ANALIZA EFEKTYWNOŚCI PRACY TECHNOLOGICZNYCH UKŁADÓW ROZDRABNIANIA SUROWCÓW Z WYSOKOCIŚNIENIOWYMI PRASAMI WALCOWYMI

Transkrypt

1 GÓRNICTWO I GEOLOGIA 2011 Tom 6 Zeszyt 2 Daniel SARAMAK Akademia Górniczo-Hutnicza ANALIZA EFEKTYWNOŚCI PRACY TECHNOLOGICZNYCH UKŁADÓW ROZDRABNIANIA SUROWCÓW Z WYSOKOCIŚNIENIOWYMI PRASAMI WALCOWYMI Streszczenie. W artykule przedstawiono warianty technologicznych układów rozdrabniania z aplikacjami wysokociśnieniowych pras walcowych. Prasy walcowe mogą być zainstalowane zarówno na drugim (głównym) etapie rozdrabniania lub w obiegu mielenia jako urządzenia wspomagające. Technologiczne układy rozdrabniania z prasami walcowymi są konkurencyjne pod względem energetycznym i wydajnościowym w porównaniu do układów opartych na konwencjonalnych kruszarkach, a także w porównaniu z układami SABC, opartymi na młynach samomielących. Potwierdza to analiza przedstawiona w drugiej części artykułu. ANALYSIS OF OPERATION EFFICIENCY FOR HPGR BASED TECHNOLOGICAL CRUSHING CIRCUITS Summary. The article presents different possibilities of HPGR application into the ore comminution circuits. Also a comparative analysis of HPGR and SAG based crushing circuits was presented in the paper. 1. Wstęp Układy technologiczne z wysokociśnieniowymi prasami walcowymi stają się coraz powszechniejsze w przeróbce surowców mineralnych (Rule i inni 2008, Saramak 2010a, Saramak i inni 2010). Od połowy lat 80. ubiegłego wieku prasy walcowe były głównie instalowane w układach przemiału klinkieru i produkcji mączek wapiennych, jednak w miarę udoskonalania technologii wysokociśnieniowego rozdrabniania znajdowały zastosowanie w układach rozdrabniania twardszych surowców, takich jak rudy żelaza, rudy metali nieżelaznych oraz diamentów (kimberlity).

2 190 D. Saramak Do najważniejszych zalet pras walcowych należy zaliczyć: a) niskie zużycie jednostkowe energii elektrycznej (Morrell 2008, Naziemiec i Saramak 2009, Pahl 1993), b) powstawanie mikropęknięć w rozdrobnionym produkcie, c) zwiększenie zawartości składnika użytecznego w produktach otrzymywanych na etapie wzbogacania chemicznego dla rud, d) poprawę wskaźnika uzysku procesu technologicznego, e) możliwość prowadzenia procesu dla naturalnej wilgotności nadawy i na mokro, nawet do wilgotności 10%, f) niski stopień zapylenia, mała emisja hałasu i wibracji, g) niewielka powierzchnia zabudowy i stosunkowo mała kubatura urządzenia w porównaniu z młynami samomielącymi i półsamomielącymi czy nawet pionowymi młynami rolowomisowymi. Rys. 1. Dynamika wzrostu liczby aplikacji pras walcowych w przeróbce rud (Klymowski i inni 2008) Fig. 1. Growth of HPGR s installations in the ore processing industry Prasy walcowe mogą zastępować niektóre urządzenia rozdrabniające w układzie technologicznym (np. młyny domielające). Odznaczają się dużą wydajnością, a stopień rozdrobnienia osiąga wielkość 6-10 dla twardych materiałów drobnoziarnistych i dla gruboziarnistych przy największych ciśnieniach prasowania. Prasy w układzie otwartym zużywają energię w ilości 2,0-3,5 kwh/mg rozdrabnianego klinkieru oraz 0,8 3,0 kwh/mg dla rud. Zmniejszenie wielkości ziarna nadawy do młyna oraz powstawanie wyniku

3 Analiza efektywności pracy 191 oddziaływania wysokiego ciśnienia na materiał mikropęknięć i mikroszczelin skutkuje w etapie domielania znaczącymi efektami w postaci wzrostu wydajności młyna i obniżenia zużycia energii o ok % (Rule i in. 2008; Pahl, 1993). Stosowanie HPGR to również niższe koszty eksploatacji urządzenia, niższe koszty inwestycyjne w porównaniu z tradycyjnymi instalacjami (np. układ typu: kruszarka, przesiewacz-klasyfikator, młyn prętowy, kulowy). Dotychczasowe prace nad głębszym zrozumieniem procesu wysokociśnieniowego rozdrabniania oraz modelowaniem pracy pras walcowych stwarzają możliwości szerokiego zastosowania tych urządzeń w procesach rozdrabniania surowców mineralnych które są najbardziej energochłonnymi operacjami w przemyśle górniczym (Daniel i Morrell 2004, Lowrison 1974, Morrell 2008, Saramak 2010b, Saramak 2010c, Saramak i inni 2010). 2. Warianty układów technologicznych z prasami walcowymi Wysokociśnieniowe prasy walcowe są dobrą alternatywą dla konwencjonalnych kruszarek w układach opartych na młynach kulowych, a także w układach z młynami półsamomielącymi (SAG) i następującymi po nich młynami kulowymi (układy typu SABC). Najprostszy układ rozdrabniania rud z prasami walcowymi przedstawia rys. 2. Dwupokładowy przesiewacz produktu z pierwszego stopnia rozdrabniania zwiększa wydajność układu, zminimalizowana jest także łączna długość podajników taśmowych. Układ jest odpowiedni dla rud, z których w wyniku prasowania powstają raczej kruche płatki (flakes), które z łatwością ulegają dezintegracji podczas operacji klasyfikacji. Istotnymi wadami tego układu jest wspólne przesiewanie produktów z pierwszego, drugiego i trzeciego stopnia rozdrabniania, co powoduje zwiększony obieg materiału w układzie. Nadawa do prasy walcowej jest też pozbawiona frakcji najdrobniejszych, co obniża przerób samej prasy walcowej oraz powoduje zwiększone zużycie okładzin roboczych walców. Operacja przesiewania odbywa się na sucho, co powoduje zwiększoną emisję pyłów. W celu zmniejszenia oddziaływania wymienionych powyżej negatywnych cech układu z rys. 2, można wprowadzić w miejsce przesiewacza dwupokładowego oddzielne operacje przesiewania po drugim i trzecim (HPGR) stopniu rozdrabniania (rys. 3).

4 192 D. Saramak Rys. 2. Prosty układ rozdrabniania z wysokociśnieniową prasą walcową Fig. 2. Simple comminution circuit with HPGR W wyniku takiej modyfikacji nadawa do prasy walcowej nie jest pozbawiana frakcji najdrobniejszych, co wydłuża żywotność okładzin. Dodatkowo, operacja przesiewania produktu HPGR może odbywać się na sucho lub na mokro, co wyeliminuje emisję pyłów. Układ ten może być stosowany do bardziej abrazywnych rud, gdyż pełny skład ziarnowy nadawy do prasy walcowej powoduje relatywnie mniejsze zużywanie się okładzin roboczych walców w porównaniu z układem z rys. 2. Zastosowanie tego układu jest mało efektywne, gdy nadawa do pierwszego stopnia kruszenia zawiera dużo ziaren drobnych. Staje się wtedy dyskusyjna efektywność drugiego stopnia kruszenia. Kolejnym sposobem wykorzystania pras walcowych w układach rozdrabniania rud jest ich aplikacja w układzie otwartym (rys. 4).

5 Analiza efektywności pracy 193 I stopień kruszenia II stopień kruszenia Wylew Klasyfikacja w hydrocyklonie Przelew do wzbogacania chemicznego Rys. 3. Klasyczny układ z prasą walcową Fig. 3. Basic HPGR crushing circuit Układy takie nie są powszechnie stosowane, ponieważ mają jedną zasadniczą wadę: nie jest możliwe kontrolowanie ziarna maksymalnego w nadawie do młyna kulowego, co skutkuje obniżoną skutecznością procesu mielenia. Aby temu zapobiec, należy zastosować dwustopniowy układ mielący, co zwiększa energochłonność całego układu. Badania wskazują (Saramak i Naziemiec 2011), że rozdrabnianie w układach zamkniętych jest korzystniejsze niż w układach otwartych, z kolei układy zamknięte mają dodatkową operację przesiewania, co zwiększa ich złożoność, pomniejsza wydajność oraz zwiększa nieznacznie energochłonność. Układ z rys. 4 można zmodyfikować tak, aby zawracać do prasy walcowej tylko produkt, który jest prasowany na krańcach walców (produkt bieżny prasowania edge product). Produkt bieżny prasowania wykazuje się mniejszym stopniem rozdrobnienia w wyniku występowania mniejszych wartości sił nacisku na warstwę materiału w okolicach

6 194 D. Saramak krawędzi okładzin roboczych walców. Wprowadzeniu zawrotu bieżnego produktu prasowania do prasy walcowej zwiększa się efektywność rozdrabniania w prasie, zmniejsza się ziarno maksymalne nadawy do młyna, co podnosi efektywność mielenia. Tym samym wystarczy zastosować jednostopniową operację mielenia w młynie (eliminacja jednego młyna kulowego) i zmniejszyć energochłonność układu (rys. 5). I stopień kruszenia II stopień kruszenia Wylew Klasyfikacja w hydrocyklonie Przelew do wzbogacania chemicznego Rys. 4. Prasa walcowa w układzie otwartym Fig. 4. HPGR in open circuit Układ na rys. 5 jest efektywniejszy od tego przedstawionego na rys. 4. Należy tylko pamiętać, że zawrót bieżnego produktu prasowania zwiększa przerób prasy walcowej, co wymaga uwzględnienia w układzie jednostki o większej wydajności, zdolnej do przerobu zwiększonej masy nadawy.

7 Analiza efektywności pracy 195 I stopień kruszenia II stopień kruszenia CP EP Wylew Klasyfikacja w hydrocyklonie Przelew do wzbogacania chemicznego Rys. 5. Układ otwarty z prasą walcową z zawrotem produktu brzeżnego prasowania (EP) Fig. 5. HPGR open circuit with the edge product (EP) recycle Powyższe układy prezentują aplikacje zastosowania pras walcowych na drugim (lub trzecim) stopniu kruszenia. Możliwe jest zastosowanie pras walcowych w wielostadialnych układach rozdrabniania w obrębie układu mielenia jako urządzenie wspomagające młyny, powiększając tym samym ich przepustowość i zwiększając efektywność mielenia. Można w tym wypadku zastosować jednostkę o mniejszej przepustowości, a tym samym mniejszych gabarytach. Ma to istotne znaczenie na koszty eksploatacji prasy walcowej, ponieważ koszt okładzin roboczych (stanowiący najważniejszy składnik kosztów eksploatacji) dla mniejszych urządzeń maleje progresywnie wraz ze zmniejszaniem się gabarytów prasy (np. jeśli rozmiary prasy zostaną zmniejszone o 20%, koszt nowych walców do takiej prasy zmaleje o więcej niż 20%). Przykład zastosowania prasy walcowej w układzie mielenia prezentuje rys. 6. Prasa walcowa może pracować również jako urządzenie wspomagające młyn półsamomielący we wstępnym stadium kruszenia. Celem jest zmniejszenie uziarnienia nadawy do młyna, a tym samym zwiększenie jego wydajności.

8 196 D. Saramak I stopień kruszenia III stopień kruszenia II stopień kruszenia Wylew Klasyfikacja w hydrocyklonie Przelew do wzbogacania chemicznego Rys. 6. Prasa walcowa w układzie mielenia Fig. 6. HPGR in a grinding circuit 3. Analiza porównawcza układów HPGR i SABC W układach technologicznych rozdrabniania rud zostały porównane instalacje oparte na młynie samomielącym (układ SABC) oraz na prasie walcowej (HPGR). Oba schematy zostały przedstawione na rys. 7, natomiast ich bilans energetyczny w tabeli 1. Układ z HPGR zużywa prawie 25% mniej mocy w stosunku do układu SABC. Pod względem technologicznym oba układy powodowały podobną redukcję wartości wskaźnika pracy indeksu Bonda (Wi) dla młyna kulowego. Dodatkowo, w tabeli 2 zostały porównane nakłady inwestycyjne dla obu układów.

9 Analiza efektywności pracy 197 Rys. 7. Układ rozdrabniania z młynem półsamomielącym (po lewej) oraz z prasą walcową (po prawej) Fig. 7. Comminution SABC circuit (left) and HPGR one (right) Tabela 1 Porównanie mocy zużywanych przez układy SABC oraz HPGR (Danilkewich i Hunter 2006) Urządzenie Zainstalowana moc (MW) SABC Młyn samomielący 40 II stopień kruszenia (kruszarki 1,8 cylpepsowe) Młyny kulowe 19 RAZEM 60,8 HPGR Prasa walcowa 15 II stopień kruszenia 2,25 Młyny kulowe 28,5 RAZEM 45,75 Nakłady inwestycyjne w mln USD dla układów z SAG oraz HPGR SABC HPGR I stopień kruszenia 35,1 33,4 II stopień kruszenia 0 37,5 HPGR 0 55,4 Kruszarki cylpepsowe 23,1 0 Młyn samomielący 67,7 0 Młyny kulowe 58,5 61,9 System zbiorników buforowych 0 39,6 nadawy do młynów kulowych RAZEM 184,4 227,8 Tabela 2

10 198 D. Saramak Układ z prasami walcowymi wymaga nakładów inwestycyjnych o ponad 23% większych w porównaniu z układem z młynami półsamomielącymi. Jednak koszty eksploatacji analizowanych układów zdecydowanie przemawiają za układami HPGR, ponieważ zużywają one ok. 25% mniej energii na tonę przerabianej rudy. Koszty materiałowe (okładziny, mielniki, naprawy bieżące itp.) również dają przewagę układom z HPGR wynikiem 1.3 UDS/t (SABC 1.7 UDS/t) Energochłonność układów SABC oraz HPGR Urządzenia Zużycie energii (kwh/t) SABC HPGR Młyn samomielący 8,71 0 Urządzenia pomocnicze 2,06 2,16 Kruszarki cylpepsowe 0,37 0 Urządzenia pomocnicze 0,27 0 Młyny kulowe 8,71 8,03 II stopień kruszenia 0 0,49 HPGR 0 3,25 Urządzenia pomocnicze II i III stopień kruszenia 0 1,98 RAZEM 20,11 15,91 Tabela 3 Podsumowując oba układy pod kątem wydajnościowym, energetycznym oraz inwestycyjnym, można stwierdzić, że układy rozdrabniania rud z HPGR wydają się być bardziej efektywne od układów z młynami SAG. Badania wykazują, że osiągane efekty technologiczne (stopień rozdrobnienia S produktu układu) są podobne, jedynym istotnym aspektem przy stosowaniu pras walcowych w układach przeróbki mechanicznej rud jest wykonanie testów półtechnicznych w celu sprawdzenia wpływu parametrów fizykomechanicznych nadawy na osiągane efekty rozdrabniania w prasie. 4. Podsumowanie Technologiczne układy rozdrabniania oparte na wysokociśnieniowych prasach walcowych stają się coraz popularniejsze w przemysłowych instalacjach przeróbczych rud. Cały czas rozwijane badania nad udoskonalaniem jakości okładzin roboczych walców pozwalają na osiągnięcie dobrych efektów rozdrabniania przy akceptowalnym poziomie ponoszonych nakładów energetycznych. Prasy walcowe doskonale sprawdzają się w układach

11 Analiza efektywności pracy 199 rozdrabniania zarówno na drugim stopniu, jak i pracując w obrębie układu mielenia, wspomagając tym samym pracę młynów kulowych bądź cylpepsowych. Na uwagę zasługuje także fakt, że w prasach walcowych można uzyskać zwiększony udział ziaren drobnych w klasie 0-0,4 mm, przy nadawie 0-25 mm. Jest to zatem potwierdzenie informacji podawanych w literaturze, że prasy mogą zastępować kruszarki na wtórnych stadiach kruszenia i młyny prętowe na pierwszych stadiach mielenia. Przedstawione w artykule wyniki analiz potwierdzają konkurencyjność wysokociśnieniowych pras walcowych w porównaniu z układami typu SABC. Pomimo wyższych nakładów inwestycyjnych na instalację prasy walcowej następuje znaczna redukcja kosztów eksploatacji w przypadku pras walcowych, poza tym obniża się energochłonność całkowita układu technologicznego. Dzięki temu następuje dosyć szybki zwrot inwestycji, który w zależności od różnych czynników technicznych może nastąpić po 5-10 latach. Większa wartość wskaźnika efektywnego czasu pracy urządzenia dla pras walcowych (Te>0,95) pozwala na przerób większej ilości nadawy, co tym samym zwiększa produktywność całego zakładu przeróbczego. Artykuł jest wynikiem pracy statutowej nr BIBLIOGRAFIA 1. Daniel M.J., Morrell S.: HPGR model verification and scale-up. Minerals Engineering, 17, 2004, p Danilkewich H., Hunter I.: HPGR challenges and growth opportunities. Conference: International Autogenous and semiautogenous grinding technology, Canada 2006, p Klymowsky R., Patzelt N., Knecht J., Burchardt E.: HPGR technology: present and future. Proceedings of PROCEMIN 2008, 5 th International Mineral Processing Seminar, October 2008, Chile. 4. Lowrison G.Ch.: Crushing and Grinding. Butterwortsh. London Morrell S.: A method for predicting the specific energy requirement of comminution circuits and assessing their energy utilization efficiency. Minerals Engineering, vol. 21, issue 3, 2008, p Naziemiec Z., Saramak D.: Analiza zmian obciążenia materiału w strefie zgniotu pras walcowych. Górnictwo i Geoinżynieria, nr 33 zeszyt 4, Pahl M. H.: Praxiswissen Verfahrenstechnik Zerkleinerungstechnik. Fachbuchverlag Lepzig/Verlag TÜV Rheinland, Köln 1993.

12 200 D. Saramak 8. Rule C.M., Minnarr D.M., Sauremann: HPGR revolution in Platinum? Third International Conference Platinum in Transformation, The Southern African Institute of Mining and Metallurgy, Saramak D.: Optimal performance of high-pressure grinding rolls press in ore comminution process chosen technological aspects. ICMEM 2010, 1st Int. Scientific Conference, Slovak Republic, November Saramak D.: Analiza powiązań pomiędzy parametrami technologicznymi pras walcowych z wykorzystaniem analizy czynnikowej. Górnictwo i Geoinżynieria, nr 34 z 4/1, Saramak D.: Poprawa efektywności pracy wysokociśnieniowych pras walcowych. Surowce i maszyny budowlane, 5/ Saramak D., Naziemiec Z.: Efekty rozdrabniania w kruszarkach i prasach walcowych. Górnictwo i Geologia XV, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej (Prace Naukowe Instytutu Górnictwa Politechniki Wrocławskiej), Wrocław Saramak D., Tumidajski T., Brożek M., Gawenda T., Naziemiec Z.: Aspects of comminution flowsheets design in processing of mineral raw materials. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, vol. 26, z. 4, Kraków Recenzent: Prof. dr inż. Aleksander Lutyński Abstract Various arrangements of technological comminution flow-sheets based on HPGR are presented in the paper. High-pressure grinding rolls can be applied both on the second (main) crushing stage, and within the grinding circuit, as supporting machines. HPGR based comminution circuits are beneficial regarding their energy consumption and capacities, when compared to flow-sheets based on conventional crushers and even the SAG mills. The analysis presented in second part of the paper compares HPGR and SAG based comminution circuits. Results of analysis show that both HPGR and SAG circuits are similar as regards technological effects (comminution degree ratio), but HPGR based circuits are more favorable from energetic point of view. Also capital costs for HPGR circuit are lower than for the SAG one.