Разработка методов расчета и оптимизации технологических параметров мельниц мокрого самоизмельчения алмазосодержащих руд

Сырьевая база АК «АЛРОСА» является наиболее крупной в мире и представлена коренными, россыпными и техногенными месторождениями, основная часть запасов которых сосредоточена в Западном регионе Якутии. На Удачнинский, Айхальский и Мирнинский ГОКи приходится основной объем добычи алмазов. Все фабрики данных ГОКов имеют схожую технологическую цепочку обогащения. Мельницы мокрого самоизмельчения являются практически единственным способом подготовки алмазосодержащего сырья после дробления (грохочения) к обогащению[1,2].

В настоящее время на фабрике № 12 УГОКа установлены мельницы Сызранского и японского производства диаметром барабана 9 метров, на фабрике № 14 Айхальского ГОКа и на фабрике № 3 Мирнинского ГОКа работают мельницы Сызранского завода диаметрами барабана соответственно 10,5 м. и 7 м. Все барабаны мельниц имеют запроектированную частоту вращения, поэтому движение материала внутри барабана соответствует определенным режимам [3,4].

Изменяя режимы работы мельниц (прилифтерный, водопадный, каскадный), можно внутри барабана влиять на процессы, происходящие при вращении крупнокуского материала и взаимодействии отдельных крупных кусков друг с другом и лифтерами. При этом можно увеличивать (уменьшать) количество стадий дробления и самоизмельчения, а также влиять на сохранность алмаза вследствие его физико-механических свойств [5, 6, 7].

Сохранность алмаза во многом зависит от крупности материала и режима работы мельницы самоизмельчения. При этом было установлено на основании экспериментальных данных и теоретических расчетов, что рациональное число оборотов барабана мельницы составляет 0.75пкр, где пкр — критическая скорость вращения барабана, при которой груз вращается по круговым траекториям и не покидает лифтеров даже в верхней точке круговой траектории. Поэтому и японские и сызранские мельницы запроектированы с постоянным числом оборотов 0.75пкр.

В настоящее время институты Иргиредмет [4, 5] и Якутнипроалмаз [7, 8, 9, 18] провели в промышленных условиях целый ряд испытаний, при которых изменялась частота вращения барабана мельницы и определялись производительность, затраты электроэнергии и сохранность алмазов. Получены положительные результаты. Однако задача определения оптимальной частоты вращения барабана мельницы не была решена из-за несовершенства методического обеспечения проведения экспериментальных исследований, при выполнении которых не были учтены факторы, влияющие га работоспособность ММС (надежность, эффективность работы и др.).

Основными причинами, снижающими надежность и эффективность работы ММС в промышленных условиях является внезапные и постепенные отказы их узлов и механизмов. Анализ литературных источников [10, 11, 12, 13] показал, что надежность ММС оказывает решающее влияние на эффективность их работы. В тоже время, вопросы выбора оптимальных режимов мельницы, в зависимости от структурно-механического состояния руды внутри барабана, недостаточно изучены, а существующие методы их расчета и выбора параметров не учитывают многих факторов, влияющих га работу мельницы [11, 14, 15, 16, 17].

Поэтому в данной работе предпринята попытка теоретически определить оптимальную частоту вращения барабана с учетом структурно-механического состояния руды внутри него и параметры в зависимости от условий эксплуатации. В работе исследовались режимы работы, при которых внутри барабана мельницы одновременно существовали прилифтерный, водопадный и каскадный режимы. Выбор наиболее эффективного режима работы мельницы зависит прежде всего от частоты вращения барабана, при которой минимальные затраты энергии на подъем груза и повреждаемость алмаза. Установлено экспериментально, что вероятность возникновения повреждаемости алмазов, при прилифтерном режиме составляет 0.001, при водопадном увеличивается в 3−5 раз и при каскадном снижается ниже уровня 0.001 [18]. Задача оптимизации работы ММС в зависимости от структурномеханического состояния руды внутри барабана и технологических параметров мельницы и расчет параметров является актуальной и ее решение имеет важное отраслевое значение.

Работа выполнена в соответствии с межотраслевой программой алмазодобывающей промышленности «Качество основной продукции предприятий АК «АЛРОСА», утвержденной (21 марта 2001, № 29, утвержденной президентом компании Штыровым В.А.) — госбюджетной НИР ПТИ (ф) ЯГУ «Разработать методы и средства управления надежностью машин и сооружений для условий Якутии», утвержденной Министерством высшего образования и науки РФ 15 января 2002 года (госзаказ параграф 53) — госбюджетной НИР ПТИ (ф) ЯГУ «Алмазы. Золото. Интенсификация переработки и обогащения алмазосодержащих руд», выполняемой по постановлению Правительства PC (Я) (заказ РС (Я) параграф 55).

Идея работы заключается в учете влияния структурно-механического состояния насыпного груза внутри мельницы на расчет и оптимизацию его параметров.

Целью работы является повышение эффективности работы мельниц мокрого самоизмельчения в условиях горных предприятий алмазодобывающей промышленности путем выбора, расчета и оптимизации их параметров.

Научные положения, защищаемые в работе:

1. Прилифтерный, каскадный, водопадный режимы работы ММС возникают внутри барабана в зависимости от скорости его вращения меньших критического значения, которые для ММС пропорциональны корню квадратному из диаметра барабана, и оцениваются математической моделью, описывающей для каждого режима взаимосвязь между высотой подъема материала, параметрами ММС и характеристиками материала.

2. Конструктивные параметры ММС, условия их эксплуатации и уровень обслуживания отображаются только теми вероятностными моделями надежности, у которых оценки параметров не выходят за пределы доверительного интервала, а их адекватность реальным условиям оценивается данными эксплуатации.

3. Износ рабочих лифтеров ММС под действием материала внутри ММС зависит от абразивно-усталостного их состояния и от контактных напряжений на сферической поверхности индентора. Причем процесс абразивно-усталостного износа и резания лифтеров зависит от контактных напряжений на его поверхности, частоты вращения барабана и его заполнения материалом и оценивается моделями контактного сжатия, учитывающие характеристики материала, параметры индентора и динамику их взаимодействия.

Научная новизна полученных результатов:

1. Впервые разработаны математические модели взаимодействия руды с элементами барабана, учитывающие его структурно-механическое состояние, случайное взаимодействие частиц и скорость вращения, позволяющие определить оптимальные параметры, при которых происходит минимум затрат энергии на измельчение руды.

2. Получены новые закономерности взаимодействия руды внутри барабана с его элементами при различных физико-механических свойствах, позволяющие определить оптимальную скорость вращения барабана.

3. Впервые определены экспериментально амплитудно-частотные характеристики процесса вибрации основных узлов, деталей ММС, по которым можно прогнозировать их техническое состояние.

4. Установлены вероятностные и регрессионные модели распределения вероятностей наработки на отказ (восстановления) ММС и их узлов, оценки параметров которых получены для определенных конструкций и условий эксплуатации. При этом значения этих оценок находятся в пределах доверительного интервала.

5. Обосновано новое перспективное направление исследований для ММС — управление их надежностью путем разработки методов расчета, оптимизации параметров и прогнозирование надежности, что позволило научно обосновать техническое решение, внедрение которого внесло значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.

Практическое значение полученных результатов:

1. Разработана методика расчета и оптимизации параметров ММС в зависимости от условий эксплуатации и структурно-механического состояния руды внутри мельницы.

2. Разработана методика прогнозирования надежности ММС по данным эксплуатации, позволяющая для различных условий работы мельниц выбрать наиболее совершенную конструкцию.

3. Разработана методика прогнозирования надежности ММС по данным вибродиагностики, позволяющая в промышленных условиях определить по информативным параметрам техническое состояние ММС.

4. Разработаны рекомендации по совершенствованию конструкции ММС и оптимизация их параметров. Рекомендации внедрены на предприятиях АК «АЛРОСА».

5. Разработаны новые методы расчета и оптимизации параметров ММС в зависимости от условий их эксплуатации.

Достоверность научных положений подтверждается:

1. Опытно-промышленной проверкой предложенных рекомендаций на действующих ММС в условиях горных предприятий алмазодобывающей промышленности.

2. Представительными данными эксплуатации, лабораторных и промышленных исследований, выполненных на ММС с учетом «коэффициента трудности» эксплуатации, метрологии, современных методов испытаний, что обеспечило требуемую точность измерения.

3. Сопоставимостью результатов теоретических исследований с данными лабораторных и промышленных экспериментов с погрешностью не превышающей 15−20%.

4. Научно — обоснованными допущениями, базирующимися на фундаментальных положениях теории сыпучей среды упругости, статистики и случайных процессов.

Личный вклад автора состоит в определении цели, идеи работыпостановки задач исследованияобосновании научных положений, выводов и рекомендаций и методов расчета и оптимизации параметров ММС. Экспериментальная часть работы выполнена совместно с сотрудниками лаборатории рудоподготовки и основных методов обогащения института Якутнипроалмаз. Текст диссертации изложен автором самостоятельно.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Международной конференции «Машиностроение и техносфера XXI века», г. Севастополь, сентябрь 2001 годана IV Конгрессе обогатителей стран СНГ, г. Москва, март 2003 годана Международной конференции «Интенсификация процессов добычи полезных ископаемых в условиях Крайнего Севера» г. Якутск, август 2003 годаРеспубликанская конференция молодых ученых, аспирантов и студентов, «Лаврентьевские чтения» 2002гконкурс Министерства высшего образования и науки РФ. «Лучшая работа года» (получен диплом), 2001 г.- на научно-практических конференциях студентов и молодых ученых г. Мирный, апрель 2002 года, май 2003 года, на Научно-практической конференции, посвященной 10-летию МПТИ (ф) ЯГУ г. Мирный, март 2004 года.

Публикации: Основное содержание диссертационной работы изложено в десяти печатных изданиях, в том числе 1 глава в книге, 3 работы в научных изданиях рекомендуемых ВАК, 1 статья издана в зарубежном сборнике, 4 статьи в Российских и Республиканских сборниках.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка источников из 111 наименований, 6 приложений, содержит 221 страницы машинописного текста, в том числе 75 рисунков, 19 таблиц, 70 страниц приложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе обобщены результаты статистических, теоретических и экспериментальных исследований ММС, на базе которых появилась возможность обосновать их параметры для заданных условий эксплуатации. При этом в работе развиты основы научно-обоснованного подхода к определению параметров ММС в зависимости от условий их эксплуатации и разработаны следующие методы расчета и оптимизации параметров:

1. Метод определения показателей надежности ММС по данным эксплуатации.

2. Метод расчета и оптимизации частоты вращения барабана ММС в зависимости от различных режимов работы.

3. Метод расчета износа рабочих лифтеров ММС под действием материала внутри мельницы.

4. Метод определения загрузки мельницы по затратам электроэнергии.

Установлены следующие закономерности изменения параметров и процессов, происходящих внутри мельницы:

1. Изменения значений показателей надежности ММС (безотказности, ремонтопригодности и обобщенных коэффициентов) в зависимости от условий эксплуатации;

2. Взаимосвязь между частотой вращения барабана и режимами работы мельницы.

3. Взаимосвязь между параметрами ММС и повреждаемостью алмазов.

4. Взаимосвязь между нагрузкой на лифтеры и их износом (абразивно-усталостным и резанием).

5. Взаимосвязь между загрузкой мельницы и потребляемой энергией.

6. Взаимосвязь между техническим состоянием элементов ММС и их виброспектров.

Разработаны и научно-обоснованы статистические, экспериментальные и теоретические модели процессов, происходящих внутри ММС:

1. Вероятностные модели изменения случайной величины отказа элементов ММС.

2. Модели показателей надежности ММС от условий их эксплуатации.

3. Математическая модель износа рабочего лифтера под действием материалов внутри мельницы.

4. Вероятностная модель повреждаемости алмазов внутри мельницы под действием ударных нагрузок.

5. Математические модели оптимизации частоты вращения ММС в зависимости от режимов их работы.

6. Регрессионная модель определения загрузки мельницы в зависимости от потребляемой энергии.

7. Экспериментальные закономерности позволяющие научно-обосновать вибронагружение элементов ММС, оптимальное значение частоты вращения барабана и определить погрешность теоретических исследований по износу рабочих лифтеров.

Обосновано новое перспективное направление исследований — научное обоснование производственного качества ММС в зависимости от условий эксплуатации путем расчета и оптимизации их параметров по данным научных исследований на стадии проектирования, что позволяет обосновать техническое решение (конструкцию ММС, внедрение которого вносит значительный вклад в ускорение технического прогресса).

Практическое значение работы состоит в следующем:

1. Разработаны методическое, информационное и программное обеспечения для научного обоснование показателей надежности ММС.

2. Разработаны методики выполнения экспериментальных работ, позволяющие получить в лабораторных и промышленных условиях необходимые данные для проверки теоретических положений работы и получения самостоятельного результата.

3. Разработана методика расчета и оптимизации параметров ММС в зависимости от режимов ее работы и условий эксплуатации.

4. Разработаны и внедрены на предприятиях АК «АЛРОСА» рекомендации по повышению эффективности работы ММС.

5. Реализация результатов работы осуществлена на предприятиях АК «АЛРОСА»: методика расчета и оптимизации внедрена в институте «Якутнипроалмаз», технические решения — на ММС фабрики № 3, № 12. Ожидаемый экономический эффект от внедрения рекомендаций работы составит на предприятиях АК «АЛРОСА» 250 тыс. рублей по данным 2004 года.