Промышленные испытания инновационных энергоэффективных мелющих тел

Первоначально статья “Industrial Tests with Innovative Energy Saving Grinding Bodies” была опубликована в журнале Journal of Multidisciplinary Engineering Science and Technology (JMEST), №4 (1), январь 2017. Переведено и напечатано с разрешения авторов. Перевод с англ.: С. Верхозин, АО «Иргиредмет» 

 

С 1864 г. в США и 1867 г. в Германии начали использовать мелющие тела сферической формы при измельчении в шаровых мельницах руд и других разновидностей минерального сырья. Сегодня таким образом перерабатываются миллиарды тонн породы — угля, клинкера, известняка и прочих материалов. Было запущено массовое производство мелющих тел сферической формы, которые являются обязательным компонентом измельчения в шаровых мельницах и, по некоторым данным, — крупнейшим по объему выпуска металлическим изделием в мире (по оценке авторов — 30 млн т в год). Более того, для нужд некоторых отраслей промышленности выпускается большое количество керамических мелющих тел, которые также имеют сферическую форму. 

Сферические мелющие тела достигли предельной точки своего развития, и настоящий прорыв в традиционной технологии измельчения возможен только в случае радикальных перемен. 

 

Авторами была разработана серия из семи новейших типов мелющих тел, имеющих несферическую форму: две серии — для измельчения в сухом режиме, пять — в мокром [1] [2]. Авторы допускают, что эффективное мелющее тело можно изготовить из любого материала. Проведенные при Университете горного дела и геологии в Софии (Болгария) испытания на определение индекса шарового измельчения по Бонду первого типа мелющих тел Reloe-C1 продемонстрировали более низкие значения Wi по сравнению с телами сферической формы. Результаты испытаний по различным материалам представлены в таблице 1 [3].

 

Таблица 1. Результаты испытаний на определение индекса шарового измельчения по Бонду мелющих тел сферической формы и мелющих тел Reloe-C1

Материал	Wi, мелющие тела сферической формы	Wi, мелющие тела Reloe-C1
Известняк	11,30	11,00
Уголь	29,20	27,80
Цементный клинкер	14,60	13,60

 

Чем ниже показатель Wi измельчения конкретного материала при использовании новых мелющих тел, тем ниже расход энергии на процесс. Именно по этой причине они и были названы энергоэффективными мелющими телами — ЭМТ. Следует заметить, что испытания на определение индекса Бонда проводились практически в идеальных условиях на материале крупностью не более 3,2 мм. Согласно прогнозу авторов, из этого следует, что промышленные испытания покажут более высокие результаты.

 

Испытательная часть

 

Проведение промышленных испытаний имело три цели:

1. Установить производительность измельчения, т/ч.

2. Определить расход энергии на измельчение 1 тонны материала (кВт∙ч/т).

3. Проанализировать изменение формы мелющих тел в режиме непрерывного измельчения.

 

Условия испытаний

 

Обогатительная фабрика, принадлежащая компании Rudmetal AD (г. Рудозем, Болгария), по условиям контракта от 14.03.2016 г. между Relo B Ltd и Rudmetal AD на производство, поставку и промышленные испытания энергоэффективных мелющих тел (ЭМТ).

 

Оборудование испытаний

 

Две шаровые (барабанные) мельницы модели MQG 1530, выпущенные в Китае, диаметром 1500 мм, длиной 3500 мм, оборудованные износостойкой внутренней футеровкой толщиной 35 мм и двумя расположенными напротив друг друга прямоугольными крышками (рис. 1). Толщина оболочки корпуса/внешней футеровки изменялась. На мельницах установлены электродвигатели мощностью 75 кВт. Обогащение производилось методом флотации — флотационная система была спроектирована и смонтирована компанией «Гормашэкспорт», Новосибирск (Россия).

 

Рис. 1. Шаровые (барабанные) мельницы, применяемые при испытании: М1 (сверху) и М2

 

Контроль данных, необходимых для эксплуатации цикла флотации в непрерывном режиме, осуществлялся с помощью двух дисплеев: на один выводилась информация о расходе электроэнергии (кВтч), на второй — производительность по твердому материалу (т/ч). В процессе испытаний присутствовал главный инженер и проектировщик системы флотации из «Гормашэкспорта» М. Яковлев.

 

Измельчение материала

 

Материал измельчения — свинцово-цинковая руда с предприятия по подземной добыче Dimov Dol (рядом с г. Рудозем, в южной части Родопских гор, Болгария). Массовая доля свинца в руде — 7%, кварцита — до 65%. По шкале Моса твердость данного материала составила 7, он чрезвычайно прочный и абразивный. Максимальная крупность руды при поступлении на мельницы — 25–30 мм. Измельчение производилось в мокром режиме.

 

Мелющие тела

 

Руда измельчалась при помощи мелющих тел сферической формы диаметром 60 мм, массой одного компонента 0,961 кг, изготовленных методом горячего штампования из старых рельс компанией из Польши. Поверхностная твердость — HRC 58-60. Загрузка мельницы составила 6–8 т, не менее 45–50% по объему.

Учитывая тип и крупность руды, были выбраны ЭМТ марки Reloe-M1.1 (рис. 2). Каждое из них состоит из 4 полусфер радиусом 64,5 мм (радиус сферы обычного мелющего тела — 30 мм). Площадь поверхности Reloe-M1.1 примерно на 9% больше площади поверхности сферического тела диаметром 60 мм. Более того, новый тип тел имеет 12 ребер. Наличие большого количества ребер повышает эффективность измельчения кусков руды. Угол между ребрами — 120˚, что обеспечивает высокую ударную прочность. Таким образом, лучше сохраняется целостность поверхности ЭМТ относительно аналогов сферической формы.

 

Рис. 2. Пространственное изображение и размеры мелющего тела Reloe-M1.1

 

Согласно исследованию Дж. К. Норриса [4], наиболее эффективными типами мелющих тел являются именно сферические тела. Однако крупность частиц материала, измельчаемых в шаровых (барабанных) мельницах, существенно превышает оптимальные показатели. По этой причине уже более 150 лет мелющие тела сферической формы используются не совсем по назначению — они сначала разрушают и лишь потом измельчают крупные частицы. Очевидно, что шаровая (барабанная) мельница является не только установкой измельчения, но и ударной машиной, в которой сталкиваются свободно перемещающиеся объекты, которые не имеют сферической формы. На протяжении всей истории трудового и промышленного развития человечества разрушение материалов производилось при помощи предметов с четко выделенными краями, зачастую клинообразными.

Исследуемые мелющие тела ЭМТ при этом имеют не только множественные ребра, обеспечивающие гораздо более эффективное измельчение частиц, но и сферические участки. Авторы выражают уверенность, что данный продукт способен полностью удовлетворить потребности современных процессов измельчения.

Чтобы повысить точность проводимых промышленных испытаний, компанией Reloe B Ltd было изготовлено 11 тонн ЭМТ той же поверхностной твердости — HRC 58–60 и также изготовленных методом горячего штампования из старых железнодорожных рельсов. Средняя масса одного тела — 1,011 кг. Заготовки для энергоэффективных и обычных, сферических, тел содержали 0,8–1,3% марганца (Mn) и 0,80–0,82% углерода (С); сталь (одна из самых дешевых) была термически обработана по такой же недорогой технологии. Для закалки была использована водопроводная вода, для нормализации — низкотемпературная печь.

Было установлено, что качество термической обработки ЭМТ, изготовленных даже из дешевой стали и с использованием простейших технологий, выше по сравнению с качеством обработки обычных тел сферической формы. Ранее было также обнаружено, новые тела аналогичного размера и массы занимают на 10% меньше объема относительно обычных мелющих тел. Несомненно, что повышенная компактность, позволяющая на 10% увеличить количество тел в мелющей среде, представляет собой дополнительную возможность повышения эффективности шаровых (барабанных) мельниц, которая будет проанализирована в рамках последующих испытаний.

В процессе испытаний в мельницу M1 было загружено 8 тонн мелющих тел сферической формы, в мельницу M2 — 7 тонн ЭМТ. Разница загрузки обусловлена большим диаметром сферических участков новых тел, обеспечивающих повышенный поверхностный контакт со стенками мельницы. Изначально форма новых тел привела к тому, что они поднимались на бо́льшую высоту во время вращения мельницы, чем их обычные аналоги, вследствие чего происходила перегрузка и выключение двигателя. Проблема была решена загрузкой меньшего количество тел в мельницу M2.

Таким образом, испытания проводились в разных условиях. Загрузка мельницы M2 была на 12,5% ниже, чем мельницы M1, заполнение — около 32%. В то же время мельница M1 была на 45–50% загружена мелющими телами сферической формы. Меньшая загрузка породы в мельницу M2 по сравнению с М1 сохранялась на протяжении всего процесса испытаний.

Предположительно кинетическая энергия ЭМТ в мельнице выше кинетической энергии обычных сферических тел. Каждые 24 часа в мельницу М1 добавлялось по 100 кг сферических мелющих тел, в М2 — каждый 100 часов функционирования по 120 кг ЭМТ. Мельницы вращались со скоростью 19,5 об/мин. Данные о производительности (т/ч) и расходе электроэнергии (кВт∙ч) выводились на два дисплея и специально фиксировались при помощи видеозаписи, что потребовалось из-за крайне быстрого изменения поступаемой информации. После этого все полученные данные (интервал регистрации — 5 секунд) были введены в компьютер.

 

Результаты испытаний

 

Было проведено три испытания длительностью 50, 206 и 444 часа, зафиксирован соответствующий расход электроэнергии (табл. 2).
На рис. 3 изображен график изменения производительности и расхода электроэнергии в процессе работы мельниц М1 и М2 одновременно или по отдельности.

 

Рис. 3. График производительности и расхода электроэнергии при использовании мелющих тел обоих типов

 

Таблица 2. Результаты испытаний мелющих тел

Дата	Мельница	Производительность, т/ч	Расход электроэнергии
			кВт•ч	кВт•ч/т
18.11.2016	М1 (сфер.мел.тела)	3,44	54,00	15,68
18.11.2016	М2 (Reloe)	6,86	60,00	8,75
29.11.2016	М1 + М2	11,46	114,00	9,95
29.11.2016	М1 (сфер.мел.тела)	3,96	54,00	13,63
29.11.2016	М2 (Reloe)	7,50	60,00	8,00
16.12.2016	М1 + М2	12,15	100,25	9,74
16.12.2016	М1 (сфер.мел.тела)	4,35	51,50	11,82
16.12.2016	М2 (Reloe)	7,80	48,75	6,25

 

Ситовой анализ пульпы после классификации показал, что эффективность мельницы М2 по материалу крупностью минус 0,075 мм с использованием ЭМТ на 9,63% выше, чем с использованием обычных мелющих тел сферической формы.

По прошествии 206 часов испытаний в мельнице М2, загруженной ЭМТ, было установлено, что:

- повышенный износ на внутренней стороне корпуса мельницы не наблюдается;

- ЭМТ изнашиваются равномерно и сохраняют свою первоначальную форму.

На рис. 4 показаны энергоэффективные мелющие тела в мельнице.
Спустя 206 часов работы мельницы в чрезвычайно жестких условиях двойные ребра ЭМТ скруглились, за счет чего общее количество ребер сократилось до 6. Поскольку средний вес изношенного тела составил 0,880 кг, снижение его массы составило в среднем 0,131 кг. Износ по верхней части и сферическим круглым участкам колебался в пределах 2–3 мм. Двойные ребра с момента сохранения исходной массы 1,011 кг и до окончания испытаний уже выполнили свою основную функцию — измельчили достаточное количество руды при полной вовлеченности тел в процесс. Измерение массы отдельных изношенных мелющих тел показало не более чем 5-процентное отклонение от обычного значения.

 

Рис. 4. ЭМТ в мельнице спустя 206 часов

 

Данное отклонение вполне допустимо, и это вкупе с симметричной формой ЭМТ доказало, что энергоэффективные мелющие тела всеми частями воздей-ствуют на частицы руды, за счет этого имеют равномерный износ и дольше сохраняют форму.

Схожие выводы можно сделать по результатам 444 часов испытания. Было подтверждено, что и в данном случае ЭМТ сохраняют форму, приобретенную после 206 часов (рис. 5).

 

Рис. 5. Примеры ЭМТ Reloe-M1.1 до измельчения, после 206 и 444 часов

 

К числу важных результатов следует отнести подтверждение того факта, что для работы с новыми мелющими телами технические специалисты не нуждаются в особых навыках или обучении.

 

ВЫВОДЫ

 

Впервые в мировой практике были проведены промышленные испытания мелющих тел, по своей форме напоминающих сферический тетраэдр. Результаты работы продемонстрировали их несомненные преимущества по сравнению с обычными аналогами сферической формы, показали, что изменение формы мелющих тел является одним из способов повышения эффективности измельчения и снижения расхода электроэнергии. Данная возможность много лет игнорировалась отраслью, а горнодобывающие компании сами ограничивали себя использованием обычным мелющих тел.

Кроме практически 90-процентного повышения эффективности, новые мелющие тела позволяют снизить расход электроэнергии более чем на 40%. Это дает основания утверждать, что их можно отнести в категории энергоэффективных. Все эти преимущества можно объяснить только радикальным изменением и повышением качества процессов дробления и измельчения при использовании новых мелющих тел, представляющих собой бесспорную альтернативу обычным аналогам. Учитывая огромные масштабы горнодобывающей промышленности, мы полагаем, что внедрение данного продукта окажет существенное влияние на снижение выбросов углекислого газа в атмосферу.

Важным фактором является то, что новые мелющие тела не повышают износ футеровки мельницы, в течение долгого времени сохраняют свою форму и свойства после непрерывного измельчения, производя своего рода эффект самообновления.

На данный момент еще не проведены исследования ЭМТ большей плотности, однако очевидно, что 10-процентное увеличение загрузки ЭМТ в аналогично занимаемый объем мельницы обеспечивает повышение эффективности измельчения.

С точки зрения технологии производства ЭМТ доказано, что новые мелющие тела высокого качества можно производить из дешевой стали и с использованием простых технологий. Авторами также было показано, что 11 тонн новых мелющих тел для проведения исследования можно изготовить методами литья, штампования или прокатки без дополнительных технических сложностей и значительных финансовых затрат, обычно связанных со столь масштабным производством. В связи с этим изготовление данного продукта не требует дополнительных инвестиций.

Производителям мелющих тел и их заказчикам предлагается быстрое внедрение нового энергоэффективного решения для измельчения любых материалов. Производство керамических мелющих тел новой формы не является сегодня проблемой.

Авторы выражают благодарность руководству Rudmetal AD за поддержку в проведении промышленных испытаний новых энергоэффективных мелющих тел.

 

Список использованной литературы

 

1. P. Bodurov, Grinding bodies/1-2., Design Registration No. DM/80 963; Date of International registration: 23.05.2013; Filling Date: 23.05.2013; EM, EG, TR, WIPO/HAGUE.

2. P. Bodurov, Grinding bodies/1-5., Design registration No. DM/81 103; Date of International registration: 05.06.2013; Filling Date: 05.06.2013; EM, TR, UA, WIPO/HAGUE.

3. Bodurov P., Genchev V., New and More Effective Grinding Bodies for Drum Mills, Journal of Multidisciplinary Engineering Science and Technology (JMEST), ISSN: 3159-0040, Vol. 2 Issue 9, September — 2015, pp. 2516–2520.

4. Norris G. C., Some Grinding Tests with Spheres and Other Shapes, Transactions of Institute of Minerals and Metallurgy, London, 1954, February, 63 (567), 197–209. ■

 

 

---

• Содержание сайта
• Комментарии
• Главная страница