Измельчение во вращающихся барабанных мельницах

Лекция 4

Измельчение. Характеристика процессов измельчения. Конструкции аппаратов. Назначение и роль операций измельчения при обогащении полезных ископаемых. Теоретические основы измельчения.

План лекции

1 Назначение и классификация процессов измельчения;

2 Характеристика процессов измельчения;

3 Конструкции аппаратов.

Назначение и классификация процессов измельчения

К основным процессам измельчения относятся: измельчение в барабанных вращающихся и вибрационных мельницах, центробежных, струйных и взрывоструйных мельницах. Выбор типа измельчительного аппарата зависит от физических свойств (прочности, вязкости, хрупкости, трещиноватости и др.) и крупности исходного материала, требуемой степени его измельчения и раскрытия сростков, гранулометрического состава измельченного продукта, необходимой производительности.

Измельчение во вращающихся барабанных мельницах

Барабанная мельница (рисунок 17, а) представляет собой обычно цилиндрический (иногда конический или цилиндроконический) барабан 1 с торцевыми крышками 2, 3 и пустотелыми цапфами 4, 5, опирающимися на подшипники 6, 7. Исходный материал загружается через одну цапфу, а измельченный продукт разгружается через другую. Движение материала вдоль оси барабана происходит за счет перепада уровней загрузки и разгрузки и напора в результате непрерывной загрузки исходного материала: при мокром измельчении материал транспортируется водой, а при сухом - воздушным потоком.

При вращении барабана измельчающая среда (стальные шары, стержни, куски руды или рудная галя) и измельчаемая руда благодаря трению поднимаются на некоторую высоту и затем сползают, скатываются или падают вниз. Измельчение происходит за счет удара падающей измельчающей среды, раздавливания и трения между частицами и перекатывающи­мися слоями содержимого мельницы. Вклад удара, трения и

раздавливания в работу измельчения зависит от режима работы мельницы, определяемого частотой вращения ее барабана, по отношению к критической «n_кр, когда для частицы или дробящего тела, например шара, в наивысшей точке А (рисунок 17, б) достигается равновесие двух основных действующих сил - центробежной силы Fи силы тяжести Р—и они уже не могут оторваться от поверхности вращающегося барабана.

Рисунок 17 - Схема барабанной вращающейся мельницы (а) и движения в ней мелющих тел при каскадном (б), водопадном (в) и смешанном (г) режимах измельчения

Для этих условий:

где D— внутренний диаметр барабана мельницы.

В промышленных условиях мельницы работают при частоте вращения барабана, равной 50—88 % критической, в каскадном, водопадном или смешанных режимах измельчения в зависимости от характера измельчаемого сырья, его исходной и необходимой конечной крупности.

Каскадный (некатарактный, перекатный) режим (см. рисунок 17, б) наблюдается при небольшой частоте вращения барабана, составляющей 50-60 % критической. Мелющие тела, например шары, поднимаясь на некоторую высоту, затем скатываются «каскадом» или сползают вниз, измельчая материал главным образом раздавливанием и истиранием. Режим используется с целью: получения однородного по крупности продукта измельчения перед его, например, гравитационным обогащением; предотвращения ударных воздействий мелющих тел на материал и тем самым переизмельчения хрупких материалов или некрепких пород; разупрочнения сростков и улучшения степени их раскрытия при доизмельчении концентратов и промпродуктов обогащения. Положительным явлением при каскадном режиме измельчения является также внутримельничная классификация, благодаря которой в нижней части барабана концентрируются и подвергаются измельчению лишь наиболее крупные и тяжелые сростки; более тонкие частицы, находясь в пульпе выше зоны, заполненной мелющими телами, не измельчаются и выносятся из мельницы потоком. Для обеспечения этой классификации измельчение проводится на относительно разбавленных пульпах (40—50 % твердого), что необходимо также и для обеспечения достаточной интенсивности измельчения при перекатывании мелющих тел, так как слишком густая пульпа чрезмерно смягчала бы их воздействие на измельчаемые зерна.

Водопадный (катарактный) режим (рисунок 17, в) осуществляется при частоте вращения барабана 75—88 % критической, обеспечивающей переход всех или большинства слоев мелющих тел с круговой на параболическую траекторию. Измельчение материала при этом происходит главным образом за счет удара падающих тел и лишь незначительно за счет раздавливания и истирания. Эффективность измельчения возрастает с увеличением плотности пульпы до 65—80 % твердого за счет уменьшения гасящего действия жидкой фазы на силу удара мелющего тела. Однако слишком большая плотность пульпы приводит к переизмельчению материала и может стать причиной забивки мельницы. Водопадный режим является наиболее оптимальным при измельчении крупнодробленых и трудноизмельчаемых материалов и широко используется в настоящее время в промышленной практике.

Смешанный режим (рисунок 17, г) является промежуточным между каскадным и водопадным режимами измельчения и наблюдается при частоте вращения барабана 60—75 % критической. При этом внешние слои мелющих тел падают на внутренние слои материала, скатывающегося по склону вниз.

Оптимальная частота вращения барабана при всех режимах измельчения зависит от степени или коэффициента наполнения его мелющими телами, которые изменяются от 30 до 50 %. Чем больше их значение, тем меньше оптимальная частота вращения барабана.

Кроме производительности и качества измельчения руды, эффективность работы мельницы определяется стоимостью измельчения 1 т руды, которая складывается из стоимости расходуемой энергии (15-40 кВт ч/т), шаров (0,5—2,5 кг/т), стержней (0,2—0,5 кг/т) и футеровки (0,1—0,4 кг/т), износ которых возрастает с уменьшением собственной твердости и увеличением твердости измельчаемого материала исходной крупности, степени его измельчения.

В зависимости от вида измельчающей среды различают мельницы шаровые, стержневые, галечные и рудногалечные, самоизмельчения и полусамоизмельчения, которые по способу разгрузки делят на мельницы с решеткой и с центральной разгрузкой.

Рисунок 18 - Схема шаровой мельницы с решеткой (а) и конструкцией питателей:б и в –питатели соотвественно барабанный и улитковый

Шаровые мельницы с решеткой (рисунок 18, а) типа МШР диаметром 0,9-6 м, длиной 0,9-8 м и рабочим объемом барабана 0,45-208 м³ используются обычно для измельчения мелкодробленых (до 30-5 мм) материалов с целью получения равномерного по крупности продукта менее 0,15 мм с небольшим количеством шламов. Оптимальная частота вращения барабана 1, осуществляемого через венцовую шестерню 10, составляет 75-80 % критической при степени заполнения его шарами диаметром 40—120 мм 40-50 %.

Исходный материал поступает через питатель 2, закрепленный на фланце патрубка 3 загрузочной цапфы 4. Если мельница работает в открытом цикле, то применяется барабанный питатель (рисунок 17, б), состоящий из цилиндрической камеры 11, крышки 12 и диафрагмы с секторным затвором 13; если в замкнутом цикле - то улитковый или комбинированный питатель (рисунок 17, в), представляющий собой комбинацию барабанного питателя, улиткового черпака 15 со сменным козырьком 14 и крышки.

Разгрузка измельченного продукта производится через решетку 8, установленную у разгрузочного конца мельницы. Пространство между решеткой 8 и торцевой крышкой 5 разделено перегородками - лифтерами 9 на секторные камеры, открытые в разгрузочную цапфу 6. Прошедшая через решетку пульпа зачерпывается лифтерами, поднимается до уровня разгрузочной цапфы, сливается в нее и удаляется самотеком через горловину 7.

Конструкция разгрузочного узла мельницы позволяет поддерживать в ней низкий уровень пульпы, что существенно повышает эффективность ударного воздействия мелющих тел на частицы материала и способствует более быстрому продвижению крупнозернистой пульпы вдоль оси барабана, но вызывает повышенный износ шаров и футеровки. Перекрывая отверстия решетки, можно регулировать уровень пульпы в барабане, изменяя тем самым крупность измельченного продукта, его гранулометрический состав и производительность мельницы.

Мельницы для сухого измельчения с разгрузкой через торцевую решетку типа ШБМ размером (D х L) от 2070 х 2650 до 3700 х 8500 мм аналогичны по конструкции шаровым мельницам мокрого измельчения МШР. Их применяют в основном для измельчения углей на пылевидное топливо в замкнутом цикле с воздушными сепараторами.

К недостаткам мельниц с решеткой относятся: сложность конструкции разгрузочного узла, большая стоимость мельницы, возможность забивки отверстий решетки щепой, изношенными шарами и рудой.

Шаровые мельницы с центральной разгрузкой типа МЩЦ диаметром 0,9-6 м, длиной 1,8-3,5 м и рабочим объемом барабана 0,9-221 м³ используются для измельчения дробленой руды (до 30—5 мм) и продуктов обогащения до 0,05 мм. По конструкции они аналогичны мельницам МШР и отличаются тем, что в них нет решеток. Разгрузка пульпы происходит путем свободного слива через отверстие в разгрузочной цапфе, диаметр которой несколько больше, чем загрузочной, чтобы создать необходимую для разгрузки разницу уровней пульпы у цапф. Для возврата в барабан случайно попавших в разгрузочную цапфу шаров и недоизмельченных кусков руды она снабжена спиралью с обратным вращению мельницы направлением витков. Из-за более высокого уровня пульпы в барабане и меньшей скорости перемещения материала вдоль барабана производительность мельниц МШЦ на 10—15 % меньше, чем мельниц МШР.

Стержневые мельницы с центральной разгрузкой типа МСЦ диаметром 0,9-4,5 м, длиной 1,8-6 м и рабочим объемом барабана 0,9-85 м³ используются чаще всего для открыто-циклового измельчения дробленых (до 50-12 мм) материалов перед их последующим измельчением в шаровых мельницах или для замкнуто-циклового измельчения крупновкрапленных руд при подготовке их к гравитационному обогащению.

Конструктивно они отличаются от мельниц МШЦ только большим диаметром разгрузочной цапфы с целью более резкого снижения уровня пульпы по направлению ее движе­ния и увеличения скорости прохождения материала через мельницу. Мелющими телами являются стержни диаметром от 40 до 125 мм и длиной на 25—50 мм короче внутренней длины барабана. При степени заполнения 35—40 % оптимальная частота вращения барабана составляет 65—70 % критической.

Стержневые мельницы обеспечивают получение более равномерного по крупности измельченного продукта, чем шаровые. Крупные куски, попадая между стержнями, измельчаются сами, предохраняя мелкие зерна от переизмельчения, которые просеиваются между ними. Этому способствует также то, что удар стержня воспринимается одновременно несколькими кусками, причем удар большей силы получают куски более крупные. Считают, что при измельчении в пределах от 13 до 0,8 мм стержневые мельницы расходуют энергии на 25 % меньше, чем шаровые. Однако на вязких и твердых рудах они менее эффективны.

Стержневые мельницы для сухого измельчения с разгрузкой через окна по периферии цилиндрической части барабана у разгрузочного конца (МСП) и с разгрузкой через окна на разгрузочной крышке применяют для измельчения в открытом цикле нерудных материалов вместо молотковых дробилок.

Галечные и рудногалечные мельницы с разгрузкой через решетку типа МГР или МШРГУ диаметром 4-6 м, длиной 6-_: 12,5 м и рабочим объемом 83-320 м³ используются для тонкого измельчения золотосодержащих, полиметаллических, железных руд и продуктов обогащения других полезных ископаемых крупностью менее 3-1 мм, особенно в тех случаях, когда необходимо исключить загрязнение измельчаемого материала железом, образующимся в результате износа шаров и футеровки. Конструктивно они аналогичны шаровым мельницам МШР, несколько отличаясь от них только конструкцией решетки, формой и профилем футеровки, в связи с меньшей массой измельчающей среды, в качестве которой используется окатанная рудная галя (из мельниц самоизмельчения) или куски руды (после среднего дробления) крупностью от 20 до 120 мм. Оптимальная частота вращения барабана при степени его заполнения 45—50 % составляет 75 -85 % критической. Применение гали и кусков руды плотностью около 3 г/см³ вме-сто стальных шаров плотностью 7,8 г/см³ приводит к снижению производительности мельницы в 2-2,5 раза и увеличению энергозатрат на каждую тонну измельченного материала, которые могут быть компенсированы исключением затрат на привозные стальные шары, повышением технологических показателей последующего обогащения и качества готовой продукции за счет улучшения раскрытия минералов при измельчении.

Мельницы самоизмельчения (рисунок 19) предназначены для тонкого измельчения (до 0,3—0,07 мм) крупнокускового (от 300 до 600 мм) неклассифицированного или разделенного на два класса крупности

Рисунок 19 -Схемы мельниц мокрого (а) и сухого (б) самоизмельчения

(+100 и -100 мм) материала при переработке медно-молибденовых, железных, золотосодержащих и других типов руд. В процессе измельчения крупные куски измельчают более мелкие зерна руды и одновременно измельчаются сами. По своей конструкции мельницы подобны обычным; принципиальное отличие их состоит лишь в большом диаметре (до 11-13 м) при малой длине (0,3-0,5 диаметра). Большой диаметр обеспечивает необходимую силу удара кусков и увеличивает удельную производительность мельницы, которая растет пропорционально ее диаметру в степени 0,6.

Применение мельниц самоизмельчения позволяет заменить две-три стадии дробления, одну-две стадии измельчения и увеличить, следовательно, производительность труда, резко снизить расход стали шаров и футеровки, улучшить раскрытие сростков и повысить технологические показатели обогащения.

Мельницы самоизмельчения работают в режимах как мокрого, так и сухого измельчения. Несколько более высокая производительность мельниц мокрого измельчения сопровождается одновременным увеличением износа футеровки за счет более абразивного действия на нее пульпы.