HPGR или валковый пресс высокого давления — конкурент барабанным мельницам?

Привычным оборудованием для измельчения руды на фабриках являются барабанные мельницы. Однако это не единственный вариант: альтернативой могут стать валки высокого давления. Сегодня многие фабрики во всём мире уже включили эти решения в технологическую цепочку, и есть основания считать, что популярность этого оборудования будет расти. Что это за технология, при работе с какими рудами её можно применять и способны ли валки высокого давления вытеснить с фабрик традиционные мельницы?

Конечно же, мельницы как тип оборудования намного старше валковых прессов высокого давления. Последние появились в отрасли только в 1980-х. Англоязычное название оборудования звучит как high pressure grinding rolls (HPGR), то есть измельчающие валки высокого давления (ИВВД), их же в отрасли знают как роллер-прессы.

Как это работает?

Конструкцию роллер-пресса подробно описал технический директор «ДИСПО Солюшн» Николай Тихонов, выступая на конференции «Измельчение минерального сырья. Технологии, материалы, практика». По большому счёту, оборудование представляет собой валковую дробилку. Рабочие органы — это два вала, один из которых является плавающим, а второй закреплён неподвижно. Каждый вал футеруется бандажом, который и находится в контакте с измельчаемым сырьём. Гидравлическая система контролирует удельное усилие сжатия в рабочем зазоре между валками за счёт давления на подвижный элемент.

Машина всегда работает под завалом: для стабильного измельчения над валками нужно поддерживать более-менее постоянный уровень материала. Чтобы выполнить это условие, большинство производителей оснащают оборудование бункером.

«В роллер-прессе зазор между плавающим и неподвижным валками является нерегулируемым. Его параметры определяются балансом между давлением материала на валки и давлением гидравлической системы.

Щель имеет большие размеры, чем частицы материала, которые находятся в рабочей зоне, из-за чего возникает так называемое межчастичное дробление: так оборудование генерирует большое количество мелочи и выдаёт более тонкий разупрочнённый продукт.

При работе на этой машине оператор может напрямую регулировать только два параметра: скорость вращения валков, которая задаётся частотным преобразователем, и гидравлическое давление в системе прижатия плавающего валка», — объяснил Николай Тихонов.

Роллер-прессы vs барабанные мельницы

HPGR имеет ряд преимуществ, которые отличают их от других технологий рудоподготовки, хотя нельзя утверждать, что в любом случае они дадут лучший эффект — это справедливо лишь для конкретных типов материала.

Дело в том, что за счёт сжатия частицы получают так называемую микротрещиноватость, таким образом материал становится более разупрочнённым, что упрощает его переработку на следующих этапах, например на флотации. Если после роллер-пресса руда отправляется на сорбцию или выщелачивание, микротрещины тоже позитивно скажутся на результате обогащения: реагенту будет проще добраться до полезного компонента.

Эту особенность региональный менеджер по продуктам «роллер-пресс и вертикальные мельницы» ТОО «Виер Минералс Казахстан» Александр Соломенников назвал в числе ключевых преимуществ HPGR. Специалист объяснил, что их работа построена на отличном от рудоразмольных мельниц принципе, который и отражён в их названии.

Конструкция HPGR обеспечивает очень высокое давление на загружаемый в межвалковое пространство материал. Здесь происходит механическое разрушение частиц вне зависимости от их размера. Этот принцип называют дроблением в слое материала. За счёт этого эффективность процесса увеличивается, а износ самих валков снижается.

«При воздействии высокого давления руда разупрочняется: внутри частиц формируются трещины по границам сростков минералов, что снижает их сопротивляемость дальнейшему измельчению и уменьшает количество требуемой энергии в мельницах далее по процессу. Численно это выражается в снижении показателя индекса шарового измельчения Бонда в продукте роллер-пресса, что напрямую влияет на капитальные затраты при строительстве секции измельчения в шаровых мельницах», — уточнил Александр Соломенников.

Особенно хорошие эффекты HPGR обеспечивает на предприятиях с большой производительностью, а, поскольку мощности переработки сегодня растут, развивается и спрос на этот вид оборудования. Особенность роллер-пресса в том, что для переработки больших объёмов требуются более крупные валки, а с увеличением их диаметра растёт и крупность материала, который машина может измельчить. То есть чем выше производительность, тем более высокую степень сокращения крупности обеспечивает роллер-пресс.

Ещё одним преимуществом HPGR является тот факт, что это оборудование может без проблем измельчать твёрдые и высокоабразивные руды. При этом оно нечувствительно к этим показателям, то есть нет прямой зависимости между потребляемой мощностью и твёрдостью сырья. Получается, что чем более сложную руду перерабатывает роллер-пресс, тем больший эффект по оптимизации энергозатрат фиксирует фабрика.

Ещё один приятный бонус — валкам высокого давления не нужны мелющие тела и футеровка, то есть эту статью затрат предприятие может исключить.

Александр Соломенников добавляет к этому перечню высокую надёжность и эффективность HPGR: по данным специалиста, коэффициент использования оборудования достигает 97%, а производительность варьируется от 50 т/ч для пилотных установок до 5000 т/ч для крупномасштабных промышленных комплексов.

«Это делает их особенно привлекательными для предприятий, стремящихся снизить энергозатраты и повысить общую эффективность процесса измельчения», — отмечает эксперт Weir Minerals.

Роллер-прессы становятся отличным вариантом для производств, которые расположены в регионах с дефицитом воды — для работы мельниц последняя всё-таки необходима. По этой же причине HPGR удачно вписываются в технологию сухого обогащения: оборудование можно сочетать, например, с магнитной сепарацией, а полученные хвосты хранить в сухом виде.

Из Германии и не только

Роллер-прессы — досточно молодое оборудования. Родина этих машин — Германия, «отец-основатель» — Клаус Шонерт, который оформил патент на изобретение усовершенствованной валковой дробилки в 1982 году.

Оригинальный патент изначально получили три немецкие компании. Это Polysius, которая в результате влилась в FLSmidth, KHD (она сегодня работает совместно с Weir Minerals) и Köppern — это предприятие и по сей день сохраняет независимость. Поскольку оборудование востребовано в горной отрасли, на рынке появляются новые производители, в том числе и китайские. Из числа последних Николай Тихонов выделил Lee Jun как игрока с мощной промышленной базой и солидным опытом.

По данным «ДИСПО Солюшн», сейчас в мире работают порядка 460 HPGR. Оборудование можно увидеть на предприятиях на всех континентах, его рассматривают как один из стандартных вариантов технологии рудоподготовки для новых проектов.

Из названных 460 единиц оборудования 170 являются продукцией FLS, что делает компанию лидером этого рынка. На втором месте расположились Weir Minerals, далее — Lee Jun и Köppern. Кроме того, около 50 установок поставили другие китайские компании. Таким образом, поставщики из Германии до сих пор сохраняют ключевые позиции на рынке.

Эволюция роллер-прессов

Изначально, в 1980-х, HPGR применяли в цементной промышленности. Позже их внедрили и алмазники, которые оценили возможность более тонкого дробления без повреждения драгоценных камней. В 1990-х оборудование начали активно применять на железорудных фабриках, в том числе для подготовки концентратов к окомкованию. В 2006 году роллер-прессы впервые стали частью глобального проекта на фабрике по переработке твёрдой медной руды. Сегодня же HPGR активно применяются для переработки большинства типов руд, в том числе золотосодержащих и полиметаллических.

«За последние 40 лет технология измельчения на ИВВД активно развивалась. Этому способствовал предшествующий более чем 120-летний опыт обработки материалов под высоким давлением на валковых прессах в процессах брикетирования и компактирования.

Вслед за успешным внедрением ИВВД в цементной промышленности данная технология стала также применяться в горно-перерабатывающей промышленности, где сейчас она играет важную роль. Непрерывные разработки и совершенствование износостойких частей валковых прессов, вызванные высокими требованиям отрасли рудоподготовки, сделали использование роллер-прессов экономически эффективным, особенно в обработке твёрдых руд.

В настоящий момент это оборудование чаще всего применяют для измельчения железной, медной, золотой и алмазосодержащей руды. В циклах рудоподготовки ИВВД может заменить дробилки среднего или мелкого дробления, мельницы ПСИ, мельницы первичной стадии измельчения (шаровые или стержневые) и другие решения», — отметил заместитель генерального директора
ООО «Кёпперн» Илья Сарычев.

То есть вектор эволюции понятен: от мягкого необразивного сырья к твёрдому высокоабразивному. Умением работать с последним сегодня и славятся роллер-прессы. Расширение сферы применения технологии во многом связано с развитием конструкции футеровочных бандажей.

«Первичные проблемы применения HPGR были связаны с низкой ходимостью бандажей: ещё 15 лет назад срок службы в 3-4 тыс. моточасов считался нормой. Тогда их отливали из стали, используя наплавки в качестве защитных элементов. После производители стали применять высоколегированные, в частности никельсодержащие, сплавы.

Следующим шагом стала разработка бандажей со штифтами, а последнее слово техники на сегодня — это кованые элементы со штифтами из карбида вольфрама, которые отличаются очень высокой твёрдостью. За прошедшие годы бандажи стали существенно лучше и надёжнее, и сейчас срок ходимости в 10-12 тыс. моточасов уже никого не удивляет», — пояснил Николай Тихонов.

Штифтами, о которых рассказал специалист, покрывают примерно 30-35% поверхности. Их рисунок, диаметр и глубину подбирают индивидуально в зависимости от условий работы. При работе роллер-пресса измельчаемый материал забивается между штифтами, создавая так называемый самофутерующийся слой, который защищает от износа само тело бандажа.

Кроме того, производители современных роллер-прессов формируют защиту угловых зон, устанавливая так называемые H-блоки по краям бандажей — эти элементы также усилены карбидом вольфрама. Перспективным направлением Николай Тихонов назвал также применение фланцев.

Ключевые проекты

Таким образом, роллер-прессы — это не новинка на рынке, оборудование работает на фабриках уже больше 35 лет. Интерес к этим машинам растёт, его подогревает стремление индустрии к устойчивому развитию и экологизации, поскольку за счёт меньшего энерго-, водо- и металлопотребления (речь идёт, в частности, об отсутствии мелющих тел и футеровки) роллер-прессы считаются более «зелёным» вариантом, чем те же мельницы.

Поспособствовало росту популярности HPGR и включение этого оборудования в громкие отраслевые проекты. В их числе — одна из крупнейших в мире медных фабрик Cerro Verde, где работают 12 роллер-прессов. После 2015 года, когда была построена вторая очередь, предприятие начали «клонировать» фабрики, то есть строить многие новые объекты по той же схеме.

В России валковые прессы успешно работают на Стойленском ГОКе «НЛМК»: в 2021 году компания, по информации Köppern — поставщика машин, стала первым предприятием в СНГ, где это оборудование внедрили для переработки железистых кварцитов. За несколько лет здесь запустили восемь единиц. Специалисты Köppern рассказали, что за счёт внедрения HPGR комбинату удалось увеличить производительность на 18-20%. Это оборудование обещает появиться и в корпусе додрабливания Быстринского ГОКа.

В Центральной Азии валки высокого давления используются на Бозшагольском ГОКе KAZ Minerals. Кроме того, 6 машин должны заработать на строящейся МОФ-3 АГМК, а это знаковый проект в добывающей индустрии Узбекистана.

«Сейчас уже можно уверенно говорить, что роллер-прессы заняли своё место как проверенная технология дробления в процессах рудоподготовки. Для большинства новых проектов с производительностью от 3-4 млн тон в год роллер-прессы теперь всегда сравнивают с технологией измельчения в МПСИ, и чем руда твёрже, тем выше преимущество роллер-прессов.

В настоящее время, когда руды становятся более бедными и твёрдыми, а спрос на металлы и, как следствие, производительности фабрик только растут, схемы с роллер-прессами становятся всё более востребованными в горной промышленности. Это видно, в частности, по проектам производства медного концентрата, спрос на который увеличивается с каждым годом», — уверен Александр Соломенников.

Роллер-прессы и барабанные мельницы: конкуренты ли?

Так всё-таки соперничают ли друг с другом эти две технологии измельчения? Давайте посмотрим на место HPGR в технологической схеме.

Классический подход, говорит Николай Тихонов, — это установка роллер-пресса в замкнутом цикле с поверочным грохочением. Именно так работают большинство фабрик, где представлено это оборудование.

«В большинстве случаев роллер-прессы получают питание с размером загрузки от -30 до -60 мм и формируют продукт размером от -8 +0 до -5 +0 мм в замкнутом цикле с сухим грохочением. Далее полученный продукт измельчается в шаровых мельницах. Особенно стоит обратить внимание на то, что в продукте с размером от -8 +0 до -5 +0 мм содержание мелких фракций будет очень высоким (D50 около 1–2 мм)», — объясняет Александр Соломенников.

Ещё один вариант, который тоже можно считать типовым, — применение роллер-пресса на четвёртой стадии дробления. Нередко такую схему реализуют уже действующие фабрики, стремящиеся увеличить производительность. Внедрение HPGR позволяет снизить крупность питания шаровых мельниц, увеличить содержание тонких классов, подаваемых на измельчение, а также обеспечить разупрочнение породы, о котором мы рассказывали выше.

По словам Николая Тихонова, за счёт такой модернизации можно добиться роста производительности на 10-15%. То есть роллер-прессы вполне могут работать и совместно с барабанными мельницами.

Кроме того, перспективным направлением специалист назвал комбинацию HPGR с МПСИ для дробления кусковой руды. Он ещё раз подчеркнул, что эти виды оборудования необязательно соперничают между собой — они вполне успешно могут дополнять друг друга. Реализация такой схемы позволяет существенно увеличить и стабилизировать производительность всей цепочки за счёт перевода мельницы в открытый цикл, а особенно эффективен такой вариант для высоковариативных руд.

Именно по этому пути сейчас идёт российский Быстринский ГОК (предприятие «Норильского никеля»). Эту же схему используют Бозшагольский ГОК, а также Актогай-1 и Актогай-2. Николай Тихонов привёл интересные данные о работе первого из названных предприятий. Когда роллер-пресс останавливают на обслуживание, производительность линии падает на 40%. При этом установочная мощность HPGR составляет 5 МВт, а МПСИ — 28 МВт. То есть оборудование, на которое приходится меньше 20% мощности, обеспечивает 40% производительности.

Кроме того, роллер-пресс может быть установлен перед участком кучного выщелачивания: мы уже говорили, что за счёт создания микротрещин в рудных частицах оборудование способно улучшать кинетику процесса даже при применении в открытом цикле.

Также специалисты «ДИСПО Солюшн» отмечают рост популярности HPGR на железорудных фабриках при подготовке магнетитовых концентратов к окомкованию. Роллер-пресс помогает увеличить площадь открытой поверхности материала: чем она выше, чем более качественные и твёрдые окатыши предприятие получит в итоге: их будет легче транспортировать за счёт сокращения пылеобразования.

Перспективным направлением применения валков высокого давление является внедрение их в технологию сухого измельчения сырья в замкнутых циклах с воздушной классификацией. Эту технологию эксперты отрасли стремятся использовать в тех регионах, где есть проблемы с водой. Интересный пример — крупная железорудная фабрика Fortescue Iron Bridge в Австралии, одно из немногих предприятий такого масштаба, которое работает вообще без барабанных мельниц.

Сейчас фабрика находится на этапе пусконаладки, и не всё здесь идёт гладко: вскрылись нюансы, которые сложно было предусмотреть на этапе проекта. Связаны они с появлением утренней росы на складе крупной дроблёной руды. Но специалисты уже работают над преодолением непредвиденных трудностей.

А ещё HPGR можно комбинировать с вертикальными мельницами: такая схема позволяет снизить общее энергопотребление и воздействие на окружающую среду. Сейчас крупный железорудный проект в Индии реализует Lloyd Metals, и здесь компания намерена использовать такую схему именно потому, что она, по сравнению с классическим вариантом с барабанными мельницами, позволяет существенно сократить энергорасходы. Специалисты отрасли по всему миру наблюдают за ходом реализации, чтобы оценить эффекты от этой идеи.

«При использовании влажного грохочения в замкнутом цикле размер подрешётного продукта может достигать до -3 +0 мм. Это открывает возможности для применения на первой стадии измельчения вертикальных мельниц с перемешиванием. Такой подход позволяет ещё более снизить энергозатраты схемы измельчения, полностью исключив мельницы барабанного типа, эффективность использования энергии у которых, значительно ниже (15%), чем у вертикальных (40%)1.

Вертикальные мельницы энергоэффективнее по сравнению с шаровыми благодаря высокой интенсивности истирания частиц за счёт большей степени воздействия как мелющих тел на частицы материала, так и частиц друг на друга, а также благодаря возможности работы в открытом цикле, что обеспечивает экономию энергии в диапазоне от 20 до 30%», — поделился данными Александр Соломенников.

То есть роллер-прессы вовсе не планируют вытеснять с рынка МПСИ. Специалист Weir Minerals вообще не считает их прямыми конкурентами, отмечая, что это оборудование используют на разных стадиях рудоподготовки. Исключением является применение роллер-пресса с воздушной классификацией, при которой измельчение происходит в сухом виде с получением конечного материала, сравнимого по размеру с продуктом МШР.

Роллер-прессы снижают требования к последующим шаровым мельницам в цикле по размеру и мощности, что позволяют добиться экономии электроэнергии, а также снизить капитальные и операционные затраты при использовании шаровых мельниц, так что это оборудование вполне может дополнять друг друга.

Конкуренция формируется, скорее, между шаровыми и вертикальными мельницами, причём последние г-н Соломенников назвал более эффективным решением. Эксперт считает, что это оборудование, дорогу которому открывают роллер-прессы, как раз может снизить долю привычных МШР.

Слово экспертам

Илья Сарычев, заместитель генерального директора ООО «Кёпперн»

«Преимущество ВПВД, по сравнению с традиционными способами измельчения, — это возможность увеличения производительности. Дополнительными эффектами становятся улучшение кинетики при выщелачивании и флотации. Оно связано со специфическим свойством распространения трещин в частицах материала после обработки на ВПВД. Кроме того, роллер-прессы отличает низкое удельное энергопотребление.

Для размещения этого оборудования не нужны большие площади, сокращается и время пусконаладочных работ за счёт высокой эксплуатационной готовности такого решения. Кроме того, данная технология даёт ряд существенных преимуществ для последующих процессов обработки.

Например, предварительное измельчение продукта на прессах ВПВД позволяет увеличить производительность шаровых мельниц и снизить потребление мелющих тел. По этим причинам инвестиции в новую технологию окупаются очень быстро — срок составляет от полугода до двух лет».

Александр Соломенников, региональный менеджер по продуктам «роллер-пресс и вертикальные мельницы» ТОО «Виер Минералс Казахстан»

«Популярность роллер-прессов будет продолжать расти. Этому способствуют сразу несколько факторов. Во-первых, современные проекты сталкиваются с необходимостью переработки всё большего объёма руды для достижения заданных экономических показателей, таких как снижение удельных капитальных и эксплуатационных затрат (CAPEX и OPEX), увеличение извлечения полезных компонентов, сокращение срока окупаемости и повышение внутренней нормы доходности (IRR).

Во-вторых, ужесточаются экологические требования. Технологии с применением роллер-прессов позволяют значительно сократить выбросы CO₂ по сравнению с традиционными схемами, основанными исключительно на барабанных мельницах.

В-третьих, по мере роста твёрдости руд и удорожания электроэнергии и водных ресурсов всё большую ценность приобретают энергоэффективность и в целом ресурсоэффективность решений.

Всё это делает роллер-прессы не только технологически привлекательными, но и экономически обоснованным выбором для новых проектов, поскольку они обеспечивают высокую эффективность измельчения при оптимальном уровне капитальных вложений и эксплуатационных затрат».

Николай Тихонов, технический директор ООО «ДИСПО Солюшн»

«Я бы не назвал роллер-прессы универсальным оборудованием: чтобы оценить эффективность решения, нужно знать условия проекта в каждом конкретном случае. Полноценные тестовые испытания являются неотъемлемым условием любого проекта с HPGR.

Не стоит рассматривать этот вариант для переработки руды с высоким содержанием влаги, глины или того и другого: измельчение сырья, склонного к налипанию, роллер-прессу даётся плохо. Кроме того, важно контролировать крупность куска в питании, и обычно предыдущим этапом является мелкое или среднее дробление.

Также необходимо следить за тем, чтобы в машину не попадало большое количество недробимого мусора — это может стать проблемой для работы оборудования».

¹Использованы данные % эффективности использования энергии как максимально достижимые значения, по Fuerstenau and Han, 2003. Principles of Mineral Processing, (Society for Mining, Metallurgy, and Exploration. Littleton).