___________________________________________________________________________
Młyny wysokoenergetyczne do mielenia rud i surowców
mineralnych
Jan Sidor1), Dariusz Foszcz2), Paweł Tomach1), Damian Krawczykowski2) AGH-Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica, Kraków,
1)
Katedra Maszyn Górniczych, Przeróbczych i Transportowych 2)
Katedra Inżynierii Środowiska i Przeróbki Surowców
jsidor@agh.edu.pl, foszcz@agh.edu.pl, tomach@agh.edu.pl, dkrawcz@agh.edu.pl
Streszczenie
Praca dotyczy młynów stosowanych w procesach mielenia rud, surowców mineralnych, któ-rych moc jednostkowa, czyli moc młyna przypadająca na jednostkę objętości komory, jest minimum trzy razy większa niż w młynie kulowym, SAG czy AG. Są to młyny mieszadłowe, wibracyjne, planetarne, odśrodkowe oraz walcowe, zwane również prasami. Praca zawiera opisy budowy, działania, zastosowania i podstawowe parametry technologiczne i techniczne tych młynów. Podano również wyniki porównawcze sondażowych prób mielenia polskiej rudy miedzi w laboratoryjnych młynach: kulowym i wibracyjnym. Wyniki te wykazały, że młyn wi-bracyjny przy niskiej częstotliwości drgań charakteryzuje się ponad 8 razy większą szybko-ścią procesu mielenia, przy 10 razy mniejszej objętości komory.
Słowa kluczowe: młyny mieszadłowe, wibracyjne, planetarne, mielenie rud, efektywność technologiczna mielenia
High-energy mills for ores and mineral raw materials
Abstract
The work concerns mills used in milling of ores and other mineral raw materials whose unit power, i.e. mill power per volume of the milling chamber, is at least three times higher than in ball, SAG and AG mills. This group includes stirred mills, vibratory, planetary, centrifugal and roller mills also called roller presses. The work describes construction, operation, applica-tions and basic technical and technological parameters of these mills. The paper also pre-sents the results of a comparative surveys of Polish copper ore milling in laboratory: ball and vibratory mill. The results of these surveys demonstrates that the vibratory mill, at a low vibration frequency, has more than eight times the speed of the milling process, with more than ten times smaller volume of the chamber.
Key words: stirred mills, vibratory mills, centrifugal mills, milling of ores, technical efficiency of milling
Wstęp
Wzbogacanie rud wymaga ich odpowiedniego rozdrobnienia, które zachodzi w procesach kruszenia i mielenia. Odpowiedniego rozdrobnienia wymaga większość kopalin, np.: węgiel jako paliwo, surowce do produkcji spoiw mineralnych czy nawozy mineralne. Z procesów rozdrabniania najbardziej energochłonny jest proces mielenia. Jednostkowe zapotrzebowanie energii w tym procesie uwarunkowane jest rodzajem mielonego materiału, uziarnieniem nadawy, produktu mielenia, a także budową i parametrami technicznymi młyna i układu mielącego. Wskaźnik ten wzrasta potęgowo wraz ze zmniejszaniem się wymiarów ziaren [25], przy czym dynamika wzrostu tego parametru jest wyraźnie większa dla ziaren poniżej 50 μm [33].
Uziarnienie produktu mielenia determinują wymagania technologiczne poszczególnych technologii, np. dla rud miedzi poniżej 75 μm [36], rud cynku poniżej 10 μm [35], surowców do produkcji cementu poniżej 90 μm [23], wysokiej jakości nawozów mineralnych poniżej 10 μm [11]. W każdym z ww. materiałów występuje pewna dopuszczalna ilość nadziarna. Przy wzbogacaniu rud miedzi koszty mielenia stanowią największą część (około 50%) kosztów przeróbki rudy [35]. Rudy metali niektórych miele się znacznie drobnej – do uziarnienia o d90 =
20 μm [23].
W świecie przerabia się obecnie kilka miliardów Mg rud, kilka miliardów uziarnionych innych surowców, spoiw mineralnych o uziarnieniu poniżej 100 μm, węgli energetycznych, kilkaset milionów Mg materiałów drobnouziarnionych o uziarnieniu poniżej 10 μm oraz kilkadziesiąt milionów Mg mikro- i nanoproszków o jeszcze drobniejszym uziarnieniu. Najpowszechniej stosowane są młyny grawitacyjne o prostej budowie – kulowe, prętowe, autogeniczne (AG) i semiautogeniczne (SAG).
Procesy rozdrabniania pochłaniają około 5% światowej energii elektrycznej [19]. Rosnący popyt na drobnouziarnione materiały, zwłaszcza o uziarnieniu poniżej 10 μm, a także wzrost cen energii stymulują postęp w zakresie badań podstawowych procesów rozdrabniania, w celu opracowania nowych technologii rozdrabniania o korzystniejszych parametrach technologicznych, w szczególności bardziej ekonomicznych oraz o mniejszej szkodliwości oddziaływania na otoczenie. Wprowadzanie nowych rozwiązań techniczno-technologicznych jest tym bardziej uzasadnione, że obecnie stosowane urządzenia i układy mają bardzo ograniczone możliwości w zakresie znaczących redukcji kosztów ich eksploatacji (głównie poboru energii elektrycznej) [5, 37].
Procesy wytwarzania materiałów drobnouziarnionych przeprowadza się w setkach rozwiązań młynów i ich układów mielenia [11, 19, 32, 27, 1, 49].
O zastosowaniu konkretnego młyna, użytkowanego w wymaganym technolo-gicznie i ekonomicznie układzie mielącym (instalacji), w danej technologii mielenia decydują: właściwości fizyczne, głównie mechaniczne oraz chemiczne mielonego materiału, np. rudy, to jest: podatność na mielenie, podatność na flotację, twardość, właściwości ścierne, wilgotność. Duże znaczenie mają także wymagania technolo-giczne węzła wzbogacania rudy, dostępność młyna i jego instalacji, możliwości fi-nansowe, a także przyzwyczajenie i konserwatyzm inwestora [27, 49].
Istotnym elementem w trakcie projektowania nowych schematów rozdrabniania jest wprowadzanie odpowiednich układów wydzielania ziaren drobnych, w poszcze-gólnych stadiach rozdrabniania, co niewątpliwie zapewni zwiększenie oczekiwanej
wydajności urządzeń i umożliwi obniżenie kosztów inwestycyjnych oraz później-szych kosztów eksploatacyjnych, w szczególności kosztów energii elektrycznej [32]. W pracy podano przykłady młynów o wydajności powyżej 50 Mg/godz. stosowa-nych w przemyśle górniczym przy mieleniu rud, w celu ich wzbogacania i w instosowa-nych przemysłach, to jest: materiałów budowlanych – w przygotowaniu drobnouziarnio-nych surowców mineraldrobnouziarnio-nych do produkcji spoiw mineraldrobnouziarnio-nych, spoiw (cementów, wapna), chemicznym: surowców i produktów chemicznych, nawozów mineralnych, sorbentów oraz energetyce. Okres eksploatacji młynów wynosi około 35-50 lat.
Ze względu na dobre parametry młynów wibracyjnych [32] oraz rosnące zainte-resowanie tymi młynami [27,1] przeprowadzono sondażowe badania mielenia pol-skiej rudy miedzi w laboratoryjnym młynie wibracyjnym oraz dla porównania w mły-nie kulowym. W młymły-nie wibracyjnym uzyskano ponad 8 razy większą szybkość pro-cesu mielenia, przy ponad 10 razy mniejszej objętości komory.
1. Klasyfikacja młynów stosowanych w bardzo drobnym mieleniu
Zasadniczy podział młynów wiąże się z mechanizmem przekazywania energii do procesu mielenia i wyróżnia pięć grup [11, 19, 27]:
– młyny z mielnikami swobodnymi grawitacyjne: kulowe, prętowe, autogenicz-ne, semiautogeniczautogenicz-ne, wibracyjautogenicz-ne, planetarne. W młynach tych mielniki otrzymują energię od ruchomej komory,
– młyny z mielnikami swobodnymi mieszadłowe. W młynach tych mielniki otrzymują energię od obracającego się wirnika,
– młyny udarowe z ruchomymi (obrotowymi) elementami roboczymi, w których ziarna rozdrabnianego materiału rozdrabniane są przez te elementy,
– młyny z mielnikami prowadzonymi (toczne, walcowe),
– młyny strumieniowe z przekazywaniem energii przez medium gazowe. Do mielenia rud i surowców mineralnych w skali masowej – o wydajności powy-żej 50 Mg/godz. znalazły zastosowanie młyny:
– grawitacyjne (kulowe, prętowe, autogeniczne, semiautogeniczne) [49, 50, 53],
– mieszadłowe, nazywane też: atrytorami, młynami kulkowymi, kuleczkowymi, perełkowymi, mieszadłowo-kulkowymi, [33, 23, 11, 19, 21, 34, 15, 24, 17, 42, 2],
– wibracyjne [11, 19, 27, 1, 49, 13, 30-32], – planetarne – Hicom Mill [46, 51],
– walcowe, zwane też prasami – budowane są w kilku odmianach: o handlo-wych nazwach HPGR [18, 4, 28, 26], BetaMill [40] oraz Horomill [8, 44], – udarowe – bezmielnikowe produkowane w wielu rozwiązaniach: młotkowe,
bijakowe, odśrodkowe i wentylatorowe [11, 38, 39, 52,10].
Młyn wysokoenergetyczny zdefiniowano jako młyn o mocy jednostkowej – przy-padającej na jednostkę objętości komory młyna, minimum trzy razy większej od młyna grawitacyjnego. W młynach grawitacyjnych – kulowych moc jednostkowa jest najmniejsza i wynosi 15-17 kW/m3, wibracyjnych 45-70 kW/m3, a w młynach mie-szadłowych 150-300 kW/m3, a w planetarnych 1500-1780 kW/m3. Pewną trudność określenia tego parametru nastręczają młyny: udarowe (odśrodkowe i wentylatoro-we) oraz walcowe. W tym przypadku właściwym parametrem wydaje się jednostko-wa moc masojednostko-wa, czyli moc przypadająca na jednostkę masy młyna.
2. Młyny mieszadłowe
Młyny te stosowane są głównie w procesach najdrobniejszego mielenia. Uzyskuje się w nich uziarnienie produktu mielenia o d90 = 8-20 μm. Uziarnienie takie
praktycz-nie praktycz-nie jest możliwe do uzyskania w młynach grawitacyjnych. W zdecydowanej większości młyny zastosowano przy mieleniu na mokro, tylko nieliczne konstrukcje stosuje się do mielenia na sucho. W tych młynach elementy robocze, czyli swobod-ne mielniki, wprawiaswobod-ne są w ruch przez obracający się wirnik, nazywany także mie-szadłem.
Młyny mieszadłowe wymagają nadawy o najdrobniejszym uziarnieniu, w porów-naniu z innymi młynami (grawitacyjnymi, wibracyjnymi czy planetarnymi), które wy-nosi:
– 2-5 mm – przy mieleniu drobnym – poniżej 200 μm,
– 0,1-0,3 mm – przy mieleniu bardzo drobnym i koloidalnym poniżej 10 μm. W wielu przypadkach w tych młynach zachodzi proces domielania materiału – wstępnie zmielonego w młynie grawitacyjnym, lub walcowym.
W procesach masowych zastosowanie znalazły dwa rozwiązania konstrukcyjne dużych młynów mieszadłowych – uwarunkowane położeniem osi geometrycznej mieszadła i komory roboczej. Są to młyny z wirnikiem pionowym (ślimakowym lub trzpieniowym) – rys. 1a i b oraz poziomym – tarczowym z tarczami z otworami – rys. 1 c [33, 23, 11, 15, 24, 17, 42, 2]. W tych młynach stosuje się kilkadziesiąt rozwiązań konstrukcyjnych wirników (mieszadeł) [11, 24, 17, 42]. W obu wariantach młyny te budowane są najczęściej z wirnikiem o osi geometrycznej, pokrywającej się z osią geometryczną zbiornika (komory mielącej).
Rys. 1. Schemat budowy i działania młynów mieszadłowych, stosowanych w procesach ma-sowych: a – z wirnikiem poziomym, b, c – z wirnikiem pionowym: 1 – mlewo (mielony
mate-riał, mielniki i ciecz), 2 – wirnik, 3 – komora, 4 – wlot nadawy, 5 – wylot produktu mielenia, 6 – napęd, 7 – klasyfikator ziarnowy, 8 – pompa, 9 – separator mielników
Do mielenia rud zastosowano najwięcej młynów typu IsaMill (rys. 1 a). Najmniejszy z nich M 1000 o pojemności komory 1 m3 ma zainstalowaną moc 0,5 MW, średni M 3000 o pojemności komory 3 m3 – 1,5 MW, większy M 10 000 o pojemności komory 10 m3 aż 3 MW [23, 49, 17, 47] – taką samą moc ma młyn grawitacyjny o średnicy 5 m i objętości komory 143 m3. Największym młynem mieszadłowym jest młyn M 50 000 o pojemności komory 46 m3, mocy 8 MW, długości 34 m [47]. Przy tej samej zainstalowanej mocy młyn kulowy ma średnicę komory 6,3 m, a pojemność komory 310 m3 [10], czyli około 7 razy większą.
Do mielenia rud stosuje się również młyny z wirnikiem pionowym ślimakowym – rys. 1 b. Są to młyny Vertimill typ VTM [49, 52, 10]. Największe jednostki oznaczono symbolami: VTM-1000 WB, VTM-1250 WB, VTM-1500 WB, VTM-3000 WB oraz VTM-4500 WB mają zainstalowane moce od 600 kW do 3 360 kW, masę od 100 Mg do 725 Mg oraz wysokość 13,5-18,9 m [52], a firma Metso prowadzi prace nad jeszcze większą jednostką VTM-6000 o mocy około 4500 kW [40]. Symbol liczbowy oznacza moc młyna w kM. Największy młyn z wirnikiem pionowym ślimakowym firmy Eirich oznaczony symbolem ETM-1500 [42] ma wysokość 14,9 m i moc 1120 kW. Duże młyny z wirnikiem pionowym – trzpieniowym – rys. 1 c produkuje tylko firma Metso. Ich moc nieznacznie przekracza 1 MW [49]. Duża jednostkowa moc młyna mieszadłowego skutkuje znacząco większym jednostkowym poborem energii – niemal 10-krotnie większym niż w młynie kulowym, zwłaszcza w starszych młynach [11]. W nowych młynach, stosowanych do bardzo drobnego mielenia nawet poniżej 10 μm, jednostkowy pobór energii znacząco maleje, a w pewnych przypadkach jest niższy w młynie grawitacyjnym [32, 38, 52].
Podstawowe parametry dużych młynów mieszadłowych podano w tabeli 1.
Tabela 1. Podstawowe parametry techniczne przemysłowych młynów mieszadłowych
Parametr Jednostki Zakres
Pojemność komory m3 1-46
Wydajność młyna Mg/h 25-350
Prędkość obwodowa wirnika m/s 5-23
Moc silnika MW 0,5-8,0
Masa młyna Mg 25-750
Masa układu mielącego Mg 60-1100
Rezultat ten wynika ze znacznie większej jednostkowej mocy młyna, większych prędkości obwodowych wirnika – przekraczających 20 m/s, właściwego doboru mielników oraz układu wyposażenia układu mielącego (klasyfikatora ziarnowego).
3. Młyny wibracyjne
Młyny te są najbardziej uniwersalne technologicznie. Stosuje się je do mielenia ma-teriałów o twardości całej skali Mohsa, na mokro i na sucho. Wydajność dużych młynów wynosi 40-60 Mg/godz. [32, 27, 42, 7, 6]. Obecnie oferowane są młyny o mocach od 70 kW do 2 MW [14, 43, 48]. Ich zaletą w stosunku do młynów mie-szadłowych jest możliwość mielenia nadawy o uziarnieniu do 40 mm.
W młynach wibracyjnych mielniki otrzymują energię od drgającej komory – kilka-krotnie większą niż w młynach grawitacyjnych. Energię tę można łatwo zwiększać przez wzrost częstotliwości i amplitudy drgań zespołu roboczego, w którym umiesz-czone są komory mielące (od 1 do 6). Ruch drgający tego zespołu generuje mecha-niczny wibrator bezwładnościowy. Młyny te produkują firmy w: Niemczech, Cze-chach, Francji, Japonii, Chinach, Indiach, Turcji, Korei, Rosji, USA i Kazachstanie.
W Polsce nie produkuje się ich seryjnie. Zastosowano jednak kilka polskich pro-totypów. Dwa tego typu młyny o łącznej pojemności komór 230 dm3 i mocy 20,5 kW (opracowane w AGH w 2000 roku) zastąpiły cztery młyny kulowe o łącznej pojem-ności komór 10 400 dm3 i mocy 44 kW w Zakładach Chemicznych „Alwernia”. W młynach miele się tlenek chromu do uziarnienia o p.n.s. 63 µm poniżej 0,05 % [49, 13, 46]. Konstrukcje licencyjne tych młynów znajdują się w programie produk-cyjnym dwóch polskich firm.
Na rys. 2 zamieszczono najnowsze młyny rurowe o eliptycznej trajektorii drgań, rozwijane obecnie w Niemczech, USA i Chinach [41, 14, 48, 9, 45].
Rys. 3. Schematy budowy jednokomorowych rurowych młynów wibracyjnych o eliptycznej trajektorii drgań: a – ESM firmy Siebtechnik i MPW firmy Lyvenus [48,9], b – młyn Vibra-Drum
[45], 1 – komora, 2 – ładunek, 3 – wibrator, 4 – wlot nadawy, 5 – wylot produktu mielenia, 6 – przegroda sitowa, 7 – wspornik, 8 – obciążnik, 9 – silnik, 10 – podparcie sprężyste
Młyny wibracyjne, w porównaniu z młynami grawitacyjnymi o zbliżonych parametrach technologicznych, charakteryzują się [11, 32, 1]:
– większą możliwością wytworzenia produktu mielenia o znacznie drobniej-szym uziarnieniu, węższej klasie ziarnowej, ostrych krawędziach ziaren, w tym możliwością mielenia ziaren płytkowych oraz igiełkowych,
– niższym o około 4-10 razy jednostkowym poborem energii na proces miele-nia,
– niższą o około 4-5 razy masą młyna i kosztem mielników 6-8 razy,
– mniejszą powierzchni zabudowy około 3-4 razy i kubaturą młynowni 4-20 razy,
– łatwością łączenia z układami dozowania nadawy i odbioru produktu miele-nia.
W stosunku do młynów mieszadłowych młyny wibracyjne cechują się [11, 24]: – większym o około 4-10 razy maksymalnym wymiarem ziaren nadawy, – znacznie większym udziałem ziaren ostrokrawędzistych w produkcie
miele-nia,
– mniej skomplikowaną budową i łatwiejszą obsługą,
– kilkakrotnie mniejszym zużyciem mielników i wykładziny komory.
Mielenie w tych młynach przeprowadza się w środowisku powietrza lub wody. Wadą starszych młynów wibracyjnych jest emisja hałasu o ciśnieniu akustycznym 90-105 dB (bez obudowy). Prace nad nowymi młynami o mniejszej szkodliwości dla otoczenia prowadzone są w wielu ośrodkach, m.in. w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie [27, 30, 31] oraz w Technische Universität (TU) w Clausthal [9].
W tabeli 2 podano parametry rurowych młynów wibracyjnych: Palla 65U [1] oraz GSM 2506 – [6], ESM-856 [14], Vibra-Drum [45] oraz MPV firmy Lyvenus [48]. Wy-dajność młyna wibracyjnego uwarunkowana jest rodzajem mielonego materiału, uziarnieniem nadawy i produktu mielenia oraz budową układu mielenia i może się dla tego samego młyna różnić nawet 20 razy.
Tabela 2. Podstawowe parametry techniczne dużych młynów wibracyjnych
Parametr
Jed-nostka Palla 65U GSM 2506 ESM -856
Vibra-Drum
MPV
Średnica komory m 0,65 0,53 0,82 1,83 3,5
Długość komory m 4,0 2,12 5,9 4,57 15
Liczba komór w młynie szt. 2 6 1 1 1
Pojemność komór m3 2,66 2,82 1,90 12,0 144
Częstotliwość drgań Hz 16 16 16 20 ---
Masa młyna Mg --- 14,5 17 --- ---
Masa mielników stal. Mg 11 10,8 7,1 --- ---
Moc silnika wibratora kW 160 160-200 160 74 2000
Wydajność Mg/godz 5-30 40-60 6,3 --- ---
Najnowsze konstrukcje młynów wibracyjnych to jednokomorowe rurowe młyny Siebtechnik [14], Vibra-Drum [43, 45] oraz cztery typoszeregi młynów firmy Lyvenus [48]. Oryginalną konstrukcją są amerykańskie młyny Vibra-Drum, których zespoły robocze napędzane są przez elementy sprężyste podwójnymi elektrowibratorami handlowymi. Firma General Kinematics wyprodukowała kilkanaście prototypów, typoszereg młynów przemysłowych o mocy do 74 kW oraz szereg większych jednostek, których parametrów nie podaje. Zastosowano je do mielenia wielu materiałów, w tym rudy miedzi. Komorę młyna Vibra-Drum wprawia w ruch drgający element pośredni poprzez zestaw elementów sprężystych. Element ten napędzany jest przez dwa synchronizujące się handlowe elektrowibratory i jest podparty sprę-żyście na ramie młyna. Tego rodzaju napęd komory młyna wibracyjnego stosuje tylko ta firma. Rozwiązanie to zapewnia pracę młyna w pobliżu rezonansu, co skut-kuje niższym o około 40% poborem energii w stosunku do wszystkich znanych młynów wibracyjnych.
Największe młyny wibracyjne oferuje chińska firma Lyvenus. W ofercie firma ta ma sześć typoszeregów dużych młynów zawierających po sześć młynów o mocy od 75 kW do 2 MW. Maksymalna pojemność komór przekracza 140 m3. Niestety firma ta nie podaje dokładniejszych informacji o tych młynach. Jeden z takich młynów zastosowano w cementowni do mielenia cementu.
4. Młyny planetarne
Jednym z młynów planetarnych jest młyn o handlowej nazwie Hicom. W literaturze anglojęzycznej nazywany jest „centrifugal mill”, przy czym nazwa ta stosowana jest także do młynów odśrodkowych oraz wibracyjnych o kinematycznym wymuszeniu ruchu drgającego. Budowa tego młyna, o promieniu mimośrodu jarzma nadającego ruch obrotowy komory mniejszym od promienia komory, wskazuje, że właściwa jego nazwą to młyn obrotowo-wibracyjny, lub wibracyjny o pionowej osi komory [46, 51].
Schemat budowy i działania tego młyna zamieszczono na rys. 3. Podstawowe pa-rametry techniczne produkowanych młynów podano w tabeli 3.
Rys. 3. Schemat budowy i działania młyna planetarnego Hicom: 1 – komora, 2 – mlewo, 3 – wlot nadawy, 4 – wylot produktu mielenia, 5 – napęd komory,
6 – silnik, 7 – pokrywa z łożyskiem, 8 – podstawa
Tabela 3. Podstawowe parametry techniczne młynów Hicom [4]
Model, moc (kW) Masa, Mg Wysokość, mm Powierzchnia zabu-dowy (mm mm) Prędkość obrotowa, obr/min Pojemność komory, dm3 110 8,2 4050 1,260 2,620 730 60 350 33,7 4700 3970 5100 425 200 500 36,5 4900 3,970 5,650 350 300 750 74,2 6400 4,950 6,400 280 420 1 000 78,0 6600 4,950 7,000 250 600
Młyny Hicom użytkowane są również jako młyny autogeniczne. W tej wersji mają moc jednostkową w zakresie 1500-1780 kW/m3, czyli około 6 razy większą niż w wysokoenergetycznych młynach mieszadłowych i około 100 razy większą niż w młynach grawitacyjnych. W niektórych młynach wskaźnik ten osiąga ogromną wartość 2500 kW/m3 [22]. Młyn Hicom 1000 przy mieleniu kamienia wapiennego do uziarnienia o d97 = 20 µm osiąga wydajność 27 Mg/godz., przy koloidalnym mieleniu
do d97 = 5 µm – wydajność 8 Mg/godz. – przy pojemności komory tylko 0,6 m 3
.
5. Młyny udarowe
Młyny udarowe, bezmielnikowe stanowią największą grupę młynów. Stosuje się je w przemysłach: ceramicznym, chemicznym oraz energetyce do mielenia węgla kamiennego oraz brunatnego. Młyny te mielą na sucho materiały o twardości poniżej 4 w skali Mohsa. Eksperymentalną wersję tego młyna zastosowano do mielenia
rudy miedzi na sucho [10]. W Polsce w 2011 r. amerykański młyn udarowy o wydajności około 100 Mg/godz. zastosowano do mielenia sorbentu wapniowego.
Młyny te mają największe zróżnicowanie budowy – uwarunkowane własnościami fizycznymi rozdrabnianego materiału, ich wydajnością, zastosowaniem oraz polityką patentową firm. Stosuje się je do mielenia materiałów miękkich o twardości w skali Mohsa 2-4. Główny podział młynów dotyczy ich budowy, sposobu działania i rozróżnia młyny [11, 19, 28]: młotkowe, bijakowe, odśrodkowe i wentylatorowe.
Młyny te eksploatowane są w dwóch wariantach: bez separatora pneumatycznego oraz z wbudowanym separatorem. Rozdrabnianie udarowe w tych młynach zachodzi analogicznie jak w kruszarkach udarowych. Główne różnice dotyczą budowy młyna i prędkości rozdrabniania. W porównaniu z kruszarkami elementy robocze młynów (młotki, bijaki, trzpienie) mają mniejsze wymiary, w rusztach znajdują się mniejsze otwory, mniejsze szczeliny występują też pomiędzy elementami roboczymi a rusztem. Elementy robocze młynów mają znacznie większe prędkości – najczęściej 80-120 m/s, a w wielu rozwiązaniach dochodzą do 200 m/s.
Nadawa do młynów ma zwykle uziarnienie poniżej 40 mm, a przy produkcie mielenia o uziarnieniu około 5-100 μm poniżej 10 mm. Schematy budowy działania najczęściej stosowanych młynów udarowych przedstawiono na rys. 4.
Rys. 4. Schematy budowy i działania młynów udarowych: a – wentylatorowego, b – odśrod-kowego: 1 – wirnik, 2 – wykładzina, 3 – wał wirnika, 4 – wlot nadawy, 5 – wylot produktu
mie-lenia, 6 – napęd, 7 – strefa separacji, v – kierunek prędkości ziaren
Przy eksperymentalnym mieleniu na sucho rud miedzi i cynku w młynie udaro-wym o wydajności 8 Mg/godz., otrzymano produkt mielenia o uziarnieniu 95% poni-żej 300 μm, z którego uzysk koncentratów rudy był większy o 20% niż z produktu mielenia z młyna kulowego o uziarnieniu poniżej 74 μm [10]. Niektóre parametry młynów wentylatorowych do mielenia węgla podano w tabeli 4 [3].
Tabela 4. Podstawowe parametry techniczne dużych młynów wentylatorowych [3]
Typ młyna Wydajność,
Mg/godz Moc silnika, kW Prędkość obrotowa, obr/min Średnica wirnika, mm NV40 40 560 750 2250 NV110 110 1100 450 3600 NV130 130 1300 420 4000
Młyny walcowe – ciśnieniowe
Młyny walcowe, a właściwie walcowo-złożowe, jak określa je pierwsza nazwa ich twórcy prof. K. Schönerta, czyli Gutbett Walzenmühle [4], nazywane przez niektó-rych producentów prasami walcowymi, są coraz powszechniej stosowane. W Polsce zastosowano dwa młyny w cementowni i w zakładach wapienniczych. Znane są cztery odmiany tych młynów omówione szerzej w pracy [28]:
młyn walcowy HPGR z dwoma jednakowymi walcami o osiach geometrycznych usytuowanych w płaszczyźnie poziomej [18, 4, 28], (rys. 5 a),
młyn z dwoma walcami, o tej samej średnicy o osiach geometrycznych usytuowanych w płaszczyźnie pochylonej do poziomu pod kątem ostrym – BETA-MILL [40] (rys. 5 b), oraz wersja z trzema walcami (Multiroller),
młyn z jednym walcem umieszczonym w walcowej komorze, dociskanym do jej wewnętrznej powierzchni – Horo MilL [8, 44], (rys. 5 c),
młyn z jednym głównym walcem roboczym, do którego dociskane są trzy rolki rozdrabniające o osiach geometrycznych równoległych do osi geometrycznej głównego – PREMILL [12].
Najbardziej popularne są młyny HPGR (high pressure grinding rolls), mniej znane młyny BETA Mill. Młyny Horo Mill zastosowano w przemyśle cementowym, młyny PREMILL o wydajności poniżej 30 Mg/godz. są najrzadziej stosowane.
Młyny walcowe produkują firmy z Niemiec, USA, Francji, a także Japonii i Chin. Podstawowe parametry młynów HPGR podano w tabeli 5 [28].
Rys. 5. Schemat budowy i działania młynów walcowych: a – HPGR, b - Beta Mill, c – Horo Mill, 1 – rolka o osi nieruchomej, 2 – rolka o osi ruchomej, 3 – układ docisku rolki, 4 –
zasob-nik nadawy, 5 – rama, 6 – wsporzasob-nik, 7 – podajzasob-nik, 8 – komora, 9 – dźwignia, 10 – zgarniak, 11 – odbojnik, 12 – łożyskowanie komory
Tabela 5. Podstawowe parametry techniczne młynów walcowych HPGR [28]
Parametr Jednostka Najmniejsze Największe
Średnica robocza walca M 0,75 2,6
Długość robocza walca M 0,25 1,8
Zabudowa: długość x szerokość M 3,8 x 3,0 13,65 x 7,75
Wysokość instalacji M 2,0 5,2
Wydajność Mg/h 10 4200
Moc zainstalowana kW 2 x 100 2 x 5 700
6. Sondażowe badania porównawcze mielenia rudy miedzi w młynach wibracyjnym i kulowym – ocena możliwości technologicznych
młyna wibracyjnego
Celem badań było porównanie możliwości technologicznych, w laboratoryjnych młynach: wibracyjnym i grawitacyjnym - kulowym, pod względem szybkości procesu mielenia oraz uzysku miedzi w procesie flotacji dla nadawy, będącej produktami procesu mielenia z obu tych maszyn. Cel badań obejmował również wstępną ocenę właściwości powierzchni minerałów miedzi w obu produktach mielenia z obu młynów w aspekcie wzbogacalności na drodze flotacji, w celu uzyskania jak największego uzysku miedzi.
Stanowisko badawcze laboratoryjnego młyna wibracyjnego o działaniu okresowym (widok i schemat) przedstawiono na rys. 6 [27, 30, 31]. Parametry młyna: częstotliwość drgań 12 Hz – najniższa z możliwych (w młynach przemysłowych wynosi około 16 Hz), liczba Froude'a 5,9, komora stalowa o średnicy 0,21 m i pojemności 2,2 dm3, mielniki stalowe.
Młynem kulowym był standardowy młyn Bonda o średnicy komory 0,305 m, pojemności 22,3 dm3, o prędkości obrotowej 70 obr/min. Nadawą do mielenia była ruda miedzi z O/ZWR KGHM PM Rejon Polkowice – z przewagą węglanów o uziarnieniu poniżej 3,15 mm.
Rys. 6. Stanowisko badawcze laboratoryjnego młyna wibracyjnego: a – widok, b – schemat budowy, 1 – komora, 2 – tarcza – uchwyt komory, 3 – moduł napędu, 4 – silnik wibratora,
5 – układ sterowania i zasilania, 6 – podstawa
Przeprowadzono trzy próby mielenia w młynie wibracyjnym różniące się czasem mielenia, który wynosił: próba „W1 – 4 minuty, W2 – 5,5 minuty i W3 – 7 minut. Czas mielenia jednej próby K1 w młynie kulowym wynosił 60 minut. Wyniki badań produktów mielenia obu młynów, z prób W3 i K1 podano w tabeli 6. W obu młynach zachowano ten sam stosunek rudy do wody. Uziarnienie zmielonej rudy oznaczono aparatem Analysette 22 i na ich podstawie oszacowano udziały klas ziarnowych 0-20 μm; 0-45 μm 0-71 μm, które porównawczo zestawiono w tabeli 6.
Tabela 6. Program i wyniki sondażowych badań porównawczych mielenia rudy Młyn Masa kul, kg Masa rudy, g Obję-tość wody, ml Stosunek mkul/mrudy Czas miele-nia, min Udział klasy, % 0-71 μm 0-45 μm 0-20 μm Kulowy 16 685 465 23,4 60 99,27 95,22 75,57 Wibracyjny 7,6 950 645 8,0 7 93,34 84,31 60,31
Uzysk miedzi otrzymany we flotacji czyszczącej poszczególnych próbek wynosił: K1 – 73,82%; W1 – 76,91%; W2 – 71,63%, W3 – 81,64%, przy zawartości Cu w koncentracie, wynoszącej odpowiednio K1 = 7,96%; W1 = 15,29%; W2 = 15,47%;
W3 = 17,64%.
Otrzymane wyniki sondażowych badań wskazują, że w młynie wibracyjnym w czasie blisko 9 razy krótszym, przy znacznie gorszych warunkach technologicz-nych (trzy razy mniejszym stosunku masowym mielników do rudy), otrzymano nie-wiele gorsze parametry uziarnienia oraz ponad 10% większy uzysk miedzi. Uzysk miedzi w próbce W1 o krótszym czasie mielenia – 4 minuty, czyli 15 razy krótszym, był zbliżony do uzysku otrzymanego w młynie kulowym. Za bardzo obiecujące nale-ży uznać wyższe wartości zawartości Cu w koncentracie uzyskanym z rudy zmielo-nej w młynie wibracyjnym, w porównaniu z młynem konwencjonalnym. Niska zawar-tość miedzi w koncentracie wynikała ze zbyt grubego uziarnienia nadawy do flotacji oraz uproszczonego schematu (brak domielania półproduktów) z uwagi na sonda-żowy charakter badań.
Podsumowanie
Procesy drobnego i bardzo drobnego mielenia rud, surowców mineralnych i węgla są bardzo energochłonne. W Polsce przeprowadza się je, niemal wszystkie, w mły-nach grawitacyjnych, charakteryzujących się najniższą sprawnością.
W świecie, oprócz nowych konstrukcji młynów grawitacyjnych (kulowych, AG i SAG) o zainstalowanych mocach dochodzących do 20-35 MW, do praktyki prze-mysłowej wprowadza się młyny wysokoenergetyczne, takie jak: walcowe, miesza-dłowe, wibracyjne, planetarne i udarowe.
W ostatnich latach nastąpił znaczny wzrost wydajności wszystkich młynów zwłaszcza młynów wysokoenergetycznych, czyli młynów, w których moc jednostko-wa jest od kilka do kilkadziesiąt razy większa od mocy jednostkowej najbardziej popularnych młynów grawitacyjnych, mieszadłowych i udarowych.
Obserwuje się również wzrost ich zainstalowanej mocy, która w przypadku mły-nów mieszadłowych wzrosła z 3 MW do 8 MW, wibracyjnych z 0,2 MW do 2 MW, planetarnych z 0,1 MW do 1 MW, udarowych z 0,6 MW do 1,3 MW i walcowych z 0,6 MW do 11,4 MW.
Jednym z ważniejszych czynników obniżenia energochłonności jest zwiększenie wskaźnika mocy jednostkowej, którego nie można zwiększać w młynach grawitacyj-nych. Najmniejszy wzrost tego wskaźnika od 3 do 5 razy ma miejsce w młynach wibracyjnych. W młynach mieszadłowych wskaźnik ten jest większy od 10 do 20 razy od wartości tego wskaźnika dla młynów grawitacyjnych. Gigantyczną wartość tego wskaźnika – 1670 kW/m3 ma młyn Hicom o mocy 1 MW (około 100 razy większą
od młyna kulowego). Młyn ten przy bardzo drobnym mieleniu kamienia wapiennego do uziarnienia o d97 = 20 µm osiąga wydajność 27 Mg/godz w komorze o objętości
0,6 m3. Taki rezultat można uzyskać w młynie grawitacyjnym o pojemności komory minimum 50 m3 i zainstalowanej mocy 3 MW.
Obniżenie energochłonności można uzyskać również przez zastosowanie co najmniej dwóch stopni rozdrabniania, przy czym na pierwszym stopniu powinna być kruszarka lub młyn walcowy, a na drugim młyn wysokoenergetyczny, np. wibracyjny, mieszadłowy.
Dobrą przydatność technologiczną, z możliwością mielenia na sucho i na mokro, do uziarnienia d97 = 10-50 µm i wydajność 40-100 Mg/godz. mają młyny wibracyjne.
Młyny te mają mniejszy jednostkowy pobór energii, w porównaniu z młynami mie-szadłowych, przy ponad kilkukrotnie „grubszym” uziarnieniu nadawy [11].
Porównanie młynowni, w której zastosowano młyny wibracyjne z młynownią wy-posażoną w młyny grawitacyjne, w warunkach przemysłowych przy mieleniu tego samego materiału o tej samej wydajności podano w pracach [27, 29]. Młynownię z czterema młynami grawitacyjnymi (kulowymi) o masie 16 Mg z mielnikami o masie 2,8 Mg zastąpiono dwoma młynami wibracyjnych o masie 4,3 Mg z mielnikami o masie 0,36 Mg. Dodatkową zaletą zastosowania młynów wibracyjnych oprócz obniżenia (około połowy) poboru energii, było obniżenie poziomu ciśnienia aku-stycznego w młynowni z około 100 dB – dla młynów grawitacyjnych do 84 dB – dla młynów wibracyjnych.
Wyniki sondażowych badań porównawczych, w których młyn wibracyjny praco-wał przy znacznie mniej korzystnych parametrach technologicznych od młyna kulo-wego, najniższej z możliwych częstotliwości drgań oraz dziesięciokrotnie mniejszej komorze, pomimo „grubszego” uziarnienia produktu mielenia, spowodował zwięk-szenie uzysku Cu o 10%.
Bardzo dobre rezultaty technologiczne otrzymane w młynie wibracyjnym stano-wią punkt wyjścia do przeprowadzenia kolejnych badań, uwzględniających zarówno wpływ parametrów technologicznych, konstrukcyjnych, jak i kinematycznych młyna wibracyjnego w aspekcie uziarnienia zmielonej rudy oraz podatności na flotację.
Planuje się również badania rozdrabniania rudy miedzi w innych wysokoenerge-tycznych kruszarkach i młynach oraz ich układach technologicznych przygotowania rudy do flotacji. Wyniki tych badań umożliwią przeprowadzenie weryfikacji przydat-ności tego rodzaju maszyn rozdrabniających w warunkach przemysłowych i określenie wskaźników technologiczno-ekonomicznych tego typu rozwiązań.
Bibliografia
[1] Andres K., Haude F., 2010, Application of the Palla vibrating mill in ultra fine grinding circuits, The Journal of The Southern African Institute of Mining and Metallurgy, vol. 110, s. 125-131.
[2] Basics in Mineral Processing, 2010, Edition 7.
[3] Effenberger, H., 2000, Dampferzeugung. Berlin u.a.: Springer-Verlag.
[4] Feik H.J., McClaskey J.D., 2003, Gutbettwalzenmühlen für die Zerkleinerung von Erzen und Mineralen, Aufbereitungs Technik 44, No. 11-12, s. 53-73.
[5] Foszcz D., Gawenda T., Krawczykowski D., 2006, Porównanie rzeczywistego i wyzna-czonego teoretycznie zużycia energii dla młyna kulowego, Górnictwo i Geoinżynieria, kwartalnik Akademii Górniczo-Hutniczej, z. 3/1, UWND AGH, Kraków, s. 79-90.
[6] Gämmerler H., 1973, Einrohr- und Sechsrohr-Schwingmühlen als Begrenzungen einer Typenreihe für den Produktionseinsatz. Aufbereitungs-Tech, No 3, s. 173-175.
[7] Gämmerler H., 1972, Neuentwickelte Vierrohr-Schwingmühle, Aufbereitungs-Technik, No 4, s. 244-247.
[8] Genc Ö., Benzer A.H., 2009, Horizontal roller mill (Horomill) application versus hybrid HPGR/ball milling in finish grinding of cement, Minerals Engineering 22, s. 1344-1349. [9] Gock E., Zamani A., 2013, Innovatives Aufbereitungs und Agglomerationsverfahren für
Hüttenreststoffe (INAH), TU Clausthal.
[10] High quality artificial sand with Titan D VSI, www.vsi-crusher.com
[11] Höffl K., 1985, Zerkleinerungs- und Klassiermaschinen. Leipzig, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie.
[12] Horizontal Roller Mill PREMILL www.pspengineering.cz
[13] http://cement.org/manufacture/pdf/Todd%20Danielczyk%20%202007%20Fall%20Techn ical%20Session%20Presentation.pdf.
[14] http://www.siebtechnik-gmbh.de/fileadmin/user_upload/PDF/en/Abt2/wb238e.pdf. [15] Jankovic A., Valery W., La Rosa D., 2011, Fine Grinding In The Australian Mining
Indus-try, Metso Minerals Process Technology Australia and Asia-Pacific www.metso.com. [16] Kellerwessel, H., 1989, Eine Monografie über Grundlagen und Praxis der
Gutbettzer-kleinerung mit Rollenpressen KHD Humboldt Wedag AG Forschungs- und Entwick-lungsberichte, s 1-53.
[17] Kwade A., Blecher L., Schwedes J., 1995, Motion and stress intensity of grinding beads in a stirred media mills – Part 2. Powder Technology, vol. 86, s. 69-76.
[18] Morley C. 2010,: HPGR – FAG, The Journal of The Southern African Institute of Mining and Metallurgy, vol. 110 Refereed Paper March s. 107-115.
[19] MVT_e_2 neu Mechanische Verfahrenstechnik – Partikeltechnologie Zerkleinerung, Prof. Dr. J. Tomas ,16.03.2014.
[20] Ntsele J., Allen J., 2012, Technology Selection Of Stirred Mills For Energy Efficiency In Primary And Regrinding Applications For The Platinum Industry, The Southern African Institute of Mining and Metallurgy Platinum, s. 781-808, www.saimm.co.za.
[21] Pasher C.I., 1987, Crushing and Grinding Process Handbook Ed. J. Wiley, Chichester. [22] Paul W., Cleary P.W., Sawley M.L., 1999, Three-Dimensional Modelling of Industrial
Granular Flows, Second International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries CSIRO, Melbourne, Australia 6-8, X s. 95-100.
[23] Pease J.D., Young M.F., Curry D.C., Fine Grinding as Enabling Technology – The Is-aMill, Xstrata Technology, Xstrata, www.isa.mill.com 1-02-2013.
[24] Rule C.M., 2010, Stirred Milling – New Comminution Technology in the PGM Industry, The Journal of the Southem African Institute of Mining and Metallurgy, vol. 111, s. 101-107.
[25] Rumpf H., 1977, Problems of Scientific Development in Particle Technology, Looked Upon from a Practical Point of View, Powder Technology, nr 7, s. 3-17.
[26] Saramak D., Tumidajski T., Brożek M., Gawenda T., 2010, Naziemiec Z., Aspects of comminution flowsheets design in processing of mineral raw materials, Gospodarka Surowcami Mineralnymi, t. 26, Z.4, s. 59-69.
[27] Sidor J., 2005, Badania, modele i metody projektowania młynów wibracyjnych, Rozpra-wy Monografie nr 150, UWND AGH, Kraków.
[28] Sidor J., 2015, Młyny walcowe w procesach wstępnego i finalnego rozdrabniania surow-ców, rud i cementu, Monografia „Innowacyjne i Przyjazne Dla Środowiska Techniki i Technologie Przeróbki Surowców Mineralnych Bezpieczeństwo – Jakość – Efektyw-ność”, ISBN 978-83-60708-85-9, s. 123÷135, Gliwice.
[29] Sidor J., 2009, Opracowanie konstrukcji młyna wibracyjnego do bardzo drobnego mie-lenia na mokro tlenku chromu, Inżynieria i Aparatura Chemiczna; ISSN 0368-0827, t. 48, nr 4, s. 114-115.
[30] Sidor J., 2011, Projecting of vibrating mills, Advanced Grinding: 25th Anniversary of the Comminution in Bydgoszcz, Wyd. Fundacji Rozwoju Mechatroniki, s. 225÷241, Bydgoszcz.
[31] Sidor J., 2011, Rozwój technologii wytwarzania proszków z zastosowaniem młynów wibracyjnych, Powder & Bulk – Materiały Sypkie i Masowe; ISSN 1899-2021, wyd. spec. s. 19-23.
[32] Sidor. J., 2014, Kierunki rozwoju młynów do mielenia rud i surowców mineralnych, Me-chanizacja, automatyzacja i robotyzacja w górnictwie, Monografia, Centrum Badań i Dozoru Górnictwa Podziemnego Lędziny, Katedra Maszyn Górniczych, Przeróbczych i Transportowych AGH w Krakowie, s. 180-193.
[33] Tamblyn J.R., 2009, Analysis of Energy Requirements in Stirred Media Mills, The Uni-versity of Birmingham.
[34] Tamblyn R.J., 2009, Analysis of Energy Requirements in Stirred Media Mills, School of Chemical Engineering. The University of Birmingham
[35] Trybalski K., Krawczykowski D., 2005, Energetyczne wskaźniki oceny procesu mielenia rudy miedzi i ich modelowanie, Górnictwo i Geoinżynieria, z. 4, s. 183-193.
[36] Trybalski K., Foszcz D., Konieczny A., 2007, Analiza pracy układu technologicznego mielenia i flotacji z wykorzystaniem modeli blokowych, transmitancyjnych oraz programu Simulink Matlab, Górnictwo i Geoinżynieria, Akademia Górniczo-Hutnicza, 31, z. 3/1, Kraków s. 555-573.
[37] Trybalski K., Tumidajski T., Foszcz D., Konieczny A., Pawlos W., 2007, Analysis of possibilities of grinding process improvement by selection of grinders work parameters, ICNOP: VIII międzynarodowa konferencja przeróbki rud metali nieżelaznych, VIII Inter-national Conference on Non-ferrous Ore Processing, 21-23 maja 2007, Wojcieszyce, Mat. konf. red. A. Antoniuk, D. Zagozdon-Pluskota, KGHM CUPRUM CBR, Instytut Metali Nieżelaz-nych, KGHM Polska Miedź S.A. KGHM Cuprum CBR, s. 117-136. [38] www.airpreheatercompany.com [39] www.bhs-sonthofen.com [40] www.cmpag.com/cmpag/beta-mill [41] www.convencionminera.com [42] www.eirich.com [43] www.e-mj.com/features/3731-putting-destructive-vibratory-energy-to-productive-use-in-grinding [44] www.fivesgroup.com [45] www.generalkinematics.com [46] www.hicom-mill.com [47] www.isamill.com [48] www.lyvenus.net [49] www.metso.com [50] www.polysius.fr [51] www.ralphemlynmorgan.com [52] www.rgmk.rs [53] www.tenovagroup.com
