Мелющие цильпебсы для тонкого помола: когда они лучше шаровых мелющих тел?

Мелющие цильпебсы не являются универсальной заменой шаровым мелющим телам. Они наиболее эффективны при тонком измельчении, когда исходный материал уже имеет относительно малый размер, разрушение происходит преимущественно за счёт истирания и частых контактов между мелющими телами и частицами, а контур требует более точного контроля мелкой части распределения размеров продукта. В таких условиях геометрия цильпебсов может создавать больше возможностей для контакта на единицу объёма загрузки, чем шары сопоставимого номинального размера.

Это преимущество исчезает, когда мельнице по-прежнему требуется значительная энергия удара для разрушения крупных прочных частиц. Поэтому изменение мелющей среды следует начинать с анализа задачи разрушения материала, а не с предположения, что большая площадь поверхности автоматически обеспечивает более высокую производительность или меньшее энергопотребление.

Почему форма изменяет характер измельчения

Сферический шар имеет точечный контакт с соседними мелющими телами и обычно перекатывается и каскадно перемещается достаточно предсказуемым образом. Цильпебс имеет короткую цилиндрическую форму, создавая линейные и кромочные контакты наряду с более широкими контактами по поверхности торцов. При сопоставимом номинальном размере цильпебсы обычно обеспечивают большее количество единиц и большую открытую площадь поверхности на тонну мелющей среды, чем более крупные сферические шары. Это может повысить частоту низкоэнергетических контактов в пульпе.

Для мелких частиц частое истирание, абразивное измельчение и разрушение частиц в ограниченном пространстве могут быть полезнее, чем отдельные высокоэнергетические удары. Это является техническим основанием для применения мелющих цильпебсов в мельницах доизмельчения, на вторичных стадиях тонкого измельчения, а также в некоторых процессах производства цемента или переработки промышленных минералов, где целевой продукт уже значительно мельче диапазона крупного измельчения.

Однако номинальный диаметр является неполным критерием сравнения. Цильпебс 25 mm и шар 25 mm не имеют одинаковой массы, энергии удара, количества мелющих тел на тонну или характера движения в загрузке. Их сравнение только по диаметру может привести к неверному выводу как об эффективности измельчения, так и об износе. Корректное сравнение следует проводить между загрузками мелющей среды, рассчитанными на создание требуемой среды разрушения.

Условия, благоприятные для цильпебсов

Цильпебсы заслуживают серьёзной оценки, когда питание мельницы имеет небольшой максимальный размер, а целью контура является измельчение уже раскрытых или частично раскрытых минеральных частиц до заданной мелкой крупности. Относительно узкое распределение питания по размерам особенно благоприятно, поскольку снижает риск того, что негабаритные частицы будут потреблять энергию измельчения без достаточного разрушения.

Они также могут быть полезны, когда эксплуатационной целью является не просто более низкий P80, а распределение продукта с более контролируемым образованием мелочи. В контуре с надлежащей классификацией повышенная плотность контактов цильпебсов может улучшить измельчение фракции промежуточной крупности, которая многократно возвращается через мельницу. Приведёт ли это к чистой выгоде для контура, зависит от эффективности классификатора. При плохой классификации среда с более высокой частотой контактов может просто переизмельчать мелочь, в то время как крупные частицы продолжают циркулировать.

Режим работы мельницы имеет такое же значение, как и размер руды. Цильпебсы обычно рассматриваются там, где загрузка работает в каскадном режиме или режиме с преобладанием истирания. В таком режиме слой мелющей среды и среда пульпы обеспечивают множество небольших актов разрушения. Они менее целесообразны там, где мельница намеренно эксплуатируется для создания сильных водопадных ударов, разрушающих крупные частицы.

Реакция руды также имеет одинаково важное значение. Более мягкий, хрупкий или уже предварительно дроблёный материал может хорошо реагировать на более мелкую и многочисленную популяцию мелющих тел. Твёрдые, весьма прочные руды со стабильной крупной фракцией обычно требуют достаточной массы крупных мелющих тел для создания энергии удара. Слишком раннее введение цильпебсов в такой контур может снизить способность к разрушению крупных частиц, увеличить циркулирующую нагрузку и усложнить контроль потребляемой мощности мельницы.

Когда сферическая мелющая среда остаётся лучшим инженерным выбором

Сферическая мелющая среда остаётся эталонным вариантом для первичного измельчения и для любой стадии со значительной долей крупного питания. Распределение их массы и механика контакта лучше подходят для ударного разрушения. Шары также сохраняют более стабильную геометрию по мере износа, тогда как цильпебсы могут претерпевать изменения размеров, которые изменяют соотношение их сторон и характер движения до полного износа.

Это не означает, что шары применяются только для крупного измельчения. Малые кованые шары могут быть подходящими для контуров тонкого измельчения, где ударное воздействие всё ещё необходимо или где процесс требует более широкого распределения размеров мелющей среды. Градуированная загрузка может сохранять более крупные тела, необходимые для случайных крупных частиц, одновременно обеспечивая более мелкие шары для тонкого измельчения.

Например, кованые стальные шары размером от 20 mm и выше могут служить практическим ориентиром при оценке того, действительно ли загрузка цильпебсов улучшает контур, а не просто изменяет распределение размеров мелющей среды. При сравнении для тонкого измельчения химический состав среды, профиль твёрдости, размер и объём загрузки следует контролировать максимально точно. Замена крупных шаров малыми цильпебсами одновременно проверяет две переменные и даёт мало полезных доказательств влияния только формы.

Износ не является второстепенным фактором

Испытание цильпебсов не следует оценивать только по первоначальному измельчению. Решение должно учитывать характер износа, величину полезного срока службы при измельчении и состав изношенного запаса мелющей среды. Цильпебсы могут обеспечивать высокую первоначальную эффективность контакта, но их несферическая геометрия может делать характер износа более чувствительным к абразивным свойствам руды, коррозионным условиям пульпы и конструкции футеровки мельницы.

Расход мелющей среды следует измерять как потерю массы на тонну переработанной руды, а затем интерпретировать вместе с показателями крупности продукта и потребности в энергии. Более низкий P80 продукта мельницы не является автоматическим улучшением, если он достигается за счёт чрезмерного образования мелочи, более высокого расхода мелющей среды или снижения последующего извлечения. Например, во флотационных контурах изменение распределения частиц по размерам может влиять на раскрытие минералов и экспозицию поверхностной химии; поэтому результат мельницы необходимо оценивать относительно последующих металлургических требований, а не по одному показателю крупности.

Выбор материала остаётся важным независимо от формы. Содержание углерода и легирующих элементов, стабильность термообработки, твёрдость поверхности, вязкость сердцевины и контроль размеров влияют на сопротивление разрушению и скорость износа. Очень твёрдая среда с недостаточной вязкостью может отслаиваться или разрушаться под ударной нагрузкой. И наоборот, вязкая, но недостаточно твёрдая среда может слишком быстро изнашиваться в абразивных условиях. Предпочтительный баланс зависит от абразивности руды, скорости мельницы, размера мелющей среды и соотношения ударного и абразивного воздействия в данной операции.

Поведение загрузки и совместимость с мельницей

Перед изменением формы мелющей среды существующую мельницу следует рассматривать как систему. Цильпебсы изменяют характер укладки и объём пустот внутри загрузки. Их ориентация меняется во время работы, а их движение может отличаться от движения шаров при одинаковых условиях скорости и заполнения. Эти изменения могут влиять на транспорт пульпы, допустимую вязкость пульпы, потребляемую мощность и риск локального уплотнения мелющей среды.

В мельнице мокрого помола плотности пульпы следует уделять особое внимание. Потенциально более плотная контактная сеть, создаваемая цильпебсами, может быть полезной только при условии, что пульпа остаётся достаточно текучей для удаления мелочи из активной зоны измельчения. Если пульпа становится слишком вязкой, мелкие частицы могут амортизировать контакты мелющих тел, снижать эффективность разрушения и увеличивать переизмельчение из-за увеличенного времени пребывания. При сухом измельчении аналогично важными становятся поток порошка, вентиляция и эффективность сепаратора.

Конфигурация футеровки также имеет значение. Геометрия лифтеров определяет, как загрузка поднимается и сбрасывается. Футеровка, спроектированная для шаровой загрузки, может не обеспечивать такую же траекторию с цильпебсами, особенно при малом размере мелющей среды. Поэтому неудовлетворительный результат применения цильпебсов может отражать неподходящие условия подъёма и сброса, а не внутреннее ограничение формы мелющей среды.

Системный подход к оценке изменения

Наиболее надёжный подход — контролируемое промышленное испытание или репрезентативная пилотная оценка с определённой базовой линией. Базовая линия должна документировать распределение питания по размерам, тип руды, производительность мельницы, удельную энергию при наличии данных, распределение по размерам разгрузки мельницы, условия классификации, норму добавления мелющей среды и показатели последующих стадий, важные для процесса.

Во время испытания не следует изменять рабочие переменные без их регистрации. Изменение твёрдости питания, давление в циклоне, добавление воды, скорость мельницы и заполнение шарами могут исказить результат. Цель состоит не в том, чтобы доказать превосходство цильпебсов при любых условиях, а в том, чтобы определить, улучшают ли их контактные механизмы конкретную операцию при сохранении приемлемого износа мелющей среды и стабильности контура.

Наиболее информативная оценка сравнивает:

• снижение критической фракции частиц промежуточной крупности, а не только конечный P80;
• проскок крупных частиц и циркулирующую нагрузку;
• удельный расход мелющей среды и распределение по размерам изношенной среды;
• характер потребления мощности мельницы, производительность и условия транспорта пульпы;
• последующее извлечение, фильтрацию, выщелачивание или реакцию качества продукта, где это применимо.

Мелющие цильпебсы, как правило, являются лучшим выбором, когда истирание мелких частиц является ограничивающим механизмом, максимальный размер питания контролируется, классификация может эффективно удалять мелочь и контур выигрывает от большей популяции более мелких контактов мелющей среды. Сферическая мелющая среда остаётся предпочтительной там, где преобладают разрушение крупных частиц, устойчивое движение загрузки и высокоэнергетическое ударное измельчение. В конечном итоге решение является инженерным вопросом, специфичным для конкретного контура: необходимо сопоставить форму мелющей среды и распределение её размеров с механизмом разрушения, который действительно ограничивает производительность, а затем проверить результат по всему процессу, а не только по разгрузке мельницы.