Барабанные мельницы используются во всех технологических схемах обогащения руд черных и цветных металлов, а также при добыче золота и алмазов. К барабанным мельницам предъявляются требования обеспечения высокой производительности, высокого качества измельчения исходного сырья и безотказности в работе.
Основным традиционным элементом электропривода барабанной мельницы является мощный высоковольтный синхронный электродвигатель с электромагнитным возбуждением. В условиях достаточно частых пусков барабанных мельниц возникает задача обеспечения плавного безударного пуска мощных приводных синхронных электродвигателей с высоким моментом инерции и высоким моментом сопротивления подключенного к валу механизма.
Если используется прямой пуск синхронного электродвигателя мельницы, то возникают сильные механические вибрации, которые разрушают венцы, шестерни и подшипники механических приводов. В процессе прямого пуска электродвигателя мельницы на обмотки двигателя действуют электродинамические усилия, величина которых пропорциональна квадрату тока. Пусковой ток двигателя в 5...7 раз превышает номинальный, соответственно в 25...49 раз возрастают электродинамические усилия, действующие на обмотки. Электродинамические усилия приводят к механическим перемещениям обмотки в пазовой и лобовых частях, которые разрушают изоляцию электродвигателя. Прямой пуск электродвигателя также отрицательно сказывается на питающей сети и коммутационной аппаратуре питающей подстанции. Негативные последствия частых прямых пусков электродвигателей барабанных мельниц приводят к выходу из строя электродвигателей и элементов механических передач, что сопровождается простоями технологического оборудования и приводит к убыткам.
Плавный безударный пуск приводного высоковольтного синхронного электродвигателя барабанной мельницы может быть выполнен за счет частотного регулирования момента и скорости с помощью полупроводникового высоковольтного преобразователя частоты.
Ранее традиционно для частотного пуска синхронных электродвигателей мельниц использовались тиристорные преобразователи выпрямитель-инвертор со звеном постоянного тока и коммутацией тиристоров инвертора за счет ЭДС синхронной машины. Такие преобразователи имеют относительно низкую стоимость, но потребляют из сети большую реактивную мощность и генерируют в сеть высшие гармоники тока, что отрицательно сказывается на качестве напряжения в сети и мешает работе других потребителей электроэнергии. При работе тиристорного инвертора форма тока в обмотках статора синхронного электродвигателя близка к прямоугольной, что приводит к дополнительным потерям в электродвигателе. Поэтому тиристорные преобразователи используются только для частотного пуска электродвигателей мельниц с обязательным байпасом электродвигателя на питание от сети после окончания частотного пуска и отключением преобразователя от электродвигателя.
В последние годы наметилась тенденция применения высоковольтных транзисторных преобразователей на базе многоуровневых инверторов напряжения для плавного частотного пуска и регулирования скорости барабанных мельниц с приводными синхронными электродвигателями.
Многоуровневые инверторы напряжения на IGBT-транзисторах потребляют из сети только активную мощность при практически синусоидальном токе в сети. Форма выходного напряжения и тока многоуровневых инверторов с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией также близка к синусоидальной, что обеспечивает минимальные дополнительные потери синхронных электродвигателей. Эти положительные свойства многоуровневых инверторов напряжения позволяют использовать их не только для кратковременного частотного пуска, но и для длительного регулирования скорости мощных синхронных электродвигателей барабанных мельниц.
Если плавный частотный пуск электродвигателей барабанных мельниц с последующим байпасом на сеть достаточно широко используется и приносит неоспоримую пользу для повышения надежности и долговечности электрического и механического привода барабанных мельниц, то частотное регулирование скорости мельниц в процессе измельчения материалов находится в начальной стадии применения в отечественной горно-добывающей промышленности.
Ниже рассмотрены вопросы использования частотного регулирования скорости барабанных мельниц различных модификаций (ММС, ММПС, МПСИ, МШ) применительно к нескольким отраслям горно-добывающей промышленности: добыча алмазов, добыча золота, цветная металлургия, черная металлургия.
Регулирование скорости мельниц самоизмельчения при добыче алмазов
На алмазодобывающих предприятиях АК «АЛРОСА» для дробления и измельчения алмазосодержащего сырья применяются мельницы мокрого самоизмельчения (ММС) с диаметром барабана 7; 9; 10,5 м. Большинство применяемых мельниц запроектировано с постоянным числом оборотов 0,75 nкр (nкр – критическая скорость вращения барабана, при которой груз вращается по круговым траекториям). Рядом проектных и исследовательских организаций (Иргиредмет, Якутнипроалмаз и др.) были проведены испытания, при которых изменялась частота вращения барабана мельницы и определялись производительность, затраты электроэнергии и сохранность алмазов. В работе исследовались режимы работы, при которых внутри барабана мельницы одновременно существовали прилифтерный, водопадный и каскадный режимы. Выбор наиболее эффективного режима работы мельницы зависит прежде всего от частоты вращения барабана, при которой минимальные затраты энергии на подъем груза и повреждаемость алмаза. Установлено экспериментально, что вероятность возникновения повреждаемости алмазов, при прилифтерном режиме составляет 0.001, при водопадном увеличивается в 3-5 раз и при каскадном снижается ниже уровня 0.001. Изменяя режимы работы мельниц (прилифтерный, водопадный, каскадный), можно внутри барабана влиять на процессы, происходящие при вращении крупнокуского материала и взаимодействии отдельных крупных кусков друг с другом и лифтерами. При этом можно увеличивать (уменьшать) количество стадий дробления и самоизмельчения, а также влиять на сохранность алмаза вследствие его физико-механических свойств. В результате исследований установлено, что оптимальным режимом работы ММС по критериям удельного расхода электроэнергии и средневзвешенного диаметра зерен измельченной руды на выходе является скорость ММС 0,7пкр. Поскольку оптимальная частота вращения барабана мельницы во многом зависит от гранулометрического состава загружаемой руды, поэтому целесообразно регулировать этот параметр в диапазоне 0,6–0,75 nкр.
Таким образом, в алмазодобывающей отрасли теоретически и экспериментально установлена необходимость и целесообразность регулирования оборотов барабанных мельниц самоизмельчения в диапазоне 0,6–0,75 nкр с точки зрения сохранности алмазов, повышения производительности мельниц и экономии затрат электроэнергии.
Регулирование скорости мельниц полусамоизмельчения в цветной металлургии и золотодобывающей отрасли
В цветной металлургии и золотодобывающей отрасли широко используются барабанные мельницы полусамоизмелчения (МПСИ, ММПС), в которых измельчение исходного материала происходит за счет крупных кусков руды в исходном питании и добавления относительно небольшого количества крупных стальных шаров. На процесс измельчения руды влияют крупность ее кусков и измельчаемость. На практике оба эти свойства руды не остаются постоянными, а колеблются в довольно широких пределах. Управление процессом измельчения регулированием скорости вращения мельницы возможен, если известны количественные зависимости изменения твердости и крупности исходного материала и другие факторы.
Рядом исследователей установлено, что со снижением или колебаниями крупности и твердости исходного материала необходимый диапазон регулирования скорости должен находиться в области скоростей вниз от наибольшей и при снижении скорости повышается производительность мельницы и качество помола.
Также доказано, что при применении регулирования скорости вращения мельниц требуемый диапазон регулирования не превышает 20…30 % вниз от наибольшей скорости.
Регулирование скорости вращения мельницы обеспечивает оптимальный режим измельчения внутримельничного заполнения, способствует повышению эффективности автоматизированных систем управления процессом измельчения, сочетается с таким режимом работы, при котором траектория движения внутримельничной загрузки становится переменной (каскадно_водопадный режим).
Регулирование скорости шаровых мельниц при обогащении руд в черной металлургии
В черной металлургии в связи со снижением содержания железа в исходной железной руде до 20-40% при необходимом содержании железа не менее 60% для эффективной переработки на стадии металлургического передела широко применяется обогащение руд. Одной из важных подготовительных операций обогащения железной руды является измельчение в шаровых мельницах.
Производительность шаровой мельницы зависит от многих других факторов: заполнения барабана шарами, их размера, степени износа шаров, формы брони, числа оборотов барабана, тонкости размола, влажности и крупности измельчаемого материала, своевременности удаления готового продукта.
Шаровые мельницы отличаются большим расходом энергии; при работе вхолостую мельницы, заполненной шарами, расход энергии приблизительно равен расходу энергии при работе мельницы с полной загрузкой, т. е. при измельчении материала. Поэтому работа мельницы с неполной нагрузкой весьма невыгодна. Расход энергии для шаровых мельниц является функцией многих факторов: физических свойств измельчаемого материала и в первую очередь его удельного веса и твердости, степени заполнения барабана мельницы измельчающими шарами, числа оборотов барабана и др. Шаровые мельницы имеют невысокий к. п. д.-не более 15%. Энергия в основном расходуется на износ шаров и корпуса мельницы, трение; нагрев материала и т. п.
Было проведено ряд исследований, в которых установлено, что по мере увеличения степени заполнения барабана рудой скорость его вращения необходимо было уменьшать для повышения производительности мельницы, улучшения качества помола и обеспечения максимума полезно потребляемой приводом мощности.
Таким образом, регулирование скорости барабанных мельниц всех модификаций во всех отраслях горно-добывающей промышленности сопровождается повышением производительности, улучшением качества помола и сохранности извлекаемых материалов, а также снижением потребляемой мощности и повышением КПД установок.
ЗАО «ЭРАСИБ» имеет положительный опыт применения высоковольтного транзисторного многоуровнего преобразователя частоты типа «ЭРАТОН-В» для плавного частотного пуска и регулирования скорости двух барабанных мельниц мокрого полусамоизмельчения типа МПСИ 7,0х5,2 с приводными синхронными электродвигателями типа СДМ-2-21-91-40УХЛ4 (4000 кВт, 6 кВ, 446А, 150 об/мин) на золото-добывающем предприятии ОАО «Южуралзолото Группа Компаний» (ОАО «ЮГК» г. Пласт, Челябинская обл.).
Внедрение станции плавного пуска двух мельниц с преобразователем частоты «ЭРАТОН-В-450-6-50-О-0-1-IP54-УЗЛ3.1» в ОАО «ЮГК» позволило уменьшить пусковой ток, повысить надежность пуска мельниц и обеспечить возможность снижения оборотов одной из двух работающих мельниц для оптимизации процесса измельчения. Относительно небольшое снижение оборотов мельницы позволило обеспечить оптимальную работу комплекса измельчения и настроить технологический процесс на выпуск продукции требуемого размера. После внедрения преобразователя частоты была реализована возможность оперативного внесения изменений в технологический процесс работы мельницы без её остановки при помощи управления скоростью вращения электродвигателя. Также установка преобразователя частоты позволила снизить затраты на ремонт оборудования, уменьшить потребление электроэнергии и увеличить рабочий срок службы всего технологического оборудования мельницы.
ЗАО «ЭРАСИБ» предлагает к поставке высоковольтные преобразователи частоты для плавного частотного пуска и регулирования скорости мощных приводных электродвигателей барабанных мельниц всех модификаций и всех производителей мельниц.
Ниже в качестве примера приведены предложения ЗАО «ЭРАСИБ» по поставке преобразователей частоты типа «ЭРАТОН-В» для плавного частотного пуска и регулирования скорости приводных синхронных электродвигателей барабанных мельниц производства АО «Тяжмаш» г. Сызрань.
Преобразователи частоты ЗАО "ЭРАСИБ" для мельниц производства завода АО «Тяжмаш» г. Сызрань
Мельницы мокрого самоизмельчения ММС
Типоразмеры |
Рабочий объем барабана,м3 |
Номинальная мощность электродвигателя главного привода, кВт |
Напряжение статора, В |
Ток статора, А |
Преобразователь частоты производства ЗАО «ЭРАСИБ» |
| |
ММС-500х2300 |
37 |
630 |
6000 |
73 |
ЭРАТОН-В-75-6 |
| |
ММС-7000х2300 |
80 |
1600 |
6000 |
183 |
ЭРАТОН-В-185-6 |
| |
ММС-7000х2300С |
80 |
1600 |
6000 |
183 |
ЭРАТОН-В-185-6 |
| |
ММС-9000х3000А |
160 |
4000 |
6000 |
451 |
ЭРАТОН-В-455-6 |
| |
ММС-9500х2900 |
172 |
4000 |
6000 |
451 |
ЭРАТОН-В-455-6 |
| |
ММС-10500х5400 |
420 |
8000 |
6000 |
878 |
ЭРАТОН-В-880-6 |
| |
Мельницы мокрого полусамоизмельчения ММПС
Типоразмеры |
Рабочий объем барабана, м3 |
Номинальная мощность электродвигателя главного привода, кВт |
Напряжение статора, В |
Ток статора, А |
Преобразователь частоты производства ЗАО «ЭРАСИБ» |
| |
ММПС-5000х2300 |
37 |
1000 |
6000 |
115 |
ЭРАТОН-В-115-6 |
| |
ММПС-5000х3400 |
56 |
1250 |
6000 |
144 |
ЭРАТОН-В-145-6 |
| |
ММПС-7000х2300 |
80 |
2000 |
6000 |
227 |
ЭРАТОН-В-230-6 |
| |
ММПС-7000х2900 |
94 |
2800 |
6000 |
317 |
ЭРАТОН-В-320-6 |
| |
ММПС-9500х2900 |
172 |
5000 |
6000 |
558 |
ЭРАТОН-В-560-6 |
| |
ММПС-9500х4500 |
278 |
8000 |
6000 |
878 |
ЭРАТОН-В-880-6 |
| |
ММПС-9500х5400 |
338 |
10000 |
6000 |
1090 |
ЭРАТОН-В-1100-6 |
| |
ММПС-10500х5400 |
420 |
14000 |
6000 |
1530 |
ЭРАТОН-В-1550-6 |
| |
ММПС-10500х6400 |
490 |
16000 |
6000 |
1750 |
ЭРАТОН-В-1750-6 |
| |
Мельницы шаровые с разгрузкой через решетку МШР
Типоразмеры |
Рабочий объем барабана, м3 |
Номинальная мощность электродвигателя главного привода, кВт |
Напряжение статора, В |
Ток статора, А |
Преобразователь частоты производства ЗАО «ЭРАСИБ» |
| |
МШР-3200х3800 |
27 |
630 |
6000 |
73 |
ЭРАТОН-В-75-6 |
| |
МШР-3200х4500 |
32 |
900 |
6000 |
104 |
ЭРАТОН-В-105-6 |
| |
МШР-3200х5000 |
36 |
1250 |
6000 |
144 |
ЭРАТОН-В-145-6 |
| |
МШР-3750х4600 |
45 |
1250 |
6000 |
144 |
ЭРАТОН-В-145-6 |
| |
МШР-3750х5000 |
48 |
1250 |
6000 |
144 |
ЭРАТОН-В-145-6 |
| |
МШР-3750х5850 |
57 |
1600 |
6000 |
183 |
ЭРАТОН-В-185-6 |
| |
МШР-4500х5500 |
74 |
2500 |
6000 |
283 |
ЭРАТОН-В-285-6 |
| |
МШР-4500х6000 |
82 |
2500 |
6000 |
283 |
ЭРАТОН-В-285-6 |
| |
МШР-4500х6700 |
91 |
2900 |
6000 |
326 |
ЭРАТОН-В-330-6 |
| |
Мельницы стержневые с центральной разгрузкой МСЦ
Типоразмеры |
Рабочий объем барабана, м3 |
Номинальная мощность электродвигателя главного привода, кВт |
Напряжение статора, В |
Ток статора, А |
Преобразователь частоты производства ЗАО «ЭРАСИБ» | |
МСЦ-3200х3800 |
27 |
630 |
6000 |
73 |
ЭРАТОН-В-75-6 |
|
МСЦ-3200х4500 |
32 |
800 |
6000 |
93 |
ЭРАТОН-В-95-6 |
|
МСЦ-3200х5000 |
36 |
900 |
6000 |
104 |
ЭРАТОН-В-105-6 |
|
МСЦ-3750х4600 |
45 |
1000 |
6000 |
115 |
ЭРАТОН-В-115-6 |
|
МСЦ-3750х5000 |
48 |
1250 |
6000 |
144 |
ЭРАТОН-В-145-6 |
|
МСЦ-3750х5850 |
57 |
1600 |
6000 |
183 |
ЭРАТОН-В-185-6 |
|
Мельницы шаровые с центральной разгрузкой МШЦ
Типоразмеры |
Рабочий объем барабана, м3 |
Номинальная мощность электродвигателя главного привода, кВт |
Напряжение статора, В |
Ток статора, А |
Преобразователь частоты производства ЗАО «ЭРАСИБ» | |
МШЦ-3200х3800 |
27 |
630 |
6000 |
73 |
ЭРАТОН-В-75-6 |
|
МШЦ-3200х4500 |
32 |
900 |
6000 |
104 |
ЭРАТОН-В-105-6 |
|
МШЦ-3200х5000 |
36 |
1000 |
6000 |
115 |
ЭРАТОН-В-115-6 |
|
МШЦ-3750х4600 |
45 |
1250 |
6000 |
144 |
ЭРАТОН-В-145-6 |
|
МШЦ-3750х5000 |
48 |
1250 |
6000 |
144 |
ЭРАТОН-В-145-6 |
|
МШЦ-3750х5850 |
57 |
1250 |
6000 |
144 |
ЭРАТОН-В-145-6 |
|
МШЦ-4500х5500 |
76 |
2000 |
6000 |
227 |
ЭРАТОН-В-230-6 |
|
МШЦ-4500х6000 |
82 |
2500 |
6000 |
283 |
ЭРАТОН-В-290-6 |
|
МШЦ-4500х6700 |
91 |
2500 |
6000 |
283 |
ЭРАТОН-В-290-6 |
|
МШЦ-5000х6000 |
104 |
3150 |
6000 |
353 |
ЭРАТОН-В-355-6 |
|
МШЦ-5000х6500 |
115 |
3150 |
6000 |
353 |
ЭРАТОН-В-355-6 |
|
МШЦ-5000х7000 |
125 |
3150 |
6000 |
353 |
ЭРАТОН-В-355-6 |
|
МШЦ-5500х6500 |
140 |
4000 |
6000 |
447 |
ЭРАТОН-В-450-6 |
|
МШЦ-5500х7000 |
150 |
4000 |
6000 |
447 |
ЭРАТОН-В-450-6 |
|
МШЦ-5500х7500 |
165 |
4500 |
6000 |
503 |
ЭРАТОН-В-505-6 |
|
МШЦ-5800х7100 |
163 |
5000 |
6000 |
558 |
ЭРАТОН-В-560-6 |
|
МШЦ-5800х8100 |
185 |
5500 |
6000 |
610 |
ЭРАТОН-В-610-6 |
|
МШЦ-5800х9350 |
216 |
6000 |
6000 |
662 |
ЭРАТОН-В-665-6 |
|
МШЦ-6700х10200 |
325 |
8000 |
6000 |
878 |
ЭРАТОН-В-880-6 |
|
МШЦ-7500х12500 |
498 |
16000 |
6000 |
1750 |
ЭРАТОН-В-1750-6 |
|