CC BY
24
------------------------------ © И.В. Шадрунова, Е.В. Колодежная,
2009
И.В. Шадрунова, Е.В. Колодежная
К ВЫБОРУ СХЕМЫ СИЛОВОГО НАГРУЖЕНИЯ ПОРОДЫ ПРИ ИНЕРЦИОННОМ РАЗРУШЕНИИ
Предложена методика построения схемы нагружения с учетом распределенного характера инерционных нагрузок и определения необходимых ускорений, позволяющая более адекватно представлять физику силового взаимодействия и определять параметры инерционных дробилок рациональным образом. Ключевые слова: процесс подготовки руд к обогащению, рудная база, технология дробления и измельчения.
Одной из основных задач процессов подготовки руд к обогащению является обеспечение максимально возможной степени селективности раскрытия рудных минералов, освобождение их от минералов пустой породы. Этой основной цели подчинены современные направления развития процессов дробления-измельчения рудного сырья.
Рудоподготовка является наиболее дорогостоящим и энергоемким процессом в общей схеме обогащения (капитальные затраты достигают 50 %, эксплуатационные - 60 % от суммы всех затрат, расход электроэнергии составляет 40 - 65 % от общего расхода). Эффективность дезинтеграции в значительной степени зависит от селективности процесса, применения рационального оборудования и оптимального режима его работы.
Актуальность совершенствования рудоподготовки диктуется изменением характера рудной базы отрасли: во всех рудах продолжает снижаться исходное содержание металлов, вовлекаются в переработку новые ранее не используемые виды сырья с тонкой вкрапленностью полезных компонентов. В связи с этим перспективы развития агрегатов для подготовки сырья связаны, главным образом, с созданием и применением технологий переработки полезных ископаемых обеспечивающих комплексное извлечение и утилизацию отходов [1].
Основными направлениями развития технологий дробления и измельчения являются снижение крупности продуктов дробления путем совершенствования конструктивных и кинематических па-
раметров дробилок, повышение производительности существующих агрегатов.
Эффективность процесса дробления предусматривает получение максимально большей вновь образованной поверхности на единицу затраченной энергии. При этом для эффективного процесса обогащения необходимо обеспечить высвобождение минералов из сростков при минимальной вновь образованной поверхности, то есть без переизмельчения.
Для селективного раскрытия минералов необходимо минимизировать нагрузки, прилагаемые к измельчаемому материалу. Избыточное нагружение приводит к переизмельчению ценного компонента руд и, как результат, к переводу его в шламы, не поддающиеся обогащению. В основе расчета всех машин, в том числе и для дробления породы, лежит создание необходимой технологической нагрузки. Определяющим фактором при разрушении породы на более мелкие фракции является не только величина, но и схема приложения нагрузок. При этом наибольший эффект достигается по схеме обеспечивающей создание наиболее эффективных внутренних напряжений, т.е. создание такой совокупности нормальных и касательных напряжений, которые более действенны при данном строении и состоянии породы.
В настоящее время для дезинтеграции применяются в основном щековые, валковые и роторные дробилки. Данные агрегаты имеют низкую селективность при высоких энергозатратах. Расчет конструктивных параметров таких дробилок базируется на создании в породе внутренних напряжений, для определения которых используется схема нагружения представленная на рис. 1, а. При таком нагружении, предполагается что внутри тела возникают только нормальные напряжения вызванные сжатием. Разрушение следует ожидать лишь в зоне лежащей вблизи прямой соединяющей силы F и R.
В общем случае частица руды может быть разрушена в результате воздействия на нее усилий или их комбинаций, обеспечивающих: сжатие, растяжение, раскалывание, сдвиг.
Рассмотрим условия нагружения куска руды. В соответствии с принятой классификацией, по способу приложения нагрузки к породе, выделяется группа «ударные» [2]. В настоящее время расчет внутренних напряжений в породе основывается на той же схеме силового взаимодействия порода - инструмент, что и в щековых
дробилках (см. рис. 1, а). Однако в отличие от щековых дробилок, где активным элементом является инструмент,
а)
Рис. 1. Схема расчета соответствующая инерционным дробилкам: Fiин - векторы силы инерции отдельных зерен куска материала; Fмол - вектор силы с которой молоток действует на кусок; М,
- скорость движения молотка; М мол кус
скорость движения куска до удара; R - реакция опоры
в дробилках ударного действия силовые взаимодействия обусловлены торможением породы на инструменте. В этом случае внешними силами, обеспечивающими разрушение, является силы Fluн
инерции возникающие в породе при резкой остановке на поверхности камеры дробления. Силы инерции приложенные к выделенным фрагментам определяется по формуле:
Fuн = V. • р ■ а ,
г г г г ост ’
где V-! - объем фрагмента, м3; р - плотность кг/м3; аост - ускорение при торможение м/с2.
Схема нагружения, соответствующая ударным дробилкам представлена на рис. 1, б. При составлении схемы нагружения использовались следующие положения:
1. Руда представляется в виде совокупности различных фрагментов постоянного объема и плотности.
2. Внутри руды, при взаимодействии с инструментом, возникают силы инерции приложенные в центре тяжести фрагментов.
3. Предельные напряжения внутри руды происходят по плоскостям концентрации напряжений, дефектов структуры и трещинам.
В соответствии с принятой моделью в теле возникают как нормальные напряжения, обусловленные сжатием осж, так и нормальные напряжения, вызванные изгибом оиз. При этом интенсивность последних может превышает осж. Зона действия напряжений значительно расширяется. Следовательно, вероятность разрушения по трещинам находящимся в зоне действия сил повышается. Данное обстоятельство, при прочих равных условиях, позволяет обеспечить разрушение породы при более низких значениях ускорений, а следовательно и меньших энергетических затратах.
Предложенную методику использовали для расчета условий необходимых для разрушения шлаков черной металлургии, представляющего собой образец техногенного сырья. Шлаки - это сложные сплавы компонентов, находящихся в состоянии ионной диссоциации. В процессе шлакообразования происходит запутывание мельчайших капелек металла или штейна в шлаковой структуре. После затвердевания шлак представляет собой камень или стекловидное тело. Переработка твердых шлаков реализуется, как правило, в холодном состоянии за счет механического воздействия, включающего поэтапное дробление шлака на аппаратах, работающих на принципах сжатия и сдвига (щековые и валковые дробилки). Однако, при это не обеспечивается полнота извлечения металлов из шлаков из-за недостаточного раскрытия сростков минеральных фаз, переизмельчения.
С целью повышения качества подготовки шлаков к дальней шей переработке целесообразно использовать инерционные дробилки.
Для определения условий нагружения и расчета внутренних напряжений было выполнено предварительное изучение шлаков доменного, мартеновского и конверторного производств ОАО ММК. Были определены соотношение морфометрических параметров:
- размеры металлических включений находятся в пределах от 50 до 100 мкм, а неметаллических включений от 500 мкм до нескольких миллиметров. Содержание металла в шлаке 23-25 %, в том числе в виде металлических корольков 10-15 %.
- круглый фактор формы металлических включений составляет 0,68-0,87, а неметаллических включений - 0,34-0,51 с вероятностью частоты обнаружения до 90%.
Рис. 2. а) - кусок шлака поступающий на дробление; б) - фрагмент области А при 200 кратном увеличении
Плотность металла и шлаковой составляющей кусков шлака значительно отличаются и имеет значения для металла 7,7 - 7,9 г\см3, для шлаковой составляющей в среднем 3,3 г\см3.
Среднее значение микротвердости металлических включений составило 1282 МПа; а неметаллических включений - 4743 МПа для темного компонента и 5123 МПа для светлого компонента. Ударная вязкость образца шлака 37,5 Дж/см2, железа (сталь 3) -138 Дж/см2. Что свидетельствует о различном сопротивлении удару основных компонентов шлака. Такое строение кусков шлака позволяет применить к анализу силового взаимодействия при разрушении на дробилках центробежно-ударного действия предложенную схему рис. 1, б.
Представленная на рис. 2, б. дискретизация области позволяет определить напряжения и деформации, а следовательно и ускорения необходимые для разрушения куска материала методом конечных элементов[3].
Был использован метод конечных элементах реализованный в программном комплексе FEM. Данная программа позволяет проводить дискретизацию области деформирования; задавать упругие и прочностные свойства элементов, граничные и начальные условия решаемой задачи и собственно решения задачи. Результаты расчетов могут быть визуализированы.
В основе расчета лежит разделение сплошной среды на отдельные равные конечные элементы, имеющие форму квадратич-
ных четырехугольников. Впоследствии производится объединение рядом стоящих элементов с совпадающими свойствами в моноблоки - зерна. Описание фрагмента включает в себя: модуль деформации (МПа), коэффициент Пуассона, плотность среды (т/м3), начальный угол внутреннего трения (град), начальное сцепление (МПа), начальная прочность на растяжение (МПа.), а также остаточные прочностные характеристики (угол трения и сцепление, прочность на растяжение), минимально возможный модуль деформации этой среды и число 1, обозначающее этот тип сред. Всего 11 параметров.
Силовые факторы обусловлены величиной ускорения aост и
массой зерен. Напряжения возникающие на границах зерен зависят от постоянных характеристик, представленных в описании зерен. Программа позволяет определять предельные напряжения, при которых происходит разрушение по границам зерен в зависимости от характеристики структуры шлака и ускорение торможения. Варьируя величину aост определялась его величина, при которой действующие напряжения превышают предельные на границах фрагментов. По значению aост на основе стандартной методики определяются геометрические и силовые параметры ударной дробилки.
Предложенная методика построения схемы нагружения с учетом распределенного характера инерционных нагрузок и определения необходимых ускорений позволяет более адекватно представлять физику силового взаимодействия и определять параметры инерционных дробилок рациональным образом.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Результаты фундаментальных и прикладных исследований по разработке методик технологической оценки руд металлов и промышленных минералов на ранних стадиях геологоразведочных работ. Материалы первого Российского семинара по технологической минералогии. Петрозаводск 2006г. - с. 18
2. Абрамов А. А. Переработка и обогащение и комплексное использование твердых полезных ископаемых. Т 1. Обогатительные процессы и аппараты: Учебник для ВУЗов. - М.: Издательство Московского государственного горного университета. 2001. - 117 с.
3. Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов: Пер с англ. -М.: Мир. 1981.-255 с.ЕШ
Shadrunova I. V., Kolodezhnaya E. V.
THE OPTIMAL DIAGRAM OF POWER LOAD ON ROCK DURING INERTIAL DESTRUCTION
The method of designing a diagram of loading with allowance to the distributed character of inertial loads for definition of required acceleration is proposed. The method allows to present physics of interrelations more accurately and to define parameters of inertial millers in a rational way.
Key words: ore preconcentration, ore base, technology of milling and disintegration.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------
Колодежная Е.В. - аспирант, т. (3519)29-85-40, ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», [email protected]
Шадрунова И.В. - доктор технических наук, ИПКОН РАН, [email protected]
