Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Аналитический обзор современной научно технической, нормативной, методической литературы по проблеме истирания горных пород 9
Глава 2 Способы регулирования значений гироскопической силы и усилий разрушения горных пород в гироскопической мельнице 33
Глава 3 Математическая модель гироскопической мельницы, описывающая внутренний рабочий процесс её работы с учетом гироскопических сил 46
Глава 4 Программа и методика экспериментальных исследований гироскопической мельницы
4.1. Технологические операции и приборная база экспериментальных исследований гироскопической мельницы 61
4.2. Проведение экспериментальных исследований экспериментального образца гироскопической мельницы на работоспособность и оценка ее эффективности 66
ГЛАВА 5 Технико-экономическая оценка использова ния гироскопической мельницы 97
5.1. Обоснование необходимости использования гироскопической мельницы для извлечения алмазов 97
Заключение 111
Список использованных источников информации
- Аналитический обзор современной научно технической, нормативной, методической литературы по проблеме истирания горных пород
- Математическая модель гироскопической мельницы, описывающая внутренний рабочий процесс её работы с учетом гироскопических сил
- Проведение экспериментальных исследований экспериментального образца гироскопической мельницы на работоспособность и оценка ее эффективности
- Обоснование необходимости использования гироскопической мельницы для извлечения алмазов
Введение к работе
Актуальность работы. Задача создания горных машин, позволяющих существенно сократить энерго- и металлозатраты на разрушение горных пород, является важнейшей для горнодобывающей промышленности.
Известные горные машины и устройства по измельчению горных пород и техногенных материалов, такие, как мельницы барабанного типа (самоизмельчения, шаровые, роликовые, стержневые и бисерные), вибрационные, планетарные, центробежные роторные и кольцевые, струйные, молотковые, а также дезинтеграторы и дисковые истиратели, имеют малый КПД и большие энергозатраты. Кроме того, они имеют огромные габариты, что требует при их установке мощных фундаментов, а также высокую металлоемкость, так как при работе возникают большие циклические и вибрационные нагрузки. Система регулировки процесса измельчения в них несовершенна, что обусловливает потерю производительности при недогрузе практически в несколько раз. Конструкция этих мельниц имеет много изнашивающихся деталей и трудоемкую систему их замены.
В настоящее время развитие техники и технологии измельчения горных пород происходит в русле модернизации конструкции известных устройств с целью снижения энергетических затрат на измельчение и уменьшения массы установок, но не затрагивает основополагающих физических принципов создания усилий разрушения, опираясь на традиционные силы тяжести, упругости, газодинамического и гидравлического давления.
Существенно повысить эффективность работы горных машин и устройств по измельчению горных пород возможно, если отказаться от технологии их ударного дробления и раздавливания, которая в основном используется в современных мельницах, и перейти на технику измельчения горной породы с помощью мельниц нового типа, получивших название гироскопических мельниц (ГМ).
Работа таких мельниц основывается на использовании гироскопических сил, которые не только заменяют силу тяжести, но и проявляют себя как основной элемент системы автоматического регулирования, обеспечивающий устойчивость работы всего устройства по разрушению горных пород.
Однако в технической литературе практически не нашли отражения вопросы, связанные с горными машинами и устройствами по дезинтеграции (разрушению) горных пород с помощью мельниц истирания, работа которых основана на гироскопическом принципе. Поэтому тема диссертационной работы, направленная на обоснование и выбор параметров гироскопических мельниц для эффективного измельчения горных пород, является актуальной.
Диссертационная работа выполнялась в рамках госконтракта от 11 октября 2011 года № 16.515.12.5010 Министерства образования и науки Российской Федерации по теме «Разработка метода дезинтеграции горных пород на основе гироскопического эффекта» (шифр «2011-1.5-515-066»).
Целью работы является обоснование и выбор параметров процесса разрушения горных пород в гироскопических мельницах на основе установленных зависимостей истирания при их эксплуатации, обеспечивающих повышение производительности горной машины.
Идея работы заключается в повышении эффективности истирания горной породы за счет использования гироскопических сил, обеспечивающих силовое взаимодействие рабочих органов мельницы - двухстепенных гироскопов и измельчаемой горной породы, достигаемого применением обоснованного расчета параметров рабочего процесса на основе установленных зависимостей истирания при эксплуатации гироскопических мельниц.
Метод исследования - широко апробированные фундаментальные методы разрушения твердых материалов при различных внешних воздействиях; классические методы механики деформируемого твердого тела; математической статистики; теории автоматического регулирования машин и устройств с обратной связью; а также экспериментальные методы исследования эффективности лабораторного образца ГМ.
Основные научные положения, защищаемые автором, сформулированы следующим образом:
усилие разрушения горных пород в гироскопической мельнице определяется массой цилиндрических маховиков гироскопа, их радиусом и длиной плеча гироскопической силы, действующей на рабочий орган мельницы, а также значениями угловых скоростей вращения маховиков гироскопов и горизонтальной площадки;
рабочий процесс мельницы описывается математической моделью с учетом гироскопических сил, обеспечивающих силовое взаимодействие рабочих органов мельницы, управляемых гироскопами, и измельчаемой горной породой;
- производительность ГМ зависит от физико-механических свойств из
мельчаемой горной породы, ее основных конструктивных параметров, а также
от динамических параметров, определяющих рабочий процесс разрушения гор
ных пород.
Новизна основных научных и практических результатов заключается в следующем:
в разработке способов регулирования силы разрушения горных пород в гироскопической мельнице за счет изменения массы цилиндрических маховиков гироскопов, их радиусов и длины плеча гироскопической силы, действующей на рабочий орган мельницы, а также изменения значений угловых скоростей вращения ее маховиков гироскопов и горизонтальной площадки;
в получении зависимости угловой скорости вращения горизонтальной площадки ГМ от значений крутящего момента силовых электродвигателей горизонтальной площадки, а также угловой скорости вращения маховиков гироскопов, их моментов инерции и коэффициента трения горной породы относительного рабочего органа мельницы;
- в получении аналитической зависимости производительности ГМ и ее
экспериментальном подтверждении от основных величин, её определяющих, а
именно угловой скорости маховиков гироскопов и горизонтальной площадки, а
также крепости горной породы и радиуса фракционной частицы.
Научное значение работы заключается в установлении аналитических зависимостей для производительности ГМ, угловой скорости вращения ее горизонтальной площадки, а также силы истирания горных пород в ней, которые определяют и описывают рабочий процесс их разрушения.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждается корректностью постановки задач исследования; опытом использования основных положений методик расчета и проектирования энергосберегающих горных машин; достаточным объемом и представительностью выполненных экспериментальных исследований опытного образца ГМ.
Сопоставление результатов численных расчетов и экспериментальных исследований ГМ полностью подтвердило правильность исходных научных взглядов и основных положений, вынесенных на защиту, причем отличие экспериментальных значений от теоретических не превышает 20 %.
Практическое значение работы:
разработан и сконструирован экспериментальный образец ГМ;
разработана методика расчета производительности ГМ в зависимости от физико-механических свойств измельчаемой горной породы, основных конструктивных параметров ГМ, а также параметров технологического процесса измельчения, который позволяет целенаправленно проектировать аналогичные устройства с заданными параметрами;
разработана расчетная программа производительности гироскопической мельницы.
Реализация выводов и рекомендаций работы. В плановых проектно-конструкторских разработках ООО «НЛП Профиль-Т» на 2011 - 2012 гг. по созданию принципиально новых машин и устройств по разрушению горных пород использовались следующие результаты работы:
техническое задание на опытно-конструкторскую разработку образца гироскопической мельницы для эффективного разрушения горных пород и опытно-технологические разработки по определению природного гранулометрического состава горных пород с использованием ГМ;
конструкторская документация и изготовленный экспериментальный образец ГМ, защищенный патентами РФ;
технико-экономическая оценка использования ГМ, доказывающая, что применение ГМ будет способствовать переработке кимберлитовых руд, сконцентрированных в отвалах, для извлечения алмазов с последующим использованием измельченного материала в качестве связующего и освобождением земельных площадей.
Личный вклад автора состоит в формулировании цели и идеи работы; постановке задач и выборе методов исследования; проведении эксперимен-
тальных исследований лабораторного образца ГМ, анализе полученных результатов и разработке рекомендаций.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конференции «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2012 годы» (г. Москва, 2009 г.); на Международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, МГГУ, 2013 г. и НИТУ «МИСиС», 2014 г.); на 10-й Юбилейной международной выставке «Недра-2013» (г. Москва, 2-4 апреля 2013 г., выдан Диплом за инновационную разработку); на конкурсе «Innostar» с проектом «Исследование и разработка энергосберегающего горного оборудования для извлечения алмазов» (г. Москва, 2013 г.); на Международной научно-технической конференции «Современные инновационные технологии добычи и переработки полезных ископаемых» (г. Москва, 2015 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано семь работ, пять из них - в изданиях, входящих в Перечень рецензируемых журналов, утвержденных ВАК Минобрнауки России. По результатам данной работы и в соавторстве получено 6 патентов РФ на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 112 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 22 таблицы, список использованных источников из 111 наименований и приложения.
Аналитический обзор современной научно технической, нормативной, методической литературы по проблеме истирания горных пород
На основании вышеизложенного, а также в соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи исследования: - определить роль технологических и конструктивных параметров гироскопической силы, изменения которых позволяют регулировать рабочий процесс ГМ в зависимости от конкретных потребностей горного производства; - разработать математическую модель ГМ, описывающую процесс ее работы с учетом гироскопических сил; - установить зависимости изменения производительности ГМ от физико-механических свойств горной породы, конструктивных элементов ГМ, а также параметров технологического процесса измельчения; - разработать методику и провести экспериментальные исследования истирания горной породы в ГМ.
Основным критерием для выбора конкретного способа измельчения исходного твердого материала с целью получения природного гранулометрического состава, является минимальная потребляемая мощность установки, измельчающей исходный материал. С теоретической точки зрения для получения природного гранулометрического состава любого исходного материала необходимо использовать измельчающие устройства, работающие в режиме сдвигового разрушения (истирания) и имеющие минимальную потребляемую мощность.
При работе известных дробилок и промышленных мельниц измельчение твердой породы происходит в основном раздавливанием твердого материала под действием сжимающих усилий. При использовании известных способов измельчения твердого материала, массовый процент размола, полученного истиранием, очень мал.
Применяемые в промышленности способы измельчения твердых природных ископаемых требуют высоких энергозатрат, обладают малым КПД и большими весовыми показателями, что, например, ограничивает область применения валковых мельниц измельчением мягких горных пород [40-44].
Основными недостатками вышеуказанных способов измельчения проб являются невозможность задания и поддержания определенных величин разрушающих исходный материал силовых воздействий с приемлемой для практики точностью.
Существенного результата в этой области теории и практики разрушения можно достичь только за счет использования принципиально новых способов и машин, эффективно реализующих процесс разрушения горных пород.
К числу таких способов относится принципиально новый метод дезинтеграции горных пород на основе новых физических принципов создания и регулирования усилий истирания за счет использования гироскопических сил, что не имеет аналога, как в России, так и за рубежом [45-51].
В этой связи актуальной для теории разрушения является задача дальнейшего развития исследований по разработке нового метода эффективного истирания горных пород за счет применения гироскопических технологий создания и управления усилиями истирания в гироскопических мельницах (ГМ).
Основой исследования являются источники патентной информации с привлечением литературных источников информации, содержащих сведения о научно-технических достижениях, связанных с разработкой новых способов и устройств по измельчению горных пород и изучением тенденций развития этой технологии [52-53].
Задача существенного сокращения энерго- и металлозатрат на разрушение геоматериалов является важнейшей для горнодобывающей промышленности.
Повысить эффективность работы устройств по дезинтеграции горных пород возможно, если отказаться от их ударного дробления в существующих устройствах и перейти на технику дезинтеграции породы с помощью мельниц истирания, среди которых наиболее перспективными являются ГМ. Этот вывод подтвержден всем опытом добычи алмазов в Якутии (республика Саха), который свидетельствует, что для увеличения их добычи необходимо рекомендовать при создании эффективной технологической схемы многостадийной рудоподготовки добытой кимберлитовой руды, обеспечивающей сохранность алмазов всех известных классификационных групп, использовать новые машины и механизмы, принцип работы которых основан на использовании процесса истирания соответствующих фракции этой руды, а не ее ударного дробления [54-57].
Аналогом современных гироскопических мельниц является так называемая терочная мельница (ТМ), именно в ней впервые в технике измельчения за счет тангенциальных усилий осуществляется дезинтеграция горных пород [58-61]. Именно она является тем эталонным устройством, сравнение с которым всех других позволяет оценить как технический уровень любой новой конструкции предлагаемой мельницы, использующей гироскопические силы, так и общую тенденцию развития измельчителей горной породы.
Но один из типов терочных мельниц, а именно гироскопические терочные мельницы обладают уникальной конструкцией, в которой с одной стороны присутствуют все три главных недостатка существующих устройств по разрушению природных геоматериалов, а с другой стороны пунктиром намечены пути для разрешения казалось несовместимых друг с другом технических противоречий, касающихся, например, вопроса по разделению функционального дуализма рабочего органа, разрушающего горную породу [57].
При работе терочной мельницы, изображенной на рисунке 1.1, состоящей из вала силового привода, горизонтального размольного стола радиусом 0,5 м и металлического бегунка массой 100 кг, вращающегося при помощи силового привода и вала вокруг вертикальной оси симметрии размольного стола с угловой скоростью Q = бл рад/с. При этом угловая скорость вращения бегунка составляет ю = 5Q = ЗОл рад/с в результате чего возникает дополнительная вертикальная сила давления тяжелого бегунка на размольный стол, возникающая благодаря гироскопическому эффекту.
Математическая модель гироскопической мельницы, описывающая внутренний рабочий процесс её работы с учетом гироскопических сил
Решение уравнения 3.8 показывает, что значение угловой скорости вращения системы определяется, во-первых, конструктивными характеристиками ГМ через такие параметры, как Рч и li, во-вторых, моментами инерции всей системы как вокруг вертикальной оси вращения, так и момента инерции маховиков относительно их горизонтальной оси вращения, в-третьих, коэффициентом трения между измельчаемой горной породой и рабочими органами ГМ, т.е физическими свойствами горной породы, в-четвертых, значением крутящего момента силовых электродвигателей, определяемого затрачиваемой электроэнергией, и, наконец, в-пятых, значением угловой скорости вращения маховиков ю.
Учитывая, что в процессе измельчения конструктивные параметры предлагаемой ГМ, а также коэффициент трения и моменты инерции остаются постоянными величинами, значения которых приведены и вычислены выше, получим
Графически выражение 3.10 представлено на рисунке 3.1 для угловой скорости вращения силового двигателя и имеет вид экспоненциальной зависимости, стремящейся для значения ю = 500 с"1 к своей асимптоте Q = 123,5Мкрут и практически ее достигающей с ошибкой не превышающей 0,1% за период времени равный 40 секундам. 123,5м,
В свою очередь выражение 2.3 для величины силы прижатия рабочего органа к рабочей площадке позволяет вычислить минимальное значение крутящего момента силовых электродвигателей (Мкрсил), который должен быть больше, чем суммарный момент сил трения (Мтрі, Мтр2, Мтрз), возникающих при взаимодействии всех шести валков с истираемой горной породой на рабочем столе, чтобы система пришла во вращательное движение
Установленные на ГМ электродвигатели позволяют изменять величину І в диапазоне от 10 до 400 с"1, а величину Q в диапазоне от 1 до 40 с"1.
Момент инерции каждого маховика составляет J = 4 10" кгхм . Таким образом, максимальное значение силы FHCTpi может составить до 0,32 Н при Q = 40 с"1. Например, для того, чтобы обеспечить такую угловую скорость вращения рабочей площадки необходимо иметь минимальный крутящий момент 0,26 Нм. Согласно уравнению 3.10 за достаточно длительный промежуток времени, который соответствует математическому условию t —» оо , угловая скорость силовых электродвигателей ГМ достигнет стационарной величины, равной
Таким образом, стационарное значение Q обратно пропорционально значению угловой скорости маховиков гироскопов ю, т.е. чем больше угловая скорость маховиков гироскопов, тем больше гироскопическая сила, тем больше сила истирания и тем труднее силовым двигателям при фиксированном значении крутящего момента приводить всю систему во вращательное движение.
Кроме того, уравнение 3.10 позволяет вычислить значение промежутка времени істац, за которое угловая скорость Q при заданных Мкрут и ю достигнет стационарного значения. Как показывают результаты расчета, приведенные на рисунках 3.2 и 3.3, численное значение этого істац также, как и значение ОСТац соответственно обратно пропорциональны значению угловой скорости маховиков гироскопов.
Значение угловой скорости вращения всей системы, в которую входят и рабочие органы ГМ, определяет и линейную скорость движения рабочих органов на истираемые частицы горной породы, и в результате этого взаимодействия рабочие органы срезают некоторую часть частиц горной породы.
Учитывая, что рабочие органы ГМ перекрывают всю поверхность рабочего стола радиусом RpcT = 0,1 м, на котором может разместиться порядка Пчаст = 400 частиц горной породы диаметром 0,01 м, то они за один оборот вращения всей системы (t = 0,025 с) смогут срезать объем породы Vcer, представляющий собой часть шара, называемого шаровым сегментом (рисунок 3.4). Круг, полученный в сечении шара, называется основанием шарового сегмента, причем его объем равен Vcer = л H2(R-H/3) или Vcer = я Н (Н2 + За2)/6, где R - радиус частицы горной породы, а Н - высота шарового сегмента (срезаемой части частицы горной породы).
Экспериментальный стенд подключается к сети переменного тока 220 в через выпрямитель 1 и позволяет контролировать напряжение, силу тока и мощность постоянного тока с помощью соответствующих регуляторов 2, стабилизаторов 3, амперметров 4,вольтметров 5 и ваттметров 6 на двигателях маховиков гироскопа 7 и рабочей площадки 8. При этом переходные процессы в электрических цепях электродвигателей фиксировались осциллографом 9. Кроме того, скорость вращения маховиков двухстепенных гироскопов, а также рабочей площадки определялась с помощью стробоскопа 10, который дополнительно использовался для настройки стабилизаторов 3 скоростей вращения двигателей гироскопа и рабочей площадки и тарирования шкалы регуляторов 2 этих угловых скоростей вращения.
В свою очередь для фиксации быстропротекающих процессов при измельчении горной породы на рабочем столе и поведения отдельных элементов экспериментального образца гироскопической мельницы использовалась видеокамера 11. Видеокадры с видеокамеры поступали непосредственно на экран монитора 12 персонального компьютера 13 (ПК), который подключался к источнику бесперебойного питания 14 (ИБП) и позволяет управляет работой принтера 15 и сканера 16, которые фиксируют результаты численных расчетов и визуальной информации.
Для контроля количества руды, размещаемой на рабочем столе, а также количеством измельченной руды используются весы, для контроля фракционного состава руды используется набор рассевов, а также оптическая система «Гранула» высокого разрешения 17 для автоматизированного контроля гранулометрического состава испытуемой горной породы с использованием специальной программы.
Дополнительно для определения вещественного состава горных пород использовался поляризационный электронный микроскоп, для определения их структуры - дифрактометр ДРОН-3, а для определения микротвердости - микротвердомер ПМТ-ЗМ. Перед началом испытаний маховики гироскопов проходили балансировку вместе с электродвигателями на специальном устройстве «Балансир» в статическом и динамическом режимах, а после сборки и установки всех шести гироскопов на горизонтальной площадке проводилась балансировка всего узла истирания с целью устранения биений.
Таким образом, приборный парк для проведения испытаний экспериментального образца гироскопической мельницы представлен в таблице 4.1. Список этих приборов, устройств и систем контроля определяет в свою очередь и последовательность тех рабочих операций, которые необходимы для полного исследования работы экспериментального образца ГМ и которые составляют методику его испытаний:
Исследование механических, физических и структурных характеристик горных пород, участвующих в процессе измельчения горных пород в экспериментальном образце ГМ, которые включают: A) определение значений микротвердости образцов горной породы; Б) взвешивание исходной и измельченной руды; B) определение гранулометрического состава исходной и измельченной руды. Г) определение вещественного состава исходной и измельченной горной породы; Д) определение структуры образцов горной породы;
В ходе испытаний по пункту 1А-1Б использовались образцы горных пород, сведения о которых приведены в таблице 4.2.
В этой таблице приведены результаты как общего взвешивания всех образцов руд, так и их отдельных фракций, а также результаты определения твердости образцов горных, которые изменяются в некотором диапазоне значений.
В ходе испытаний по пункту 1Г был определен вещественный состав руд, причем наличие тех или иных минералов определялось с помощью дифракто-метра ДРОН-3 с медным катодом при токе 20 мА, напряжении 35 кВ с предвари тельной обработкой полученного спектра компьютерной программой «GalleryDif» и анализом минеральных фаз с помощью программы «X-RAY». Характерный вид рентгенограмм исследованных горных пород представлены на рисунках 4.5а-е.
Для определения этих параметров необходимо знать уровень потребления электроэнергии (мощность), производительность гироскопической мельницы и ее вес.
Эксперименты по определению производительности ГМ проводились в сериях по три эксперимента в каждой, при этом момент инерции маховиков двухстепенных гироскопов оставался постоянным и равным J = 4 10" кгм , а величина угловой скорости вращения рабочей площадки Q изменялась от 10 до 80 с"1 с шагом 10 с"1, тогда как угловая скорость маховиков ю принимала два фиксированных значения соответственно 400 и 600 с"1, чему соответствовало напряжение на двигателях маховиков соответственно 12,03 Ви 15 В.
В качестве образцов горных пород использовались все семь видов пород поименованные в таблице 3.2 , при этом загрузочная фракции была представлена фракцией диаметром 2-7 мм, а производительность мельницы (Q, т/ч) оценивалась по фракции горных пород диаметром менее 0,1 мм, собираемого в бункере ГМ. Масса гироскопического измельчителя составила m = 5 кг. Продолжительность каждого эксперимента составляла Т = 300 с.
Средние значения определяемых экспериментальных величин для галенита в таблице 4.3. Аналогичные экспериментальные данные для остальных горных пород приведены в таблицах 4.4 - 4.8. При этом вычислялась эффективность работы ГМ (Э) и удельная эффективность (Эуд), отнесенная на единицу веса исследуемой ГМ, которые при этом вычислялись соответственно по формулам
Проведение экспериментальных исследований экспериментального образца гироскопической мельницы на работоспособность и оценка ее эффективности
Экспериментальные данные, собранные в таблице 4.3 для галенита, наглядно представлены на рисунках 4.6-4.8. Так на рисунке 4.6 представлена зависимость производительности ГМ по галениту от угловых скоростей маховиков гироскопов и горизонтальной площадки.
Эта зависимость показывает, что достижение характеристики производительности работы ГМ 6 кг/ч реализуется, при ю = 400 с"1, если Q. 68с-1. В свою очередь увеличение угловой скорости вращения маховиков гироскопов до 600 с"1 позволяет снизить значение угловой скорости вращения горизонтальной площадки 53 с"1, достигая при этом требуемой производительности работы ГМ.
В свою очередь на рисунках 4.7 и 4.8 представлены соответственно зависимости эффективности и удельной эффективности работы ГМ по галениту от угловых скоростей маховиков гироскопов и горизонтальной площадки. Э, кг/Вт/час 100 150 їїs j - = 600 с -1
Зависимость удельной эффективности работы ГМ по галениту от угловых скоростей маховиков гироскопов и горизонтальной площадки Представленные на рисунках 4.7 и 4.8 экспериментальные данные показывают, что технические характеристики ГМ: эффективность работы ГМ 60 кг/ч/кВт и удельная эффективность 12 кг/ч/кВт/кг массы установки достигаются при ю = 400 с"1, если Q 58с \
В свою очередь увеличение угловой скорости вращения маховиков гироскопов до 600 с"1 позволяет снизить значение угловой скорости вращения горизонтальной площадки 48 с"1, достигая при этом требуемой эффективности и удельной эффективности работы ГМ.
Аналогичные эксперименты были проведены и для определения технических характеристик ГМ в отношении всех остальных видов горных пород поименованных в таблице 4.2. В обобщенном виде эти данные для производительности ГМ представлены на рисунках 4.9 и 4.10.
Результаты, приведенные на рисунках 4.9 и 4.10 показывают, что при ю = 400 с"1 заданная производительность 6 кг/час достигается только для угля, галенита и цеолита. Однако, увеличение угловой скорости вращения маховиков гироскопов до ш = 600 с"1 позволяет выйти на заданную производительность уже для всех видов горных пород, причем для угля минимальное значение угловой скорости горизонтальной площадки составляет Q. = 48с"1, а для кварца Q = 76c"\
В свою очередь значения эффективности и удельной эффективности для всех видов горных пород при соответствующих значениях технологических параметров представлены в таблице 4.10. Таблица 4.10 — Значения эффективности для всех видов горных пород при соответствующих значениях технологических параметров
В графическом виде данные таблиц 4.10 и 4.11 представлены соответственно на рисунках 4.11 и 4.12 только для угля и кварца, чтобы не загромождать их. Кроме того, эти виды горных пород являются наиболее характерными, т.к. их крепость различается почти в 3 раза, что естественно отражается на достигаемых значениях производительности эффективности и удельной эффективности работы ГМ.
Анализ данных таблиц 4.10 и 4.11, а также их графического представления на рисунках 4.11 и 4.12 позволяет сделать вывод, что значения эффективности и удельной эффективности работы ГМ определяются главным образом значениями угловых скоростей маховиков гироскопов и горизонтальной пло щадки. Так для наименее твердой породы угля эти заданные технические характеристики достигаются уже при ю = 400 с"1 и Q 52 с"1, а при ю = 600 с"1 угловая скорость вращения горизонтальной площадки может быть снижена до Q. = 44 с"1 без ухудшения заданных технических характеристик.
В свою очередь для наиболее крепкой породы кварца аналогичные технические характеристики могут быть достигнуты только при со = 600 с"1 и Q. 66 с"1. Для остальных пород эти величины имеют следующие значения:
Данные таблицы 4.12 показывают, что в ходе работы спроектирована и создана ГМ энергоэффективность которой в 23 раза, а удельная энергоэффективность на три порядка величины больше, чем у дисковых истирателей аналогичного назначения. В свою очередь по сравнению с терочной мельницей с рабочим органом управляемым гироскопом аналогичные характеристики повышены соответственно в 31 и 17 раз, т.е. более чем на порядок величины. Разработанная ГМ является горной машиной для дезинтеграции горных пород, которая защищена патентом на изобретение РФ.
Таким образом, технические характеристики ГМ, такие как производительность величиной 6 кг/час, эффективность работы величиной 60 кг/кВт/час и удельная эффективность величиной 12 кг/кВт/час/кг массы установки достижимы для всех видов горных пород, имеющих крепость по шкале профессора М.М. Протодьяконова в диапазоне до 8 единиц при угловой скорости вращения маховиков гироскопов ю = 600 с"1 и угловой скорости горизонтальной площадки Q 66 с"1).
Следующий комплекс экспериментальных исследований направлен на определение производительности ГМ в зависимости основных параметров технологического процесса измельчения руд, значение которых подается изменению и регулированию.
Первая группа экспериментов связана с проверкой зависимости изменения производительности ГМ от изменения размера фракции измельчаемой руды. В качестве руды были использована горная порода, которая по своей плот-ности аналогична кимберлитам (р = 2900 кг/м ). В качестве такой горной породы был выбран галенит.
При этом значения К = 0,2 , JM = 4 10" кгм ,RmcK = 0,1 м , її = 0,01 м, Мсреза = 3-5МПа, ю = 400 с"1 и Q = 40 с"1 в этом случае оставались постоянны-ми, а изменялся размер измельчаемой фракции в диапазоне от 2 до 7 10" м. Результаты экспериментов, а также теоретически значения производительности ГМ приведены в таблице 4.13. Соответствующее графическое представление полученных результатов проиллюстрировано на рисунке 4.13.
Обоснование необходимости использования гироскопической мельницы для извлечения алмазов
Анализ данных по добыче именных алмазов за период 1959 — 2001 гг. показывает, что за это время алмазодобытчики несколько раз испытывали как горечь неудач, так и заметные успехи. Годами неудач следует считать 1961 — 1962 гг. (нулевая добыча именных алмазов), 1967 г. (нулевая добыча именных алмазов), 1979 г. (добыто всего 165 карат), 1990 г. (135 карат), 1996г. (60 карат), тогда как средний уровень добычи именных алмазов за этот период времени составил 658 карат.
Основными причинами этих неудач в шестидесятые годы следует считать новизну поставленных перед алмазодобытчиками задач, не имевшими ранее дела с громадными объемами переработки руды, просчеты проектировщиков обогатительной фабрики и использование шаровых мельниц, стальные шары которых порой «в пух и прах перемалывали алмазы» [54]. В свою очередь низкий уровень добычи именных алмазов в 1979 году связан с закрытием в 1978 году фабрики № 2 после двадцатипятилетней работы [54], что же касается результатов 1990 и 1996 годов, то они обусловлены соответственно реконструкцией и техническим перевооружением карьера трубки «Мир» [54].
Успехи в добыче именных алмазов обусловлены главным образом внедрением мельниц мокрого самоизмельчения, которые обеспечивают лучшую сохранность ювелирных алмазов за счет уменьшения влияния ударного разрушения при переработке кимберлитовой породы, а также использованием при переработке алмазосодержащего сырья рентгенолюминисцентных сепараторов [54]. Благодаря этим техническим разработкам средняя годовая добыча алмазов за период 1978 — 2001 гг. возросла до 695 карат/год по сравнению с 649 каратам/год за период 1959 — 1977 гг. И хотя рост среднегодовой добычи составил всего 9 %, зато качественно изменилась структура добычи именных алмазов, а именно: доля крупных ювелирных алмазов уменьшилась с 46 до 5,7 %, тогда как доля очень крупных и гигантских ювелирных алмазов возросла соответственно с 36,6 до 55,6 % (рост на 19 %) и с 17,4 до 38,7 % (рост на 21 %).
Об этом свидетельствуют и данные по гранулометрическому составу именных алмазов, добытых за период 1959 — 1977 гг. (рисунок 5.1) и 1978 — 2001 гг. (рисунок 5.2).
Они показывают, что, во-первых, в период 1978 — 2001 гг. удалось за счет совершенствования технологии извлечения алмазов на обогатительных фабриках значительно увеличить добычу именных алмазов, входящий в группу очень крупных ювелирных алмазов, как по количеству (с 80 до 124 штук, т.е. более, чем в 1,5 раза), так и по массе (с 4281,65 до 8875,39 карат, т.е. более, чем в 2 раза). В результате максимум гранулометрической кривой сместился из области алмазов с приведенным радиусом от 7 до 9 мм (рисунок 5.1) в область -от 9 до 11 мм (рисунок 5.2).
Во-вторых, анализ гранулометрического состава добытых именных алмазов позволяет сделать вывод о том, что их крупность в основном не превышает в диаметре 34 мм, но и не меньше 10 мм., т.е. вероятность нахождения именных алмазов самая высокая в кусках кимберлитовой породы крупностью порядка 40 мм.
В-третьих, учитывая, что доля именных алмазов в составе ювелирных алмазов составляет всего 0,01 % (таблица 5.1), а доля самих ювелирных алмазов в общей добыче составляет порядка 50 %, также как и технических, то совершенно ясно, что выход 50 % ювелирных алмазов при дроблении и обогащении кимберлитовой руды происходит в пределах величин приведенного радиуса 2,4 - 4,1 мм и приходится на группу умеренно-крупных алмазов, массой 1-20 карат при этом остальные 50 % алмазов приходятся на алмазы массой 0,05 - 1 карат с приведенным радиусом 0,9 - 2,4 мм (рисунок 5.3).
Анализ данных на рисунке 5.3 показывает, что существенный выход ювелирных алмазов происходит при измельчении кимберлитовой руды до размеров от 2,4 - 4,2 мм. Это позволяет оценить размер зерна кимберлита, содержащего основную долю добываемых ювелирных и технических алмазов, величиной порядка 3 мм (диаметр 6 мм) для ювелирных алмазов, которая является средним значением размера умеренно-крупных ювелирных алмазов. В свою очередь кумулятивная кривая для технических и ювелирных алмазов, добытых в Якутии за период 1997-2001 гг., представленная на рисунке 5.4 (кривая 1), позволяет сделать количественную прогнозную оценку степени увеличения выхода всех групп ювелирных алмазов за счет отказа от мельниц мокрого самоизмельчения, где разрушение породы происходит за счет ударного самодробления кусков кимберлита, в пользу мельниц гироскопического типа, реализующих процесс дезинтеграции породы за счет ее истирания.
На рисунке 5.4 процессу измельчения породы в гироскопической мельнице соответствует кумулятивная кривая 2, представляющая собой биссектрису координатного угла и соответствующая природному гранулометрическому составу размола. Разница ординат кривых 2 и 1 на рисунке 5.4 соответствует степени увеличения всех групп ювелирных алмазов при отказе от мельниц мокрого самоизмельчения и переходе на мельницы истирания, причем наибольший (т.е. оптимальный) прирост выхода алмазов должен приходиться на группу крупных алмазов ( приведенный радиус 4 мм) и составит 34 %, а прирост для очень крупных алмазов (приведенный радиус 4,5 мм) может достигнуть 25 %.