Лабораторная работа 1. Дробление и измельчение материалов

1 Цель работы

Изучить технологию и схемы дробления и измельчения, основные типы дробилок и мельниц, методы рассева материалов и показатели, определяющие эффективность процессов дробления и измельчения.

2 Теоретическое введение

После добычи размеры кусков руды могут быть: при открытой до 1500 мм, при подземной – до 300 мм. Поэтому для последующего обогащения и окускования материалы необходимо дробить и измельчать.

В зависимости от размеров получаемых кусков различают четыре стадии дробления: крупное – 100-300, среднее – 40-60, мелкое – 8-25 и тонкое – менее 1,0 мм.

Тонкое дробление называют измельчением и применяют только для руд, идущих на обогащение.

Технологическими показателями процесса дробления (измельчения) являются степень и эффективность дробления (измельчения).

Степень дробления (измельчения) – уменьшения размеров кусков материала в результате обработки и определяются выражением

i = D/d,

где D и d – максимальные размеры куска материала соответственно до и после дробления (измельчения).

Эффективность дробления определяется массой раздробленного материала, получаемого при расходе единицы электроэнергии. Она определяется, главным образом, прочностью дробимого материала.

В зависимости от величины сопротивления при раздавливании, руды классифицируются по твердости:

- мягкие – менее 10 МПа;

- средней твердости – 10-50 МПа;

- твердые – более 50 МПа;

- весьма твердые – более 100 МПа.

Дробление и измельчение – очень энергоемкие процессы. По данным ЮНЕСКО человечество до 10% всей вырабатываемой электроэнергии расходует на дробление и измельчение. Стоимость дробления и измельчения в себестоимости рудного концентрата составляет до 40%.

2.1 Дробление

Существуют следующие способы дробления (рисунок 1.1): раздавливание (а), истирание (б), раскалывание (в), удар (г), раздавливание совместно с раскалыванием (д), раздавливание совместно с изгибом (е).

Рисунок 1.1 – Способы дробления

Наиболее дешевым методом дробления является раздавливание, а наиболее дорогим – истирание, связанное с наибольшим расходом энергии. По принципу истирания производится тонкое измельчение. На выбор метода дробления большое влияние оказывают свойства материалов.

Дробление и измельчение могут быть сухими и мокрыми. Обычно крупное, среднее и мелкое дробление осуществляют сухим способом, а измельчение - мокрым.

Выбор способа дробления зависит от физических свойств материала, начальной и конечной крупности его кусков. Твердые и вязкие материалы рациональнее дробить раздавливанием, ударом и истиранием; хрупкие – раскалыванием.

Дробилки бывают щековые (а), конусные (б), молотковые (в), валковые (г) (рисунок 1.2).

В щековой дробилке материал раздавливается качающейся 2 и неподвижной 1 щеками. При этом только один ход подвижной щеки является рабочим, во время ее обратного хода часть дробленого материала успевает выйти из рабочего пространства через нижнюю выпускную щель. Изменением размера щели можно регулировать степень дробления.

Щековые дробилки применяют для дробления крупных кусков руды (i = 3-8). Преимущества – простота, надежность, низкие эксплуатационные затраты. Их недостатками являются сильная вибрация, залипание щек при дроблении влажных и глинистых материалов, необходимость установки специального верхнего питателя, для обеспечения равномерной подачи исходного материала.

В конусной дробление материалов происходит между неподвижным 8 и вращающимся внутренним 9 конусами. Вал конуса 9 входит во вращающийся эксцентрик. Эти дробилки предназначены для среднего и мелкого дробления.

1 – неподвижная щека; 2 – подвижная щека; 3 – вал подвижной щеки; 4 – эксцентриковый вал; 5, 6 – механизм регулировки ширины разгрузочной щели; 7 – станина; 8 – неподвижный конус; 9 – подвижный конус; 10 – траверса; 11 – вал конуса; 12 – приводной вал; 13 – ротор; 14 – отбойные плиты; 15 – колосниковая решетка; 16 – молоток; 17 – основная рама; 18 – дробящие валки.

Рисунок 1.2 – Конструктивные схемы дробилок

В конусной дробилке ось вращения внутреннего конуса не совпадает с геометрической осью неподвижного конуса, т.е. в любой момент дробление происходит в зоне приближения поверхностей внутреннего и наружного конусов. При этом в остальных зонах происходит выдача дробленого продукта через кольцевую щель между конусами непрерывно.

Конусные дробилки применяют для материалов любого типа, они не нуждаются в питателях и могут работать «под завалом», т.е. с рабочим пространством, полностью заполняемым рудой, поступающей из расположенного выше бункера.

В молотковых дробление осуществляется в основном под действием ударов по кускам материала стальными молотками, закрепленными на вращающемся валу (рисунок 1.2, в). Диаметр роторов 370-1700 мм, скорость вращения 580-2800 об/мин, степень дробления i = 8-12, производительность до 300 т/ч.

Валковые дробилки (рисунок 1.2, г) применяют для хрупких, нетвердых материалов (глина, кокс). Материал увлекается вращающимися валками и раздавливается. Степень дробления невысокая: i = 3-4. Иногда устанавливают две пары валков одна над другой, это увеличивает степень дробления до 10-16.

2.2 Измельчение

Измельчение производится, как правило, мокрым способом, если последующее обогащение руды идет в водной среде.

Измельчение происходит за счет свободно падающих дробящих тел в шаровых или стержневых мельница. Измельчение производят в присутствии воды (мокрое), так и без нее (сухое).

При вращении мельницы за счет трения между шарами и ее стенкой шары начнут подниматься в сторону вращения до тех пор, пока угол подъема не превысит угла естественного откоса, после чего они начнут падать вниз, измельчая материал. В зависимости от частоты вращения барабана в мельнице создаются различные режимы измельчения: каскадный режим (а); смешанный режим (б); водопадный (в) (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 – Схема движения мелющих тел в барабане мельницы для различных режимов движения

При критической частоте вращения барабана мелющие тела прижимаются центробежной силой к его внутренней поверхности и вращаются вместе с ним, не отрываясь, она вычисляется по формуле

где D – внутренний диаметр мельницы, м.

Скорость вращения мельниц обычно равна 0,70–0,85 критической. В процессе мокрого измельчения шары при указанных условиях поднимаются в мельнице на достаточную высоту и эффективно дробят руду.

При частоте вращения менее 0,76–0,88 критической, создается водопадный режим измельчения – основная масса мелющих тел поднимается вместе с внутренней поверхностью на некоторую высоту, а затем, отрываясь, свободно падает под действием сил тяжести по траекториям, близким к параболическим. Измельчение рудных зерен в данных условиях происходит преимущественно ударом. Водопадный режим применяется при измельчении более крупного материала (в первой стадии).

При смешанном режиме измельчения одна часть мелющих тел участвует в свободном полете, а другая – перекатывается внутри барабана по замкнутым траекториям, измельчая руду ударом и истиранием. Смешанный скоростной режим применяется при мокром измельчении; скорость вращения составляет 0,6–0,76 от критической.

Каскадный режим наиболее тихоходный, скорость вращения составляет 0,5–0,6 критической, при этом свободный полет мелющих тел исключен, т.к. мелющие тела непрерывно циркулируют внутри барабана, поднимаясь по круговым траекториям на некоторую высоту, затем скатываясь под углом, близким к углу естественного откоса. При каскадном режиме руда измельчается преимущественно истиранием, он является наиболее эффективен для стержневых мельниц, т.к. при водопадном и смешанном режиме свободный полет стержней может привести к их перекосам, неправильной укладке и к образованию «костров».

Мельницы заполняют шарами на 30–50% их объема. Перегрузка и недогрузка мельницы шарами нерациональны: перегрузка ведет к повышенным расходам энергии и шаров, а недогрузка снижает производительность мельниц.

Шаровые мельницы.Основными размерами мельниц являются: внутренний диаметр Dи длина цилиндра L.

Шаровые мельницы с центральной разгрузкой (рисунок 1.4) состоят из сварного стального цилиндрического барабана 1 с приваренными на его концах литыми фланцами и торцовыми крышками 2 и 3. Внутри барабан и торцовые крышки мельницы защищены футеровкой 5 и 6 из износостойкой стали, которую крепят болтами 7. Полые цапфы 8 и 9 также изнутри защищены футеровкой.

Рисунок 1.4 – Шаровая мельница с центральной разгрузкой

Мельницу устанавливают на двух подшипниках 4, которые имеют только нижние вкладыши с баббитовой заливкой.

Привод мельницы осуществляется электродвигателем и редуктором через зубчатую передачу и зубчатый венец 10.

Загрузка материала мельницы производится через улитковый питатель 11 и полую цапфу 8.

Толщина футеровки в зависимости от размеров мельниц составляет от 50 мм до 150 мм. Диафрагма, футеровочные плиты и колосники изготавливаются из износостойкой марганцевой сталей типа 35ГЛ или 45ГЛ.

Стержневые мельницы.Внутри мельница заполнена стальными стержнями, длина которых на 25–30 мм меньше длины барабана.

Торцовые крышки барабана выполняются плоскими либо слегка коническими. При работе мельницы стержни, раздвинутые кусками руды, производят своего рода классификацию материала по крупности: мелкие зерна проваливаются через зазоры между стержнями и не переизмельчаются; более крупные задерживаются на стержнях и подвергаются наиболее интенсивному разрушению. Поэтому в измельченном продукте отсутствуют излишне крупные недоизмельченные куски и сравнительно мало тонкого класса. Стержневые мельницы обычно работают в первой стадии открытого цикла.

3 Описание установок

Схемы лабораторных дробилки и шаровой мельницы представлены на рисунках 1.5 и 1.6. Дробление проводится в соответствии с заданием.

1 – неподвижная щека; 2 – подвижная щека; 3 – ось подвижной щеки; 4 – эксцентриковый вал; 5 – шатун; 6 – механизм изменения ширины разгрузочной щели; 7 – замыкающая пружина; 8 – задняя распорная плита; 9 – передняя распорная плита; 10 – тяга замыкающего устройства, 11 – загрузочный совок; 12 – приемный короб; 13 – опорные стойки.

Рисунок 1.5 – Лабораторная щековая дробилка со сложным качанием щеки для среднего дробления

Таблица 1.1 – Технические характеристики щековой дробилки

Показатель	Величина
Размеры загрузочного отверстия, мм	150×200
Ширина разгрузочной щели, мм: минимальная максимальная
Наибольший размер поступающих кусков (руды), мм
Производительность, м³/час при минимальной разгрузочной щели при максимальной разгрузочной щели	1,5 5,5
Эксцентриситет эксцентрикового вала, мм
Число оборотов эксцентрикового вала в минуту
Мощность электропривода, кВт	2,0
Габаритные размеры, мм: длина ширина высота со столом
Вес с электрооборудованием, кг

1 – барабан; 2 – люк загрузочного окна; 3 – электродвигатель; 4 – редуктор; 5 – ременная передача; 6 – ведомый шкив; 7 – опорный ролик, 8 – станина.

Рисунок 1.6 – Шаровая мельница

Таблица 1.2 – Техническая характеристика шаровой мельницы

Показатель	Величина
Питание установки	напряжение 220 В переменного тока
Потребляемая мощность, кВт
Тип установки	барабанный
Габаритные размеры, мм: длина высота ширина
Крупность дробления, мм	До 0,005
Производительность, кг/час	800-1200
Скорость вращения барабана, об/мин	1-60
Масса, кг

Внутри барабана находятся мелющие шары, диаметром 50 мм, исходный материал загружают через специальное завалочное окно. Пульт управления мельницы укомплектован управляемым трансформатором, что позволяющим изменять в широком диапазоне скорость вращения барабана. Основные технические данные приведены в таблице 1.2.

4 Порядок выполнения работы

На технических весах взвешивается по 10 кг (с точностью до 10 г) исходных материалов с различной твердостью (известняк, железная руда, агломерат, кокс).

Отдельно каждый материал пропускается через дробилку и мельницу, полученные дробленые и измельченные продукты рассеиваются на ситах (с тремя ближними размерами ячеек), каждая фракция взвешивается отдельно.

Определяется время, степень дробления (измельчения). Полученные данные заносятся в таблицы 1.3, 1.4

Таблица 1.3 – Показатели дробления для некоторых материалов

Показатель	Материалы
руда	известняк	агломерат	кокс
Размер, мм: исходный
промежуточный
конечный
Время дробления, мин.
Степень дробления, i =D/d

Таблица 1.4 – Показатели измельчения для некоторых материалов

Показатель	Материалы
руда	известняк	агломерат	кокс
Размер, мм: исходный
промежуточный
конечный
Время измельчения, мин.
Степень измельчения, i =D/d
Удельный расход электроэнергии, Вт/кг

5 Контрольные вопросы

1. Назвать цели дробления и измельчения, в чем их отличия?

2. Основные способы дробления, типы дробилок их преимущества и недостатки?

3. Основные способы измельчения?

4. Типы мельниц их преимущества и недостатки?