Maszyny przeróbcze i urządzenia powierzchni kopalń. Przeróbka mechaniczna - wprowadzenie Dr inż. Jarosław Zubrzycki

Transkrypt

1 Maszyny przeróbcze i urządzenia powierzchni kopalń Przeróbka mechaniczna - wprowadzenie Dr inż. Jarosław Zubrzycki

2 Przeróbka mechaniczna Przeróbka mechaniczna jest to zespół czynności (operacji) mechanicznych i technologicznych, którym poddaje się surową kopalinę użyteczną w celu uzyskanie jej przydatności przemysłowej, przez usunięcie z jej składu zanieczyszczeń skałą płonną, zwiększenie koncentracji składnika użytecznego oraz przygotowanie tej kopaliny do określonych procesów technologicznych przetwarzania jej na produkty końcowe. Ostateczna forma kopaliny użytecznej przygotowanej przez przeróbkę mechaniczną, jest ustalana warunkami technologicznymi dalszego jej przetwarzania lub bezpośredniego użytkowania.

3 Cel przeróbki: - jakościowy podział (wzbogacanie), - ilościowy podział (klasyfikacja).

4 Przeróbce mechanicznej podlegają praktycznie wszystkie kopaliny użyteczne, takie jak: węgiel kamienny i brunatny, rudy żelaza, cynku, cyny, ołowiu, rudy innych metali, złoto, srebro, miedź i jej rudy, siarka, materiały ceramiczne, surowce budowlane i chemiczne wiele innych kopalin wymagających wzbogacania, oczyszczania oraz przygotowania do celów przemysłowych, np.: ze względu na wielkość ziaren, skład ziarnowy itp.

5 Przemysły oraz kopaliny użyteczne przygotowywane dla nich przez przeróbkę mechaniczną: przemysł hutniczy: rudy Ŝelaza, rudy metali nieŝelaznych, rudy metali rzadkich, węgiel koksowy, węgiel energetyczny, topniki (wapień, kwarc, fluoryt), materiały ogniotrwałe (magnezyt, dolomit, glina, grafit, korund, kwarc, cyrkon, chromit, andaluzyt), energetyka: węgiel kamienny, węgiel brunatny, odbiorcy materiałów opałowych: węgiel kamienny, węgiel brunatny, torf (do odbiorców tych zalicza się np. kolejnictwo, większość przemysłów pobierających energię z pary, gospodarkę komunalną, gospodarstwa domowe itp.),

6 Przemysły oraz kopaliny użyteczne przygotowywane dla nich przez przeróbkę mechaniczną: przemysł rolny: nawozy sztuczne i surowce do ich produkcji (apatyt, fosforyty, sole potasowe i magnezowe), środki do walki ze szkodnikami (talk, kaolin, baryt), środki do poprawy struktury roli (gips, wapień, dolomit), przemysł budowlany: kamień budowlany, piasek, glina, surowce cementowe (wapień, kreda, margiel), przemysł chemiczny: węgiel kamienny i brunatny jako surowiec do chemicznej przeróbki węgla, siarka, apatyt, fluoryt, baryt, wapień, halit, sylwin, kwarc, azbest itp., przemysł szklarski i ceramiczny: kwarc, kaolin, fluoryt.

7 Terminologia Kopalina użyteczna jest to naturalny surowiec mineralny, który przy aktualnym stanie technologii i techniki przetwarzania może być w sposób ekonomiczny zużytkowany w gospodarce narodowej do wytwarzania innych form tego surowca w postaci dostosowanej do bezpośredniego użycia lub stanowiącej surowiec produkcyjny. W przeważającej liczbie przypadków kopalina użyteczna musi być poddana ściśle określonym procesom przeróbczym, które mają za zadanie zwiększenie udziału składnika użytecznego w jednostce masy lub objętości przez usunięcie z kopaliny wyjściowej składników nieużytecznych. Kopalina użyteczna może mieć fizycznie postać stałą (np. węgiel, ruda żelaza, rudy metali nieżelaznych itp.), ciekłą (ropa, wody mineralne) i gazową.

8 Terminologia Minerały są to występujące w skorupie ziemskiej naturalne związki chemiczne lub pierwiastki rodzime. Minerały użyteczne są to naturalne związki chemiczne lub pierwiastki rodzime, w których składzie występują pierwiastki stanowiące wartościowy surowiec. Jest to zatem określenie w pewnym zakresie jednoznaczne z określeniem kopalina użyteczna. Do minerałów zalicza się pierwiastki, siarczki, halogenki, tlenki i wodorotlenki, azotany, borany, siarczany, fosforany i arseniany, krzemiany oraz związki organiczne. Materiał surowy jest to kopalina użyteczna kierowana do procesów przeróbczych; określana jest ona również terminem nadawa.

9 Terminologia Skała płonna terminem tym określa się skały wydzielone w procesach przeróbczych, które w przeróbce określonej kopaliny uważane są za nieużyteczne. Skała płonna wydzielona w procesach przeróbczych nosi również nazwę odpady. W niektórych przypadkach odpady mogą zawierać również składniki użyteczne i wówczas stanowią one wtórny materiał surowy, który może być przerabiany (wzbogacany) w innym, odpowiednio dostosowanym procesie przeróbczym. Zakład przeróbczy jest to pomieszczenie przemysłowe, budowla lub zespół budowli, wyposażonych w maszyny przeróbcze i urządzania pomocnicze rozmieszczone w odpowiedniej kolejności wykonujące operacje technologiczne (przeróbcze) konieczne do uzyskania maksymalnej koncentracji składnika użytecznego w produkcie końcowym, jego składu ziarnowego itp.

10 Operacje technologiczne Operacje technologiczne przeróbcze są to czynności wykonywane, w odpowiednio dobranej kolejności, na materiale surowym oraz na otrzymywanych produktach wzbogacania (produktach procesu przeróbczego), które mają na celu wyodrębnienie z materiału surowego maksymalnej ilości składnika użytecznego. Ze względu na ich charakter operacje przeróbcze dzieli się na: - przygotowawcze, - główne, - uzupełniające, - pomocnicze, - usługowe.

11 Operacje przygotowawcze stanowią zespół czynności mechanicznych, prowadzonych w odpowiednich maszynach i urządzeniach, fizykomechanicznych itp., koniecznych do przygotowania nadawy do procesów przeróbczych. W większości przypadków stosowanie operacji przygotowawczych jest niezbędne do wykonania podstawowych procesów przeróbczych. Operacje przygotowawcze są również konieczne w trakcie prowadzenia kompleksowego procesu technologicznego i stosowane są jako czynności międzyoperacyjne.

12 Operacje główne są to te wszystkie czynności technologiczne na materiale surowym i produktach procesu przeróbczego, które mają na celu nadanie im własności umożliwiających jego przemysłowe zużycie. Operacje główne, określane również jako operacje zasadnicze, są następujące: - klasyfikacja mechaniczna, przesiewanie, - klasyfikacja hydrauliczna, - klasyfikacja aerodynamiczna, - rozdrabianie, - wzbogacanie obejmujące: wzbogacanie ręczne, grawitacyjne, flotację, wzbogacanie elektromagnetyczne i magnetyczne, elektrostatyczne i inne, - Odwadnianie, - Odpylanie, odmulanie, - Rozmywanie, - Suszenie, - Brykietowanie, - Peletyzacja.

13 Podział czynności technologicznych na operacje główne i pomocnicze nie jest podziałem sztywnym. W układzie (schemacie) technologicznym operacje główne mogą mieć charakter operacji przygotowawczych przed innym podstawowym procesem technologicznym. Przykładem tego rodzaju może być odmulanie materiału przed procesem wzbogacania, wzbogacanie wstępne przed procesem podstawowego (ostatecznego) wzbogacania itp. Prowadzenie pełnego zaprojektowanego procesu technologicznego przeróbki materiału surowego wymaga wprowadzenia wielu operacji pomocniczych i operacji usługowych.

14 Operacje pomocnicze wyładowanie materiału surowego z urządzeń transportowych, którymi wydobywa się kopalinę użyteczną na powierzchnię, tj. skipów, wozów, przenośników itp., transport materiału surowego i produktów wzbogacania w zakładzie przeróbczym pomiędzy maszynami i urządzeniami, wykonującymi określone operacje technologiczne, składowanie (magazynowanie) materiału surowego, koncentratów i innych produktów użytecznych zakładu przeróbczego, zwałowanie odpadów otrzymywanych w procesie przeróbczym, zasilanie maszyn i urządzeń przeróbczych (np. w ośrodek wzbogacający, czynnik wzbogacający itp.), ważenie materiału surowego i produktów wzbogacania, załadunek produktów do wagonów lub innych środków transportowych.

15 Operacje usługowe - gospodarka wodno-mułowa, która obejmuje zagadnienia dostarczania, rozdziału i bilansu wody roboczej i transportowej w operacjach wzbogacania materiału surowego, odmulania lub jego transportu; do zadań gospodarki wodno-mułowej należy również oczyszczanie wody roboczej i przygotowanie jej do wtórnego wykorzystania w obiegu roboczym w zakładzie przeróbczym oraz uzupełniania jej strat; - gospodarka powietrzna, zajmująca się dostarczaniem powietrza jako czynnika roboczego w procesach wzbogacania, odpylania, klasyfikacji aerodynamicznej itp. oraz jego bilansowania w obiegach roboczych; do gospodarki powietrznej należy również jego oczyszczanie z zawiesin stałych;

16 Operacje usługowe - gospodarka cieplna, obejmującą zagadnienia dostarczania lub wytwarzania ciepła o odpowiednich parametrach zużywanego do procesów technologicznych, np. do termicznego suszenia produktów wzbogacania, aglomeracji i prażenia rud itp. oraz opracowywania bilansów zapotrzebowania i zużycia ciepła; gospodarka cieplna obejmuje również ogrzewanie zakładu przeróbczego;

17 Operacje usługowe gospodarka energetyczna, zajmującą się problemami dostawy i zużycia energii elektrycznej w procesach technologicznych np. przy wzbogacaniu elektromagnetycznym, wzbogacaniu elektrostatycznym itp.; gospodarka energetyczna obejmuje również zagadnienia dostawy i zużycia energii do napędu maszyn i urządzeń w zakładzie przeróbczym; automatyzację procesów przeróbczych, która obejmuje zagadnienia scentralizowanego, dyspozytorskiego ruchu zakładu, automatyzację procesów technologicznych w zakresie zasilania nadawą maszyn, automatyzację gęstości czynnika wzbogacającego, regulację i sterowanie przebiegiem procesu technologicznego itp.;

18 Operacje usługowe - kontrola techniczna przebiegu operacji przeróbczych, kontrola jakości produktów wzbogacania pomiędzy kolejnymi procesami przeróbczymi i kontrola jakości produktów końcowych.

19 Podział klasyfikacji mechanicznej Klasyfikację mechaniczną, w zależności od jej charakteru technologicznego, dzieli się na: klasyfikację wstępną lub klasyfikację, jeżeli wydzielone grupy ziaren kierowane są do dalszych operacji przeróbczych; otrzymywane w tej operacji grupy ziaren nazywa się klasami ziarnowymi; sortowanie, jeżeli wydzielone grupy ziaren stanowią gotowy produkt handlowy; wydzielone w tym procesie grupy ziaren nazywa się sortymentami handlowymi.

20 Klasy ziarnowe i sortymenty Określone są wymiarami podawanymi w milimetrach, przy czym wymiary górny i dolny każdej grupy ziaren określane są wymiarami otworów sit zastosowanych do klasyfikacji. Wszystkie ziarna mieszczące się pomiędzy dolnym i górnym wymiarem otworów sit roboczych stanowią ziarna zasadnicze klasy ziarnowej lub sortymentu. Ziarna o wymiarach mniejszych od dolnego wymiaru noszą nazwą podziarna, natomiast ziarna większe od wymiaru górnego noszą nazwę nadziarna.

21 Wymiary klas ziarnowych określane są przez technologów przeróbki mechanicznej na podstawie wymagań procesu technologicznego, a wynikają one ze szczegółowych badań technologicznych materiału surowego. Dokładne określenie wymiarów klas ziarnowych ma na celu uniknięcie nieraz bardzo znacznych strat kopaliny użytecznej w procesach technologicznych oraz ograniczenie do minimum niepotrzebnego wkładu energii na zbyteczne operacje przeróbcze lub ich niewłaściwy dobór.

22 Klasyfikacja hydrauliczna przeprowadza się w ośrodku wodnym. Stosuje się ją wyłącznie do materiałów nierozpuszczalnych w wodzie oraz materiałów silnie wilgotnych lub mokrych, których podziału nie moŝna dokonać mechanicznie na przesiewaczach. Wyjątek stanowią te materiały suche, które po klasyfikacji hydraulicznej kierowane są do mokrych procesów przeróbczych, a zastosowanie tej operacji jest z tego powodu celowe i korzystne.

23 Klasyfikacja hydrauliczna Klasyfikację hydrauliczną przeprowadza się w strumieniu wody płynącym po nachyleniu lub w strumieniu wznoszącym się z określoną prędkością. Klasyfikację hydrauliczną dzieli się na: wymiarową, w której przy odpowiednim dobraniu prędkości płynącego lub wznoszącego się strumienia wody otrzymuje się grupy ziaren o założonych (wymaganych) granicach ich wymiaru dolnego i górnego; klasyfikacja tego rodzaju spełnia zadania klasyfikacji mechanicznej; grawitacyjną, w której otrzymuje się grupy ziaren o tych samych gęstościach, niezależnie (w pewnych określonych granicach) od ich wymiaru; klasyfikacja hydrauliczna grawitacyjna jest procesem technologicznym zaliczonym do procesu wzbogacania.

24 Klasyfikacja aerodynamiczna prowadzi się w ośrodku powietrznym lub gazowym w poziomym lub wznoszącym się strumieniu ośrodka zastosowanego do rozdziału. Klasyfikację aerodynamiczną dzieli się tak samo jak klasyfikację hydrauliczną na: wymiarową, grawitacyjną, która zaliczona jest również do procesu wzbogacania.

25 Wzbogacanie Należy do podstawowych (zasadniczych) operacji przeróbczych w większości kopalin użytecznych. Proces wzbogacania prowadzi się we wzbogacalnikach. Wzbogacanie materiału surowego polega na rozdziale nadawy na ziarna o z góry określonym tym samym składzie mineralogicznym. W wyniku takiego rozdziału otrzymuje się co najmniej dwa produkty, a mianowicie: koncentrat zawierający maksymalną ilość ziaren użytecznych, oraz odpady zawierające ziarna o nieprzydatnym do dalszego użytkowania składzie mineralogicznym. W wielu przypadkach w materiale surowym znajdują się ziarna będące zrostami ziaren użytecznych i płonnych. Jeżeli w procesie wzbogacania ziarna te ulegają wyodrębnieniu, stanowią one dodatkowy produkt wzbogacania; produkt ten nosi nazwę produktu pośredniego lub produktu przejściowego.

26 Koncentrat jest to zbiór ziaren minerału użytecznego bez domieszki ziaren skały płonnej. Ponieważ w przemysłowym procesie wzbogacania, w zależności od dobranej technologii procesu przeróbczego, nie zawsze można otrzymać w ścisłym tego słowa znaczeniu czysty koncentrat, dlatego odpowiednie normy określają dla każdego rodzaju technologii wzbogacania dopuszczalną zawartość ziaren produktu pośredniego i ziaren skały płonnej w koncentracie. Ziarna te stanowią zanieczyszczenie koncentratu.

27 Produkt pośredni lub przejściowy jest to zbiór ziaren, stanowiących zrosty ziaren minerału użytecznego z ziarnami skały płonnej, przy czym zawartość minerału użytecznego w całości tego produktu jest zbyt mała, aby nadawał się on do bezpośredniego zużycia. Również i dla tego produktu odpowiednie normy technologiczne określają dopuszczalną zawartość w nim ziarna minerału użytecznego i skały płonnej.

28 Odpady są to ziarna czystej skały płonnej. Odpady mogą również zawierać pewne ilości ziaren minerału użytecznego lub ziaren produktu pośredniego (w wyniku niedokładności procesu technologicznego lub jego niewłaściwego doboru) maksymalne ich ilości określają odpowiednie normy technologiczne; ziarna użyteczne i zrosty stanowią straty w odpadach. Dla każdego materiału surowego, w zależności od jego składu mineralogicznego i własności przeróbczych, można dobrać taki proces technologiczny oraz takie metody wzbogacania, które będą gwarantować jak najmniejsze zanieczyszczenie koncentratu i jak najniższe straty minerału użytecznego w odpadach.

29 Własności fizyczne i fizykochemiczne ziaren kopaliny użytecznej i ziaren skały płonnej wykorzystywane w technologii wzbogacania W procesach wzbogacania wykorzystuje się różnice: w zabarwieniu i połysku ziaren, w kształcie ziaren i ich wymiarach, współczynnika tarcia ziaren po powierzchni, po której się poruszają, w sprężystości ziaren, w gęstości ziaren, we własnościach optycznych, elektrycznych i magnetycznych, własności fizykochemicznych powierzchni ziaren, w występujących własnościach chemicznych.

30 Metody technologii wzbogacania wzbogacanie ręczne, w którym wykorzystuje się różnice w zabarwieniu i połysku ziaren, wzbogacanie wykorzystujące różnice kształtu i wymiaru ziaren kopaliny użytecznej i skały płonnej, wzbogacanie wykorzystujące różnice współczynnika tarcia, wzbogacanie wykorzystujące różnice sprężystości ziaren spadających na twardą lub sprężystą powierzchnię,

31 Metody technologii wzbogacania wzbogacanie grawitacyjne, wykorzystujące różnice gęstości ziaren wchodzących w skład materiału surowego, wzbogacanie wykorzystujące własności elektrostatyczne i magnetyczne składników kopaliny surowej, wzbogacanie flotacyjne, wykorzystujące różnice własności fizykochemicznych powierzchni ziaren, wzbogacanie wykorzystujące własności optyczne, radiometryczne, biologiczne i chemiczne składników kopaliny surowej.

32 Na podstawie podanych już technologii procesów przeróbczych wyróżnia się: wzbogacanie wstępne w przodkach eksploatacyjnych, wzbogacanie ręczne (w zakładach przeróbczych), wzbogacanie grawitacyjne, wzbogacanie magnetyczne elektrostatyczne, (elektromagnetyczne) i wzbogacanie flotacyjne, inne metody wzbogacania, do których zalicza się wzbogacanie według kształtu i wymiaru ziaren, różnicy współczynnika tarcia, sprężystości itp., wzbogacanie optyczne, radiometryczne, ogniowe, biologiczne i chemiczne.

33 Flotacja Flotacja jest to wzbogacanie fizykochemiczne, czyli rozdział materiału surowego według zdolności unoszenia się w ośrodku ciekłym. W procesie tym wzbogaca się ziarna od 5 μm do 1 mm (w praktyce 0,5 mm). Doz rozdziału wykorzystuje się własności fizykochemiczne ziarna, np. powierzchniową zwilżalność lub trudnozwilżalność powierzchniową ziarna lub własności hydrofobowe (ziarna niezwilżalne kamień) i hydrofilne (ziarna zwilżalne koncentrat). Najczęściej stosuje się flotację pianową. Rozróżniamy flotację kolektywną, podczas której wydzielamy wszystkie ziarna użyteczne oraz flotację selektywną, podczas której wydzielamy różne klasy koncentratu.

34 Flotacja W procesie flotacji wyróżniamy następujące fazy: stała nadawa, ciekła menty, gazowa pęcherzyki. W czasie flotacji należy utrzymywać żądane stężenie ph ośrodka ciekłego. W czasie flotacji może wystąpić zjawisko flokulacji, zwiększenia wydajności, czyli przyczepianie się kilku ziarenek do jednego pęcherzyka powietrza.

35 Flotacja pianowa polega na przyczepianiu się ziaren mineralnych do pęcherzyków powietrza wprowadzonego do mieszaniny zwanej mentami flotacyjnymi (woda + drobno zmielona kopalina). Pęcherzyki powietrza wraz z przyczepionymi do nich ziarnami wypływają na powierzchnie tworząc tam pianę, która jest wygarniana do koryta.

36 Rozdrabianie polega na pomniejszaniu wymiaru ziaren materiału surowego lub produktów wzbogacania. Rozdrabianie prowadzi się w kruszarkach. Stosuje się je w celu uzyskania kruszywa o wymaganym wymiarze ziaren lub w celu oddzielenia zrośniętych ziaren minerału użytecznego od ziaren skały płonnej. Tę ostatnią operację przeprowadza się na surowej kopalinie użytecznej lub na produkcie przejściowym. Rozdrabianie surowej kopaliny użytecznej stosuje się wówczas, gdy drobne ziarna minerału użytecznego są wpryśnięte i rozproszone w masie skały płonnej.

37 Odwadnianie jest to wydzielanie wody z produktów wzbogacania lub z innych produktów, pochodzących z procesów technologicznych prowadzonych na mokro. Stopień odwodnienia produktów uzależniony jest od doboru właściwych urządzeń odwadniających lub od wymagań procesu technologicznego; jeżeli odwadnianie jest zabiegiem międzyoperacyjnym, to zadaniem tego procesu może być tylko częściowe odwodnienie produktu.

38 Odpylanie polega na usunięciu z nadawy lub z produktów procesu przeróbczego ziaren najdrobniejszych, które mogą stanowić w wielu operacjach przeróbczych ziarno uciążliwe, zwłaszcza przy stosowaniu mokrych technologii przeróbczych. W niektórych przypadkach odpylanie ma na celu wydzielenie najdrobniejszych ziaren, stanowiących gotowy, końcowy produkt.

39 Odmulanie stosuje się wówczas, gdy materiał surowy lub produkty procesu technologicznego są wilgotne lub mokre i nie ma możliwości ich odpylenia.

40 Rozmywanie jest to operacja, mająca na celu wymycie skał ilastych z kopalin użytecznych, które w stanie surowym zanieczyszczone są tego rodzaju dodatkową skałą płonną, utrudniającą prowadzenie procesów przeróbczych. Gdy skała ilasta stanowi jedyne zanieczyszczenie kopaliny użytecznej, wówczas rozmywanie jest operacją główną.

41 Suszenie stosuje się wówczas, gdy odwadnianie produktów wzbogacania jest niewystarczające, a odbiorcy lub warunki technologiczne dalszego użytkowania koncentratów wymagają dokładnego usunięcia wody i wilgoci. W operacji tej można uzyskać produkty powietrzno-suche.

42 Brykietowanie polega na formowaniu z drobnych ziaren koncentratu zwięzłych brył (brykietów) o określonym kształcie i wymiarach. Brykietowaniu podlega wiele koncentratów kopalin użytecznych, np. drobne klasy ziarnowe węgla kamiennego i brunatnego do celów grzewczych lub przeznaczone do chemicznej ich przeróbki, drobne ziarna koncentratów rud ze względu na konieczność usprawnienia dalszych procesów technologicznych hutniczych itp. Brykietowania dokonuje się przez prasowanie pod ciśnieniem w odpowiednich formach i przy użyciu materiału wiążącego drobno uziarnionego materiału.

43 Peletyzacja (grudkowanie) jest odmianą procesu brykietowania, przy czym w procesie peletyzacji tworzenie bryłek koncentratu przebiega bez stosowania prasowania bryłek drobno uziarnionego materiału. Formowanie bryłek zapoczątkowane jest powstawaniem tzw. zarodków, utworzonych z drobnych ziaren wilgotnego materiału powiązanych ze sobą mostkami wodnymi. Zarodki powstają w obrotowych grudkownikach zasilanych drobno uziarnionym wilgotnym materiałem. W czasie toczenia się zarodków następuje ich stopniowe powiększanie się przez przywieranie do ich powierzchni dalszych ziaren wilgotnego materiału, ich zgęszczanie się, aż do przybrania kształtu zwartej kulistej bryłki.