التحليل الحجمي للحبيبات

التحليل الحجمي للحبيبات

 

معرفة التوزيع الحجمي للحبيبات أحد الوسائل الهامة ليس فقط في معالجة و تركيز الخامات و لكن في الكثير من التطبيقات و الصناعات الاخرى التي تتطلب الوصول لاشتراطات محددة في التوزيع الحجمي للحبيبات او الوصول لحجم النانو.

اما بالنسبة لتركيز الخامات فانه ضروري لمراقبة كفاءة عملية الطحن و الوصول لحجم الحبيبات المطلوب (حجم التحرر) او الحجم الملائمة لأجهزة الفصل و تجنب الطحن الزائد او الطحن قليل الكفاءة.

و اول خطوة للحصول عل التوزيع الحجمي بشكل صحيح هو اخذ عينة ممثلة من الخام او المنتج (و لمزيد من التفاصيل عن العينة الممثلة يمكن الرجوع الى المقالة الثانية من المدونة).

الامر الآخر الهام هو شكل الحبيبات حيث يمكن ان تكون كروية، إبرية، مكعبة، غير منتظمة الشكل او غير ذلك. لكن دائما ما يتم تسجيل النتائج بحساب قطر الحبيبات على اساس الشكل الكروي او ذكر ان للحجم هو القطر المكافئ في حالة الحبيبات ذات الشكل غير المنتظم.

طرق التحليل الحجمي للحبيبات:

1-  تحليل الغربلة (sieve analysis):

يمكن اجراؤه جاف او بالماء كما انه يمكن استخدامه من حجم ~ 27 مم حتى حجم 5 ميكرون. هناك العديد من انواع الغرابيل من حيث شكل الفتحات به من مربعة و مستديرة و مستطيلة الا ان الاكثر استخداماً هي ذات الفتحات المربعة الشكل. جدول – 1 يظهر مقاسات غرابيل لاحد المصنعين حيث ان الرقم الدال على حجم فتحات الغربال هو حجم الفتحة الظاهري (Nominal Aperture Size) و يكون بالميكرون. اما رقم الغربال (Mesh Number) فيعبر عن عدد الفتحات في البوصة المربعة و هو ما يعني انه كلما كان رق الغربال اكبر كلما كان حجم الفتحات به اصغر و العكس صحيح. و لعمل التحليل الحجمي بالغرابيل يتم ترتيب الغرابيل ذات الاحجام المطلوب معرفتها بحيث تكون الغرابيل ذات الرقم الاقل (ذو الفتحات الاوسع) في الاعلى و ذات الرقم الاعلى في الاسفل بحيث ان الحبيبات تمر اولا على الغربال ذو الفتحات الاوسع اولا ثم الاضيق فالأضيق وصولا الى المرور من الغربال الاخير. بعد ذلك يتم تجهيز و وزن العينة الممثلة التي سيتم اختبارها.

جدول – 1: BBS 1796 Wire-mesh Sieves

 

ثم بعد ذلك يبدأ تمرير العينة على مجموعة الغرابيل التي تبدو كما في (شكل 1) حيث يتم هز الغرابيل لمدة معينة و بعد الانتهاء يتم تجميع الجزء المتبقي اعلى كل غربال و يرمز لها بالرمز (+) قبل رقم الغربال المتبقية اعلاه و رمز (-) للغربال السابق مباشرة و الذي مرت منه. مثال ذلك ان الجزء المتبقي على غربال رقم 200 يسمى +200-170 (اذا تم استخدام غربال رقم 170 قبل 200 في التحليل). يتم وزن كل جزء و المتبقي على كل غربال على حدة و كذلك الجزء الذي يمر من آخر غربال و يتم حساب النسبة المئوية لكل جزء منهم من الوزن الكلي للعينة.

 

 

 

شكل 1. مجموعة غرابيل مرتبة لإجراء تحليل التوزيع الحجمي

 

يتم عمل جدول للنتائج بحيث يحتوي على:

- احجام الغرابيل المستخدمة في الاختبار

- وزن الجزء المتبقي على الغربال

- النسبة المئوية لكل جزء

- النسبة المئوية التراكمية للأجزاء المتبقية فوق الغرابيل او الاجزاء المارة من خلالها (كلاهما صحيح) او كلاهما معا.  

بعد ذلك يتم رسم شكل يحتوي على حجم الغرابيل على المحور س و النسبة المئوية التراكمية للأجزاء المتبقية او المارة من الغرابيل على محور ص كما يظهر في شكل 2.  و احد المعلومات الهامة التي تستخرج من التوزيع الحجمي للحبيبات هو الحجم الاوسط (The median size). و الحجم الاوسط هو الحجم الحبيبي الذي تكون عنده 50 % من الحبيبات اصغر منه و 50 %  منها اكبر منه و يرمز له ق₅₀ (d₅₀). اما القيمة الاكثر اهمية في تركيز الخامات لتقييم كفاءة الطحن هي ق₈₀ (d₈₀) و هو الحجم الذي يكون عنده حجم 80 % من الحبيبات اصغر منه و 20 % اكبر منه. و كمثال فإذا اردنا استخراج الحجم ق₇₀ من شكل 2 فإن ذلك يكون برسم خط افقي من عند 70 % على المحور الرأسي (ص) حتى يتقاطع مع المنحنى. و من عند نقطة التقاطع يُرسَم خط رأسي حتى يتقاطع مع المحور الافقي عند قيمة ق₇₀  و تكون في هذه الحالة 99 ميكرون.

 

شكل 2. يوضح طريقة رسم نتائج الحجم الحبيبي مع النسبة المئوية التراكمية للأجزاء المارة من الغرابيل

 

2- طريقة الترويق (Elutriation):

تتم باستخدام جهاز التصنيف الحجمي المتعدد (Cyclosizer) (شكل 3). و هو يستخدم لتحديد حجم الحبيبات الناعمة و ينتج منه ستة اجزاء و هي احجام +45، +33، +25، +15، +11، -11 ميكرومتر. الا ان هذه الاحجام ليست ثابتة حيث تتأثر بكثافة الحبيبات و درجة حرارة الماء. و هناك معادلات لتصحيح الخطأ و حساب الحجم الصحيح من كل وحدة. حيث انه يشتمل على خمسة وحدات متصلة من المصنفات الحجمية المائية الإعصارية (Cyclones) و التي جاءت تسميتها نتيجة لشكل تيارات الماء بداخلها و التي تشبه تيارات الإعصار (شكل 4). و يعد هذا الجهاز من اكثر الطرق المستخدمة لقياس التوزيع الحجمي للحبيبات  في تركيز الخامات.  

3- طرق أخرى:

هناك العديد من الطرق الاخرى و التي لن يتسع المجال لشرحها تفصيلا كما انها غالبيها غير مطبقة. اهم هذه الطرق هي اجهزة القياس بالليزر و التي اصبح بامكانها قياس حجم الحبيبات وصولا لحجم النانو و هو ما جعلها الاكثر استخداما للكشف عن التوزيع الحجمي للحبيبات لدقتها و سرعتها و حساب الحجم الاوسط ق₅₀ و تحديد نسبة الاحجام مثل ق₈₀ و ق₉₀ و ق₉₉ اوتوماتيكيا. هناك ايضا طرق الترسيب و قطر ستوكس المكافئ و تحليل الصور.

(شكل 3)

(شكل 4)

 

في انتظار تعليقاتكم و مقترحاتكم

أساسيات الطحن

أساسيات الطحن

 

الطحن هو العملية اللاحقة لعملية التكسير و هو الخطوة الاخيرة في عمليات تصغير حجم الحبيبات. تكمن اهمية الطحن في تصغير حجم حبيبات الخام لتصبح مناسبة لعمليات الفصل اللاحقة من حيث ملائمتها للأجهزة المستخدمة و للوصول الى حجم التحرر (Liberation Size).

 

على الرغم من الاهمية البالغة لعملية الطحن و احتياجها لفهم و دراسة واسعين فإنه يتم التعامل معها باستخفاف كبير في بلادنا العربية (في الاغلب الاعم) باعتبارها عملية بسيطة يمكن لغير المتخصصين القيام بها خلافا لحقيقتها المعقدة التي تحتاج لمتخصص من اجل ان تتم بأفضل كفاءة و أقل تكلفة.

 

و تستهلك عمليات التكسير و الطحن وحدهما ما يقارب من 80 % من تكاليف استهلاك الطاقة في عمليات تركيز الخامات لذلك فإن الفهم الصحيح هام للغاية من اجل زيادة العائد الاقتصادي.

 

في هذا المقال سأتعرض لأساسيات عملية الطحن فقط للتبسيط حيث انه يحتاج الى مساحات واسعة لتغطيته تفصيلاً.

 

تؤثر الخصائص الفيزيائية للخام و بخاصة الصلادة على سهولة الطحن و بالتالي الطاقة المستهلكة اثناء عملية الطحن. فالخامات ذات الصلادة المنخفضة كالحجر الجيري اسهل في الطحن و اقل كلفة من الخامات ذات الصلادة المرتفعة مثل الكوارتز. و الصلادة هي مقاومة الخدش. و هناك مقياس موهز الذي يشتمل على 10 درجات للصلادة كما مبين في الشكل التالي (من موقع Gem Select) حيث ان 1 تعبر عن الاقل صلادة و 10 عن الاكثر صلادة. و يمكن استغلال الفارق في الصلادة بين المعدن المستهدف و الشوائب في عمل تركيز اولي مما يؤدي الي توفير في طاقة الطحن و كفاءة و تكاليف عمليات الفصل اللاحقة.

 

أول ما ينبغي معرفته بعد ذلك قبل اجراء عملية الطحن هو الحجم الحبيبي المراد الوصول اليه للناتج  من الطحن . هذا الحجم الحبيبي هو حجم التحرر(Liberation Size) و هو يعرف على انه الحجم الحبيبي الذي يكون عنده  حوالي  80% على الاقل من المعدن المستهدف منفصلة تماما عن الشوائب المصاحبة لها كما هو مبين في  الشكل التالي.

                                          هذه الصورة من:   www.minassist.com.au/blog/

الوصول لحجم التحرر يعني القدرة على فصل المعدن المستهدف من الشوائب بطرق الفصل المناسبة حسب طبيعة الخام. و عليه فإن الطحن لأحجام اقل من حجم التحرر سيؤدي الى استهلاك كبير و زائد عن الحاجة في طاقة الطحن بالإضافة الى تعقيد عمليات الفصل اللاحقة حيث انه كلما زادت نعومة الحبيبات كلما ازدادت صعوبة عمليات الفصل. اما الحالة العكسية لذلك و هي الطحن حتى حجم حبيبي اكبر من حجم التحرر فسيؤدي الى عدم الوصول لدرجة التحرر الكافية للمعدن المستهدف و بالتالي سيؤدي الى خفض او اتلاف كفاءة عمليات الفصل اللاحقة.

 

هناك العديد من طرق حساب الطاقة المستهلكة اثناء عملية الطحن لكن اكثرها شهرة هي طريقة معامل شغل بوند (Bond’s Work Index). و المجال لن يتسع هنا لتفصيل طرق حساب طاقة الطحن التي تحتاج عدة محاضرات لتوضيحها و ربما نعرج عليها لاحقا في مقالات اخرى.

 

بالنسبة لأنواع الطواحين فهناك العديد من الانواع لكن سأركز هنا على النوعين الاكثر شهرة و استخداما في عمليات تركيز الخامات و هما طاحونة الكرات (Ball mill) و طاحونة القضبان (Rod mill).

 

المصدر:Gfycat.com

 

المصدر:          aballmill.com  

شكل يوضح طاحونة الكرات (Ball mill)

 

شكل يوضح طاحونة القضبان

 

و تسمى الكرات او القضبان بوسائط الطحن (Grinding media) و هي التي تقوم بطحن الخام    و في بعض الاحيان يتم استخدام الخام ليطحن نفسه بنفسه فيما يسمى بالطحن الذاتي (Autogenous milling) او استخدام الزلط (Pebble mills) او الطحن شبه الذاتي (Semi Autogenous milling).

 

 و تعتمد هذه الطواحين على الدوران و من ثم سقوط وسائط الطحن على الخام لتكسره. لكن هناك سرعة حرجة عندها تدور الوسائط و الخام بشكل ملاصق لجدار الطاحونة و هندها لا يحدث اي طحن و عليه فإن السرعة ينبغي ان تكون اقل من هذه السرعة الحرجة (Critical speed) و عادة ما يكون نطاق السرعة بين 60 الى 70 % من السرعة الحرجة.

 

الطحن قد يكون جافا او باستخدام الماء حسب طبيعة الخام و حسب توفر وجود الماء. اما نسبة ملأ الطاحونة بالخام فعادة تكون بين 40 الى 50 % من حجم الطاحونة و نسبة ملأ الخام  فعادة تكون بين 15 الى 30 % من حجم الطاحونة و ذلك حسب طبيعة الخام.

 

في انتظار آرائكم و تعليقاتكم

تكسيرالخامات

تكسيرالخامات

 

يتم استخراج معظم الخامات على هيئة كتل كبيرة الحجم قد يصل قطرها الى 1.5 متر على حسب نوع الخام المستخرج و طريقة التعدين المستخدمة سواء سطحية او تحت سطحية. و أول عملية يتم إجراؤها هي تكسير كتل الخام الكبيرة الى احجام اصغر حجماً يمكن التعامل معها بسهولة في عمليات التجهيز و التركيز اللاحقة.  و قد تبدأ عملية التكسير اثناء عملية التعدين في حالة استخدام المتفجرات او الحفارات و التي تتسبب في تكسير الخام (او جزء منه) اثناء استخراجه.

يوضح شكل (1) القوى التي تؤدي الى عملية التكسير و هي:

 1-الضغط (Compression)

2- الشد (Tensile)

3- القص (Shearing)

4- التصادم (Impaction)

5- الاحتكاك (Attrition)

  تصنيف الكسارات:

1- كسارات أولية: مثل الكسارة الفكية (Jaw Crusher) و الكسارة الدوارة (Gyratory Crusher).  و يكون أقصى حجم للتغذية هو 1.5 متر و يكون حجم الحبيبات الناتجة بين 150 الى 300 ملليمتر.

2- كسارات ثانوية: مثل الكسارة المخروطية (Cone Crusher) و الكسارة الاسطوانية (Roller Crusher). و يكون أقصى حجم للتغذية بين 150 الى 450 ملليمتر و يكون حجم الحبيبات الناتجة بين 40 الى 130 ملليمتر.

3- كسارات المرحلة الثالثة/ الرابعة: مثل الكسارة المخروطية (Cone Crusher) ، الكسارة الاسطوانية (Roller Crusher). يكون حجم للتغذية بين 20 الى 150 ملليمتر و يكون حجم الحبيبات الناتجة بين 5 الى 25 ملليمتر.

 

                                      شكل.(1)   رسم مبسَّط يوضح القوى المسببة لعمليات التكسير و الطحن.                                      المصدر كتاب (Basics in minerals processing)، شركة (METSO)

 

شكل.(2)   رسم مبسَّط يوضح الكسارة الفكية

شكل.(3)   رسم مبسَّط يوضح الكسارة الدوارة

شكل.(4)   رسم مبسَّط يوضح الكسارة المخروطية

 

شكل.(5)   رسم مبسَّط يوضح الكسارة الاسطوانية

 

العوامل المؤثرة على عملية التكسير:

تؤثر خصائص الخام على عمليات التكسير و الطحن. بالنسبة لعمليات التكسير فإن قابلية الخام للتكسير و التي يتم التعبير عنها بمُعامل الشغل (Work Index) و مُعامل البَرْي (Abrasion Index) هما العاملان الاساسيان.  كلما زاد معامل الشغل للخام كلما كان التكسير اكثر صعوبة و كان استهلاك الطاقة اكبر. و كلما زاد معامل البَرْي كلما زاد معدل التآكل في الكسارة.

اختيار الكسارة المناسبة:

يخضع اختيار الكسارة المناسبة للعديد من الاعتبارات و الحسابات مثل معدل التغذية و كفاءة النخل و الحِمل الدوار (Circulating Load) و خصائص الخام المذكورة آنفاً و الحجم الحبيبي لخام التغذية و نسبة التكسير المطلوبة.

 

في انتظار تعليقاتكم و آرائِكم