HPGR malning av anrikningsrågods i MPC-krets

(1)

EXAMENSARBETE

2009:115 CIV

Erik Degerstedt

CIVILINGENJÖRSPROGRAMMET Kemiteknik

Luleå tekniska universitet

Institutionen för Tillämpad kemi & geovetenskap Avdelningen för Mineralteknik

HPGR malning av anrikningsrågods i MPC- krets

2009-07-22

M7002K Erik Degerstedt Luleå tekniska universitet

Institutionen för Tillämpad Kemi och Geovetenskap

Examensarbete

(2)

HPGR malning av anrikningsrågods i MPC- krets

2009-07-22

M7002K Erik Degerstedt Luleå tekniska universitet

Institutionen för Tillämpad Kemi och Geovetenskap

(3)

Sammanfattning

På LKAB:s produktionsanläggning i Malmberget vill LKAB öka produktionskapaciteten med ca 20 % i anrikningsverket. Ett av flera alternativ för att uppnå en sådan kapacitetsökning är att installera en HPGR (High Pressure Grinding Roll) i en av Malmbergets sektioner. Tidigare studier av HPGR har visat på en möjlig kapacitetsökning samt en energibesparing.

En försöksserie har genomförts för att undersöka hur väl Malmbergets malm (med interna specifika benämningen PAR) krossas i en HPGR samt om malmens malbarhet ökar. Testerna är genomförda på Hacettepe universitet i Ankara, Turkiet, med deras tryckutrustning anpassad för HPGR undersökningar. Testerna ger viktiga materialparametrar som sedan används i simuleringar och beräkningar för att kunna besvara frågor kring energiåtgång och kapacitetsökning.

Resultaten från beräkningarna och simuleringarna visar att det finns en potentiell möjlighet till kapacitetsökning i de efterföljande malningsstegen samt att den specifika energin för kretsen blir lägre. Den uppskattade kapacitetsökningspotentialen uppgår till mellan 5 - 13 % vilket till stor del beror på ett finare material in till primärkvarnen jämfört med dagens krets. I den uppskattade potentialen har den förbättrade malbarheten antagits ge effekt på enbart primärmalningssteget. Den specifika energin sänks med mellan 1 - 7 %. Påpekas bör dock att den totala energiförbrukningen i kretsen givetvis ökar om en HPGR installeras utan att någon annan utrustning plockas bort. Beräkningarna och simuleringarna bygger på att HPGR installeras i en öppen krets.

I denna rapport har också förekomsten av mikrosprickor undersökts före och efter pressning av materialet. Från undersökningen finns det visst belägg för att dra slutsatsen att pressningen genererar mikrosprickor, vilka i sin tur förbättrar malbarheten för materialet. Flest sprickor har genererats i de hårdare gråbergspartiklarna.

Arbetet med HPGR alternativet för ökad kapacitet bör fortsätta. I första hand bör försöksmalningar med pressat material göras för att verifiera de beräknade och simulerade värdena i en framtida HPGR krets.

(4)

Abstract

The capacity in the LKAB concentrator in Malmberget needs to be increased by approximately 20 % within a couple of years. One of many options to do this is to install a High Pressure Grinding Roll (HPGR) in one of the concentrator circuits. Earlier studies of HPGR have shown that an increase in the capacity and a decrease in energy consumption are possible.

A series of test have been done on the Malmberget ore (with specific internal code PAR) to be able to draw conclusions about how fine a HPGR might crush the ore and how the grindability of the material is affected. The tests were made at Hacettepe University in Ankara, Turkey, with a pressing equipment that may press the material with different pressures. The tests give the material parameters used in calculations and simulations of the circuit. Based on the simulation results conclusions about the capacity increase and energy savings are made.

The results from the calculations and simulations show that a potential for capacity increase exists. The specific energy consumption is lowered between 1 – 7 %. The potential increase in the capacity is estimated between 5 - 13 % mostly depending on a finer feed material to the primary mill compared to present conditions. In the estimated potential it is assumed that the effect of the higher grindability only has effect in the primary grinding step. It is important to note that the total energy consumption of course increases when installing an HPGR without replacing other equipment. The simulations and calculations are based on HPGR in an open circuit.

In this report the enhancement of micro cracking during pressing of the material is also investigated. The conclusions are that the pressing increase the number of micro cracks and that the harder gangue particles have more micro cracks than the softer magnetite. Micro cracks facilitate grinding in the downstream mill operations.

The studies of a HPGR in Malmberget circuit should be continued with respect to possible increase in capacity. Grinding tests on pressed material needs to be done to evaluate the calculated potential for increase in capacity.

(5)

Sammanfattande tabell över resultat

Kapacitet (ton/h)

Simulerad kapacitet utifrån d80 (ton/h) 251,6 274,0 283,3 304,2 Kapacitetsökning (utifrån d80) 0% 9% 13% 21%

Simulerad kapacitet utifrån <45 µm

(ton/h) 251,6 258,2 265,2 286,6 Kapacitetsökning (utifrån <45µm) 0% 3% 5% 14%

Kapacitetshöjningen beräknad med d80 Specifik energi (kWh/t) Enhet

Dagens krets (Alt 0)

Tänkt krets (Alt 1)

HPGR 0,0 1,5 1,5 1,5

Duopactor 0,6 0,0 0,0 0,0

Primärkvarn 5,2 4,8 4,6 4,3

Sekundärkvarn 9,1 8,4 8,1 7,6

Tertiärkvarn 8,8 8,1 7,8 7,3

Totalt (kWh/t) 23,7 22,7 22,0 20,6

Energiförändring (%) 0% -4% -7% -13%

Kapacitetshöjningen beräknad med

%<45 µm Specifik energi (kWh/t) Enhet

Dagens krets (Alt 0)

HPGR 0,0 1,5 1,5 1,5

Duopactor 0,6 0,0 0,0 0,0

Primärkvarn 5,2 5,1 4,9 4,6

Sekundärkvarn 9,1 8,9 8,7 8,0

Tertiärkvarn 8,8 8,6 8,3 7,7

Totalt (kWh/t) 23,7 24,0 23,4 21,8

Energiförändring (%) 0% 1% -1% -8%

Tabellen ovan ger en sammanställning över den kapacitetsökning och förändring i specifik kapacitet som kan uppnås.

I tabellen har fyra scenarion beräknats. Nollalternativet (Alt 0) är en beräkning på dagens krets. Första alternativet (Alt 1) utgår från att det minskade Bond Work Index inte har någon effekt på malbarheten och därmed kapaciteten i efterföljande steg. Den förbättrade kapaciteten som uppnåtts beror enbart på ett finare material in i primärkvarnen. Andra alternativet (Alt 2) utgår från att det minskade Bond Work Index även påverkar malbarheten i det efterföljande malningssteget (primärkvarnen). Tredje alternativet (Alt 3) utgår från att det minskade Bond Work Index påverkar malbarheten i sekundär- och tertiärmalning. Det andra alternativet är det sannolikaste och bör därför användas som mått på vilken kapacitetsökning som kan göras med en HPGR.

För Alt 2 kan en kapacitetsökning på mellan 5 - 13 % göras. Den specifika energin sjunker med mellan 1 – 7 % för kretsen. Dock ökar den totala energiinsatsen i kretsen eftersom HPGR i sig drar energi och i beräkningen inte ersätter någon av de energikrävande kvarnarna.

(6)

Innehållsförteckning

1 Inledning ... 6

2 Dagens process... 6

2.1 Materialet ... 10

3 Uppgiften... 11

4 Principen för HPGR malning... 12

5 Litteraturstudie ... 13

5.1 Energiförbrukning ... 13

5.2 Kapacitet... 16

5.3 Genererande av mikrosprickor ... 17

5.4 Malbarhet i efterföljande steg ... 17

5.5 Slitage och tillgänglighet... 18

6 Försök ... 19

6.1 Energi och tryckförsök ... 19

6.1.1 Försöksplan ... 19

6.1.2 Försöksmetod ... 20

6.1.3 Resultat... 21

6.2 Energiberäkningar vid bibehållen kapacitet... 26

6.3 Kapacitetsberäkningar... 26

6.4 Mikrosprickor... 34

6.4.1 Metod för att undersöka mikrosprickor ... 34

6.4.2 Mikrosprickor före Duopactor ... 34

6.4.3 Mikrosprickor efter tryckförsök ... 36

7 Tänkbara processalternativ för HPGR... 38

7.1 Öppen eller sluten krets... 38

7.2 Alternativ för slutna kretsar... 38

7.2.1 Klasseringen... 38

7.2.2 Material in i HPGR ... 38

7.2.3 Returströmmar ... 39

7.3 Möjliga alternativ ... 39

7.3.1 HPGR i sluten krets... 39

7.3.2 HPGR i sluten krets med en delström från sovringsverket. ... 41

7.3.3 HPGR i sluten krets där HPGR krossar grovfraktionen... 42

7.3.4 HPGR i sluten krets där produkten på ytterkanterna återcirkuleras... 43

8 Felkällor ... 44

9 Diskussion om uppnått resultat ... 44

10 Förslag till vidare studier ... 46

11 Slutsats... 47

12 Slutord ... 47

13 Referenser ... 48

14 Bilaga 1 ... 49

15 Bilaga 2 ... 57

16 Bilaga 3 ... 62

17 Bilaga 4 ... 92

18 Bilaga 5 ... 94

19 Bilaga 6 ... 108

(7)

1 Inledning

Företaget LKAB är en järnmalmsproducent med produktionsanläggningar i malmfälten i norra Sverige. Anläggningarna i Kiruna och Malmberget levererade 2008 ca 23 miljoner ton färdiga produkter till stålverk främst i Europa. LKAB är en högteknologisk mineralkoncern och stora summor satsas årligen på forskning och utveckling av företagets processer och produkter. Koncernen LKAB har ca 3800 anställda i produktionsanläggningar i Sverige samt säljkontor och dotterbolag utanför Sverige.

På LKAB:s anläggning i Malmberget finns det ett behov av att undersöka möjligheter till kapacitetsökning och energibesparing i anrikningsverket. Under de kommande fem åren kommer en kapacitetsökning på ca 20 % att behövas i verket för att kunna möta efterfrågan.

Ett sätt att öka kapaciteten är att producera ett finare anrikningsrågods, s.k. PAR (Pellets anrikningsrågods) till kvarnsektionerna.

För att åstadkomma ett finare anrikningsrågods än dagens anses High Pressure Grinding Roll (HPGR) vara en av de mest energieffektiva och bäst lämpade utrustningarna. HPGR anses också generera mer mikrosprickor i materialet som gör det lättare att mala och därmed ge en möjlighet till kapacitetsökning i de efterföljande malningsstegen. LKAB har tidigare gjort tester och studier med HPGR, men materialet från Malmberget bör testas i en lämplig tryckutrustning för att kunna dra slutsatser om hur väl det skulle fungera i Malmbergets anrikningsverk.

Vidare är det den totala energiåtgången i hela systemet intressant vilket innebär att den energi som det tar att driva HPGR måste tas igen genom minskad energianvändning i de efterföljande stegen.

2 Dagens process

Idag ser processen ut som framgår av figur 1 och figur 2.

(8)

Figur 1. Processchema över Malmbergets sovrings- och anrikningsverk.

Se kti on 5, 6, 7, 8

Sektion 5,6

Anrikning

Sektion 3

Sektion 1 Hematit Kross

30,40

Avfall

40–100 mm

MPCO Buv resp MK3 Till Sandmagasin

Vitåfors Råmalm 45 % Fe

MAF PAR

FAR

Avfall

0–60 mm Avfall KROSS

Avfall GBA

Avfall MULL

Avslamning till förtjockare

Alliansen Råmalm 45 % Fe GRAM

Duopactor

HAR

Till MPC

MACBB MACA

Till MPC

Till MPC produktion

Tillsatsmedel

Till MPC produktion

Returvatten Avfall

MAFOS

Avfall från separatorer Sektion 2

Bergficka Bilfickal

Sektion 6 Sektion 4,5

Avfall

Avfall Avfall

Avfall

Avfall Avfall

Avfall

Avfall Avfall

HPAR

Sovring, Anrikning LKAB Malmberget

Sovring

Lappkyrkan Allianssilos

MPC MHP C

Till MPC produktion 31KV001

Duopactor Duopactor

1

(9)

Figur 2 Principschema över kvarnkrets för malning av PAR (MPC-processen).

I figuren 1 syns PAR-linjen och MPC-processen som är den aktuella kretsen för kapacitetshöjning. En HPGR installation bör ske före Duopactorn (märkt med 1). Duopactorn kan i sin tur användas som deagglomererare, om så krävs, alternativt kan den tas ur drift. I figur 2 kan ett principschema över PAR-kretsen ses.

Anrikningsprocessen - MPC

Detaljerat flödesschema

PAR

K-slig MAF- överkorn

^MPC

(10)

Materialet från Malmbergsgruvan passerar först sovringsverket där malmen krossas, siktas och magnetsepareras för att uppnå rätt fraktion (d80 kring 7-8 mm) och halt. Efter sovringsverket förs malmen vidare till anrikningsverket där den först möter Duopactorn som är en autogen kross. Därefter sker magnetseparering och en primärmalning i form av en kulkvarn, följt av magnetisk separering, sekundärmalning, magnetisk separering och avslutande tertiärmalning.

Den totala energiåtgången för systemet sammanfattas i tabell 1.

Tabell 1. Tabell över energiförbrukning för enheter i PAR-kretsen.

Enhet Energiförbrukning (kWh/t)

Duopactor 0,6 Primärkvarn 5,2 Sekundärkvarn 9,1 Tertiärkvarn 8,8

Totalt 23,7

Tabell 1 visar att den totala energiförbrukningen uppgår till 23,7 kWh/ton. En sammanställning över tillgängligheten för de olika enheterna kan ses i tabell 2.

Tabell 2. Tabell över slitage/åtgång av malmedium samt tillgängligheter fördelat på olika enheter i PAR-kretsen.

Enhet Planerad

ställtid (h)

Tillgänglighet (%)

Duopactor 380 95,7 Hela kvarnsektionen 340 96,1

Från tabell 2 framgår att tillgängligheten för kretsen är över 95 % för alla enskilda enheter.

Hela kvarnsektionen står stilla då någon av primär-, sekundär- eller tertiärkvarnarna behöver underhållas. Därför redovisas endast den totala tillgängligheten för kvarnsektionen. Räknat över alla enheter är tillgängligheten 92,0 %.

Partikelstorlekar för produkter från olika enheter framgår av tabell 3.

Tabell 3 Partikelstorleksfördelningar från olika enheter i PAR-kretsen

Enhet Ingående storlek

(d80 [µm])

Utgående storlek (d80 [mm])

Duopactor 8000 4500

Första magnetseparatorn 4500 4200

Primärmalningssteg 4200 323

Andra magnetseparatorn 323 341

Sekundärmalningssteg 341 136

Tredje magnetseparatorn 136 136

Tertiärmalningssteg 136 65

(11)

2.1 Materialet

För tester har ca 200 kg provmaterial tagits ut. Provuttaget (uttagningspunkt märkt med 1 i figur 1) skedde 2009-02-02 kl 15.15. Det uttagna provets siktkurva enligt figur 3

PAR efter kross

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

10 100 1000 10000 100000

Partikelstorlek µm

Kumulativ %

Figur 3 Partikelstorleksfördelning för uttaget material

Fördelningens karakteristiska form (med en puckel i mitten) är ett kännetecken för Malmbergsmalmen och kommer sig av att malmen består av två huvudkomponenter – magnetit och gråberg, där magnetit har en naturlig kornstorlek upp till max ca 1 mm.

Storleken på materialet är d80 = 8 mm vilket framgår i figuren.

Kemiska och fysikaliska analyser av materialet har givit resultat enligt tabell 4.

(12)

Tabell 4 Kemiska och fysikaliska analyser över uttaget PAR materialet.

Fe % 61,48

P % 0,183

SiO2 % 8,46

K2O % 0,220

Al2O3 % 1,59

CaO % 1,74

MgO % 1,68

MnO % 0,06

TiO2 % 0,65

V2O5 % 0,225

CaO/SiO2 %/% 0,21

MgO/SiO2 %/% 0,20

MgO+SiO2 % 10,14

P2O5 % 0,419

Na2O % <0,050

Na2O+K2O % 0,270

FexOy % 85,46

SumOx % 100,55

Fe_ber % 61,08

Våtvikt g 16,344

Torrvikt g 16,262

Tara g 1,164

H2O % 0,540

De kemiska analyserna är genomförda på LKAB:s laboratorium i Malmberget med XRF instrument. Analyserna är gjorda på materialet i sin helhet. En uppdelning av analyserna per fraktion har gjorts i tidigare studier [17] och har visat på att finfraktionen innehåller en större andel järn än grovfraktionen. Av den studien kan man dra slutsatsen att fraktionen under 1 mm består av mestadels magnetit medan grovfraktionen över 1 mm består mestadels av gråberg. Ytterligare noteringar som kan göras ur tabell 4 är att fukthalten understiger 1 % i uttaget prov.

3 Uppgiften

Uppgiften går ut på att undersöka hur väl HPGR kan krossa ner materialet som kommer in i PAR-kretsen. Flera aspekter ska tas i beaktande. Till hur fint rågods kan HPGR krossa samt vilken energi åtgår för operationen? Till vilken finlek ska HPGR krossa för att nå optimal energiförbrukning i kretsen? Vilket är det optimalt ingående godset till en HPGR? Hur ser förekomsten av mikrosprickor ut före respektive efter en HPGR? Ovanstående svar ska ge en vägledning inför beslut om det är aktuellt att gå vidare med att prova en HPGR för LKAB Malmbergets processer.

(13)

4 Principen för HPGR malning

En HPGR består av två valsar som pressas mot varandra. Mellan valsarna matas materialet så att krossgapet hålls fullt. Trycket från valsarna ger upphov till starka interpartikulära krafter vilka i sin tur krossar partiklar. En tätt packad bädd genom HPGR är då att föredra eftersom de interpartikulära krafterna blir fler. Valsarna i HPGR-utrustningen roterar med en relativt låg hastighet.

Figur 4 Principen för en HPGR. [Fuerstenau D.W., Shukla A. och Kapur P.C.]

Från figur 4 framgår principen för en HPGR. En kvarn av denna typ bör vara fullmatad då material alltid ska finnas mellan valsarna i en HPGR. Utgående material blir sammanpressat till en hård kaka som bör deagglomereras i efterföljande steg, vilket är särskilt viktigt om HPGR körs i en sluten krets där materialet ska klasseras med en sikt. Vid en direkt transport av materialet till en kvarn kommer kvarnen i sig att vara deagglomererare. Till en av valsarna appliceras ett högt tryck medan den andra valsen är fast. Det höga trycket medför ett slitage på valsytorna samt även de mekaniskt tillhörande delarna som t ex kullager. I de senaste installationerna består valsytorna av wolframkarbid vilket är ett hårt material som ger ett lågt slitage.

Från figur 5 nedan visas hur en HPGR-installation kan ser ut i en verklig produktionsmiljö.

Bilden är från ett cementverk i Izmir i västra delen av Turkiet. Från bilden framgår de två valsarna varav den högra är den rörliga valsen samt den vänstra är den fasta valsen. I förgrunden finns de två motorer som driver valsarna. Ovanför HPGR ligger matningssilon vilken är nödvändig för att HPGR ska vara fullmatad. Utrustningen är innesluten för att förhindra damm i lokalen samt även för att undvika att rörliga delar exponeras.

(14)

Figur 5 Bildexempel på hur en HPGR installation ser ut i produktionsmiljö

5 Litteraturstudie

En litteraturstudie över HPGR är gjord och den kan delas upp i flera delar. HPGR:s energiförbrukning, kapacitet, genererande av mikrosprickor, malbarhet i efterföljande steg samt slitage och tillgänglighet.

5.1 Energiförbrukning

I artikeln Energy efficiency and potential energy savings of using High pressure grinding roll (HPGR) technology [1] redogör författaren för vilken energibesparing som kan åstadkommas genom att mala olika typer av material genom en krets med HPGR. Kretsen, som bestod av en HPGR med ett efterföljande kulmalningssteg jämfördes sedan med enbart en kulkvarn med avseende på energiåtgång. Jämförelsen gjordes så att det blev samma storlek på slutprodukten i HPGR kretsen som för den konventionella kulkvarnen. Försöken med ett PbZn-material visade en energianvändning på 12,1 kWh/t i den konventionella kretsen jämfört med en energianvändning på 5,1 kWh/t i HPGR-kretsen för samma slutprodukt på 300 µm. Detta är en minskning av energianvändningen med mer än 50 %. Att notera är också att för platina- och krommaterial uppvisas inte en lika stor energibesparing.

I artikeln Selection and operation of high pressure grinding rolls circuits for minimum energy consumption [2] har författaren undersökt förhållandet mellan produktstorlek och energianvändning för en HPGR krets med olika typer av malmer. Testmalningarna har utförts i laboratorieskala. I rapporten framgår att olika malmer har skilda förhållanden mellan produktstorlek och energianvändning. De malmer som testats är olika malmer av zink, guld, koppar och nickel. Järnmalm har inte testats. Författaren har utöver detta kommit fram till att

(15)

den specifika energin¹ (kWh/t) för malning genom en HPGR är beroende av det specifika trycket² (N/mm²) som appliceras genom pressrullarna. Ökat tryck ger ökad energianvändning.

För de testade guld- och zinkmalmerna är förhållandet mellan specifik energi och specifika trycket linjärt. Utöver dessa tester har författaren även undersökt hur Bond Work Index³ beror av specifikt tryck. Det visar sig att de undersökta produkterna från HPGR krossningen får ett lägre Bond Work Index om de utsätts för ett högre specifikt tryck. Ett lägre Bond Work Index leder till lägre energiåtgång i efterföljande malning. Läsarna av artikeln inser snabbt att om det går åt energi för att öka det specifika trycket samtidigt som en ökning av trycket leder till mer energisnål malning i efterföljande steg, måste det finnas ett energioptimum i en krets innehållande HPGR med minst ett efterföljande malsteg. Artikelförfattaren redogör för ett sådant optimum för såväl guld som zinkmalm. Även om järnmalm inte har testats är det troligt att ett energimässigt optimum finns i en HPGR-kulkvarnskrets på samma sätt som för zink och guld. Genom att utföra malningar på liknande sätt som författaren bör ett sådant optimum kunna hittas även för järnmalm.

I artikeln Some Benefits of using studded surfaces in high pressure grinding rolls [3] gör författarna ett test med förhållandet över specifikt tryck och specifik energi för en järnmalm.

Varifrån järnmalmen är tagen framgår inte. Från laboratorietestkörningarna framgår det att för en järnmalm i HPGR vid släta rullytor, en max matningsstorlek på 9,5 mm, rullhastighet på 0,38 m/s och ett specifikt tryck på 9,5 N/mm² har i detta försök fått ett specifikt energivärde på ca 4,5 kWh/t. Relationen mellan specifikt tryck och specifik energi bedöms av författaren vara linjärt.

Tester med icke släta (grova) ytor har också gjorts av artikelförfattarna. Vid en jämförelse mellan släta ytor och grova ytor har författarna konstaterat att i fallet med järnmalm så ger grova ytor en bättre specifik energi vid samma specifika tryck i förhållande till om ytorna är släta. En extrapolering av testvärdena visar på att för ett specifikt tryck på 9,5 N/mm²ligger den specifika energin på 4,0 kWh/t.

Vidare har även förhållandet mellan specifik energi och produktens d50 undersökts.

Förhållandet är omvänt proportionellt där låga d50 kräver mycket höga specifika energier. Vid en matning med maximal storlek på 9,5 mm, en slät yta, en rullhastighet på 0,38 m/s och ett önskat d50 = 1,5 mm behöver en specifik energi på ca 1 kWh/t tillföras. Vid samma inställningar men med ett önskat d50 = 0,5 mm behöver en specifik energi på ca 4,5 kWh/t tillföras. Nedkrossningen av den sista ”millimetern” är starkt energikrävande.

Artikeln A structured approach to the evaluation of the energy requirements of HPGR and SAG mill circuits in hard ore application [4] har genom simuleringar i programmet JKSimMet kommit fram till att en HPGR kan spara ca 25 % av energiförbrukningen jämfört med en krets med en SAG (Semi Autogenous Grinding) kvarn. Materialet har krossats och malts ner från ett d80 = 125 mm till ett d80 = 140 µm. HPGR krossar i denna simulering materialet från ett d80 = 28,6 mm till ett d80 = 10,1 mm.

I artikeln Energy consumption and product size distribution in choke-fed, high-compression roll mills [5] har försök med malning av hematit i en HPGR i labbskala gjorts. Från detta

1 Specifik energi (kWh/t) är definierat som den energimängd som går åt per ton processat material

2 Specifikt tryck (N/mm²) är definierat som den pålagda kraften dividerat med den projicerade arean av rullen (Rullens bredd x diametern).

3 Bond Work Index är ett mått på hur mycket energi som krävs för att mala ett material till d80=100µm [Wills B, Mineral Processing Technology, Sixth edition, p113, ISBN 0 7506 2838 3, Burlington 1997 ]

(16)

försök framgår att för att mala ner en partikel med en reduktionskvot⁴ på 5 från en ingående storlek på maximalt 8x10 mesh (partiklarna mindre än 2,0 mm) krävdes en specifik energi på 2,0 kWh/t. Matningen till HPGR var fullmatad.

LKAB har genomfört tidigare försök med HPGR för järnmalm. I internrapporten nr 87-704 [6] redogörs för gjorda försök. De utförda testerna visar att ett järnmalmsmaterial med hög fosforhalt med d80 = 15 mm kan krossas ner i en HPGR till d80 = 2,5 mm med en specifik energi på 2,1 kWh/t. Vidare har en annan typ av järnmalm med låg fosforhalt kunnat krossas från d80 = 7 mm till d80= 3,3 mm med en specifik energi på mellan 1,5-2,25 kWh/t.

I LKAB:s internrapport nr 88-731 [7] redogörs för gjorda försök. De utförda testerna visar att järnmalm med låg fosfor har krossats ner från ett d80 = 6,80 mm till d80 = 4,05 mm med en specifik energi på 1,2 kWh/t. I samma rapport har ett järnmalmsmaterial med ett d80 = 8,50 mm nedkrossats till ett d80 = 3,30 mm genom en specifik energitillsats på 1,9 kWh/t.

I ytterligare en intern rapport från LKAB nr 89-735 [8] finns resultat från gjorda försök med järnmalm. Ett PAR-material med d80 = 5,00 mm nedkrossades till d80 = 1,00 mm med en specifik energiåtgång på 2,8 kWh/t. Vidare anges att energibesparingen i en HPGR krets är ca 21 % jämfört med en kulkvarnskrets.

I internrapporten nr 90-769 [9] har ett PAR material 0-40 mm nedkrossats i en HPGR.

Materialet har krossats från ett d80 = 8,0 mm till d80 = 0,5 mm med den specifika energin på 3,6 kWh/t.

I internrapporten nr 91-732 [10] framgår resultat från gjorda försök med ett PAR-material. 10 kton PAR material har nedkrossats från d80 = 8,0 mm till d80 = 3,0 mm. Den specifika energin uppgick till 2,0 kWh/t.

I internrapporten nr 98-741 [11] finns en sammanställning över KHD Humboldt Wedag AG (KHD) HPGR-installationer för järnmalm. Från denna framgår att en järnmalm som processats i CVRD Supel, Brasilien, har nedkrossats från en största storlek på 30 mm ned till ett d50 = 500 µm. Erfarenheter från 4000 drifttimmar visar på en specifik energi om 2,75 kWh/t.

I internrapporten nr 99-755 [12] samt 08-135 [13] finns försöksdata från testförsök gjorda av KHD. Testförsöken gjordes med anledning av att LKAB ville undersöka om en HPGR kunde ersätta Duopactorn i nuvarande processchema i Malmberget. PAR-materialet har d80 = 12 mm och nedkrossades till d80 = 4,5 mm med den specifika energin på 1,3 kWh/t. Genom att testa HPGR i en sluten krets kunde en produkt på d80 = 0,8 mm siktas ut i den efterföljande malningen. Den cirkulerande lasten som erhölls var 33 %. En efterföljande labbmalning gjordes även av HPGR produkten där det visade sig att den totala energiåtgången för att krossa materialet i HPGR samt mala ner det till d80 = 56 µm blev 16,3 kWh/t. Detta ska jämföras mot enbart kulkvarnsmalning som behöver 20,5 kWh/t vilket innebär att en HPGR kan ge en energibesparing på ca 20 %.

Ovanstående litteratursammanfattning ger en grov översikt över vad som är gjort på området sedan tidigare. Högst troligt finns det ännu fler tester med HPGR krossning av järnmalm

4 Reduktionskvot är kvoten mellan d50 för ingående material och d50 för produkten. En reduktionskvot på 5 anger att materialet malts ner till 20% av sin tidigare storlek.

(17)

gjorda men merparten av dessa är då sådant som inte är sökbart i allmänna databaser. Från tabell 5 kan en sammanställning över de specifika energier som uppmätts ses.

Tabell 5 Tabell över energiåtgång för olika HPGR försök från sammanställd litteratur Material

Författare Nr Materialtyp

Matnings- storlek (d80, µm)

Produkt- storlek

(d80, µm) Anmärkning

Energiåtgång (kWh/t) HPGR

försök

Energibesparing jämfört med andra

kretsar

M.J. Daniel 1 Bly, zink 1106 300

HPGR + kulkvarns-

malning 5,1 50%

W.I.L. Lim and

K.R. Weller 3 Järnmalm <9500 500*

Släta ytor,

*=d50 4,5 W.I.L. Lim and

Släta ytor,

*=d50 1,0 W.I.L. Lim and

Grova ytor,

*=d50 4,0 Rosario P. and

Hall R. 4

Simulerade

hårda malmer 28601 10127 3,34 25%

D.W. Fuerstenau, A. Shukla and

P.C. Kapur 5 Hematit <2000 <400 2,0

A. Anttila 6 Järnmalm 15000 2500 2,1

A. Anttila 6 Järnmalm 7000 3300 1,5-2,25

Å. Sundvall 7 Järnmalm 6800 4050 1,2

Å. Sundvall 7 Järnmalm 8500 3300 1,9

J-C. Gärde 8 PAR 5000 1000 2,8 21%

B. Andreasson 9 PAR 8000 500 3,6

J-C. Gärde 10 PAR 8000 3000 2,0

A. Anttila 11 Järnmalm <8500 500* *=d50 2,75 A. Anttila, Å.

Sundvall

12

13 PAR 12000 4500

Sluten krets, d80=800µm

efter siktning 1,3 20%

Alla försök enligt tabell 5 är gjorda i antingen en laboratorieutrustning, pilotutrustning eller i produktionsmiljö. Inget försök är gjort genom trycktester.

5.2 Kapacitet

I LKAB:s interna rapport nr 88-731 [7] anges en formel för att beräkna kapaciteten på en HPGR. Denna formell beskrivs nedan.

s v

T B

K = ⋅ ⋅ ⋅ρ⋅3600

Där

K = Kapaciteten i ton/h B = Kakbredd i m T = Kaktjocklek i m

v = Periferihastigheten på rullarna m/s ρ = Densiteten på materialet (ton/m³)

(18)

I LKAB:s interna rapport nr 90-769 [9] framgår att för ett PAR material med d80 = 8 mm har en kapacitet⁵ på 3,8 ton/cm uppnåtts. Det är svårt att översätta detta till specifik kapacitet⁶ då den exakta periferihastigheten vid försökstillfället inte framgår. Valsarna var 1 m i diameter samt 320 mm breda.

I LKAB:s interna rapport nr 99-755 [12] framgår att för ett PAR material med d80 = 12,0 mm har en specifik kapacitet på i genomsnitt 508 ton/m³h uppmätts.

5.3 Genererande av mikrosprickor

I artikeln Grindability enhancement by blast-induced microcraks [14] har författarna klassificerat mikrosprickor. Enligt artikelförfattarna finns det tre typer av mikrosprickor;

småsprickor, korngränssprickor samt kornsprickor. Småsprickor definieras som de sprickor som går en kortare bit längs med korngränsen mellan två mineral samt de sprickor som finns i ett enskilt korn utan att penetrera det helt. Korngränssprickor definieras som de sprickor som följer korngränsen över flera korn. Kornsprickor definieras som de sprickor som delar ett helt korn. Det framgår också att mikrosprickor genereras genom sprängningen i gruvan. Vidare anser författarna också att mikrosprickor ger lägre energiåtgång i efterföljande krossnings och malningssteg.

I LKAB:s interna rapport nr 91-732 [10] har författaren inte kunnat hitta bevis på genererandet av mikrosprickor genom HPGR genom att konstatera att malbarheten är oförändrad även efter att ett PAR material har pressats i HPGR.

I LKAB:s interna rapport nr 88-731 [7] anges att HPGR ökar antalet mikrosprickor i materialet eftersom malbarheten i de efterföljande stegen har förbättrats.

I artikeln Particle Weakening and Micro Cracking in HPGR Products [15] har författarna kartlagt förekomsten av mikrosprickor före och efter HPGR malning. Författarna har kunnat konstatera att mikrosprickorna för ett guldmineral, ett bauxitmineral, en bly- och zinkmalm samt ett platinamineral blir fler efter att ha passerat en HPGR. I artikeln framgår även att den generellt bildas färre mikrosprickor i kanterna på HPGR rullarna. Denna effekt är även känd som kanteffekten.

I artikeln HPGR – FAQ [18] beskrivs kanteffekten. Artikeln beskriver att i kanterna på valsarna minskas trycket mot bädden med en sämre nedkrossning som följd. Kanteffekten sträcker sig från kanten på bädden samt in mot mitten med ett avstånd som är ca 1,2 gånger gapets storlek mellan valsarna. Gapets storlek mellan valsarna är i sin tur en funktion av valsdiametern då gapet utgör ca 2-2,5 % av valsdiametern.

5.4 Malbarhet i efterföljande steg

I artikeln Energy Efficiency and Potential Energy Savings of using High Pressure Grinding Roll (HPGR) Technology [1] redogör författarna för hur malbarheten förbättras vid användning av en HPGR. En testserie med ett bauxitmineral visar att malbarheten förbättras.

Efter att materialet passerat en konventionell kulkvarnkrets med en slutprodukt på 300 µm har materialet testats till ett Bond Work Index på 14,2 kWh/t. Detta ska jämföras mot ett Bond Work Index på 5,3 kWh/t när materialet passerat en HPGR krets med slutprodukt på 300 µm.

5 Kapacitet (ton/cm) är definierat som det antal ton som passerar per centimeter valsbredd i en HPGR.

6 Specifik kapacitet (ton/m³h) är definierat som den mängd material per timme som en kvarn med valsdiametern 1 m, valsbredd 1 m samt perifer hastighet på 1m/s kan mala.

(19)

I LKAB:s interna rapport nr 08-135 [13] anges att malbarheten för ett PAR material ökar med en HPGR. Detta indikeras av att kapaciteten i de efterföljande malningsstegen ökar.

Anledningen till den ökade kapaciteten är sannolikt att en HPGR genererar en stor andel finkornigt material.

I LKAB:s interna rapport nr 99-755 [12] har tidigare angetts att energiförbrukningen minskar med 25 % om materialet krossas i en HPGR. Malbarheten i efterföljande steg har således ökat. I rapporten anges också att Bond Work Index för materialet före krossning är beräknad till 9,23 kWh/t (+/- 10 %) när materialet krossas från d80 = 12 mm till d80 = 220 µm.

I LKAB:s interna rapport nr 91-732 [10] har Bond Work Index för ett HPGR pressat material uppmätts till 16,2 kWh/t vid en nedkrossning från d80 = 1689 µm till ett d80 = 372 µm. Malbarheten har även uppmäts i antal kg -104 µm/kWh. För materialet i fråga uppmätes malbarhetsvärdet till 50,1 kg -104µm/kWh.

I LKAB:s interna rapport nr 90-769 [9] berörs hur fukthalten påverkar HPGR:s malningseffekt. I artikeln framgår att materialet som provas i HPGR mals effektivare när fukthalten sänks från 9,2 vikts -% till 8,1 vikts- %. Att en lägre fukthalt bör eftersträvas stöds också av artikeln HPGR –FAQ [18] som anger att en hög fukthalt reducerar den specifika kapaciteten. I leverantörsbroschyren Roller Presses Crushing and grinding ore in mineral applications [16] från Humboldt Wedag anges att deras HPGR utrustning klarar av en fukthalt på maximalt 10 %.

5.5 Slitage och tillgänglighet

I LKAB:s interna rapport 99-755 [12] framgår att slitaget för en HPGR med dubbade ytor gjorda av volframkarbid har ett slitage på 0,1-0,25 g/t och där slitaget är jämt fördelat över ytan. Från olika produktionsanläggningar har drifttider på över 8 000 timmar registrerats och i LKAB Malmberget tertiärmalning med HPGR har ytornas livslängd överstigit 28 000 timmar.

I LKAB:s interna rapport nr 90-769 [9] framgår att slitaget för LKAB:s HPGR under 1988 och 1989 uppgått till 0,9 g/t. Direkt efter installationen var slitaget högt, omkring 3,5 g/t, men allt eftersom man lärde sig driftegenskaperna hos maskinen gick slitaget ner. Påpekas görs också att för att minska slitaget bör HPGR vara fullmatad.

I LKAB:s interna rapport nr 87-704 [6] framgår att slitaget vid malning av olivin i en HPGR ligger kring 1 g/t.

I artikeln Some Benefits of Using Studded Surfaces in High Pressure Grinding Rolls [3]

redogör författaren för att den största delen av slitaget sker i tryckzonen samt i angränsande zoner till tryckzonen. Slitaget beror av trycket men också glidningen av materialet.

I leverantörsbroschyren Roller Presses Crushing and grinding ore in mineral applications [16] från Humboldt Wedag redogör företaget för både tillgänglighet och slitage på sina tidigare installationer. För malning av grövre järnmalm anges att en HPGR har uppvisat en tillgänglighet på mellan 6000 – 17 000 drifttimmar. I en HPGR utrustning vid Empire Iron Ore Mine i USA med matat gods -63,5 mm har 17 000 drifttimmar uppmätts. I Mauretanien krossas en järnmalm med storleken -20 +1,6 mm med hjälp av en HPGR. För denna utrustning har en driftstid på 5 000 timmar uppmätts. I Chile krossas en järnmalm med

(20)

storleken -63,5 mm ner med en HPGR. Denna utrustning har uppmätt en driftstid på 14 600 timmar.

6 Försök

För att kunna ta reda på vilket tryck och vilken energiåtgång som kommer att krävas för LKAB:s material behöver försök göras. Tidigare försök med material har gjorts, men för att kunna simulera lämpliga kretsar behöver materialparametrar tas fram. Enligt Professor Hakan Benzer på Hacettepe University, Ankara, Turkiet, är den bästa metoden för att kunna ta fram materialparametrar, lämpligt tryck och energiåtgång att genomföra så kallade Piston and Die tester följt av malbarhetstester. Alternativet till testmetoden är att en HPGR-labbkvarn används. Enligt Professor Benzer är det dock svårt att skala upp försöksresultat från en labbkvarn till en riktig kvarn vilket gör att denna metod bör undvikas.

Något som också är intressant är att undersöka mikrosprickor i materialet före och efter att materialet utsatts för tryck. Om andelen mikrosprickor ökar finns det anledning att tro att detta förbättrar malbarheten. För att uppskatta andelen mikrosprickor i ett material måste det undersökas i mikroskop. Därefter sker oftast en manuell räkning/bedömning av antalet sprickor i förhållande till antalet korn.

6.1 Energi och tryckförsök

6.1.1 Försöksplan

En försöksplan för att ta reda på det optimala trycket samt energiåtgång för detta kan ses i tabell 6 och tabell 7.

Tabell 6 Försöksplan för energi- och tryckförsök Storlek (mm)

Piston and

die test Siktanalys

Bond grindability test

(Malbarhetstester) Resultat

Material (kg)

Alla (ref) Nej Nej Ett Wi på inmatningen 4 Alla 16 Nej Två (600, 800 kN) Wi på produkt 8 Alla

(siktfraktioner pressade var

för sig) 16 Nej Två (600, 800 kN) Wi på produkt 8

6,7‐4,75 8 På produkt Nej

Produktstorlek för

olika tryck 4

3,35‐2,36 7 På produkt Nej

Produktstorlek för

olika tryck 3,5 1,18‐0,85 6 På produkt Nej

Produktstorlek för

olika tryck 3 0,6‐0,425 6 På produkt Nej

Produktstorlek för

olika tryck 3

33,5

Antal Bond Grindability test 5

Wi = Bond Work index

(21)

Tabell 7 Försöksplan över piston and die test Piston and die test

Test nr

Tryck

(kN) Material (g)

Ref 0

1 50,0 500

2 100,0 500

3 200,0 500

4 400,0 500

5 600,0 500

6 800,0 500

7* 1000,0 500

8* 1200,0 500

Totalt 3000

*= Endast de grövre fraktionerna

Från tabell 6 och tabell 7 kan ses att tryckförsök vid upp till nio olika tryck är gjorda.

Nivåerna på trycket har valts ut för att kunna hitta mättnadstrycket, det vill säga det tryck där ytterligare pålagd kraft inte längre resulterar i minskad storlek hos materialet. Siktfraktionerna är valda utifrån tidigare erfarenhet från dessa tester. Olika tryck används för olika fraktioner.

För de finare fraktionerna (-0,6+0,425mm och -1,18+0,85mm) används trycken från 50 kN upp till 800 kN. För de två grövre fraktionerna (-3,35+2,36 mm och -6,7+4,75 mm) används trycken från 50 kN upp till 1000 kN samt trycken från 50 kN upp till 1200 kN.

6.1.2 Försöksmetod

Två typer av försök används för att bestämma materialparametrar och mättnadstryck. Piston and Die test används för att pressa materialet. Bilder och utförligare beskrivning återfinns i bilaga 2. I artikeln A Piston and Die Test to Predict Laboratory-scale HPGR Performance [19] finns en utförlig beskrivning av metodik, teori och fördelar med Piston and Die test. Vid testet mäts även hoptryckningen vilket gör det möjligt att använda data från testerna för att ta reda på förhållandet mellan tryck och energi. Även siktanalyser utförs på produkterna efter pressning vilket leder till att förhållandet mellan produktstorlek och energi framgår. Utifrån detta samband går det sedan ta reda på vid vilken energinivå som det inte längre går att pressa ihop materialet mer. I testerna har 500 g material används per test.

För att ta reda på malbarheten på materialet genomförs ett så kallat Bond Grindability test.

Detta följer en vedertagen standard som finns beskriven i bilaga 1. Malbarhetsvärdet mäts i Bond Work Index och används vid simulering av kretsen. Som framgår i försöksplanen så utförs malbarhetstester på såväl icke pressat som pressat material. För att kunna genomföra malbarhetstesterna måste den del av materialet som överstiger 3,35 mm krossas ned.

(22)

6.1.3 Resultat

Testerna har genomförts i enlighet med uppgjord försöksplan. Efter genomförda trycktester (Piston and Die) sammanställs ett diagram över hoptryckningens beroende av kraften, se exempel i figur nedan.

‐0,600+0,425mm 800 kN

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

displacement (mm)

force (kN)

Figur 6 Diagram över hoptryckningen (displacement) i förhållande till kraften för ett pressat material med ursprungsstorleken -0,600+0,425 mm.

I figur 6 kan försöksresultaten från tryckförsök på material med storleken -0,600+0,425 mm ses. Materialet har pressats till 800 kN och i diagrammet ovan framgår hoptryckningen. För att räkna ut den energimängd som krävs för att pressa samman materialet integreras grafen och arean under räknas ut. I detta fall har arean räknas ut med de funktioner som framgår i nedanstående diagram.

(23)

‐0,600+0,425mm 800 kN

y = 0,8436e^0,3852x R² = 0,9797

y = 0,3285x + 1,5514 R² = 0,6773

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

displacement (mm)

force (kN)

Figur 7 Diagram över tryckförsök med material i storleken -0,600+0,425 mm.

I diagrammet är kurvanpassning gjort för att kunna räkna ut arean under grafen.

Från figur 7 framgår de två funktionerna som används som approximation för grafen då arean under grafen räknas ut. Beräkning av arean ger resultat enligt tabell 8.

Tabell 8 Areaberäkning under graf Area under graf

Area 1 26,28 kN*mm

Area 2 2 040,46 kN*mm Total area 2 066,740 Nm

Energi 1,15 kWh/t

Enligt tabell 8 åtgår det 2 066,740 Nm för att pressa materialet med storleken -0,600 +0,425 mm. Eftersom 2066,740 Nm = 2066,740 Ws samt den använda provmängden är 0,500 kg följer:

Specifik energi =

t W kWh

s t kg

kW h kg Ws W

kW s

h t

kg kg

Ws 1,15 /

1000 3600 1 500 , 0

1000 740 , 2066 1000

1 3600

1 1

1000 500

, 0

740 ,

2066 =

⋅

= ⋅

⋅

För att kunna sätta samman en trend mellan produktstorlek och energi behövs ett mått på produktstorlek. I detta fall används t10 värdet som är ett mått på hur många procent av materialet som efter pressning passerar (är mindre än) 10 % av den innan pressning nominellt största storleken. I ovanstående fall är detta måttet på hur många av partiklarna som efter

pressning är mindre än mm mm mm

051 , 10 0

425 . 0 600 ,

0 ⋅ =

. Den nominellt största storleken av materialet före pressning är således 0,51 mm och där 0,051 mm är 10 % av den nominella

(24)

största storleken. Ett högre t10 värde innebär en finare produkt. Måttet avläses ur siktfraktionsdiagrammet nedan.

06_0425_800kN

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 100,00

10 100 1000

µm

Kumulativ %

06_0425_800kN

Figur 8 Partikelstorleksdiagram över pressprodukt för materialet pressat vid 800 kN

Från figur 8 ses siktfraktionsdiagrammet över pressprodukten när materialet (-0,600+0,425 mm) pressats med 800 kN. Ur diagrammet har t10 värdet avlästs till 12,0 %. Storleken på denna produkt avläses till d80 = 480 µm.

Ovanstående procedur görs med alla pressprodukter och dessa tillsammans med energivärdena har sedan sammanställs i tabell 9 och tabell 10. Uträkningar för de övriga siktfraktionerna finns redovisade i bilaga 3.

Tabell 9 Tabell över specifik energi för olika siktfraktioner Siktfraktioner (mm)

Specifik energi

kWh/t ‐6.7+4.75 ‐3.35+2.36 ‐1.18+0.850 ‐0.600+0.425

50 kN 0,09 0,09 0,06 0,03

100 kN 0,18 0,28 0,15 0,12

200 kN 0,31 0,31 0,32 0,30

400 kN 0,52 0,57 0,76 0,60

600 kN 0,70 0,74 0,87 0,88

800 kN 0,91 1,02 1,08 1,15

1000 kN 1,30 1,33

1200 kN 1,60