Podstawowe zagadnienia rozdrabniania

• własności wytrzymałościowe, głównie wytrzymałość na ściskanie,
• twardość,
• uziarnienie,
• gęstości, właściwa, nasypowa, kąt naturalnego usypu,
• wilgotność,
• inne, zróżnicowane w poszczególnych technologiach materiałów uziarnionych.

Podstawowe rodzaje ziaren materiałów naturalnych i syntetycznych

• krystalit (kryształ pierwotny) – najmniejszy element budowy materiału uziarnionego, proszku. Krystalit tworzy przestrzeń koherentnie
  rozpraszająca promieniowanie rentgenowskie wskutek wysokiego stopnia uporządkowania materii w jego obrębie, umożliwiający pomiar jego wielkości przez wykorzystanie zjawiska poszerzenia dyfrakcyjnych refleksów rentgenowskich,
• agregat – tworzy go niewielka liczba krystalitów połączonych w bezporowaty zbiór,
• aglomerat – ziarno utworzone z wielu krystalitów i ewentualnie agregatów, charakteryzujące się porowatością,
• granulat - szczególna forma agregatu wytworzona sztucznie o regularnym kształcie (kulistym, elipsoidy obrotowej).

Podstawowe własności fizyczne materiałów uziarnionych pojedynczych ziaren oraz ich zbiorów to:
− wymiary (rozmiary) ziaren,

− kształt ziaren,

− powierzchnia ziaren,

− objętość ziaren,

− porowatość,

− wilgotność (jej rodzaj) i wilgoć,

− gęstość,

− parametry matematyczne ich zbioru, składu, rozkładu

W procesach rozdrabniania, wzbogacaniastosuje się jeszcze inne kryteria rozdziału związane z własnościami to jest:

− skład densymetryczny,

− wilgotność,

− podatność na przesiewanie,

− podatność na wzbogacanie grawitacyjne,

− podatność na wzbogacanie magnetyczne,

− podatność na wzbogacanie elektryczne,

− podatność na flotację,

− podatność na inne technologie wzbogacania,

− podatność na aglomerację (bezciśnieniowa i ciśnieniową),

− podatność na polerowanie,

− mrozoodporność,

− nasiąkliwość,

− inne właściwości fizykomechaniczne,

− inne właściwości chemiczne,

− stopień koncentracji składnika użytecznego,

− właściwości optyczne,

− barwę materiału ziaren oraz ich połysk,

− kształt ziaren,

− współczynnik tarcia ziaren o powierzchnię materiału po której się poruszają,

− udział zanieczyszczeń,

− inne własności zwane też właściwościami.

Wskaźniki można podzielić na trzy grupy:
1. Wskaźniki fizyczne określające cechy geometryczne i własności fizyczne materiału uziarnionego, czyli: wymiary, kształty ziaren, rozkłady zbiorów ziaren, procentowe pozostałości na sitach kontrolnych, udziały procentowe zewnętrznych górnych lub dolnych klas ziarnowych, wymiary ziaren kontrolnych: średnich, najczęściej o określonym procencie  ilościowo lub masowo, powierzchnię właściwą (statyczną, kinetyczną), gęstość piknometryczną, twardość, mikrotwardość, strukturę petrograficzną, wytrzymałość na ściskanie, wytrzymałość na rozciąganie (próba Brazylijska), wskaźniki związane z poborem energii na rozdrabnianie - indeksy pracy (Bonda, Hardgrove'a, Zeisela, Schillera lub  inny), wytrzymałość na uderzenie, indeks abrazyjności (ścieralność), moduł Younga (statyczny i dynamiczny), współczynnik Poissona, kruchość, łupliwość, higroskopijność, zdolności adsorpcyjne i absorpcyjne, piroforyczność, barwę, połysk, objętość porów (całkowitą, średnią), rozkład, kształt porów, kąt tarcia wewnętrznego, kąt tarcia statycznego i kinetycznego o metal, kąt naturalnego usypu oraz szereg innych wskaźników dotyczących rozdrabniania materiałów w technologiach rozdrabniania np.: materiałów pochodzenia roślinnego, środków farmaceutycznych, farb i lakierów i innych.
2. Wskaźniki technologiczne: stopnie rozdrobnienia (graniczny, średni, n-procentowy), wzrostu powierzchni, podatność na mielenie, podatność na aglomerację (bezciśnieniową i ciśnieniową), udział wody, wydajność całkowitą, wydajność klasy użytecznej, jednostkowy pobór energii na proces rozdrabniania oraz procesy towarzyszące (klasyfikacji ziarnowej, wzbogacania i inne), efektywność (skuteczność) procesu rozdrabniania oraz wskaźniki dotyczące materiałów drobno uziarnionych – proszków, to jest: sypkość,  zagęszczalność prasowalność, spiekalność i inne.
3. Własności fizykomechaniczne: wskaźniki chemiczne zawierające: udziały: materiału podstawowego, pozostałych składników, zanieczyszczeń faz (stałej, ciekłej i gazowej), występowanie powłok tlenkowych, aktywność, odporność na korozję, aktywność chemiczną, aktywność elektrochemiczną, zdolności katalityczne, toksyczność i inne.

W projektowaniu kruszarek i młynów stosowanych w górnictwie w przeróbce mechanicznej rud oraz rozdrabnianiu surowców skalnych, a także surowców i spoiw mineralnych większość producentów maszyn rozdrabniających w ich projektowaniu posługuje się wskaźnikiem WI, który najczęściej wyznacza w swoim firmowym laboratorium w standardowym młynie Bonda.

Dokładne określenie podatności materiału na rozdrabnianie jest przydatne dla inwestorów zakładów do rozdrabniania (kruszenia i mielenia), konstruktorów maszyn rozdrabniających oraz projektantów układów rozdrabniania.

Na jednostkowy pobór energii w procesie mielenia mają wpływ nie tylko własności fizyczne materiału – określane wskaźnikami WI, HGI lub innymi, ale także sposób rozdrabniania oraz środowisko rozdrabniania, czyli sposób mielenia na mokro lub na sucho. O rodzaju środowiska (woda, powietrze lub gazy suszące), decydują: własności fizyczne materiału, technologia rozdrabniania oraz jego przyszłe zastosowanie jako produktu finalnego lub nadawy do następnego procesu rozdrabniania.

W przypadku kruszenia dominująca większość procesów zachodzi na sucho, przy wilgotności złożowej lub powstałej podczas składowania materiału rozdrabnianego.

W przypadku mielenia środowisko rozdrabniania ma wpływ na jednostkowy pobór energii oraz na koszty suszenia, jeśli zmielony materiał wymaga suszenia.

Szereg materiałów można mleć w środowisku powietrza lub wody, a o rodzaju środowiska mielenia decydują całkowite koszty mielenia. Znaczną część materiałów: surowce cementowe, węgle energetyczne (pomijając nieliczne technologie wytwarzania wodnych zawiesin lub suspensji węgla), nawozy mineralne miele się na sucho w środowisku gazów suszących, a spoiwa mineralne (cement, wapno gips palony) nawozy mineralne oraz wiele surowców mineralnych i uziarnionych materiałów syntetycznych miele się na sucho w środowisku powietrza, natomiast niemal wszystkie rudy miele się tylko na mokro w środowisku wody.

Do najbardziej popularnych młynów, czyli młynów grawitacyjnych – kulowych i prętowych maksymalny wymiar ziaren nadawy mieści się w zakresie 10÷50 mm, a najkorzystniejsze uziarnienie to klasa 0÷10 mm. Do młynów autogenicznych i semiautogenicznych maksymalny wymiar ziaren mieści się w zakresie 200÷500 mm.

Nadawa do młynów tocznych – rolowo-misowych powinna posiadać uziarnienie 0÷80 mm – przy największych młynach oraz 0÷40 mm – przy najmniejszych i powinna zawierać około 20% ziaren o „najgrubszym” uziarnieniu.

Uziarnienie nadawy do młynów wibracyjnych i udarowych uwarunkowane jest wymaganiami uziarnienia produktu mielenia i wynosi
0÷40 mm przy mieleniu drobnym, 0÷10 mm przy mieleniu bardzo drobnym oraz 0÷2 mm przy mieleniu koloidalnym. Uziarnienie nadawy do młynów mieszadłowych i strumieniowych wynosi najczęściej 0÷2 mm.

Uziarnienie produktów kruszenia oznaczane jest znormalizowaną metodą sitową – przez przesiewanie w dominującej większości przypadków na sucho, na sitach w przesiewaczu laboratoryjnym, który do wspomagania procesu przesiewania ma standardowo wbudowany wibrator bezwładnościowy z regulacją amplitudy drgań.

Znacznie większe zróżnicowanie uziarnienia produktów rozdrabniania ma miejsce w procesach mielenia, z których produkty mają bardziej rozległe zastosowanie. Na przykład najkorzystniejsze uziarnienie produktów mielenia wynosi: rud miedzi - poniżej 75 μm, rud cynku - poniżej 10 μm, rud innych metali: d90 = 20 μm, surowców do produkcji cementu poniżej 90 μm, surowców do produkcji ceramiki sanitarnej: 1÷3% p.n.s. 0,063 mm, surowców do produkcji ceramiki szlachetnej klasy: 0÷0,040 mm; 0÷0,063 mm, 0÷0,075 mm, 0÷0,125 mm oraz 0÷25 mm, pigmentów d50 = 3÷10 μm, wysokiej jakości granulowanych nawozów mineralnych udział klasy 0÷10 μm powyżej 70%.

Jako główne kryterium podziału przyjęto – zamieszczony w pierwszej kolumnie tabeli, rodzaj obciążeń rozdrabniających. W drugiej kolumnie tej tabeli wyspecyfikowano kruszarki, w których występują dominujące sposoby. W kolumnie trzeciej podano przykłady typowych zastosowań kruszarek, czyli materiały, które są najczęściej w nich rozdrabniane oraz materiały, które można w nich rozdrabniać z pewnymi ograniczeniami.

Podstawowym kryterium doboru kruszarki są dwa parametry technologiczne, czyli jej wydajność oraz uziarnienie rozdrobnionego produktu
kruszenia.

Przy rozdrabnianiu materiałów o znaczących własnościach ścierających (głównie zawartości krzemionki krystalicznej), ważnym aspektem jest zużycie elementów roboczych kruszarek (płyt drobiących, okładzin stożków, płaszczy walców, elementów kształtowych walców uzębionych, a także młotków bijaków, płyt odbojowych). Bardzo ważne jest kryterium zużycia tych elementów – określane jednostkowym zużyciem, określane w g zużycia elementu roboczego na 1 Mg wytworzonego produktu kruszenia.

Głównymi producentami kruszarek w Europie są firmy: Metso Minerals (Svedala, Nordberg) – oddział firmy USA w Europie, Sandvik MiningConstruction Central Europe GmbH, Thyssenkrupp Fördertechnik GmbH, KHD Humboldt Wedag AG, Aubema Crushing Technology GmbH, Förderanlagen Magdeburg, Hazemag & Epr GmbH, Weil Brechertechnik GmbH, PSP Engineering a.s., KDS Maschinenbau GmbH, Liedlbauer Aufbereitungstechnik, Reiter & Crippa S.R.L, Ammann Aufbereitung AG, BHS-Sonthofen, Lut
Metalltechnik GmbH. Merz Aufbereitungstechnik GmbH, DBT Minerał Processing GmbH, Thomaco Baumaschinen GmbH, Vortex Zerkleinerungstechnik GmbH, Martin Steckert, Giegold Maschinenbau GmbH, Magotteaux, Maschinenfabrik Liezen GMBH (przedstawiciel w Polsce - MRC Doltech Sp zo.o), Koeppern, PSP Vertriebs GmbH, Brauer Aufberertungsmaschinen GmbH & CO, FAM
Magdeburger Fórderanlagen und, Baumaschinen GmbH, GIPO AG (Gisler Power), Bücher Unipektin AG. BORAMTEC Bohr & Rammtechnik Berlin GmbH, ENCE GmbH, Grenzebach Maschinenbau GmbH, Pensylwania Crushers, McLanahan, Williams Crusher, DSMAC Dingsheng Machinery, Osborn, Powerscreen Pegson, Kleemann, Terex Finlay, Sandvik i inne.

W Polsce kruszarki produkują firmy; Makrum Project Management Sp. z o.o., KGHM- ZANAM Sp. z o.o., Zakłady Urządzeń Technicznych SA, Wamag, Carboma, Ofama Sp. z o.o., Hammerman, Mifama SA, Makrusz, Goster, Kopex Machinery, Fugor Sp. zo.o. i inne.

Jako podstawowe kryterium klasyfikacji przyjęto sposób przekazywania energii elementom roboczym wydatkowanej na proces mielenia
oraz rodzaj medium powodujących mielenie. Według tego kryterium młyny dzielą się na dziesięć grup:

1. Z mielnikami swobodnymi, ruchomą komorą z przekazywaniem energii przez komorę – grawitacyjne, wibracyjne, obrotowo-wibracyjne,
   planetarne, inne.
2. Z mielnikami swobodnymi, nieruchomą komorą z przekazywaniem energii przez wirnik – mieszadłowe (kulkowe, kuleczkowe, perełkowe).
3. Z prowadzonymi obrotowymi elementami roboczymi współpracującymi z obracającą się misą i dociskanym do niej układem mechanicznym lub hydraulicznym – zwane tocznymi (z układami: rolki–misa, lub kule-misa), z przekazywaniem energii przez te elementy. Młyny te w zależności od kształtu elementów roboczych zwane są: rolowo-misowymi, kulowomisowymi, pierścieniowo-kulowymi. Występują również inne wersje tych młynów oraz różniące się od nich dwie odmiany konstrukcyjne. Są to młyn jednorolkowy (HoroMill), w którym proces mielenia zachodzi pomiędzy obrotową rolką i obrotowym walcem, przy czym oba te elementy mają poziome osie geometryczne oraz młyny wahadłowe, w których proces mielenia zachodzi na nieruchomym pierścieniu, do którego dociskane są rolki mielące, obracające się dzięki sile tarcia i dociskane do pierścienia siłą odśrodkową. W młynach wahadłowych elementy robocze mają pionowe osie geometryczne.
4. Wysokociśnieniowe: walcowe zwane prasami HPGR, które używane są też jako kruszarki oraz młyny Beta-Mill, Premill.
5. Udarowe z wirującymi elementami roboczymi w postaci młotków lub bijaków z przekazywaniem energii przez te elementy i rozdrabniające swobodne ziarna materiału w powietrzu (gazie), w tym młyny kawitacyjne.
6. Strumieniowe z dostarczaniem energii przez gazowe medium robocze (powietrze, parę, gaz).
7. Elektromagnetyczne.
8. Obrotowo-magnetyczne.
9. Dyspergatory z wirującymi elementami roboczymi w postaci kształtowych elementów, rozdrabniające materiał w cieczy.
10. Specjalne technologie mielenia.

Zapotrzebowanie energii na proces rozdrabniania wzrasta wraz ze zmniejszaniem się wymiarów ziaren produktu rozdrabniania. Wzrost ten jest znacząco większy przy uziarnieniu produktu poniżej 100 μm, znacząco wzrasta przy uziarnieniu poniżej 10 μm, a najbardziej silny wzrost ma miejsce przy uziarnieniu poniżej 1 μm, czyli przy wytwarzaniu mikro i nanoproszków.

Wzrost jednostkowego poboru energii wynika również ze sposobu przekazywania energii na proces rozdrabniania, który w większości młynów (z mielnikami swobodnymi i strumieniowych), różni się znacząco od sposobu przekazywania energii w kruszarkach.

W/w młynach w procesie rozdrabniania  biorą udział swobodne pośrednie elementy robocze – mielniki (kule, pręty, cylpepsy), a przy młynach grawitacyjnych, wibracyjnych czy planetarnych część energii pobiera wprawiana w ruch komora robocza.

W młynach strumieniowych większość energii pochłania sprężanie medium roboczego (powietrza).

Natomiast w młynach udarowych, w których stosuje się większe prędkości obrotowe wirników, większa niż w kruszarkach wirnikowych, część energii tracona jest na efekt wentylatorowy. Na większy pobór energii w młynach z mielnikami swobodnymi wpływa również znacznie dłuższy czas przebywania materiału w młynie, który w młynach grawitacyjnych pracujących w cyklu otwartym może dochodzić do pół godziny. Stąd, aby zmniejszyć jednostkowy pobór energii, w każdym możliwym do realizacji przypadku powinno się do wstępnego rozdrabniania zastosować kruszarki, a do młynów podawać materiał o jak najdrobniejszym uziarnieniu.

Wyjątek stanowią młyny toczne, do których w nadawie powinny być klasy ziarnowe o „grubszym” uziarnieniu, a bardzo drobna nadawa może spowodować znaczny wzrost oporów przepływu materiału przez młyn.

Na uwagę zasługuje porównanie efektywności maszyn rozdrabniających, które opracował Stairmand. Stairmand na podstawie doświadczeń wykazał, że największą efektywność rozdrabniania pojedynczego ziarna może osiągać kruszarka walcowa.

Wskaźniki efektywności rozdrabniania pojedynczych ziaren występujsce w innych maszynach odniósł do wskaźnika kruszarki
walcowej. Zestawienie wskaźników typowych maszyn rozdrabniających (kruszarek i młynów podano w tabeli 2.14.
Wskaźniki efektywności rozdrabniania pojedynczego ziarna odniesione do kruszarki walcowej [47]

Tabela 2.14.
Rodzaj maszyny rozdrabniającej Efektywność [%]
Kruszarka walcowa 70 ÷ 100
Młyn bijakowy 25 ÷ 40
Młyn młotkowy 17 ÷ 25
Młyn walcowy 7 ÷ 15
Młyn kulowyt 6 ÷ 9
Młyn mieszadłowy 2 ÷ 6
Młyn strumieniowy 1 ÷ 2
Wskaźnik efektywności ma charakter porównawczy, ale może być przydatny do wstępnej oceny przydatności konkretnej maszyny rozdrabniającej.