8.3.2. Валковые дробилки и прессы

(Л.Ф.Биленко)

Валковые дробилки бывают с гладкими (рис. 8.3.1.1), рифлеными и зубчатыми валками. Дробящее действие дробилок основано на сжатии при некотором участии сдвиговых деформаций. Для дробилок с зубчатыми валками дополнительно возникают усилия раскалывания. Однократность сжатия кусков дробимого материала при прохождении между валками обусловливает малый выход мелочи в дробленом продукте. Эти дробилки не переизмельчают материал.

Дробилки с гладкими и рифлеными валками используют главным образом для среднего и мелкого дробления твердых пород и пород средней прочности [49].

Дробилки с зубчатыми валками применяют исключительно для крупного и среднего дробления мягких материалов. Эти дробилки бывают одно-, двух- и многовалковые. Последние вследствие громоздкости и неудобства их эксплуатации не получили распространения.

В технологии измельчения получили распространение валковые прессы. В отличие от известных конструкций валковых дробилок валковый пресс позволяет развивать давление между валками в 4–5 раз выше. Это достигается установкой домкратов высокого давления на подвижных валках. За счет высокого давления качественно изменяется механизм разрушения — разрушение частиц осуществляется в спрессованном слое. При этом с момента захвата материала валками происходит непрерывное нарастание давления на его частицы. Это создает предпосылки для непрерывного наращивания напряжений до критической величины, что приводит к последовательному разрушению все более мелких частиц без сброса давления в сжимаемом слое, за счет чего достигается уменьшение затрачиваемой энергии, необходимой для реализации высокой степени дробления. Степень дробления в валковых прессах по среднему зерну достигает 8–10 против 2–3 в валковых дробилках. Материал, прошедший через пресс, имеет форму спрессованных лепешек. Применение валковых прессов обеспечивает по сравнению с традиционными способами дробления и измельчения снижение суммарных затрат электроэнергии. Помимо этого, за счет разупрочнения зерен руды, прошедшей валковый пресс, возрастает производительность мельниц.

В гладковалковых дробилках [49] (рис. 8.3.1.1) дробящие валки изготавливаются из чугуна и футеруются по внешней поверхности бандажами из марганцовистой или углеродистой стали.

Размеры валковых дробилок определяются двумя величинами — диаметром и длиной валков. Длина валков всегда в 1,5–3 раза меньше их диаметра. Окружная скорость валков составляет 3–6 м/с.

Валковые дробилки с рифлеными и зубчатыми валками [49] являются разновидностью дробилок с гладкими валками. Изготовляют дробилки как с двумя рифлеными валками, так и с одним рифленым (зубчатым) валком. Эти дробилки применяют для дробления материалов высокой и средней твердости (предел прочности на сжатие до 250 МН/м2). Окружная скорость рифленых (зубчатых) валков на 10–20 % ниже скорости гладких, т. е. составляет 2,7–5 м/с.

Технические характеристики валковых дробилок с гладкими, рифлеными и зубчатыми валками даны в табл. 8.3.2.1 и 8.3.2.2.

Максимальный размер загружаемого куска и угол захвата см. в 8.3.1.

Таблица 8.3.2.1

Технические характеристики дробилок с гладкими и рифлеными валками

Показатели

ДР-400Ч250,
ДГР-400Ч250

ДР-600Ч400,
ДГР-600Ч400

ДГ-800Ч500

ДГ-1000Ч550

ДГ-1500Ч600

ДЧГ-900Ч700

Размеры валков, мм:

диаметр

длина

 

400

250

 

600

400

 

800

500

 

1000

550

 

1500

600

 

900

700

Ширина щели между
валками, мм

5–20

10–30

4–26

4–18

4–20

10–40
(верхние)

2–10
(нижние)

Производительность, м3

5,6–24

18–54

10,8–43

11,9–53,5

13–65

120

Наибольший размер
загружаемых кусков, мм

40

60

40

50

75

40

Сила давления на 1 см длины валка, кН/см

15–30

9–20

15–30

17–35

20–40

3,5

Частота вращения валков, мин–1

120; 180; 240

100; 130; 160

100; 145; 172

57; 90; 115

38; 60; 76

115
(верхние)

180
(нижние)

Мощность электродвигателя, кВт

8

22

30

45

55

40

Масса дробилки, т

1,7

5

7,8

13,3

33

35

Примечание. ДГ — двухвалковая дробилка с гладкими валками для среднего и мелкого дробления твердых руд; ДР — то же, с рифлеными валками для дробления руд средней твердости; ДГР — то же, с гладкими и рифлеными валками; ДЧГ — четырехвалковая дробилка с гладкими валками для мелкого дробления кокса и мягких руд.

Таблица 8.3.2.2

Технические характеристики двухвалковых зубчатых дробилок

Показатели

ДДЗ-4

ДДЗ-6

ДДЗ-10

ДДЗ-16

ДДЗ-3-9´9

ДДЗ-Э-75´2

Размеры валков, мм:

диаметр

длина

 

450

500

 

630

800

 

1000

1250

 

1600

2000

 

900

900

 

1500

2100

Окружная скорость валка, м/с

1,51

1,65

1,9

3,42

2,0

3,15

Крупность материала, мм:

загружаемого

 

дробленого

 

100 ´ 200 ´ 300

25; 50; 75;

100

 

400 ´ 500 ´ 600

50; 75; 100;

125

 

400 ´ 600 ´ 1000

100; 125;

150; 200

 

1200 ´1300 ´1300

200; 300

 

250

 

40; 75; 100

 

900

 

15; 100; 150

Производительность в т/ч (для угля), при крупности дробленого материала, мм:

наименьшей

наибольшей

 

 

 

20

50

 

 

 

60

125

 

 

 

125

320

 

 

 

650

1000

 

 

 

120

 

 

 

150

Частота вращения
валков, мин–1

64

50

36

41

42

40

Мощность электродвигателя, кВт

11

20

50

320

40

75

Масса дробилки, т

3,1

5,2

23,5

124

13,3

32

Производительность валковых дробилок определяется произведением окружной скорости валков uокр = pDn и площади разгрузочной щели между валками La (см. рис. 8.3.1.1):

, (8.3.2.1)

где D — диаметр валка; n — частота вращения валков; L — длина валка; а — ширина щели между валками; rт — плотность материала, eт — объемная доля твердого в плоскости разгрузочной щели (коэффициент разрыхления).

При расчетах производительности валковой дробилки по формуле (8.3.2.1) установленную ширину щели между валками увеличивают на 20–30 %, учитывая неизбежное перемещение подвижного валка при дроблении. Коэффициент разрыхления выбирают в диапазоне 0,2–0,3.

Мощность валковых дробилок определяется линейной зависимостью от параметра uокрDL. Для двухвалковых дробилок отечественных заводов действительно приближенное соотношение:

N = (11¸ 14)DLuокр. (8.3.2.2)

Валковые прессы. Одной из особенностей конструкции валковых дробилок высокого давления, называемых еще валковыми прессами, является способ их загрузки (рис. 8.3.2.1). Загрузка материала осуществляется с помощью питателя, выполненного в виде вертикально установленного трубопровода (короба) высотой, существенно превышающей ширину, нижняя часть которого вплотную примыкает к зоне дробления. Исходный материал целиком заполняет питатель, уплотняется и оказывает определенное давление на слой дробимого материала, находящегося в зоне захвата его валками. Таким образом, дробление слоя материала происходит в замкнутом пространстве, ограниченном поверхностью валков, вертикальными стенками камеры и уплотненными кусками материала, поступающими сверху по питателю.

Рис. 8.3.2.1. Схема валкового пресса:
1 — коробчатый питатель; 2 — плотный зернистый
слой исходного материала; 3 — валок;
4 — лента спрессованного материала

Давление, оказываемое валками, передается на весь слой зерен в зоне разрушения, поэтому дробление осуществляется в основном путем взаимодействия (взаиморазрушения) кусков руды, т. е. в полном объеме материала. Это снижает износ оборудования при одновременном повышении производительности [55, 56]. Силу давления валков на слой руды регулируют с помощью гидравлической системы.

Основными изготовителями валковых дробилок высокого давления являются немецкие фирмы KHD Humbolt-Wedag и KRUPP Polysius AG, которые применяются для дробления руд, угля, цементного сырья, металлургического шлака в ряде стран мира [57]. Некоторые технические характеристики валковых прессов фирмы KRUPP Polysius приведены в табл. 8.3.2.3.

Таблица 8.3.2.3

Технические характеристики валковых прессов фирмы KRUPP Polysius

Показатели

10/4-S

12/5-S

12/6-S

14/5-S

15/6-S

16/8-S

17/8-S

18/10-S

20/12-S

Диаметр валка, мм

1050

1200

1250

1400

1500

1600

1740

1870

2050

Производительность, т/ч

110

160

200

260

330

420

540

670

840

Мощность привода, кВт

300

450

560

900

1100

1450

1650

1900

2500

Габариты (мм):

длина

ширина

высота (без питателя)

 

4130

3235

1485

 

5000

3770

1800

 

5150

3945

1855

 

5635

4265

1855

 

6555

4810

2030

 

7230

5085

2315

 

7670

5840

2720

 

8686

6145

2800

 

9585

6430

3220

Разработано множество типоразмеров валковых прессов производительностью до 900 т/ч (фирма Norgem). В настоящее время в промышленности разных стран мира уже работает свыше 20 технологических линий с валковыми прессами.

Валковые прессы применяются для предварительного измельчения сырья перед шаровыми мельницами. Однако область их применения в настоящее время пока ограничена сравнительно легко измельчаемым сырьем для строительной индустрии (клинкер, известняк, шлаки, уголь).

Проведенные исследования по измельчению в валковом прессе фосфатных руд, прочность которых существенно превышает прочность измельчаемых в настоящее время за рубежом строительных материалов, показали возможность и целесообразность использования этого оборудования на рудах средней прочности и позволили определить параметры валкового пресса для аналогичного сырья.

При одном прохождении каратауской руды через валки при максимальном давлении 300 мПа получен продукт с содержанием готового класса d < 0,2 мм [58]. Измельчение руды до конечной крупности (25 % класса d > 0,18 мм для руды каратауских фосфоритов, 8 % для Кольских апатитов) достигается при одностадийном измельчении за счет циркуляционной нагрузки или при многостадийном за счет многократного прохождения через последовательно установленные валки.

Важной особенностью процесса измельчения фосфоритов в валках является уменьшение удельного расхода электроэнергии с повышением степени измельчения. При шаровом измельчении со снижением крупности обычно происходит повышение удельного расхода электроэнергии. Это прослеживается в опытах со все возрастающей циркуляционной нагрузкой из мелких зерен d  >  0,2 мм, прошедших валковый пресс один или два раза, а также при последовательном многократном прохождении исходной руды через валки. Опыты показали, что циркуляционная нагрузка в виде фосфоритной крупки d  > 0,2 мм, прошедшей через валковый пресс, обладает меньшей прочностью, и ее подача не приводит к снижению производительности пресса. Снижение прочности крупки соответствует общепризнанному положению, что валковый пресс разупрочняет частицы материала. Необходимо отметить, что если время пребывания исходного материала в объеме шаровой мельницы зависит от величины циркуляционной нагрузки, то в валковом прессе время пребывания в рабочей зоне постоянно и крупность размола определяется только количеством циклов и прочностью зерен.

Была проведена оценка степени разупрочнения частиц фосфорита, прошедших стадию измельчения в валковом прессе. С этой целью определялась удельная поверхность характерного класса крупности продукта, прошедшего через пресс, а также этого класса, полученного дроблением в щековой дробилке. Удельная поверхность зерен крупностью 0,063 < d < 0,315 мм, прошедших через валковый пресс, оказалась в три раза выше, чем зерен той же крупности, раздробленных в лабораторной щековой дробилке (2,2 и 6,4 м2/г соответственно). По кривым кинетики установлено, что затраты электроэнергии на измельчение фосфоритов, прошедших через валки, меньше, чем при измельчении исходного дробленого продукта. Аналогичные результаты получены и при многократном пропускании материала через валковый пресс в открытом цикле.

При применении валковых прессов в большей степени наблюдается избирательность процесса измельчения. Для фосфоритов это проявляется в том, что снижается переизмельчение фосфоритных зерен, за счет чего содержание Р2О5 в фосфоритной муке повышается на 2–4 %, а вредной примеси (МgО) снижается.

Важным показателем при измельчении в валковом прессе является снижение шламообразования. Так, при измельчении кольских апатитов содержание частиц шлама в измельченном продукте уменьшилось на 10 %.

Наибольший эффект при измельчении фосфоритов в валковом прессе достигнут по снижению расхода электроэнергии. Сравнение полученных удельных расходов электроэнергии в опытах на валках и в шаровых мельницах на действующих предприятиях приведено в табл. 8.3.2.4.

Наиболее рациональными в промышленных условиях являются две технологические схемы сухого измельчения фосфоритов с применением валковых прессов — в одну стадию в сочетании с шаровой мельницей (рис. 8.3.2.2, а) и в две стадии (рис. 8.3.2.2, б).

Рис. 8.3.2.2. Схемы дробильных установок с применением валковых прессов:
а) в первой стадии измельчения; б) в двух стадиях измельчения:
1 — бункер исходной руды; 2 — питатель; 3 — валковый пресс; 4 — шаровая мельница;
5 — готовый продукт; 6 — воздушный классификатор; 7 — ковшовый элеватор

Таблица 8.3.2.4

Сравнение расходов электроэнергии при измельчении руд в шаровых мельницах
с предварительным разупрочнением в валковом прессе и без него

Сравниваемые технологические схемы
и показатели при измельчении руды
крупностью 0–25 мм

Удельный расход электроэнергии
при измельчении фосфатных руд, кВт · ч/т

Обогатительные фабрики

Каратау

Верхнекамский рудник

ОАО «Апатит»

Без валкового пресса

16

18

12

С валковыми прессами

8,5

11,7

5,7

Экономия в % от существующих затрат

47

44

52

При сочетании валковых прессов с шаровыми мельницами мокрого помола, например, при измельчении апатитовой руды, в первой стадии сырье проходит валковый пресс, далее поступает в спиральный классификатор, в котором готовая часть продукта выделяется в слив, а остальная часть поступает в шаровую мельницу. При такой схеме на измельчение в шаровую мельницу будет поступать в 1,4 раза меньше материала. Благодаря разупрочнению рудных частиц удельные затраты электроэнергии в шаровых мельницах понижаются до уровня затрат в валковых прессах, в связи с чем производительность шаровых мельниц возрастает в два раза. Это позволяет увеличить производительность секции в 2,5–3 раза при суммарной экономии электроэнергии на размол на 52 %. Использование предложенной схемы приводит также к уменьшению частиц шлама в измельченном продукте на 8–10 %.

Таким образом, применение валковых прессов для измельчения фосфатных руд имеет существенные преимущества по сравнению с традиционным способом измельчения в шаровых мельницах (особенно за счет экономии электроэнергии). Высокая эффективность этого оборудования позволяет сделать вывод о целесообразности его широкого применения на предприятиях горной химии в ближайшей перспективе [58].