Получение высококачественного кубовидного щебня при применении технологии центробежно - ударного дробления

ПОЛУЧЕНИЕ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОГО КУБОВИДНОГО ЩЕБНЯ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ ТЕХНОЛОГИИ ЦЕНТРОБЕЖНО-УДАРНОГО ДРОБЛЕНИЯ

 

А.В. Таболич, В.В. Воробьев, Е.Н. Иванов, С.Н. Бондаренко ОАО «НПО Центр»

 

В статье приведен анализ результатов практического использования дробилок центробежно-ударного типа по сравнению с дробилками других типов при получении высококачественного кубовидного щебня. Проведены исследования по дроблению гранита и порфирита на центробежно-ударных и конусных дробилках различных производителей. Проведено сравнение полученных технологических параметров их работы и качественных параметров полученных материалов.

 

Введение

 

Горное производство, как одно из наиболее энергоемких в народном хозяйстве, существенным образом влияет на энергетический баланс страны. Уровень энергопотребления во времени возрастает, он определяется как увеличением объемов добычи и переработки полезных ископаемых, использованием современных мощных машин и механизмов, так и изменением технологии переработки полезных ископаемых. Одной из важнейших проблем при переработке полезных ископаемых является повышение эффективности работы дробильного оборудования.

Особенно способ дробления важен при получении минеральных материалов, для которых форма частиц является одним из основных параметров качества. Ярким примером такого материала является щебень на основе различного минерального сырья.

Щебень – основной продукт дробления горных пород, широко используется в качестве заполнителей в составе бетона и асфальтобетонных смесей.

В зависимости от целевого применения в строительной отрасли, к гранулометрическому и зерновому составу и прочностным характеристикам (основного) продукта дробления горных пород – щебню – предъявляются требования,  которые регламентируются соответствующими нормативными документами (ГОСТы, СТБ, ТУ и др. Например ГОСТ 8267-93. Межгосударственный стандарт. Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ).

В частности, очень важным нормируемым показателем свойств, определяющим эффективность использования щебня в составе бетона, является его прочность, фракционный состав и соотношение содержания в щебне зерен кубовидной, лещадной и игловатой форм.

Наиболее плотную упаковку (в составе) бетона можно получить при использовании щебня, в  котором содержание зерен пластинчатой и игловатой формы не превышает 15-20%, а массовая доля фракций с содержанием зерен кубовидной формы составляет не менее 50%. Наличие в щебне зерен пластинчатой и игловатой форм приводит к увеличению межзерновой пустотности в бетонной смеси в силу специфики геометрии строения таких зерен, для которых ширина (толщина) меньше чем длина в 3 и более раз. Для зерен кубообразной формы длина (должна) превосходит  ширину и толщину не больше чем в 2 раза.

Прочность щебня в качестве заполнителя для бетона определяется его маркой  и характеризуется таким (нормируемым) показателем, как дробимость. Дробимость, определяющая марку щебня по прочности, отражает сопротивление зерен щебня воздействию раскалывающих усилий, передаваемых смежным зернам в точках их касания (и опосредованным образом связана с наличием в объеме материала микротрещин и слабых зерен, анизотропия структурных элементов).

Дробимость определяется  особенностями внутреннего деформирования и механизмами разрушения конкретной горной породы, при этом определяющими факторами являются специфические особенности строения таких неоднородных твердых тел [1].

Прочность щебня, являющаяся одной из основных характеристик для определения его пригодности в качестве заполнителя, должна быть не менее чем в полтора - два раза выше прочности (целевого) бетона. Кубовидные зерна обладают прочностью большей, чем зерна пластинчатой и игловатой формы, поэтому использование в составе бетона щебня с высоким содержанием зерен кубовидной формы более предпочтительно.

В щебне, таким образом, лимитируется содержание зерен пластинчатой и игловатой формы

В настоящее время в ОАО «НПО Центр» накоплен большой экспериментальный материал по исследованию особенностей зернового состава и прочностных характеристик продуктов разрушения различных горных пород (доломита, гранита, порфирита и т.д.) в процессе дробления при различных схемах приложения (воздействия) разрушающих усилий.

Принято считать, что поскольку в процессе дробления разрушаются преимущественно компоненты с большим содержание слабых зерен и наиболее трещиноватые компоненты, то получаемый щебень будет представлен фракциями с меньшим содержанием трещин и слабых разностей горной породы, т.е. в полученном дискретном материале прочность структурных единиц будет выше.

Прочность щебня зависит от состава, структуры и содержания зерен слабых разностей измельчаемой горной породы. От схемы приложения механических воздействий зависит эффективность управления технологическими характеристиками целевого продукта (щебня), т.к. дробление лещадных зерен также обеспечивает получение щебня с высоким содержанием кубовидных зерен.

 

Рост объемов строительства и требований к качеству строительных материалов в настоящее время обусловил повышение спроса на кубовидный щебень, ведь при изготовлении бетонных и асфальтобетонных дорожных покрытий, а также строительных конструкций большое значение имеет прочность и форма частиц наполнителя. Приближение формы частиц к правильной кубовидной, а также уменьшение доли частиц с ослабленной формой увеличивает прочность и долговечность бетонных и асфальтобетонных конструкций. Особенно большое значение имеет форма мелкого щебня размером 3-5, 5-10, 10-15 мм, применяемого для верхнего упрочняющего слоя дорожного покрытия, определяющего долговечность и качество дорог.

Использование кубовидного щебня при дорожном строительстве позволяет:

• снизить расход щебня на 15-20% и связующих (битум, цемент) на 30-40%;
• приблизить коэффициент уплотнения асфальтобетонной смеси к единице, что обеспечивает не только долговечность, но и морозостойкость дорожного покрытия;
• снизить время и трудозатраты по укладке асфальтового покрытия до 50%;
• увеличить срок службы дорожного покрытия;
• увеличить коэффициент сцепления до 0,65-0,71.

 

 

Преимущества использования дробилок центробежно-ударного типа.

Для получения щебня фракций, используемых в дорожном строительстве, обычно применяются дробилки конусные, роторные и центробежно-ударные.

Конусные дробилки обеспечивают получение мелкого щебня с содержанием зерен лещадной формы от 15 % и выше (реально выше 20 %). Роторные дробилки обеспечивают получение щебня с содержанием зерен лещадных зерен до 15 % на мягких и средней твердости породах с прочностью ниже 100 МРа. При более прочных породах резко снижается производительность и увеличивается износ рабочих органов роторных дробилок.

Задаче получения щебня мелких фракций с содержанием зерен лещадной формы до 10 % из материалов с прочностью на сжатие до 300 МПа в полной мере соответствуют центробежно-ударные дробилки. В центробежной дробилке разрушение материала происходит за счет удара материала об отбойные элементы при разгоне его в поле центробежных сил, во вращающемся ускорителе. Это позволяет:

• значительно увеличить степень дробления и расширить диапазон регулирования содержания фракций в продукте;
• получать стабильный грансостав дробленого продукта не зависящий от износа футеровочных элементов;
• повысить прочность конечного продукта за счет уменьшения количества зерен с ослабленной формой и снижения трещиноватости зерен.

 

Принцип работы центробежно-ударной дробилки.

Вентилятором высокого давления (5) создается давление воздуха, необходимое для «всплытия»  ротора и образования воздушного зазора  между ротором (3) и статором (4). Образовавшаяся воздушная подушка под ротором играет роль газового подшипника. Уникальная конструкция рабочего органа дробилки является самобалансирующейся системой и обеспечивает надежную работу оборудования.

Исходный продукт через воронку (1) подается во вращающийся ускоритель (2). Получив в ускорителе необходимую для измельчения окружную скорость, и, соответственно, кинетическую энергию, ударяется об отбойную поверхность камеры дробления, разрушается и выводится через течки в нижней части дробилки.

Отбойная поверхность камеры дробления формируется либо отбойными плитами, либо с помощью самофутеровки.

Самофутеровка осуществляется следующим образом. На периферии камеры дробления располагается горизонтальная кольцевая площадка, на которой сама же измельчаемая горная масса образует коническую поверхность с естественным углом откоса. Куски горной массы дробятся в основном на этой конической отражательной поверхности при соударении со слоем самофутеровки.

 

 

 

 

 

 

Существует распространенное мнение, что применение ударных дробилок приводит к резкому увеличению выхода отсева. Однако это не подтверждается практикой использования дробильного оборудования. Более того, при подборе оптимальных скоростей вращения ротора на ударных дробилках, выход отсева на них ниже, чем на конусных дробилках. Усредненные гранулометрические составы, полученные при дроблении горных пород на ударно-центробежных и конусных дробилках, представлены на рис.2 и рис. 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2 Усредненные гранулометрические составы продуктов дробления

на ударно центробежной дробилке

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3 Типовые гранулометрические составы продуктов разгрузки конусных дробилок (Финляндия)

 

 

Как видно из приведенных графиков типовых гранулометрических составов конусная дробилка обеспечивает крупность готового продукта менее 10 мм при размере ширины разгрузочной щели равной 6 мм. При этом соотношение фракций 0-4 мм и 4-10 мм составляет 65 % к 35 %. Для ударно-центробежной дробилки, при переработке твердых руд, соотношение фракций 0-4 мм и 4-10 мм составляет 55 % к 45 %.

Для крупности готового продукта до 20 мм выхода продуктов 0-4 и 4-20 мм составляют 40 % к 60 % для конусной дробилки и 30 % к 70 % для ударной дробилки.

Вторым ограничителем применения этих дробилок традиционно выступало мнение, что центробежно-ударные дробилки пригодны для дробления материала с исходным размером куска до 50 мм якобы из-за повышения износа. Однако при использовании ускорителей с достаточно большим проходным сечением, а так же схемы дробления с самофутеровкой мы легко дробим материалы с размером частиц до 80 и даже до 100 мм.

 

Исследования

Для подтверждения высокой эффективности применения центробежно-ударных дробилок при производстве кубовидного щебня из различных видов горных пород были проведены исследования влияния ударно-центробежного способа дробления на качество щебня. В качестве исходного материала использован гранитный щебень производства ГОП АО «ММК», представляющий собой смесь фракций с наибольшей крупностью 40 мм, а также порфиритовый щебень фракции 20-40 мм, произведенный на Гранитном карьере ОАО «Магнитострой» после конусной дробилки КСД-2200. Указанный исходный материалы были подвергнуты дроблению на ударно-центробежной дробилке ДЦ-1,6 производства УП «НПО «Центр» (рис. 4 и 5).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Форма зерен.

 

 

Форма зерен щебня характеризуется содержанием зерен пластинчатой и игловатой формы, к которой относятся такие зерна, толщина или ширина которых менее длины в 3 и более раз. Результаты испытаний приведены на рис. 6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6  Влияние способа дробления на содержание зерен пластинчатой формы.

1 – порфиритовый после КСД; 2 – порфиритовый после ДЦ;

3 – гранитный после КСД; 4 –  гранитный после ДЦ.

 

Из данных рис.6 видно, что исходные материалы по содержанию зерен пластинчатой и игловатой формы не удовлетворяют требованиям стандарта. В дробленом материале содержание указанных зерен свидетельствует о том, что полученный материал по форме относится к кубовидному щебню. Исходя из представленных данных, можно заключить, что в результате ударно-центробежного дробления содержание в материале зерен пластинчатой и игловатой формы уменьшается в среднем в 6 раз, т.е. указанный метод дробления является эффективным средством улучшения формы зерен и повышения его качества.

 

Прочность щебня.

 

Прочность щебня определена по его дробимости в цилиндре. Результаты испытаний представлены на рис. 7.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7. Прочность щебня по дробимости в цилиндре.

1 – порфиритовый после КСД; 2 – порфиритовый после ДЦ; 3 –  гранитный после КСД;

4 – гранитный после ДЦ.

Из представленных данных следует, что дробление щебня в ударно-центробежной дробилке способствует увеличению его прочности в среднем от 16 до 29%. Это связано с уменьшением в получаемом материале количества зерен пластинчатой и игловатой формы, которые при прочих равных условиях оказывают существенное влияние на прочность щебня.

Плотность щебня.

 

Насыпная плотность щебня определялась взвешиванием в мерном цилиндре. Результаты испытаний приведены на рис. 8.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8 Насыпная плотность щебня.

 

1 – порфиритовый после КСД; 2 – порфиритовый после ДЦ;

3 – гранитный после КСД; 4 – гранитный после ДЦ.

 

Приведенные данные свидетельствуют об увеличении насыпной плотности щебня, полученного ударно-центробежным способом, что связано с его кубовидной формой. Это закономерно привело к уменьшению пустотности, которая для щебня ГОП АО «ММК» снизилась с 46,8% до 45,6%, а для щебня ОАО «Магнитострой» – с 48,1% до 46,2%