دليل شامل للكسارات المخروطية والكسارات الصدمية ذات العمود الرأسي وسبب استخدامها معاً في منشآت تكسير وغربلة الركام والخام

في هذه المقالة سنتناول مبادئ العمل والبنية والعناصر وحسابات السعة والقدرة للكسارات المخروطية والكسارات الصدمية ذات العمود الرأسي من النوع الثالثي، التي تشكّل ثنائياً لا ينفصل ككسارات ثانوية وثالثية في منشآت الركام حيث تُكسَّر بشكل أساسي الصخور البركانية مثل البازلت والغرانيت والديابيز وما شابهها. وسنشرح سبب استخدامهما معاً. وسنقدّم أمثلة من المنشآت التي تُستخدم فيها.

الكسارات المخروطية Hidrokon

الكسارات المخروطية هي كسارات ضغط.

الشكل 1 نرى المنظر المقطعي للكسارة المخروطية من نوع Hidrokon والعناصر الرئيسية التي تتكوّن منها هذه الكسارة. العمود الرئيسي للكسارة مركّب بشكل لامركزي داخل القطعة المسماة اللامركزية (الإكسنتريك)، وهي مركّبة في الهيكل السفلي، وتُدار بواسطة نظام تروس مخروطية وتدور بسرعة دوران مدارية معيّنة. كما أن العمود الرئيسي مركّب داخل محمل العنكبوت الموجود في الجزء العلوي من الهيكل العلوي. يستند العمود الرئيسي على محمل الارتكاز الموجود فوق المكبس الهيدروليكي (hydroset) المثبّت في الهيكل السفلي للكسارة. يتحمّل هذا المحمل الأحمال المحورية الواقعة على العمود الرئيسي. تُثبّت الفكة المتحركة المخروطية (mantle) على الصُّرّة المخروطية المرتبطة بالعمود الرئيسي للكسارة. أما في الجزء الداخلي من الهيكل العلوي فتُثبّت الفكة الثابتة المخروطية (concave) ذات الشكل الخاص.

نظام hydroset عبارة عن أسطوانة هيدروليكية تضبط الفتحة بين الفكة المتحركة (mantle) والفكة الثابتة (concave)، أي أنه يتحكم في حجم المنتج.

الشكل 1 المنظر المقطعي وعناصر الكسارة المخروطية Hidrokon — في الشكل 1 نرى المنظر المقطعي لكسارة صدمية ثالثية ذات عمود أفقي والعناصر الرئيسية للكسارة.

أثناء التشغيل، تقترب الفكة المتحركة من الفكة الثابتة وتبتعد عنها على طول محيط كامل قدره 360°، مطبّقةً بذلك ضغطاً على المادة. أي يمكننا تعريف الكسارة المخروطية على أنها كسارة فكية ذات عدد لا نهائي من الفكوك.

نرى مبدأ التكسير للكسارة المخروطية في الشكل 2.

الشكل 2 شرح مبدأ التكسير للكسارة المخروطية

معادلة السعة لروز وإنغليش

Q = \frac{W_{i} \cdot D \cdot ρ_{s} \cdot \sqrt{L_{M A X} - L_{M I N}} (L_{M A X} + L_{M I N}) \cdot K}{2 \cdot \sqrt{\frac{R}{R - 1}}}

W_i: مؤشر بوند للشغل

D: قطر الوعاء

L_MAX: قيمة ضبط الجانب المفتوح (OSS)

L_MIN: قيمة ضبط الجانب المغلق (CSS)

R: نسبة تقليل الحجم

K: عامل إحصائي. للمواد الطرية مثل الفحم وفحم الكوك K = 0,5، وللمواد الصلبة مثل الكوارتز والغرانيت K = 1

ρ_s: الوزن النوعي للمادة المكسّرة

معادلة قدرة المحرك لروز وإنغليش

P = W_{i} \cdot Q \cdot [\frac{\sqrt{F_{80}} - \sqrt{P_{80}}}{\sqrt{F_{80}}}] \cdot \sqrt{\frac{100}{P_{80}}}

P: قدرة المحرك، KW

W_i: مؤشر بوند للشغل

Q: السعة، TPH

F₈₀: الحجم الذي يمر من خلاله 80% من مادة التغذية، ميكرون

P₈₀: الحجم الذي يمر من خلاله 80% من المادة المكسّرة، ميكرون

معادلة سرعة الدوران المداري للكسارة المخروطية:

n \geq \frac{665 \cdot (\sin α - μ \cdot \cos α)}{\sqrt{d}}

n: عدد دورات الدوران المداري للكسارة المخروطية، RPM

μ: معامل الاحتكاك بين الفولاذ والمادة المكسّرة (يتراوح بين 0,2 و0,3)

d: الحجم الأقصى للمنتج، cm

α: الزاوية التي يشكّلها سطح مخروط التكسير مع الأفقي

حساب قوة التكسير

F_{B} = {[{(\frac{2191878 \cdot N}{n \cdot x \cdot \sin β})}^{2} + {(\frac{2411065,8 \cdot N \cdot \tan α}{n \cdot x \cdot \sin β})}^{2}]}^{0,5} \cdot \frac{9,81}{1000}

n: سرعة الدوران المداري، RPM

F_B: قوة التكسير، kN

N: قدرة المحرك، KW

x: المسافة بين خطوط المخروط، mm

α: نصف زاوية المخروط

β: زاوية الدوران المداري

الكسارات الصدمية ذات العمود الرأسي من النوع الثالثي

مبدأ عمل الكسارات الصدمية ذات العمود الرأسي من النوع الثالثي

دوّار هذه الكسارات مغلق ومبطّن بالكامل بصندوق الحجر. يعمل الدوّار كمضخة حجر عالية السرعة، إذ يمنح المادة الداخلة إليه سرعة عالية ويوفّر تدفّق حجر عالي السرعة نحو مجموعة ألواح التكسير المكوّنة من رفّ الحجر المثبّت بالهيكل، وبذلك يتحقق تكسير حجر على حجر (rock on rock). يمكن أن تصل سرعة الجزيئات المقذوفة من الدوّار إلى 100 م/ث.

بالإضافة إلى المادة الداخلة إلى الدوّار، تُرسَل أيضاً كمية من المادة بشكل متحكَّم به من خارج الدوّار، مما يوفّر كثافة في غرفة التكسير ويحسّن بذلك نقل الطاقة. ومن خلال التحكم في كمية هذه المادة المرسلة من خارج الدوّار، وباستخدام متغيرات مثل قطر الدوّار وسرعته أيضاً، يتم التحكم في متغيرات مثل تدرّج المنتج والسعة ومقدار التآكل.

الشكل 3 يظهر مبدأ التكسير لكسارات العمود الرأسي الثالثية.

الشكل 3 مبدأ عمل الكسارات الصدمية ذات العمود الرأسي من النوع الثالثي

العناصر الرئيسية للكسارات الصدمية ذات العمود الرأسي من النوع الثالثي

الشكل 4 تظهر العناصر الرئيسية للكسارة الصدمية ذات العمود الرأسي من النوع الثالثي. باختصار، العناصر الرئيسية لهذه الكسارات هي:

مجموعة حلقة التكسير
مجموعة السقف
مجموعة العمود الرئيسي
مجموعة القاعدة

يتكوّن من هذه المجموعات.

الشكل 4 عناصر الكسارة الصدمية من النوع الثالثي

الدوّار هو بمثابة «قلب» الكسارة الصدمية ذات العمود الرأسي من النوع الثالثي. وظيفته منح المادة المُغذّاة الطاقة الحركية التي ستتحول إلى طاقة الإجهاد اللازمة لتكسيرها، أي تسريعها. تتميّز دوّارات كسارات النوع الثالثي بأن دوّاراتها من النوع المغلق: إذ تحلّ تراكمات الحجر المتكوّنة داخل الدوّار محل أحذية القذف في الدوّارات المفتوحة. يحتوي الدوّار عادةً على 3 منافذ تشكّل فيما بينها زاوية 120°. تتكوّن تراكمات الحجر عند مخارج المنافذ، على الحافة التي تُقذف منها المادة بسرعة عالية، بين أطراف كربيد التنغستن وألواح التآكل.

الشكل 5 يظهر منظر الدوّار وعناصر الكسارة الصدمية ذات العمود الرأسي من النوع الثالثي، وفي الشكل 6 يظهر المنظر العام وعناصر غرفة التكسير للكسارة الصدمية ذات العمود الرأسي من النوع الثالثي.

الشكل 5 منظر الدوّار وعناصر الكسارة الصدمية ذات العمود الرأسي من النوع الثالثي

الشكل 6 المنظر العام لغرفة التكسير للكسارة الصدمية ذات العمود الرأسي من النوع الثالثي

دراسة السعة والقدرة في الكسارات الصدمية ذات العمود الرأسي من النوع الثالثي

التحليل بمعادلة بوند

في حساب قدرة التكسير النوعية في كسارات العمود الرأسي من النوع الثالثي، تعطي معادلة بوند نتيجة مختلفة تماماً عن القيمة الفعلية. لذلك، وكما هو معروف، فهي معادلة تعتمد على مؤشر الشغل W_i.

W = 11 * W_{i} * (\frac{1}{\sqrt{P}} - \frac{1}{\sqrt{F}})

N = W * Q

W: الطاقة النوعية التقريبية اللازمة للتكسير، Kwh/t

W_i: مؤشر الشغل

P: مقاس العين المربّعة الذي يمر من خلاله 80% من المنتج (المادة الخارجة من الكسارة) – ميكرون

F: مقاس العين المربّعة الذي يمر من خلاله 80% من المادة المُغذّاة إلى الكسارة – ميكرون (يجب أن تكون المواد الناعمة قد غُربلت من المادة المُغذّاة)

N: قدرة المحرك المطلوبة، KW

Q: السعة، طن/ساعة

إذا فحصنا منحنيات المنتج في الكسارات الصدمية ذات العمود الرأسي من النوع الثالثي، فإن المنحنى يتقدّم في الجزء الأول بميل منخفض إلى حد كبير، أي أن نسبة تقليل الحجم في هذا الجزء منخفضة؛ ونحو الجزء الأخير يزداد الميل وتزداد نسبة تقليل الحجم. ولهذا السبب، عند تطبيق معادلة بوند، P₈₀، قيمة تتراوح بين P₃₅ – P₄₀ يجب استخدامها بدلاً منه.

للحسابات السريعة يمكن استخدام الرسم البياني 1.

الجدول 1 يظهر مؤشر الشغل والخصائص الفيزيائية الأخرى لمواد مختلفة.

اسم الصخر	نوع الصخر	مؤشر الشغل W_i	الوزن النوعي (t/m³) ρ	الكثافة الظاهرية (t/m³) γ	مؤشر التآكل A_i	مقاومة الانضغاط MPa
أنديزيت	بركانية	16 ± 2	2,6-2,8	1,6	0,5	170 - 300
أمفيبول	متحولة	16 ± 3	2,8 – 3,0	1,7	0,2 - 0,45	-
حجر رملي	رسوبية	10 ± 3	2,7	1,6	0,1 - 0,9	30-180
بازلت	بركانية	20 ± 4	2,9 – 3,0	1,8	0,2 ± 0,1	300 – 400
حجر جيري	رسوبية	12 ± 3	2,7	1,6	0,001 – 0,03	80 - 180
كربون	رسوبية	14 ± 4	1,0 – 1,8	0,8	-	-
كلنكر	-	-	-	1,2	-	-
فحم الكوك	-	-	-	0,6	-	-
ديابيز	بركانية	19 ± 4	2,8-2,9	1,7	0,3 ± 0,1	250 - 350
ديوريت	بركانية	19 ± 4	2,7 – 2,8	1,6	0,4	170 – 300
دولوميت	رسوبية	12 ± 3	2,7	1,6	0,01 – 0,05	50 - 200
غابرو	بركانية	20 ± 3	2,9-3,0	1,8	0,4	170 – 300
نيس	متحولة	16 ± 4	2,7	1,6	0,5 ± 0,1	200 – 300
غرانيت	بركانية	16 ± 6	2,7	1,6	0,55 ± 0,1	200 – 300
هيماتيت	رسوبية	-	5,1	2,2 – 2,4	0,35 ± 0,2	-
مغنتيت	رسوبية	-	5,7	2,2 – 2,4	0,50 ± 0,2	-
رخام	متحولة	12 ± 3	2,7	1,6	0,001 – 0,03	80 - 180
بورفير	بركانية	18	2,7	1,6	0,1 – 0,9	180 – 300
كوارتزيت	متحولة	16 ± 3	2,7	1,6	0,75 ± 0,1	150 – 300
سيانيت	بركانية	19 ± 4	2,7 – 2,8	1,6	0,4	170 – 300
صوّان (هورنفلس)	متحولة	18 ± 3	2,8	1,65	0,7	150 - 300

الجدول 1 مؤشر الشغل والخصائص الفيزيائية الأخرى لمواد مختلفة

الرسم البياني 1 قدرة التكسير النوعية بدلالة سرعة طرف الدوّار في كسارات VSI من النوع الثالثي

سبب استخدام الكسارة المخروطية ككسارة ثانوية والكسارة الصدمية ذات العمود الرأسي ككسارة ثالثية

بما أن الكسارة المخروطية كسارة ضغط، فإن المنتج الناتج عنها يحتوي على إجهادات داخلية وشقوق شعرية دقيقة. كما أن له بنية رقائقية؛ ونسب التفلطح والاستطالة فيه ليست عند المستوى المطلوب. ولهذه الأسباب لا يمكن غربلته واستخدامه مباشرة في صناعة الخرسانة وإنشاء الطرق. يجب إعادة تكسير المنتج الناتج عن الكسارة المخروطية في المرحلة الثالثة بكسارة من النوع الصدمي لتخليصه من إجهاداته الداخلية وجعله مكعّب الشكل.

كما أشرنا سابقاً، تُستخدم الكسارات المخروطية ككسارات ثانوية فعّالة للصخور البركانية الصلبة والكاشطة مثل البازلت والغرانيت والديابيز وحصى الأنهار. وبعد هذه الكسارات لا تُستخدم عادةً كسارة صدمية ذات عمود أفقي. وبدلاً منها تُستخدم كسارات صدمية ذات عمود رأسي مصمَّمة وفق مبدأ التكسير حجر على حجر.

أمثلة على منشآت تُستخدم فيها الكسارة المخروطية ككسارة ثانوية والكسارة ذات العمود الرأسي ككسارة ثالثية

1- منشأة تكسير وغربلة البازلت بسعة منتج 200 TPH لإنتاج ركام الخرسانة

تستخدم المنشأة كسارة فكية 1100*900 بمحرك 132 KW، وكسارة مخروطية مكافئة لـ METSO HP 300 بمحرك 200 KW، وكسارة ذات عمود رأسي بقطر دوّار ∅990 ومحركات 2*250 KW.الشكل 5 يظهر مخطط سير العملية للمنشأة، والرسم البياني 2 يظهر منحنى المنتج لسرعة طرف 60 م/ث.

الشكل 5 مخطط سير العملية لمنشأة إنتاج ركام الخرسانة البازلتي

الرسم البياني 2 منحنى مخرج كسارة VSI بقطر دوّار ∅990

2- منشأة تكسير وغربلة وغسل مواد الأنهار بحجم تغذية 0-300 mm

في المنشأة تُكسَّر مواد الأنهار بحجم تغذية أقصى قدره 300 mm ويُنتَج ركام الخرسانة. وهي مواد نهرية جارية وليست شديدة الاتساخ. بعد فصل الرمل الطبيعي، تُستخدم كسارة فكية وكسارة مخروطية لتصغير الحجر إلى حجم يمكن للكسارة ذات العمود الرأسي تكسيره. سعة تغذية المنشأة 300 TPH؛ وبعد أخذ 108 TPH من الرمل الطبيعي 0-4، يُنتَج 192 TPH من ركام الخرسانة من الحجر المكسّر.

الرسم البياني 3 يظهر منحنى تغذية مواد الأنهار، وفي الشكل 6 مخطط سير العملية للمنشأة، وفي الرسم البياني 4 يظهر منحنى مخرج الكسارة ذات العمود الرأسي.