Производительность мельниц: стратегии снижения энергопотребления

Измельчение составляет значительную часть энергопотребления горнодобывающего предприятия, причём потребление энергии резко возрастает по мере ужесточения требований к крупности помола. Каждый последующий этап уменьшения размера частиц требует больше энергии на тонну материала, поскольку естественные плоскости разрушения, обеспечивающие эффективное крупное дробление, постепенно исчерпываются. При размерах частиц менее примерно 30 микрон разрушение может потребовать разрыва самой кристаллической решётки минерала, что требует значительно более высокой локализованной энергии.

Традиционные барабанные мельницы не предназначены для такой работы: размер мелющих тел слишком велик для достижения сверхтонкого помола, а большие застойные зоны внутри мельницы приводят к тому, что значительная часть установленной мощности не выполняет полезной работы.

Мельница интенсивного перемешивания использует вращающиеся внутренние мешалки для перемещения мелких мелющих тел внутри неподвижного корпуса. Разрушение частиц происходит за счёт высокоинтенсивного истирания и ударов между мелющими телами, а не за счёт гравитационного каскада, на котором основана работа шаровых мельниц. Такие мельницы используют более мелкие мелющие тела (обычно от 2 до 6 мм по сравнению с 12–100 мм, характерными для барабанных мельниц), что обеспечивает большее количество актов разрушения на единицу объёма и более узкое распределение частиц по размерам. Энергия, которая в барабанной мельнице теряется в виде шума, тепла и неэффективного движения мелющих тел, концентрируется непосредственно в зоне измельчения.

Горизонтальная конфигурация обеспечивает дополнительные преимущества. Например, IsaMill пропускает пульпу через серию перемешиваемых камер, разделённых размольными дисками. Материал должен последовательно пройти через каждую камеру перед выходом из мельницы, что исключает короткие пути прохождения материала и обеспечивает более узкое распределение частиц по размерам по сравнению с барабанными мельницами, работающими в открытом цикле.

Выбор мелющих тел, это область, где чаще всего достигаются или теряются показатели эффективности. Энергия, передаваемая частице за одно событие измельчения, пропорциональна интенсивности воздействия:

Интенсивность воздействия ∝ d³ × v² × SG

(где d - диаметр мелющего тела, v - его скорость, а SG - относительная плотность).

Ключевым фактором является кубическая зависимость от диаметра. Увеличение размера мелющих тел с 3 мм до 6 мм повышает интенсивность воздействия в восемь раз. Слишком мелкие мелющие тела при грубом измельчении приводят к накоплению материала в загрузке, нестабильной работе мельницы и резкому снижению потребляемой мощности, поскольку они не способны передать достаточную энергию для разрушения самых крупных частиц питания. Слишком крупные мелющие тела при тонком измельчении, наоборот, расходуют энергию на истирание, которое уже не приводит к эффективному разрушению частиц, и ускоряют износ оборудования. Подбор размера мелющих тел в соответствии с максимальной крупностью питания и требуемой крупностью продукта является важнейшим проектным решением. Влияние плотности значительно меньше, чем влияние диаметра: мелющие тела с относительной плотностью 4,5 по сравнению со стандартным диапазоном 3,7-3,8 оказались примерно на 20% менее эффективными.

Керамические мелющие тела являются стандартом для мельниц интенсивного перемешивания. В отличие от стальных мелющих тел, применяемых в шаровых мельницах, они химически инертны, не загрязняют поверхность минералов железом и не ухудшают показатели последующей флотации. Сегодня керамические мелющие тела выпускаются диаметром до 24 мм, что позволяет применять мельницы интенсивного перемешивания для более грубых стадий измельчения, которые ранее были областью применения барабанных мельниц.

Проектирование технологической схемы является вторым крупным фактором повышения энергоэффективности. Схема HPGR–мельница интенсивного перемешивания заменяет традиционную цепочку измельчения SAG-мельница/шаровая мельница на валковую пресс-мельницу высокого давления (HPGR) с последующей мокрой мельницей интенсивного перемешивания. Пилотные испытания показали снижение удельного энергопотребления на 9,2–16,7% по сравнению со схемами HPGR/шаровая мельница и конусная дробилка/шаровая мельница при рассмотрении всего технологического контура.

При работе в режиме доизмельчения разница ещё более заметна. В исследовании по замене шаровой мельницы, проведённом в 2011 году, сравнивались шаровая мельница для доизмельчения и IsaMill, работающие на одинаковом питании и обеспечивающие продукт с P80 32 микрона из исходного материала с F80 100 микрон. Шаровая мельница потребляла 24 кВт·ч/т, тогда как IsaMill, всего 17 кВт·ч/т. Это соответствует снижению энергозатрат на 29% при достижении одинакового металлургического результата.

Испытания вторичного измельчения на предприятии Stall Mill компании Hudbay в провинции Манитоба с использованием керамических мелющих тел диаметром 8 мм и 10 мм показали снижение энергопотребления более чем на 50% по сравнению с традиционными барабанными мельницами.

Преимущества усиливаются и на последующих стадиях процесса. Более узкое распределение частиц по размерам улучшает кинетику флотации в аппаратах, таких как Флотомашина Джеймсон, а инертные керамические мелющие тела предотвращают загрязнение поверхности минералов, характерное для стальных мелющих тел. В результате экономия энергии на стадии измельчения способствует повышению извлечения полезных компонентов на последующих этапах технологической схемы.

Часто задаваемые вопросы

В чём разница между шаровой мельницей и мельницей интенсивного перемешивания?

Шаровая мельница использует крупные стальные мелющие тела (от 20 до 100 мм), которые каскадом перемещаются внутри вращающегося корпуса. Мельница интенсивного перемешивания использует вращающиеся внутренние мешалки для перемещения мелких мелющих тел (от 2 до 16 мм) внутри неподвижного корпуса. Шаровые мельницы эффективно работают при крупности продукта выше примерно 75 микрон. Ниже этого диапазона мельницы интенсивного перемешивания значительно превосходят их по энергоэффективности.

Как размер мелющих тел влияет на эффективность измельчения?

Размер мелющих тел связан с интенсивностью воздействия кубической зависимостью. Интенсивность воздействия отражает количество энергии, передаваемой при каждом акте измельчения. Увеличение диаметра мелющих тел с 3 мм до 6 мм повышает интенсивность воздействия в восемь раз. Слишком мелкие мелющие тела не способны разрушать самые крупные частицы питания и вызывают накопление материала в загрузке мельницы. Слишком крупные мелющие тела расходуют энергию впустую и ускоряют износ оборудования.

Для чего используется сверхтонкое измельчение?

Сверхтонкое измельчение обеспечивает получение частиц размером менее 10 микрон, что значительно ниже экономически достижимых значений для традиционных барабанных мельниц. Оно применяется для раскрытия тонковкраплённых минералов, например золота, заключённого в пирите, для доизмельчения флотационных концентратов и подготовки материала к химическому выщелачиванию. На предприятии KCGM при переработке упорных золотых руд измельчение до P80 10 микрон позволило повысить извлечение золота с 75% до 92%.

Превосходят ли керамические мелющие тела стальные в процессах измельчения?

Для мельниц интенсивного перемешивания и тонкого измельчения — да. Керамические мелющие тела химически инертны и не вносят железо, которое может загрязнять поверхность минералов и снижать эффективность флотации. Они обладают предсказуемым износом и сегодня доступны в размерах до 24 мм. Для грубого измельчения в барабанных мельницах при крупности продукта выше 75 микрон стандартом по-прежнему остаются стальные или высокохромистые мелющие тела.

Как оценить энергозатраты для нового контура измельчения?

Стандартный подход заключается в построении так называемой кривой энергетической характеристики (signature plot) на основе лабораторных испытаний, связывающих удельное энергопотребление (кВт·ч/т) с крупностью конечного продукта. Для мельниц интенсивного перемешивания такие кривые масштабируются к промышленным установкам в соотношении 1:1, что устраняет один из основных источников проектного риска. Дополнительно рекомендуется проводить испытания по подбору мелющих тел и минералогический анализ руды. Калькулятор IsaMill™ может служить хорошей отправной точкой для первоначальных оценок.