Перспективные области применения КИД-технологий

В настоящем кратком обзоре приведены сведения о перспективных областях применения КИД-технологий. Под КИД-технологиями мы понимаем совокупность процессов дезинтеграции различного сырья с использованием отечественных конусных инерционных дробилок (КИД), созданных в Механобре. Приведенные данные основаны преимущественно на исследовательских работах предприятий группы Механобр.

Общие положения

Традиционные конусные дробилки с жесткой кинематической схемой движения дробящего конуса внутри дробящей камеры, многие десятки лет применяются в основном для дезинтеграции природного минерального сырья – руд черных, цветных металлов, горно-химического сырья и природных строительных материалов. Традиционные конусные дробилки характеризуются низкой степенью дробления (сокращения крупности исходного куска), которое не превышает 5 (обычно 3-4,5). Разрушение кусков материала в них происходит за счет усилий сжатия и частично сдвига при непосредственном контакте кусок – броня. Кроме того, такие дробилки требуют массивных фундаментов, и они в ходе эксплуатации весьма чувствительны к попаданию недробимых материалов.

В конусных инерционных дробилках (зарегистрированное коммерческое наименование КИД®) разрушение материала происходит путем воздействия на исходное сырье свободно подвешенного осцилирующего конуса, приводимого в движение вибрационным дебалансным приводом.

На рисунках приведены две основные конструкции промышленных дробилок КИД – с пологим дробящим контуром и в более редком «крутоконусном» исполнении.

Рис. 1 Конусная инерционная дробилка (типовая конструкция):

1 – дебаланс; 2 – корпус; 3 – конус; 4 – чаша; 5 – опора конуса; 6 – амортизатор; 7 – шпиндель; 8 – шкив; 9 – клиноременная передача; 10 – электродвигатель.

Рис. 2 Принципиальная схема «крутоконусной» дробилки КИД

Дробилки КИД являются динамически сбалансированными машинами, с низкими нагрузками на основания. Соответственно, промышленные КИД не требуют для установки массивных фундаментов. 

Процесс разрушения сырья в дробилках КИД осуществляется в слое дробимого сырья, преимущественного за счет усилий сдвига и частично сжатия. Это способствует избирательной (селективной) дезинтеграции минеральных агрегатов исходного сырья по плоскостям спайности и по микротрещинам. Степень сокращения размеров куска в дробилках КИД достигает 15 и выше, при меньших удельных энергозатратах по сравнению с традиционными конусными дробилками. 

Дробление в дробилках КИД за счет сочетания усилий сдвига и вибрационного воздействия позволяет дезинтегрировать особо прочные материалы, которые даже прочнее футеровки самой дробилки. Крупность дробления в дробилках КИД легко регулируется, дробилки могут работать «под завалом», не боятся попадания недробимых кусков.

Дробление в дробилках КИД крепких горных пород (гранит, габбро-диабаз) позволяет получать щебень кубовидной формы.

Дробление прочных и сверхпрочных материалов позволяет получать тонкие порошки.

В настоящее время промышленные дробилки КИД изготавливаются с диаметром основания дробящего конуса от 300 до 1750 мм. Самый распространенный диаметр конуса лабораторной дробилки КИД равен 100 мм. Торговое наименование дробилок: КИД-100, КИД-300 и так далее.

Конусная инерционная дробилка КИД-100	Конусная инерционная дробилка КИД-300

Рис. 4 ДСУ на базе КИД-1200

 Применение дробилок КИД в горной и металлургической промышленности

Производство строительного щебня

Традиционная технология производства строительного щебня из крепких горных пород включает в себя первичное дробление в щековых дробилках, среднее и мелкое дробление в гирационных конусных дробилках и рассев дробленого продукта на грохоте на товарные фракции крупности с одновременным получением побочного продукта крупностью менее 5 мм – так называемого отсева, большей частью направляемого в отвалы в виду малой товарной   востребованности в качестве искусственного строительного песка.

Дробление в традиционных конусных дробилках приводит к получению щебня с высокой долей лещадных и игольчатых зерен (низкой кубовидностью формы), что понижет его товарные свойства. Также процесс сопровождается получением большого количества отсевов (иногда до 35-40%). Щебень с повышенной долей кубовидных зерен востребован для строительства прочных фундаментов зданий, оснований для скоростных автомобильных и железнодорожных магистралей и как составная часть высококачественных асфальтобетонных покрытий.

Применение КИД-технологий позволяет получить высококачественный строительный щебень с долей кубовидных зерен до 85-92% вместо 70-75% и снизить выход отсевов до 20-25%.

Отечественная промышленная практика показала эффективность применения дробилок КИД-1200 и КИД-1500 для производства строительного щебня и применения КИД-600 и КИД-1200 для производства щебня для асфальтобетона.

Дробление медной руды

Экспериментальный образец самой крупной дробилки КИД – 2200 прошла длительные промышленные испытания на обогатительной фабрике №2 Джезказганского (ныне Жезказганского) ГОКа в Казахстане. Дробилка была установлена в открытом цикле мелкого дробления медной руды вместо традиционной дробилки КМД-2200, работающей в замкнутом цикле перед шаровыми мельницами. Гранулометрическая характеристика разгрузки дробилок КИД и КМД приведена на рисунке:

За счет более полного раскрытия минеральных сростков и меньшим конечным переизмельчением материала использование КИД-технологий позволила на 1,4% повысить извлечение меди в цикле основной флотации. Однако из-за необходимости менять проектно-компоновочные решения под техническое перевооружение действующих дробильных цехов горных предприятий с использованием КИД-технологий, направление с созданием и применением самых крупных машин КИД-2200 не получило дальнейшего развития.

Дробление кварцевого сырья

Опытно-промышленными испытаниями показана технологическая эффективность КИД-дробления природного кварцевого сырья в цикле мелкого дробления, которая обеспечивает высокую сохранность кварцевых зерен, упрощает технологическую схему дробления и позволяет исключить «ручейковый» износ валковых дробилок абразивным кварцевым материалом.

При использовании в замкнутом цикле мелкого дробления дробилок КИД-300 в стандартном и крутоконусном исполнении последние показали неоспоримое преимущество как по степени дробления, так и по возможности принимать более крупный кусок, при практически одинаковом выходе целевой фракции 0,1-2,5 мм.

Таблица 1. 

Сравнительные результаты испытания обычной и крутоконусной дробилки КИД-300

В ходе проведенных испытаний в рамках этой же технологической схемы дробилки КИД-450 в нормальном исполнении была достигнута производительность 1,4 -1,5 т/ч при сопоставимых с обычной КИД-300 технологических показателях. Предполагается, что применение КИД-450 в крутоконусном исполнении может существенно повысить общие показатели технологии КИД-дробления кварцевого сырья.

Дробление скального закладочного материала

Традиционные технологии подготовки твердеющих закладочных смесей при проведении подземных добычных работ заключаются в стадиальном дроблении скального заполнителя, дроблении (измельчении) вяжущего компонента (шлаков, цемента) и финишной дезинтеграции (измельчением) скальной породы, с последующим смешиванием компонентов перед закладкой. Технологический комплекс может быть в подземном исполнении или располагаться на дневной поверхности. Проблемным узлом традиционных технологий является финишная дезинтеграция, сопровождающаяся переизмельчением заполнителя.

Для оптимизации гранулометрического состава заполнителя на подземном руднике Учалинского ГОКа была испытана в промышленном масштабе технология заключительного дробления скального заполнителя в дробилке КИД-450 в мокром режиме.  Работа проводилась совместно НПК «Механобр-техника» и ИПКОН РАН. Расход воды подбирался в зависимости от производительности дробилки и исходя из требований к гранулометрическому составу заполнителя. В дробилку КИД-450 подавался исходный материал крупностью –35 мм, на выходе получали требуемый продукт крупностью до 98 % класса –4 мм с массовой долей фракции - 0,074 мм 30 % и более.  Испытания опытного комплекса в подземных условиях подтвердили технологическую осуществимость приготовления твердеющих закладочных смесей на базе конусных инерционных дробилок КИД. Испытанная технология обеспечивает снижение металло-  и энергоемкости, а модульная реализация технических решений являются основой мобильности разрабатываемой технологии.

Облагораживание алмазов пониженного качества

Внедрена технология облагораживания алмазов пониженного качества (алмазного борта) путем их механической обработки для последующей сортировки обработанного продукта.

По существующим технологиям механическая обработка (облагораживане) алмазного борта фракций крупностью -1,0 + 0,8 мм и -0,8 + 0,7 мм осуществляется в молотковых дробилках. Целью механической обработки является не сплошное дробление всех зерен, а раскрытие только дефектных алмазных зерен и сростков по микродефектам. При такой обработке в молотковых дробилках и в струйных мельницах образуется 8-12 % не товарной фракции крупностью менее 0,4 мм.  Обработка алмазного борта в дробилке КИД-60 с ограниченным движением дебаланса позволило решить поставленную задачу дезинтеграции дефектных зерен при снижении выхода фракции – 0,4 мм в 2 – 3 раза до 3,5 – 4,0%. Отметим, что для указанных целей малая лабораторная дробилка КИД-60 является машиной полупромышленного масштаба.

Дробление металлической стружки

Применение КИД-технологий чрезвычайно перспективно в порошковой металлургии и в индустрии получения металлических порошков для аддитивных технологий в операциях перед конечной дезинтеграцией металлической стружки, например, в вибромельницах, поскольку позволяет эффективно разупрочнить материал. Вероятно, что при этом в процессе дробления в дробилках КИД имеет место так называемый эффект Баушингера, то есть уменьшение предела упругой деформации твердых тел при знакопеременных механических воздействиях.

Один из наиболее высокотехнологичных процессов рециклинга стружки – это переработка отходов металлического никеля от механической обработки турбинных лопаток. Такая стружка подлежит переработке на никелевый порошок крупностью менее 100 – 150 мкм для аддитивных технологий.

Применение дробилок КИД в технологиях сухой регенерации формовочных земель

 В литейной промышленности черных и цветных металлов существует потребность в эффективной регенерации формовочных земель с целью рециклинга кварцевого песка. Существуют и применяются технологии химического, термохимического и сухого рециклинга формовочных земель. Самым распространенным и экономичным способом является именно сухая механическая регенерация (рециклинг). Упрощенно, сухая регенарация предусматривает двухстадиальное дробление отработанной земли, магнитную или электрическую сепарацию дробленого продукта с целью удаления неизбежных металлических примесей, оттирку рыхлых связующих, ситовую классификацию и пневматическую сепарацию для отделения тонкой шламистой части.

Учитывая малую прочность отработанных формовочных земель (8 -10 кг/см2) и высокую прочность кварца (свыше 1000 кг/см2 ), идеальным аппаратом для второй стадии дробления отработанных земель является дробилка КИД-300, которая создает дробящие усилия в диапазоне 1000 – 2000 кг/см2  при ширине разгрузочной щели 8 мм , обеспечивающие сохранность кварцевых зерен и разрыхление связующей массы с производительностью до 0,8 т/час. Содержание готового продукта в разгрузке дробилки по данным промышленной эксплуатации составляет 72% при выходе его не менее 97%, что существенно выше, чем при использовании дробящих агрегатов иного типа.

Дробление металлических сплавов для порошковой металлургии

Применение КИД-технологий чрезвычайно перспективно в порошковой металлургии и в индустрии получения металлических порошков для аддитивных технологий в операциях перед конечной дезинтеграцией металлической стружки, например, в вибромельницах, поскольку позволяет эффективно разупрочнить материал (достигается так называемый эффект Баушингера, то есть уменьшение предела упругой деформации твердых тел при знакопеременных механических воздействиях).

Тонкое дробление в дробилках КИД разнообразных ферросплавов (никеля, титана и др.), отличающихся высочайшей прочностью, весьма перспективно для применения полученных порошков в процессах легирования сталей «в ковше», поскольку лигатуры, представленные кусковыми ферросплавами, невозможно дозировать с точностью до долей процента в ограниченных объемах.

Дробление хрупких алюминиевых сплавов: опытными исследованиями показано, что применение дробилок КИД-300 позволяет дезинтегрировать сплавы и полупродукты на основе алюминия и кремния, алюминия и никеля (сплав Ренея) и сплав алюминия и магния (сплав АМ) до крупности менее 1 мм с минимальным переизмельчением продукта, что достигается путем специальной настройки дробилки.

При тонкой дезинтеграции твердых и сверхтвердых сплавов и отдельных минеральных фракций  возможны разнообразные эффекты механоактивации сырья – поверхностные химические реакции, механохимический синтез, химическое разложение и другие тонкие эффекты, которые требуют углубленного изучения.

Другие сферы применения дробилок КИД в горной и металлургической промышленности

Применение дробилки КИД-300 вместо валковых дробилок на комбинате «Енисейзолото» позволило на 30% сократить выход переизмельченного рудного материала по классу 0,06 мм.

Исследования Карельского НЦ РАН показали, что применение дробилок КИД-300 перспективно для дезинтеграции уникальной углеродистой породы – шунгита, поскольку КИД-технологии позволяют селективно раскрывать сростки шунгита и сопутствующей пустой породы перед операциями механического обогащения.

Применение КИД–300 в цикле дробления файншейна – тонкозернистого сульфидного полупродукта конвертирования медно-никелевого концентрата на комбинате «Североникель» позволило на 30% повысить производительность шаровых мельниц в последующем цикле измельчения перед флотационным разделением файнштейна на медный и никелевый продукты.

Применение КИД-технологий чрезвычайно перспективно в порошковой металлургии и в индустрии получения металлических порошков для аддитивных технологий в операциях перед конечной дезинтеграцией металлической стружки, например, в вибромельницах, поскольку позволяет эффективно разупрочнить материал (достигается так называемый эффект Баушингера, то есть уменьшение предела упругой деформации твердых тел при знакопеременных механических воздействиях).

Промышленными испытаниями на Березниковском титано-магниевом комбинате была показана высокая эффективность дробления кекового кокса, охлажденного расплава хлористого титана, агломерированных частиц гранулированных возгонов и некоторых других продуктов, для дробления которых отсутствует специальное серийное оборудование.

Промышленные испытания дробилок КИД-300 показали перспективность их применения для дробления графита и кека при производстве сварочных электродов.

Применение дробилок КИД в циклах регенерации радиоэлектронного лома

Радиоэлектронный лом различных массовых бытовых приборов (компьютеров, телефонов, бытовой техники) представлен смесью разнообразных металлических сплавов, керамики, пластмасс. Существует много технологий комплексной утилизации (рециклинга) таких изделий, основанных на сумме приемов предварительной разборки, дезинтеграции и последующего разделения компонентов физическими и химико-металлургическими способами. Во многих технологических схемах присутствует операция механического разрушения фрагментов радиоэлектронного лома и желательно их селективное разрушение, которое облегчает последующие операции его сепарации. Для этих целей наиболее перспективным является дробление радиоэлектронного лома именно в дробилках КИД, поскольку в них достигается максимальна избирательность дезинтеграции.

Дробление керамики

Промышленные испытания дробилки КИД-300 показали эффективность ее применения вместо шаровых мельниц для сверхтонкого дробления шамота в процессах приготовления кислотоупорной керамики.

При дроблении в открытом цикле зафиксировано снижение удельных энергозатрат в 3 раза с 18 до 6 квт-час/тонну.

Применение КИД-300 для дезинтеграции сырья для производства керамической плитки в замкнутом цикле до крупности – 63 мкм позволило снизить энергозатраты в 3,5 раза 63 до 18 квт-час-т по сравнению. С измельчением в шаровых мельницах.

Дезинтеграция волокнистых материалов

Измельчение целлюлозного сырья

Измельчение древесины, макулатуры и различных полуфабрикатов целлюлозно-бумажного производства осуществляется, в основном, с использованием дисковых мельниц-рефинеров и требует значительных затрат электроэнергии -600-900 КВт ·ч на 1 т сухой целлюлозы.

Исследования проводились в 3 этапа с использованием дробилок различных типоразмеров: КИД-300, КИД-450 и КИД-600.

Испытания КИД-300

В таблице 2 приведены сравнительные результаты, полученные в лабораторных условиях при размоле бисульфатной целлюлозы на конусной инерционной дробилке КИД-300, дисковой мельнице и при комбинированном способе размола.

Таблица 2. 

Испытания КИД-450

Для подтверждения полученных результатов были проведены полупромышленные испытания при размоле волокнистых полуфабрикатов (технологическая щепа, отходы сортирования небеленой целлюлозы, макулатура) на опытной установке на ОАО «Сясьский ЦБК». Волокнистые полуфабрикаты предварительно дезинтегрировались в высокоскоростном ударно-роторном дезинтеграторе (молотковой дробилке), затем дезинтегрированная масса подавалась горизонтальным  шнековым транспортером в КИД-450, в который вместе с волокнистым материалом подавалась вода. 

После первого виброинерционного измельчения волокнистая масса подавалась во вторую конусную инерционную дробилку КИД-300 на окончательное измельчение.  Результаты испытаний приведены в таблице 3.

Таблица 3.

*) макулатура среднего качества МС-6Б — отходы производства и потребления картона всех видов с печатью.

При показателях качества размолотого материала, удовлетворяющих требованиям ОАО «Сясьский ЦБК», удельные затраты электроэнергии при виброинерционном размоле волокнистых полуфабрикатов существенно ниже, чем при размоле на дисковом рефинере.

Испытания КИД-600

Для размола отходов сортирования химико-термомеханической массы (ХТММ) (на ОАО «Сясьский ЦБК" была смонтирована конусная инерционная дробилка КИД-600. Результаты работ, полученные при наработке опытных партий волокнистого материала в производственном цикле ОАО «Сясьский ЦБК», представлены в таблице 4.

Производительность КИД-600 при измельчении отходов ХТММ в непрерывном производственном цикле работы ДМЦ (непрерывная подача материала на измельчение в КИД-600 с фильтра БГВК-20) составила 2,25 т/ч в пересчете на абсолютно сухое волокно.

Рабочий ток дробилки КИД-600 под нагрузкой составил 60А и не изменялся в процессе длительной работы. Потребляемая мощность дробилки под нагрузкой составляла 33 КВт, удельный расход электроэнергии при измельчении отходов ХТММ составил 15 КВт×ч/т.

Переработанные на КИД-600 отходы ХТММ в виде волокнистого материала для производства бумаги  по технологии ОАО «Сясьского ЦБК» добавлялись  в количестве до 30% к кондиционному волокнистому материалу, полученному  на более ранней технологической стадии на оборудовании комбината. Разрывная длина отливки из смеси кондиционного материала и переработанных отходов ХТММ - конечного волокнистого материала для производства бумаги достигала значения  3107 м при нормируемой-не менее 2200 м.

Удельный расход электроэнергии при измельчении отходов ХТММ на КИД-600 (15 КВт-ч/т ) значительно меньше, чем при измельчении на рефинере (600 КВт-ч/т). Сравнительные физико-механические свойства измельченных на КИД-600 отходов сортирования химико-термомеханической массы приведены в таблице 4.

Таблица 4.

Для улучшения качества получаемого материала при переработке волокнистых полуфабрикатов на конусных инерционных дробилках необходимо заменить материалы дробилки, контактирующие с сульфатным щелоком, на коррозионностойкие (вероятно, на хром-марганцевую сталь), а также использовать герметики и покрытия из материалов, стойких к щелочным средам.

Для создания рыночного продукта необходимо:

- определить рациональное место для КИД в технологическом процессе; - исследовать работу КИД в паре с дисковой мельницей (рефинером); - модернизировать конструкторскую документацию на КИД-600 с целью повышения ее коррозионной стойкости; - исследовать возможность подачи питания в КИД под давлением с целью увеличения производительности.

Получение бугорчатых прокладок из макулатуры

Испытанная принципиальная технологическая схема получения бугорчатых прокладок из бумажно-картонных отходов включает в себя:

- подачу исходного материала электропогрузчиком на ручную сортировку для удаления посторонних предметов; первая стадия измельчения в молотковой дробилке МД 7 х 13, либо в роторном аппарате типа шредер; пневмотранспорт измельченной бумажной массы на мокрое измельчение в дробилке КИД-300 или КИД-450 с последующей перекачкой пульпы в промежуточную емкость, из которой она дозируется на бумагоделательную машину «Воймега» для изготовления бугорчатых прокладок.

- если использовать молотковую дробилку, то уловленная пыль от дробления упаковывается в мягкие контейнеры и может быть использована как выгорающая добавка при производстве бытового топлива из древесных отходов и как наполнитель при производстве изделий из пластических масс и стройматериалов.

Основные требования к качеству сырья и материалов.

Для производства бугорчатых прокладок преимущественно используются следующие виды макулатуры:

МС-1- МС-3 отходы белой или журнальной бумаги и ее обрезь;

МС-6 - коробочный и упаковочный картон и его обрезь;

МС-7-белый картон и его обрезь.

В технологии получения бугорчатых прокладок не используются ламинированные отходы макулатуры.

В качестве антисептика используется бура техническая, в качестве антипирена - борная кислота или сульфат аммония.

Такая технология перспективна для региональных малых или средних предприятий, удаленных от крупных целлюлозных перерабатывающих предприятий.

Дробленых абрикосовых косточек

Абрикосовые косточки, точнее, их твердая скорлупа (эндокарп) являются ценным сырьем для получения сгорающих порообразователей при производстве специальных типов керамики, а также в зарубежной практике - сырьем для получения экологически безопасных наполнителей (микрошипов) зимних автомобильных шин.

Абрикосовый эндокарп представляет собой природный растительный композит, состоящий из целлюлозных волокон и гидроксиапатита, не содержащего хлора, в отличие от минерала апатит. Такой состав обеспечивает эндокарпу уникальные прочностные и упругие свойства. Для целей использования эндокарпа в качестве сгорающего порообразователя его измельчают до крупности менее 0,5 мм, классифицируют на узкие классы крупности, подвергают магнитной сепарации для устранения аппаратурного железа и отсеивают в отходы класс мельче 0,04 мм. Для получения экологически безопасных шипов для покрышек используют, по литературным данным, класс крупности -1 + 0,5 мм.

Дробление эндокарпа в валковых и тем более в молотковых дробилках сопровождается получением большого количества трудно утилизируемых тонких отсевов, в то время как показала промышленная практика, дробление в дробилках КИД обеспечивает максимальный выход целевых фракций крупности.

Обогащение волластонитовых руд

Волластонит – природный метасиликат кальция, представленный светлыми кристаллами игольчатой формы. Обладает высокой, по сравнению с другими волокнистыми минералами, твердостью, химической стойкостью. Широко используется как теплоизолятор, наполнитель стойких лакокрасочных изделий, при производстве специальных сортов керамики и пр. Промышленные месторождения волластонита в РФ отсутствуют, но распространены на территории республик Средней Азии и в странах Азиатско-Тихоокеанского региона.

Волластонитовый концентрат должен содержать не менее 53,5 % SiO2,   38.6 % CaO, а также примесей не более 0,75% окислов железа и 0,1% двуокиси титана. Предпочтительная крупность концентрата – менее 100 мкм. При этом должна максимально сохраняться игольчато-волокнистая структура кристаллов.

В НПК «Механобр-техника» изучена технология сухого обогащения волластонитовых руд одного из месторождений Средней Азии. Технология включает первичное дробление руды в щековых дробилках, мелкое дробление в дробилке КИД в замкнутом цикле до крупности – 3 мм, магнитную и электромагнитную сепарацию для удаления темноцветных примесей, двухстадийное доизмельчение волластонитового продукта в дробилках КИД до крупности – 0,1 мм с промежуточной электростатической сепарацией, и классификацию на воздушном классификаторе. Ключевой операцией является мелкое избирательное дробление в дробилке КИД, в которой требуемая производительность 1 т/ч обеспечивается применением машины КИД – 600.

Необходимо отметить, что промышленное применение конусных инерционных дробилок для дезинтеграции различного металлического сырья, металлических сплавов и полупродуктов со сложными механическими свойствами требует проведения предварительных исследований для подбора предпочтительного технологического режима.

Таблица 5.

Сводная таблица КИД-дробления материалов, как минимум, в полупромышленном масштабе