• с ростом тонины помола происходит увеличение энергозатрат непропорциональное вновь образованной поверхности; энергозатраты при измельчении существенно выше, чем при дроблении;
• энергозатраты на измельчение существенно выше затрат на дезинтеграцию (избирательное разрушение).

В значительной части публикаций по разрушению руд и техногенных материалов укоренилось утверждение, что с уменьшением размера частиц увеличивается прочность и энергия разрушения, и далее «оправдывается» рост энергозатрат на измельчение по мере уменьшения размеров измельчаемого материала. Казалось бы, практика тоже подтверждает сказанное: в промышленных устройствах уменьшение размеров частиц (увеличение тонины помола) сопровождается ростом потребляемой энергии: энергозатраты при измельчении более чем на порядок выше, чем при дроблении. Однако многочисленные эксперименты свидетельствуют об обратном: энергия разрушения, равно как и величина разрушающего усилия, по мере уменьшения размера измельчаемых частиц уменьшается [1]. В данном случае мы имеем дело с очевидным терминологическим недоразумением, обусловленным тем, что в литературе по разрушению руд по умолчанию, как правило, применяется понятие удельной энергии разрушения (отнесенной к объему), из которого автоматически следует, что с уменьшением размера разрушаемой частицы энергоемкость разрушения увеличивается, да еще в третьей степени от размера. Хотя здравый смысл подсказывает, что для разрушения валуна необходима увесистая кувалда в несколько килограммов, а для песчинки из нее в несколько миллиметров достаточно молотка массой 100-200 г, тем не менее, миф о высокой прочности малых частиц сохраняется. Встречающееся в литературе высказывания об увеличении прочности при уменьшении размера частиц (следующее очевидное заблуждение) также связанно с подменой понятий и не корректным использованием терминов. Основано оно на представлении результатов в приведенном (удельном) виде, т.е. когда экспериментально (или теоретически) полученная величина усилия разрушения отнесена к размеру, площади, объему, массе и т.п. При таком представлении результатов деление на меньшую величину (да еще в кубе или квадрате) приводит к кажущемуся увеличению параметра. Что касается применения термина «прочность частиц» (сила, деленная на площадь) для характеристики процессов измельчения, то в данном случае он не имеет ни физического, ни технологического смысла, поскольку не характеризуют объект (представляющий собой не сопоставимую совокупность размеров и структур), зато способен вводить в заблуждение. Оставаясь в плену подобных заблуждений трудно надеяться на успех в поиске новых технологий и устройств для измельчения с низким энергопотреблением. Однако «энергетический парадокс измельчения» нельзя объяснить лишь не корректным использованием параметров, описывающих данный процесс, проблема в самих устройствах и процессах разрушения. Корень проблем лежит в несоответствии физики разрушения процессам трансформации энергии в различных устройствах и аппаратах. Отсюда и множество эмпирических законов измельчения: Риттингера, Кика, Кирпичева, Бонда и др., каждый из которых, более или менее адекватно, описывает процессы разрушения в «своем» узком классе размеров и способов приложения нагрузки. Известные объяснения рассматриваемого парадокса преимущественно для тонких классов (с удельной поверхностью более 1м²/г) рассмотренные в работе [2], не подходят к процессам обычного измельчения в процессах рудоподготовки, поскольку удельная поверхность большинства продуктов измельчения меньше 0,1м²/г. В этом случае объемная доля аморфизованной и активированной поверхности намного меньше собственного объема частиц, поэтому в первом приближении энергозатратами на эти процессы можно пренебречь.

Основное внимание уделено энергозатратам, которые связаны с трансформацией кинетической и потенциальной энергии мелющих тел в собственно увеличение исходной поверхности при сокращении размеров входящего сырья, тем более что основная доля потребляемой мельницей энергии практически не зависит от протекающих в ней процессов разрушения [3]. В процессах измельчения практически невозможно определить величину энергии, переданной нагружающей системой разрушаемому объекту, и уж тем более, выделить из нее ту часть, которая трансформировалась в разрушение. Таким образом, невозможно точно и однозначно определить ни полезно затраченную работу, ни выходной показатель, относительно которого затраты энергии можно было считать полезными. Логично взять в качестве такого параметра изменение поверхности исходного и конечного продуктов, если бы значение их поверхности не отличались на несколько порядков, а сами методы измерения поверхности были инвариантны относительно ее величины. Известная линейка методов измерения поверхности (фотограмметрия, ПСХ , БЭТ и газовая хромотография), имеет локальную область их применения по величине измеряемой поверхности, кроме того, они определяют разные типы поверхности (внешнюю, внутреннюю, полную). Таким образом, поскольку мы не имеем достоверных физически измеряемых параметров, характеризующих изменение состояний объекта в процессе разрушения, оценка таких величин как кпд процесса или агрегата становится проблематичной, если невозможной. Для понимания картины разрушения руд в мельнице воспользуемся измеренными значениями усилий и энергии разрушения частиц разной крупности, значениями удельной энергии разрушения различных руд, полученными разрушением образцов правильной формы при трех точечном изгибе, а также удельной поверхностью срастания различных минералов, полученных методами анализа изображений [1]. На рис.1 приведена зависимость энергии разрушения от размера неоднородных по структуре одиночных частиц, вид приведенной зависимости отражает изменение структуры по мере изменения размера.

Рис.1. Зависимость энергии разрушения от размера частиц лопаритовой руды

Таблица 1. Результаты оценки энергия разрушения и вновь образованной поверхности

Следует отметить еще одну особенность разрушения – это способ деформирования. В табл.1 приведены результаты разрушения в разных режимах деформирования, из которых наглядно видна разница в значениях поглощенной энергии, в величине поверхности разрушения частиц разного размера и состава. Основное отличие жесткого нагружения – это минимальная энергия разрушения и ограниченное двумя, тремя фрагментами число продуктов разрушения (соответственно низкое значение вновь образованной поверхности). Для мягкого разрушения характерно большое число фрагментов (более 4) различной крупности и соответственно более высокая вновь образованная поверхность. Модель жесткого нагружения адекватна разрушению материалов в валковой дробилке, а модель мягкого разрушения – процессам в барабанных мельницах, в некоторых зонах конусных инерционных дробилках и некоторых других устройствах. Для шарового измельчения мягкий режим был бы не плох, если бы его можно было регулировать в соответствии с большим диапазоном дисперсии прочности частиц и существенным (в степенной зависимости) уменьшением прочности и дисперсии ее по мере сокращения крупности частиц.

Экспериментально доказанный характер зависимости работы или энергии разрушения (А) от размера частиц можно аналитически подтвердить простым преобразованием выражения А= , связывающего величину разрушающего усилия F и деформацию. В простейшем случае хрупкого разрушения это выражение можно свести к виду А=FΔd/2, где Δd – величина абсолютной деформация, при которой происходит разрушение нагружаемого объекта. В терминах относительной деформации ( ε(d) = Δd/d ) данное выражение можно записать в виде А= Fdε(d)/2, учитывая, что относительная деформация при большом диапазоне размеров материалов с неоднородной структурой может зависеть от их размера. Полученное выражение качественно подтверждает приведенные выше экспериментальные результаты зависимости энергии разрушения от размеров частиц. С учетом приведенного в работе [1] выражения зависимости величины разрушающего усилия от размера частиц F = kdⁿ, окончательное выражение для энергии разрушения можно записать в виде А≈kdⁿ⁺¹ε(d)/2, где k-коэффициент размерности. В общем случае показатель n зависит от разрушаемых минералов; так для железных руд данный показатель имеет следующие значения: магнетит 1,3÷1,7; нерудные минералы 1,2÷1,6; сростки 1,3. Приведенные экспериментальные результаты не оставляют места для утверждения о том, что с уменьшением размеров частиц энергия разрушения и их прочность увеличиваются. Таким образом, имея экспериментальные данные о прочности и энергии разрушения частиц, можно соотнести их с соответствующими параметрами в мельнице. Речь идет величине сил и энергии, действующих на измельчаемый материал со стороны мелющих тел в промышленных агрегатах. За исключение нескольких работ (например[4]), в которых сделана попытка инструментального измерения сил в мельнице, практически мало что известно о спектре сил и энергиях, действующих на измельчаемый материал. В рамках комплексного исследования селективного разрушения руд и изучения спектра сил, действующих на измельчаемый материал, установлено [1], что, даже в лабораторной мельнице, максимальная энергия шаров значительно превосходит энергию разрушения частиц измельчаемого материала. Некоторые гистограммы сил приведены на рис.2, на которых показано, что при разной скорости вращения барабана, и одинаковом заполнении мельницы шарами (а,б) выявлен широкий (почти равномерный) тип распределения амплитуд, при этом на большей скорости вращения спектр сил (б) шире почти на70-80%. Буквенные индексы на рис. 2 соответствуют обозначениям, приведенным в таблице 2 .

Рис.2. Гистограмма амплитуд ударов при разных режимах работы мельницы.

Таблица 2. Соответствие индексов рис.3 параметрам мельницы

Доказательство факта уменьшения прочности и энергии разрушения частиц по мере уменьшения их размера – это лишь один из аспектов энергетического парадокса. Для понимания его сути необходимо рассмотреть и вторую часть данного процесса: механизмы трансформации кинетической и потенциальной энергии нагружающих устройств (например, шаров) в потенциальную энергию упругих деформаций разрушаемых частиц и в образование новой поверхности. Полагая, что движение мелющих тел в мельницах разного размера принципиально не отличается, и наиболее значимым фактором для измельчения исходного сырья является энергия шаров, проанализируем с позиций полученных экспериментальных данных энергетическую картину в промышленной мельнице. В качестве такого объекта рассмотрим барабанную мельницу МШЦ-3200-3100. Сопоставим возможный диапазон энергии шаров (для примера диаметром 70мм) с диапазоном энергии разрушения частиц измельчаемого материала размером 10÷12 мм. По самым грубым оценкам диапазон энергии шаров в мельнице составляет 0,5-35Дж, при этом энергия разрушения частиц данной крупности лежит в диапазоне 0,05-0,4Дж, т.е. разница на порядки. Очевидно, что значительная часть этой избыточной энергии трансформируется в тепло и акустическое излучение (шум). Однако в этом избытке энергии есть еще один неизбежный отрицательный фактор – динамика увеличения числа частиц в единицу времени. Как уже отмечалось, в режиме мягкого нагружения (при избытке энергии падающего шара мы имеем именно такой режим) за один удар образуется значительное число фрагментов разной крупности (порядка 4÷10 и более единиц). Для определенности примем число образующихся фрагментов, требующих дальнейшего измельчения порядка 4, а это значит, что после каждого единичного разрушения число частиц будет увеличиваться по закону N=N_о4^q, N_о – начальное число частиц заданного размера, q – число ударов по объекту измельчения. При ограниченном числе активных воздействий (число мелющих тел и q) прогрессивный рост числа объектов разрушения приводит к резкому снижению вероятности «попадания частиц под удар», а, следовательно, к увеличению длительности процесса для получения годного продукта с соответствующим увеличением энергопотребления.

 Проанализируем классическое выражение энергоемкости измельчительных устройств: Э =Р/Q, где Р потребляемая мощность (кВт), Q= m/t – масса измельчаемого материала в единицу времени (т/ч). Поскольку энергия потребляемая мельницей Р слабо зависит от собственно процесса разрушения и сокращения размеров частиц[5], запишем его в виде Э= Рt/m , где t – длительность процесса измельчения входящей массы материала m до предусмотренной крупности. Таким образом, длительность процесса измельчения исходной массы материала до предполагаемой крупности является определяющим параметром удельного энергопотребления. При заданной крупности продукта измельчения и при постоянной мощности привода, длительность процесса t определяется прочностью частиц, исходным грансоставом, соотношением спектра прочности частиц и спектра сил, действующих на частицы со стороны мелющих тел, а также вероятностью реализации такого контакта. Фактически основным параметром, характеризующим затраты энергии на получение продукта заданной крупности, является длительность нахождения частиц исходного материала в мельнице. Мельница, как «небалансный маховик» потребляет для своего вращения практически неизменяемую энергию, независимо от того, происходит ли в это время разрушение частиц или нет. Таким образом, вторая сторона энергетического парадокса лежит в плоскости анализа эффективности передачи силовых воздействий объекту разрушения, а точнее, его интенсивности, поскольку в данном случае речь идет о длительности процесса энергопотребления. Попробуем выделить некоторые элементы этого взаимодействия. Как уже отмечено выше, исходный измельчаемый материал имеет некоторый грансостав, в котором даже узкие классы имеют спектр прочности частиц. Для разрушения частицы необходимо, чтобы силовые характеристики нагружающей системы (например, шаров) имели параметры не ниже наибольшей прочности частиц, а во-вторых, чтобы разрушаемая частица попала в пространство между шарами или между шаром и футеровкой. Вероятность такого события будет определяться соотношением числа частиц, участвующих в процессе и числом актов силового воздействия (количеством ударов или статического давления шаров), которое возможно в данном аппарате. Вероятность отбора частицы в зону разрушения запишем в виде f=q/N, где q- число воздействий с усилием, превышающем прочность частиц, N – число частиц, которые необходимо подвергнуть сокращению до заданной крупности. Тогда длительность процесса и связанная с ней величина потребленной энергии может быть найдена из условия равенства единице вероятности разрушения частицы за некоторый промежуток времени f t = 1, или t= N/q. Сделаем грубую (поскольку мы имеем дело с большими числами, изменение их на несколько единиц роли не играет) прикидку соотношения числа частиц и числа ударов в мельнице. Рассмотрим наиболее тяжелый с точки зрения энергозатрат случай, когда питание мельницы составляет 100% фракции 10÷12мм и в тоже время более легкий с точки зрения наименьшего числа частиц в процессе. Оценим соотношение величины «технического энергопотребления» – энергии, потребляемой мельницей в процессе измельчения массы исходного материала и величины «физического энергопотребления» – энергии, которая определяется как сумма энергии разрушения единичных частиц с такой же суммарной массой. Для рассматриваемой мельницы (шаровая загрузка порядка 42т, шары диаметром 70мм) общее количество шаров составит порядка 30000 единиц. Будем считать, что на начало разрушения мельница заполнена исходным материалом указанной крупность массой порядка 40т, что составляет около 1,4*10⁷ частиц. Даже если предположить, что 100% элементов шаровой загрузки обладают энергией, достаточной для разрушения входящих частиц, т.е. все шары в каждую единицу времени участвуют в разрушении, то для первичного разрушения всей массы материала потребуется порядка 1000 с, соответственно энергия, потребляемая мельницей в течение указанного времени составит порядка 4 кВтч/т. На самом деле, анализ кинетики и гистограммы распределения амплитуды ударов показывает, что максимальной энергией обладают менее 50% шаров, так что указанный показатель энергопотребления можно принять в качестве нижней оценки. Сопоставим «технологическое энергопотребление» при первичном разрушении в мельнице с «физическими энергозатратами» при разрушении отдельных частиц. Для расчетов возьмем наибольшее значение из диапазона энергии единичного разрушения50÷450 мДж, наблюдаемого при разрушении разных руд для данного класса крупности. Приведенное к массе разрушенного материала значение энергии разрушения 1,4*10⁷ частиц, составит около 166 кДж/т или менее 0,05кВтч/т. Различие между максимально необходимым уровнем энергопотребления (физическим энергопотреблением) и минимальным уровнем энергопотребления в процессе измельчения составило несколько десятков раз – это только на первом этапе разрушения. Пусть после первичного разрушения число частиц в объеме увеличилось в 4 раза (при мягком нагружении – это минимальная цифра), тогда число частиц на втором этапе разрушения составит порядка 6*10⁷ единиц. В этом случае для разрушения дочерних частиц потребуется уже порядка 4000 секунд, соответственно энергия, потребляемая мельницей в течение указанного времени, составит порядка 16 кВтч/т. Физические затраты энергии на разрушение 6*10⁷ частиц(с учетом уменьшения энергии разрушения частиц меньшего размера) составят порядка 370 кДж/т или 0,1 кВтч/т. Ситуация повторится на третьем и всех последующих этапах разрушения: число частиц увеличивается, соответственно увеличивается энергопотребление за счет большей длительности нахождения их в мельнице. Несмотря на то, что в данной модели мы намеренно рассмотрели самый тяжелый случай по входному материалу и по интенсивности взаимодействия, полученный порядок величин «технологического энергопотребления», имеет удовлетворительное приближение к показателям реального процесса. В данном рассмотрении мы не учитывали уменьшение числа частиц после каждого акта разрушения, в результате выноса из процесса, полагая, что это число замещается вновь поступившими частицами и примерно в том же количестве (динамически равновесный режим измельчения: масса входящих равна массе уходящих). Более детальный учет кинетики измельчения и выноса материала принципиально не меняет параметров энергетики разрушения.

Характерно, что оценка энергопотребления, по величине вновь образованной поверхности дает более низкие результаты по сравнению с суммарной энергией разрушения единичных частиц. Оценим работу разрушения, используя значение удельной поверхностной энергии. Примем удельную величину вновь образованной поверхности на уровне максимального значения для рассматриваемой стадии измельчения 0,025м²/г. В качестве удельной поверхностной энергии возьмем максимальное значение из диапазона теоретических (квантово-механических расчетов) и экспериментальных значений для нерудных минералов 1÷10 Дж/м²[5]. Полученное значение энергопотребления на образование указанной поверхности в рассматриваемой модели измельчения составило порядка 0,07 кВч/т. Неизбежное отличие полученной величины от энергии разрушения частиц объяснимо в рамках анализа диаграммы деформирования и разрушения. В соответствие с диаграммой нагружения энергия разрушения, связанная с вновь образованной поверхностью, составляет часть общей энергии разрушения (0,5÷0,01 для разных минералов). Приведенные данные позволяют объяснить энергетический парадокс измельчения в промышленных агрегатах, связанный с непропорциональным ростом энергопотребления по мере уменьшения размеров измельчаемых частиц. Понять: почему 1Дж*100 ≠ 100Дж*1, т.е. результат разрушения N =100 частиц при ударе с энергией 1Дж не равен результату при однократном ударе с энергией 100Дж одной частицы (такого же объема, как и 100 частиц). Физически суть рассматриваемого парадокса состоит в следующем:

• существенное (на порядки) несоответствие числа разрушаемых элементов числу элементов разрушающего воздействия, что приводит к низкой вероятности отбора частиц в зону разрушения и к увеличению в этой связи числа циклов преобразования электрической энергии в гравитационную энергию мелющих тел и к увеличению общего энергопотребления;
•  несоразмерное превышение энергии «источника воздействия» – измельчающей среды (например, шаров) над максимально необходимыми уровнями разрушения элементов измельчаемой среды (частиц руды определенного класса);
•  неизменная интенсивность воздействия (число ударов и др.) с практически постоянным энергетическим спектром, при непрерывно увеличивающемся числе частиц в измельчающем объеме, величина энергии разрушения которых уменьшается в степенной зависимости; указанное обстоятельство приводит к еще большему снижению вероятности воздействия и соответственно увеличению длительности потребления энергии системой не производящей положительной работы (разрушения).
• несоответствие темпов роста числа частиц в ходе процесса измельчения (экспоненциально по кинетике измельчении) темпу снижения прочности по мере уменьшения размеров разрушаемых частиц.

На примере барабанной мельницы мы видим агрегат, который ежесекундно потребляет порядка 600квт электроэнергии для того, чтобы создать несколько десятков тысяч «молотков» (в виде мелющих тел), которые должны «стукнуть» по нескольким десяткам и сотням миллионов частиц, при этом с каждым ударом (если попадет) число частиц как минимум удваивается, а при многократно превышающей энергии, требуемой для разрушения частиц, каждый «молоток» производит от 3до 10 и более частиц. Таким образом, с каждым ударом вероятность попадания частиц под «молоток» уменьшается на порядок, а длительность нахождения материала и затраты энергии увеличиваются.

Что касается энергетического парадокса при анализе дезинтеграции, то здесь все более прозрачно: разница энергопотребления при обычном измельчении и дезинтеграции для раскрытия минералов обусловлена значительным различием общей величины поверхности разрушения и поверхности срастания, т.е. той поверхности, которую только и необходимо обнажить для освобождения извлекаемых минералов из вмещающих пород. Так, удельная поверхность срастания магнетита (титаномагнетита) большинства железных руд находится в пределах 10÷320 мм²/мм³. Измеренное значение удельной энергии разрушения железных руд при изгибе находится в диапазоне 10÷250 Дж/м². Даже при максимальном значении удельной энергии разрушения мы получим для рассматриваемой области поверхности срастания руд диапазон энергопотребления 0,2÷7 кВтч/т (последняя цифра относится к так называемым труднообогатимым рудам и может рассматриваться как предельная), что на порядки и в разы меньше фактических затрат при обычном измельчении. Более подробно вопросы снижения энергозатрат путем рациональной селективной рудоподготовки рассмотрены в [1]. При дезинтеграции руд с целью раскрытия минералов предпочтительным может оказаться режим жесткого контролируемого нагружения. Для материалов со сравнительно однородной структурой, например, клинкера (в производстве цемента), наиболее адекватным будет режим мягкого нагружения, для которого характерна высокая степень сокращения за единичный акт нагружения и большая вновь образованная поверхность. При этом увеличение вероятности отбора частиц в зону разрушения может быть реализована в устройствах типа валковая мельница (Horomill). В данной конструкции реализуется энергосберегающая идея: измельчение производится за счет многократного сдавливания материала роллером на внутренней поверхности вращающийся барабана в режиме мягкого нагружения с высокой вероятностью разрушения.

Существующая линейка барабанных мельниц в настоящее время несет на себе все бремя рудоподготовки, поскольку – это простые в конструктивном отношении и в эксплуатации аппараты. Вместе с тем, почти вся энергия, поглощаемая мельницей, идет на создание гравитационного потенциала мелющих тел (на подъем мелющих тел и собственно измельчаемого материал), на износ мелющих тел и футеровки, на нагрев измельчаемого материала и воды, трение в приводе и опорах и т.п. [6]. В этой связи данный тип измельчителя имеет весьма ограниченные возможности снижения энергозатрат, в лучшем случае, за счет некоторой адаптации режимов работы к изменяющимся свойствам измельчаемого материала (изменение скорости вращения, рационирования шаровой загрузки, ускорение вывода готового класса и т.п.). Проведенный анализ энергопотребления, вскрывая основные противоречия между требуемым и фактическим энергопотреблением, позволяет рассмотреть некоторые предложения по снижению энергозатрат. Вопросы повышения вероятности разрушения частично решаются загрузкой шаров разного диаметра или наложением магнитного поля на зону шаровой загрузки в магнитомеханических технологиях, описанных в работе [1]. Применение рационированной загрузки мельниц шарами, секционирование объема измельчения на зоны с разным размером шаров, регулирование скорости выноса готового класса и др. – известные и паллиативные меры, лишь частично решают задачу снижения энергопотребления. Однако для решения главного противоречия несоответствия «технологического и физического энергопотребления» необходим коренной пересмотр подходов к конструированию измельчительных устройств. В основе этих устройств должны лежать принципы, обеспечивающие максимальное приближение энергии, потребляемой устройством из сети, к «физическим энергозатратам», а для этого необходимо как минимум:

• создать устройства, в которых вероятность отбора измельчаемых частиц приближалась к единице, т.е. число элементов воздействия было близко к числу разрушаемых частиц, постоянно увеличивающихся во времени;
• создать устройства, в которых нагружающие элементы изменяли энергию воздействия в соответствии с изменением размера частиц, т.е. адаптивные системы;
• что касается снижения затрат на дезинтеграцию, то устройства, реализующие принцип селективного разрушения, должны содержать в себе системы выводы раскрытых минералов из зоны активных воздействий; например для железных руд валковая мельница (о которой упоминалось выше) является удобным устройством для встраивания элементов магнитной сепарации для вывода раскрытого магнетита из процесса.

Для 21 века характерно более пристальное внимание к ресурсам, поскольку конечность энергетических, минеральных и других ресурсов все отчетливее осознается промышленным и финансовым сообществами. Проблемы старой парадигмы лежат в ее экстенсивных подходах: превратить месторождение в горную массу (оставив в Земле огромную воронку или подземную выработку), измельчить значительную часть добытого до миллиметрово-микронного состояния, предпринять огромные усилия по разделению разноразмерной массы на минералы, после чего ломать голову, что делать с хвостами и отходами обогащения. Кроме того, при переизмельчении минералов, появляются факторы, связанные с увеличением поверхности и возрастанием ее роли по сравнению с объемными свойствами. Например, при переизмельчении магнетита в железных рудах, образуются флокулы, которые захватывают частицы нерудных минералов, снижающих качество концентрата, и создают необходимость в дополнительных устройствах (дефлокуляторах) и т.п. В результате мы имеем энергозатратные, капиталоемкие процессы, жестко структурированные и слабо поддающиеся гибкому управлению технологии.

 В измененной парадигме предлагается применить принцип декомпозиции. Данный подход позволяет использовать гибкую и управляемую многопоточную схему переработки, способную адекватно учитывать изменения структурных и физических свойств обогащаемого сырья на всех этапах. Физической основой новой парадигмы является естественная неоднородность сырья и непрерывно меняющиеся после каждого акта разрушения прочностные и структурные характеристики, большая дисперсия взаимосвязанных параметров, определяющих технологические свойства.

Технологическая реализация современной парадигмы базируется на принципах избирательного подхода ко всем этапам добычи и переработки минерального сырья, с учетом текстурно-структурной иерархии руд, изменения структурных и прочностных характеристик по переделам. Исследования многих руд показали, что для большинства из них снижение размеров в ходе разрушения, например в 10 раз, сопровождается уменьшением прочности (усилия разрушения) в 50-70 раз [3]. Отчасти поэтому  при  измельчении руд в “современных”  агрегатах (например, барабанных мельницах) с их постоянной интенсивностью воздействия и заданным спектром сил, мы имеем переизмельчение и неоправданное энергопотребление. Так, при удельной поверхности срастания магнетита 50÷200 мм²/мм³ (диапазон типичный для большинства железных руд) и значениях удельной энергии разрушения 40÷250 Дж/м² (характерный диапазон для многих руд) энергия разрушения составляет 0,2÷4,6 кВтч/т (последняя цифра относится к так называемым труднообогатимым рудам и может рассматриваться как предельная). Еще меньшее значение дает оценка работы разрушения через поверхность измельчения: при вновь образованной поверхности 0,2÷0,4 м²/г, характерной для большинства руд на конечных стадиях измельчения, и удельной поверхностной энергии 1÷4 Дж/м² (диапазон экспериментальных значений для кварца), значение энергопотребления составит порядка 0,1÷0,5 кВтч/т. Полученные значения в разы и на порядки меньше фактических затрат в действующих процессах измельчения. Разница технологических и физических величин энергопотребления обусловлена потерями энергии в результате неадекватной передачи усилий нагружающего устройства разрушаемому объекту, именно здесь скрыты основные причины не соблюдения принципа “не дробить нечего лишнего”. В наиболее распространенных в рудоподготовке барабанных мельницах более 90% электроэнергии расходуется на производство шума, тепла, износ мелющих тел и футеровки и др.[4,5]. На смену этим агрегатам, не способным гибко реагировать не только на изменение прочности в ходе разрушения, но и на изменение этих параметров у входного сырья, должны прийти компактные высокопроизводительные устройства с регулируемой кратностью сокращения и способные менять параметры разрушения в зависимости от свойств входящего сырья.  Идеальным решением для реализации принципа декомпозиции было бы устройство, совмещающее во времени и в пространстве операции дезинтеграции и разделения, при этом устройство должно “уметь подстраиваться” под изменяющиеся параметры разрушаемого объекта в ходе дезинтеграции.

  Схема одного из  вариантов такого подхода приведена на рис.1. В приведенном устройстве сочетается принцип декомпозиции с возможностью регулировки параметров нагружения в разных зонах разрушения и соответственно для частиц разной крупности и прочности,  с выводом из зоны воздействия значительной части уже разрушенных частиц. Нагружающими элементами являются вращающийся барабан и несколько сегментов с криволинейной поверхностью, снабженных виброприводами, которые  позволяют  регулировать усилие и  циклические деформации на каждой ступени в зависимости от свойств разрушаемого материала. Разрушающая рабочая зона формируется поверхностью барабана (наружной или внутренней) и обращенной к ней поверхностью  вибросегмента с заданной формой кривизны. Число рабочих зон и их расположение (по наружной или внутренней поверхности барабана) определяются задачами разрушения: требованиями по производительности и качеству.  На рис 1,как вариант, приведены три вибрирующих сегмента и соответственно три зоны разрушения на внешней поверхности барабана.   Даже при кратности сокращения в каждой зоне равной 3,  представленное устройство способно  обеспечить раскрытие многих типов руд, начиная со структурных элементов раскрытия 10-15мм. Производительность устройства определяется длиной барабана, который монтируется на амортизаторах, при этом барабан может иметь свой вибропривод (условно показан пунктиром на рисунке) синхронизированный с виброприводом сегментов. 

 Рисунок 1. Схема устройства для разрушения руд.

Для руд, содержащих магнитные компоненты, данная конструкция представляет возможность совмещения  дезинтеграции и сепарации, схема на рис.2. Достаточно в поверхность подвижного барабана встроить магнитные ламели (вставки, создающие нужную топографию магнитного поля), наделив его свойствами магнитного барабанного сепаратора. Нераскрытые минералы, сростки направляются   на последующую стадию дезинтеграции.  Устройство допускает различные вариации как магнитной системы, так и методов удаления раскрытых частиц с поверхности барабана. Возможен также вывод тонких и пылевидных фракций через пространство между ступенями разрушения, например как на рис.2 локальным вакуумированием.

 Рисунок 2. Устройство для разрушения руд с выводом раскрытых частиц.

 Пока такие устройства в промышленных масштабах не созданы, адекватным решением является использование многостадиальной предконцентрации в связке: “дезинтеграция-сепарация” на каждой стадии. Наиболее оптимальным для всех стадий дезинтеграции является применение сухих методов сепарации (преимущественно радиометрических, магнитных, электрических, гравитационных и др.). Мокрые методы (например, флотация) необходимо включать в схему только при невозможности сухих методов обеспечить разделение в силу недостаточного контраста физических свойств. Учитывая высокий уровень предконцентрации на предыдущих стадиях и многопоточные схемы, объемы переработки в таких (мокрых) переделах можно свести к минимуму.

  Введение принципа декомпозиции в процессы переработки минерального сырья потребует значительного пересмотра многих устоявшихся подходов: к ведению буровзрывных работ, к формированию технологических сортов руд, к технологиям проектирования и компоновки цепи аппаратов  и др. При этом  ключевым звеном остается создание  управляемых измельчительных устройств, способных обеспечивать адекватные условия разрушения руд  и создание нового поколения высокопроизводительных сепараторов (радиометрических, электрических магнитных, гравитационных и др.).

 Для многих ученых и практиков, придерживающихся сложившихся взглядов на обогащение, новая парадигма покажется спорной, тем не менее, в ней нет ничего радикального, поскольку она базируется на классических принципах: не дробить и не обогащать ничего лишнего. К последним резонно добавить еще один принцип: не добывать ничего лишнего. В современной трактовке  их можно охарактеризовать следующим образом. Принцип – не добывать ничего лишнего, по сути, экономический принцип, отражающий необходимость комплексной переработки минерального сырья, направленный на минимизацию объемов техногенных новообразований (отходов, отвалов, хвостов и т.п.) при максимуме извлечения товарного продукта. Определяющей моделью этого принципа является экономическая модель, учитывающая фундаментальную стоимость месторождения, возможности современных технологий переработки, прогноз цен и потребности в сырье, экологические затраты и другие факторы. Основу технической реализации данного принципа составляют параметры технологического картирования месторождения по всем извлекаемым минеральным комплексам, дополненные характеристиками, связывающими параметры буримости-взрываемости с текстурными, структурными и прочностными свойствами извлекаемых минералов.

Существенным вкладом в новую парадигму является введение буровзрывных работ в систему рудоподготовки. Возможность избирательной рудоподготовки на стадии добычи горной массы (формирование нужного грансостава, наведенной трещиноватости и т.п.) основана на современных достижениях буровзрывных технологий, позволяющих настраивать параметры взрывания в зависимости от текстурно-структурной неоднородности рудного тела и прочностных характеристик его составляющих. Исследования нескольких десятков типов титаномагнетитовых руд показали наличие высокой корреляционной связи между параметрами буримости-взрываемости и текстурно-структурными, минералогическими, прочностными характеристиками, а также показателями обогатимости [4]. Данный подход является важной модификацией парадигмы, поскольку позволяет рассматривать рудной массив как текстурно-структурно дифференцированную совокупность единиц, обладающих разными буровзрывными и технологическими характеристиками (т.е. тот же принцип декомпозиции – от массива к дифференцированным разновидностям). Перемещение объемного разупрочняющего воздействия на стадию взрывного разрушения актуально еще и потому, что кпд разрушения взрывом в несколько раз превышает кпд дробильно-измельчительных устройств, несмотря на более высокую стоимость «химической энергии» по сравнению с электроэнергией. Высокоэнергетическое воздействие взрыва при объемном нагружении массива, способно вызвать дезинтеграцию его на фрагменты с некоторой укрупненной совокупностью разделительных признаков, например, по содержанию тех или иных извлекаемых минералов в продуктах взрывной отбойки. Известно, что текстурно-структурная неоднородность руд связана не только с распределением различных видов минерального сырья в рудном массиве, но и с параметрами акустического импеданса. Для неоднородностей с разными значениями акустического импеданса и размерами, соизмеримыми с длиной упругой волны,  возможно появление растягивающих напряжений при отражении на границах неоднородности, усиливающих эффект взрывного разрушения за счет явлений резонанса на уровне блоков и отдельностей. Теории волновых процессов при взрыве показывают, что формированием параметров взрывного воздействия (сетка и размер скважин, масса ВВ, число ступеней замедления, интервалов замедления, комбинирование зарядов и др.) можно добиться распространения в массиве упругих волн различной длины, а значит и управлять размерами селективно выделяемых блоков в соответствии с их структурными неоднородностями [4]. Таким образом, неоднородность структуры массива и вариация акустической жесткости, создают, по крайней мере, теоретические предпосылки для существования резонансных явлений в отдельных блоках и возможность избирательного их разупрочнения. Эта тема – предмет новых исследований, от которых можно значительного прорыва. Предлагаемы  подходы не исключают альтернативных методов добычи,  например гидрометаллургических технологий подземного выщелачивания и др.

Принцип – не обогащать ничего лишнего, по сути, отражает традиционную технологию стадиального обогащения, однако в современной трактовке ее необходимо дополнить методами избирательной рудоподготовки на всех этапах переработки, включая и добычу. В новой трактовке данный принцип рассматривается в тесной взаимосвязи с базовым принципом – не дробить ничего лишнего. Основу модификации составляют представления о структурных элементах разделения и раскрытия, которые формируются из горной массы в продуктовые потоки, начиная с первой стадии предконцентрации (с использованием радиометрических, магнитных и иных методов сухой сепарации). После каждой стадии разрушения образуются новые структурные элементы разделения, из которых после сепарации формируются новые потоки для последующей стадии дезинтеграции. При этом режим каждой дезинтеграции выбирается в соответствие с непрерывно меняющимся составом, структурой и прочностными свойствами разрушаемого минерального комплекса. Такая технологическая последовательность формирования структурных элементов раскрытия и разделения (в связке” дезинтеграция-сепарация”) осуществляется вплоть до получения конечных продуктов из исходного минерального сырья. Несмотря на то, что из-за уменьшения кратности разрушения, приходится увеличивать число стадий ” дезинтеграция – сепарация”, данный подход позволяет применять сухие методы обогащения вплоть до размеров, при которых физические методы разделения (гравитационные, магнитные, электрические) способны обеспечить концентрирование извлекаемых элементов. Это позволит сохранить главный минеральный ресурс – воду и снизить энергозатраты на обезвоживание продуктов мокрого обогащения.

Введение представлений о структурных элементах раскрытия и разделения обусловлено необходимостью управления дисперсией физических, минералогических и технологических параметров на соответствующих стадиях обогащения. Для этого надо принять очевидный и экспериментально доказанный факт (легко поддающийся верификации), что с уменьшением размера частиц усилие и энергия разрушения уменьшаются нелинейно, а значит и воздействия на них в процессах дезинтеграции должны быть адекватными. Типичный для многих руд пример: лопарит в срастании с двумя генерациями нефелина, с разными прочностными свойствами, при селективном измельчении может быть раскрыт практически в естественной крупности. Однако в реальных процессах лопарит из-за низкой прочности переизмельчается, что затрудняет его сепарацию, при этом сростки со второй (более прочной) генерацией нефелина остаются. Снижение дисперсии параметров и, как следствие, улучшение управляемости процессов на разных стадиях переработки, являются основой принципа не обогащать и не дробить ничего лишнего. Если структурные характеристики руд отвечают за размер структурного элемента раскрытия и содержание минералов, то характер разрушения и раскрытия определяется двумя факторами: факторами нагружения и фактором соотношения упругих и прочностных свойств минералов. Причем, факторы нагружения определяются задачами разрушения и свойствами раскрываемых минералов. Из возможных видов деформаций (сжатие, растяжение, сдвиг) в реальных процессах разрушения может быть реализована только деформация сжатия или сжатие со сдвигом. Деформации растяжения с некоторой вероятностью могут быть реализованы в редких случаях разрушения изгибом. Такие ситуации могут возникнуть при разрушении в слое, так называемых лещадных частиц, у которых отношение максимального и минимального размеров превышает 5 и более раз. В силу своей формы такие частицы при соответствующих деформациях слоя разрушаются изгибом при малых нагрузках, переходя от лещадных форм к кубовидным.

 Что касается длительности нагружения или, как часто в таких случаях говорят о динамическом или квазистатическом нагружении, то для большинства действующих устройств вопрос о длительности может практически не рассматриваться. Подробно это обсуждено в монографии [3]. При размерах структурного элемента раскрытия, не превышающего для большинства руд величины10÷12мм, все режимы нагружения со скоростью до 100м/с в соответствии с теориями физики разрушения можно рассматривать как квазистатические. Возможность проявления волновых (резонансных) явлений, способных вызвать разупрочнение границ срастания минералов с размером зерен 0,5 мм и ниже, лежат в области частот 1÷100 МГц. Устройств, способных реализовать подобное механическое воздействие для переработки руд в промышленных масштабах, не существует. Есть еще один фактор, который в значительной мере определяет собственно характер разрушения – режим деформирования (нагружения). Существует два вида нагружения – жесткий и мягкий, различие их в соотношении жесткости разрушаемого образца и нагружающего устройства. При одинаковой прочности разрушаемого тела, результат разрушения (число фрагментов, вновь образованная поверхность, энергия разрушения, селективность раскрытия) будет определяться типом деформирования. На уровне элемента раскрытия (при всем разнообразии структурных характеристик руд и соотношении свойств минералов) мы имеем дело с более простыми структурами и с ограниченным набором физических характеристик минералов. Значительная часть нерудных минералов вмещающих пород может быть отнесена к хрупким минералам, пластичные минералы относятся в основном к редкой группе самородных (золото, платина, серебро, медь и др.), квазипластичные минералы имеют значительный диапазон изменения коэффициента пластичности (к наиболее пластичным в этой группе можно отнести галенит, молибденит, халькозин и некоторые другие). Режим нагружения выбирается в зависимости от содержания раскрываемых минералов и соотношения их прочности, трещиностойкости, коэффициентов упругости и пластичности.

 В новой парадигме определяющее место отводится технологической минералогии,   в ее новой роли системного интегратора, задачи которого состоят не только в обеспечении процессов обогащения традиционной минералогической информацией, но и в разработке технологических и экономических моделей комплексной переработки минерального сырья на основе анализа связей физических, минералогических и технологических свойств,   увязке их с геологическими параметрами технологического картирования для оптимизации буровзрывных работ. Новыми задачами технологической минералогии являются: подготовка заданий на разработку оборудования (например, высокопроизводительных радиометрических устройств для сепарации частиц в миллиметровом диапазоне), выдача исходных данных для проектирования новых производств, стандартизация методов исследования свойств, состава минерального сырья и технологических процессов. Появление высокоэффективных инструментальных средств и методов исследования структуры и состава руд, высокопроизводительной вычислительной техники открывает большие возможности для создания комплексных компьютерных моделей, описывающих процессы добычи и переработки минерального сырья на основе энергоэффективности всего цикла. Современные информационные технологии различных стадий переработки руд, существующие оценки энергоэффективности большинства этапов обогащения могут стать основой для формирования комплексных энергетических, экономических и технологических моделей переработки минерального сырья.

 Информационной основой для рудоподготовки (формирования стадий “дезинтеграция-сепарация”) в новой парадигме должны стать не только стандартный набор структурных характеристик, принятых в минералогии. Их необходимо дополнить параметрами удельной поверхности срастания, характеристиками распределения по крупности всех извлекаемых минералов, характеристиками трещиноватости, трещиностойкости, показателями упругости и пластичности. Важную часть информационной матрицы составляют параметры прочности (усилий разрушения) разрушаемых минеральных комплексов в большом диапазоне крупности, например 20÷0,1мм с одновременной оценкой энергии разрушения и дисперсии всех параметров. Значительная часть этих характеристик в нынешней технологической минералогии не определяется, отсюда и уровень ее влияния на разработку процессов: как можно правильно разрушить и раскрыть минеральный комплекс, не зная, например, усилий, которые необходимо к нему приложить, какие минералы и при каких условиях деформирования будут разрушаться первыми и т.п. Для получения этой информации необходимы соответствующие приборы и устройства, за прототип можно принять методики и приборы, на которых все эти характеристики определялись на большом разнообразии руд [3].

В новой концепции оправдано введение энергетического принципа: оптимум энергозатрат при максимуме объема извлеченного товарного продукта, а также интегральных показателей энергоемкости и дисперсии параметров. Наибольшая дисперсия и наименьшая энергоемкость разрушения – это параметры начальных условий   первой стадии рудоподготовки: производства горной массы. Конечные условия – минимум дисперсии свойств (концентрат, однородный товарный продукт) и оптимальные энергозатраты. Связка “селективное разрушение – сепарация” на каждой стадии должны быть самосогласованны с меняющимися текстурно-структурными параметрами, прочностными свойствами разрушаемых частиц и содержанием извлекаемых элементов при определении кратности дезинтеграции.

Таким образом, новый подход позволит найти ответы на вопрос, как «не дробить, не обогащать и не добывать ничего лишнего», как не тратить энергии сверх того, что физически необходимо и достаточно для того, чтобы добытую горную массу превратить в совокупность ценных продуктов; как выбирать рациональную схему рудоподготовки, тип оборудования, режим разрушения, средний размер куска, с которого целесообразно начинать раскрытие минералов, или же для некоторых видов сырья обоснованно уйти от механических способов дезинтеграции  и применить энергетически более выгодные, способы вскрытия минерального сырья. Допустимо ожидать на некоторых  этапах рудоподготовки    появления структурных  элементов раскрытия, с размерами извлекаемых минералов, при которых дальнейшая их дезинтеграция механическими методами окажется экономические нецелесообразной. В таких ситуациях привлечение иных (например, гидрометаллургии) методов вскрытия минералов  на основе технологий активного выщелачивания с одновременной дезинтеграцией, может оказаться более выгодным. Подобные технологии выщелачивания на встречных потоках пульпы (своего рода аналог струйного измельчения) в свое время применялись для вскрытия трудно извлекаемых минералов, и могут получить свое развитие для тонко вкрапленных руд как альтернатива механическим методам раскрытия.