CC BY
82
ГОРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
© Г.А. Доброборский,
Н.Г. Картавый, В.М. Рачек,
А.Д. Бардовский !
УДК 6621.928.2 (088.8) з
Г.А. Доброборский, Н.Г. Картавый, В.М. Рачек,
А.Д. Бардовский ;;
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТИПЫ КЛАССИФИКАЦИОННО -ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ НЕРУДНЫХ КАРЬЕРОВ Ц
I—С настоящее время только 10% сырья, извлекаемого из ^недр земли, превращается в готовую продукцию. Оставшиеся в результате добычи и переработки отходы, как правило складируются, что привело к созданию их огромных запасов по всей России. Ежегодно при производстве горных работ в России в отвалы поступает около 2 млрд. м3 вскрышных и вмещающих пород, а также отходов обогащения полезных ископаемых, хотя эти продукты могут быть пригодными для производства строительных материалов и других товарных продуктов.[1]
Доказана возможность получения из отходов таких строительных материалов как щебень, песок, кирпич, цемент, абразивы, наполнители бетонов и полимеров, а также строительные и бытовые краски, лаки, шпаклевки, наполнители для резиновой промышленности, известняковая мука для мелиорации почв, крошка для подкормки животных и птиц и др. Многообразие различных видов отходов нерудных карьеров диктует необходимость применения самых различных технологических схем и типов оборудования, используемого для этих целей. В состав технологических схем в зависимости от условий процесса переработки могут входить машины и оборудование для очистки от загрязняющих примесей, подсушки отходов, измельчения, классификации, транспортировки, фасовки и т.д. Наиболее ответственным оборудованием являются машины для классификации и измельчения, так как именно они определяют количество и качество получаемых из отходов продуктов переработки, а также основные материальные и энергетические затраты на их производство.
С целью упорядочения возможных схем переработки отходов нерудных карьеров разработана классификация, созданная по результатам проведенных исследований, испытаний и внедрений опытных технологий на предприятиях нерудной промышленности АО “Мос-промстройматериалы”, а также по результатам изучения имеющихся в научной литературе сведений. В основу данной классификации положена крупность продуктов переработки, определяющая необходимость использования измельчительного оборудования. В результате предложено делить технологические схемы на
два класса; первый - для получения товарных продуктов с использованием только разделительных операций (щебень, дробленый песок), второй - для получения измельченных продуктов переработки (известняковая мука, минеральные порошки и др.).
На базе предложенной классификации выделены типовые схемы мокрого и сухого способов переработки отходов нерудных карьеров.
В МГГУ проведены исследования по созданию и внедрению в промышленность оборудования для сухой переработки отходов, в первую очередь классификаторов и измельчителей. На рис.1 представлены конструктивные схемы перспективных типов классификационно-измельчи-тельного оборудования, разработанного и созданного в Московском государственном горном университете и прошедшего успешную опытно-промышленную эксплуатацию в технологических линиях по переработке отходов ПО «МОСНЕРУД-ПРОМ»: резинотросовые сита для вибрационных грохотов (а), грохоты с неподвижными (дуговой (б) и винтовой (в)) и подвижными (вибровинтовой (г)) криволинейными просеивающими поверхностями, пневмосепарирующая установка, в состав которой входит пневмоклассификатор с распределительной решеткой (д), наклонная вибрационная (е) и планетарная (ж) мельницы.
Исследованиями по разделению отходов по кл. 20(10) мм установлено, что при значениях естественной влажности, не превышающих 9-10%, целесообразно исключить дорогостоящую операцию сушки перед операцией грохочения, использовав для этого грохоты, просеивающая поверхность которых непрерывно самоочищалась бы при разделении увлажненного материала. К такому типу просеивающих поверхностей относятся струнные сита. Высокие показатели работы струнных сит, как показывает практика эксплуатации, достигаются при резонансном режиме колебаний их рабочих элементов. Создание резонансного режима колебаний струн сита или близкого к нему зависит от правильности выбора параметров, определяющих этот режим. К ним относятся: амплитуда А и частота <в колебаний короба грохота, усилие натяжения струн Fc и длина их
свободных участков 1С, зависящая от числа промежуточных гребенок на сите пг. Значительное влияние на динамический режим колебаний элементов струнного сита имеет величина технологической нагрузки. В результате исследований получено уравнение для определения амплитуд относительных колебаний струн и0 с различными механическими характеристиками их материала под технологической нагрузкой [2]:
2(:
и0 + 3
у -1_) 4 У -1)+02
0 "3
= 0,
Рис. 1. Конструктивные схемы перспективных типов классификацион-но-измельчительного оборудования Московского государственного горного университета
А - резинотросовое сито; Б - дуговой грохот; В - винтовой грохот; Г - вибровинтовой грохот; Д - пневмосепарирующая установка; Е -наклонная вибрационная мельница; Ж - планетарная мельница
технологической нагрузки, механических характеристиках материала струн сита и их конструктивных параметров.
По зависимости (1) с экспериментальной проверкой определены амплитудно-частотные характеристики рабочих элементов резинового струнного сита (РСС), резонирующего ленточно-струнного сита (РЛСС) и резинотросового сита (РТС) без нагрузки и под нагрузкой. Анализ амплитудночастотных характеристик показал, что величина амплитуд относительных колебаний резиновых струн сит типа РСС и РЛСС под нагрузкой с увеличением длины их свободных участков уменьшается, а резинотросовых струн типа РТС - увеличивается, достигая максимума при определенных, характерных для принятой нагрузки на сито, значениях длины 1с.
Проведены экспериментальные исследования по оценке эффективности использования указанных типов струнных сит при фракционировании сухих и влажных отходов нерудных карьеров по кл. 10(20) мм. Анализ результатов по разделению сухих отходов позволил установить корреляционные отношения между величинами удельного выхода подрешетного продукта разделения qп и амплитудами относительных колебаний и0 рабочих элементов различных типов струнных сит (например, для резинотросового сита
4
МУ
МУ
-му‘
(1)
а-20 = а-20
Чп Уп(у=1,0)
V
Vи0(у=1.0) у
).
V і
ЕА
4Т
м'2; у = р -а 1
безразмер-
ная собственная частота колебаний струны; ЕС (Н/м2) и Ас(м2) - модуль упругости и площадь поперечного сечения струны; Т0 - начальное натяжение струны, Н; ®- безразмерный коэффициент вязкого сопротивления, посредством которого учитывается влияние технологической нагрузки, находящейся в процессе грохочения в разрыхленном состоянии.
Значения безразмерного коэффициента ® определялись экспериментальным путем при различных величинах
С учетом аналогичных соотношений, полученных для других типов струнных сит, построен график для определения эффективности грохочения Ер в зависимости от вида струны, удельной нагрузки на сито ап и расстояния между точками закрепления струн 1с (рис.2)
2
и
0
2
3
4
и
0
Рис. 2. График для определения эффективности грохочения струнных сит.
При разделении отходов влажностью до 5% и удельных нагрузках до 10 т/(ч-м2) по указанному классу эффективность грохочения на всех указанных струнных ситах примерно одинакова и составляет величину порядка 90%. С увеличением удельной нагрузки до 20 т/(ч-м2) (особо тяжелые условия эксплуатации) и влажности до 9-12% предпочтительнее использовать сито типа РТС, эффективность грохочения на котором составляет 73-60%, что на 15-20% превышает эффективность грохочения на ситах типа РСС и РЛСС.
С целью определения эксплуатационных характеристик и технологических возможностей использования резинотросовых сит проведены их промышленные испытания на грохотах типа ГИЛ-52, установленных в действующих технологических линиях по переработке отходов на Пятовском и Питкяранском карьерах ПО «МОСНЕРУД-ПРОМ». Для получения прессованных карт резинотросовых сит в МГГУ разработана и изготовлена специальная пресс-форма.
Сита находились в эксплуатации более чем полтора года и позволили дополнительно увеличить выход щебня 5-20 мм на Пятовском карьере на 12,3 тыс. м3 и на Питкярантском карьере на 9,1 тыс. м3
Традиционным оборудованием для сухого разделения мелких фракций отходов нерудных карьеров в технологических схемах первого и второго классов являются грохоты со струнными ситами типа РСС и каскадные пневмосепараторы. Проведенными в МГГУ исследованиями доказана целесообразность использования для этих целей грохотов с криволинейными просеивающими поверхностями: дугового, винтового и вибровинтового (рис.1,б,в,г), а также пневмо- и вибропневмосепараторов с распределительной решеткой, входящих в состав пневмосепарирующих установок (рис.1д). Были разработаны математические модели, описывающие процесс сухого разделения сыпучих материалов на просеивающих поверхностях указанных грохотов, а также в рабочих камерах пневмо- и вибропневмосепараторов. В результате решения поставленных задач определены скорости движения материала по просеивающим поверхно-Таблица 1
стям сит грохотов и распределительным решеткам сепараторов V, законы изменения расхода материала по длине сит Q, а также критерий полноты разделения ¥ пневмосепараторов и эффективность сепарации Е вибропневмосепараторов. Полученные зависимости представлены в табл. 1.
В указанных зависимостях для грохотов: X- коэффициент живого сечения сита; д- эмпирический коэффициент скорости просеивания; ад, (град) и Rд (м) -дуговая координата и радиус дугового сита; f - коэффициент трения материала о просеивающую поверхность; є=1'( 1 -Хд2); dв и /Зв - соответственно углы наклона винтовой линии и образующей винтовой поверхности, град;
2^а в в
Н,
Нв - шаг винтовой поверхности, м;
- радиус винтовой линии, м; ф - угол поворота винтовой
линии, град.; VI) - начальная скорость поступления материала на грохот, м/с;
I =
g(1 + ^ 2^в )
м3/с2
в
П =
А ' А
Вв - ширина винтовой просеивающей поверхности, м; Qo -производительность по питанию, м3/с;
*Ав (мм) и юв (с-1) - амплитуда и частота колебаний винтовой просеивающей поверхности грохота; ¥вв - скорость движения потока материала по вибровинтовой просеивающей поверхности, определяемая экспериментальным путем, м/с. В зависимостях для пневмосепараторов: ар , (град), Fр, (%) и 1р (м) - соответственно угол наклона, величина проходного сечения и длина распределительной решетки; hp -высота между решеткой и вставками, м; 1рк - длина разделительной камеры, м; втр - коэффициент, учитывающий внутреннее трение слоя сыпучего материала на решетке; / сл -коэффициент внешнего трения слоя материала; Усл,н - начальная скорость движения слоя материала по решетке, м/с. В зависимостях для вибро-пневмосепараторов: ув - кинематический коэффициент вязкости воздуха, м2/с; р - плотность воздуха, кг/м3; Ув - средняя скорость продуваемого воздуха, м/с; Ас (м) и <вс (с-1) - амплитуда и частота вибраций корпуса сепаратора; с - весовая концентрация материала в камере разделения, кг/м3.
Функциональные зависимости ряда параметров классифицирующих установок для сухого разделения мелких фракций отходов нерудных карьеров
2
м
Скорости движения разделяемого материала по ситу (решётке) V Законы изменения расхода материала по длине сит Q, критерий полноты разделения ш и эффективность сепарации E
Дуговой грохот / 3е cosaд + (1-2£2^тад Ьп 3е Уд.г. /2рЯд . [ + е ( ) ] 1+4е2 Яд. 1+4е2 1 / Уд.г.2 Q(aд)= 1цЯд х vgsinад+ 2Уд.г. Яд.
Винтовой грохот Ув.г = V Яв^рв.- (Яв^рв.^2^1' Вв. ф 1 Q(Hв.) = Qo[1 V х I/ +пУв г4ф]2 2 Qo 0 Ув.г.
Вибро- винтовой грохот Ув.в. определяется экспериментальным путём Вв.в.. Q(Hв.в)=Qo[1 V X 2 Qo t Ув.в.(р+А в .ю в2sinЮвt+V2tgpвCos2ав /Яв. X | V dt] 0 А
Пневмосепарат °р Ур.=0,5[/ 2g1р.к.(tgaр - £трГсл) + Усл.н. - Усл.н.] V = - 0,99+2^р - 0,073ар+7^р+0,67еи1р
Вибропневмосе -паратор 3^ГС^Юс2 1 5.9 п [р + vVв+(Ас®с)2+2VвАсЮсCos(90e- ар) Ув.р = хС£ (90о- ар) ю 166,3+1,103 104Ас2УвЮс0,5 ехр[0,09ю0,5] Е = 1+с/рв
На основании анализа представленных зависимостей, а также в ходе экспериментальных исследований установлены диапазоны рациональных значений конструктивных и режимных параметров классификационного оборудования, таких как: для дугового грохота - высота падения исходного материала на сито ^ и толщина слоя его на просеивающей поверхности ^л ; для винтового грохота - угол наклона образующей рв , ширина Нв и шаг Вв винтовой просеивающей поверхности; для вибровин-тового грохота - амплитуда Ав и частота юв колебаний сита; для пневмосепаратора - параметры ар, Fр, 1р и % распределительной решетки; для вибропневмосепаратора -амплитуда Ас и частота <вс вибраций корпуса сепаратора.
При организации структуры технологических схем II класса по переработке отходов нерудных карьеров, как правило, требуются операции как классификации, так и измельчения. В настоящее время для получения из отходов нерудных карьеров тонкоизмельчённых продуктов, таких как известняковая мука (по ГОСТ 1450-93) и различные минеральные порошки, в основном используются следующие типы мельниц: шаровые барабанные, шахтные молотковые, вибрационные, а также дезинтеграторы. Для получения сыромолотой известняковой муки известен опыт применения молотковых дробилок.
В МГГУ для тонкого (0,1мм^<1мм) и сверхтонкого ^<0,1 мм) помола созданы и испытаны вибрационные мельницы с наклонными помольными камерами (рис. 1е) и планетарные мельницы (рис. 1д). Разработаны математические модели, описывающие процесс измельчения сыпучих материалов в помольных установках указанных типов. В результате решения поставленных задач получены зависимости мощности, потребляемой на помол, и производительности
измельчения по заданному классу от ряда параметров мельниц. Разработаны также уравнения кинетики при сверхтонком измельчении различных видов отходов в планетарной мельнице. Полученные зависимости приведены в табл. 2.
В представленных зависимостях для наклонных вибрационных мельниц: Dк (м), ^ (м) и ак (град) - соответственно диаметр, длина и угол наклона помольных камер; Х^сЮк ; Lc - длина секции камеры, м; ск - суммарное число секций в помольных камерах; єш - коэффициент заполнения камер шарами; п - число оборотов приводного вала мельницы, мин-1; dш - диаметр мелющих шаров, мм; к - коэффициент пропорциональности, кг-с/м5 ; с - безразмерная постоянная Козени;
& - пористость помольной среды; т - коэффициент, учитывающий искривленность тока жидкости в пористой среде; р - плотность измельченного материала, г/см3; г - извилистость, определяемая как отношение средней длины траектории частицы в помольной камере к длине помольной камеры; X- удельная поверхность пористого материала, см2/г; Г - вибровязкость потока измельченного материала, Па-с; h0 и h - глубина фильтрационного потока соответственно на входе и на выходе из помольной камеры, м; Ф и F - функции конструктивных и технологических параметров мельниц, определяемые по графикам и таблицам. В зависимостях для планетарных мельниц: t - время помола, с; ^ - безразмерная угловая скорость вращения барабанов; еш - степень заполнения барабанов шарами; ем - степень заполнения барабанов материалом; z=aвод2 ■Rвод/р - характеристическое число, RвoД (м), и ювод (с-1) - радиус водила и угловая скорость его вращения.
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований по тонкому и сверхтонкому из-
мельчению отходов нерудных карьеров определен диапазон рекомендуемых значений параметров измельчителей, таких как: для наклонных вибрационных мельниц при сухом и влажном помоле - угол наклона ак , диаметр Dк и длина Lк помольных камер, амплитуда Ам и частота юм их колебаний, диаметр мелющих шаров dш [3]; для планетарных мельниц - передаточное отношение мельницы кп , безразмерная угловая скорость вращения барабанов у, степень заполнения барабанов шарами ф и др.
Уточнение ряда параметров рассмотренных типов классификационно -измельчительного оборудования осуществлялось по критериям удельных действий, разработанным в работе [4]. Эти критерии определяют различные меры движения или воздействия, характерные для конкретных механических систем. По результатам сопоставления сравниваемых механических систем выбирается тип механической системы, удельное действие которого наименьшее. Главным или ключевым является такое удельное действие, которое соответствует цели исследуемой механической системы.
Так как в механических системах переработки отходов технологическая операция измельчения связана с преодолением сопротивлений на разрушение материала, оценка параметров измельчителей осуществлялась с учетом механической энергии машины и времени на процесс помола. Оценка параметров грохотов, главной целевой функцией которых является разделение материала на несколько потоков при его транспортировании, осуществлялось с учетом динамических характеристик движения разделяемого на фракции материала, а именно той его части, которая составляет «загрязнение» (потери) продуктов разделения, и времени на процесс разделения. Процесс разделения материалов на фракции в пневмо- и вибропневмоклассификаторах связан со значительными энергозатратами, поэтому оценка их параметров проводилась по тем и другим критериям удельных действий.
Рис. 3 Зависимость относительных значений мощности загрузки (1), пропускной способности (2) и удельных действий (3) от диаметра помольной камеры.
Формула для определения критерия удельного действия, учитывающего затраты механической энергии -времени записывается в виде:
I = Р
э.-в. ср
>2
(2)
При однократном просеивании на дуговой просеивающей поверхности жесткого типа разделенный на фракции материал содержит загрязняющую массу, находящуюся в основном в надрешетном продукте. Приняв в качестве ключевого критерий, учитывающий количество движения этой массы, и , пренебрегая весьма малым закруп-нением подрешетного продукта, формула для определения этого критерия будет иметь вид:
Iк.д-.в. = 3,6 -10;
(а - гУср
7^0
(3)
При оценке классификаторов других типов аналогичная формула имеет вид:
4,-в.= 3,6 -103
(100 - Ер К р.
(4)
В формулах (2-4) Рср - средняя мощность, затрачиваемая на измельчение или пневмосепарацию, квт; и - время переработки для получения единицы объема (массы) целевого продукта переработки, ч; а - содержание мелкого класса в исходном материале, %; у - выход подрешетного продукта, %; Ер - расчетная эффективность грохочения, %; Уср - средняя скорость движения материала по просеивающей поверхности (поддер-живающей решетке), м/с; Q0 - производительность классификации по исходному материалу, т/ч.
Таблица 3
Нв, і
1,0
1,1
1,2
1,3
Вв, м
0,12
0,24
0,36
ничному размеру 5гр= 1мм при различных сочетаниях ширины Вв и шага Нв винтовой просеивающей поверхности.
В числителе приведены значения критерия эффективности грохочения Ер [%], а в знаменателе - значения критерия удельных действий /кд.-в. - 102 [м-т/т], посчитанные по формуле (4) при следующих значениях параметров: У0 = 1м/с; рв=100; ,0в=0,8м; м1=7,532-10'2; м2 = 0,213- 10'2.
Анализ данных таблицы 3 показывает, что максимальная эффективность грохочения (93,2-94,9%) приходится на ряд сочетаний параметров Вв и Нв. В то же время критерий удельного действия I к д..в имеет ярко выраженный минимум лишь при одном сочетании этих параметров (Вв = 0,36 м, Нв = 1,3 м), указывающих на наиболее благоприятный режим грохочения с точки зрения минимизации затрат на производство целевого продукта.
Уточнены также по критериям удельного действия такие параметры классификаторов, как толщина слоя материала ^л и высота его падения ^ на сито дугового грохота ^ при разделении отходов карбонатных пород по граничному зерну 1 мм, угол наклона распределительной решётки ар пневмо-сепаратора при разделении гранитных отсевов по кл. 3 мм, а также амплитуда Ас и частота <вс колебаний корпуса вибропнемосепаратора при разделении карбонатных отходов по кл. 1 мм. Кроме того, с помощью критерия I кд..в. определена целесообразность использования различных классификаторов (струнного сита типа РЛСС и винтового виброгрохота) при грохочении влажных песчаногравийных отходов по кл. 3 мм в зависимости от нагрузки на просеивающую по-
0,48
66,20/47,49 82,30/21,06 90,20/16,14 94,70/10,01
94,верхность.
71,20/35,04
73,04/20,15
78,20/12,03
86,90/14,11
89,40/9,11
91,30/6,82
92,30/8,28
94,00/5,72
94,20/4,32
94,80/6,75
94,90/5,11
92,20/6,53
93,
Использование ключевого кри-90терия удельного действия I э.в для оценки параметров измельчителей позволи-86,ло уточнить рекомендуемый диаметр
В качестве примера в таблице 3 приведены результаты оценки эффективность использования винтового грохота при классификации отходов карбонатных пород по гра-
помольных камер Дк наклонной вибрационной мельницы при сухом помоле карбонатных отходов. На рис 3. представлены графики зависимости относительных значений
мощности загрузки
рДК /р.
0,2
производительности
а
QДн / QДн и критерия удельных действий 1Д*в / 1°0’^в от диаметра помольных камер Дк. Анализ кривых указывает на увеличение потребляемой на помол мощности и производительности мельницы с возрастанием диаметра камер, в то же время значения критерия 1э.в, подсчитанное для всего диапазона исследуемых диаметров, имеют свой ярко выраженный минимум, приходящийся на Дк=0,5-0,55 мм.
Исследования процесса измельчения влажных карбонатных отходов на мельницах указанного
типа позволило уточнить по критерию 4.в. такие параметры как угол наклона ак и длина ^ помольных камер, а исследо-
вания процесса измельчения на планетарных мельницах вертикального типа позволил уточнить по этому же критерию удельного действия степень заполнения помольных барабанов шарами єш при тонком непрерывном помоле карбонатных отходов и сверхтонком дискретном помоле отходов различных видов.
Таким образом, оценка результатов исследований классификационно-измельчительного оборудования для переработки отходов нерудных карьеров с помощью критериев удельных действий позволила уточнить значения ряда параметров оборудования, обеспечивающих получение целевых продуктов переработки с минимальными удельными затратами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Федеральная целевая программа «ОТХОДЫ». Раздел 1.17. «Техническая политика по отходам горнодобывающей промышленности». - М, 1994.
2. Картавый Н.Г., Бардовский А.Д. Динамика струнных просеивающих поверх-
ностей вибрационных грохотов // Zeszyty naukowe politechniki Slaskiei. Serie: Gornict-wo, 1990.- S.60-72.(Польша)
3. Бардовский А.Д. Определение параметров вибрационных мельниц для переработки отходов карбонатных карьеров //
Г орный информационно-аналитический
бюллетень. -М. :МГГУ, 1997, №2. С.21-24.
4. Горский Б.Е. Динамическое совершенствование механических систем. -Киев, Техника, 1981.-201 с.
Ш
¡'.Л., Іодродорекий, II.Г. Картавый, В.М. Рачек,
Л.,1 Кардовский
, (оброОорский Георгий Александрович локюр іе\нически\ наук, профессор кафедры «Teopeiи ческой и прикладной механики» МПУ.
Картавый Андрей Николаевич маї исір. аспират кафедры ГМТ М1ГУ Рачек 1 іалеіпип Михайлович - локюр іе\нически\ наук, профессор кафедры «Теоре-шческой и прикладной механики» МП У.
Нардове кий Л Л кандида і іе\нически\ наук, доцен і кафедры«
«МПУ.
/
