Підготовчі процеси призначені для розкриття або відкриття зерен корисних компонентів (мінералів), що входять до складу корисної копалини, і поділу її на класи крупності, що задовольняють технологічні вимоги наступних процесів збагачення. До підготовчих відносять процеси дроблення, подрібнення, грохочення і класифікації.
Дроблення і подрібнення – технологічна операція та процес руйнування і зменшення розмірів грудок мінеральної сировини (корисної копалини) під дією зовнішніх механічних, теплових, електричних сил, направлених на подолання внутрішніх сил зчеплення, що зв’язують між собою частинки твердого тіла.
Дроблення і подрібнення за фізикою процесу не мають між собою принципових відмінностей. Умовно прийнято вважати, що при дробленні одержують продукти крупніші 5 мм, а при подрібненні – дрібніші 5 мм. Розмір максимальних зерен, до якого необхідно роздробити або подрібнити корисну копалину при її підготовці до збагачення, залежить від розміру включень основних компонентів, що входять до складу корисної копалини, і від технічних можливостей обладнання, на якому передбачена наступна переробка дробленого (подрібненого) продукту.
Розкриття зерен корисних компонентів – дроблення або (та) подрібнення зростків до повного вивільнення зерен корисного компонента та одержання механічної суміші зерен корисного компонента і пустої породи.
Дроблення і подрібнення на збагачувальних фабриках використовують для роз'єднання тісно переплетених і зрослих між собою зерен різних мінералів, що містяться в корисній копалині. Чим повніше відбувається розкриття зерен корисної копалини при дробленні і подрібненні, тим більш успішне його наступне збагачення. Крупність дроблення і подрібнення корисних копалин залежить від їхнього мінерального складу, вкраплення корисних мінералів, подальшого методу збагачення і характеру використання продуктів збагачення.
При дробленні і подрібненні будь-яких матеріалів слід дотримуватися принципу «не дробити нічого зайвог о», тому що переподрібнення приводить до зайвої витрати електроенергії, збільшення зносу дробарок і млинів, зменшення їхньої продуктивності і погіршення показників збагачення.
Кількісною характеристикою процесів дроблення і подрібнення служить ступінь дроблення або подрібнення.
Ступенем дроблення (подрібнення) називається відношення розмірів зерна вихідного матеріалу до розмірів зерна дробленого (подрібненого) матеріалу.
У промислових умовах для орієнтовного визначення ступеня дроблення (подрібнення) широко використовується формула:
,
де – ступінь дроблення (подрібнення); – розмір максимального зерна (грудки) у вихідному матеріалі, мм; – розмір максимального зерна в дробленому (подрібненому) матеріалі, мм.
З більшою точністю ступінь дроблення (подрібнення) визначають як відношення середніх діаметрів у продуктах до і після дроблення (подрібнення):
,
де– середній діаметр зерен (грудок) вихідного матеріалу, мм; – середній діаметр зерен дробленого (подрібненого) матеріалу, мм.
На збагачувальних фабриках дроблення і подрібнення корисних копалин звичайно здійснюють за кілька стадій, тому що необхідний ступінь дроблення в одній машині одержати неможливо. Частина загального процесу дроблення або подрібнення, яка здійснена в одній машині, називається стадією дроблення (подрібнення). Ступінь дроблення (подрібнення), що досягається в окремій стадії, називається частковим, а у всіх стадіях – загальним. Загальний ступінь дроблення дорівнює добутку ступенів дроблення (подрібнення) в окремих стадіях:
.
Число стадій дроблення і подрібнення залежить від фізико-механічних властивостей корисної копалини, вкраплення корисного мінералу і крупності, що допускається подальшим процесом збагачення. Машини, у яких здійснюються процеси дроблення і подрібнення, називаються відповідно дробарками і млинами. Ефективність роботи дробарок (млинів) оцінюється кількістю дробленого (подрібненого) продукту на 1 квт·год витраченої електроенергії.
Механічне дроблення виконують в спеціальних машинах – дробарках, в яких дроблення кусків здійснюється способами: розколювання, роздавлювання, удару та їх комбінації.
Вибір способу руйнування корисної копалини, а отже, і типу дробарки або млина, залежить від її дробильності, мінерального складу, тріщинуватості, крупності та інших властивостей, а також від необхідного ґранулометричного складу дробленого продукту.
Процеси дроблення і подрібнення застосовують головним чином для підготовки корисної копалини до подальшого збагачення. Основна мета цих процесів – доведення розмірів грудок корисної копалини до кінцевої крупності, обумовленої вкрапленням корисних мінералів і необхідною повнотою їхнього розкриття.
З міркувань конструктивного характеру, а також унаслідок небажаності переподрібнення, на збагачувальних фабриках застосовуються дробарки, що працюють головним чином роздавлюванням і ударом при додаткових стираючих і згинаючих діяннях на матеріал, що дробиться.
Машини для дроблення і подрібнення, застосовувані на збагачувальних фабриках, за способом руйнування гірських порід і механіко-конструктивними ознаками розділяються на п'ять основних класів: дробарки щокові, конусні, валкові, ударної дії і барабанні млини.
У млинах подрібнюючі деталі (помельні тіла) у процесі роботи стикаються. На відміну від них, між робочими органами дробарок завжди є зазор, заповнений матеріалом, що дробиться.
Щокові дробарки установлюють переважно на збагачувальних фабриках невеликої продуктивності. Вони в порівнянні з конусними дробарками більш пристосовані для дроблення глинистих і вологих руд, займають менше місця по висоті, простіші конструктивно, але менш пристосовані для дроблення матеріалів пластинчастої форми.
Щокові дробарки працюють за принципом роздавлювання і частково згину між двома щоками, з яких одна – нерухома, а інша – рухома. Щокові дробарки розділяються на два кінематичних класи: із простим рухом щоки – ЩДП (рис. 11.1 а) і складним – ЩДС (рис. 11.1 б).
Рис. 11.1. Схеми щокових дробарок: а – з простим рухом щоки, б – зі складним рухом щоки; 1– нерухома щока; 2 – рухома щока; 3 – розпірні плити; 4 – шатун; 5 – вісь; 6 – ексцентриковий вал.
При зближенні щік куски між ними роздавлюються, а при розсуванні вони опускаються нижче і при черговому зближенні знову роздавлюються. Таким чином, куски руди, поступово опускаючись між щоками, подрібнюються, і в нижній частині через розвантажувальну щілину виходить дроблений матеріал, розмір якого залежить від ширини розвантажувальної щілини. В сучасних дробарках ширину цієї щілини приймають в межах 75-200 мм і вона може регулюватися.
Робоча поверхня щік футерується плитами із зносостійкої сталі. Щокові дробарки розрізняють за розміром завантажувальних отворів-щілин, які відповідно до крупності вихідного матеріалу приймають рівними: 600×900, 900×1200, 1200×1500, 1500×2100 мм. Максимальний розмір кусків завантаженого матеріалу повинен бути на 15-20% меншим розміру завантажувальної щілини. Щокові дробарки широко застосовують на практиці для крупного і середнього дроблення.
Конусні дробарки (рис. 11.2) встановлюють на збагачувальних фабриках великої продуктивності. Основне подрібнююче зусилля в конусних дробарках – роздавлювання, але має місце і розлам грудок при вигині, що виникає, коли грудка затиснута між увігнутою поверхнею чаші 1 і опуклою поверхнею рухомого конуса 2. Конусні дробарки за своїм призначенням розділяються на дробарки для крупного дроблення – ККД (рис. 9.2 а), середнього дроблення – КСД (рис. 9.2 б) і дрібного дроблення – КМД (рис. 9.2 в).
Рис. 11.2. Схеми конусних дробарок: а – крупного дроблення; б – середнього дроблення; в – дрібного дроблення; 1 – конічна нерухома чаша; 2 – подрібнюючий конус; 3 – вал; 4 – ексцентриковий стакан; 5 – зона дроблення
Дроблення руди здійснюється в кільцевому зазорі проміж конусами методом роздавлювання. В мірі дроблення пуски руди опускаються вниз до розвантажувальної кільцевої щілини.
У конусних дробарках матеріал дробиться в кільцевому просторі, утвореному нерухомою конічною чашею 1 і розташованим усередині цієї чаші рухомим подрібнюючим конусом 2, закріпленим на ексцентрично встановленому (завдяки стакану 4) валу 3. Принцип дії всіх конусних дробарок однаковий: наближення подрібнюючого конуса до чаші супроводжується дробленням грудок матеріалу, що надходить у дробарку зверху, а видалення – розвантаженням дробленого продукту, що виходить униз, під дробарку.
Ширину завантажувального отвору в різних марках дробарок приймають в межах 500-1500 мм. Технічна продуктивність таких дробарок дорівнює 150-2600 м3/годину. Конусні дробарки більш продуктивні та економічні у порівнянні зі щоковими, тому їх широко застосовують на практиці.
Валкова дробарка являє (рис.11.3) собою два валки, які обертаються назустріч один одному і між них відбувається дроблення кусків. Відповідно до властивостей матеріалу, який дробиться, та необхідної міри дроблення, поверхня валків робиться гладкою, рифленою і зубчатою.
Рис. 11.3. Валкові дробарки: а – з гладкими валками; б – з зубчатими валками; 1 – корпус; 2 – гладкі валки; 3 – зубчаті валки.
Принцип дії дробарок однаковий: вихідний матеріал подається зверху, затягується валками 2 (3), що обертаються назустріч один одному, і при проходженні між ними дробиться.
Діаметр і довжину валків у різних типах дробарок приймають рівними відповідно 200-1200 і 450-1500 мм. Валкові дробарки застосовують на практиці для дроблення головним чином неміцних і крихких порід та руд. Продуктивність дробарок становить від 3 до 150 м3 за годину.
Дробарки ударної дії (молоткові – М і роторні – ДРК і ДРС) використовуються для крупного, середнього і дрібного дроблення матеріалів не тільки низької і середньої, але й підвищеної міцності. До переваг дробарок ударної дії слід віднести простоту конструкції, надійність, компактність, велику продуктивність, високий ступінь дроблення (20 і більше) та порівняно невеликі питомі витрати електроенергії. Тому вони широко застосовуються для дроблення кам’яного вугілля, коксової шихти, вапняку, руд чорних, кольорових, рідкісних і благородних металів, калійних солей, баритових, флюоритових і азбестових руд, будівельних матеріалів.
Дробарки ударної дії (рис. 11.4) виготовляються одно- і двороторними, з колосниковими решітками і без них, з реверсивними і нереверсивними роторами.
Рис. 11.4. Дробарки ударної дії: а – молоткова дробарка; б – роторна дробарка; 1 – корпус; 2 – броньові відбійні плити; 3 – вал; 4 – ротор; 5 – молотки; 6 – колосникова решітка; 7 – било.
Основна відмінність молоткових і роторних дробарок полягає в кріпленні бил – у молоткових дробарок вони закріплені шарнірно, у роторних – жорстко.
У молоткових дробарках (рис. 11.4 а) вихідний матеріал через завантажувальний отвір надходить у робочий простір, обмежений корпусом 1, який є захищеним броньовими плитами 2. Усередині робочого простору на горизонтальному валу 3 обертається ротор 4 з молотками 5, закріпленими шарнірно. Молотки вдаряють по грудках і з силою відкидають їх до стінок корпуса на плити, де грудки додроблюються.
Таким чином, процес дроблення здійснюється в результаті ударів молотків по грудках матеріалу, ударів грудок матеріалу об броньові плити і роздавлювання та стирання матеріалу молотками на колосникових решітках. Дроблений продукт розвантажується через отвори колосникових решіток 6.
Принцип дії роторних дробарок аналогічний принципу дії молоткових дробарок. У роторних дробарках дроблення здійснюється жорстко закріпленими на роторі 4 билами 7. Матеріал завантажується в зону ротора, що обертається з великою швидкістю. Ударами бил грудки руйнуються, і їх частини відкидаються на відбійні броньові плити 2 або колосники, що утворюють камеру дроблення. Ударяючись об футеровку, грудки руйнуються і знову відскакують на ротор. Це повторюється доти, поки грудки, досягши визначеної крупності, не вийдуть із дробарки через вихідну щілину або отвори колосникових решіток.
Руду після дроблення подрібнюють переважно в млинах.
Розрізняють такі млини барабанні (кульові, стержневі, роликові, самоподрібнення), відцентрові, вібраційні (інерційні, гіраційні); маятникові (вихрові, аеробильні, молоткові, пальцеві); струменеві, колоїдні та ін. Окрему групу млинів становлять зтирачі лабораторні (напр., бігуни), у яких подрібнення здійснюється між двома зтираючими поверхнями (дисками, циліндрами), в той час як в інших млинах процес протікає в об’ємі подрібнюваного матеріалу.
Подрібнення корисних копалин на рудозбагачувальних фабриках найчастіше здійснюється в барабанних млинах. Млини іншої конструкції застосовують у спеціальних випадках (наприклад, дезинтегратори – для тонкого помелу мінеральної сировини при хімічному збагаченні, струминні млини – для надтонкого помелу рідкіснометілевих руд тощо).
Конструктивні типи барабанних млинів розрізняються за родом подрібнюючих (молольних) тіл, формою барабана, способом подрібнення і способом розвантаження подрібненого продукту.
Якщо подрібнення мокре, то матеріал захоплюється зливним потоком води, а якщо сухе – повітряним потоком, що виникає при відсмоктування повітря з барабана.
У залежності від форми барабана розрізнюють млини циліндро-конічні і циліндричні. Останні, в свою чергу, бувають трьох типів: короткі, довгі і трубні. Короткі – l<D; довгі – l = (2-3) D; трубні – l >3D.
У залежності від виду подрібнюючого середовища розрізнюють млини кульові, стержневі, галькові, рудногалькові і самоподрібнення. У кульових млинів подрібнююче середовище – сталеві або чавунні кулі діаметром d = 15-125 мм, у стержневих – сталеві стержні (d = 50-120 мм); у галькових – обкатана кремнієва галька або руда; у млинів самоподрібнення – крупні шматки руди, яка подрібнюється.
У залежності від способу розвантаження подрібненого продукту розрізнюють млини з центральним розвантаженням і розвантаженням через периферійні решітки. У перших млинів подрібнений продукт видаляється вільним зливом через порожнисту розвантажувальну цапфу, у інших – через периферійні решітки в розвантажувальному кінці млина.
При обертанні барабана подрібнююче середовище (стержні, кулі, грудки руди або рудна галька) і матеріал, що подрібнюється, завдяки тертю піднімаються на певну висоту, а потім сповзають, скочуються або падають униз. Подрібнення у млині відбувається за рахунок удару падаючого подрібнюючого середовища, роздавлювання і тертя між шарами.
Залежно від частоти обертання барабана млина розрізняють такі швидкісні режими руху молольних тіл: каскадний, водоспадний і змішаний (рис. 11.5).
Частоту обертання барабана млина визначають у частках критичної частоти (nкр), що визначається залежно від діаметра барабана ():
, хв–1.
Критичною називається така частота обертання барабана, при якій подрібнюючі тіла притискаються відцентровою силою до внутрішньої поверхні барабана і обертаються разом з барабаном, не відриваючись.
Каскадний режим (рис. 11.5 а) здійснюється при малій частоті обертання барабана (0,5-0,6 критичної) за допомогою перекочування і перешаровування (перетирання) подрібнюючих тіл без їх польоту. При сталому каскадному режимі подрібнююче середовище повертається на певний кут убік обертання і залишається в такому положенні. Подрібнюючі тіла безупинно циркулюють усередині барабана, вони піднімаються по кругових траєкторіях на певну висоту і потім скочуються «каскадом» рівнобіжними шарами вниз. Подрібнення матеріалу відбувається роздавлюванням і стиранням. Каскадний режим є найбільш сприятливим для стержневих млинів, тому що при водоспадному і змішаному режимі вільний політ стержнів може привести до їх перекосів і аварійної зупинки млина. Для кульових млинів каскадний режим застосовується при сухому подрібненні (при виробництві цементу, підготовці пиловугільного палива та ТЕС і т.п.).
Рис. 11.5. Режими роботи барабанних млинів: а – каскадний; б – водоспадний; в – змішаний.
При водоспадному режимі (рис. 11.5 б) частота обертання барабана складає не менше 0,76–0,88 критичної. У цьому випадку основна маса подрібнюючих тіл піднімається по кругових траєкторіях на велику висоту і падає «водоспадом» по параболічних траєкторіях. Подрібнення руди відбувається головним чином у результаті ударів подрібнюючих тіл і частково стиранням і роздавлюванням. Водоспадний режим застосовується при подрібненні більш крупного матеріалу (у першій стадії).
Змішаний режим (рис. 11.5 в) подрібнення характеризується поступовим переходом від суто каскадного до суто водоспадного режиму. При цьому зовнішня частина подрібнюючих тіл бере участь у вільному польоті, внутрішня – перекочується усередині барабана по замкнутих траєкторіях. Подрібнення здійснюється ударом, роздавлюванням і стиранням. Такий режим спостерігається при проміжних значеннях частоти обертання барабана (0,6 – 0,76 критичної). Змішаний режим має місце при подрібненні руд у кульових млинах.
Тип застосовуваного млина визначається крупністю вихідного матеріалу, необхідним розміром подрібненого продукту, шламоутворенням матеріалу при подрібненні і змочуванністю поверхні зерен після подрібнення сталевим середовищем.
