CC BY
53
------------------------------- © Г.Д. Краснов, А.В. Подгаецкий,
В.В. Чихладзе, 2009
Г.Д. Краснов, А.В. Подгаецкий, В.В. Чихладзе
ОПЫТ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ДРОБЛЕНИЯ В РОЛЛЕР-ПРЕССЕ
С помощью прессовой испытательно машины смоделирован процесс дробления рудных материалов в роллер-прессе с целью раскрытия механизма и определения оптимальных условий эффективной дезинтеграции в условиях объемного сжатия. При исследовании исходных и подвергнутых объемному сжатию образцов применены методы электронной оптики, рентгеновского анализа, дериватографии, ситового анализа, что позволило описать структуру рудного материала, фазовый и гранулометрический состав продуктов на различных стадиях разрушения.
Ключевые слова: дезинтеграци, минеральных комплексов, роллер-пресс, медноколчеданные руды, деформационно-нагрузочные характеристики.
Гехнология дезинтеграции минеральных комплексов с образованием поверхностей раздела сред с заданными физическими свойствами требует селективного разрушения полими-неральных соединений по межфазным границам. С этой точки зрения можно выделить несколько основных принципов рациональной организации процесса дезинтеграции:
- куски материала должны подвергаться силовому воздействию в объемной массе, когда формируются разнонаправленные локальные нагрузки, действующие внутри этого объема;
- нагрузки должны соответствовать прочности дефектных зон межфазных границ;
- в промежутках между циклами нагружения куски должны приобретать относительную подвижность, обеспечивающую их взаимную переориентацию [1].
Перечисленные условия реализуются при измельчении в прессах высокого давления, или роллер-прессах, все более широко распространяющихся в промышленном производстве. Процесс дробления в них основан на объемном сжатии и раздавливании слоя материала между вращающимися валками, при этом значительно уменьшаются удельные энергозатраты на разрушение [2]. Несмотря на то, что измельчение в роллер-прессе нашло применение в промышленности, конкретные причины высокой эффективности и механизм разрушения недостаточно исследованы, вследствие чего выбор оптимальных условий работы осуществляется эмпирически.
Дробление материалов методом объемного сжатия может быть смоделировано с помощью прессовой испытательной машины, что позволяет в контролируемых лабораторных условиях воспроизвести условия дробления в основной зоне между валками роллер-пресса [3-5]. Полученные данные позволили на примере медноколчеданных руд определить характер изменения гранулометрического состава измельченного материала в зависимости от параметров нагружения проб.
С целью раскрытия механизма эффективной дезинтеграции материалов в роллер-прессе и определения оптимальных условий его реализации, в данной работе проводится сравнение результатов объемного сжатия породных и рудных проб. Для экспериментов были выбраны пробы рудного (Уз-76, Уз-88, и Ф3-63) и породного (Уз-40 и Ф3-136) материала медноколчеданных руд Учалинского и Узельгинского месторождений. Вещественный состав проб сульфидных руд был проанализирован рентгенофазовым и дериватографическим методами до и после объемного сжатия.
По результатам качественного РФА образцов исходных материалов установлено, что образцы пробы состоят из включений крупных кристаллов пирита в хлорит-слюда-кварцевой матрице. Минералы пробы на 93-97 % сложены мелкокристаллическими сульфидами - в основном пиритом, иногда с примесью халькопирита или сфалерита.
Дробление медноколчеданных руд методом объемного сжатия выполнялось на испытательных машинах серии CD-100 и CD-10 производства VEB Werkstoffpruffmaschinen, Leipzig (DDR-Германия), позволяющих осуществлять пропорциональное нагружение в диапазоне максимальных нагрузок от 10 до 100 тонн. Сжатие осуществлялось в цилиндре внешним диаметром 150 мм и высотой 100 мм с центральным отверстием диаметром 50 мм. Нижняя часть цилиндра опиралась на съемную крышку. В образованную таким образом камеру высокого давления помещали пробы испытуемой дробленой руды и сверху вводили плотно пригнанный поршень.
Для определения деформационных характеристик при статическом нагружении производилась непрерывная регистрация нагрузки и деформации. Измерительные датчики были связаны со стендом, укомплектованным тремя электронными измерителями деформаций типа "МКе" и "МКе-А" производства Ing. Bernhard
Но11е Feinmechanische Wегkstаtаttеn, Маgdeburg, Германия, и электронным регистратором усилия на базе отечественного автоматического потенциометра ЭМП-109ИМЗ. При этом основная погрешность записи деформаций составила не более 0,1%, а усилий - не более 0,5% от области измерений приборов.
Оценка результатов дробления проводилась на основе анализа деформационно-нагрузочных характеристик, показавших, что раскрытие новых поверхностей происходит в зоне объемного сжатия, при достижении минеральными частицами предельных значений прочности. Ввиду этого некоторые предположения о поведении геоматериала в процессе дробления можно сделать, сопоставляя характеристики физико-механических свойств исходных горных пород и руд с результатами анализа данных, полученных после обработки на прессе.
Показатели основных прочностных свойств пород и руд, определенные стандартными методами [6] и характеризующие свойства сплошного, не нарушенного процессами дробления материала приведены в таблице. Из приведенных данных видно, что наименее прочной
по интегральной характеристике является проба материала пород Уз-40, а наиболее прочной - проба неравномерно кристаллической массивной руды Ф3-63.
После моделирования валкового обжима при различных удельных давлениях образцы проб были рассеяны по классам крупности. Ниже представлены для разных режимов нагружения результаты ситового анализа гранулометрического состава и содержания пирита по классам, определенного методом дифференциально-термического анализа в соответствии с ранее разработанной методикой [7].
Результаты анализа гранулометрического состава проб рудного и породного материала приведены на рис. 1.
Из полученных данных видно, что с повышением величины давления при обжиме образцов распределение частиц по крупности значительно изменяется. Для всех образцов, представляющих различные типы геоматериала, соотношение выхода крупных и мелких фракций изменяется одинаково. При большой нагрузке, причем именно для пробы Уз-40, может полностью исчезать класс + 10 мм, частицы которого пополняют более мелкие классы, а наименьший переход в мелкие
Прочность, МПа Коэффициент
№ Индекс, состав крепости по М.М.
пп пробы при при Протодьяконову,
сжатии растяжен. C f
Rсж
Узельгинское месторождение
1 Уз-40- кварц, полевой шпат, хлорит, пирит н 11,8 0,84 9,7 6
2 Уз-76- пирит, минералы глин 80,1 16,6 0,87 18,2 7
3 Уз-88- пирит, халькопирит, минералы глин 87,2 13 1,09 16,8 7
Учалинское месторождение
4 ФЗ-63- пирит, полевой шпат, хлорит, кварц 114,3 20 0,98 23,9 20
5 ФЗ-136- кальцит, хлорит, слюда, полевой шпат, кварц, пирит 127,9 22,6 0,97 26,8 15
классы наблюдается для пробы Ф3-63. Эти данные хорошо согласуются с прочностными характеристиками указанных проб.
Для каждой пробы были подробно изучены изменения состава минеральных фаз и связанные с ним изменения величины извлечения пирита по фракциям различной крупности.
Влияние давления на содержание и извлечение пирита во фракции для пробы Уз-76 медноколчеданной руды представлено на рис. 2.
Приведенные данных свидетельствуют, что при малом давлении извлечение пирита в крупную фракцию значительно выше, чем в более мелкие, а при максимальном - наоборот. Это обусловлено двумя основными факторами - изменением гранулометрической характеристики и изменением концентрации пирита. Однако, для минимизации переизмельчения необходимо выбирать давление обжима с учетом вкрапленности, крупности минералов в исходном материале.
По данным анализов разделенного на классы крупности материала изменение фазового состава после объемного сжатия пробы крупнокристаллической руды связано с повышением содержания хлорита в мелкой фракции, так как это глинистый легко измельчаемый минерал. Это приводит к относительному снижению со-
держания пирита в мелких классах при низком давлении, но при высоком давлении пирит также переходит в более мелкие классы. Максимальная концентрация пирита отмечается в классах -1+0,5, что свидетельствует о меньшем его переизмельчении по сравнению с хлоритом.
Подобные изменения наблюдаются и для пробы Уз-88, что объясняется их близким соседством в рудном поле и близостью механических свойств и фазового состава. Для этой пробы с ростом конечного давления максимум концентрации пирита во фракциях систематически сдвигается в область более мелких фракций (рис. 3).
Данные свидетельствует об относительно большей прочности и о минимальном переизмельчении зерен пирита по сравнению с вмещающими породами. Уменьшение извлечения пирита в мелкий класс при 40 т по сравнению с обработкой при 100 т указывает на возможность выбора желаемой крупности готового класса за счет регулировки давления обжима.
Интересные данные получены для пробы Ф3-63, представляющую неравномерно зернистую массивную руду Учалинского месторождения (рис. 4).
Данные показывают минимальный из всех проб рост содержания пирита с ростом давления в мелких классах. Он происходит, очевидно, за счет измельчения более крупных зерен, из чего следует, что пирит содержится, в основном, в крупных классах. Подтверждается также факт незначительного переизмельчения материала, так как измельчающиеся при объемном сжатии крупные частицы в большей степени пополняют средние фракции и в меньшей степени - самые мелкие. Этот факт согласуется и с данными других методов исследования.
Материал Узельгинского месторождения с преобладанием вмещающих пород представлен пробой Уз-40, результаты обжима которой показаны на рис. 5.
Интересно, что, несмотря на значительно меньшее содержание пирита в этой пробе, закономерности изменения концентрации пирита и его извлечения во фракции с ростом давления обжима остаются, как и для рудных проб.
-25+10 -10+ 7 -7 + 5 -5 + З -3 + 2 -2 + 1 -1 + 0,5 -0,5 + 0,25 -0,25 + G
Класс, мм
—♦— Уз-40 Уз-88 ФЗ-1З6-Уз-76 ФЗ-6З
-25+10 -10+ 7 -7 + 5 -5 + 3 -3 + 2 -2 + 1 -1 + 0,5 -0,5 + 0,25 -0,25 + 0
Класс, мм
_ф_ Уз-40 Уз-88 Ф3-136 Уз-76 Ф3-63
Рис. 1. Гранулометрический состав материалов при разном усилии сжатия
-25+10 -7 + 5 -3 + 2 -1 + 0,5 -0,25 + 0
Класс, мм
—♦—10 т —■—100 т
-25+10 -7 + 5 -3 + 2 -1 + 0,5 -0,25 + 0
Класс, мм
□ 10 т п100 т
Рис. 2. Влияние усилия обжима на содержание и извлечение пирита во фракции пробы Уз-76
-25+10 -7 + 5 -3 + 2 -1 + 0,5 -0,25 + 0
Класс, мм
10 т 40 т -Д-100 т
Извлечение пирита в классы для Уз-88
-25+10
-7 + 5
-3 + 2 -1 + 0,5 -0,25 + 0
Класс , мм
□ 10 т П40 т
100 т
Рис. 3. Влияние усилия обжима на содержание и извлечение пирита во фракции Уз-88
Класс+, мм 10 т —1—40 т о 100 т
20 — 10 0
-25+10
-7 + 5
-5+3
-3 + 2 -2 + 0,5
Класс, мм
10 т
40 т
-0,25 + 0
100 т
Рис. 4. Влияние усилия обжима на содержание и извлечение пирита во фракции пробы Ф3-63
Содержание пирита по классам Уз-40
И
а.
ш
ч:
о
о
10 т
Класс, мм
-40 т —♦—100 т
Извлечение пирита по классам Уз-40
60
50
40
30
20
10
а
-10+ 7
-5 + 3
-3 + 2 -2 + 1
Класс, мм
-1 + 0,5 -0,25 + 0
10 т
□ 40 т
□ 100 т
0
Рис. 5. Влияние усилия обжима на содержание и извлечение пирита во фракции пробы Уз-40
-25+10
-10+ 7
10 т
-5 + 3 -2 + 0,5
Класс, мм -О—40т С
-0,25 + 0
100 т
60 50 « 40 ш 30
Т
0)
5 20
00
^ 10
г 1-1
1тт1
-25+10 -10+ 7 -5 + 3 -2 + 0,5 -0,25 + 0
Класс, мм □ 10 т ■ 40 т □ 100 т
0
Рис. 6. Влияние усилия обжима на содержание и извлечение пирита во фракции Ф3-136
Наблюдаются качественно те же тенденции "выдавливания" пирита в более мелкие классы, что видно по изменению его извлечения от относительно равномерного по классам при 10 т к систематическому росту в классе -0,5 мм с повышением давления. Особенность материала проявляется при обработке до 40 т в наличии пика концентрации пирита в классе - 5+3 мм, что определяется, по-видимому, высвобождением относительно крупных зерен минерала от вмещающей породы.
Эти данные интересно сопоставить с результатами обжима пробы Ф3-136 Учалинского месторождения, также с преобладанием вмещающих пород, представленными на рис. 6.
Извлечение пирита в крупную фракцию при 10 т для этой пробы заметно выше, а в мелкую при 100 т - ниже, причем и концентрация в классе -0,5 мм снижается с ростом давления, оставаясь постоянной в крупных классах, что свидетельствует о большей прочности и крупности зерен пирита.
Эти данные подтверждаются результатами рентгенофазового анализа, которые указывают на уменьшение количества пирита с одновременным повышением содержания хлорита и кварца в мелких фракциях раздробленных пород после обработки при 100 т.
Проведенная работа показала, что применение комплекса физико-химических и аналитических методов для исследования исходных и обработанных образцов позволяет с достаточной полнотой описать минеральный и гранулометрический состав продуктов обработки. Наблюдаемые изменения содержания рудного минерала в классах крупности в зависимости от приложенной нагрузки говорит о возможности выбора силового режима работы роллер-пресса. Важным фактором дробления методом объемного сжатия является скорость нагружения. Оценка результатов сжатия с различным временем нагружения позволит выбрать оптимальную скорость вращения валков, а измерение прочности брикетов, полученных после дробления, определить затраты энергии на их дезинтеграцию. Таким образом, подтверждается возможность использования прессового оборудования для моделирования процесса измельчения методом объемного сжатия и прогнозирования результатов применения валковых дробилок высокого давления.
1. Ревнивцев В.И., Гапонов Г.В., Зарогатский Л.П. Селективное разрушение минералов. - М.: Недра, 1988, 286 с.
2. Федотов П.К. Разрушение руды в роллер-прессе.- М.: ООО «Геоинформ-марк», 2006. 128 с.
3. Краснов Г.Д., Никитин С.М., Подгаецкий А.В., Чихпадзе В.В. Дробление рудных материалов методом объемного сжатия. Материалы 1-го Международного научно-практического семинара памяти В.А.Олевского «Проблемы дезинтеграции минерального и техногенного сырья в горной промышленности и строительной индустрии», 10-16 сентября 2007, Ставрополь, с. 21-26.
4. Краснов Г.Д., Никитин С.М., Подгаецкий А.В., Чихпадзе В.В. Об оценке изменения свойств минеральных материалов при объемном сжатии. VI Конгресс обогатителей стран СНГ. Материалы конгресса, т. 1.- Москва.: Альтекс, 2007, с. 208.
5. Краснов Г.Д., Никитин С.М., Подгаецкий А.В., Чихпадзе В.В. Измельчение минеральных комплексов в условиях объемного сжатия. Материалы конференции «Плаксинские чтения 2007». Часть 2. - Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН. 2007, с. 346.
6. Тектонофизика и механические свойства горных пород. П/ред. М.П. Ва-ларович, М.В. Гзовский. «Наука», М. 1971, с. 73.
7. Чантурия В.А., Вигдергауз В.Е., Шрадер Э.А., Чихпадзе В.В. Физикохимические особенности обогащения медно-цинкового техногенного минерального сырья. ГИАБ, 1998, №6, с. 146. шгЛ
Krasnov G.D., Podgaetskiy A V., Chihladze V. V.
MODELING BREAKING PROCESS AT ROLLER-PRESS
The process of breaking ore materials in roller pressed is modeled for defining its mechanism and optimal parameters for effective disintegration of volume compression. Samples of materials before and after volume compression were tested with implementation of electron optics, x-ray analysis, derivatography and screen analysis. On the basis of The results of studies the structure of ore materials as well as phase and granulometric; composition at different stages of breaking were defined.
Key words: disintegration of mineral complexes, roller-presser, copper-pyrite ores, deformative and loading characteristic.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------
Краснов Г.Д. - доктор технических наук, профессор, гл. научный сотрудник,
Подгаецкий А.В. - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник, Чихпадзе В.В. - кандидат химических наук, ст. научный сотрудник, ИПКОН РАН, [email protected]
