Анализ кинетики измельчения руд в различных типах мельниц

Анализ скорости измельчения различных материалов является актуальной проблемой, возникающей во многих отраслях промышленности. Это связано с главной задачей процесса измельчения – непереизмельчить более требуемого класса крупности, с одной стороны, и с необходимостью снижения энергоемкости производства, с другой стороны. Для измельчения полезных ископаемых и других материалов используют различные виды мельниц, отличающиеся типом воздействия на материал. В процессе измельчения разрушение осуществляют под действием механических, тепловых или электрических сил, направленных на преодоление внутренних сил сцепления частиц твердого тела. На практике измельчение с целью уменьшения размеров кусков до заданной крупности происходит под действием внешних механических усилий, создаваемых рабочими органами измельчительного агрегата, или при соударении частиц в струях энергоносителя. Для тонкого измельчения руд чаще всего используются барабанные мельницы (шаровые, стрежневые), относящиеся к первому способу разрушения, и струйные мельницы. В последнем способе измельчения источником энергии, обеспечивающим внутримельничные процессы (разрушение частиц, пневмотранспорт, разделение по крупности, возврат циркулирующей нагрузки), являются взаимодействующие с частицами газовые струи, организующие их движение и обусловливающие не только высокодинамичный механизм раскрытия минералов, но и изменение структуры (механоактивацию) измельченного порошка. Однако этот способ дезинтеграции минерального сырья отличается большой энергоемкостью при получении тонких порошков, что вызывает необходимость установления и поддержания наиболее эффективного режима измельчения.

При тонком измельчении полезных ископаемых разные по крупности фракции материала ведут себя по-разному. На первом этапе относительно крупный материал измельчается легче и требует меньше энергии. Но при измельчении частиц меньшего размера, т. е. при увеличении суммарной поверхности мелкодисперсной фазы, требуется больше энергии для измельчения частиц, наблюдается термодинамическое неравновесие двухфазной системы, и сильнее проявляются силы коагуляции. Причем, для разных материалов, обладающих разными прочностными свойствами, химическим и морфологическим составом, исходным гранулометрическим составом, кинетика измельчения проявляется по-разному. Необходимо изучить особенности тонкого измельчения минералов с позиций поведения частиц разной крупности в процессе измельчения.

Цель данной работы состоит в исследовании скорости измельчения материалов разных свойств в шаровых, стержневых и струйных мельницах, используемых для тонкого измельчения материалов.

Исследования скорости измельчения материалов основывались на анализе изменений гранулометрического состава измельчаемого материала, т. е. кинетике измельчения. Исследования процесса измельчения в мельницах разного типа показали возможность описания его на основе оценивания математического ожидания М_х и стандартного отклонения гранулометрического состава материала s вида:

где t – время измельчения.

При этом коэффициенты a _i,b _i зависят от материала и вида мельницы.

В качестве примера можно рассмотреть результаты измельчения полиметаллической руды в шаровой мельнице. Полиметаллическая руда месторождения является трудноизмельчаемой, комплексной, образованной несколькими типами оруднения: редкоземельного, циркониевого, ториевого и полиметаллического. Продукт измельчения полиметаллической руды в шаровой мельнице был довольно грубым с преобладанием частиц крупнее 2 мм (см. таблицу 1). В связи с этим кривая отклонения гранулометрического состава имеет вид возрастающей функции с выпуклостью вверх (рис. 1а, кривая 2).

 

Таблица (1). Ситовый анализ измельчения полиметаллических руд в шаровой мельнице

Анализировалась кинетика измельчения бедной медно-никелевой руды в шаровой и стержневой мельницах, исходный гранулометрический состав и кинетика измельчения которой представлен в таблицах (3) и (4) соответственно. На рис. 1 б показаны кривые кинетики измельчения в шаровой мельнице.
Установлено, что для тонкого измельчения руд кривые уравнений кинетики имеют вид квадратичных парабол, коэффициенты которых зависят от свойств материала и вида мельницы (рис. 1).

(а)

 

(б)

(в)

Рис.1 Графики уравнений кинетики грубого (а) и тонкого (б) измельчения в шаровой мельнице и тонкого измельчения в струйной мельнице (в)

Таблица (2) Кинетика шарового измельчения бедной медно-никелевой руды в шаровой мельнице.

Таблица (3). Кинетика шарового измельчения бедной медно-никелевой руды

Таблица (4). Кинетика измельчения бедной медно-никелевой руды в стержневой мельнице

Анализ кинетики измельчения одинакового сырья в разных мельницах (шаровой и стержневой) показал зависимость кинетики и скорости измельчения от вида мельницы, т. е. от способа разрушения. Скорость измельчения узких фракций определялась по одной и той же методике:

где v ni – скорость измельчения анализируемой фракции,g i,g+1 - содержание фракции (%) на данном и последующем шаге измельчения, Dt – длительность шага измельчения.

 На рис. (2) и (3) показаны скорости измельчения в струйной, стержневой и шаровой мельнице фракций крупных (а), средних (б) и мелких (в) по размеру частиц.

В струйной мельнице скорость измельчения для крупных фракций имеет убывающий характер, эти фракции разрушаются на начальном этапе измельчения и выбывают из процесса. Для средних и мелких фракций кривые скорости имеют знакопеременный характер, что можно объяснить работой струйной мельницы в замкнутом цикле с периодическим добавлением недоизмельченного материала в зону помола. При стержневом и шаровом измельчении скорости измельчения крупных фракций имеют также убывающий характер, однако в стержневой мельнице крупные частицы первых двух рассматриваемых классов исчезают интенсивнее (около четырех минут). В шаровой мельнице этот процесс растягивается до 12 мин. В остальных классах скорости измельчения имеют отрицательное значение, что обозначает накопление массы фракций в начальный период.

(а)

(б)

(в)

Рисунок (2).Скорости измельчения крупных (а), средних (б) и мелких (в) узких фракций шлака (1) и кварцевого песка (2) в струйной мельнице.

На следующем этапе в стержневой мельнице средние по крупности классы начинают интенсивно измельчаться и со второй минуты скорость убывания фракций (-2,0 +1,6 мм) … (-1,0 + 0,63) приобретает знакопеременный характер, увеличиваясь до 7 %/мин на четвертой минуте, а затем убывает до полного исчезновения фракций. В тоже время при шаровом измельчении процесс убывания средних фракций происходит медленнее, имея также знакопеременный характер. Так, до восьмой минуты упомянутые выше средние фракции обладают отрицательной скоростью измельчения, только после 10-12 минут скорости становятся положительными и медленно растут.

Для мелких фракций в стержневой мельнице характерна отрицательная скорость измельчения, т. е. для них преобладает процесс накопления вплоть до момента исчезновения средних классов (12-16 мин). Потом частицы мелких классов начинают измельчаться, за исключением двух последних фракций (частицы размером + 0,01), которые сохраняют накопительный характер, преобладающий над измельчением.

Для шарового измельчения на среднем и заключительном этапе измельчения характерно преобладание накопительного процесса в средних и мелких фракциях. Имея знакопеременные кривые скоростей измельчения, частицы фракций до -0,1 имеют отрицательную скорость измельчения до 16 минут. Процесс измельчения происходит только за счет остатков крупных фракций и средней фракции (+2,0 – 1,6). Только во второй половине процесса измельчения, т. е. после 64 минуты (табл. 3) начинают измельчаться средние классы, при этом мелкие фракции так и не включаются в измельчение.

Таким образом, анализ скорости измельчения узких фракций бедной медно-никелевой руды в стержневой и шаровой мельницах показал преимущества стержневой мельницы для получения продукта дисперсностью менее 2,0 мм. Однако измельчение в стержневой мельнице более энергоемкое, поэтому возможно комбинировать использование двух мельниц: вначале стержневую для получения 90 % продукта крупностью менее 2,0 мм, потом для получения продукта менее 0,071 мм подключать шаровую мельницу. Учитывая возможности струйной мельницы, можно рассмотреть включение в замкнутый цикл измельчения струйной мельницы на третьем этапе для измельчения продукта менее 0,63 мм.

(а)

(б)

(в)

1                                                                2

Рисунок(3). Скорости измельчения крупных (а), средних (б) и мелких (в) узких фракций бедной медно-никелевой руды в стержневой (1) и шаровой (2) мельницах.

В этом случае скорость струйного измельчения достигает 10 %/мин, тогда как скорость стержневого измельчения – 5 %/мин, а шарового – до 0,5 %/мин.

Все эти выводу нужно проверять для каждого материала отдельно.