ВходТеоретические основы дробления и измельчения. Способы и процессы дробления полезных ископаемых Дробления скальных образований данный вид
Процесс дробления
Процесс дробления применяется для доведения минерального сырья (и других материалов) до необходимой крупности, требуемого гранулометрического состава или заданной степени раскрытия зерна. Применяются следующие способы разрушения:
· раздавливание, наступающее после перехода напряжений за предел прочности на сжатие (рис 1, а)
· раскалывание в результате расклинивания последующего разрыва кусков (рис 1, б)
· излом в результате изгиба (рис 1, в)
· срезывание, в котором материал подвергается деформации сдвига (рис 1, г)
· истирание кусков скользящей рабочей поверхностью. (рис 1, д)
· Удар (рис 1, е)
Перечисленные способы дробления являются общими для дробления и измельчения, однако эти процессы отличаются по своему технологическому назначению и месту в цепи последовательных операций обогатительных фабрик (далее ОФ). Условно считают, что при дроблении получают продукты крупнее 5 мм, а при измельчении - мельче 5 мм. Для дробления применяют дробилки, для измельчения - мельницы.
Дробление на ОФ является подготовительной операцией перед обогащением м служит для разъединения тесно сросшихся между собой зерен различных минералов, содержащихся в полезном ископаемом. Чем полнее раскрывается зерно, тем успешнее протекает последующее обогащение полезных ископаемых (далее ПИ).
Полного раскрытия минералов достичь не удается, т.к. для этого пришлось бы очень тонко измельчать руду перед обогащением. Крупность зерен, до которой необходимо дробить исходный материал перед обогащением, определяется размером вкрапленности полезных минералов и процессом, принятым для обогащения данного ископаемого. Переизмельчать минералы не следует, т.к. это удорожает процесс и ухудшает результаты обогащения. Эта крупность устанавливается опытным путем при исследованиях обогатимости ПИ.
Степень дробления
Степень дробления - это отношение размеров максимальных кусков или зерен исходного материала к размеру максимальных куском продукта.
Степень дробления показывает, во сколько раз уменьшился размер кусок при дроблении.
Таким образом, степень дробления вычисляется при отношении размеров предельных отверстий сит, через которые проходят куски дробимого материала и дробленого продукта.
Стадии дробления
В зависимости от крупности исходного материала и дробленого продукта, стадии дробления имеют названия:
· 1 стадия - крупное дробление
· 2 стадия - среднее дробления
· 3 стадия - мелкое дробление
В зависимости от требуемой крупности материала перед обогащением, его можно измельчать в одну, две или даже три последовательные стадии.
Рис.2.
Классификация дробилок
Щековые дробилки
Щековые дробилки разделяются на два основных класса: с простым и сложным движением подвижной щеки. Дробилки с простым движением подвижной щеки различаются между собой способом ее крепления и приводным механизмом. Различают дробилки с верхним подвесом щеки, с нижней шарнирной опорой, с кулачковым приводным механизмом, с кривошипно-шарнирным приводным механизмом. В дробилках со сложным движением подвижной щеки, последняя шарнирно подвешена на эксцентриковом приводном валу. Значительное вертикальное перемещение щек, обусловливающее их истирающее действие на куски материала, приводят к повышенному износу дробящих плит. Поэтому дробилки со сложным движением применяют преимущественно для малоабразивных материалов. Достоинства: их простота конструкции, компактность и небольшая масса.
На рис.4 изображена схема щековой дробилки со сложным движением щеки ЩДС. Станина дробилки сварная. Ее боковые стенки выполнены из стальных листов и соединены между собой передней стенкой 1 коробчатого сечения и задней балкой 2, являющейся одновременного корпусом регулировочного устройства 7. Над приемным отверстием укреплен защитный кожух 3. Подвижная щека 4 закреплена на эксцентриковой части приводного вала 5, в нижней части щеки имеется паз, куда вставляется вкладыш для упора распорной плиты 6. Другим концом распорная плита упирается во вкладыш регулировочного устройства, состоящего из ползуна 13 и двух винтов 14. Замыкающее устройство состоит их тяги 8 и цилиндрической пружины 9. Подвижная щека имеет в нижней части косой выступ, на который устанавливают дробящую футеровочную плиту 10. Неподвижная дробящая плита 11 опирается внизу на выступ передней стенки станины 1, а с боковых сторон зажата футеровочными плитами 12.
Оплодотворение играет чрезвычайно важную роль в развитии, но оно - лишь только первая его ступень. Зигота с ее новым генетическим потенциалом приступает к созданию многоклеточного организма. У всех животных это начинается с процесса, носящего название дробление - серии митотических делений, в результате которых огромный объем цитоплазмы яйца разделяется на многочисленные клетки меньшего размера. Такие клетки, образующиеся в период дробления, называются бластомерами.
Объем зародыша во время дробления не увеличивается. В большинстве других случаев клеточной пролиферации в период между митозами происходит рост клеток; клетка увеличивается в объеме почти вдвое и затем делится. Такой рост приводит к четкому увеличению общего объема клеток при сохранении относительно постоянного отношения объема ядра к объему цитоплазмы. Однако в период дробления зиготы объем цитоплазмы не возрастает: огромная масса цитоплазмы зиготы разделяется на все более мелкие клетки. Такое деление цитоплазмы яйца, не сопровождающееся ростом, осуществляется путем выпадения интерфазного периода роста между делениями.
Дробление - строго координированный процесс, находящийся под генетическим контролем. Видовые особенности процесса дробления у разных животных определяются двумя основными параметрами: количеством и распределением желтка в цитоплазме и цитоплазматическими факторами, которые влияют на ориентацию митотического веретена.
Наибольшие сложности возникают при изучении дробления у млекопитающих. Яйца млекопитающих относятся к числу самых мелких в животном царстве, что делает затруднительной экспериментальную работу с ними. Диаметр зиготы человека составляет, например, всего лишь 100 мкм, и ее объем меньше одной тысячной объема яйца шпорцевой лягушки. Кроме того, по количеству зигот, которые могут быть получены от одной особи, млекопитающие несравнимы с морскими ежами или лягушками. Обычно у самки млекопитающего одновременно овулирует менее 10 яиц. Кроме того, воспроизведение вне организма матери условий, необходимых для нормального дробления эмбрионов создает дополнительные методические сложности. Однако, к сегодняшнему дню процесс дробления у млекопитающих описан достаточно подробно.
Ооцит млекопитающих, высвобождаясь из яичника, попадает в яйцевод. Оплодотворение происходит в ампуле яйцевода - его отделе, расположенном вблизи яичника. В это время мейоз завершается, и приблизительно через сутки начинается первое деление дробления.
Локализация ранних стадий развития в половых путях самки (Тисктапп Вир1езз в/ а1., 1972; по Гилберт С., 1993):
1 - ранняя стадия имплантации; 2 - бластоциста; 3 - матка; 4 - морула; 5 - двухклеточная стадия; 6 - яйцевод; 7 - первое деление дробления; 8 - оплодотворение; 9 - яичник.
Деления дробления у млекопитающих относятся к числу самых медленных, встречающихся в животном царстве. Каждое из них продолжается от 12 до 24 часов. Тем временем дробящййся зародыш передвигается по яйцеводу по направлению к матке. Первые деления дробления происходят во время перемещения яйца по яйцеводу (рис. 17).
Первая особенность дробления млекопитающих заключается в относительно медленном темпе делений. Второе важное отличие состоит в своеобразном расположении бластомеров относительно друг друга. Первое деление представляет собой нормальное меридиональное деление, т. е. плоскость деления проходит через полюса зиготы. Однако при втором делении один из двух бластомеров делится также меридионально, а второй - экваториально. Такой тип дробления называется чередующимся (рис. 18).
Третьим важным отличием дробления у млекопитающих является выраженная асинхронность раннего дробления. Бластомеры у млекопитающих не делятся все одновременно, поэтому у зародышей не происходит равномерного нарастания числа бластомеров от 2-клеточной к 4- и 8-клеточной стадиям; зародыши часто содержат нечетное число клеток.
Поскольку яйцеклетки млекопитающих относятся к изо- лецитальному типу, т. е. содержат минимальное количество равномерно распределенного в цитоплазме желтка, для млекопитающих характерно так называемое полное, или голоб- ластическое дробление. Это означает, что борозды дробления проходят через все яйцо. Таким образом, дробление млекопитающих является полным чередующимся асинхронным.
Схема чередующегося дробления млекопитающих (Gulyas, 1975; по Гилберт С., 1993)
Еще одно важное отличие дробления у млекопитающих от всех других типов дробления заключается в явлении компактизации. Бластомеры млекопитающих на 8-клеточной стадии располагаются рыхло, между ними остаются большие пространства. Однако после третьего деления дробления поведение бластомеров резко изменяется. Они внезапно сближаются, площадь контакта между ними максимально увеличивается, и они образуют компактный клеточный шар. Эта тесная упаковка стабилизируется плотными контактами, которые образуются между клетками, расположенными на поверхности шара, и изолируют лежащие внутри клетки. Между клетками внутри шара возникают щелевые контакты, которые позволяют малым молекулам и ионам переходить из клетки в клетку.
Сегодня имеется много данных о том, что компактизация связана с явлениями, происходящими на клеточных поверхностях соседних бластомеров. Во-первых, до компактизации у каждого из восьми бластомеров наблюдаются далеко идущие изменения плазматической мембраны, известные под названием поляризации. Во-вторых, в процессе компактизации участвуют специфические белки клеточной поверхности. Одним таким белком является увоморулин - гликопротеин с молекулярной массой 120 000 дальтон. Антитела к молекуле увоморулина вызывают декомпактизацию морулы и подавляют прикрепление клеток друг к другу. В-третьих, плазматическая мембрана при компактизации может также изменяться вследствие реорганизации цитоскелета. На соседних клеточных поверхностях в результате образования актиновых микрофиламентов возникают микроворсинки, прикрепляющие клетки друг к другу. Именно на ворсинках функционирует увоморулин как медиатор межклеточной адгезии. Уплощение поверхностей соседних бластомеров в месте их контакта может вызываться укорочением микроворсинок путем деполимеризации актина.
Основные стадии доимплантационного развития млекопитающих (по Гилберт С., 1993):
Клетки компактизованного зародыша делятся и образуют 16-клеточную морулу (рис. 19). Такая морула состоит из небольшого числа внутренних клеток, окруженных более многочисленными наружными клетками. Большая часть потомков наружных клеток становится клетками трофобласта (или трофэктодермы). Эта группа клеток не образует эмбриональных структур, а превращается в хорион , участвующий в образовании плаценты. Сам зародыш формируется потомками внутренних клеток 16-клеточного зародыша. Эти клетки образуют внутреннюю клеточную массу (ВКМ), которая и дает начало зародышу. Клетки ВКМ отличаются от клеток трофобласта не только по своему виду, но и по спектру белков, которые они синтезируют на этой ранней стадии. К стадии 64 клеток внутренняя клеточная масса и клетки трофобласта превращаются в полностью сформированные клеточные слои, ни один из которых не поставляет клеток другой группе. Таким образом, возникновение различий между бластомерами трофобласта и внутренней клеточной массы является первым процессом дифференцировки в развитии млекопитающих.
I - компактизация; II - кавитация, а - ранняя 8-клеточная стадия; б - компактный 8-клеточный зародыш; в - морула (поперечный разрез); г - бластоциста. 1 - плотные контакты; 2 - внутренняя клетка; 3 - наружная клетка; 4 - щелевые контакты; 5 - клетка трофобласта; 6 - внутренняя клеточная масса; 7 - полость бластоцисты.
Многочисленные эксперименты показали, что судьба клетки зависит от ее пространственного положения в составе морулы. Если любой бластомер 4-клеточного зародыша мыши поместить на наружную поверхность рыхлой массы бластомеров другого зародыша, то из пересаженной клетки разовьется ткань трофобласта.
Если большинство клеток бластоцисты дает начало тро- фобласту, то сколько же клеток фактически образует зародыш? Один из путей для получения ответа на этот вопрос заключается в создании аллофенных мышей. Аллофенные мыши являются результатом развития химерных зародышей, полученных путем слияния двух зародышей на ранних стадиях дробления (обычно 4- или 8-клеточных). У двух генетически различающихся зародышей удаляют прозрачную оболочку, и зародышей приводят в контакт для их слияния и образования единой бластоцисты. Полученные бластоцисты имплантируют в матку самки-реципиента. Рождающиеся мышата содержат клетки, которые произошли от обоих зародышей. Это хорошо видно, если используемые линии мышей различаются по окраске шерсти. Когда агрегируются бластомеры белых и черных мышей, то обычно развивается мышь с черными и белыми полосами. На основании изучения рождающихся аллофенных мышат был сделан вывод, что абсолютное число бластомеров, образующих зародыш, может быть равно 3 или ненамного превышать эту величину.
Первоначально морула не имеет внутренней полости. Однако в процессе так называемой кавитации клетки трофобласта секретируют в морулу жидкость, что приводит к образованию полости бластоцисты. Внутренняя клеточная масса располагается на одной стороне полого шара, образованного клетками трофобласта. Такая структура называется бластоцистой , и ее образование является еще одной отличительной особенностью дробления млекопитающих.
Пока зародыш перемещается по яйцеводу к матке, бластоциста увеличивается в объеме. В плазматических мембранах клеток трофэктодермы имеется натриевый насос (Ма + /К + -АТФаза), который переносит ионы натрия в центральную полость. Такое накопление ионов натрия вызывает поступление в полость воды осмотическим путем, в результате чего размеры полости бластоцисты увеличиваются. В период перемещения зародыша прозрачная оболочка предотвращает прилипание бластоцисты к стенкам яйцевода. Если у человека происходит такое прилипание, наблюдается «трубная беременность». Это крайне опасное явление, поскольку имплантация зародыша в яйцевод может вызвать угрожающее жизни кровотечение. Однако, когда зародыш достигает матки, он должен освободиться от прозрачной оболочки, чтобы прикрепиться к стенке матки.
Бластоциста мыши освобождается от оболочки путем лизиса в ней небольшого отверстия, через которое она выдавливается при увеличении своего объема. Гистологические данные свидетельствуют о том, что одна из клеток тро- фобластической стенки образует вырост, который приходит в контакт с прозрачной оболочкой. На плазматической мембране этого выроста локализована трипсиноподобная протеаза стрипсин, которая лизирует отверстие в фибриллярном матриксе оболочки. Освободившись от оболочки, бластоциста может вступить в непосредственный контакт с маткой. Здесь трофобласт будет секретировать другую трипсиноподобную протеазу, активатор плазминогена. Этот расщепляющий белок фермент необходим для разрушения ткани матки, чтобы бластоциста могла погрузиться в ее стенку.
ТЕМА 5 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
1. Способы разрушения горных пород при дроблении и измельчении.
2. Свойства горных пород, имеющие значение при разрушении.
3. Стадии дробления. Степень дробления.
4. Гипотезы дробления и измельчения.
Процессы дробления и измельчения применяются для доведения материала до необходимой крупности, гранулометрического состава или заданной степени раскрытия минералов, т. е. для получения свободных минеральных зерен. При этом куски горных пород разрушаются внешними силами. Разрушение – это процесс зарождения и роста трещин и пор. Происходит по ослабленным сечениям, имеющим трещиноватости или другие дефекты структуры. Разрушение наступает после перехода за предел прочности нормальных и касательных напряжений, возникающих в материале при его упругих деформациях: сжатии, растяжении, изгибе или сдвиге. Предел прочности – предельное значение напряжения, выше которого образец разрушается практически мгновенно, а ниже – живет неограниченно долго .
Различные способы дробления и измельчения отличаются видом основной необратимой деформации, вызвавшей разрушение. В соответствии с этим способы разрушения делятся на (рис. 2.1):
1) раздавливание – наступает после перехода напряжений за предел прочности на сжатие;
2) раскалывание – после перехода напряжений за предел прочности на растяжение;
3) излом - после перехода напряжений за предел прочности на изгиб;
4) срезывание - после перехода напряжений за предел прочности на сдвиг;
5) истирание - после перехода напряжений во внешних слоях кусков за предел прочности на сдвиг;
6) удар – воздействие динамических нагрузок на материал, деформации возникают те же: сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг.
|
Срезывание Истирание Удар |
Рисунок 2.1 – Способы разрушения материалов
Эти способы разрушения являются общими и для операций дробления, и для операций измельчения, однако эти процессы различаются по своему технологическому назначению. Принято считать дроблением такой процесс разрушения, в результате которого большая часть продукта имеет крупность выше 5 мм. При измельчении получают продукт мельче 5 мм. Размер 5 мм принят условно.
Все машины, применяемые для разрушения кусков горных пород делятся по технологическому назначению на дробилки и мельницы. Отличительными особенностями этих типов машин являются:
Дробилки – 1) между дробящими телами всегда есть зазор, который свободен на холостом ходу и заполнен материалом на рабочем ходу; 2) выдают в основном кусковой продукт с преобладанием крупных фракций.
Мельницы – 1) измельчающие детали соприкасаются на холостом ходу, а на рабочем – разделены слоем материала; 2) выдают порошкообразный продукт с преобладанием мелких фракций.
В различных конструкциях машин могут использоваться сразу несколько способов разрушения, но преобладающим является один из них:
Раздавливание – в щековых, валковых и конусных дробилках;
Раскалывание – в зубчатых и игольчатых дробилках;
Удар – в молотковых дробилках и дезынтеграторах;
Истирание – в мельницах.
Для процессов разрушения наиболее важны прочность (крепость), дробимость, измельчаемость и абразивность горных пород. Прочность – способность твердого тела сопротивляться разрушению от действия внешних сил. Характеризуется предельными напряжениями, которые могут быть созданы в опасном сечении тела.
С точки зрения физико-механических свойств пород наиболее выгодно разрушать их растяжением. Но по конструктивным соображениям в основном используется раздавливание. Поэтому для сравнения прочностных свойств пород используют напряжение на сжатие или коэффициент крепости, разработанный проф. Протодьяконовым М. М. По шкале Протодьяконова все породы делятся на 10 категорий с коэффициентами крепости от 0.3 для самых слабых до 20 для наиболее прочных пород.
Дробимость – это обобщающий параметр для многих механических свойств пород и выражает энергоемкость процесса дробления.
Измельчаемость оценивают по удельной производительности мельницы по вновь образованному расчетному классу.
Абразивность оценивают по износу материала рабочих поверхностей машин в процессе дробления (измельчения) при трении.
Оценка результатов дробления (измельчения) производится по степени дробления (измельчения) и эффективности работы машин. Степень дробления – отношение размеров кусков исходного материала к размеру кусков продукта дробления.
I = D / d, (2.1)
Где i – степень дробления, D, d – средний или максимальный размер куска в питании и дробленом продукте, соответственно.
Нет таких дробильных машин, которые могли бы принимать исходную руду и выдавать конечный продукт. Поэтому применяют несколько приемов (стадий) дробления (см. схему). В зависимости от крупности исходного и дробленого материала различают следующие стадии дробления и измельчения, показатели для которых приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1 – Стадии дробления и измельчения
При дроблении (измельчении) в несколько последовательных стадий общая степень дробления (измельчения) определяется как произведение всех степеней дробления в отдельных стадиях:
I = i 1 i 2 i 3 i n. (2.2)
Дробилки (мельницы) могут работать в открытом или замкнутом цикле. При открытом цикле материал проходит дробилку один раз, при замкнутом - надрешетный продукт грохота непрерывно возвращается в дробилку на додрабливание, образуя циркулирующую нагрузку. В случае мельниц – пески (крупный продукт) гидроциклона или классификатора возвращаются на доизмельчение. Замкнутые циклы обеспечивают более высокую степень дробления (измельчения) по сравнению с открытыми.
Если продукт дробления представляет собой свободные зерна полезного минерала, то дальнейшее дробление не имеет смысла, т. к. будет только приводить к переизмельчению материала. Процесс является энергоемким, поэтому проф. Г. О. Чечет сформулировал принцип НЕ ДРОБИТЬ НИЧЕГО ЛИШНЕГО. При разрушении происходит преодоление сил сцепления между частицами и образование новой поверхности. Энергия, потребляемая при дроблении (измельчении) расходуется на: 1) упругую деформацию разрушаемых зерен, т. е. рассеивается в окружающее пространство в виде тепла; 2) образование новой поверхности, т. е. превращается в свободную поверхностную энергию измельченных зерен. При измельчении расход полезной энергии – на образование новой поверхности – составляет около 1% общего ее расхода.
Пусть разрушается зерно в виде куба с размером d, представленное на рис. 2.2.
 |
Рисунок 2.2 – Изменение суммарной поверхности зерен при дроблении
Тогда поверхность частиц будет:
До дробления: S 1 = 6 d 2 1Кубик. (2.3)
После дробления: S 2 = 6 (d / 2) 2 8Кубиков = 6 d 2 2; (2.4)
S 3 = 6 (d / 3) 2 27 = 6 d 2 3; (2.5)
………………….. ; (2.6)
S n = 6 d 2 n. (2.7)
Здесь n – количество частиц.
Таким образом, при уменьшении размеров кусков руды происходит увеличение общей поверхности частиц.
Для оценки порошкообразных материалов используется понятие удельной поверхности, т. е. поверхности, приходящейся на единицу веса материала. В данном случае:
S yд = 6 d 2 / d 3 δ = 6 /d δ . (2.8)
Обозначим 6 / δ = К. Для частиц малого размера К = соnst.
При дроблении Q весовых единиц материала со средним размером кусков D получим столько же весовых единиц материала со средним размером d. Поверхность материала до дробления:
S 1 yд = K Q / D. (2.9)
После дробления:
S 2 yд = K Q / d. (2.10)
Вновь образованная при дроблении поверхность будет:
ΔS = S 2 – S 1 = K Q / d – K Q / D = K (1 / d – 1 / D) Q (2.11)
Известно несколько гипотез энергетической оценки процессов дробления и измельчения. Одна из них – гипотеза Риттингера (1867г): Расход энергии на дробление пропорционален величине вновь образованной поверхности. В математическом выражении имеет вид:
E = K 0 ΔS = K 0 К (1 / d – 1 / D) Q. (2.12)
Здесь E – расход энергии, K 0 – коэффициент пропорциональности, по физическому смыслу представляет собой расход энергии на образование одной квадратной единицы новой поверхности.
Обозначим: Ko K = K1 . (2.13)
Тогда E = K1 (1/d – 1/D) Q. (2.14)
Умножим и разделим правую часть уравнения (2.14) на D, получим
E = K1 (1/d – 1/D) Q D/ D = K1 (D /d – D /D) Q / D = K1 (i – 1) Q / D. (2.15)
Таким образом, по Риттингеру расход энергии на дробление одной весовой единицы материала пропорционален степени дробления i минус единица.
По гипотезе Кирпичева (1874г.) и Кика (1885г.) энергия, необходимая для дробления и измельчения материала пропорциональна его весу (или объему):
E1 = K0 Q. (2.16)
Из выражения (2.16) следует, что затрачиваемая энергия не зависит от крупности материала. Коэффициент Ко выражает расход энергии на единицу веса при данной степени измельчения. Можно выбрать схему с одинаковыми степенями дробления в каждой стадии:
I 1 = i 2 = i 3 = …..= i n. (2.17)
Тогда с учетом (2.17) общая степень дробления составит:
Где n – число стадий дробления.
При этом энергии дробления в каждой стадии будут равны между собой:
E 1 = E 2 = E 3 . (2.19)
С учетом выражений (2.16) и (2.19) общая энергия дробления по всей схеме будет:
E = K0 Q n. (2.20)
Для исключения степени в выражении (2.18) выполним его логарифмирование и выразим n:
Lg I = n lg i, (2.21)
N = lg I / lg i (2.22)
Подставим соотношение (2.22) в формулу (2.20) и получим:
E = K0 Q lg I / lg i. (2.23)
Для одного и того же материала и при одной и той же степени дробления в каждой стадии величины К0 и i будут постоянными, поэтому можно обозначить
K2 = K0 / lg I, (2.24)
Тогда энергия дробления (измельчения) определится с учетом соотношения (2.23) как:
E = K2 Q lg I, (2.25)
Математическое выражение для степени дробления (2.1) можно представить в виде
D / d = (1/d) / (1/D). (2.26)
Lg I = lg [ (1/d) / (1 / D)] = lg (1 / d) – lg (1 / D). (2.27)
С учетом соотношений (2.25) и (2.27) выражение для энергии дробления будет иметь вид:
E = K2 [ lg (1 / d) – lg (1 / D) ] Q. (2.28)
Формула (2.28) представляет собой математическое выражение гипотезы Кика-Кирпичева аналогично выражению гипотезы Риттингера. По Риттингеру расход энергии пропорционален поверхности, по Кику-Кирпичеву – объему. Соответственно эти законы носят название поверхностного и объемного законов дробления (измельчения). Данные экспериментов и промышленной практики показали, что эти законы справедливы лишь в определенных диапазонах крупности. Гипотеза Риттингера хорошо согласуется с практикой при тонком измельчении, а гипотеза Кика-Кирпичева – при крупном дроблении.
Академик Ребиндер (1941г.) предложил гипотезу, охватывающую любой случай разрушения полезных ископаемых, математическое выражение которой имеет вид:
A = σ ΔS + K ΔV. (2.29)
Здесь A – работа, затрачиваемая на разрушение твердого тела, σ – поверхностная энергия на единицу твердой поверхности (σ - избыток свободной энергии в пограничном слое), ΔS – поверхность, вновь образуемая при разрушении, ΔV – часть объема тела, подвергшаяся деформации, K – работа упругой и пластической деформации, приходящаяся на единицу объема.
При крупном дроблении больших кусков руды K ΔV >> σ ΔS, т. к. приращение поверхности незначительно, и работа будет в основном пропорциональна объему (гипотеза Кирпичева):
AK ≈ K ΔV = КK D 3. (2.30)
При разрушении мелких кусков руды (измельчение) σ ΔS >> K ΔV, т. к. приращение поверхности значительно. При этом работа почти пропорциональна величине новой образованной поверхности (гипотеза Риттингера):
AR ≈ σ ΔS = KR D 2. (2.31)
Гипотеза Ребиндера связывает процесс разрушения с физико-механическими свойствами пород и минералов (поверхностная энергия, твердость).
Разделим обе части уравнения (2.29) на ΔS и получим:
A / ΔS = σ ΔS / ΔS + K ΔV / ΔS, (2.32)
A / ΔS = σ + K ΔV / ΔS. (2.33)
Обозначим в выражении (2.33):
σ + K ΔV / ΔS = H s . (2.34)
Тогда с учетом соотношений (2.33) и (2.34) получим:
H s = A / ΔS. (2.35)
Величину H s надо рассматривать как коэффициент твердости, равный работе образования единицы новой поверхности. Вместе с тем величина H s связана с поверхностной энергией соотношением (2.34). Таким образом, чем больше поверхностная энергия твердого тела, тем больше его твердость, а, следовательно, и больше работа, которую надо затратить на разрушение – образование новой поверхности.
Гипотеза Ребиндера пригодна для любого диапазона крупности, т. к. она сводится к закону Риттингера или Кирпичева при определенных значениях крупности. Эта гипотеза учитывает оба вида энергии – поверхностную и потенциальную энергию деформации в объеме дробимого тела.
Американский ученый Бонд (1950г.) предложил гипотезу, промежуточную по отношению к законам Риттингера и Кирпичева:
По гипотезе Бонда элементарная работа пропорциональна приращению параметра, являющегося среднегеометрическим между объемом и поверхностью:
Практика показывает определенную связь между индексом работы по Бонду и коэффициентом крепости пород по Протодьяконову.
Цель: Изучение процессов и способов дробления полезных ископаемых.
План:
1.
Назначение операций дробления.
2.
Законы дробления.
Ключевые слова: дробление, качество дробления, мягкие руды, средние, твердые руды, методы разрушения, раскалывание, излом, удар, истирание, срезывание, крупное, среднее, мелкое дробление, степень дробления, работа дробления, уравнение Риттингера.
1. Дробление и измельчение – процессы разрушения полезных ископаемых под действием внешних сил до заданной крупности, требуемого гранулометрического состава или необходимой степени раскрытия минералов. При дроблении и измельчении не следует допускать переизмельчения материала, так как это ухудшает результаты обогащения полезных ископаемых (тонкие частицы крупностью менее 20 – 10 мкм обогащаются неудовлетворительно) и удорожает процесс. Дробление -
.
Производительность труда рабочего при ручном дроблении колеблется в широких пределах. При дроблении, твердой породы она составляет в смену 1,0- 1,5. При дроблении отдельных кусков па колосниковых решетках с отверстиями размеров 450х360 мм бригада в 10-12 рабочих может обеспечить подачу на фабрику до 400 т руды в смену.
Механическое дробление и измельчение
Основным способом дробления является механическое дробление, при котором к материалу прилагаются усилия за счет энергии движения дробящего тела. Расход энергии колеблется к весьма широких пределах в зависимости от свойств руды, главным образом от крупности дробления. Он становится особенно большим при тонком и сверхтонком измельчении.
Дезинтеграция в водной среде
Особой разновидностью дроблении является дезинтеграция- разрыхление в виде слабоцементированных пород, главным образом глинистых. Она ведется для высвобождения зерен минералов, входящих в состав породы, без их дробления. Преодолеваемые в процессе дезинтеграции силы значительно меньше, чем силы молекулярного сцепления и твердых породах. Присутствие небольших количеств влаги резко повышает прочность глинистые пород. При насыщении же породы водой связь между отдельными зернами уменьшается в результате набухания глины и ослабления ее цементирующего действия, что в конечном счете приводит к полному разрыхлению породы. Степень пластичности глины оказывает большое влияние на скорость разрушения пород, определяя различную их "промывистость".
Мокрая дезинтеграция обычно усиливается и ускоряется дополнительным механическим воздействием - протиркой, ударом, динамическим ударом водной струп и т. д.
Процессы дробления и измельчения могут быть подготовительными процессами (например на обогатительных фабриках перед обогащением полезного ископаемого) или иметь самостоятельное значение (дробильно –сортировочные фабрики, дробление и измельчение угля перед коксованием, перед пылевидным его сжиганием и т.д.).
При дроблении материала необходимо учитывать его прочность, т.е. способность оказывать сопротивление разрушению под; внешним воздействием. По прочности все полезные ископаемые делятся на четыре категории в зависимости от предела прочности при > сжатии или раздавливании:
Мягкие (уголь, сланец), у которых разрушающее напряжение на сжатие < 100 кг/см 2 ;
Средней твердости (песчаники, известняки) 100...500 кг/см 2 ;
Твердые (гранит, мрамор) 500...1000 кг/см 2 ;
Весьма твердые (руды цветных и редких металлов) > 1000 кг/см 2 .
Прочность полезных ископаемых зависит от вида деформации, минералогического состава, размера кристаллов, трещиноватости, пористости, выветренности. Под способом дробления понимается вид воздействия разрушающей силы на куски дробимого материала.
При дроблении и измельчении применяют следующие способы разрушения (см. рис. 10): раздавливание (а), раскалывание (б), излом (в), срезывание (г), истирание (д) и удар (е). Тот или иной способ разрушения выбирается в зависимости от физико-механических свойств, дробимого материала и крупности его кусков.
Рис.10. Способы разрушения кусков руды:
а - раздавливание; б - раскалывание; в - излом; г - срезывание;
д - истирание; е – удар
Раздавливание, наступающее после перехода напряжении запредел прочности на сжатие; применяется для твердой руды различной крупности;
- раскалывание в результате расклинивания (при этом в материале появляются напряжения от растяжения) и последующего разрыва кусков; применяется для мягких и хрупких руд;
- излом в результате изгиба и срезывание; применяются для материалов различной крупности и прочности;
- истирание кусков скользящей рабочей поверхностью машины, при котором внешние слои куска подвергаются деформации сдвига и постепенно срезаются вследствие перехода касательных;
- напряжений за пределы прочности: применяется для мягких руд и руд средней твердости;
- удар применяется для материала любой крупности, особенно часто - для хрупких руд (бокситов, известняка).
Основное правило «не дробить ничего лишнего» на практике осуществляется путем стадиального построения схем дробления: не за одну операцию, а в несколько стадий, многократно, последовательно уменьшать размеры куска. Раздробить куски руды в одну стадию невозможно в силу конструктивных особенностей дробильных аппаратов, которые эффективно работают только при ограниченных степенях дробления. Поэтому рациональнее дробить и измельчать материал от исходной крупности до требуемого размера в нескольких последовательно работающих дробильных и измельчающих аппаратах. В каждом из таких аппаратов осуществляется лишь часть общего процесса, дробления или измельчения, называемая стадией дробления или измельчения.
Степень дробления (или измельчения) показывает степень сокращения крупности в процессе разрушения кускового материала. Она характеризуется отношением размеров максимальных кусков в дробимом и дробленном материале или, что более точнее, отношением средних диаметров до и после дробления, подсчитанных с учетом характеристик крупности материала,
max / d max;
i=D ср /d ср,
где i – степень дробления; D max и D ср – соответственно максимальный и средний размеры дробимого материала; d max и d ср – соответственно максимальный и средний размеры дробленого материала.
Степень дробления, достигаемая в каждой отдельной стадии, называется частной. Общая степень дробления получается как произведение частных степеней
i общ = i 1 i 2 ,…,i n .
Число стадий дробления определяется начальной и конечной крупностью дробимого материала. Число стадий дробления при подготовке руд к измельчению обычно бывает равным двум или трем. Одно- или четырехстадийное дробление применяется при переработке калийных солей, на железорудных дробильно-сортировочных фабриках, четырехстадийное – на крупных магнитно-обогатительных фабриках мощностью 40 - 60 тыс. т/сут, перерабатывающих крепкие магнетитовые руды плитняковой формы.
2.
Чем прочнее и тверже полезное ископаемое, тем больше усилие необходимо приложить для того, чтобы преодолеть внутренние силы сцепления частиц руды и раздробить его на части. Силы сцепления между кристаллами значительно меньше сил сцепления внутри кристаллов. При приложении внешних сил разрушение происходит преимущественно по ослабленным сечениям, имеющим различные дефекты структуры (трещины).
Коэффициент полезного действия дробления очень мал. Большая часть энергии затрачивается на трение между кусками дробимого материала, частями машины и расходуется в виде выделяемого тепла. Полезная работа при дроблении расходуется на образование новых обнаженных поверхностей и пропорциональна величину этой поверхности.
Законы дробления (измельчения) характеризуют зависимость работы, затрачиваемой на дробление (измельчение), от результатов дробления (измельчения), т.е. крупности продукта.
Работа А (Дж), затрачиваемая на дробление (измельчение), пропорциональна вновь образованной поверхности кусков (частиц) дробленного продукта
где - временное сопротивление сжатию Н. м/м 2 ;
Площадь вновь образованной поверхности, м 2 ;
К R – коэффициент пропорциональности, Н. м/м 2 ;
D – характерный размер куска, м.
Уравнение соответствует гипотезе Риттингера (1867 г.).
Если при разрушении куска кубической формы энергия затрачивается в основном на деформацию объема, то в этом случае производимая работа прямо пропорциональна изменению его первоначального объема и определяется по формуле – Кика
А = = K k D 3 ,
где: К и К к – коэффициенты пропорциональности, Н. м/м 3 ;
V – деформированный объем, м 3 ;
П.А. Ребиндер (1941 г.) объединил обе гипотезы и в этом случае полная работа дробления
А = K R D 2 + K k D 3 .
По гипотезе Бонда (1950 г.) полная работа дробления пропорциональна среднему геометрическому между объемом и площадью поверхности куска:
А = К В = К В D 2,5
Все формулы различаются коэффициентами пропорциональности и показателями степени диаметра дробимого куска. По обобщающей гипотезе работу дробления можно представить в виде
где, К – коэффициент пропорциональности в общем виде; m = 2 3.
Когда степень дробления велика (мелкое дробление, измельчение), можно пренебречь работой деформации объема и в этом случае применяют закон Риттингера. Когда степень дробления мала (крупное дробление), можно пренебречь работой образования новых поверхностей и тогда подходит закон Кирпичева – Кика. Формула П.А. Ребиндера имеет универсальное значение. Закон Бонда занимает промежуточное положение.
В связи с крайним разнообразием физических свойств горных пород, а также с необходимостью дробить исходное сырье и получать продукты различной крупности создано очень много конструкций дробильных машин. В настоящее время стремятся строить не универсальные дробильные машины, а специализированные, дающие возможность достичь наилучших результатов п каждой отдельной операции.
Дробильные машины должны удовлетворять следующим требованиям:
Конструкция и размеры машины должны соответствовать размерам кусков и свойствам обрабатываемого материала, назначению данной операции и заданной производительности.
Разгрузка дробленого материала должна производиться непрерывно. Периодическая разгрузка снижает экономичности дробления.
Дробление должно осуществляться равномерно и с минимальным пылеобразованием. Степень дробления должна регулироваться достаточно просто.
Расход энергии должен быть, возможно меньшим.
Обслуживание должно быть просто и безопасно, смена изнашиваемых частей - легка.
Наиболее ценные детали дробилки должны быть предохранены от поломки дешевыми предохранительными устройствами.
Основы теории дробильных машин были созданы проф. Л. Бевенсоном и 3. Б. Канторовичем. Исследованию условий работы отдельных дробильных машин были посвящены работы многих других советских ученых и инженеров, приведшие к выявлению оптимальных условий работы дробильно-измельчительных машин и создание новых конструкций.
Выводы:
Дробление - это процесс уменьшения размеров кусков руды путем разрушения их под действием внешних сил, преодолевающих силы внутреннего сцепления кристаллов твердого вещества. Условно считают, что при дроблении получают продукты крупностью до 5мм. Для дробления применяют дробилки различных конструкций. Дробление производится как сухим способом (основным), так и мокрым (для глинистых руд).
Иногда дробление полезных ископаемых производится вручную. Однако это трудоемкая и дорогая операция, и поэтому она целесообразна лишь в некоторых особых случаях, а именно:
а) при наличии в добытом ископаемом небольшого количества отдельных крупных кусков, размер которых превышает загрузочное отверстие дробильных машин;
б) при ручной рудоразборке - для разъединения сростков. В первом случае дробление чаще всего ведут на колосниковых решетках, перекрывающих бункеры.
При дроблении и измельчении применяют следующие способы разрушения: раздавливание, раскалывание, излом, срезывание, истирание и удар. Тот или иной способ разрушения выбирается в зависимости от физико-механических свойств, дробимого материала и крупности его кусков.
В зависимости от крупности дробимого материала и дробленого продукта различают следующие стадии дробления:
Крупное дробление (от 1100...300 до 350...100 мм);
Среднее дробление (от 350...100 до 100...40 мм);
Мелкое дробление (от 100...40 до 30...5 мм).
Процесс дробления отличается большой сложностью и зависит от множества факторов, к которым можно отнести: прочность и вязкость руды, влажность, форма и размер кусков и др.
Контрольные вопросы:
1.
Что называется дроблением?
2.
Какие способы разрушения существуют при дроблении?
3.
Как различаются процессы разрушения, между собой?
4.
Что такое ручное дробление и в каких случаях оно проводится?
5.
Что означает степень дробления, как она определяется?
6. Что характеризуют законы дробления?
7. Чем отличаются формулы Риттингера и Кирпичева – Кика?
8. Какие требования предъявляются дробильным аппаратам, при подготовке их к эксплуатации?
Темы семинаров:
Дробление как неотъемлемый процесс подготовки к обогащению.
Процессы дробления. Общая характеристика.
Ручное и механизированное дробление.
Законы дробления.
Домашнее задание:
Степень дробления
Степень дробления - это отношение размеров максимальных кусков или зерен исходного материала к размеру максимальных куском продукта.
Степень дробления показывает, во сколько раз уменьшился размер кусок при дроблении.
Таким образом, степень дробления вычисляется при отношении размеров предельных отверстий сит, через которые проходят куски дробимого материала и дробленого продукта.
Стадии дробления
В зависимости от крупности исходного материала и дробленого продукта, стадии дробления имеют названия:
- 1 стадия - крупное дробление
- 2 стадия - среднее дробления
- 3 стадия - мелкое дробление
В зависимости от требуемой крупности материала перед обогащением, его можно измельчать в одну, две или даже три последовательные стадии.
Рис.7.
Основные технические данные дробилки мелкого тонкого дробления КМД-1750Т
Диаметр основания дробящего конуса, мм1750
Временное сопротивление сжатого дробимого материала, МПа, не более.300
Ширина приемной щели на открытой стороне (в фазе раскрытия профилей), мм80
Наибольший размер кусков питания, мм70
Диапазон регулирования ширины разгрузочной щели в фазе сближения профилей, мм5--15
Разность ширины разгрузочной щели в четырех точках (в фазе сближения профилей), мм, не более 4
Коэффициент закрупнения продукта дробления (при минимальной разгрузочной щели), не более 3,8
Производительность на материале с временным сопротивлением сжатию 100--150 МПа и влагосодержанием до 4 % в открытом цикле (при однократном прохождении материала через дробилку), м3/ч, не менее85--110
Усилие прижатия чаши пружинами, кН (тс)2500(250)
Частота качаний дробящего конуса, кач/мин260
Электродвигатель привода:
мощность, кВт160
частота вращения, об/мин740
Масса дробилки с разводкой смазки (без электрооборудования, смазочной установки, фундаментных плит, арматуры, спецприспособлений), кг50200
Масса наиболее тяжелых сборочных единиц дробилки, кг:
станина в сборе с опорным кольцом и пружинами 22100
дробящий конус 8700
регулирующее кольцо с кожухом 10 000
приводной вал 1770
дробилка в сборе без приводного вала и загрузочного устройства 47200
Дробилка (рис. 14.1) осуществляет дробление материалов между неподвижным наружным дробящим конусом и гирационно движущимся (качающимся относительно неподвижной точки с постоянной амплитудой) внутренним дробящим конусом.
Дробилка состоит из следующих узлов:
станины 8, опорного кольца 3, регулирующего кольца 2 с неподвижным дробящим конусом и колонками 23, подвижного дробящего конуса 4, привода. Станина 8 представляет собой стальную отливку цилиндрической формы с двумя патрубками, расположенными на боковой стенке и в нижней части. Нижний фланец станины крепится болтами к фундаменту, а на верхнем фланце установлено опорное кольцо 3, прижимающееся к станине болтами с амортизирующими пружинами.
Неподвижный конус предохраняется от износа броней 19, закрепляемой на конусе скобами 22. В верхней части дробилка закрывается кожухом 24, на котором устанавливается приемная воронка 25, откуда подлежащие дроблению материалы попадают на распределительную тарелку/ загрузочного устройства. В нижнем патрубке станины запрессована бронзовая (биметаллическая) втулка 9, внутри которой смонтирован вал-эксцентрик 10 с коническим колесом 7
В эксцентричной расточке вала установлена бронзовая конусная втулка 11, в которую входит вал 13 подвижного дробящего конуса. Вал-эксцентрик 10 опирается на подпятник 12, состоящий из набора бронзовых и стальных дисков. Подвижный дробящий конус футеруется броней 20. Плотность прилегания броней 19 и 20 к поверхности подвижного и неподвижного конусов обеспечивается цинковой или пластмассовой заливкой 21. Нижняя часть подвижного конуса опирается на сферический подпятник 6, установленный на опорной чаше 17. Для предотвращения попадания пыли и мелких частиц дробимого материала в зазор между подвижным конусом и опорной чашей встроен гидрозатвор 18, в ванне которого циркулирует вода или отработавшее масло. Приводится дробящий конус от электродвигателя через вал 16, установленный на бронзовых втулках в корпусе 15; на вал 16 насажена коническая шестерня 14 вращающая колесо 7. Смазка и охлаждение подшипников приводного вала, эксцентрикового узла, сферического подпятника и зубчатой передачи осуществляются от централизованной циркуляционной смазочной системы с жидким смазочным материалом.
Для контроля работы смазочной системы устанавливаются сигнализатор расхода масла, термометры и манометры.
Величина зазора между бронями дробящих конусов изменяется путем вращения по резьбе регулирующего кольца 2 относительно опорного кольца.
При попадании в дробилку недробимых предметов под действием усилий, значительно превышающих нормальные, сжимаются амортизирующие пружины 5, неподвижный конус вместе с опорным кольцом приподнимается и недробимый предмет проходит через дробилку.
классификация ремонт дробилка дробление дезинтегратор