Жернова технологий

Научно доказано, что на процессы дробления и измельчения материалов расходуется более 20% всей производимой в мире электроэнергии. Поэтому решение технологических проблем современности сконцентрировано на повышении тонины помола различных видов сырьевых материалов, создании надёжного и многофункционального помольного оборудования, уменьшении удельных затрат энергии при сверхтонком помоле. Следуя по пути совершенствования технологических процессов, учёные пытаются достигнуть высоких показателей однородности и чистоты конечных продуктов.

Сотрут в порошок

Сегодня интерес к получению тонких частиц в процессе переработки ископаемых существенно возрос — размер частиц в результате помола и классификации должен находиться уже в диапазоне субмикрона или микрона. Поэтому перед учёными стояла задача — усовершенствовать работу мельниц, не накапливая в ней и не возвращая готовый тонкий продукт обратно в перерабатывающий агрегат, оптимизируя при этом экономику процесса помола.

В мире зарегистрировано свыше ста тысяч месторождений минералов. И на каждое из них в среднем приходится по 5-10 шаровых мельниц, период замены которых составляет около 8-12 лет. Некоторые учёные заявляют, что на шаровые мельницы приходится до 95% мирового объёма переработки (включая и тонкое измельчение) сырьевых материалов. Остальные же 5% рынка, в основном, для сверхтонкого измельчения, занимают другие типы измельчительного оборудования, такие как струйные, планетарные, вихревые, бисерные мельницы и т. д.

В настоящее время существуют различные способы получения высокодисперсных порошков твёрдых тел. При этом механический способ является наиболее простым и широко распространённым. Для диспергирования минерального сырья находят применение машины, отличающиеся способом воздействия на материал. В одном случае это может быть раздавливание, в другом — удар, истирание или их комбинация.

В сфере сверхтонкого измельчения нашли применения мельницы трёх типов: шаровые (вибромельницы), имеющие низкий КПД и высокий намол шаров; струйные мельницы, нуждающиеся в сжатом воздухе и требующие дорогостоящей системы последующего выделения готового продукта из пылевоздушной среды (фильтры); роторно-вихревые механические мельницы.

Шаровые мельницы

Сегодня основными агрегатами тонкого помола являются шаровые и аналогичные им мельницы. Несмотря на абсолютное лидерство в процессе тонкого измельчения, шаровым мельницам присущи серьёзные недостатки — от 2 до 20% всей потребляемой энергии расходуется непосредственно на измельчение, остальная её часть идёт на преодоление сил трения, образование тепла, звуковых колебаний, вибрации и т. д. В результате проведенных исследований было установлено, что только каждый тысячный удар шара производит работу непосредственно по измельчению. И если грубый помол с получением частиц размерами в сотые доли миллиметра не вызывает серьёзных затруднений, при более тонком помоле коэффициент полезного действия шаровой мельницы снижается настолько, что её дальнейшее использование становится экономически нецелесообразно. Об ограниченности самого способа измельчения, как и реализующего его оборудования можно высказаться словами советского учёного, доктора технических наук Александра Волженского: «…большое уменьшение затрат энергии могут дать лишь те способы, при которых материалы измельчались бы под влиянием прямых разрывающих воздействий на них, а не в результате первоначальных сжимающих сил».

Планетарные мельницы

Удельная производительность планетарных мельниц в 10-30 раз превышает этот показатель для традиционного измельчительного оборудования (например, шаровых мельниц). Благодаря высокой энергонапряжённости планетарные мельницы обеспечивают высокоэффективный помол любого материала независимо от его твёрдости, производя грубые, тонкие и сверхтонкие порошки, удовлетворяющие высоким требованиям чистоты. Этот вид применяют для размола минералов, обогащения руд, извлечения золота и алмазов, смешивания компонентов, производства пигментов, абразивных материалов, стекла, керамики, цемента и строительных материалов, регенерации твердосплавных инструментов, переработки твёрдых отходов и механохимии и механического легирования. Оборудование не требует массивного дорогостоящего фундамента, а эксплуатационные расходы в несколько раз меньше, чем для обычного измельчительного оборудования. Грубый, тонкий и сверхтонкий помолы различных материалов можно осуществлять как мокрым, так и сухим способом, в режимах самоизмельчения и шарового помола. Мельницы могут обеспечиваться классификаторами для разделения по крупности 100, 10, 5 мкм. Благодаря небольшим объёмам рабочих барабанов становится оправданным применение сверхтвёрдых и сверхчистых футеровок и мелющих тел, что позволяет уменьшить намол и обеспечить высокую чистоту производимых порошков. Кстати, в планетарных мельницах непрерывного действия производительность переработки вторичных твёрдых сплавов можно легко довести до уровня 5 000-10 000 т/год с эксплуатационными затратами в 2-3 раза меньшими, чем при существующей технологии.

Роторно-вихревые мельницы

Мельница вихревого типа с роторным побудителем вихревого потока предназначена для сухого измельчения мягких, среднетвёрдых, твёрдых, пластичных и хрупких материалов с твёрдостью по шкале Мооса до 8 включительно и максимально допустимой крупностью зёрен исходного материала 1÷3 мм (на некоторых материалах до 10 мм). С помощью мельницы можно достигать высокой конечной степени измельчения материалов от 1 мкм до 50 нм. Производительность установки зависит от требуемой тонины помола, свойств исходных материалов и допустимых режимов их переработки. Кроме собственно сверхтонкого измельчения вихревая мельница с роторным побудителем может использоваться для проведения твердотельных химических реакций (алкализация порошков); смешивания специальных дисперсных композиций с высокой степенью однородности смеси (в том числе повышение жирности органических порошков); овализации материалов; магнитной сепарации до 10 мкм; нанесение покрытий (капсулирование) на порошки (например, получение гидрофобного мела без расплава стеарина/стеарата); механоактивации материалов и др.

Струйные мельницы

В практике измельчения различных материалов, в том числе и строительного назначения, ранее достаточно широко применялись противоточные струйные мельницы, использующие в качестве энергоносителя, например, сжатый воздух. Они предназначены для тонкого и сверхтонкого измельчения сыпучих и порошкообразных материалов в воздушных или газовых потоках до крупности частиц 5-200 мкм, а также для механохимической активации. В зависимости от функции, выполняемой газоструйным аппаратом, диапазон параметров сред перед ним и на выходе может быть весьма многообразен. Степень повышения давления пассивного потока может меняться от величины, немного превышающей 1 атм (низконапорные аппараты, используемые, например, как струйные вентиляторы), а также достигать значений, близких или даже превышающих 10 атм (высоконапорные аппараты, используемые для поддержания вакуума в замкнутых объёмах). Мельницы такого типа в основном содержат помольную камеру, источник энергоносителя, соосно расположенные и направленные навстречу друг другу эжекторы и разгонные трубки. В настоящее время подобные агрегаты используются крайне редко вследствие их технической несовершенности, что приводит к большим затратам энергии на тонну выпускаемой продукции.

В мельницах открытого цикла материал проходит через рабочее пространство однократно без классификации. Замкнутый цикл предусматривает классификацию материала в спиральных классификаторах, гидроциклонах или воздушных сепараторах, возвращение некондиционного промышленного продукта в мельницах для доизмельчения. Работа мельницы по замкнутому циклу более рациональна, производительна и экономична, так как готовый продукт своевременно удаляется и не переизмельчается.

Мельницы сухого помола с одновременной подсушкой применяются при пылеприготовлении угольного топлива на тепловых электростанциях, неметаллических ископаемых (алунита в алюминиевой промышленности, известняка на агломерационных фабриках, шамота и др.), а также при самоизмельчении различных некрепких материалов. Мокрым способом измельчают большинство полезных ископаемых для их обогащения, а также материалы с высокой естественной влажностью, мягкие и легко диспергируемые водой (мел, известняк, мергель, клинкер, а также горно-химическое сырьё).

Из макро в микро

В мельнице важно произвести как можно больше частиц размером менее 1 кмк в короткий период времени и с эффективными по стоимости энергозатратами. Как правило, измельченные частицы имеют широкое распределение размеров (гистограмму). Особенно это характерно для шаровых мельниц (шаровых, вибро и планетарных). Для достижения сверхтонкого помола необходимо использовать оборудование в периодическом режиме в течение чрезвычайно длительного времени. Но и при таком подходе велика вероятность попадания некондиционных частиц в готовый продукт переработки. Во избежание подобной ситуации потребовалось включение в линию помола классификаторов.

Классификаторы применяют в горной промышленности, преимущественно при обогащении руд чёрных и цветных металлов, углей и прочих подобных ископаемых для обеспечения оптимальной крупности продуктов при последующей обработке, в том числе перед гравитационным обогащением и флотацией, а также для аналитических целей. При этом следует учитывать, что крупность разделяемых частиц обычно от 1 мм до 40 мкм. Материал же крупнее 3 мм (при обогащении угля крупностью до 13 мм) подвергается классификации редко.

Схематично процесс измельчения выглядит так: мельница — классификатор — мельница, что уменьшает и нагрузку на оборудование, и энергопотребление.

В прошлом широко использовались струйные мельницы. Однако в последнее время на рынок стали активно продвигать модернизированные механические роторно-вихревые модели. Они выделились благодаря более эффективному вкачиванию энергии в материал, а также способности предотвращать сверхразмол. Да и по снижению себестоимости размола в составе энергозатрат к стоимости самого оборудования в разы обошли своих соплеменниц.

Сейчас в продвинутых закрытых системах кругооборота есть мельницы со встроенными точными классификаторами, при помощи которых в процессе измельчения способны получить частицы 0,5 мм (при том, что минимальный предел крупности готового продукта, получаемого в таких мельницах, колеблется от 1 до 3 мм). Большие роторно-вихревые мельницы уже сейчас способны размолоть полезные ископаемые до 1 мкм или порядка доли мкм, да еще и с хорошей производительностью, струйные мельницы также по-прежнему используются на многих перерабатывающих предприятиях. Однако их потенциал КПД существенно ниже некоторых соотечественников, так как основная работа идёт на разгон воздуха, а не на движение перемалываемых частиц. А соответственно, раз КПД низкое, то и стоимость энергии размола увеличивается, что весьма неэкономично, тем более при масштабном производстве. К примеру, специалисты (Nisshin и IHI) провели измельчение карбоната кальция с использованием классификатора (оснастили им мельницу) сразу после мельницы, что сверхтонкая составляющая в готовом продукте могла быть улучшена примерно до 5%. Размол металлического порошка типа порошка Никеля — процесс трудоемкий, так как металл достаточно пластичный. Но при использовании всё той же комбинации размола — роликовая мельница + воздушный классификатор — позволил получить готовый продукт переработки (порошок никеля) крупностью 3-5 микрон (средний размер), хотя уже есть оборудование, способное размолоть порошок никеля и до 1,2 микрон. При этом важно учитывать зависимость эффекта классификации качества порошка, используемого для размола. Последний должен быть дезинтегрирован (рассеян) на отдельные частицы, и эта функция в полной мере возложена на мельницу, в которой и происходит рассеивание слипшихся частиц.

Уже экспериментально и теоретически доказано, что физический предел тонины продуктов механического измельчения составляет порядка 1-10 μм и соответствует так называемым кластерам, сверхтонким наночастицам с высокой степенью аморфизации. А точнее, при такой крупности кластеров размывается граница между твёрдым, жидким и газообразным строением вещества. Таким образом, благодаря оборудованию нового поколения возможен переход к масштабному промышленному измельчению частиц до крупности в 1 мкм. И это в 10 раз тоньше достигнутого сегодня уровня — 10 мкм. Такая тонина возможна при условии увеличения скорости рабочего органа мельниц в 4 раза по сравнению с той, которая присутствует у имеющегося сейчас на рынке оборудования (200-250 м/сек), то есть до 800–1000 м/сек.

Важен каждый микрон

В последнее время появились аппараты, которые могут измельчать тонкодисперсные минеральные комплексы до крупности 1-0,2 мкм с тем, чтобы извлекать полезные минералы данной крупности, что в последующем позволяет извлекать ранее недоступные частицы, в том числе методами гидрометаллургии.

Появление на рынке в последние годы промышленных мельниц специального назначения, позволяющих осуществлять измельчение рудных материалов до «микронной» крупности, стало очередным шагом к открытию новых возможностей для применения технологии сверхтонкого помола как метода механического вскрытия дисперсного золота из сульфидов или продуктов их окисления. Кстати, эффект от применения данного технического приёма может быть усилен за счёт протекания при данном способе измельчения различных механохимических процессов, способствующих разрушению кристаллической решетки сульфидов и освобождению связанного с ними дисперсного золота.

На сегодняшний день есть компании, изготавливающие высокотехнологичные мельницы для сверхтонкого помола, способные производить порошки, суспензии, золи, а также стабильные коллоидные растворы и другие высокодисперсные вещества. Одним из самых распространённых материалов, созданных путём сверхтонкого измельчения, является водно-битумная эмульсия, которая широко применяется при проведении дорожно-строительных работ, гидроизоляции сооружений и устройстве кровли. Мельницы сверхтонкого помола активно используются для интенсивного диспергирования исходного вещества как минерального, так и химического происхождения. Такие агрегаты работают с материалами низкой и средней твердости и применяются в химической, фармацевтической, металлургической и строительной отраслях.

Новые высококачественные технологии обеспечивают сверхтонкое измельчение органических и неорганических материалов в нанометровом масштабе. К примеру, бисерные и коллоидные мельницы предназначены для приготовления высокодисперсного вещества в водной среде — сверхтонких суспензий, высокостабильных эмульсий, золей. Если коллоидная мельница производит дисперсные системы через интенсивное взаимодействие вращающегося ротора и фиксированного статора, то процесс измельчения в бисерной мельнице проходит вследствие столкновения и трения бисера с частицами материала.

К мельницам сверхтонкого измельчения можно отнести и аппарат вихревого слоя (АВС). В цилиндрической ёмкости аппарата вихревого слоя (АВС) проходят сложные процессы между ферромагнитными частицами, исходным материалом и жидкостью, движимых вращающимся магнитным полем, тем самым образуя вихревой слой. Преимущества этого устройства в том, что подобное взаимодействие ускоряет измельчение материала, повышая эффективность производства. Также особенностью АВС является его возможное использование и в качестве реактора.

К слову

Когда мы говорим про получение порошков определённой крупности, нужно понимать, что в итоге измельчения получается готовый продукт в виде смеси порошков разной крупности (гистограмма распределения Гаусса). Таким образом, если на том или ином оборудовании получается крупность готового продукта, например, в 1 мкм, то мы должны понимать, что в реальности:
1) средневзвешенная крупность готового продукта будет составлять 0,5 мкм;
2) масса частиц в готовом продукте, имеющих крупность меньше 1 мкм, будет составлять не менее 80% от общей массы;
3) процент крупной фракции (крупнее 1 мкм) будет зависеть от способа измельчения. У мельниц РВМ с их выборочным измельчением в первую очередь крупных частиц, процент недоизмельчённых частиц крупнее 1 мкм будет меньше, чем на мельницах, работающих на принципе раздавливания: шаровые, планетарные и вибромельницы. Аналогичная картина (более сжатая гистограмма) наблюдается и в других мельницах, использующих ударный принцип измельчения: струйных и центробежных мельницах.

Материал опубликован в журнале «Добывающая промышленность» №1 2016

Отраслевые решения

Подпишитесь
на ежемесячный дайджест актуальных тем
для специалистов отрасли.

Исключительно отраслевая тематика. Никакого спама 100%.