Ingegneria delle materie prime

Caratteristiche dei materiali

Tenore: è la percentuale con cui è presente un minerale o un materiale. I materiali si possono miscelare in maniere differenti anche a parità di tenore.

Grado di liberazione: è un parametro che definisce quanto riesco a separare efficacemente due materiali. Un tenore pari al 100% significa che ho separato perfettamente i materiali. Al fine della separazione dei materiali si utilizzano processi di riduzione dimensionale, rottura del materiale e poi tecnica di separazione basata sulle diverse proprietà dei materiali. Solitamente si fa l'ipotesi di sfericità e si sceglie un diametro equivalente anche se la forma è perfettamente sferica. Nel caso in cui vi sia una dimensione molto più sviluppata delle altre la sfericità che viene attribuita al materiale ne deve tenere conto.

Granulometria

Per definire la granulometria di un materiale è essenziale utilizzare la distribuzione granulometrica. Le linee su questo grafico sono le curve cumulative. Ogni punto sulla curva, andando a leggere ascisse e ordinate, rappresenta per ogni diametro (sulle ascisse) quanto è la percentuale in peso (sulle ordinate). La setacciatrice è uno degli strumenti con cui si caratterizzano le classi granulometriche di un determinato prodotto. Viene utilizzata dai 100 in su. La misura è diretta poiché se il materiale passa ha dimensione più piccola, altrimenti rientra nel range di setacciatura in cui rimane intrappolato. È costituita da più maglie con diverse dimensioni e vengono impresse delle vibrazioni per un determinato lasso di tempo stabilito dalle norme. Al termine della setacciatura si ottiene la distribuzione granulometrica e la curva cumulata del passato (curva che mi dice, ad esempio, che il materiale di dimensione inferiore ai è il 30%). Granulometro laser - misura indiretta. Viene impiegato per materiali sotto ai, quindi più fini. La misura è indiretta poiché la misura del diametro è proporzionale ad un angolo di diffrazione.

Rendimenti ed efficienze nei trattamenti dei materiali

Si consideri un qualsiasi trattamento di separazione di un materiale. Siano peso dell'alimentazione, percentuali del minerale presente in alimentazione; peso del concentrato, percentuali del minerale presente nel concentrato; peso dello scarto, rendimento in metallo come per le equazioni di continuità.

Efficienza di separazione e di riciclo

Da questo impianto è possibile scrivere il bilancio in massa.

Efficienza di separazione: è definita per ogni materiale come il rapporto tra la quantità di un certo materiale recuperato e la quantità totale di quel materiale presente in ingresso.

Efficienza di riciclo: è definita per tutto l'impianto come il rapporto tra la quantità di materiale in uscita e quella in ingresso all'impianto.

Comminuzione

È l'insieme delle operazioni aventi lo scopo di ridurre la dimensione dei frammenti di un materiale solido. A seconda delle dimensioni finali del prodotto, la comminuzione può essere suddivisa in frantumazione e macinazione. La frantumazione permette di ottenere materiali di dimensioni fino al millimetro. La macinazione permette di ottenere materiali con dimensioni dell'ordine del micrometro. La necessità di svolgere operazioni di comminuzione è data da: esigenze di mercato, l'utilizzatore finale richiede certe dimensioni del materiale. Esigenze funzionali: la riduzione dimensionale può favorire la manipolazione, il trasporto o lo stoccaggio del materiale. Necessità di estrarre un particolare componente: ad esempio nel caso di un materiale grezzo la separazione e la concentrazione del componente può essere realizzata a partire dalla scomposizione in frammenti di dimensioni sufficientemente fini così da ottenere un grado di liberazione sufficientemente alto. Necessità di aumentare la superficie specifica di un materiale: questa esigenza si pone ad esempio quando si devono favorire alcuni processi speciali di trattamento.

Parametri caratterizzanti la comminuzione

Un'operazione industriale di comminuzione è caratterizzata dai seguenti parametri: la natura del solido da frantumare, la dimensione massima dei prodotti entranti, la dimensione massima dei prodotti in uscita, la granulometria e la forma dei prodotti ottenuti, la capacità dei trattamenti, l'energia consumata, la potenza installata alle macchine.

Curva granulometrica di Gaudin: è una curva che serve per valutare la comminuzione di un materiale caratterizzata da 2 code in cui vi è un flesso e la parte centrale sostanzialmente rettilinea. Deriva dall'analisi granulometrica di un determinato materiale. Dove y=frequenza cumulativa %; =ascissa corrispondente al 100% di passato; coefficiente angolare.

Natura del solido

Le principali caratteristiche del solido influenzanti la sua macinabilità sono: la sua durezza o abrasività, la struttura omogenea o eterogenea, l'umidità e il suo carattere più o meno collante o agglomerante. Se queste caratteristiche sono più pronunciate, la macinabilità è più difficile, ossia il consumo energetico è più elevato e aumenta l'usura delle parti meccaniche in movimento. Altri parametri importanti riguardano il fatto che vi siano delle fratture interne già presenti, l'umidità se un materiale è collante o agglomerante.

Rapporto di riduzione: il rapporto di riduzione è definito da: con D dimensione del materiale in ingresso dal macchinario, d dimensione del materiale in uscita dal macchinario. Tale definizione è difficile da applicare nella realtà perché il materiale considerato molto spesso è costituito da differenti granulometrie. Infatti osservando il grafico si osserva che in corrispondenza del 100% i valori di D e d oscillano molto sull'asse dei diametri a causa dell'andamento asintotico. Pertanto si è soliti fare riferimento all'80% del passante cumulato (dove tali parametri corrispondono all'ipotetica dimensione della maglia di un setaccio attraverso cui riescono a passare rispettivamente l'80% del materiale in ingresso e in uscita ottenuto dopo la comminuzione.

Energia di comminuzione

L'energia di comminuzione è il lavoro richiesto per ridurre il materiale alle dimensioni volute. L'energia viene utilizzata: una parte in riduzione dimensionale, una parte in dissipazioni, spesso parecchio alte. Ragioneremo in termini di energia specifica; questa sarà - più contenuta per i frantoi rapporti di riduzioni più bassi; meno contenuta per i mulini rapporti di riduzione più alti (dell'ordine del 100).

Le forze

Le forze che determinano il materiale possono agire singolarmente o in maniera combinata. In un processo di comminuzione industriale, si possono avere sollecitazioni elementari di: compressione, taglio, flessione, urto. Nuova sezione 1 Pagina 1. Il materiale sottoposto a un sistema tensionale applicato da frantoi o mulini subisce deformazioni elastiche, plastiche o elastoplastiche seguite da rottura per superamento dei limiti di resistenza. Frantoi singolarmente (infatti si hanno frantoi a compressione o ad urto). Macinazione agiscono tutte le sollecitazioni sopraelencate, tuttavia è bene sottolineare che tramite la macinazione non avviene una riduzione dimensionale per trazione.

I meccanismi di rottura - teoria di Griffith

Le rocce sono pervase da microfratture che costituiscono punti di debolezza meccanica all'interno del materiale. Le fratture presentano una forma ellittica allungata con orientazione variabile. Si può osservare una concentrazione di sforzo di trazione alle loro estremità la cui entità dipende: dall'orientazione della frattura rispetto alla sollecitazione esterna, dalle caratteristiche meccaniche del materiale intatto. Si è constatata l'esistenza di un angolo critico in corrispondenza del quale l'innesco di una nuova frattura, a partire dal bordo delle fratture preesistenti, si ottiene per un valore minimo della concentrazione degli sforzi. All'aumentare del carico si ha l'allungamento delle fratture preesistenti e la coalescenza delle discontinuità fino alla rottura del provino in più parti. Influenza grandezza provino: a parità di condizioni, per un provino di dimensioni maggiori, sarà richiesto per la rottura uno stato di sollecitazione inferiore. Infatti, indipendentemente dalla distribuzione e dalla densità delle fessurazioni interne, è richiesta una tensione maggiore per rompere particelle più piccole, le quali naturalmente contengono una quantità inferiore di microfratture.

Acqua e additivi: l'energia necessaria per la comminuzione si riduce in presenza di acqua e può essere ulteriormente abbassata utilizzando additivi chimici. Questo poiché probabilmente essi abbassano l'energia superficiale di adsorbimento e riducono la resistenza a rottura del materiale.

Le leggi energetiche

Le leggi della comminuzione si basano sul rapporto tra l'energia impiegata e l'entità della riduzione dimensionale del prodotto. Questo legame è espresso come una funzione delle dimensioni iniziali del materiale da frantumare o macinare, della distribuzione delle dimensioni ottenute e dell'entità delle nuove aree superficiali prodotte.

Energia di comminuzione - legge di Charles (materiale grossolano): Ipotesi: assenza di dissipazioni. Una relazione del tutto generale può essere del tipo con: E energia per effettuare la comminuzione, x dimensione del materiale quindi indica una riduzione dimensionale. Esponente. Questa è valida nell'ipotesi molto forte che tutta l'energia venga trasformata in energia di superficie per la riduzione dimensionale senza dissipazioni. Ne risulta una proporzionalità tra energia e riduzione dimensionale sotto queste ipotesi.

Legge di Rittinger - materiale fine: Ipotesi assenza di dissipazioni: l'energia per unità di massa spesa per la riduzione dimensionale è proporzionale alla nuova superficie prodotta. La legge di Rittinger è espressa dalla seguente equazione. Rittinger afferma che riducendo un blocco di materiale dalla dimensione iniziale D in N blocchi di dimensione d, la superficie specifica che si ottiene è proporzionale a, dove per superficie specifica si intende l'area superficiale ottenuta per unità di volume di materiale. Dimostrazione legge di Rittinger.

Legge di Kich: Afferma che il lavoro necessario per produrre una modifica di configurazione in corpi geometricamente simili e di materiale uniforme, è proporzionale al loro stesso volume, attraverso un'opportuna costante. L'energia è quindi direttamente proporzionale alla riduzione di dimensioni.

Legge di Bond: La legge di Bond è un mix tra Rittinger (proporzionalità di superficie su un materiale fine) e Charles (proporzionalità di superficie su un materiale grossolano). Bond presuppone fisicamente che l'energia trasmessa ad un corpo solido attraverso uno sforzo di compressione si ripartisca in un primo tempo all'interno della massa, ed è quindi proporzionale a, ed in seguito, quando ha inizio la fessurazione superficiale, tale energia venga a concentrarsi in superficie sulle labbra della fessurizzazione stessa e che diventi perciò proporzionale a. Indicando con un'opportuna costante e con la densità del materiale sottoposto a comminuzione, si avrà: con.

La teoria di Bond tiene conto del lavoro che è stato in precedenza effettuato sul materiale.

Work index: L'energia necessaria per ridurre un materiale della dimensione D a quella d sarà data dalla differenza fra i quantitativi totali di energia necessari per passare da una dimensione teoricamente infinita alle dimensioni D e d. Tale lavoro, necessario per ridurre questa grandezza ipoteticamente infinita ad un valore standard di, prende il nome di o di ed è definito dalla relazione da cui Bond afferma che si può trovare un Work index che stabilisce l'energia necessaria per un blocco che parte da una dimensione che assumiamo decisamente grande fino ad arrivare a. È 10 volte il work index. Il work index si può ricavare in laboratorio. Noto quindi il work index del materiale, la formula di Bond ci permette di determinare l'energia necessaria per realizzare una certa operazione di comminuzione.

Legge di Charles pt.2: Integrando la formula di Charles si ritrovano le leggi precedenti: si trova la formula di Kich, si trova la formula di Rittinger si trova la legge di Bond.

Nuova sezione 1 Pagina 2 Considerazioni generali

Frantoio a mascelle (compressione)

Sono macchine che operano per compressione lenta, applicando sforzi di compressione sul materiale in modo da superare il suo limite elastico e generare rottura. Queste macchine sono composte da due superfici rettangolari (mascelle), tra le quali viene interposto il materiale da frantumare (camera di frantumazione), una manovella è fissa e solidale al telaio, contrapposta vi è una mascella mobile collegata ad un sistema biella-manovella. In camera di frantumazione (cioè lo spazio compreso tra le mascelle) è rivestita placche di acciai speciali resistente all'usura che possono essere sostituite facilmente. Il rivestimento delle mascelle può essere liscio o scanalato: scanalato favorisce la presa del materiale (maggiore efficienza di frantumazione) ma risulta molto più soggetto a fenomeni di usura abrasiva rispetto al liscio, in base a questa considerazione ed alla natura del materiale da trattare scelgo il rivestimento da utilizzare. Le due mascelle sono fissate in modo che formino un angolo acuto: il materiale da frantumare viene caricato dalla parte superiore del frantoio - la fuoriuscita del materiale dalla camera di frantumazione è permessa solo quando il materiale ha raggiunto dimensioni idonee al passaggio - attraverso un'apertura nella parte inferiore del frantoio Affinché il frantoio non si intasi (con).

• Frantoio a doppio effetto (detto anche a doppia ginocchiera): viene utilizzato come frantoio primario per minerali duri, a doppio effetto perché ad una rotazione della manovella si hanno due movimenti della mascella mobile: due corse di mandata e due di ritorno.
• Frantoio a singolo effetto utilizzato solo come frantoio secondario, ha infatti un indice di riduzione più spinto rispetto a quello a doppio effetto. L'albero in questo caso è direttamente collegato alla mascella ed a ogni giro della manovella corrisponde una corsa di mandata e di ritorno della mascella mobile.

Angolo di presa: rappresenta l'angolo compreso tra le due mascelle. È un parametro fondamentale da considerare per il funzionamento del frantoio stesso, infatti se. NON è rispettata, il materiale da macinare tende ad uscire dalla camera di frantumazione, relativo al materiale da frantumare nella camera di frantumazione.

Frantoio rotativo (compressione)

È utilizzato principalmente come frantoio secondario in quanto garantisce una riduzione piuttosto spinta (n=20). Vi è una parte fissa che è troncoconica con conicità rivolta verso il basso che costituisce la camera di frantumazione ed un altro tronco di cono con conicità verso l'alto che costituisce il conto frantumatore responsabile della frantumazione.

Il cono frantumatore è dotato di due movimenti:

• Rotazione attorno al proprio asse
• Movimento seguendo una traiettoria ellittica attorno alla camera di frantumazione

Il cono mobile si avvicina alla parte fissa, frantumando così il materiale, in seguito esso si allontana seguendo la propria traiettoria ellittica permettendo al materiale frantumato di scendere per gravità in una zona inferiore. Il frantoio rotativo permette di lavorare in continuo con quantità di materiali costanti ed una capacità notevole. Anche in questo caso le pareti della camera di frantumazione sono rivestite con placche per protezione dall'usura abrasiva. Le dimensioni del frantoio rotativo sono però notevoli. I frantoi sono spesso dotati di un sistema idraulico che interviene nel caso in cui nella camera di frantumazione si verifichi un sovraccarico di pressione (il materiale non riesce ad essere frantumato) superato un certo valore (soglia idraulica). Il cono si abbassa permettendo l'espulsione del materiale non frantumato e la macchina riprende a funzionare correttamente.

Frantoi a cilindri (compressione)

La cilindria è composta da due cilindri controrotanti ad assi paralleli, i prodotti da frantumare si riducono ad una grandezza pari alla distanza tra i due cilindri, il processo avviene tutto in un unico tempo: il materiale subisce una compressione lenta che ne provoca l'espulsione dello stesso. Condizione fondamentale che si deve verificare in questo caso affinché la cilindria funzioni correttamente. Se non verificata il materiale è rigettato verso l'alto. La cilindria può essere del tipo di materiale da trattare. Anche in questo caso è previsto un rivestimento in acciaio al manganese che è facilmente sostituibile e permette di limitare l'abrasione. I frantoi cilindrici permettono, questo è il motivo per cui non vengono molto utilizzati, presentano però innegabili vantaggi: dimensioni di ingombro contenute, prodotto di uscita con dimensioni regolari e regolabili, dal momento che basta aumentare o diminuire la distanza tra i due cilindri. Sono frantoi secondari se non addirittura terziari.

Frantoi a martelli (ad urto)

La frantumazione avviene per effetto della forza d'urto tra i martelli fissati ad un albero rotante che gira ad alta velocità ed il materiale stesso. I martelli sono in acciaio speciale altoresistente. Vi sono frantoi a martelli con 2, 4 o 8 denti. La camera di frantumazione è rivestita internamente per proteggere il telaio della macchina dall'abrasione prodotta dall'impatto del materiale da frantumare, le piastre d'urto devono essere facilmente sostituibili.