Введение к работе
Актуальность темы. Дробление и измельчение горных пород являются самыми распространенными и одновременно наиболее энергоемкими процессами в горнорудной промышленности, на долю которых приходится 60-70 % от общих энергозатрат, причем основную часть затрат составляют операции измельчения. Низкая эффективность работы измельчительного оборудования обусловливается как малым КПД барабанных мельниц – основного технологического оборудования отечественных и зарубежных обогатительных фабрик, так и неудовлетворительной связью циклов дробления и измельчения вследствие их многостадийности.
В условиях рыночной экономики ужесточаются требования к качеству оборудования и эффективности технологических процессов. Ситуация усугубляется тем, что в настоящее время горно-обогатительные комбинаты перерабатывают в основном бедные и труднодробимые руды.
Крупным недостатком существующих способов рудоподготовки является «зажелезнивание» рудных концентратов. Так, при измельчении в барабанных мельницах на 1 т массы измельчаемого продукта приходится 2…2,5 т шаровой загрузки, а содержание «железа» (продукты износа мелющих тел и футеровок) составляет до 2,5 кг и более на 1 т концентрата.
Кардинальным способом повышения эффективности процессов рудоподготовки является совершенствование дробильно-размольного оборудования.
Современный этап развития дробильно-размольного оборудования характеризуется тенденцией передачи работы циклов измельчения на циклы дробления за счет введения операции сверхтонкого дробления. Созданы образцы дробильного оборудования – конусные инерционные дробилки типа КИД (НПК «Механобр-Техника», г. Санкт-Петербург), крупность продукта которых не зависит от размера разгрузочной щели, и гирационные дробилки типа КМД с форсированным режимом дробления.
Внедрение новых конструкций дробильного оборудования лишь частично компенсирует недостатки существующих способов рудоподготовки.
Наиболее перспективным направлением совершенствования дробильно-размольного оборудования является создание дробильно-измельчительных агрегатов, совмещающих операции дробления и измельчения при высоких технологических показателях за счет принудительного самодробления и самоизмельчения.
Необходимые условия появления дробильно-измельчительных агрегатов – установление взаимосвязей конструктивных параметров агрегатов с их технологическими параметрами и свойствами перерабатываемых материалов, а также выявление возможностей и способов управления рабочим процессом.
В настоящее время известны технические решения по таким дробильно-измельчительным агрегатам, как: ударно-отражательные дробилки, центробежная мельница динамического самоизмельчения МАЯ и др. В этих устройствах разрушение породы происходит за счет создания силового инерционного поля, что обусловливает большой износ и малую производительность.
Практическая реализация совмещения операций дробления и измельчения в одном агрегате возможна и на основе механических способов разрушения горных пород, что показывает опыт развития конструкций дробильно-размольного оборудования.
Таким образом, разработка математической и физической моделей процесса разрушения горных пород «в слое», позволяющих установить закономерности формирования степени дробления и энергозатрат, а также обосновать конструктивные и режимные параметры дробильно-измельчительного агрегата, является актуальной научной проблемой.
Цель работы – повышение эффективности процессов рудоподготовки за счет разработки новых конструкций дробильно-измельчительного оборудования на базе установленных закономерностей разрушения горных пород в слое.
Идея работы заключается в том, что снижение энергоемкости процесса разрушения горных пород достигается при совмещении операций дробления и измельчения в одном агрегате с возможностью управления рабочим процессом и режимными параметрами агрегата, рабочие органы которого оснащены независимыми приводами.
Объектом исследования являются процессы разрушения горных пород «в слое» и технические средства для их реализации, в которых обеспечивается существенное повышение эффективности использования дробильных и измельчительных машин по сравнению с традиционными типами оборудования для рудоподготовки.
Предмет исследования – выявление основных факторов, определяющих характер процесса разрушения горных пород «в слое», установление закономерностей формирования основных показателей процесса – энергозатрат, степени сокращения крупности, эффективности разрушения.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Процесс разрушения кусков горных пород «в слое» характеризуется несколькими стадиями: изменение объема слоя за счет заполнения пустот между кусками пород, деформирование слоя в результате контактного взаимодействия между отдельными кусками слоя; разрушение кусков, что обусловливает рост затрат энергии как на преодоление сил сцепления между кусками и на упруго-пластическое деформирование слоя, так и на разрыв межкристаллических связей.
2. Процесс разрушения горных пород «в слое» описывается математической моделью, которая основана на решении гранулометрической, скоростной, энергетической задач и позволяет установить закономерности упруго-пластического деформирования фракций различной крупности с учетом одновременной сегрегации частиц при их перемещении в слое материала.
3. Основными показателями, характеризующими упруго-пластические свойства слоя материала, являются степень предварительного уплотнения, определяющая состояние зернистой среды, и плотность энергии деформации (энергия деформации, отнесенная к объему слоя).
4. Гранулометрическая и энергетическая характеристики дробимости горных пород в слое определяются фракционным составом горной массы, относительной деформацией слоя, зависящей от модуля сжимаемости слоя.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяются использованием классических и современных методов механики разрушения, апробированных методов сопротивления материалов и математической статистики, а также подтверждаются достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполнявшихся как в лабораторно-промышленных, так и в лабораторных условиях, в том числе на физической модели (расхождение результатов не превышает 7…10 %).
Научная новизна диссертационной работы:
выявлены статистические зависимости показателей процесса разрушения горных пород способом "в слое" (степени сокращения крупности и энергоёмкости дробления) от грансостава исходной массы, структуры слоя материала и от интенсивности внешнего воздействия;
разработана имитационная модель процесса разрушения горных пород «в слое», основанная на рассмотрении состояния слоя материала как функции удельной энергии деформаций;
экспериментально установлены зависимости между показателями процесса разрушения «в слое» и основными влияющими факторами – степенью уплотненности слоя, фактором перемешивания фракций и степенью боковой стесненности.
Практическое значение работы.
На базе выполненных в работе исследований:
сформулированы принципы рациональной организации процесса разрушения горных пород «в слое» – многократного нагружения и изменения уровня относительной деформации от модуля сжимаемости слоя, которые позволят обеспечить положительное суммарное воздействие влияющих факторов;
разработана функциональная схема дробильно-измельчительного агрегата, обеспечивающая реализацию принципов рациональной организации процесса разрушения горных пород «в слое»;
разработана методика выбора режимных и конструктивных параметров агрегата.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в дивизионе «Горное оборудование» ООО «Уралмаш-Инжиниринг» МК «Уралмаш» и в ОАО «Ураласбест».
В дивизионе «Горное оборудование» ООО «Уралмаш-Инжиниринг» МК «Уралмаш» внедрена методология обоснования основных параметров процесса разрушения горных пород в слое (энергоёмкость, грансостав продукта разрушения), выполнено техническое предложение по компоновочной схеме дробильно-измельчительного агрегата.
Предложенный вариант технологической схемы рудоподготовки с применением дробильно-измельчительного агрегата обеспечивает исключение ряда операций на обогатительной фабрике ОАО «Ураласбест».
Получен патент на полезную модель по конструкции дробильно-измельчительного агрегата № 57638 «Мельница» от 27.10.2006.
Результаты исследований включены в учебник по дисциплине «Проектирование обогатительных машин» для студентов специальности 150402 (170100) – «Горные машины и оборудование».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы с 1990 по 2009 гг. докладывались и получили одобрение на научно-технических советах, научных симпозиумах и семинарах, в конструкторских отделах, институтах (НПК «Механобр-Техника», г. С.-Петербург, 2004, 2006 гг., НТЦ НИИОГР, г. Челябинск, 2005 г.) и на горно-обогатительных предприятиях России, Монголии (СМРП "Эрдэнэт", 2002 г.) и Украины (ДНТУ, ИГТМ НАН, 2002, 2005 гг.). Основные положения диссертационной работы докладывались на симпозиумах «Неделя горняка – 2004, 2005, 2006, 2008, 2009 гг.», МГГУ (г. Москва), международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера ХХI века» (г. Донецк, 2003, 2004, 2005, 2007 гг.), международной научно-технической конференции «Чтения памяти В.Р. Кубачека. Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности» (г. Екатеринбург, 2002, 2004, 2006, 2007, 2008, 2009 гг.), международной конференции «Динамика и прочность горных машин» (г. Новосибирск, 2003 г.), международной научно-технической конференции «Чтения памяти В.Р. Кубачека. Нетрадиционные технологии и оборудование для разработки сложно-структурных МПИ» (г. Екатеринбург, 2005 г.), научно-практической конференции «Качество, надежность, эффективная эксплуатация горно-транспортного оборудования: современное состояние и перспектива» (г. Екатеринбург, 2000 г.)
Публикации.
Основные научные результаты опубликованы в 35 печатных работах, в том числе в 23 из Перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, утвержденного ВАК.
Личный вклад автора в публикации, выполненные в соавторстве, состоял в формировании основной идеи / 8, 15, 16, 17, 26 /, выборе метода исследований / 21, 23, 30 /, анализе полученных результатов и подготовке на их основе методик расчета и рекомендаций / 1, 10 /.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 153 наименований. Работа изложена на 143 страницах машинописного текста и содержит 34 рисунка, 27 таблиц и 8 приложений.
