Мельница самоизмельчения, опередившая время

Уже много лет идут разговоры о замещении импортной техники, а также и технологий. Однако разговоры — они и есть разговоры. Мы же предлагаем конкретные разработки, да еще и внедренные, а значит, рабочие, взамен мельниц самоизмельчения западных производителей. Главное, ниже мы об этом скажем, что за более чем 130 лет эксплуатации мельниц остались некоторые неизученные вопросы, на которые, мы, исследовали, предложили свои инженерные решения, и они, на наш взгляд, кардинально меняют представление о конструкции мельниц в целом, а также о колоссальной роли таких элементов, как футеровка и решетка в высокоэффективной работе этого оборудования.

 

Для того, чтобы было понятно, на фотографиях ниже (рис. 1, 2) показаны работающие мельницы самоизмельчения с размерами барабанов D×L=1,7×0,8; D×L=2,0×1,1; D×L=3,0×1,1; D×L=4,0×1,12; D×L=5,02×1,33, закрепленных на валу консольно.

 

Представленные разработки, несомненно, являются инновационными и вот почему.

Первая инновация — это конфигурация барабана, она имеет совершенно нетипичное соотношение диаметра к длине (D:L), которое составляет 3,75–8,8, причем для мелких машин диаметром от 3 до 5 м этот параметр — 3,75–4,45, а для мельниц большого размера 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. (Ниже попробуем обосновать преимущество высокого значения соотношения D:L.)

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 ее на мельницах для переработки некоторых руд (например, кимберлиты) дало колоссальные показатели: прирост производительности составил до 80% и снижение энергозатрат — до 55%. (Более подробно о каблучковой футеровке читайте в статье «Мельницы полусамоизмельчения отживают свой век».)

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 о разгрузочной решетке компании «ТТД» читайте в статье «Параметры разгрузочной решетки — инструмент повышения эффективности рудоподготовки»).

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

Пятая инновация основана на принципиальном решении — консольное крепление барабана. Появляется возможность создания уникальных модификаций, таких как двухконсольные мельницы, когда оба барабана работают в режиме самоизмельчения либо один барабан работает как первичная мельница самоизмельчения, а второй — как шаровая мельница. И все это монтируется на одном валу и на одной раме.

Шестая инновация — эти мельницы работают на подшипниках качения с использованием либо консистентной смазки (при диаметре барабана до 8 м), либо местной циркуляционной смазки (при диаметре более 8 м). В любом случае мощные маслостанции и уникальные по сложности подшипники скольжения, как 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. 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.

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

 

Краткая история развития техники и технологии самоизмельчения

           

Появление первых мельниц самоизмельчения в горнорудной 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].

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.

В СССР работа над созданием мельниц самоизмельчения, исследование 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 и, конечно, в кулуарах. Рождаются научно-инженерные школы, привлекаются в огромных количествах выпускники горных институтов Ленинграда, Свердловска, Москвы, Красноярска, Иркутска. Мне [Кочневу В.Г.] 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×L=5,0×2,3 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 середине 1970-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 99% 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, например, Ингулецкий и Лебединский ГОКи, как они-то выдерживают давление конъюнктуры — понять сложно, но это вызывает уважение.

 

Конструкция мельницы самоизмельчения консольного типа

           

На рис. 3 показана мельница с размерами барабана D×L=4,0×1,4 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.

 

с размерами барабана D×L = 4,0×1,12 м

 

Как видно из фотографии, передний торец барабана имеет отверстие для загрузки руды. Для проведения каких-либо ремонтных или профилактических работ отверстие увеличивается до 2 м, 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, представлены в статье «Мельницы полусамоизмельчения отживают свой век».)

 

На рис. 4 показаны основные монтажные и транспортные узлы мельницы самоизмельчения консольного типа, а на фотографиях (рис.5) – последовательность монтажных работ.

 

консольного типа с размерами барабанов 5,0×1,33 м

 

самоизмельчения с размером барабана 5,0×1,33 м

           

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

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.

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 (здесь мельница D×L=4×10 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.

Этот эффект был хорошо изучен советским исследователем С.М.Гольдманом на примере изучения сухого самоизмельчения в мельнице «Аэрофол», DxL=8,7×2,6 м. 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.

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

 

         

С учетом постулата наших корифеев [3], выше процитированных, 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 чего-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. 6, как растачивают барабаны и к ним крышки — картина многоговорящая.

 

производителя

           

Ну а что тогда с мельницами компании «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 барабана мельницы. 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 увеличением диаметра, а связано с увеличением длины, как следует из формулы [5]. Во-вторых, резкий спад производства мельниц диаметром 11 м и более не связан с увеличением диаметра, а находится 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, предела диаметра когда-нибудь достигнут, но какой он будет — 30 м или 120 м — пока сказать возможно только теоретически. По крайней мере, расчет дает оптимистический прогноз, что мельница диаметром 20 м при длине 3 м обеспечит повышение производительности на 22% больше, чем уже существующая самая большая мельница в мире диаметром 13,42×7,01 м, а с учетом каблучковой футеровки и новой разгрузочной решетки рост производительности составит 45–55%. Кроме того, существует двухконсольная компоновка (рис. 7), когда на одном валу располагаются с двух сторон два барабана. Возможно, что для крупных мельниц этот вариант компоновки будет наиболее оптимальным. Ниже показаны сравнительные геометрические характеристики двухконсольной мельницы компании «ТТД» и зарубежной, на сегодня самой крупной мельницы.

 

производства ТТД; справа — мельница с размерами барабана 13,4×7,0 м

зарубежного производства

 

Необходимо также сказать о длине рабочей части мельницы и чем длина регламентируется. Мы предлагаем использовать для этого простые критерии:

1) максимальное исключение продольной сегрегации, как это сделано по рекомендации С.М.Гольдмана [4], т.е. внедрение отражательных колец;

2) исходить из крупности максимального куска в питании мельницы.

Например, на нашей пилотной установке мы применяем мельницу с размерами барабана 1,2×0,3 м, крупность максимального куска в питании составляет 200 мм. К настоящему времени проведено около 50 технологических испытаний по измельчаемости различных руд на нашем стенде, причем более половины из них на счету «Механобр Инжиниринг». 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.

 

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 их основании теперь мы знаем, что срок службы вала мельницы составляет более 38 лет, а срок службы самого нагруженного подшипника качения — 22 года.

На рис. 8 показаны результаты расчета барабана и вала консольной мельницы с размером барабана 5,0×1,33 м методом конечных элементов.

 

самоизмельчения консольного типа с размером барабана 5,0×1,33 м

 

Поскольку такие мельницы сегодня работают (одна 18 лет, другая 15 лет), а эксплуатирующие их компании за весь период применения мельниц ни по каким вопросам принципиального технического характера не обращались, будем считать, что расчет выполнен правильно.

 

Заключение

Несмотря на обширный материал, представленный в настоящей статье, 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, практическое применение. И пусть пока внедрено не так много мельниц, но все они, от самых маленьких (1,7×0,8 м), работающих в геологической экспедиции в Якутии до самых (пока еще) больших (5,0×1,33 м), работающих 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 также конструкцию  мельниц с диаметром барабана 15, 17 и 19 м, с обоснованными планируемыми показателями существенно выше показателей, которые обеспечивают западные мельницы.

 

Литература

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.

6. А.В. Бортников, А.Д. Самуков (НПК “Механобр-техника”), В.Ф. Баранов (ЗАО “Механобр-инжиниринг”) Обогащение руд, №6, 2004.

 

ООО «Техника и Технология Дезинтеграции»

г. Санкт-Петербург

+7 (921) 930 87 11

v.cochnev@yandex.ru

ttd.spb.ru

 

На правах рекламы