Сотрем в нанопорошок

Ирик Имамутдинов
8 сентября 2003, 00:00

Питерские конструкторы разработали аппарат, способный не только добывать алмазы из отвалов, но и создавать наноматериалы для электроники и биотехнологий

Дробление и измельчение материалов - самые распространенные производственные процессы в промышленности и сельском хозяйстве. Именно на эти процессы сегодня расходуется более 20% всей вырабатываемой на планете электроэнергии. Внедрение, прежде всего в горнодобывающей промышленности, разработанных питерскими учеными планетарных мельниц (вместо применяемых ныне барабанных шаровых) сократит энергопотребление процессов измельчения руды вдвое. При этом извлекаемость полезного компонента из обогащаемых руд, сейчас редко превышающая 70%, может приблизится к 100%.

Планетарные мельницы могут произвести революцию не только в горнорудной промышленности, но и в химической и металлургической, а также в цементном, керамическом и лакокрасочном производстве.

Не менее важное направление - создание новых материалов и технологий за счет использования порошков субмикронных размеров, механически активированных в планетарных мельницах.

От ступки к барабанам

Пещерный человек для измельчения корней, зерен, минералов для краски использовал пару камней, затем появилась ступка, затем изобрели жернова. Перетирка сырья между жерновами оставалась основной технологией измельчения многие века, прежде чем была придумана барабанная мельница. Работает она просто: куски породы, загруженной в "положенный на бок" и вращающийся вокруг своей оси барабан, увлекаются его стенкой, затем падают вниз и измельчаются за счет ударов и истирания. Этот принцип востребован до сих пор и применяется в так называемых мельницах самоизмельчения.

В шаровых мельницах внутри барабана помещаются металлические шары (раньше их заменяла кремневая галька). Из-за дополнительного истирания между шарами процесс измельчения материала становится намного интенсивнее, а размер помола легче регулировать - на выходе получается более равномерно смолотый порошок. Первые промышленные образцы шаровых мельниц выпустила датская компания Smidt & Kш в 80-х годах XIX века. В XX веке шаровые мельницы произвели настоящую революцию в горно-обогатительном, цементном, химическом и металлургическом производствах. Патенту на изобретение шаровой мельницы уже около 180 лет, но инженерное решение, реализованное в ней, остается актуальным и сегодня - большая часть материалов перемалывается именно ими. В мире разрабатывается около 110 тыс. месторождений минерального сырья, и на каждом из них работает от 10 до 50 шаровых мельниц (на самом крупном в России горнодобывающем предприятии - Лебединском ГОКе таких машин около сорока). У самых производительных мельниц, перемалывающих до 100 тонн породы в час, диаметр барабана достигает 6 метров, а его длина превышает 15. Чтобы раскрутить весящую сотни тонн махину, нужен соответствующий электропривод. Потребляемые одной мельницей четыре мегаватта не являются чем-то экстраординарным в горнорудной промышленности, а мельницу-рекордсмен крутит 10-мегаваттный двигатель. Таким образом, даже в развитых странах в технологическом процессе обогащения минерального сырья до двух третей капитальных и эксплуатационных затрат приходится именно на механическое измельчение. Развитие этой технологии зашло в тупик, и не только из-за ее чудовищной энергозатратности. На шаровых мельницах не удается получить более тонкий порошок, востребованный в последние десятилетия. Сегодня из-за истощения сырьевой базы все чаще приходится разрабатывать те месторождения, где размер фракции полезного компонента не превышает 20 микрон. К тому же в этих мельницах отсутствует какая-либо избирательность - вмещающую породу или полезный минерал они будут измельчать одинаково. В результате переизмельченности или недомола резко страдает эффективность последующих звеньев технологической цепочки переработки сырья, заточенных под определенный диапазон размеров обрабатываемых частиц. Из добытой руды при такой обработке порой не вытягивается до 20% полезного компонента.

"Классическая шаровая мельница - слишком тупая машина для интеллигентного перемола, зато его вполне может обеспечить мельница планетарная", - утверждает Владимир Кочнев, генеральный директор питерской компании "Техника и технологии дезинтеграции" (ТТД), где разработаны первые в мире промышленные планетарные мельницы непрерывного действия. Он продолжает: "Судите сами, в советское время, когда питерский институт 'Механобр', головной разработчик обогатительного оборудования, находил техническое решение, позволяющее вытягивать на шаровых мельницах хотя бы один дополнительный процент меди из руды, его сотрудники катались как сыр в масле - на них сыпались премии и звания. А использование наших планетарных мельниц сразу повышает эффективность обогащения на порядок - достать оставшиеся после шаровых мельниц двадцать процентов, правда, обещать не могу, но за десять ручаюсь точно".

Вокруг двух осей

Все основные принципы устройства планетарной мельницы описывает американский патент, выданный еще в 1889 году. Идея создания планетарной мельницы не случайно возникла в одно время с появлением первых промышленных шаровых мельниц - ведь в основе ее работы заложены те же принципы, что и в шаровом измельчителе. Но в отличие от барабанных шаровых мельниц планетарные имеют обычно три или четыре барабана. Эти барабаны вращаются вокруг центральной оси планетарного механизма (подобно планетам вокруг Солнца), а кроме того, каждый из них вращается в противоположном направлении вокруг собственной продольной оси.

Благодаря движению барабана вокруг своей оси помещенные в него шары получают центростремительное ускорение, намного превышающее ускорение силы тяжести (в Новосибирском институте геологии и геофизики разработали лабораторные планетарные мельницы с ускорением до 400 g, правда, после нескольких минут работы их приходилось выбрасывать). Интенсивность измельчения материала увеличивается на порядки, а изменение скоростных режимов работы мельницы позволяет более тонко регулировать размер частиц (чистоту помола). Самое же главное - появлялась возможность создания супертонких порошков, помол которых в шаровых машинах в принципе невозможен.

Простота идеи создала иллюзию такого же простого ее воплощения - в начале прошлого века сотни инженеров из Англии, Германии, Франции и США пытались построить планетарную мельницу. Но сразу же столкнулись с трудностью, которая им тогда представлялась главной: как создать систему непрерывной загрузки исходного материала в быстро вращающиеся вокруг двух осей барабаны? Только в начале 50-х во Франции был выдан первый патент на "непрерывную" планетарную мельницу, но до 70-х годов создать работающий образец никто не смог.

В 1956 году авторское свидетельство на подобное изобретение получил инженер-изобретатель Института геологии и геофизики Сибирского отделения АН СССР Сергей Голосов. К этому времени он уже создал серию лабораторных центробежных планетарных измельчительных машин с периодической загрузкой, которые могли переработать несколько сотен граммов вещества.

В 60-х годах лабораторные планетарные мельницы начали выпускаться на Западе - сначала в Германии, компаниями Fritsh и Retsch. Позднее они появились в Японии (Saisin) и США.

Простое решение

На дробление и измельчение сейчас расходуется более 20% всей вырабатываемой на планете электроэнергии

В начале 70-х Южноафриканская горнорудная палата выделила приличный бюджет под 15-летнюю программу разработки высокопроизводительных (от нескольких тонн) промышленных планетарных мельниц непрерывного действия, в первую очередь для алмазной промышленности. Небольшое сообщение о проводимых в Йоханнесбурге работах, проскочившее в специализированном журнале, не оставил без внимания сотрудник ЯкутНИИпромалмаза Анатолий Лейтес. Руководство института посчитало перспективным предложение Лейтеса создать непрерывную планетарную технологию измельчения для более глубокого извлечения алмазной крошки. Лейтес собрал группу молодых конструкторов, куда и вошел Владимир Кочнев, темой диссертации которого впоследствии стал так называемый центробежный питатель для непрерывной планетарной мельницы.

Уже в 1972 году такой питатель (устройство, непрерывно подающее в работающую мельницу сырье) был создан. "Это простое механическое решение", - скромно говорит о своей разработке Кочнев, удивляясь тому, что в ЮАР интернациональный коллектив инженеров, использующий опыт немецких компаний и многомиллионные субсидии, после десятилетней работы не справился с этой задачей (в 1982 году работы там были прекращены).

В 1978 году опытный образец непрерывной планетарной мельницы был собран в ЯкутНИИпромалмазе. Мельница производительностью 10 тонн в час прошла 100-часовые промышленные испытания. Успех якутских разработчиков вверг в состояние эйфории отраслевых начальников. К началу 80-х по теме публиковались сотни статей в год. Тематику по созданию планетарных мельниц включили в свои планы 25 организаций союзного значения, однако повторить успех якутских конструкторов никто не смог. Например, вышло постановление Совмина СССР по созданию 100-тонной планетарной мельницы для цементной промышленности - институт "Гипроцемент", взяв под козырек и освоив выделенные деньги, никакого результата не достиг. В 1985 году по документации ЯкутНИИпромалмаза была построена последняя - сорокатонная машина, но она отработала всего 30 часов. Закончилась очередная пятилетка, прекратилось финансирование, и началась перестройка. Работа над промышленной планетарной мельницей прервалась.

На службе у африканских алмазов

В перестроечные годы взлетел спрос на небольшие лабораторные планетарные мельницы: их покупали НИИ и выделявшиеся из научных организаций кооперативы, число которых росло в геометрической прогрессии - им были нужны тонкие порошки для различных исследований. Руководимая Кочневым группа, работающая в молодежном научно-техническом центре при Ленинградском военно-механическом институте, не успевала выполнять заказы. "До начала девяностых мы жили припеваючи, работа была очень интересной. Мы разрабатывали целую гамму высокооборотистых лабораторных мельниц для измельчения различных материалов - стекла, пигментов, химических препаратов для пожаротушения и бог знает еще для чего", -рассказывает Кочнев.

В 1991 году он организует компанию ТТД, куда уходит костяк коллектива молодежного центра. Была надежда, что новая экономика востребует более эффективную и производительную технику, и мало-помалу компания начинает "отщипывать" из своих доходов на НИОКР по созданию промышленных планетарных мельниц. На советские многотонные масштабы не замахивались и начали работу над машинами с производительностью от нескольких десятков до сотен килограммов в час. Советский опыт показал, что система загрузки - не самое страшное, главное - это достижение механической надежности мельниц, ведь при испытаниях даже хваленые немецкие подшипники "летели" уже через 15 часов работы.

В 1994 году отщипывать стало не от чего: небольшие научные коллективы разорялись или уезжали на Запад, а у НИИ просто не было денег для приобретения научного оборудования. Компанию спасли южноафриканские алмазники - их заинтересовали разработки ТТД. "Не перестаю удивляться новым русским хозяевам горнорудных и алмазных предприятий, - говорит Владимир Кочнев, - неужели они не заинтересованы в повышении эффективности своих производств? Десятки публикаций в специализированной российской периодике, прямая рассылка предложений, и реакция - ноль. А тут дали малюсенькую заметку в англоязычном журнале, и нас не только пригласили к участию в нескольких выставках, но мы получили десятки откликов с просьбой рассказать подробнее о наших технологиях". Несколько оставшихся с Кочневым сотрудников увезли в ЮАР две лабораторные планетарные мельницы - непрерывной и периодической загрузки. Смонтировали их - и стали зарабатывать. Мололи образцы пород, брали деньги за показ техники, пока наконец непрерывной мельницей не заинтересовались представители De Beers. Кочнев и его коллеги сразу отклонили предложение о постоянной работе в De Beers, подписав вместо этого в 1995 году "приличный", по словам Кочнева, контракт, который регулярно продлевается до сих пор.

"Суть наших деловых отношений с De Beers - в проверке возможности стопроцентного вытаскивания алмаза из кимберлита за счет использования планетарных мельниц, для чего они изначально и создавались", - поясняет Кочнев. Существующие технологии измельчения этого обеспечить не могут, и немало драгоценного камня уходит просто в отвал. Идея же полноценного извлечения звучит совсем просто: алмаз в 50-300 раз тверже вмещающей его породы, а значит, при определенном режиме работы кимберлит можно истереть в пыль, оставив алмазы нетронутыми. Идея такой технологии витает в воздухе с конца 60-х годов, когда и в ЮАР, и в СССР был проведен ряд опытов с использованием периодических лабораторных планетарных мельниц самоизмельчения. Но промышленности для рентабельной работы нужны машины непрерывного действия производительностью десятки тонн в час. Ведь тогда огромные перерабатывающие фабрики с многообразным оборудованием, занимающие сейчас сотни гектаров, могут быть заменены цехами, состоящими всего из нескольких единиц техники.

Начальники российской "Алросы" познакомились с технологией в ЮАР. Когда De Beers пригласила их посетить свои исследовательские лаборатории, как раз в это время там работали российские инженеры. После этого Кочнев по заказу уже российских алмазников составил программу по техническому обновлению компании. Первая часть программы требовала всего 5 млн долларов (к примеру, выстроенный "Алросой" в Архангельске пятизвездочный отель тянет на сумму в несколько раз большую). После двухлетнего согласования и визирования документа восемью руководителями алмазной компании ТТД получила-таки заказ. На 50 тыс. рублей.

Планетарные мельницы перспективны не только для алмазодобывающей отрасли. За счет использования свойств материала можно "вытягивать" и другие ценные элементы, например, золото, играя на его пластичности. Уже сейчас ТТД на своей технике, пока, правда, в экспериментальном порядке, вытаскивает из тонны присланной золотодобытчиками отвальной породы один грамм золота. Как раз к этой технологии проявляет интерес компания "Полюс", которой руководит экс-руководитель Гохрана Валерий Рудаков. В 2002 году "Полюс" добыл 29 тонн золота, но на ближайшие годы ставит амбициозную задачу втрое перекрыть этот показатель, в том числе и с помощью технологий ТТД.

"Представители горнодобывающих отраслей просят нас поставить мельницу на условиях аренды для проверки ее работоспособности - говорит Владимир Кочнев, - а следующую уже готовы купить. Но при наших оборотах мы можем сделать только машину на три-четыре тонны в час, а для создания мельницы производительностью шестьдесят-семьдесят тысяч тонн в час нам еще нужно два года работы и около трех миллионов долларов, а значит, необходимо искать серьезного инвестора. Горнорудная техника очень дорогая, и, продав только одну машину, мы можем вернуть все вложенные деньги". В том, что производительную машину удастся создать за такое короткое время, Владимир Кочнев уверен: "К решению этой задачи после выпуска четырех модификаций промышленных планетарных мельниц мы готовы, и, я считаю, мы смогли создать такую конструкцию машины, механическую надежность которой можно гарантировать на девяносто девять процентов. Еще один процент добавлю после испытаний".

По следам заключенного Хинта

По словам Владимира Кочнева, внедрение планетарных мельниц сродни процессу перехода от поршневой авиации к реактивной. Революционность этой технологии не только в том, что на порядки увеличивается эффективность горнорудной промышленности, спрос на мельницы могут предъявить самые горячие с точки зрения конъюнктуры НТП сегменты новой экономики. Речь идет в первую очередь о так называемом дезинтеграционном производстве тонкодисперсных и нанопорошков - направлений, вышедших из традиционной механохимии.

Механохимия изучает химические процессы, которые происходят в веществах при механическим воздействии, например ударе или трении. При высокоэнергонапряженном измельчении в планетарных мельницах происходит механическая активация вещества, после которой его физико-химические свойства претерпевают значительные изменения. При ударах в кристаллической решетке появляются дефекты, которые значительно ускоряют процессы диффузии веществ при различных реакциях, из-за чего температура, при которой такие реакции протекают, кардинально понижается. К примеру, механически активированная керамика или композиты спекаются не при 1700 градусах, а при 1300. При активации меняются и механические свойства вещества. В питерском Институте гидротехники уже в наши дни через планетарную мельницу прогнали цемент с маркой прочности 300, и за счет механоактивации прочностные характеристики получаемых изделий вырастали до марки 800. Химики же поэкспериментировали с отвальной золой с ТЭЦ и на выходе из планетарной мельницы получили золу с прочностными характеристиками цемента марки 1000.

Отвальная зола с ТЭЦ, пропущенная через планетарную мельницу, приобретает прочностные характеристики цемента марки 1000

Интересно, что в советское время промышленный выпуск механически активированных веществ уже налаживался. Таллинский ученый Иоханнес Хинт первым в мире добился успешного внедрения в промышленность технологий, основанных на применении механохимических эффектов (только на Западе он получил 28 патентов), создав дезинтеграторные технологии приготовления буровых растворов, водно-топливных суспензий, красильных растворов для текстиля, органо-минеральных удобрений, полимеров, измельчения и активации катализаторов. Деятельность НПО была настолько успешной, что в Госплане СССР приняли комплексную научно-техническую программу по этому направлению. Но сверхэффективная деятельность предприятия - только в 1982 году экономический эффект от внедрения дезинтеграторных технологий составил более 14 млн рублей, - которое к тому времени по статусу было научно-производственным кооперативом, предопределила его закат. Хорошо зарабатывающее НПО мозолило глаза многим, и Хинта не спасло даже звание лауреата Ленинской премии. В том же 1982 году по сфальсифицированному обвинению его посадили в тюрьму, где он и умер через два года.

Для измельчения материалов Хинт использовал установки на базе стержневых дезинтеграторов, работающих по принципу вращающихся один внутри другого беличьих колес. "Планетарные мельницы могут обеспечить намного более сильные механохимические эффекты, чем эти дезинтеграторы, - говорит сотрудник группы механохимии Санкт-Петербургского госуниверситета Галина Черник, - и значительно быстрее".

В 2000 году в ТТД Галина Черник с коллегами из НИИ химии того же университета Еленой Фокиной и Надеждой Будим предложили Владимиру Кочневу разработать машины для промышленного выпуска различных активированных порошков микронной, субмикронной и наноразмерности.

Пока рынки таких порошков невелики, но со временем они станут массовыми: порошковая металлургия, создание легких композитных материалов (например, таких, где частицы карбида кремния включены в алюминиевую матрицу) для автомобильной и аэрокосмической промышленности, наполнителей для полимеров, изготовление абразивов и катализаторов, биометок. Особенно большим спросом нанопорошки пользуются в электронике, где применяются, в частности, при полировке чипов при так называемых технологических процессах 0,13, а теперь и 0,09 микрон, и в биотехнологиях. Потребность в них стремительно растет. В 1999 году нанопорошков во всем мире выпускали всего один килограмм в день, в 2000-м этот рынок оценивался в 400 млн долларов, а в 2005 году он, по самым скромным прогнозам, превысит миллиард долларов.

Компания ТТД и группа механохимии СПбГУ собирается занять свое место в этом высокотехнологичном секторе. Недавно они выступили инициаторами проекта в рамках европейской программы CORDIS. Эта организация выделяет гранты на исследования в семи прорывных направлениях, ежегодный бюджет только нанотехнологического направления - 1,3 млрд евро. Проект "Измельчение в высокоэнергонапряженных мельницах в производстве твердых сплавов, керамических и композитных материалов" был подан в номинации STREP (исследовательские проекты со специальными целями) международной программы CORDIS и получил высокую оценку ее специалистов, а значит, и серьезный шанс на получение исследовательского гранта. Цель проекта - изучение возможностей планетарных мельниц компании ТТД для получения и регенерации различных материалов: твердых сплавов, керамики (сиалона, тиалита) и композитов. К слову, проект ТТД по производству нанопорошков с помощью планетарных мельниц оценен и на родине - в этом году он стал победителем Конкурса русских инноваций, получив премию Российской ассоциации венчурного инвестирования.