Создание крупнейшего в мире пресса HPGR

Вследствие снижения качества руды и увеличения стоимости электроэнергии горнодобывающим предприятиям приходится искать более энергоэффективные решения. Компания Freeport-McMoRan Inc. (FMI) в этом смысле не является исключением. При проектировании новой обогатительной фабрики Metcalf на руднике Morenci в штате Аризона, США, компании FMI и Metso создали принципиально новую схему измельчения, отличающуюся от традиционных решений.

Цель – максимальная энергоэффективность

Известно, что схемы стадийного дробления являются более энергоэффективными в сравнении с традиционными схемами измельчения на базе мельниц ПСИ. Однако схемы дробления крупных производств, как правило, состоят из большего числа линий, которыми сложнее управлять. С другой стороны, мельницы ПСИ, пусть и менее энергоэффективные, но проще в эксплуатации и не требуют большого количества вспомогательного оборудования.

При проектировании обогатительной фабрики Metcalf была поставлена задача разработать высокоэффективный процесс дробления на базе пресса HPGR, который мог бы переработать весь объем материала, необходимого фабрике. Кроме того, этот пресс HPGR должен быть не только крупнейшим из предлагаемых на рынке валковых прессов, но и не должен иметь недостатков, присущих традиционным прессам HPGR, в т. ч. перекосов и краевого эффекта.

Исходя из предложенной концепции, компания Metso Outotec разработала HRC3000 – крупнейший в мире валковый пресс высокого давления общим весом 900 тонн. В конструкции HRC3000 используются валки диаметром 3 м и длиной 2 м. Общая установленная мощность составляет 11 400 кВт. В зависимости от конкретной задачи общая производительность этой машины может достигать 5400 тонн руды в час.

Арочная рама препятствует перекосу

До начала проектирования HRC3000 специалисты Metso Outotec получили задание разработать пресс HPGR, который бы отвечал особым требованиям при работе с твердыми породами. Проанализировав существующие технологии, проектировщики поняли, что проблемы, связанные с конструкцией машин, такие как перекос валков, краевой эффект и неравномерный износ валков, необходимо обязательно устранить для успешной реализации поставленной задачи.

Первоначальная концепция пресса HPGR HRC в итоге воплотилась в запатентованную арочную раму, поглощающую механические несимметричные нагрузки и препятствующую перекосу валков, что исключает простои оборудования. Перекос валков – это явление, при котором оси валков становятся непараллельными друг другу вследствие неравномерного распределения питания. В прессе HPGR HRC обе стороны арочной рамы устанавливаются на раму основания с помощью штифтов. Гидроцилиндры, установленные в верхней части рамы, создают дробящее усилие. Благодаря особенностям механической конструкции поворотной арочной рамы цилиндрам достаточно создать половину требуемой силы, действующей на валки. За основу был взят принцип использования механического рычага для увеличения дробящего усилия в щипцах для орехов.

Кроме устранения проблемы перекоса валков и, соответственно, частых простоев оборудования, использование арочной рамы позволяет применить в конструкции валки с фланцами. Для одного валка имеется набор фланцев, которые крепятся болтами к его торцевой части. Конструкция фланца разработана так, чтобы исключался краевой эффект – проблема, присущая всем прессам HPGR, в которых количество измельчаемого материала уменьшается по мере приближения к краям валков. Поскольку фланцы закреплены на валке, они перемещаются в направлении и со скоростью перемещения руды, тем самым толкая материал в зону дробления. Это в корне отличается от традиционного решения с боковыми плитами, в котором неподвижные плиты смонтированы непосредственно у края валка.

Фланцы обеспечивают равномерное распределение давления

Компания Metso Outotec выполнила серию испытаний на лабораторном прессе HPGR, оснащенном датчиками давления, встроенными в валки. При работе с традиционными боковыми плитами давление на краях валков было значительно меньше давления в центре. Это соответствует той части валка, которая обычно выдает более крупные фракции. При установке фланцев по всей длине валка достигается более равномерное распределение давления, что указывает на то, что и дробление происходит по всей длине валка.

Важно отметить, что при дроблении руды существует оптимальное давление, зависящее от конкретных свойств материала питания. Если давление ниже оптимального, дробление будет менее качественным; если давление выше оптимального, повысится расход электроэнергии. Поэтому необходимо следить за тем, чтобы давление было одинаковым по всей длине валка, тогда оптимальное давление будет равномерно распределяться на весь объем материала, попадающего на валки. В традиционной конструкции валкового пресса с боковыми плитами для увеличения степени дробления на концах валка увеличивают общее давление в системе. Однако вследствие этого увеличивается давление в центральной части валка, отчего ускоряется износ этой части и растут потери электроэнергии. Кроме того, необходимо учитывать локализованное высокое давление при использовании боковых плит при выборе материала и твердости штифтов во избежание их поломки. Результаты проведенных лабораторных испытаний показали, что имелись все основания продолжить разработку концепции фланцев для пресса HPGR на экспериментальной установке.

Экспериментальная установка подтверждает выводы лабораторных испытаний

В состав экспериментальной установки вошли пресс HPGR HRC с валками 750 x 400 мм, а также грохоты мокрого грохочения первой и второй стадий. Питанием для валкового пресса HRC был надрешетный продукт первой и второй стадии грохочения. Подрешеточный продукт грохотов подавался на следующие операции технологического процесса. Производительность установки варьировалась в зависимости от схемы цикла дробления, однако в большинстве случаев показатель был в диапазоне примерно 50–70 т/ч. Крупность питания (F80), подаваемого на пресс HPGR HRC, также заметно варьировалась в диапазоне от 11 до 16 мм.

Для лучшего понимания, как влияет фланцевая конструкция на работу контура пресса HPGR HRC, на экспериментальной установке было проведено 12 испытаний. Результаты испытаний, целью которых было определение краевого эффекта, показали, что при всех условиях и разном давлении фланцы однозначно обеспечивали лучшее дробление по всей длине валка и увеличение производительности машины HRC в сравнении с традиционной конструкцией HPGR с боковыми плитами. В среднем применение фланцев показало снижение энергопотребления на 13,5% и циркулирующей нагрузки примерно на 24%; при этом производительность машины увеличилась на 19%.

Кроме апробирования конструкции, испытание на экспериментальной установке должно было предоставить лучшее понимание работы контура дробления, а также дать возможность персоналу фабрики получить опыт эксплуатации и обслуживания пресса HPGR.

От решения проблем до успешного монтажа

Производительность машины HRC3000 примерно в два раза превышает самые мощные прессы HPGR, работающие в настоящее время. Никто не знал, какие могут возникнуть трудности, когда будет построена машина, в 50 раз превосходящая по размеру ее прототип. Для отработки конструкции арочной рамы была выполнена серия расчетов перед тем, как появился окончательный проект HRC3000.

Важно отметить, что после устранения недостатков традиционных прессов HPGR разработчики столкнулись с задачами, требовавшими новых конструктивных решений. Например, требовалось тщательно проработать схему перемещения поворотного узла арочной рамы по отношению к неподвижному пылезащитному кожуху и желобу подачи питания. Чтобы исключить потребность в дополнительной инфраструктуре, типичной для пресса HPGR, была разработана интегрированная система удаления металлических предметов, случайно попавших в дробилку.

Монтаж пресса HRC3000 на обогатительной фабрике Metcalf начался в сентябре 2013 года. Для проведения монтажа пресса HRC3000 компания Metso Outotec направила на объект группу техников и инженеров для выполнения работ и технического надзора. Тем самым было обеспечено четкое взаимодействие между инженерами и монтажниками.

На этом этапе реализации проекта необходимо было учитывать большие размеры компонентов оборудования. Перевозка вала со складской площадки в корпус обогатительной фабрики Metcalf требовала координации с разными службами объекта, т. к. для транспортировки вала весом 97 тонн необходимо было использовать мощный автомобиль и мостовой кран.

Для работы такой мощной машины, как HRC3000, требуется соответствующая инфраструктура. В большинстве случаев фактическое расстояние между металлоконструкциями и машиной отличается от первоначально запроектированного. В некоторых случаях не так просто было найти решение. Например, при установке гидроцилиндров обнаружилось, что проектом предусмотрено недостаточное для монтажа пространство. Необходимо было сконструировать другой подъемный механизм для установки цилиндров на штатные места. Более того, следовало

тщательно продумать порядок технического обслуживания, чтобы обеспечить безопасность доступа к оборудованию и перемещения крупногабаритных компонентов машины. Был установлен 20-тонный портальный кран для подъема бункера и направляющих пластин питания. Дополнительно были установлены механические манипуляторы грузоподъемностью 0,5 тонн для обслуживания торцевых блоков и сегментов фланцев.

Многообещающие результаты

Сегодня HRC3000 – самый большой в мире пресс HPGR из когда-либо введенных в эксплуатацию. На момент написания данной статьи этот пресс уже отработал 12 000 часов, раздробил 51 200 000 тонн материала, а в схеме пресса HPGR обработано более 33 900 000 тонн руды.

Преимущества фланцевой конструкции валков, впервые испытанных на экспериментальной установке, были отчетливо продемонстрированы в ходе эксплуатации пресса HRC3000. В таблице 1 приведено сравнение прогнозируемых характеристик, основанных на результатах испытаний на экспериментальной установке, с фактическими результатами, полученными в процессе эксплуатации пресса HRC3000. Производительность машины, превысившая ожидаемые показатели, и эффективный процесс дробления обеспечили повышение производительности всей схемы дробления и снижение энергопотребления оборудованием этого цикла. Кроме того, благодаря фланцам удалось выровнять давление по всей длине валка, что позволило использовать более твердые штифты и в конечном счете продлить срок службы валков.

Таблица 1 – Результаты испытаний

*Основаны на результатах испытаний на экспериментальной руде

** Значения приведены для топового рабочего давления 3,0 Н/мм²

Пресс HPGR HRC3000 обеспечивает большую гибкость работы схемы измельчения в сравнении с традиционным решением. В зависимости от потребностей следующего техпроцесса можно изменять скорость и давление в режиме реального времени. Например, можно увеличить давление при переработке более твердой руды. Пресс HRC3000 может работать при 30% номинальной скорости, что пропорционально снижает его производительность. При нормальной работе фабрики один пресс HPGR HRC обеспечивает питание двух шаровых мельниц диаметром 7,3 м. Когда одна шаровая мельница выключена, фабрика может продолжать работать с меньшей производительностью; при этом скорость валков снижается, и питание подается только на другую работающую мельницу.

* Компания Metso Outotec была создана 1 июля 2020 года посредством объединения предприятий Metso Minerals и Outotec. Данный пример из практики был описан до объединения, и в нем упоминается предыдущее название компании.