CC BY
12
2008
Е.В. Захаров, А. С. Курилко
ВЛИЯНИЕ ЦИКЛОВ ЗАМОРАЖИВАНИЯ-ОТТАИВАНИЯ НА ЭНЕРГОЕМКОСТЬ ПРОЦЕССА ДРОБЛЕНИЯ
¥""¥осле извлечения из недр горные породы подвергаются
-К А. наиболее масштабному и энергоемкому технологическому процессу - дроблению и измельчению. На операции дробления и измельчения приходится 50-70 % капитальных затрат и общих эксплуатационных расходов. Эти технологические операции вызваны потребностью в конечном продукте определенного гранулометрического состава или необходимостью последующего обогащения полезного ископаемого [1].
Целью данной работы являлось определение влияния циклов замораживания-оттаивания на энергоемкость процесса дробления горных пород. Для исследования были взяты образцы вмещающих горных пород отобранных из карьера «Удачный» ЗАО АК «АЛРО-СА».
Перед проведением испытаний определялись влажность, плотность и пористость материала. Для определения влажности брали навеску материала в исходном состоянии и взвешивали, затем подвергали сушке до постоянного веса в сушильном шкафу СНОЛ-3,5И1 при температуре 110±5 °С, затем снова взвешивали и так до установления постоянной массы. Влажность исходного материала составила от 0,45 до 2,4 %. Для определения плотности материал насыщали дистиллированной водой в течение 2 суток, затем после насыщения, помещали в мензурку с водой для определения объема вытесненной жидкости. После нахождения объема весь материал подвергался сушке в шкафу и взвешивался. Плотность исследуемого материала составила 2,60 г/см3. Пористость 7,5 %.
Дробление образцов проводилось по методу толчения на видоизмененном копре Сыскова или приборе для определения крепости (ПОК). Пробы испытывались в воздушно-сухом состоянии. Навески каждой из групп засыпались в загрузочный стакан и измельчались путем пятикратного сбрасывания груза массой 2,6 кг, с по-
242
стоянной высоты 0,6 м. Принимались в учет также потери на трение 5 %. Энергия на дробление определялась по формуле:
Е = П • т • g • Н (1)
Все три порции измельченного материала ссыпали на одно проволочное сито с отверстиями размером 0,5 мм, после чего эти порции совместно просеивали. Фракцию, прошедшую через сито 0,5 мм, высыпали в трубку объемомера. Уплотнения мелкой фракции в трубке достигали легким постукиванием. После этого в трубку вставляли мерный плунжер и определяли высоту столбика пыли [2].
По методике устанавливать число ударов гирей следует так, чтобы высота столбика пыли в объемомере находилась в пределах 10-50 мм. Иначе при низком выходе пыли коэффициент крепости получится завышенным и наоборот. Исходя из этих условий для 1 и 2 групп число ударов гирей равнялось пяти, а для групп 3, 4 и 5 количество ударов равнялось трем. В процессе дробления была определена крепость породы исходя из высоты столбика пыли по следующей формуле: . 20 • п
/=—. (2)
где п - число сбрасываний гири; I - высота столбика пыли в объемомере, мм.
Исходная масса породы была предварительно просеяна по классу +10 мм, затем отмыта от глинистых включений и просушивалась в течение двух суток при комнатной температуре. После сушки вновь был произведен рассев по классу +10 мм. Далее из усредненной пробы квартованием были отделены две части и из этих частей сформированы 15 навесок массой 50±1 гр. Навески помещались в алюминиевые бюксы, и были разделены на 5 групп по 3 бюкса в каждой группе для дальнейшей обработки. Вид исходного материала представлен на рис. 1. Цвет образцов светло-серый. По минералогическим признакам горная порода относится к известнякам.
Образцы группы 1 подвергались дроблению в исходном состоянии, без температурного воздействия. Образцы групп 2, 3, 4 и 5 перед воздействием на них циклов замораживания-
Таблица 1
Разделение по группам
243
Группа 1 В исходном состоянии, без температурного воздействия.
Группа 2 С 1 циклом замораживания - оттаивания при 1 = -20 °С в растворе с С№а = 50 г/л
Группа 3 С 3 циклами замораживания - оттаивания при 1 = -20 °С в растворе с С№С1 = 50 г/л
Группа 4 С 5 циклами замораживания - оттаивания при 1 = -20 °С в растворе с СЫаС1 = 50 г/л
Группа 5 С 10 циклами замораживания - оттаивания при 1 = -20 °С в растворе с С№С1 = 50 г/л
оттаивания в течение суток настаивались в 5 % солевом растворе. В табл. 1 представлено разделение групп и соответствующая обработка перед дроблением.
Образцы групп 2, 3, 4 и 5 замораживались в морозильной камере «Бирюса» при температуре выстойки -20 °С. Достижение температуры -20 °С фиксировалось датчиком, помещенным в один из замораживаемых бюксов. Время замораживания для достижения заданной температуры составляло 5-6 часов. Для ускорения процесса размораживания, бюксы с образцами помещались в сосуд с водой при комнатной температуре, характерное время размораживания и достижения образцом температуры +20 °С составляло 3 часа.
Рис. 1. Исходный материал Рис. 2. Образцы после 7 циклов
замораживания-оттаивания
244
Уже после первого цикла замораживания-оттаивания в некоторых бюксах наблюдалась частичная дезинтеграция образцов. Дальнейшее проведение циклов замораживания - оттаивания значительно увеличивало массу дезинтегрировавшегося материала, что видно на рис. 2.
После проведения заданного числа циклов замораживания-оттаивания материал высушивался при комнатной температуре, подвергался предварительному рассеву и нахождению площади образованной поверхности в результате воздействия циклов. Образцы каждой из групп просеивались через набор сит и определялись массовые выходы каждого класса, результаты приведены на рис. 3. Так как с группой 1 не производились циклы замораживания-оттаивания, то все 100 % материала содержатся в классе -20+10 мм. Результаты предварительного рассева, показали, что уже после трех проведенных циклов более 30 % исходного материала перешло в меньшие классы крупности без механического воздействия.
По результатам ситового анализа высчитывали площадь образованной при дезинтеграции поверхности. Расчет производили по формуле (3).
Для упрощения расчетов форма частиц принималась шарообразной:
2 3
, (3)
Л с 6
да = — >—^ -6 •
Р0 1=1 ¿г
V р0 У
где ёг = 0,5(^-+ ¿г+1); р0 - плотность породы, кг/м3; Мп - масса исходного образца породы.
В дальнейшем разделенный на фракции материал смешивался и подвергался дроблению с помощью копра по описанной выше методике. Дробленый материал вновь рассеивали на ситах, определяли массовые выходы каждого класса, а также крепость породы. Для наглядности результаты ситового анализа после дробления приведены на рис. 3 в виде кривых для групп 1 и 5. Определялась поверхность, образованная в результате дробления по формуле (3).
Результаты экспериментов для всех пяти групп сведены в табл. 2. Здесь отмечено количество циклов замораживания-оттаивания, которым подвергалась каждая группа материала; количество сбрасываний груза, крепость породы, площадь вновь
245
Группа 1 ] Группа 3 "Группа 5 Группа 5
Группа 2 Группа 4 Группа 1
-20 + 10
-8 + 5
-2 + 1
-0.5 + 0.25
мм
Рис. 3. Результаты предварительного рассева и дробления (1 и 5 групп)
образованной поверхности материала и энергия, затраченная на механическое дробление. Затем, используя данные по затраченной на дробление энергии и площади вновь образованной поверхности, определяли поверхностную энергоемкость процесса механического
дробления по формуле (4). Результаты приведены на рис. 4.
Э Е 2
эп = — (Дж/м2). (4)
Исходя из данных табл. 2, были построены кривые, изображенные на рис. 5, характеризующие энергоемкость механического дробления. Кривая 1 характеризует энергоемкость, затрачиваемую в результате механического дробления и воздействия циклов замораживания-оттаивания.
Как видно из рисунка затраты энергии на дробление горной породы после воздействия 3-5 циклов замораживания-оттаивания снизились в два раза, что очень выгодно, т.к. затраты на дробление и измельчение составляют около 70 % всех энергозатрат горнодобывающей промышленности.
Снижение энергоемкости дробления, а также снижение крепости породы обуславливается развитием различных дефектов в испытуемых образцах в результате воздействия циклов замораживания-оттаивания.
246
■ Группа 1 и Группа 2 Ш Группа 3
■ Группа 4
■ Группа 5
Рис. 4. Энергоемкость процесса дробления
Таблица 2
Результаты экспериментов по энергоемкости дробления
Группа 1 Группа 2 Группа 3 Группа 4 Группа 5
Кол-во циклов замораживания-оттаивания 0 1 3 5 10
Кол-во сбрасываний 5 5 3 3 3
Крепость породы 4 4 3 2 2
Энергия дробления, Дж 72,692 72,692 43,615 43,615 43,615
Поверхность образ. в рез-те цикла (ов), м2 - 0,002929 0,005529 0,006484 0,008562
Площадь обр. поверхности после дробления с учетом влияния циклов (общая), м2 0,016872 0,017592 0,016946 0,021189 0,024371
Энергоемкость дробления, Дж/м2 4308,52 4131,99 2573,83 2058,42 1789,64
Кривая 2 характеризует энергоемкость только механического дробления образцов различных групп без учета воздействия циклов замораживания-оттаивания.
Данные значения энергоемкостей были получены путем вычета площади поверхности образованной в результате воздействия циклов из общей площади поверхности. Воздействие первых трех
247
циклов замораживания-оттаивания привели к разрушению ослабленных кусков породы и поэтому энерготраты
Кол-во циклов Рис. 5. Сравнение энергоемкостей дробления
на разрушение более прочных кусков породы возросли. Дальнейшее воздействие циклов замораживания-оттаивания приводят к накоплению дефектов и ослаблению прочности и у этих кусков породы.
Результаты исследований позволяют сделать вывод о существенном снижении энергоемкости процесса разрушения после воздействия циклов замораживания-оттаивания на образцы горных пород, что может послужить основой для разработки энергосберегающих технологий обогащения и переработки горных пород.
--СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каркашадзе Г.Г. Механическое разрушение горных пород.- М.: Из-во МГГУ, 2004. - 224 с.
2. Барон Л.И., Коняшин Ю.Г., Курбатов В.М. Дробимость горных пород. -М.: Из-во Академии Наук СССР, 1963." - 168 с. ТШ
— Коротко об авторах -
ЗахаровЕ.В., Курилко А.С. - ИГДС СО РАН, г. Якутск.
248
