تصغير حجم الخام أو الصخر: ما هي عملية التكسير؟ ولماذا وكيف تُجرى؟

الهدف من تصغير الحجم

تُجرى عملية تصغير الحجم لثلاثة أغراض أساسية:

i. الحصول على الحجم أو المساحة السطحية اللازمة لاستخدام الخام أو المادة:

لهذا الغرض، تُحضَّر عادةً في عملية تصغير الحجم مادة الحشو اللازمة لأعمال السيراميك والطرق والبناء والأسفلت، وكذلك المادة الخام المستخدمة في إنتاج الأسمنت.

قد يكون الحجم على شكل كتل، إلا أن خامات مثل الأسمنت وفلسبار السيراميك والكالسيت والكوارتز والباريت يجب طحنها حتى مستويات 10 µ حتى يمكن استخدامها.

ii. فصل المعادن المختلفة الموجودة في الخام لتحرير أحدها عن الآخر:

يُعرَّف الحجم الأعلى الذي تنفصل عنده الحبيبات بعضها عن بعض نتيجة عملية تصغير الحجم بأنه حجم التحرر.

من أجل إثراء الخامات التي توجد بشكل خاص في حالة مركّبة وتحتوي في تركيبها على معدن ثمين واحد أو أكثر إلى جانب شوائب غير مرغوب فيها، يجب فصل المعادن المتواجدة معًا بعضها عن بعض. وفي تحضير الخام تُجرى عمليتا التكسير والطحن لهذا الغرض.

توفير الحجم أو المساحة السطحية التي تتطلبها طريقة الإثراء المراد تطبيقها:

قد لا يكون حجم التحرر دائمًا كافيًا لعملية الإثراء المراد تطبيقها.

في التعويم، قد يلزم إعادة طحن المعدن المتحرر حتى يمكن نقله إلى السطح بواسطة الرغوة، أو حتى يمكن استخدام الخام المُثرى في المرحلة التالية، أو لإثراء المركّز المنتَج بدرجة أكبر.

ما هي عملية التكسير؟

التكسير هو عملية تصغير حجم الخام أو الصخر. تبدأ عملية تصغير الحجم في الموقع بإنتاج الخام باستخدام المواد المتفجرة. وفي المراحل اللاحقة، تُسمى عملية تصغير الحجم التي تُجرى قبل الطحن في المطاحن بواسطة الكسّارات بـ«التكسير». وعلى الرغم من عدم وجود حد محدد، تُعتبر عملية تصغير الحجم فوق 3 مم «تكسيرًا»، وما دون 3 مم «طحنًا». وحتى لو تم تصغير الخام إلى ما دون 3 مم بواسطة الكسّارات المخروطية وبعض الكسّارات الصدمية، فإن هذه العملية تُسمى تكسيرًا.

تُعبَّر عن عملية تصغير الحجم بصيغة التحويل التالية:

الخام المراد تصغير حجمه + طاقة = الخام المصغَّر حجمه + صوت + حرارة

تُحسب الطاقة الصافية المستخدمة في تصغير الحجم بطرح الطاقة المتحولة إلى صوت وحرارة من إجمالي الطاقة المستهلكة. وقد رأى بيك عام 1964 أن الطاقة المبذولة في تصغير الحجم لا تتجاوز 0.6% من إجمالي الطاقة، بينما رأى أوستن أنها أقل من 3%.

وعلى الرغم من أن هذه النسب ليست دقيقة، فمن الحقائق المعروفة أن الطاقة المستهلكة في عملية تصغير الحجم تمثل نسبة ضئيلة جدًا من إجمالي الطاقة المستهلكة لهذا الغرض.

الطحن هو المرحلة الأخيرة من تصغير الحجم بعد التكسير. ويُجرى الطحن لتحرير المعادن المختلفة الموجودة في الخام ولتوفير الحجم والمساحة السطحية المناسبين لعملية الإثراء أو لغرض الاستخدام. ويُجرى الطحن جافًا أو رطبًا حسب عملية الإثراء، وتُستخدم مطاحن مختلفة تناسب غرض الطحن.

القوى المطبَّقة في عملية التكسير

تُعبَّر عن عملية تصغير الحجم بصيغة التحويل التالية:

الخام المراد تصغير حجمه + طاقة = الخام المصغَّر حجمه + صوت + حرارة

في عملية تصغير الحجم؛

الليّ (الالتواء)
الضغط أو الكبس أو السحق
القص
الصدم
تُطبَّق قوى الاصطدام.

تُنفَّذ عملية التكسير بواسطة آلات تُطبَّق فيها واحدة أو عدة من هذه القوى معًا.

تُطبَّق في آلات التكسير عادةً قوى الضغط والصدم والاصطدام. وعلى الرغم من عدم وجود آلات تكسير تُطبَّق فيها قوى الليّ والقص، فإن هذه القوى قد تنشأ أثناء عملية التكسير.

في الكسّارات التي تُطبَّق فيها قوة الاحتكاك، تكون المسافة بين مطارق التكسير ومناخل جسم الكسّارة ضيقة جدًا. ويُكسَّر الخام بفعل قوة الاحتكاك الناشئة تحت تأثير قوى الصدم والقص ويُزال من الوسط.

عندما تكون الخامات هشّة ومنخفضة محتوى السيليكا، ويكون الهدف الحصول على منتج أكبر حجمًا بعد التكسير، تُستخدم الكسّارات العاملة بقوة القص. وتُطبَّق قوة القص في أغلب الأحيان مع قوتي الصدم والضغط معًا.

للحصول على منتج كبير الحجم من الخامات الصلبة والكاشطة والصعبة التكسير وغير اللاصقة، يُستعان بالكسّارات العاملة بقوة الضغط. وفي هذه الكسّارات يُضغط الخام بين سطحين أحدهما أو كلاهما متحرك.الكسّارات الفكّية هي أكثر آلات تصغير الحجم استخدامًا في تكسير هذا النوع من الخامات. إلا أنه تُستخدم أيضًا كسّارات فكّية تُطبَّق فيها، إلى جانب قوة الضغط، قوة احتكاك عبر الحركة الأفقية للفك. وهذا النوع من الكسّارات غير مناسب لتكسير الخامات الكاشطة.

للتحكم في الحجم الأعلى للخامات الهشّة وغير الكاشطة بعد التكسير، تُجهَّز دوائر تكسير وغربلة مغلقة. وفي أغلب الأحيان تُجرى مرحلة التكسير الأولى بدائرة مفتوحة. وبعد مرحلة التكسير الأولى، فإن تشغيل الكسّارات السابقة للمطحنة بدائرة مغلقة يسهّل إدارة الطحن كما يخفّض تكلفة تصغير الحجم بدرجة كبيرة.

يكتسب الاختيار الصحيح للكسّارات ودوائر التكسير والغربلة أهمية خاصة، لأنه يؤثر مباشرة في الطحن وفي عمليات تحضير الخام اللاحقة. ولزيادة كفاءة عملية التكسير التي تُجرى على عدة مراحل، تُستخدم مناخل قبل الكسّارة لسحب الخام ذي الحجم المناسب من الدائرة قبل دخوله الكسّارة، مما يمنع تصغيره دون داعٍ. كما تزيد هذه العملية في الوقت نفسه من سعة الكسّارات ودوائر التكسير والغربلة. وتُعد كمية الخام المراد تكسيره وخصائصه وغرض استخدام المنتج المكسَّر عوامل حاسمة في اختيار الكسّارات ودوائر التكسير.

خصائص الخام المراد تكسيره

لكل خام مراد تكسيره خصائص قابلية تكسير خاصة به. فبعض الخامات تُكسَّر بسهولة، بينما يحتاج بعضها الآخر إلى طاقة أكبر لتكسيره. وقد يتغير أيضًا التركيب الفيزيائي للمنتج الناتج بعد التكسير، إذ قد يتحول الخام المكسَّر إلى مسحوق كما قد يبقى على شكل قطع كبيرة. وكل خام يؤدي أثناء تكسيره إلى تآكل بطانات الكسّارة بقدر معين.

إن خصائص الخام هي العامل الحاسم في اختيار الكسّارة:

الحجم المطلوب بعد التكسير، P80
سعة التكسير، Q
الكثافة في الموقع والكثافة الظاهرية للخام، ρ
دليل العمل للخام المراد تكسيره، Wi، ودليل التآكل، Ai
صلابة الخام
رطوبة الخام
المحتوى الموجود في الخام الذي قد يسبب مشكلة في تصغير الحجم
الظروف المحلية التي يُجرى فيها تصغير الحجم

إن اختبارات تصغير الحجم التي تُجرى في المختبر مهمة لتفادي أي اختيار خاطئ محتمل منذ البداية. وثمة ثلاثة بيانات مهمة تتعلق بخصائص تكسير الخامات — التحليل الكيميائي للصخر، ودليل التآكل Ai، ودليل العمل Wi — يمكن تحديدها بسهولة عبر اختبارات المختبر.

إن خصائص الخام المراد تكسيره هي أهم عامل حاسم في اختيار الكسّارة. كما أن خصائص تكسير الخام نفسه قد تتغير ضمن حدود معينة. ولإجراء الاختيار، يجب معرفة حجم الخام والحجم الذي سيُكسَّر إليه وكميته. وفي مرحلة اختيار الكسّارة، ينبغي اتخاذ القرار بتقييم مراحل التكسير والعوامل المحتملة التي قد تظهر في كل مرحلة معًا.

إن قيمة دليل العمل Wi للخامات هي أهم مقياس لقابليتها للتكسير. فالخامات ذات دليل العمل المنخفض سهلة التكسير والطاقة اللازمة لتكسيرها منخفضة. ولتفادي تحميل الكسّارة حملًا زائدًا، تُبقى إعدادات الكسّارة اللازمة مرتفعة للخامات ذات دليل العمل المرتفع.

بالنسبة للخامات ذات دليل التآكل المرتفع مثل الكوارتزيت، لا يُعد استخدام الكسّارات الصدمية مناسبًا. إذ إن استبدال الأجزاء المتآكلة وصيانة الكسّارات في دوائر التكسير أمر يستغرق وقتًا ومكلف. أما لتكسير الخامات ذات دليل العمل المنخفض مثل الدولوميت، فتتقدم السعة إلى الصدارة في اختيار الكسّارة. ولا يتطلب تكسير الدولوميت كسّارات كبيرة.

لا تُستحسن الإجهادات الداخلية في الركام الذي سيُستخدم في صناعة الخرسانة. وحتى لو استُخدمت كسّارات فكّية في مرحلة التكسير الأولى، فيجب استخدام كسّارات صدمية في المرحلة الثانية لتصغير المادة الخارجة من الكسّارة الفكّية إلى حجم الاستخدام.

تبيّن أن الكسّارات الفكّية ذات المفصلين (الوصلة المزدوجة) تتمتع بكفاءة عالية في تكسير الخامات التي تزيد قيمة Ai لديها عن 0.7. وتعمل الكسّارات الدوارة والمخروطية مثل الكسّارات الفكّية ذات المفصلين وتُعد كسّارات منخفضة التآكل.

نسبة التكسير في الكسّارات الصدمية أعلى منها في الكسّارات الفكّية والمخروطية، وتتطلب عملية تصغير الحجم عددًا أقل من مراحل التكسير. إلا أنه لا يُنصح باستخدام الكسّارات الصدمية لتكسير الخامات التي يزيد دليل تآكلها عن 0.15، لأنها تسبب تآكلًا مفرطًا.