В новый век — с новым оборудованием

Дробление и измельчение различных материалов и полезных ископаемых потребляют примерно 20 % вырабатываемой в мире электроэнергии. Энергетические затраты на измельчение непрерывно растут в связи с расширяющимся освоением месторождений бедных руд и необходимостью переработки отходов, а также с развитием процессов порошковой и других малоотходных технологий.

Доля капитальных, эксплуатационных и энергетических затрат на дробление и измельчение большинства использующих эти процессы предприятий составляет более 50 % их экономического баланса. В этой связи задача снижения себестоимости дробильно-измельчительных процессов становится все более актуальной.

Подавляющее большинство предприятий использует для дробильных переделов щековые и конусные эксцентриковые дробилки, а для измельчения — стержневые и шаровые мельницы.

Например, в промышленности нерудных строительных материалов (НСМ) наибольший объем занимает производство щебня и искусственного песка, главным образом из скальных изверженных пород. Именно такие породы обеспечивают повышенную прочность и долговечность дорог и железобетонных изделий. Однако они почти в 2 раза прочнее и абразивнее осадочных пород, и поэтому требуют повышенной надежности машин, перерабатывающих горную массу.

За прошедшие 10 лет значительно изменилась конъюнктура рынка НСМ. В начале 1990-х гг. около 60 % НСМ потребляло производство железобетонных конструкций, а в последнее время 50–60 % используется для дорожного строительства.

В какой-то мере это объясняется изменением структуры жилищного строительства. Выросла доля индивидуального строительства, достигшая 43 % в общем объеме строительства жилья. Доля крупнопанельного и объемного строительства снизилась до 25 %, а доля кирпичных и каменных зданий возросла до 50 %.

 Непрерывный рост интенсивности и скорости движения автомобильного транспорта требует выполнения мероприятий, обеспечивающих безопасность движения по дорогам. Основное из них — устройство надежных бесшумных дорожных покрытий.
 
Щебень, применяемый в дорожном хозяйстве, условно можно разделить на три группы:
а) щебень для устройства оснований дорожных одежд (любые, но преимущественно осадочные скальные и рыхлые породы с крупностью фракций 5–20, 20–40, 40–70, 0–40, 0–70 мм);
б) щебень для нижних слоев покрытий (метаморфические и изверженные горные породы с крупностью фракций 5–20 и 20–40 мм);
в) щебень для верхних слоев покрытий из асфальтобетонных смесей типа А и поверхностной обработки (изверженные и частично метаморфические горные породы крупностью щебня от 5 до 20 мм) с содержанием лещадных зерен до 15 %, который принято называть «кубовидным».

Повышенное содержание зерен лещадной формы отрицательно влияет на удобоукладываемость и плотность асфальтобетонных смесей.
 При уплотнении асфальтобетонной смеси при строительстве (укатке) и в процессе эксплуатации (под воздействием движущегося автотранспорта) зерна щебня лещадной и игловатой формы из-за относительно меньшей прочности разрушаются, что приводит к образованию свежих поверхностей, не имеющих контакта с битумом. Эти места являются первичными очагами разрушения асфальтобетона при проникновении воды и действия затем попеременного замораживания-оттаивания. Как следствие, снижаются механическая прочность и эрозионная устойчивость покрытий. Также с увеличением содержания зерен лещадной формы уменьшается шероховатость покрытия, что в значительной степени ухудшает эксплуатационные свойства асфальтобетонного покрытия.
 
Получение такого щебня фракций 5–10, 10–15, 10–20 мм и смеси 5–20 мм с минимальным содержанием игольчатых и пластинчатых зерен (до 15 %) на существующих щебеночных заводах, оснащенных эксцентриковыми конусными дробилками, оказалось чрезвычайно трудным. С увеличением прочности каменных пород резко снижается производительность дробилок по мелким фракциям и возрастает износ их деталей и узлов.

Революции на рынке дробильного и измельчительного оборудования —явление редкое. В мировой практике для производства дорожного щебня или переработки полезных ископаемых почти повсеместно используются щековые и конусные дробилки, принцип действия которых не претерпел изменения за 150 лет. По-прежнему эти машины имеют приводной элемент в виде эксцентрикового вала, который создает жесткую кинематическую связь между взаимодействующими дробящими телами: щеками или конусами. Слой материала при таком приводе не может быть деформирован на величину, превышающую установленный между дробящими телами разгрузочный зазор. Это явление особенно ярко проявляется в конусных эксцентриковых дробилках, где в приводном эксцентриковом узле используются подшипники скольжения, имеющие значительные радиальные зазоры, компенсирующие неточности изготовления основных деталей машины. К этим обстоятельствам относится неизбежная эллиптичность и неконцентричность броней конусов, зазоры в узлах регулировки щели, волчкование конуса на сферической опоре, износ вала и эксцентрика и т. п. Например, в конусных дробилках  диаметром конуса 2200 мм установленный на холостом ходу зазор равен 5 мм, а в рабочем режиме, когда вал конуса реакцией дробящей силы отжимается к противоположной стороне эксцентрика, зазор будет равен 9,5 мм. С учетом коэффициента закрупнения (отношение размера разгрузочной щели к максимальной крупности продукта дробления)85 % продукта дробилки будет в лучшем случае мельче 16 мм или 100 % мельче 20 мм. Таким образом, наличие эксцентрикового привода является главной причиной низкой степени дробления (4…7) таких машин.

Попытки увеличить число воздействий на материал дробящей полости за счет формы ее профиля существенных успехов не имели, так как даже незначительное увеличение степени дробления приводило к существенному снижению надежности дробилок. Примером этому может служить история дробилок Girodisk фирмы Nordberg, от широкого использования которых пришлось отказаться.

Другая существенная причина низкой степени дробления эксцентриковых дробилок — ограниченная частота качаний конуса. С увеличением частоты воздействия конуса на дробимый материал снижаются крупность продукта и коэффициент закрупнения, однако при этом пропорционально квадрату частоты качаний возрастает центробежная сила подвижного конуса, а следовательно, и степень неуравновешенности дробилки (действующая на фундамент горизонтальная сила достигает в среднем 5 т). При этом на холостом ходу эксцентрик и подвижный конус на своем подпятнике работают крайне ненадежно. Если применяемые в настоящее время упругие амортизаторы защищают фундамент дробилки от разрушения, то опасность заклинивания вала подвижного конуса в эксцентрике на холостом ходу на повышенной частоте качаний сохраняется.

Не менее важной причиной ограничения технологических параметров эксцентриковых дробилок является их высокая чувствительность к неравномерности загрузки исходным материалом, как по массе, так и по гранулометрическому составу. Поэтому важно также обеспечить условия для равномерного распределения исходного материала по окружности дробящей полости.
Следующим ограничительным фактором интенсификации работы эксцентриковых дробилок является опасность повреждения их механизма в связи с переполнением дробящей полости перерабатываемым материалом высокой крепости. Пуск и остановка дробилок с заполненной полостью невозможны.

При существующей частоте качаний подвижного конуса (242 мин.-1) кусок руды зажимается в дробящей полости при условии полного ее заполнения 7 раз, однако чем ниже производительность, тем с большей скоростью кусок проходит дробящую полость, подвергаясь в ней иногда двум-трем обжатиям. Такой режим приводит не только к уменьшению степени дробления, но и к резкому снижению ресурса дробилки из-за вибраций вала конуса в эксцентрике при одновременном пробое слоя масла на поверхности трения и выходе на полусухое трение.

 Таким образом, к основным факторам, ограничивающим технологические параметры конусных эксцентриковых дробилок, следует отнести:
-  эллиптичность и неконцентричность броней конусов;
-  повышенные радиальные зазоры в приводном эксцентриковом механизме;
-  чувствительность к неравномерности загрузки исходным материалом;
-  ограниченную частоту качаний подвижного конуса;
-  опасность попадания в дробящую полость недробимых тел и потребность в предохранительных средствах;
-  невозможность пуска и остановки дробилок под нагрузкой.

На рис. 1 показана принципиальная схема конусной эксцентриковой дробилки. Такие машины известны как дробилки типа Symons («Саймонс») и выпускаются различными отечественными и зарубежными фирмами уже более 100 лет.

Более 40 лет существуют и имеют общее название «Гидрокон» (Hydrocone) дробилки с автоматической регулировкой (система Hydroset) размера разгрузочного зазора между конусами гидроцилиндра, размещенного под валом внутреннего конуса. Под действием поршня внутренний конус перемещается по вертикали, компенсируя износ броней конусов и корректируя технологические параметры.

Фирма Telsmith (США) усовершенствовала дробилку типа Symons, заменив сферическую опору скольжения внутреннего конуса на гирационный диск качания, жестко связанный с приводной эксцентриковой втулкой. Вал внутреннего конуса, размещенный внутри упомянутой втулки, снабжен хвостовиком с зубом, входящим в зацепление с ответным зубом в дне корпуса дробилки. Такая конструкция исключает волчкование конуса и его сдвиг на опорных подшипниках скольжения при повышенных оборотах эксцентрика. Это позволило несколько поднять число качаний конуса и, следовательно, увеличить степень дробления.

Повышению степени дробления способствуют твердосплавные выступы в параллельной зоне броней конусов. Фирма утверждает, что кубовидность щебня, полученного в такой дробилке, не может быть ниже 80 %.

В связи с низким качеством щебня в эксцентриковых дробилках в ряде случаев после них используются роторные центробежные дробилки-грануляторы типа «Бармак» или Merlin с вертикальной осью ротора (рис. 2). Дробилка работает подобно центробежному насосу, разбрасывая по окружности корпуса исходный материал, поступающий в центр ротора.

Использование ударных и отражательных дробилок может рассматриваться как дополнительная операция дробления, назначение которой — исправление формы зерен без существенного сокращения размеров дробимого материала. При такой технологической задаче удается избежать форсированных режимов разрушения материала.

Известно, что дробилки ударно-центробежного типа широко применяются для дезинтеграции материалов относительно невысокой прочности и абразивности: известняка, доломита, мела, гипса и др. В последние годы это оборудование активно пропагандируется для производства кубовидного щебня из крепких изверженных пород.

Такие дробилки с небольшими конструктивными отличиями изготавливают как в России, так и за рубежом. В России — это «НПО ЦЕНТР», «Урал-Омега», ЗАО «Новые технологии», ОАО «Дробмаш». За рубежом — фирмы Metso Minerals, Krupp, Frster, Spille, Sandvic, Telsmith, Cobelco, Alta и др. Ударно-отражательные дробилки могут принимать максимальный кусок не более 60–70 мм (лучше 40 мм) и производить кубовидный щебень фракции 5–20 мм с производительностью по загрузке до 250 т/ч и выходом фракции менее 5 мм 35–50 %. При работе таких дробилок наблюдается накопление так называемого недробимого класса крупности в циркуляции, что приводит к снижению производительности по готовому продукту, который составляет не более 50 % от загрузки.

(окончание см. в вледущем номере)