Technologia rozdrabniania w wysokociśnieniowych prasach walcowych znalazła zastosowanie w aplikacjach przemysłowych w połowie lat 80. ubiegłego wieku. Początkowo prasy walcowe były wykorzystywane do rozdrabniania w przemyśle cementowym, a w miarę rozwoju technologii stosowano je do kruszenia coraz twardszych i bardziej abrazywnych materiałów, takich jak rudy żelaza czy metali nieżelaznych.
    Przemysłowe zastosowanie pras walcowych w technologicznych układach rozdrabniania można generalnie podzielić na następujące grupy:
• przemysł cementowy,
• produkcja koncentratów rud żelaza oraz metali nieżelaznych (m.in. miedź, złoto, cynk, cyna i inne) – drugi stopień rozdrabniania oraz dokruszanie,
• produkcja mączek wapiennych i kruszyw mineralnych,
• produkcja diamentów (rozdrabnianie kimberlitów).

 Podstawowe zasady rozdrabniania w prasach
    Rozdrabnianie w wysokociśnieniowych prasach walcowych jest obecnie najnowocześniejszym pod względem technologicznym sposobem kruszenia surowców mineralnych. Spośród zalet technologii należy wymienić przede wszystkim:
• Niskie zużycie jednostkowe energii elektrycznej: od 0,8 do 3 kWh na tonę przerabianego surowca.
• Powstawanie mikropęknięć w rozdrobnionym produkcie, które ujawniają się w kolejnym etapie rozdrabniania (zwykle w młynie kulowym). W wyniku  utworzonych mikropęknięć następuje aktywizacja mechaniczna materiału, obniżająca energochłonność procesu mielenia mierzoną wskaźnikiem energochłonności Bonda, nawet do 30% według różnych badań.
• Zwiększenie zawartości składnika użytecznego w produktach otrzymywanych z dalszych etapów wzbogacania chemicznego (w przypadku technologicznych układów wzbogacania rud), poprawienie wskaźnika uzysku dla procesu.
• Możliwość prowadzenia procesu na sucho (dla naturalnej wilgotności nadawy) i na mokro, nawet do wilgotności surowca sięgającej 10%.
• Wysoki współczynnik efektywnego czasu pracy urządzenia (Te > 95%).
• Niski stopień zapylenia, mała emisja hałasu i wibracji.
• Niewielka powierzchnia zabudowy i stosunkowo mała kubatura urządzenia w porównaniu z młynami samomielącymi i półsamomielącymi, czy nawet pionowymi młynami rolowo-misowymi.
• Niskie koszty obsługi i przeglądów okresowych.

Rys. 1. Główne elementy wysokociśnieniowej prasy walcowej (materiały reklamowe producentów)

     Wysokociśnieniowa prasa walcowa (HPGR) składa się z dwóch walców obracających się w przeciwnych kierunkach, zasilanych osobnymi silnikami o takiej samej mocy (rys. 1). Walce poruszają się z jednakową prędkością i są ze sobą zsynchronizowane, mają także jednakową średnicę i długość, a płaszczyzna zawierająca jednocześnie obie podłużne osie symetrii walców jest pozioma. Oba walce zamontowane są na masywnej ramie, przy czym jedna z rolek jest zamontowana w sztywnej pozycji (rolka nieprzesuwna bądź sztywna), bez możliwości poziomego  przesuwu, natomiast położenie drugiej umożliwia poziome przesuwanie (rolka przesuwna) się walca powodowane siłą nacisku pochodzącą od układu hydraulicznego oraz siły reakcji materiału znajdującego się między walcami. Materiał do urządzenia podawany jest od góry w sposób upakowany, nad prasą znajduje się zbiornik samowyładowczy, który powinien być wypełniony do określonego poziomu, aby zapewnić dobre warunki dla procesu rozdrabniania w prasie.

     W tabeli 1 przedstawione zostały przedziały stosowanych wartości wybranych parametrów technicznych pras walcowych zebrane na podstawie materiałów  reklamowych wszystkich producentów pras: KHD Humboldt Wedag, Koeppern i Polysius.

 Główne parametry techniczne i technologiczne
    Oprócz prędkości i ciśnienia roboczego w prasie walcowej, szereg innych parametrów wpływa na osiąganą efektywność procesu rozdrabniania. Poniżej zostały przybliżone najważniejsze.

 • Wydajność.
    Wydajność prasy walcowej można obliczyć korzystając ze znanego wzoru (1):

 Inny wzór (2) uwzględnia wydajność właściwą urządzenia i ma postać:

 gdzie: Mdot – wydajność właściwa (względna) [ts/m3h]. Z uwagi na fakt, że większość przemysłowych aplikacji pras walcowych pracuje w układzie zamkniętym, to wydajność technologiczna takiego układu jest mniejsza i zależy od wartości strumienia zawrotu materiału. Wydajność układu jako procentowy udział wydajności prasy walcowej można obliczyć ze wzoru (3):

 gdzie: q – masowy strumień zawrotu [Mg/h] Wydajność właściwa Mdot jest wydajnością mierzoną na jednostkę objętości komory roboczej i wyraża się wzorem:

lub

    Za pomocą tego parametru można porównywać wydajności urządzeń o różnych wymiarach roboczych walców i wskaźnik ten ma duże znaczenie dla producentówpras, natomiast posiada raczej niewielką wartość z punktu widzenia badań nad procesem rozdrabniania w prasie.

• Szczelina wylotowa
    Wielkość szczeliny pomiędzy walcami w prasach walcowych jest parametrem niesterowalnym w sposób bezpośredni, można nią natomiast w pewnym stopniu kontrolować poprzez dobór ciśnienia roboczego w urządzeniu. W stanie statycznym prasy szczelinę początkową można wstępnie skalibrować, natomiast podczas pracy urządzenia jej szerokość (szczelina robocze) się zmienia, ponieważ wciągany pomiędzy obracające się walce materiał „rozpycha” rolki prasy, przez co zwiększa się szerokość szczeliny roboczej. Zależność pomiędzy ciśnieniem a szczeliną roboczą jest odwrotnie proporcjonalna i, jak wynika z rys. 2, bardzo dobrze opisuje ją zależność potęgowa. Otrzymane wyniki uzyskano dla dwóch materiałów: porfiru (test 1) oraz mieszanki (test 2). Indeks pracy Bonda mierzony metodą udarową wynosił odpowiednio 19,5 oraz 14,5 kWh/m3.

Rys. 2. Zależność pomiędzy naciskiem specyficznym a szczeliną roboczą w prasie walcowej (testy dla porfiru)

       Szerokość szczeliny roboczej ma bezpośredni wpływ na skład ziarnowy produktu rozdrabniania (w miarę wzrostu szerokości szczeliny maleje efektywność rozdrabniania). Przyjmuje się, że średnia szerokość szczeliny roboczej powinna wynosić 2-2,5% średnicy walców, aby zapewnić efektywne rozdrabnianie. Z szerokością szczeliny wylotowej związany jest jeszcze parametr określający uziarnienie maksymalne nadawy. W układach rozdrabniania dla mniej twardych materiałów (np. w przemyśle cementowo-wapienniczym) można przerabiać materiał o
wartości dmax=1,8s-2s, natomiast dla rud ten współczynnik wynosi 1,3 – 1,5 wartości s. Szerokość szczeliny wylotowej można uzależnić od dwóch podstawowych parametrów sterowalnych prasy, czyli od ciśnienia operacyjnego i prędkości obrotowej. Model taki będzie miał postać:

    Model (6) został wyznaczony empirycznie dla zarejestrowanych kilku tysięcy pomiarów w procesie półtechnicznym i jego dokładność wynosi 70,6% (R2 = 70,6). Świadczy to o bardzo dobrym dopasowaniu funkcji s = f(Ph, v). Wartości w nawiasach kwadratowych podają błędy dopasowania współczynników w modelu, które są także bardzo małe. Z przedstawionego modelu wynika również, że zarówno prędkość jak i ciśnienie operacyjne są odwrotnie proporcjonalne do wartości s.

• Moment skręcający
    Innym parametrem uwzględnianym podczas pracy prasy walcowej jest moment skręcający (T) działający na wał napędowy rolki. Jest to istotny parametr konstrukcyjny maszyny i oblicza się go według wzoru:

gdzie P – moc silnika napędzającego wał, v – prędkość liniowa rolek, ω – prędkość kątowa rolek.

    Z punktu widzenia pracy urządzenia niebezpieczne są nagłe zmiany wartości momentu skręcającego, szczególnie (powodowane różnymi czynnikami) gwałtowne
wzrosty jego wartości, ponieważ może to doprowadzić do uszkodzenia maszyny. W przypadku takiego zajścia wsteczna analiza przebiegu wartości momentu skręcającego na wałach napędowych może dać odpowiedź, w którym momencie czasu nastąpiło uszkodzenie (wysokie „piki” na wykresie poniżej) oraz pomóc w ustaleniu jego przyczyny (rys. 3).

Rys. 3. Przebieg wartości momentu skręcającego w czasie pracy urządzenia

Okładziny robocze w prasach walcowych
    Nacisk na warstwę materiału znajdującego się pomiędzy rolkami prasy nie jest jednakowy na całej długości  roboczej rolek i zmniejsza się w pobliżu ich końców. Zmniejszona wartość siły nacisku na brzegach rolek nosi nazwę tzw. edge effect (efekt brzegowy) i powoduje mniej efektywne rozdrabnianie materiału w pobliżu obu końców rolek. Szacuje się że efekt brzegowy występuje w odległości około 1,2 s od końców walców, czyli około 2,4-3% średnicy walca (rys. 4).
    Rolki w prasach walcowych mogą być wykonane w różny sposób. W przemyśle cementowo-wapienniczym najczęściej spotyka się rolki wykonane z jednolitego materiału z powierzchnią roboczą walca odpowiednio ukształtowaną (najczęściej wzór w „jodełkę” – tzw. welded, rzadziej w „karo” – diamond). Rolka taka jest stosunkowo tania w wykonaniu, w razie potrzeby można kilkakrotnie dokonać renowacji powierzchni. Zasadniczą wadą takiego rozwiązania jest konieczność  wymiany całej rolki po znacznym zużyciu się materiału na powierzchni walca.

Rys. 4. Wartości siły nacisku wywierane na prasowaną warstwę materiału wzdłuż osi walca

        Kolejne rozwiązanie to umieszczenie na rolce obręczy z okładziną roboczą. Jest to droższe, jednak po zużyciu się okładziny wystarczy wymienić samą obręcz, natomiast wał rolki jest w dalszym ciągu wykorzystywany, jego żywotność jest zdecydowanie dłuższa niż w przypadku rolki z jednolitego materiału.
    Innym rozwiązaniem są okładziny segmentowe; składają się one z reguły z dwunastu segmentów, które zamontowane jeden obok drugiego tworzą pełną obręcz stanowiącą okładzinę roboczą. Zaletą takiego rozwiązania jest możliwość zmiany zużytych części bez potrzeby demontażu rolki z prasy. Segmentowe okładziny stosuje się, gdy istnieje konieczność częstej wymiany szybko zużywających się okładzin roboczych.
    Jednolite walce są popularne przy rozdrabnianiu klinkieru, obręczowe okładziny robocze są najczęstszym rozwiązaniem stosowanym przy rozdrabnianiu rud, natomiast okładziny segmentowe wykorzystuje się do bardzo abrazyjnych materiałów. Dla obręczy można używać najwyższej siły nacisku, ponieważ istnieje niskie prawdopodobieństwo mechanicznego uszkodzenia powierzchni roboczej. Rolki jednolite przewidziane są do niższych sił nacisku, co wiąże się z obniżeniem ryzyka uszkodzenia wału. W przypadku poważniejszej awarii trzeba ponieść wysokie koszty wymiany całej rolki oraz liczyć się z najdłuższym czasem przestoju urządzenia, w porównaniu z okładzinami obręczowymi i segmentowymi. Segmentowe okładziny przewidziane są do stosowania najniższych wartości sił nacisku. Wiąże się to ze zwiększonym prawdopodobieństwem pęknięcia brzegu segmentu przy punktowym działaniu zbyt dużej siły nacisku. Okładziny segmentowe stosuje się najczęściej przy procesie brykietowania (fot. 1).

Fot. 1. Efekt działania zbyt dużej siły nacisku i uszkodzenie okładziny segmentowej

 Porównanie z efektów rozdrabniania z innymi urządzeniami
    Wysokociśnieniowe prasy walcowe mogą być stosowane w technologicznym układzie rozdrabniania na drugim lub trzecim stopniu jako alternatywa do kruszarek stożkowych, młynów kulowych i in. Według jednego z producentów wysokociśnieniowe prasy walcowe produkują materiał o szerszym zakresie składu ziarnowego oraz większym udziale frakcji drobniejszych w porównaniu z innymi urządzeniami rozdrabniającymi, pracującymi na drugim stopniu rozdrabniania.
    Jako przykład porównane są efekty osiągnięte przez prasę walcową i kruszarkę stożkową (rys. 5). Oba produkują materiał o podobnym ziarnie 80%, jednak prasy walcowe wytwarzają materiał o większym udziale frakcji drobniejszych, przy równoczesnym małym udziale frakcji najdrobniejszych (poniżej 0,1 mm). Ma to znaczenie w przypadku wzbogacania rud, ponieważ materiał nie ulega przemielaniu.   
    Prasy walcowe z powodzeniem mogą zastępować pracujące na drugim lub trzecim stopniu mielenia młyny. Reprezentatywna próba rudy miedzi została rozdrobniona  w prasie walcowej oraz młynie kulowym. Rezultaty przedstawione zostały na rys. 6.

Rys. 5. Porównanie efektów rozdrabniania w kruszarce stożkowej i prasie walcowej (materiały reklamowe producenta pras)

    Analizując wykres można stwierdzić, że produkty obu urządzeń mają podobne składy ziarnowe, czyli prasą walcową można z powodzeniem zastąpić młyny kulowe. W opiniach światowych ekspertów od technologii rozdrabniania, młyny kulowe są technologią przestarzałą, która w zasadzie wchodzi w swój schyłkowy etap. Dodatkowym  argumentem przemawiającym za prasami walcowymi jest energochłonność obu urządzeń. Dla prasy walcowej wynosi ona EHPGR=1,05 kWh/Mg, a dla młynów prętowych EMP=1,75, zatem oszczędność energii po zastąpieniu młynów prasą walcową to ok. 40%. W artykule nie zostały wzięte pod uwagę aspekty ekologiczne (mniejsze drgania, hałas i emisja ciepła) oraz techniczno-projektowe (mniejsze gabaryty i zabudowa instalacji), a także eksploatacyjne (rzadsze przestoje i mniejsze zużycie elementów roboczych). Porównując je z tradycyjnymi technologiami należy się spodziewać wzrostu przemysłowych aplikacji wysokociśnieniowego rozdrabniania.

Rys. 6. Porównanie efektów rozdrabniania w młynie prętowym i prasie walcowej

 Warto zapamiętać
    Prasy walcowe są urządzeniami zaawansowanym technologicznie. Jednocześnie to jedna z najefektywniejszych metod rozdrabniania surowców mineralnych. Poprawiają się zdecydowanie stopnie rozdrobnienia produktów przy uzyskiwanej lepszej wydajności urządzenia. Prasy walcowe pozwalają także zaoszczędzić od 10 do 30% energii elektrycznej w zależności od typu surowca. W zależności od potrzeby można dobrać urządzenie o wydajności nawet do 4000 Mg/h, a otrzymywany produkt posiada szeroki zakres uziarnienia, w zależności od doboru parametrów technicznych procesu. Technologia wysokociśnieniowego rozdrabniania z powodzeniem może być nowoczesną alternatywą dla większości urządzeń rozdrabniających na drugim lub trzecim stadium rozdrabniania w technologicznych układach przeróbczych, zwłaszcza dla w zasadzie przestarzałych młynów prętowych. Szerokość szczeliny wylotowej w prasie walcowej nie jest parametrem bezpośrednio sterowalnym, ale jej wartości można z powodzeniem określić za pomocą odpowiednich modeli matematycznych. Modele te zależą także od właściwości fizykomechanicznych nadawy.

Autor: dr inż. Daniel Saramak, Akademia Górniczo-Hutnicza

Artykuł został opublikowany w magazynie "Surowce i Maszyny Budowlane" nr 3/2011

Literatura
1. Gawenda T.: Główne aspekty rozdrabniania twardych surowców mineralnych w wysokociśnieniowych prasach walcowych, Górnictwo i Geoinżynieria, 33/4, 2009.
2. Materiały reklamowe KDH HUMBOLDT WEDAG, 2010.
3. Naziemiec Z., Saramak D: Analiza zmian obciążenia materiału w strefie zgniotu pras walcowych, Górnictwo i Geoinżynieria, 33/4, 2009.
4. Saramak D., Tumidajski T., Brożek M., Gawenda T., Naziemiec Z.: Aspects of comminution flowsheets design in processing of mineral raw materials, Gospodarka Surowcami Mineralnymi 26/4, 2010.
5. Saramak D.: Analiza powiązań pomiędzy parametrami technologicznymi pras walcowych z wykorzystaniem analizy czynnikowej, Górnictwo i Geoinżynieria 34/4, 2010.