Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Апатит нефелиновая руда представляет собой поликомпонентный материал, основные свойства которого приведены в табл.1 (Приложение 1). Из таблицы 1 хорошо видно, что все компоненты руды имеют разные коэффициенты теплового расширения и модули упругости. Также видно, что пределы прочности компонентов на растяжение в 7 – 10 раз меньше пределов прочности на сжатие, т.е. экономически выгодно использовать при измельчении именно прочность материалов при растяжении. Теоретическими и экспериментальными исследованиями показано, что создать напряжение растяжения возможно за счет создания термических напряжений. Показано, что нагрев частиц до температуры 550 ÷ 650 град.С и резкое охлаждение водой до температуры около 105 град.С (темп охлаждения 2 град.С/с) приводит к появлению в частицах термических напряжений растяжения больших пределов прочности отдельных компонентов руды. При этом большинство образцов легко разрушались руками. Темп охлаждения определялся проведением специальных исследований. В табл. 2 (Приложение 1) показаны значения расчетных и действительных напряжений растяжения для всех компонентов руды при нагреве их до 650 град.С и резком охлаждении водой до 105 град.С. В табл. 2 все расчетные значения получены при к1=0,02 (что соответствует скорости охлаждения 2 град.С/с. Другим фактором, существенно повышающим вероятность разрушения частиц по границам связи компонентов руды, являются ударные нагружения частиц. При ударе по частице движется волны упругих деформаций (продольных и поперечных), скорость которых зависит от типа компонента (табл.3) (Приложение 1). Из таблицы 3 видно, что скорости движения упругих деформаций для отдельных компонентов достаточно сильно отличаются друг от друга. Волна упругих деформаций, переходя от компонента к компоненту, резко меняет скорость движения в сторону увеличения или уменьшения в зависимости от материала компонента. Показано, что при движении волны упругих деформаций по поликомпонентной частице на границах связи компонентов возникают мощные концентрации напряжений, способствующие разрушению кусков руды. На способ создания напряжения растяжения в компонентах руды подана заявка на получение патента. На способ избирательного измельчения и конструкцию для его осуществления получен патент РФ № 2784084. Избирательное измельчение раскрытых компонентов руды осуществлялось в двух вариантах. При измельчении путем истирания в псевдоожиженном слое состав продуктов зависит от числа псевдоожижения и колеблется от 41 до 44% фторапатита от общей массы измельченного продукта. Показано, что скорость истирания зависит от прочности истираемых компонентов. Второй вариант избирательного измельчения осуществлялся в струйной мельнице с псевдоожиженным слоем. Рентгеноструктурный анализ показал, что содержание фторапатита при втором способе измельчения составляет не менее 56% от общей массы продуктов измельчения в зависимости от скорости истечения воздуха из сопла. Разработана математическая модель двухфазной струи, позволяющая надежно рассчитывать концентрацию частиц твердой фазы в струе, вероятность соударения частиц, вероятность их разрушения при столкновении и полный гранулометрический состав продуктов измельчения. На основе заданной производительности аппарата и расчетной производительности 1 пары струй разработана методика расчета аппарата избирательного измельчения с определением его габаритных размеров. В настоящее время проводятся работы по оптимизации избирательного измельчения с целью повышения выхода фторапатита. Для этого разработан, изготовлен и смонтирован центробежный классификатор для более точного разделения полученных продуктов измельчения. Показано, что избирательное измельчение в запатентованном аппарате позволило получить тонкодисперсные продукты с высоким содержанием целевого компонента – фторапатита.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Технологический процесс разрушения поликомпонентной апатит-нефелиновой руды Хибинского месторождения по границам связи отдельных компонентов апробирован в лабораториях кафедры технологических машин ИГХТУ. Образцы руды размерами от 40 до 150 мм нагревались в печи до температур в диапазоне 400 ÷ 950℃ и быстро охлаждались водой до температуры 105 ÷ 108℃. Далее образцы измельчались в ударно-молотковой дробилке до размеров менее 12 мм и продукты грубого измельчения направлялись в каскадный струйный измельчитель для получения тонкодисперсных продуктов с размерами менее 200 мкм. С учетом устранения недостатков известных струйных измельчителей предлагаемая авторами конструкция каскадного струйного измельчителя отличается тем, что имеет в зонах подачи энергоносителя накопительные карманы, в которых концентрация твердых частиц в 1,5÷1,7 раза выше концентрации твердых частиц в объеме псевдоожиженного слоя, что приводит к увеличению концентрации твердых частиц в противоточных струях и к увеличению производительности струйного измельчителя по тонкодисперсному продукту при тех же расходах энергоносителя. Процесс тонкого измельчения осуществлялся путем непрерывного или импульсного ударного нагружения при столкновении противоточных двухфазных потоков, образованных струями сжатого воздуха и эжектированными в струи поликомпонентными частицами, разогнанными до критических скоростей соударения наименее прочных частиц целевого компонента с целью их измельчения и «дораскрытия» по границам связи поликомпонентных частиц. Разработанная конструкция решает следующие задачи: а) проведение процесса избирательного измельчения наименее прочного целевого компонента; б) создание более высокой концентрацией твердой фазы в противоточных двухфазных струях; в) исключение износа стенок измельчителя противоточными струями и предотвращение загрязнения тонкодисперсного продукта продуктами намола металла. Процесс избирательного измельчения целевого компонента поликомпонентной смеси исследован на примере апатит-нефелиновой руды путем ударного нагружения в противоточных струях и мягкого избирательного истирания в псевдоожиженном слое. Параметром, в значительной степени, определяющим технологический режим переработки апатитового концентрата является гранулометрический состав измельченного сырья. В соответствии с ГОСТ 22275-90 апатитовый концентрат должен удовлетворять требованиям не более 13,5% частиц размером более 160 мкм. Данным требованиям придерживаются основные производители апатитового концентрата в России. Важно отметить, что струйный измельчитель каскадного типа с псевдоожиженным слоем позволяет получать продукты измельчения апатитнефелиновой руды заданной дисперсности путем регулирования подачи воздуха. Данная конструкция способствует снижению энергозатрат, повышению эффективности тонкого измельчения, исключению загрязнения готового тонкодисперсного материала продуктами намола, «раскрытию» поликомпонентных материалов по границам связи отдельных компонентов и более полному извлечению целевого компонента. Исследования процесса измельчения частиц апатит-нефелиновой руды в струйном измельчителе с псевдоожиженным слоем, в котором разрушение материала происходит в сталкивающихся двухфазных струях, истекающих в псевдоожиженный слой, показали, что в продуктах измельчения наибольшее массовое содержание имеет фторапатит. Это связано с тем, что фторапатит является наименее прочным компонентом поликомпонентной смеси, что способствует его быстрому измельчению и выносу воздухом из струйного измельчителя с псевдоожиженным слоем. Данные исследования показывают, что еще на стадии измельчения возможно обогащение целевого компонента. За отчетный период нами было проведено исследование процесса разделения смеси продуктов избирательного измельчения предварительно термически обработанных частиц руды в струйной мельнице с псевдоожиженным слоем на специально разработанных и изготовленных классификаторах. Для эффективного разделения продуктов измельчения были проанализированы различные способы сепарации и в дальнейшем рассматривались два наиболее перспективных: электростатический и воздушно-динамический. Электрическая сепарация применяется для классификации, обес-пыливания и обогащения многих руд. Наиболее распространены электрические сепараторы со свободным па¬дением (электростатические сепараторы) с предварительной электриза¬цией дисперсного материала. При экспериментальной проверке данного способа сепарации продуктов избирательного измельчения удовлетворительных результатов получить не удалось, но выявились следующие недостатки: - Эффективность процесса и качество продуктов сепарации ухудшаются при увеличении со¬держания пылевидных частиц в исходном материале. - Возникают большие проблемы при разделении руд широкого фракционного состава. С увеличением крупности частиц возрастает центробежная сила, отрывающая их от поверхности барабана. Это затрудняет четкое разделение зерен при сепарации материала широкого диапазона крупно¬сти. Крупная непроводящая частица при этом может оторвать¬ся от барабана одновременно с более мелкой проводящей час-тицей и, наоборот, очень тонкие проводящие частицы попадут в непроводящую фракцию. - При увеличении скорости враще¬ния барабана можно повысить производительность сепаратора, однако качество продуктов сепарации при этом ухудшается. Воздушно-динамическая сепарация Сущность пневматической (воздушной) классификации заключается в разделении сыпучего материала за счет различных скоростей движения крупных и мелких частиц в воздушном потоке. Регулированием скорости и траектории движения воздушного потока можно варьировать крупность разделяемых частиц. Авторами использовался центробежный воздушный классификатор, разработанный и изготовленный на кафедре технологических машин и оборудования ИГХТУ. Выявлено, что при каскадном (многоступенчатом) измельчении, наиболее легко измельчаемый компонент смеси – фтор-апатит попадает в мелкий продукт, поэтому его отделение от общей массы частиц возможно при сложной сепарации: центробежный классификатор + циклон + фильтр. При выполнении работы были теоретически сформулированы и экспериментально проверены следующие стадии предлагаемой технологии сухого обогащения апатитовой руды Хибинского месторождения: 1. «Раскрытие» поликомпонентных частиц руды путем использования термических напряжений при их нагреве и резком охлаждении водой при темпах охлаждения не менее 20С/с по границам связи отдельных компонентов руды. 2. Дополнительная интенсификация процесса «раскрытия» многокомпонентных материалов по границам связи отдельных компонентов с помощью ударного способа разрушения частиц, при котором осуществляется волновой характер движения деформаций, а, соответственно, и напряжений. 3. Избирательное измельчение подготовленных «раскрытых» частиц в аппарате комбинированного измельчения, представляющий собой модифицированную струйную мельницу с псевдоожиженным слоем. При однократном избирательном измельчении в продуктах наблюдается около 59% фторапатита. Наиболее эффективной конструкцией при проведении избирательного измельчения является струйный измельчитель каскадного типа. 4. Разделение смеси продуктов избирательного измельчения предварительно термически обработанных частиц руды в струйной мельнице с псевдоожиженным слоем на специально разработанном и изготовленном классификаторе. 5. Наиболее легко измельчаемый компонент смеси – фтор-апатит попадает в мелкий продукт, поэтому его отделение от общей массы частиц возможно при сложной сепарации: центробежный классификатор + циклон + фильтр.