CC BY
36
----------------------------------------- © Ю.А. Лагунова, 2005
УДК 622.73 Ю.А. Лагунова
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ РУДОПОДГОТОВКЕ
Семинар № 16
~П ажнейшие составляющие интен-
М.З сификации процессов рудоподго-товки - это снижение энергоемкости процессов измельчения и повышение технологической эффективности измельчения. Интенсификация, в свою очередь, зависит от выбора рациональной системы конструктивных и режимных параметров машины, а также от набора технологических параметров - крупности исходного питания и физико-механических свойств перерабатываемого материала.
Особенности процесса разрушения «в слое»
На рис. 1 показана схема и диаграмма разрушения многослойной укладки кусков горных пород сжимающими силами (наложена на диаграмму дробления одного куска).
В таком случае дробления нет выраженной границы начала проявления свойства дробимости смесью кусков, но момент окончания проявления этого свойства четко ограничен. В Уральском горном институте канд. техн. наук А.Д. Табарин (1987 г.) экспериментально установил [1], что граница окончания проявления свойства дробимости смесью кусков горных пород в зависимости от грансостава смеси и индивидуальности различных горных пород находится в диапазоне екс = 0,3...0,4. Соответствующая екс степень сокращения материала в среднем имеет значение 1(екс) = 1,4.
Для случая дробления отдельного куска 1(ек) = 5,5 иек = 0,6.
Малая степень сокращения материала в каждом акте его дробления результиру-ется равномерной характеристикой крупности продукта. Эти качества способа дробления «кусок о кусок» делают его перспективным для получения мелко раздробленного продукта при многократном дробящем воздействии.
Проведенные исследования позволили установить следующие особенности процесса разрушения горных пород «в слое»:
• с увеличением деформации слоя удельный расход энергии увели-чивается;
• процесс разрушения материала, в котором содержатся разноразмерные фракции, по сравнению с разрушением классифицированной фракции по удельному расходу энергии на дробление, крупности дробленого продукта, степени сокращения происходит более интенсивно, усилие дробления увеличивается, зона эффективного дробления до наступления прессования материала уменьшается.
Таким образом, процесс разрушения разноразмерных фракций материала «в слое» оказывается более простым с точки зрения более широкого диапазона возможных параметров сжатия материала, а содержание более крупных фракций в исходном продукте может явиться средством управления процесса дробления.
При дроблении отдельных кусков и дроблении их слоев одинаково необходимо, чтобы разрушающий ход дробящего органа сообщал материалу деформации в границах их возможного восприятия материалом:
£1р < £1 < £пр ,
где £1 - 1-е значение относительной деформации поперечного сжатия куска, осколка и их смесей; £1Р - относительная деформация первичного разрушения куска, осколка и их смесей; £пр - относительная деформация прессования куска, осколка и их смесей.
Эффективность разрушения материала «в слое» зависит от содержания в смеси других классов и деформации слоя.
Установлено, что существенное влияние на процесс разрушения оказывает распределение разноразмерных кусков породы по высоте слоя, т.е. фактор перемешивания. При расположении крупных кусков на верхней границе слоя они выполняют роль дробящих тел для мелких и
Рис. 1. Диаграмма разрушения слоевой укладки сжимающими силами (а) и при виброударном воздействии (б)
средних классов, что обеспечивает повышение эффек-тивности разрушения.
Одним из основных положений, полученных в результате эксперимента, является выявление зависимостей между фактором степени уплотненности слоя (или первоначальной плотности распределения кусковой массы) и показателями процесса разрушения. Эти зависимости, как установлено, имеют противоречивый характер. Так, при плотной укладке материала и малых усилиях воздействия разрушаются отдельно, менее прочные или работающие на изгиб куски.
При возрастании усилия материал испытывает двухстороннее и многостороннее сжатие, начинается спрессовывание материала.
Вместе с тем, при плотной укладке материала достигается более высокая степень сокращения крупности (на 15-20 %), при этом уменьшается энергоемкость разрушения (на 10-15 %).
В целом, процесс дробления «в слое», как и дробление «кусок о броню», является многоактным, т.е. продукт предшествующего акта становится исходным материалом для последующего преобразования.
Различие в процессах заключается в том, что при дроблении «в слое» как условия разрушения, так и показатели процесса (гранулометрическая и энергетическая характеристики) определяются следующими факторами:
• фактором формы слоя;
• степенью уплотненности слоя (функция уплотнения);
• фактором перемешивания (функция перемешивания).
Определение гранулометрической и энергетической характеристик свойства дробимости горных пород «в слое»
Свойство дробимости горных пород проявляется в закономерности разрушения кусков горных пород сжимающими силами, состоящей в том, что специфичное для данной горной породы (для группы горных пород) распределение крупности частиц в продуктах дробления зависит от величины реализованной при дроблении деформации поперечного сжатия куска, и это распределение устойчиво для каждой из определенных величин деформации.
Такая закономерность формирования грансоставов отражает реакцию куска на величину деформации сжатия и является гранулометрической характеристикой физического свойства дробимости кусков горных пород. Практическое использование закономерности предполагает накопление характеристик дробимости опытным путем и, как следствие, создание информационного банка.
Гранулометрические и энергетические характеристики свойства дробимости слоя материала представляют собой соотношения между величиной относительной деформации при разрушении материала «в слое» и гранулометрическим (степень сокращения крупности частиц и грансостав) и энергетическим (относительными энергозатратами, отнесенными к объему материала) результатами процесса разрушения.
Гранулометрический состав продукта разрушения зависит от условий реализации процесса и относительной деформации исходного материала (плотности упругой энергии).
В качестве характеристик крупности продуктов дробления «в слое» приняты следующие:
• степень сокращения крупности;
• остаточный коэффициент разрыхления слоя.
Остаточный коэффициент разрыхления равен отношению объема продукта разрушения (слоя) к объему слоевой навески в целике, определяемому через массу навески и плотность материала.
Зависимость характера распределения крупности частиц в продукте разрушения
(или в нашем случае степени сокращения крупности) от величины относительной деформации слоя материала является гранулометрической характеристикой свойства дробимости слоя.
На рис. 2 приведены графики гранулометрических характеристик.
Зависимости степени сокращения крупности от относительной деформации имеют линейный характер.
Как показывает анализ полученных экспериментальных данных, основным фактором, определяющим грансостав продукта разрушения, является фактор перемешивания. При варьировании расположения крупной фракции по высоте слоя, значения степени сокращения крупности изменяются в широком диапазоне, составляющим 30-40 % от среднего значения. Влияние фактора степени уплотненности слоя также является существенным, что можно объяснить изменением плотности упругой энергии при варьировании степени уплотненности. Так, при повышении степени уплотненности слоя (уменьшении коэффициента разрыхления материала) увеличивается плотность упругой энергии и, соответственно, возрастает степень сокращения крупности.
Влияние фактора формы слоя проявляется в меньшей степени.
Степень сокращения крупности зависит также от фактора боковой стесненности: при замкнутом объеме (разрушение слоя в стальной матрице) имеет место рост степени сокращения крупности за счет увеличения плотности упругой энергии.
Максимальное значение степени сокращения крупности при относительной деформации слоя близкой к предельной (е = 0,3) составляет (2,6±0,1) и достигается при совместном действии факторов.
Приведенные материалы эксперимента подтверждают, что каждому случаю разрушения куска горной породы статическими сжимающими силами, происшедшему при определенной величине относительной деформации поперечного сжатия, сопутствует образование продукта с опре-
деленным же, статистически устойчивым распределением составляющих продукт частиц по их относительной крупности.
Значит, реальность предполагавшейся взаимосвязи доказана, и эта объективно существующая взаимосвязь величины относительной деформации разрушения куска с распределением относительной крупности частиц в продукте дробления есть характеристике дробимости кусков горных пород.
В качестве объективного результата дробления характеристики дробимости представляют собой естественное содержание функции разрушения в модели рабочего процесса дробилки.
Обычная рабочая запись характеристики дробимости выполняется в форме строчной или столбцовой матрицы ре-
Рис. 2. Гранулометрические характеристики: а — от фактора формы слоя (Кр=1,35); б - от степени уплотненности слоя; в - от фактора перемешивания (Кр=1,35), В,С,Н - расположение крупной фракции на верхней границе слоя, в середине и на нижней границе; * - при свободном объеме.
зультатов ситового анализа продуктов дробления кусков: |Сі(Хі), С2(Х2), ... ,
Сі (X), ... , С(Хп),
где РЕ1 - распределение крупности частиц в продукте разрушения слоя, полученном при воздействии с относительной деформацией е1 ; С1 (Х1) - относительное содержание в продукте массы частиц с относи тельной крупностью (-Х1-1 ... +Х).
Следовательно, матричная форма оператора модели, устанавливающего итог процесса сокращения крупности материала, наиболее целесообразна как открывающая возможности использо-вания не-аппроксимированных значений характеристик дробимости. В таком случае, вероятностный смысл получаемых по функции разрушения результатов определяется только усреднен-ностью значений используемых при расчетах характеристик дробимости.
Энергетическая характеристика свойства дробимости горных пород определяет закономерности формирования энергозатрат на изменение гранулометрического состава питания до заданного грансостава продукта в связи с уровнем относительной деформации разрушения кусков. На рис. 3 приведены графики энергетических характеристик.
Наиболее существенное влияние на энергоемкость разрушения оказывает фактор степени уплотненности слоя, который
характеризует и плотность упругой энергии. При повышении степени уплотненности слоя (снижении коэффициента разрыхления материала) энергоемкость разрушения уменьшается на 10-15 %.
Влияние факторов перемешивания и формы слоя на величину энергозатрат менее существенно.
Наименьшие значения энергоемкости разрушения составляют: а = 1,4±0,1
кДж/кг и достигаются при увеличении степени уплотненности слоя.
Обоснование функции преобразования дробилъно-измелъчителъного агрегата Разработка функциональной схемы (ФС) начинается без каких-либо сведений об органоструктуре - в традиционной ситуации «черного ящика». [2-4].
Рис. 3. Энергетические характеристики: а - от фактора формы слоя (Кр=1,35); б - от фактора степени уплотненности слоя; в - от фактора перемешивания (Кр=1,35), В,С,Н - расположение крупной фракции на верхней границе слоя, в середине и на нижней границе; * - при свободном объеме.
Цель функционирования ТС практически никогда не может быть достигнута непосредственно. Для ее достижения необходимо выполнение многих предварительных в рамках отношений элементов ТС функций, являющихся
средствами осуществления главной функции ТС - функции преобразования входа в выход. Таким образом, функциональная схема является результатом анализа, позволяющего через полное выделение предварительных функций
найти пути выполнения функции преобразования. Каждая предварительная функция
имеет назначением достижение какой-то цели. Как только эта цель достигнута, она приобретает значение средства достижения очередной цели. Следовательно, функциональная схема является еще и выражением необходимой полноты соотношения целей и средств реализации функции преобразования. О необходимой полноте ФС говорится для того, чтобы подчеркнуть ненужность включения в нее функций, которые в этой ТС не являются объектами конструирования.
Полнота схемы ограничена также функциями, относящимися непосредственно к специфике обеспечения функции преобразования. Другие функции (привод рабочего органа, амортизация перегрузок, компенсация износа рабочих органов и пр.) выполняются общими для машино-
строения устройствами, которые могут вводиться в анализ на уровне органоструктуры и, подчас, даже на уровне разработки конструкции.
До начала разработки ФС можно и целесообразно принять решения по очевидным вопросам: будет ли рабочий процесс дробилки непрерывным, каким образом будет перемещаться материал в рабочей камере? Разумеется, следует предпочесть непрерывный рабочий процесс и осуществить его одним из известных путей. Итак, основная рабочая функция ТС «Рабочая камера» - получение максимально возможного количества мелочи в продукте.
ТС «Дробильно-измельчительный агрегат» должна быть простой, поэтому обязательно, чтобы дробление способом «кусок о кусок» сопровождалось достоверным воздействием оператора на операнд с оптимальной полнотой использования свойства дробимости операнда. Питание агрегата состоит из разноразмерных кусков. Здесь естественно предположить, что фракции питания разной крупности будут дробиться с разной интенсивностью и в течение нескольких шагов процесса преобразования. Поэтому для достоверного воздействия оператора на все группы крупности операнда надо, чтобы время прохождения операнда через рабочую камеру соответствовало времени преобразования всех его фракций в выход.
Перечисленные цели и средства обеспечивают достижение задачи функционирования агрегата в его фиксированном состоянии. В процессе работы агрегата стабильность его состояния приходится поддерживать специальными мерами. Такими мерами могут стать компенсация износа рабочих органов и компенсация перегрузок.
Цели и средства реализации функции преобразования отражают внутренние
связи ТС. Внешние ее связи проявляются через вход и выход, причем влияние входа считается влиянием окружения на ТС (вход не зависим от ТС), а влияние выхода - влиянием ТС на окружение.
Во время только что проведенной декомпозиции функции преобразования каждое из средств выбиралось на основе не специфической для дробильщика, а общей для инженеров-механиков подготовки, на основе старания выйти на привычную дорогу конструирования, привитую «школой». Ориентиром служило знание пределов «£н - £к» и знание отличия предела £к от предела £кс [5, 6].
Рассмотренный перечень целей и средств обеспечения функции преобразования ТС «Рабочая камера» представлен в табл. 1. Приведенные в ФС функции-средства должны быть оснащены устройствами для своего воплощения. Эти устройства и станут элементами множества, создающего ТС «Дробильно-
измельчительный агрегат».
Поэтому разработка способов реализации функций-средств выделяется в отдельный этап конструирования, где набор элементов ТС, ее органоструктура (табл. 2) приобретают характер уточненных способов.
Выводы
Функция преобразования питания в продукт при разрушении «в слое» включает функции перемешивания, уплотнения и разрушения материала.
Рациональной структурой слоя, обеспечивающей повышение степени сокращения крупности, является уплотненная структура с расположением крупной фракции на верхней границе слоя.
Энергоемкость процесса разрушения «в слое» определяется, в основном, фактором степени уплотненности слоя,
Таблица 1
Декомпозиция функции преобразования ТС «Рабочая камера»
Функции - цели Функции - средства
Получение максимально возможного количества мелочи в продукте Дробление способом «кусок о кусок» (в слое)
Дробление способом «кусок о кусок» Уплотненное распределение материала в рабочей камере и сегрегация его по крупности
Уплотненное распределение материала в рабочей камере и сегрегация его по крупности Полное использование свойства дробимости материала
Полное использование свойства дробимости материала Разрушение возможно большей части материала при предельной относительной деформации
Таблица 2
Органоструктура дробильно-измельчительного агрегата
Функции - средства Способы выполнения функций
Дробление способом «кусок о кусок» (в слое) Формирование слоя перерабатываемого материала
Уплотненное распределение материала в рабочей камере и сегрегация его по крупности Сообщение частицам материала сложного движения при воздействии инерционных сил
Полное использование свойства дробимости материала Регулирование уровня разрушающего воздействия в зависимости от физико-механических свойств материала
Разрушение возможно большей части материала при предельной относительной деформации Согласование уровня разрушающего воздействия с изменением размеров частиц материала по ходу движения в рабочей камере
который характеризует и плотность упругой энергии. При повышении степени уплотненности слоя энергоемкость разрушения уменьшается. Выявленные характеристики функций перемешивания, уплотнения и разрушения определяют принципы организации рабочего процесса дробильно-измельчительных агрегатов. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Табарин А.Д. Исследование механики конусной дробилки с тремя степенями свободы дробящего конуса // Автореферат дисс. - Свердловск, 1987. - 21 с.
2. Линч А.Дж. Циклы дробления и измельчения. Моделирование, оптимизация, проектирование и управление / Пер. с англ. - М.: Недра, 1981.343 с.
3. Масленников В.А. Математические модели технических систем «Камера дробления дробилки КМД», «Рабочий процесс дробилки КМД» / Изв. Уральского горного института. - Сер.: Горная
электромеханика. - Вып. 4. - Екатеринбург. -1993. - С. 9-49.
4. Хубка В. Теория технических систем: Пер. с нем. - М.: Мир, 1987.
5. Лагунова Ю.А. Обоснование параметров дробильно-измельчительных агрегатов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Изд. МГГУ, 2000. - № 4. - С. 79.
6. Лагунова Ю.А. Оценка технологических показателей дробильно-измельчительных агрегатов // Механизация строительства, 2001. - № 4. -С. 12-14.
— Коротко об авторах --------------------------------------------
Лагунова Ю.А. - доцент, Уральский государственный горный университет.
