Щековые дробилки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Обзор существующих щековых дробильных машин

1.1 Классификация щековых дробильных машин

1.1.1 Щековые дробильные машины с простым движением щеки

1.1.2 Щековые дробильные машины со сложным движением щеки

1.1.3 Щековые дробильные машины с комбинированным движением щеки

Выводы по главе

2. Анализ горных пород и требования к способу дробления

2.1 Описание различных типов горных пород

2.2 Оценка их физико-механических свойств

2.3 Требования к способу дробления с учетом особенностей горных пород

Выводы по главе

3. Описание патентных решений для повышения эффективности работы щековых дробилок

3.1 Щековая дробилка, патент RU 2 453 370 C1

3.2 Щековая дробилка, RU 2 497 591 C1

3.3 Способ дробления горной породы в щековой дробилке, RU 2 622 686 C2

Выводы по главе

4.Теоретический анализ патентов направленные на повышению эффективности работы щековых дробилок

4.1 Технические особенности патентного решения

4.2 Оценка существующих способов дробления и их эффективности

4.3 Анализ патентных решений

Вывод по главе



Введение

щековый дробилка машина горный

Актуальность. Практически во всех металлургических переделах (кроме прокатного) в качестве исходного продукта требуется измельченный материал, получаемый с использованием дробильных машин. Также необходимо измельчать некоторые продукты металлургической промышленности: шлаки и ферросплавы. Дробильные машины (в том числе и щековые) используются в составе дробильно-сортировочных комплексов, состоящих из питателей, предварительных грохотов, дробильного отделения и грохотов для разделения фракций продукта дробления.

Цель данной выпускной квалификационной работы заключается в исследовании возможностей повышения эффективности работы щековых дробилок на основе комплексного анализа конструкции, процессов дробления и методов управления.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ существующих методов дробления и их эффективности в контексте использования щековых дробилок.

2. Изучение конструктивных особенностей и параметров работы щековых дробилок с целью выявления факторов, влияющих на эффективность процесса дробления.

3. Разработка методов оптимизации процесса дробления в щековых дробилках с использованием современных инженерных подходов и технологий.

4. Практическое испытание разработанных методов и технологий на реальных образцах материалов с целью оценки полученных результатов.

При помощи выполнения данных задач предполагается выявить возможности улучшения эффективности работы щековых дробилок, что способствует повышению производительности процессов дробления и снижению энергозатрат.

Данное исследование имеет практическое значение для инженеров-механиков, занимающихся проектированием, эксплуатацией и модернизацией дробильного оборудования, а также для предприятий, где используется данное оборудование, поскольку позволит повысить эффективность производственных процессов и улучшить качество производимой продукции.

Таким образом, решение поставленных задач позволит обобщить и систематизировать современные представления о работе щековых дробилок, а также предложить практические рекомендации по повышению их эффективности на основе новых инженерных решений.



1. Обзор существующих щековых дробильных машин и способов их защиты

Каждый производственный агрегат создаётся для выполнения определённого технологического процесса. В большинстве случаев, этот процесс развивается быстрее, чем созданный для его выполнения агрегат, в том числе, под воздействием роста потребления производимой продукции (к примеру, мировая потребность в различных видах металлов растет на 3-8% в год [1]), из-за введения в переработку различных материалов с новыми свойствами. В результате параметры машины перестают удовлетворять возросшим потребностям ее применения. Эта проблема вызывает необходимость развития техники. Рост потребления готовой продукции требует повышения производительности машин, их единичной мощности путем модернизации оборудования, проведения анализа и решения конструкторских задач.

Многие промышленные производства (металлургические, горные и другие) в больших количествах перерабатывают и используют сыпучие материалы различных классов крупности. Как правило, нужная крупность достигается измельчением более крупных кусков с помощью дробильных машин.

В изучение процессов дробления и разработку конструкций дробильных машин наибольший вклад внесли: П. В. Риттингер, В. А. Кирпичев, Ф. Бонд, Ф. Кик, А. К. Рундквист, Р. А.Родин, Б. В. Клушанцев, Ю. А. Муйземнек, В. А. Бауман, В. А. Масленников и др.

Растущая потребность перерабатывать материалы вызывает необходимость в разработке принципиально новых подходов к процессу переработки и, соответственно, к защитным устройствам машин, что достигается решением конструкторских задач [2].



1.1 Классификация щековых дробильных машин

Щековые дробилки применяют для крупного и среднего дробления во многих отраслях, в том числе в металлургической промышленности. Принцип работы щековой дробилки заключается в следующем. В камеру дробления, имеющую форму клина и образованную двумя щеками, из которых одна в большинстве случаев является неподвижной, а другая подвижной, подаётся материал, подлежащий дроблению. Благодаря клинообразной форме камеры дробления куски материала располагаются по высоте камеры в зависимости от крупности: более крупные - вверху, менее крупные - внизу. Подвижная щека периодически приближается к неподвижной, причём при сближении щёк (ход сжатия) куски материала дробятся, при отходе подвижной щеки (холостой ход) куски материала продвигаются вниз под действием силы тяжести, выходя из камеры дробления, если их размеры стали меньше наиболее узкой части камеры, называемой выходной щелью, или занимают новое положение, соответствующее своему новому размеру [3, 4]. Затем цикл повторяется.

Опыт зарубежных фирм («Крупп», Германия; «Телсмит», США; «Роксон», Финляндия и других) свидетельствуют о широком распространении щековых дробилок различных конструкций.

На рисунке 1.1 приводится выполненная Б. В. Клушанцевым классификация кинематических схем щековых дробилок, в которую включены машины, наиболее характерные по кинематическому и конструктивному решению.

В основу предложенной Б.В.Клушанцевым классификации кинематических схем щековых дробилок положен характер движения подвижной щеки, обеспечивающий процесс дробления и продвижения раздробленного куска по высоте камеры дробления, что позволило разделить их на две основные группы - дробилки с простым движением щеки и со сложным [3].

Рисунок 1.1 Кинематические схемы щековых дробилок



1.1.1 Щековые дробильные машины с простым движением щеки

К первой группе относятся дробилки, у которых движение от кривошипа к подвижной щеке передается кинематической цепью. При этом траектории движения точек рабочей поверхности щеки представляют собой или части дуги окружности или прямые линии (рисунок 1.2) [5]. Эти машины называют щековыми дробилками с простым движением подвижной щеки. Согласно выполненной Б.В. Клушанцевым классификации (рисунок 1.1) кинематические схемы 1.1.1 - 1.4.5 - дробилки с простым движением подвижной щеки. Наиболее характерным представителем данной группы является кинематическая схема 1.1.1.

Во время работы такой дробилки (рисунок 1.2) щека совершает качательное движение, при этом наибольший ход сжатия S_н (горизонтальная составляющая траектории движения какой-либо точки щеки) имеет ее нижняя точка.

1 - подвижная щека; 2 - неподвижная щека; 3 - кривошип Рисунок 1.2 - Щековая дробилка с простым движением щеки

Существенным недостатком этих дробилок является малый ход сжатия в верхней части камеры дробления не обеспечивающий достаточную относительную деформацию подаваемых на дробление кусков и процесс дробления в верхней части камеры идёт не эффективно. Как следствие, нижние, более активные слои камеры, не обеспечиваются достаточным количеством материала. Таким образом, производительность верхней части значительно меньше, чем нижней. В результате, производительность дробильной машины определяется производительностью верхней части камеры дробления.

Фактическая производительность щековой дробилки определяется объемом выпадаемого готового продукта из камеры дробления при отходе подвижной щеки (холостом ходе), который у дробилки с простым движением щеки происходит два раза за один оборот кривошипа.

1.1.2 Щековые дробильные машины со сложным движением щеки

К дробилкам второй группы относятся дробилки, у которых кривошип и подвижная щека образуют единую кинематическую пару. В этом случае траектории движения точек подвижной щеки представляют собой замкнутые кривые, чаще всего эллипсы [5]. Согласно классификации (рисунок 1.1) кинематические схемы 2.1.1 - 2.4.4 - дробилки со сложным движением подвижной щеки. Наиболее характерным представителем данной группы, является кинематическая схема 2.1.1.

В процессе работы дробилки, относящейся ко второй группе (рисунок 1.3), подвижная щека в верхней части совершает практически круговое движение, обеспечивая тем самым стабильный захват и дробление исходного материала. Однако, приближаясь к середине камеры дробления, траектория движения точек щеки меняется на эллипсовидную, а в самом низу практически на прямолинейную. В результате, процесс захвата и дробления материала ниже середины камеры дробления идёт менее устойчиво, при этом дробимый материал выталкивается из зоны дробления при движении подвижной щеки вверх до тех пор, пока он, в конце концов, не будет захвачен и раздроблен. Таким образом, производительность нижней части камеры дробления значительно меньше, чем верхней.

В процессе работы дробилки подвижная щека двигается навстречу неподвижной щеке, захватывая и дробя исходный материал, и вниз, способствуя разгрузке раздробленного материала, при этом происходит форсированный выброс раздробленного материала из камеры дробления за счет движения щеки в сторону разгрузки.

1 - подвижная щека; 2 - неподвижная щека; 3 - кривошип

Рисунок 1.3 Щековая дробилка со сложным движением щеки

1.1.3 Щековые дробильные машины с комбинированным движением щеки

Существует группа дробилок, у которых траектория движения подвижной щеки изменена с помощью различных конструктивных приемов, обеспечивающих примерно постоянную величину хода сжатия по всей высоте камеры дробления. Идея таких конструктивных решений сводится к сочетанию схем простого и сложного движений, что приводит к поступательному движению. Характерным примером такой гибридной дробилки является дробилка с общим эксцентриковым приводным валом [5] (рисунок 1.4), у которой круговое движение верхней части щеки обеспечивается вращением одного эксцентрика, а качание нижней части щеки происходит за счет движения распорной плиты, приводящейся другим эксцентриком. Производительность данной дробилки за счет постоянной величины сжатия больше, чем у выше рассмотренных, однако, из-за сложности изготовления и эксплуатации такая конструкция распространения не получила.

1 - подвижная щека; 2 - неподвижная щека; 3 - эксцентриковый вал

Рисунок 1.4 Гибридная щековая дробилка

Достаточно простую конструкцию щековой дробилки с постоянной величиной хода сжатия по всей высоте камеры дробления предложила фирма «Мюллер» (ФРГ), у которой подвижная щека опирается на гибкий пластинчатый элемент (рисунок 1.5), верхней частью который шарнирно закреплен на подвижной щеке, а нижней частью - жестко защемлен в корпусе. В этом случае подвижная щека при вращении кривошипного вала совершает движение, близкое к горизонтальному, но производительность повышается незначительно, так как выпадение готового продукта происходит два раза за один оборот эксцентрика.



1 - подвижная щека; 2 - неподвижная щека; 3 - кривошип; 4 - гибкий пластинчатый элемент

Рисунок 1.5 Конструкция щековой дробилки фирмы «Мюллер»

Так же известна щековая дробилка фирмы «Вайзе и партнёры» (рисунок 1.6) [6], у которой подвижная щека совершает движение близкое к круговому практически по всей высоте приёмного отверстия. Ход в верхней и в нижней части щеки может быть отрегулирован по конкретный материал в зависимости от его жёсткости, величины кусков и прочего благодаря чему, производительность значительно повышается. Однако, конструкция довольно сложна в изготовлении, имеет сложный эксцентрик для осуществления регулировки хода подвижной щеки и отдельный привод эксцентриковых валов. Данных о внедрении в производство, либо экспериментальных данных о производительности данной дробилки в литературе не найдено.



1 - эксцентриковый вал; 2 - средний эксцентрик; 3 - коленчато-рычажное соединение; 4 - неподвижная щека; 5 - подвижная щека

Рисунок 1.6 Конструкция щековой дробилки «Вайзе и партнёры»

Помимо описанных ранее, существуют схемы дробилок, сочетающие в себе несколько конструктивных решений. Например, конструкция двухщековой дробильной машины [7] сочетает в себе схему дробилки с простым и поступательным движением подвижных щёк (рисунок 1.7). Верхняя подвижная щека 6 совершает качательные движения около подвеса 8, в то время как нижняя щека 5, движется поступательно по плоскости с небольшим наклоном к горизонтали.



1 - эксцентриковый вал; 2 - синхронизирующее звено; 3, 7 - тяги; 4 - подвижная опора; 5 - нижняя щека; 6 - верхняя щека; 8 - подвес верхней щеки; 9 - неприводная щека

Рисунок 1.7 Двухщековая дробильная машина с опорной поступательной парой

Данная схема щековой дробилки призвана увеличить степень дробления материала за одну операцию при сохранении заданной производительности. Как видно из рисунка 1.7, конструкция описанной щековой дробилки весьма сложна в изготовлении и эксплуатации.

Выводы по главе

Из анализа рассмотренных кинематических схем можно сделать вывод, что большинство из них являются вариантами схем простого и сложного движения подвижных щек, то есть траектория их движения принципиально не изменяется.



2. Анализ горных пород и требования к способу дробления

Горные породы состоят из минералов, а состав и свойства горных пород определяются составом и свойствами тех минералов, из которых состоит та или иная горная порода - т.е. их размерами, формой, взаимным расположением, силой и характером сцепления между ними, а также теми условиями - глубиной от поверхности земли, температурой, давлением, химическим составом компонентов - в которых происходило образование той или иной горной породы.

2.1 Описание различных типов горных пород

Под горной породой в геологии понимают любую встречающуюся в природе массу или естественный агрегат одного (мономинеральные горные породы) или нескольких (полиминеральные горные породы) минеральных видов, неорганических минералоидов или органического вещества в виде органических минералов и/или минералоидов, являющихся продуктами природных геологических процессов. Из горных пород состоит земная кора и часть верхней мантии Земли. Главным химическим элементом большинства породообразующих минералов является кремний, поэтому большинство горных пород содержат в своём составе именно силикатные минералы, значительно реже - карбонатные и сульфидные.

По условиям образования все горные породы можно разделить на 3 (три) основных типа, а именно:

I. Магматические горные породы (магматиты) - это конечные продукты магматической деятельности, возникшие в результате затвердевания природного расплава - магмы/лавы. В зависимости от глубины, на которой происходило застывание расплава, магматиты подразделяются на 3 (три) класса:

А) Вулканические (эффузивные) магматиты - образовались в результате застывания лавы, излившейся по вулканическим каналам или трещинам в земной коре - либо на поверхности (т.н. вулканиты), либо непосредственно под ней (субвулканиты);

Б) Гипабиссальные магматиты - образовались в результате застывания лавы на небольшой - до 2-х км - глубине от поверхности земли;

В) Плутонические (интрузивные; абиссальные) магматиты - образовались в результате застывания магмы, внедрившейся в толщу земной коры и верхней мантии на различных глубинах свыше 5 км; имеют полнокристаллическую структуру.

Магматические горные породы в зависимости от процентного содержания в них кремнезёма (SiO2) - что является наиболее важным химическим критерием для их классификации - делятся на 5 (пять) отрядов: ультраосновные (30-45%); основные (45-52%); средние (52-63%); кислые (63-78%); ультракислые (свыше 78%). Примеры магматических горных пород: оливинит; дунит; роговообманковый перидотит; окаит; уртит; кимберлит; оранжит; пикрит; нефелинит; ортопироксенит; троктолит; норит; габбро; тералит; долерит; базальт; трахибазальт; гавайит; тефрит; диорит; сиенит; миаскит; орендит; андезит; шошонит; латит; трахит; фонолит; гранодиорит; гранит; аляскит; аллит; дацит; риолит; онгонит; карит; туф; пемза; пехштейн; обсидиан; и др..

Магматические горные породы составляют около 65% от объёма земной коры, при этом океаническая земная кора на 99% состоит из базальта, тогда как в континентальной коре доминирует гранит и подобные ему породы - гранитоиды.

II. Осадочные горные породы - это породы, образующиеся в условиях относительно низких температур и давлений в результате накопления/отложения и последующего переноса и осаждения минеральных или органических частиц на поверхности земли с последующей их цементацией; могут образовываться в результате: переотложения продуктов разрушения и выветривания ранее образованных более старых (т.н. материнских) горных пород; механического выпадения осадка из воды; химического выпадения осадка из воды; жизнедеятельности животных и растительных организмов, а также в результате всех вышеперечисленных процессов одновременно.

В зависимости от процессов, в результате которых образовалась та или иная осадочная горная порода, все горные породы этого типа можно разделить на следующие классы:

А) Механогенные породы - это горные породы, образование и перемещение которых осуществляется под действием механических процессов; они включают в себя следующие группы:

а) обломочные породы (кластолиты) - состоят из фрагментов/обломков ранее существовавших более старых и эродированных горных пород, которые (фрагменты/обломки) образовались в результате действия процессов физического выветривания (действие воды, ветра, температурных колебаний, замораживания, оттаивания, и др. атмосферных факторов) и химического разрушения; в обломочных породах встречаются обломки магматических, осадочных, метаморфических горных пород, а также обломки многих видов минералов, и даже органические остатки (например - раковины моллюсков, фрагменты скелетов животных и/или стволов деревьев); обломочные породы могут быть сплошными/сцементированными (например:конгломерат; брекчия; гравелит; дресвяник; песчаник; алевролит) и рыхлыми/несцементированными (например: глыбы; валуны; отломы; галька; щебень; гравий; дресва; песок; лёсс);

б) коллоидно-осадочные породы - это группа глинистых пород, образовавшихся в результате механического выпадения осадка из водной суспензии (осаждения взвеси); включает в себя такие горные породы, как глины; суглинки; аргиллиты; латериты; глинистые сланцы; гидрослюды; лимониты; каолиниты; бокситы; и др..

Б) Хемогенные породы, образующиеся в результате химического осаждения солей из водных растворов или при испарении воды; они включают в себя следующие группы:

а) сульфатные породы - состоят из сульфатных соединений натрия и кальция; к этим породам относятся: гипс; ангидрит; мирабилит; и др.;

б) галоидные породы - к ним относятся галит (каменная соль); сильвинит; сода; карналлит; барит; глауберит; травертин; и др..

В) Биохемогенные породы - это осадочные горные породы, образовавшиеся в результате жизнедеятельности животных и растительных организмов - водорослей, губок, радиолярий, мшанок, кораллов, моллюсков, ракообразных, различных планктонных организмов и т.д., а также различных позвоночных морских животных - рыб, рептилий, птиц и млекопитающих; именно их скелеты, панцири, раковины, зубы и экскременты, отлагаясь в разные периоды времени на дне морей и океанов и на океанических островах и уплотняясь, и образовали различные (известковистые, кремнистые, фосфатные) биохемогенные породы, такие как известняки, ракушечники, оолиты, мел, доломиты, мергели; диатомиты, трепелы, опоки, яшмы, кремнистые сланцы; апатиты, фосфориты; и др..

Г) Органогенные породы (каустобиолиты) - это осадочные горючие горные породы, представляющие собой продукты преобразования остатков растительных и/или животных организмов под воздействием различных геологических факторов; к ним относятся: торф, горючие сланцы, угли, антрацит, шунгит, гагат; янтарь, копал; сапропели, сапропелиты, кеннель; нефть; природные битумы (мальты, природный асфальт, озокериты, керогены, кир); природный газ.

Осадочные горные породы составляют около 7,9% от общего объёма земной коры.

III. Метаморфические (видоизменённые) горные породы - это породы, которые образуются в результате воздействия на осадочные, магматические или ранее образовавшиеся метаморфические горные породы - физико-химических условий, отличающихся от тех условий, в которых формировалась исходная порода (протолит), вследствие чего происходит изменение минералогического состава и/или текстурно-структурных особенностей и свойств исходной породы (протолита) и формирование новой горной породы.

Интересной особенностью метаморфизма является то, что глубокое структурно-минералогическое преобразование пород происходит при сохранении в твёрдом состоянии самих пород и слагающих их минералов. При этом большое значение при метаморфизме имеет фактор времени, а также то, что метаморфизм - это многоплановый сложный процесс, состоящий из многих частных процессов, тесно переплетающихся друг с другом. Однако в большинстве случаев преобладает тот или иной действующий фактор, на основании чего принято подразделять процесс метаморфизма на несколько видов, а именно:

А) Динамометаморфизм - это механическое структурное
и/или минеральное преобразование горных пород под воздействием тектонических движений без участия магмы, происходящее либо в виде частичной или полной перекристаллизации пород без нарушения
их сплошности, либо с разрушением, раздроблением и истиранием породообразующих минералов без перекристаллизации; различают два подвида динамометаморфизма:

а) пластический (изменения в породе - перекристаллизация - происходят без раздробления её минеральных компонентов);

б) катакластический (с раздроблением горных пород и минералов, их составляющих); к динамометаморфическим породам относятся: тектонические брекчии; катаклазиты; милониты; и др.;

Б) Региональный метаморфизм - это совокупность изменений горных пород, вызываемых такими действующими факторами, как литостатическое давление, температура, а также воздействие восходящих растворов разной степени концентрации на горные породы и минералы; этот вид метаморфизма проявляется на больших пространствах и связан с формированием подвижных и складчатых поясов земной коры, а также с воздействием магмы; к регионально-метаморфическим породам относятся: филлит; серицитовые сланцы; хлоритовые сланцы; слюдяные сланцы; гнейсы; кварциты; хлориты; серициты; парагнейсы; мрамор; серпентиниты; амфиболиты; чарнокиты; гранулиты; и др.;

В) Контактовый метаморфизм - это изменение состава, структуры и текстуры любых исходных горных пород в результате нагрева со стороны внедряющегося магматического расплава и постмагматических флюидов, проявляющееся только в зоне теплового воздействия интрузии (интрузия - это геологическое тело, сложенное магматическими горными породами, закристаллизовавшимися в глубине земной коры не глубже 12 км от поверхности); контактовый метаморфизм распространяется как на вмещающие породы, так и на краевую часть магматического тела/интрузии; процессы контактового метаморфизма проходят в температурном интервале от 150 до 800 градусов Цельсия; к контактово-метаморфическим породам относятся: роговики различных видов;

Г) Автометаморфизм - этосовокупность процессов, приводящих к изменению минерального состава магматических горных пород под воздействием растворов и флюидов, генетически связанных с формирующимися породами; выделяют три стадии автометаморфизма:

а) магматическая (происходит в остывающем магматическом теле при t > 600 градусов Цельсия);

б) пневматолитовая (происходит при воздействии летучих компонентов, выделившихся из магмы, на ранее образованные минералы, в интервале температур от 600 до 375 градусов Цельсия);

в) гидротермальная (происходит в результате отложения минералов в открытых трещинах или порах пород из горячих водных растворов при t < 375 градусов Цельсия); к автометаморфическим породам относятся: змеевики; тальк; листвениты; роговые обманки; пертиты; березиты; скарны; и др..

Д) Импактный (ударный) метаморфизм - это процесс преобразования структуры и минерального состава горных пород в результате высокоскоростного падения на поверхность Земли крупных метеоритов с образованием в процессе столкновения метеорита с земной поверхностью т.н. импактитов - космогенных горных пород, образовавшихся в результате ударно-взрывного породообразования и ударного метаморфизма; при образовании импактитов показатели температуры достигают значений в 2000 - 3000 градусов Цельсия, а показатели давления - в десятки гигапаскалей, на фоне очень высокой скорости изменения этих параметров; к импактитам относятся такие горные породы, как тектиты: ливит; тасманит; яванит; куинстаунит; бедиазит; молдавит; и др.. Метаморфические горные породы составляют 27,4% от общего объёма земной коры.

Горные породы состоят из минералов, а состав и свойства горных пород определяются составом и свойствами тех минералов, из которых состоит та или иная горная порода - т.е. их размерами, формой, взаимным расположением, силой и характером сцепления между ними, а также теми условиями - глубиной от поверхности земли, температурой, давлением, химическим составом компонентов - в которых происходило образование той или иной горной породы. Так что же такое представляют из себя горные породы и какими они бывают? Давайте разберёмся.

Итак, под горной породой в геологии понимают любую встречающуюся в природе массу или естественный агрегат одного (мономинеральные горные породы) или нескольких (полиминеральные горные породы) минеральных видов, неорганических минералоидов или органического вещества в виде органических минералов и/или минералоидов, являющихся продуктами природных геологических процессов. Из горных пород состоит земная кора и часть верхней мантии Земли.

Главным химическим элементом большинства породообразующих минералов является кремний, поэтому большинство горных пород содержат в своём составе именно силикатные минералы, значительно реже - карбонатные и сульфидные.

По условиям образования все горные породы можно разделить на 3 (три) основных типа, а именно:

I. Магматические горные породы (магматиты) - это конечные продукты магматической деятельности, возникшие в результате затвердевания природного расплава - магмы/лавы. В зависимости от глубины, на которой происходило застывание расплава, магматиты подразделяются на 3 (три) класса:

А) Вулканические (эффузивные) магматиты - образовались в результате застывания лавы, излившейся по вулканическим каналам или трещинам в земной коре - либо на поверхности (т.н. вулканиты), либо непосредственно под ней (субвулканиты);

Б) Гипабиссальные магматиты - образовались в результате застывания лавы на небольшой - до 2-х км - глубине от поверхности земли;

В) Плутонические (интрузивные; абиссальные) магматиты - образовались в результате застывания магмы, внедрившейся в толщу земной коры и верхней мантии на различных глубинах свыше 5 км; имеют полнокристаллическую структуру. Магматические горные породы в зависимости от процентного содержания в них кремнезёма (SiO2) - что является наиболее важным химическим критерием для их классификации - делятся на 5 (пять) отрядов: ультраосновные (30-45%); основные (45-52%); средние (52-63%); кислые (63-78%); ультракислые (свыше 78%).

Примеры магматических горных пород: оливинит; дунит; роговообманковый перидотит; окаит; уртит; кимберлит; оранжит; пикрит; нефелинит; ортопироксенит; троктолит; норит; габбро; тералит; долерит; базальт; трахибазальт; гавайит; тефрит; диорит; сиенит; миаскит; орендит; андезит; шошонит; латит; трахит; фонолит; гранодиорит; гранит; аляскит; аллит; дацит; риолит; онгонит; карит; туф; пемза; пехштейн; обсидиан; и др..

Магматические горные породы составляют около 65% от объёма земной коры, при этом океаническая земная кора на 99% состоит из базальта, тогда как в континентальной коре доминирует гранит и подобные ему породы - гранитоиды.

II. Осадочные горные породы - это породы, образующиеся в условиях относительно низких температур и давлений в результате накопления/отложения и последующего переноса и осаждения минеральных или органических частиц на поверхности земли с последующей их цементацией; могут образовываться в результате: переотложения продуктов разрушения и выветривания ранее образованных более старых (т.н. материнских) горных пород; механического выпадения осадка из воды; химического выпадения осадка из воды; жизнедеятельности животных и растительных организмов, а также в результате всех вышеперечисленных процессов одновременно. В зависимости от процессов, в результате которых образовалась та или иная осадочная горная порода, все горные породы этого типа можно разделить на следующие классы: А) Механогенные породы - это горные породы, образование и перемещение которых осуществляется
под действием механических процессов; они включают в себя следующие группы:

а) обломочные породы (кластолиты) - состоят из фрагментов/обломков ранее существовавших более старых и эродированных горных пород, которые (фрагменты/обломки) образовались в результате действия процессов физического выветривания (действие воды, ветра, температурных колебаний, замораживания, оттаивания, и др. атмосферных факторов) и химического разрушения; в обломочных породах встречаются обломки магматических, осадочных, метаморфических горных пород, а также обломки многих видов минералов, и даже органические остатки (например - раковины моллюсков, фрагменты скелетов животных и/или стволов деревьев); обломочные породы могут быть сплошными/сцементированными (например: конгломерат; брекчия; гравелит; дресвяник; песчаник; алевролит) и рыхлыми/несцементированными (например: глыбы; валуны; отломы; галька; щебень; гравий; дресва; песок; лёсс);

б) коллоидно-осадочные породы - это группа глинистых пород, образовавшихся в результате механического выпадения осадка из водной суспензии (осаждения взвеси); включает в себя такие горные породы, как глины; суглинки; аргиллиты; латериты; глинистые сланцы; гидрослюды; лимониты; каолиниты; бокситы; и др..

Б) Хемогенные породы, образующиеся в результате химического осаждения солей из водных растворов или при испарении воды; они включают в себя следующие группы:

а) сульфатные породы - состоят из сульфатных соединений натрия и кальция; к этим породам относятся: гипс; ангидрит; мирабилит; и др.;

б) галоидные породы - к ним относятся галит (каменная соль); сильвинит; сода; карналлит; барит; глауберит; травертин; и др..

В) Биохемогенные породы - это осадочные горные породы, образовавшиеся в результате жизнедеятельности животных и растительных организмов - водорослей, губок, радиолярий, мшанок, кораллов, моллюсков, ракообразных, различных планктонных организмов и т.д., а также различных позвоночных морских животных - рыб, рептилий, птиц и млекопитающих; именно их скелеты, панцири, раковины, зубы и экскременты, отлагаясь в разные периоды времени на дне морей и океанов и на океанических островах и уплотняясь, и образовали различные (известковистые, кремнистые, фосфатные) биохемогенные породы, такие как известняки, ракушечники, оолиты, мел, доломиты, мергели; диатомиты, трепелы, опоки, яшмы, кремнистые сланцы; апатиты, фосфориты; и др..

Г) Органогенные породы (каустобиолиты) - это осадочные горючие горные породы, представляющие собой продукты преобразования остатков растительных и/или животных организмов под воздействием различных геологических факторов; к ним относятся: торф, горючие сланцы, угли, антрацит, шунгит, гагат; янтарь, копал; сапропели, сапропелиты, кеннель; нефть; природные битумы (мальты, природный асфальт, озокериты, керогены, кир); природный газ.

Осадочные горные породы составляют около 7,9% от общего объёма земной коры.

III. Метаморфические (видоизменённые) горные породы - это породы, которые образуются в результате воздействия на осадочные, магматические или ранее образовавшиеся метаморфические горные породы - физико-химических условий, отличающихся от тех условий, в которых формировалась исходная порода (протолит), вследствие чего происходит изменение минералогического состава и/или текстурно-структурных особенностей и свойств исходной породы (протолита) и формирование новой горной породы.

Интересной особенностью метаморфизма является то, что глубокое структурно-минералогическое преобразование пород происходит при сохранении в твёрдом состоянии самих пород и слагающих их минералов. При этом большое значение при метаморфизме имеет фактор времени, а также то, что метаморфизм - это многоплановый сложный процесс, состоящий из многих частных процессов, тесно переплетающихся друг с другом. Однако в большинстве случаев преобладает тот или иной действующий фактор, на основании чего принято подразделять процесс метаморфизма на несколько видов, а именно:

А) Динамометаморфизм - это механическое структурное
и/или минеральное преобразование горных пород под воздействием тектонических движений без участия магмы, происходящее либо в виде частичной или полной перекристаллизации пород без нарушения
их сплошности, либо с разрушением, раздроблением и истиранием породообразующих минералов без перекристаллизации; различают два подвида динамометаморфизма:

а) пластический (изменения в породе - перекристаллизация - происходят без раздробления её минеральных компонентов);

б) катакластический (с раздроблением горных пород и минералов, их составляющих); к динамометаморфическим породам относятся: тектонические брекчии; катаклазиты; милониты; и др.;

Б) Региональный метаморфизм - это совокупность изменений горных пород, вызываемых такими действующими факторами, как литостатическое давление, температура, а также воздействие восходящих растворов разной степени концентрации на горные породы и минералы; этот вид метаморфизма проявляется на больших пространствах и связан с формированием подвижных и складчатых поясов земной коры, а также с воздействием магмы; к регионально-метаморфическим породам относятся: филлит; серицитовые сланцы; хлоритовые сланцы; слюдяные сланцы; гнейсы; кварциты; хлориты; серициты; парагнейсы; мрамор; серпентиниты; амфиболиты; чарнокиты; гранулиты; и др.;

В) Контактовый метаморфизм - это изменение состава, структуры и текстуры любых исходных горных пород в результате нагрева со стороны внедряющегося магматического расплава и постмагматических флюидов, проявляющееся только в зоне теплового воздействия интрузии (интрузия - это геологическое тело, сложенное магматическими горными породами, закристаллизовавшимися в глубине земной коры не глубже 12 км от поверхности); контактовый метаморфизм распространяется как на вмещающие породы, так и на краевую часть магматического тела/интрузии; процессы контактового метаморфизма проходят в температурном интервале от 150 до 800 градусов Цельсия; к контактово-метаморфическим породам относятся: роговики различных видов;

Г) Автометаморфизм - этосовокупность процессов, приводящих к изменению минерального состава магматических горных пород под воздействием растворов и флюидов, генетически связанных с формирующимися породами; выделяют три стадии автометаморфизма: а) магматическая (происходит в остывающем магматическом теле при t > 600 градусов Цельсия); б) пневматолитовая (происходит при воздействии летучих компонентов, выделившихся из магмы, на ранее образованные минералы, в интервале температур от 600 до 375 градусов Цельсия); в) гидротермальная (происходит в результате отложения минералов в открытых трещинах или порах пород из горячих водных растворов при t < 375 градусов Цельсия); к автометаморфическим породам относятся: змеевики; тальк; листвениты; роговые обманки; пертиты; березиты; скарны; и др.;

Д) Импактный (ударный) метаморфизм - это процесс преобразования структуры и минерального состава горных пород в результате высокоскоростного падения на поверхность Земли крупных метеоритов с образованием в процессе столкновения метеорита с земной поверхностью т.н. импактитов - космогенных горных пород, образовавшихся в результате ударно-взрывного породообразования и ударного метаморфизма; при образовании импактитов показатели температуры достигают значений в 2000 - 3000 градусов Цельсия, а показатели давления - в десятки гигапаскалей, на фоне очень высокой скорости изменения этих параметров; к импактитам относятся такие горные породы, как тектиты: ливит; тасманит; яванит; куинстаунит; бедиазит; молдавит; и др.. Метаморфические горные породы составляют 27,4% от общего объёма земной коры.

Итак, мы обзорно ознакомились с горными породами, из которых состоит земная кора и часть верхней мантии Земли, т.е. литосфера. Непосредственно над литосферой располагается географическая оболочка Земли - геосфера, которая включает в себя педосферу (почвенный покров Земли), гидросферу (водный покров Земли - Мировой Океан, моря, озёра, реки, болота и т.д.), криосферу (ледовый покров Земли, состоящий из антарктического, арктического плавучего и гренландского ледовых щитов, а также из разнообразных равнинных и горных ледников). Сразу над геосферой располагается атмосфера - газообразная оболочка планеты Земля, а крайняя верхняя часть земной коры, педосфера, гидросфера, поверхностная часть криосферы и нижняя часть атмосферы - тропосфера - вместе образуют область распространения жизни на Земле - биосферу. Все эти оболочки нашей планеты - педосферу, гидросферу, криосферу, атмосферу, а также и биосферу.

2.2 Оценка их физико-механических свойств

С точки зрения физико-механических свойств пород наиболее выгодно разрушать их растяжением. Но по конструктивным соображениям в основном используется раздавливание. Поэтому для сравнения прочностных свойств пород используют напряжение на сжатие или коэффициент крепости, разработанный проф. Протодьяконовым М.М. По шкале Протодьяконова все породы делятся на 10 категорий с коэффициентами крепости от 0.3 для самых слабых до 20 для наиболее прочных пород.

Дробимость - это обобщающий параметр для многих механических свойств пород и выражает энергоемкость процесса дробления.

Измельчаемость оценивают по удельной производительности мельницы по вновь образованному расчетному классу.

Абразивность оценивают по износу материала рабочих поверхностей машин в процессе дробления (измельчения) при трении.

Оценка результатов дробления (измельчения) производится по степени дробления (измельчения) и эффективности работы машин. Степень дробления - отношение размеров кусков исходного материала к размеру кусков продукта дробления.

i=D/d, (2.1)

где i - степень дробления, D, d - средний или максимальный размер куска в питании и дробленом продукте, соответственно.

Нет таких дробильных машин, которые могли бы принимать исходную руду и выдавать конечный продукт. Поэтому применяют несколько приемов (стадий) дробления (см. схему). В зависимости от крупности исходного и дробленого материала различают следующие стадии дробления и измельчения, показатели для которых приведены в табл. 2.1.



Таблица 2.1

Стадии дробления и измельчения

Стадия	Крупность, мм	Степень дробления
	питания	продукта
Дробление: крупное	1200-500	350-100	3-5
Среднее	350-100	100-40	3-8
Мелкое	100-40	40-10	3-8
Измельчение: грубое	30-10	5-2
Тонкое	5-2	1-0.5
Сверхтонкое	1-0.5	0.1-0.005

При дроблении (измельчении) в несколько последовательных стадий общая степень дробления (измельчения) определяется как произведение всех степеней дробления в отдельных стадиях:

I=i ₁*i ₂*i ₃*i _n. (2.2)

Дробилки (мельницы) могут работать в открытом или замкнутом цикле. При открытом цикле материал проходит дробилку один раз, при замкнутом - надрешетный продукт грохота непрерывно возвращается в дробилку на додрабливание, образуя циркулирующую нагрузку. В случае мельниц - пески (крупный продукт) гидроциклона или классификатора возвращаются на доизмельчение. Замкнутые циклы обеспечивают более высокую степень дробления (измельчения) по сравнению с открытыми.

Если продукт дробления представляет собой свободные зерна полезного минерала, то дальнейшее дробление не имеет смысла, т.к. будет только приводить к переизмельчению материала. Процесс является энергоемким, поэтому проф. Г.О. Чечет сформулировал принцип НЕ ДРОБИТЬ НИЧЕГО ЛИШНЕГО. При разрушении происходит преодоление сил сцепления между частицами и образование новой поверхности. Энергия, потребляемая при дроблении (измельчении) расходуется на:

1) упругую деформацию разрушаемых зерен, т.е. рассеивается в окружающее пространство в виде тепла;

2) образование новой поверхности, т.е. превращается в свободную поверхностную энергию измельченных зерен. При измельчении расход полезной энергии - на образование новой поверхности - составляет около 1% общего ее расхода.

Пусть разрушается зерно в виде куба с размером d, представленное на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 Изменение суммарной поверхности зерен при дроблении

Тогда поверхность частиц будет:

До дробления: S ₁ = 6*d ²*1 кубик. (2.3)

После дробления: S ₂= 6 * (d/ 2 ) ²*8 кубиков = 6d ²*2; (2.4)

S ₃= 6 (d/ 3 ) ²*27 = 6d ²*3; (2.5)

…………………..; (2.6)

S _n= 6d ²*n. (2.7)

Здесь n- количество частиц.

Таким образом, при уменьшении размеров кусков руды происходит увеличение общей поверхности частиц.

Для оценки порошкообразных материалов используется понятие удельной поверхности, т.е. поверхности, приходящейся на единицу веса материала. В данном случае:

S _yд= 6 d ²/d ³ д = 6 /d д. (2.8)

Обозначим 6 / д = К. Для частиц малого размера К = соnst.

При дроблении Q весовых единиц материала со средним размером кусков D получим столько же весовых единиц материала со средним размером d. Поверхность материала до дробления:

S _{1 yд}=KQ/D. (2.9)

После дробления:

S _{2 yд} =K Q / d. (2.10)

Вновь образованная при дроблении поверхность будет:

ДS = S ₂ - S ₁ = K Q / d - K Q / D = K ( 1 / d - 1 / D ) Q (2.11)

Известно несколько гипотез энергетической оценки процессов дробления и измельчения. Одна из них - гипотеза Риттингера (1867г): Расход энергии на дробление пропорционален величине вновь образованной поверхности. В математическом выражении имеет вид:

E = K ₀ДS = K ₀К ( 1 / d - 1 / D) Q. (2.12)

Здесь E - расход энергии, K ₀- коэффициент пропорциональности, по физическому смыслу представляет собой расход энергии на образование одной квадратной единицы новой поверхности.

Обозначим:

Ko K = K₁. (2.13)

Тогда E = K₁( 1/d - 1/D ) Q. (2.14)

Умножим и разделим правую часть уравнения (2.14) на D, получим

E = K₁ ( 1/d - 1/D ) Q * D/ D = K₁ ( D /d - D /D ) Q / D = K₁ ( i - 1 ) Q / D. (2.15)

Таким образом, по Риттингеру расход энергии на дробление одной весовой единицы материала пропорционален степени дробления iминус единица.

По гипотезе Кирпичева (1874г.) и Кика (1885г.) энергия, необходимая для дробления и измельчения материала пропорциональна его весу (или объему):

E₁=K₀ Q. (2.16)

Из выражения (2.16) следует, что затрачиваемая энергия не зависит от крупности материала. Коэффициент Ко выражает расход энергии на единицу веса при данной степени измельчения. Можно выбрать схему с одинаковыми степенями дробления в каждой стадии:

i ₁=i ₂=i ₃= …..=i _n. (2.17)

Тогда с учетом (2.17) общая степень дробления составит:

I=i ⁿ, (2.18)

где n - число стадий дробления.

При этом энергии дробления в каждой стадии будут равны между собой:

E ₁=E ₂=E ₃. (2.19)

С учетом выражений (2.16) и (2.19) общая энергия дробления по всей схеме будет:

E=K₀ Q*n. (2.20)

Для исключения степени в выражении (2.18) выполним его логарифмирование и выразимn:

lg I = n lg i, (2.21)

n = lg I / lg i (2.22)

Подставим соотношение (2.22) в формулу (2.20) и получим:

E=K₀QlgI/lgi. (2.23)

Для одного и того же материала и при одной и той же степени дробления в каждой стадии величины К₀и i будут постоянными, поэтому можно обозначить

K₂=K₀/lgI, (2.24)

тогда энергия дробления (измельчения) определится с учетом соотношения (2.23) как:

E=K₂QlgI, (2.25)

Математическое выражение для степени дробления (2.1) можно представить в виде

D / d = (1/d) / (1/D). (2.26)

Тогда

lg I = lg [ ( 1/d ) / ( 1 / D )] = lg ( 1 / d ) - lg ( 1 / D ). (2.27)

С учетом соотношений (2.25) и (2.27) выражение для энергии дробления будет иметь вид:

E=K₂[lg( 1 /d) -lg( 1 /D) ]Q. (2.28)

Формула (2.28) представляет собой математическое выражение гипотезы Кика-Кирпичева аналогично выражению гипотезы Риттингера. По Риттингеру расход энергии пропорционален поверхности, по Кику-Кирпичеву - объему. Соответственно эти законы носят название поверхностного и объемного законов дробления (измельчения). Данные экспериментов и промышленной практики показали, что эти законы справедливы лишь в определенных диапазонах крупности. Гипотеза Риттингера хорошо согласуется с практикой при тонком измельчении, а гипотеза Кика-Кирпичева - при крупном дроблении.

Академик Ребиндер (1941г.) предложил гипотезу, охватывающую любой случай разрушения полезных ископаемых, математическое выражение которой имеет вид:

A=уДS+KДV. (2.29)

Здесь A - работа, затрачиваемая на разрушение твердого тела, у - поверхностная энергия на единицу твердой поверхности (у - избыток свободной энергии в пограничном слое), ДS - поверхность, вновь образуемая при разрушении, ДV - часть объема тела, подвергшаяся деформации, K - работа упругой и пластической деформации, приходящаяся на единицу объема.

При крупном дроблении больших кусков руды K ДV >> у ДS, т.к. приращение поверхности незначительно, и работа будет в основном пропорциональна объему (гипотеза Кирпичева):

A_K? K ДV = К_KD ³.(2.30)

При разрушении мелких кусков руды (измельчение) у ДS >> K ДV, т.к. приращение поверхности значительно. При этом работа почти пропорциональна величине новой образованной поверхности (гипотеза Риттингера):

A_R? у ДS=K_RD ². (2.31)

Гипотеза Ребиндера связывает процесс разрушения с физико-механическими свойствами пород и минералов (поверхностная энергия, твердость).

Разделим обе части уравнения (2.29) на ДS и получим:

A/ ДS= у ДS/ ДS+KДV/ ДS, (2.32)

отсюда

A/ ДS= у +KДV/ ДS. (2.33)

Обозначим в выражении (2.33):

у + KДV/ ДS=H _s. (2.34)

Тогда с учетом соотношений (2.33) и (2.34) получим:

H _s=A/ ДS. (2.35)

Величину H _sнадо рассматривать как коэффициент твердости, равный работе образования единицы новой поверхности. Вместе с тем величина H _sсвязана с поверхностной энергией соотношением (2.34). Таким образом, чем больше поверхностная энергия твердого тела, тем больше его твердость, а, следовательно, и больше работа, которую надо затратить на разрушение - образование новой поверхности.

Гипотеза Ребиндера пригодна для любого диапазона крупности, т.к. она сводится к закону Риттингера или Кирпичева при определенных значениях крупности. Эта гипотеза учитывает оба вида энергии - поверхностную и потенциальную энергию деформации в объеме дробимого тела.

Американский ученый Бонд (1950г.) предложил гипотезу, промежуточную по отношению к законам Риттингера и Кирпичева:

По гипотезе Бондаэлементарная работа пропорциональна приращению параметра, являющегося среднегеометрическим между объемом и поверхностью:

(2.38)

Практика показывает определенную связь между индексом работы по Бонду и коэффициентом крепости пород по Протодьяконову.



2.3 Требования к способу дробления с учетом особенностей горных пород

Процессы дробления и измельчения применяются для доведения материала до необходимой крупности, гранулометрического состава или заданной степени раскрытия минералов, т.е. для получения свободных минеральных зерен. При этом куски горных пород разрушаются внешними силами. Разрушение - это процесс зарождения и роста трещин и пор. Происходит по ослабленным сечениям, имеющим трещиноватости или другие дефекты структуры. Разрушение наступает после перехода за предел прочности нормальных и касательных напряжений, возникающих в материале при его упругих деформациях: сжатии, растяжении, изгибе или сдвиге. Предел прочности - предельное значение напряжения, выше которого образец разрушается практически мгновенно, а ниже - живет неограниченно долго.

Различные способы дробления и измельчения отличаются видом основной необратимой деформации, вызвавшей разрушение. В соответствии с этим способы разрушения делятся на (рис. 2.1):

1) раздавливание - наступает после перехода напряжений за предел прочности на сжатие;

2) раскалывание - после перехода напряжений за предел прочности на растяжение;

3) излом - после перехода напряжений за предел прочности на изгиб;

4) срезывание - после перехода напряжений за предел прочности на сдвиг;