентрата до 10 микрон.

Низкоскоростной вертикальной мельнице А с керамической мелющей средой для уменьшения размера 80 % концентрата до 10 микрон необходима удельная подводимая мощность 66,7 кВт.ч/т (SCBR 0.012). Для низкоскоростной вертикальной мельницы возможность получения такого уровня крупности частиц конечного материала ограничена плотностью материала питания на уровне 40 %. В конструкции мельницы не предусмотрен механизм классификации до выхода продукта из мельницы и выхода мелющей среды из мельницы вместе с готовым продуктом при высоких значениях плотности концентрата.

Рис. 3. Низкоскоростная вертикальная мельница с перемешиванием A

Для получения концентрата с заданным размером частиц при использовании керамической мелющей среды наивысшие значения SCBR (0,03) при удельной подводимой мощности 26,7 кВт.ч/т показала низкоскоростная вертикальная мельница В. Для уменьшения размера концентрата до 80 % прохождения через ячейку 10 микрон значения SCBR для высокоскоростной вертикальной мельницы с мелющей средой SAZ находятся на отметке 0,04, необходимая удельная подводимая мощность — 20 кВт.ч/т.

Оценка пропускной способности мельницы на основе удельной общей скорости измельчения

Максимальная пропускная способность высокоскоростной горизонтальной мельницы сверхтонкого измельчения с керамической мелющей средой равна 289 кг/ч, при условии измельчения частиц концентрата до размеров частиц, на 80 % проходящих через сито с ячейкой 10 мкм, удельной подводимой мощности в 33,3 кВт.ч/т и мощности нетто 9,6 кВт.ч. Замена керамической мелющей среды на мелющую среду SAZ в горизонтальной мельнице увеличивает значения SCBR почти в 2 раза, пропускная способность мельницы также увеличивается до 562 кг/ч.

Рис. 4. Высокоскоростная вертикальная мельница

Для достижения максимальной пропускной способности, равной 189 кг/ч для низкоскоростной вертикальной мельницы A с керамической мелющей средой, необходима подводимая мощность 66,7 кВт.ч/т и мощность нетто 13,1 кВт.ч. Максимальная пропускная способность низкоскоростной вертикальной мельницы B с керамической мелющей средой зафиксирована на уровне 515 кг/ч. Высокоскоростная вертикальная мельница с мелющей средой SAZ имеет максимальную пропускную способность при SCBR 0,04, иными словами, для измельчения частиц концентрата до размеров частиц, на 80 % проходящих через сито с ячейкой 10 мкм, была необходима удельная мощность 20 кВт.ч/т.

Тип	Размер, мм	Среда SG	Расход мелющих сред Питание, кг/т	Удельное потребление энергии, кВтч/т	Подводимая мощность, (R/кВтч)	Среда, R/т	Эксплуатационные затраты, R/т
CARBO LITE 8/14	1–3	2,71	0,5	32	0,19	12 699	19
Eggo Sand	1–5	2,5–2,65	2,5	73	0,19	1 058	31
Кремний- алюмооксид- циркониевая среда	1–2	3,9–4,1	0,2	18	0,19	371 900	74

Табл. 2. Оценка различных мелющих сред

Горизонтальная мельница с мелющей средой SAZ и низкоскоростная вертикальная мельница В с керамической мелющей средой предоставили самые высокие максимальные значения SCBR и минимальные требования по удельной подводимой мощности для измельчения частиц концентрата до 80 % прохождения через ячейку 10 микрон.

Оценка мелющих сред

Для проведения сравнения значений SCBR использовалась горизонтальная мельница с песчаными мелющими телами, керамической мелющей средой и мелющей средой SAZ. В вертикальных мельницах также использовались песчаные мелющие тела и керамическая мелющая среда. На рисунке 6 приведены значения SCRB для горизонтальной и низкоскоростной вертикальной мельницы B для получения продукта с различным размером частиц при использовании трех типов мелющих сред.

v

Рис. 5. Удельные общие скорости измельчения для четырех мельниц с керамической мелющей средой и мелющей средой SAZ, плотностью материала питания с 45 % твердых частиц

Горизонтальная мельница с мелющей средой SAZ: для получения размера частиц 10 мкм значение SCBR был 0,045 в сравнении с 0,025 при использовании керамической мелющей среды. При использовании песчаной мелющей среды значения SCBR равны 0,011. Как показано на рисунке 6, в сравнении с керамической мелющей средой, при использовании песчаных мелющих тел в вертикальной мельнице и измельчении частиц концентрата до размеров частиц, на 80 % проходящих через сито с ячейкой 10 мкм, необходим почти вдвое меньший уровень подводимой мощности. Кроме того, использование мелющей среды SAZ снижает уровень необходимой подводимой мощности на 44 %. Использование керамической мелющей среды в низкоскоростной вертикальной мельнице B увеличивает показатели удельной общей скорости измельчения с 0,02 до 0,03, при условии измельчения до требуемых размеров частиц (рис. 6). Таким образом, использование керамической мелющей среды в низкоскоростной вертикальной мельнице B увеличивает эффективность измельчения на 50 %. Схожие результаты были получены при проведении испытаний с низкоскоростной вертикальной мельницей A.

При первой загрузке в мельницах использовалась среда с песчаными мелющими телами из предыдущих испытаний на опытной установке, на которой проходили последние испытания. Расчет расхода необходимых мелющих сред производился с учетом добавления новой мелющей среды, необходимой для поддержания входной мощности мельниц в течение пяти недель испытаний.

Наименьшие показатели расхода наблюдаются при использовании мелющей среды SAZ (0,2 кг материала среды на одну тонну питания в виде концентрата Phoenix) в сравнении с 0,5 кг/т для керамической и 2,5 кг/т для среды с песчаными мелющими телами. В связи с увеличением расхода электроэнергии эксплуатационные затраты при использовании среды с песчаными мелющими телами на 63 % выше. В случае использования мелющей среды SAZ, операционные затраты увеличиваются на 390 % из-за высокой стоимости материала.

Гранулометрическое распределение конечного продукта

На рисунке 7 показаны результаты гранулометрического распределения конечного продукта четырех мельниц с мелющей средой SAZ в высокоскоростной вертикальной мельнице и керамической мелющей средой в остальных мельницах. Высокоскоростная вертикальная мельница с мелющей средой SAZ дает наилучший результат гранулометрического распределения с наименьшим количеством частиц, размер которых менее 5 и более 15 мкм. Учитывая наивысшие показатели значений SCBR для измельчения частиц концентрата до размеров частиц, на 80 % проходящих через сито с ячейкой 10 мкм, этот результат был вполне предсказуем. Для измельчения частиц до размера менее 5 мкм потребовалось меньше энергии. Детального описания гранулометрического распределения для горизонтальной мельницы с мелющей средой SAZ не существует.

Рис. 6. Удельные общие скорости измельчения при использовании среды с песчаными мелющими телами, керамической мелющей средой и мелющей среды SAZ

В сравнении с низкоскоростной вертикальной мельницей, результаты гранулометрического распределения конечного продукта горизонтальной мельницы с керамической мелющей средой на порядок выше (с наименьшим количеством частиц, размер которых менее 5 и более 15 мкм). В конструкции горизонтальной мельницы предусмотрены 8 камер для измельчения и внутренний сепаратор. Конструкция предотвращает перемещение крупного материала по короткому контуру. Самые плохие показатели гранулометрического распределения конечного продукта у низкоскоростной вертикальной мельницы. В этом случае отмечено наибольшее количество частиц, размер которых менее 5 и более 15 мкм. Классификация частиц в мельнице не производилась, производительность измельчения чрезвычайно снизилась ввиду высокой плотности концентрата на подаче.

Регулировка температуры мельницы

Одним из важнейших параметров, учитываемых при конструировании мельниц, является соблюдение температурного режима внутри мельницы. Для этой цели была использована кислая пульпа (pH не менее 3) с содержанием хлорида до 5 г/т. Для создания мельницы можно было использовать обыкновенную сталь и компоненты с резиновой футеровкой при условии, что температура пульпы не более 60 °С. Единственным альтернативным материалом, подходящим для таких условий и обеспечивающим соблюдение режима и годный для работы при температуре выше 60 °С, является Hastalloy C276. Стоимость комплектующих деталей, изготовленных с применением этого сплава, была на порядок выше, чем стоимость деталей из обыкновенной стали с резиновой футеровкой. В связи с увеличением потребляемой энергии повысилась температура пульпы, что в свою очередь привело к увеличению нагрузки на регенерационную систему в районе отделения автоклава №1.

Данные о перепаде температур внутри мельницы были рассчитаны на основании удельной подводимой мощности, температуры на входе и выходе (рис. 8). Перепад температур горизонтальной мельницы составил 0,68 °С на 1 кВт.ч/т удельной подводимой мощности, температура на входе был 25 °С. Перепад температур низкоскоростной вертикальной мельницы B составил 0,43 °С на 1 кВтч/т удельной подводимой мощности, температура материала на выходе составила 36,5 °С.

Рис. 7. Гранулометрическое распределение конечного продукта четырех мельниц

Повторное использование концентрата сульфида возможно после обработки кислым раствором очищенной меди при температуре 40 °С. Температура материала на выходе высокоскоростной горизонтальной мельницы составляет 62,7 °С, а низкоскоростной вертикальной мельницы B — 51,5 °С. Увеличение температуры материала при высокоскоростном помоле требует применения более дорогостоящих материалов в компонентах, задействованных в процессе измельчения. Использование высоких скоростей контакта увеличивает потери при трении и снижает производительность. Процесс выщелачивания является экзотермическим, требующим дополнительных затрат энергии в процессе измельчения (обусловлен более высокими температурами) и должен быть исключен с помощью промывочной регенерационной системы в автоклавах.

Конструкция высокоскоростной вертикальной мельницы не предусматривает возможность поддержания температуры конечного продукта ниже 60 °С без косвенного охлаждения. Расход охлаждающей воды составил 1,8 м3 на одну тонну питания мельницы. Наличие косвенного охлаждения пульпы и дополнительного оборудования для переработки охлаждающей воды в других типах мельниц не является необходимым условием.

Для достижения такого же результата и уменьшения размера частиц до 80 % прохождения через сито с ячейкой 10 мкм наименьшие показатели температуры зафиксированы у низкоскоростной вертикальной мельницы B. Основываясь на значениях SCRB, в сравнении с другими типами мельниц, КПД низкоскоростной вертикальной мельницы по энергии был выше, так как в этом случае в мельнице было больше свободного пространства (увеличение уровня потерь на испарение).

Оценка качества механической конструкции

Основные критерии оценки качества механической конструкции четырех мельниц:

• материалы, используемые при строительстве;
• степень воздействия пульпы на компоненты;
• скорость изнашивания;
• требования к обслуживанию.

В конструкции низкоскоростных вертикальных мельниц применялись обыкновенная сталь, футерованная резиной и полиуретановые материалы. Эти несложные компоненты, подвергающиеся воздействию пульпы, можно с легкостью заменить или отремонтировать прямо на месте эксплуатации мельницы. В конструкции горизонтальной и высокоскоростной вертикальной мельниц использовалась нержавеющая сталь, футерованная резиной, SAF2005 и полиуретановые материалы. В сравнении с низкоскоростной мельницей ремонт и замена компонентов для этих типов мельниц гораздо сложнее, дороже и занимает больше времени. Во всех четырех типах мельниц корпус, вращающий вал с механизмом перемешивания и сепарации, подвергаются воздействию пульпы. В конструкции горизонтальной мельницы воздействию пульпы подвержено торцевое уплотнение, в конструкции высокоскоростной вертикальной мельницы — охлаждающий змеевик. В отличие от вертикальной мельницы, которая имела выход в атмосферу, горизонтальная мельница работала под давлением.

Рис. 8. Повышение температуры при повышении удельной подводимой мощности

Скорость изнашивания футеровки низкоскоростной вертикальной мельницы была низкой: средний износ был оценен как 16 мм в год, срок службы стержней — 3 замены в год. Максимальная скорость износа — 83 мм в год при высокой температуре рабочего процесса (выше 60 °С) внутри мельницы.

Скорость износа футеровки горизонтальной мельницы оценена как умеренная, в то же время скорость изнашивания на одной стороне перемешивающего механизма высока. Средний срок службы до полного износа футеровки — 24 м в год, а срок службы диска — 4 замены в год. Скорость изнашивания высокоскоростной вертикальной мельницы оценена как высокая в связи с высокой скоростью изнашивания нижней поверхности перемешивающего механизма. В условиях беспрерывной эксплуатации замену нижней части механизма необходимо осуществлять почти каждую неделю.

Работоспособность мельниц

Оценка работоспособности четырех типов мельниц произведена на основе следующих критериев:

• количество параметров управления;
• время обработки;
• обратная связь с оператором.

Наименьшее количество параметров управления имеет низкоскоростная вертикальная мельница: скорость подачи питания, плотность, размер конечного продукта и температура выгружаемого материала. Высокоскоростная вертикальная мельница имеет дополнительные сложности с системой охлаждения, горизонтальная мельница — с системой механического уплотнения и защитой мельницы от повышенного давления. Время обработки низкоскоростной вертикальной мельницы, как и у низкоскоростной вертикальной мельницы A, самое продолжительное. Двумя другими схожими отрицательными моментами при оценке времени обработки и основными причинами простоя являются: ошибка оператора, закупоривание системы подачи питания и выходного грохота. Значительная часть периода простоя низкоскоростной и высокоскоростной вертикальной мельниц связана с блокировкой линий питания, сливного трубопровода и/или классификационных сит для продукта. Одним из преимуществ горизонтальной мельницы является использование системы внутренней центробежной классификации посредством внутренних классификационных грохотов продукта внутри мельницы. Применение вертикальной мельницы предусматривает относительно быструю очистку от мелющей среды и ее компонентов, в отличие от горизонтальной мельницы, конструкция которой предусматривает применение закрытой системы. Конструкции всех четырех типов мельниц предусматривают возможность запуска под нагрузкой, однако продолжительные простои не оказывают влияния только на горизонтальную мельницу.

Разработка проекта промышленной установки

Для конструкции проекта была выбрана технология низкоскоростной вертикальной мельницы B на основе оценки эксплуатационных характеристик мельниц. Некоторые преимущества данной технологии измельчения:

• для получения необходимого размера конечного продукта при использовании керамической мелющей среды требуется минимальное количество удельной подводимой энергии;
• конечный продукт гранулометрического распределения был приемлемым для мельниц. Можно существенно улучшить конечный продукт, используя последовательную обработку;
• при увеличении уровня подводимой энергии рост температуры данной мельницы минимален;
• самый простой тип мельницы в установке и обслуживании; 
• мельница может работать в кислом технологическом растворе.

Исходя из экономического обоснования, приведенного в таблице 2, для проекта была выбрана мелющая среда CARBO LITE 8/14 с керамическими мелющими телами крупностью 1–3 мм. Проект предусматривает применение раздельных систем подачи питания и эксплуатационную гибкость в отношении крупности частиц питания для мельниц первичного и вторичного измельчения.

---

Материал создан на основе статьи
G.J. Nel (Norilsk Nickel Africa)

1. HINDE, A. July 2005. Model fitting to the Deswick Turbo mill data on Tati concentrate (Подбор модели по характеристикам мельницы Deswick Turbo mill data при работе с концентратом Tati) Mintek.
2. HARBORT, G., HOURN, M., MURPHY, A., IsaMill ultra fine grinding for a sulphide leach process (Сверхтонкое измельчение IsaMill для процесса выщелачивания сульфида). http://www.isamill.com/downloads/IsaMill%20Ultrafine%20Grinding%20for%20a%20 Sulp hide%20Leach%20Process.pdf. Проверено 17 апреля 2009 года.
3. KELLY, E.G. & SPOTTISWOOD, D.J., 1995. Introduction to Mineral Processing (Введение в обогащение полезных ископаемых. Australian Mineral Foundation (Австралийский фонд полезных ископаемых). ISBN 0-90839-64-6. 491p.
4. METSO, 2009., Stirred Detritor mills (Мельницы –песколовки с перемешиванием). http://www.metsominerals.com/inetMinerals/mm_home.nsf/FR?ReadForm&ATL=/ inetMinerals/mm_gr in.nsf/WebWID/WTB-041123-2256F-B244E, Accessed on 16 April 2009.
5. NEL, G.J. август 1995 г. Внутренний отчет об испытаниях одностадийного измельчения. GN002. Tati Nickel Mine. Botswana. 30p.
6. WELLER, K. R., GAO, M., Ultra-Fine Griniding (Сверхтонкое измельчение), CSIRO Minerals, Pinjarra Hills, Queensland Australia (Квинсленд, Австралия)

Опубликовано в журнале «Золото и технологии», № 1 (27)/март 2015 г.