搜索
第三章粉碎与分级教学大纲要求内容学时熟练掌握正确理解一般了解3.1粉碎12粉碎方法，粉碎模型，解离度与粉碎比分级方法，筛分效率筛分结果的描述分级的用途、筛分概率、功耗理论材料的实际强度和理论强度、筛分动力学、风力分级3.2分级教学内容本章讨论物料粉碎的基本方法与基础理论，以及物料筛分分析的基本方法与筛分效果的评价。教学时间12学时。教学重点粉碎基础理论以及助磨作用的基本原理、分级效果评价。教学难点粉碎基础理论、分级效果评价方式。教学方法课堂教学讲述为主，并结合实验教学，开设破碎磨矿试验以及水析试验，让学生粉碎、粉碎产品的粒度组成分析过程和分级效果评价的基本方法。教学要求熟练掌握粉碎方法、粉碎模型、解离度与粉碎比、分级方法、筛分效率筛分结果的描述，正确理解分级的用途、筛分概率、功耗理论，一般了解材料的实际强度和理论强度、筛分动力学、风力分级。教学参考书：徐秉权编著.粉体工程学.长沙:中南工业大学教材科,1997年.李启衡主编.破碎与磨矿.北京:冶金工业出版社,1980年.陆厚根编著.粉体技术导论.上海:同济大学出版社,1998年.郑水林编著.超细粉碎.北京:中国建材工业出版社,1999年.段希祥编著.球磨机介质工作理论与实践.北京:冶金工业出版社,1999年.盖国胜主编.超细粉碎分级技术.北京:中国轻工业出版社,2000年.卢寿慈主编.粉体加工技术.北京:中国轻工业出版社,2000年.3.1粉碎教学内容本节主要讲述粉碎的概念、粉碎的工艺特征、粉碎方法、粉碎理论和粉碎过程中的助磨基本原理。主要包括：（1）粉碎的概念，及其粉碎工程研究的主要内容及发展趋势。（2）粉碎比的概念及其表达形式；影响粉碎过程的各种因素，解离度的概念，可碎性概念及其表达方式。（3）常见粉碎方法及其之间的区别。（4）三个粉碎模型的基本内容，出现选择性粉碎现象的基本原因，三个粉碎能耗理论的基本内容及其之间的关系，功指数的计算与实际应用中的意义，粉碎动力学模型的表达方式与实际应用中的意义。（5）助磨剂的概念与种类，助磨剂的两个作用原理以及两者之间的关系。教学时间6学时。本节重点粉碎的概念、粉碎理论和粉碎过程中的助磨基本原理。本节难点如何让学生理解三个粉碎基本理论以及功指数测定在实际应用中的意义。教学方法课堂教学讲述为主，并结合实验教学，开设破碎磨矿试验，让学生粉碎、粉碎产品的粒度组成分析过程和分级效果评价的基本方法。教学要求熟练掌握粉碎方法、粉碎模型、解离度与粉碎比以及粉碎理论的描述，一般了解材料的实际强度和理论强度。3.1.1概述粉碎是大块物料在机械力作用下粒度变小的过程。粉碎作业在这些行业中应用所起的主要作用是：原料制备、共生物料中有用成分的解离、增加物料的比表面、粉体的改性、便于贮存、运输和作用、用于环境保护。未来粉碎工程研究的主要内容及发展趋势是：(1)粉碎基础理论、(2)粉碎设备、(3)粉碎工艺、(4)粉碎过程的粒度监控技术和粉体的粒度检测技术、开发非机械力粉碎技术。3.1.2粉碎的工艺特征1．粉碎比粉碎比：被粉碎物料粉碎前的粒度与粉碎产物粒度的比值。以i表示粉碎比的表示形式有三种：①极限粉碎比：物料粉碎前后的最大粒度之比，i=Dm/dm；②名义粉碎比：粉碎机给料口的有效宽度（0.85B）和排料口宽度（Ｓ）的比值，i=0.85B/S；③真实粉碎比：粉碎前后物料的平均粒度的比值，i=D/d。粉碎过程中，每个阶段达到的粉碎比称为部分粉碎比或阶段粉碎比，用in表示。整个粉碎过程中达到的粉碎比叫总粉碎比：i=i1×i2×i3×…×in=Dmax/dmax2.分阶段粉碎根据颗粒粉碎过程中所形成的产品粒度特征及这一过程中所用粉碎设备施力方式的差别，可将物料粉碎分为四个阶段：破碎、磨矿、超细粉碎、超微粉碎。3.粉碎产品的细度与性能(1)矿石硬度的影响粒度愈粗微裂缝愈多，机械强度愈差，愈易磨。而粒度愈细则机械强度愈好，愈难粉碎。这种现象的原因，一方面是因为粒度变细之后，颗粒的宏观和微观裂纹减小，颗粒也较为均质，且缺陷减少，因此即使是软矿物的强度也相应增强了；另一方面是细磨时条件恶化，磨矿过程难以有效进行，细磨时的粉碎概率低。(2)粉碎粒度与粉碎效率及能耗细磨过程磨机的利用系数q-0.074mm仅是粗磨的10％～20％。物料粉碎过程随粉碎粒度的变细，效率下降，能耗大幅度上升，被粉碎颗粒粒度愈细，其抗粉碎的能力愈强。这种现象的原因是一方面细粒强度增加，且被介质磨碎的机率降低；另一方面则可能与表面电性等性质影响有关。(3)选择性粉碎性质不均匀的物料在细磨过程中强度小的被磨细，强度大的则残留下来，这种现象称选择性粉碎。由此引起磨机排料中某一粒级的强度比给矿中同一粒级的大，即物料细磨下存在抗磨性逐渐增强的趋势。随颗粒粒度的变细，矿物材料强度增加，软硬矿物的磨碎速度开始趋于一致。(4)粉碎过程中细粒物料的凝聚及覆膜现象物料细磨时，表面积急剧增大，颗粒表面能增大，物料颗粒会自发地聚集在一起以降低表面能，即发生凝聚现象。而由于不饱和键力的影响，颗粒粘附在磨机筒体及磨碎介质上会发生覆膜现象。凝聚及覆膜现象阻碍了细磨的进一步进行，可加入分散剂及表面活性剂等抑制或消除。(5)微细颗粒布朗运动的影响(6)随颗粒粒度变细，表面电化学力增强，料浆的粘度增加，料浆的流动性及粒子的分散性变差。4.单体解离及解离度单体：在矿石粉碎产品中，只含有一种矿物的颗粒；连生粒：两种或两种以上矿物连生在一起的颗粒。矿石粉碎后，某矿物的单体解离度定义为：物料群中，某矿物的单体解离颗粒数占该粒群中含有该矿物的颗粒总数的百分数。C：——某矿物的单体解离度；A：该矿物的单体解离粒子个数；Ｂ：含有该矿物的连生粒子个数。5.可碎性普氏硬度系数为抗压强度的百分之一，用符号f表示。式中：σp——抗压强度，可碎（磨）性系数的表示如下：可碎性系数实践中常以石英作为标准的中硬矿石，将其可碎性系数定为1，硬矿石的可碎性系数都小于1，而软矿石则大于1。3.1.3粉碎方法（1）挤压粉碎、（2）挤压－剪切粉碎、（3）冲击粉碎、（4）研磨、磨削粉碎。重点讲述四种粉碎方法的施力方式，以及各种粉碎方法在设备中的应用情况3.1.4粉碎理论1.粉碎模型三种粉碎模型。(1)体积粉碎模型整个颗粒均受到破坏，粉碎后生成物多为粒度大的中间颗粒。随着粉碎过程的进行，这些中间颗粒逐渐被粉碎成细粒。冲击粉碎和挤压粉碎与此模型较为接近。(2)表面粉碎模型在粉碎的某一时刻，仅是颗粒的表面产生破坏，被磨削下微粉成分，这一破坏作用基本不涉及颗粒内部。这种情形是典型的研磨和磨削粉碎方式。(3)均一粉碎模型施加于颗粒的作用力使颗粒产生均匀的分散性破坏，直接粉碎成微粉成分。三种模型中，均一粉碎模型仅符合结合不紧密的颗粒集合体如药片等的特殊粉碎情形，一般情况下可不考虑这一模型。实际粉碎过程往往是前二种粉碎模型的综合，前者构成过渡成分，后者形成稳定成分。体积粉碎与表面粉碎所得的粉碎产物的粒度分布有所不同，体积粉碎后的粒度较窄较集中，但细颗粒比例较小；表面粉碎后细粉较多，但粒度分布范围较宽，即粗颗粒也较多。2.混合粉碎和选择性粉碎当几种不同的物料在同一粉碎设备中同时进行粉碎过程时，由于各种物料的相互影响，较单一物料的粉碎情形更复杂一些。目前，对多种物料混合粉碎过程中各种物料相互是否有影响以及如何影响尚存在分歧。一种看法是物料混合粉碎时无相互影响，认为无论单独粉碎还是混合粉碎，混合物料中每一组分的粒度分布本质上都遵循粒度特性分布函数。另一种看法是各种物料存在相互影响。易碎的物料混合粉碎时比其单独粉碎时来得细，难碎物料比其单独粉碎时来得粗。在以挤压粉碎和磨削粉碎为主要原理的粉碎情形时，这种现象更为明显。这种多种物料共同粉碎时某种物料比其他物料优先粉碎的现象就是前述的选择性粉碎。出现这种选择性粉碎现象的原因可归纳为：①颗粒层受到粉碎介质的作用力即使不足以使强度高的物料颗粒碎裂，但其大部分（其中一部分作用能量消耗于直接受力颗粒的裂纹扩展）会通过该颗粒传递至位于力的作用方向上与之相邻的强度低的颗粒上，该作用足以使之发生粉碎，从这个意义上讲，倒是硬质颗粒对软质颗粒起到了催化作用。②当两种硬度不同的颗粒相互接触并作相对运动时，硬度大者会对硬度小者产生表面剪切或磨削作用，软颗粒在接触面上会被硬颗粒磨削而形成若干细颗粒。此时，硬质颗粒对软质颗粒起着研磨介质的作用。③两种硬度不同的颗粒在破碎过程中，硬度大的大颗粒的表面不均匀性（锐角）会对硬度小的颗粒起劈裂、压碎等作用，有利于硬度小的颗粒破碎上述三种作用的结果导致了软质物料在混合粉碎时的细颗粒产率比其单独粉碎时高，而硬质物料相反。3.粉碎能耗理论与功指数物料粉碎过程中外力所做的有用功称为粉碎功或能耗。(1)能耗模型Rittinger的“表面积假说”认为“碎磨过程中所消耗的有用功与表面积成正比，与产品粒度成反比”。Kick“体积假说”认为：“外力作用于物体时，物体首先发生弹性变形，当外力超过该物体的强度极限时该物体就发生破裂，故破碎物料所需的功与它的体积大小有关”。Bond推出了“裂纹假说“，认为：“物料在破碎时外力首先使其在局部发生变形，一旦局部变形超过临界点时则产生裂口，裂口的形成释放了物料内的变形能，使裂纹扩展为新的表面。输入的能量一部分转化为新生表面积的表面能，与表面积成正比；另一部分变形能因分子摩擦转化为热能而耗散，与体积成正比。两者综合起来，将物料粉碎所需要的有效能量设定为与体积和表面积的几何平均值成正比”。以上三个假设可统一地用如下数学模型来表述，式中E为粉碎所需功耗，X为粒径，n为指数：当n=2时，其积分式为Rittinger的表面积假说模型；当n＝l.5时，其积分式为Bond的裂纹假说模型；当n＝1时，其积分式为Kick的体积假说模型。(2)功指数在实践中，粉碎能耗模型最具实际应用价值和理论意义的是Bond的裂缝学说。将上述功耗模型经定积分后可得Bond的实用式：式中，F、P——给料及产品中80%通过的方形筛孔的宽度（微米）W——将一短吨（907.185kg）给料粒度为F的物料粉碎到产品粒度为P时所消耗的功；Wi——功指数，即将“理论上无限大的粒度”粉碎到80%通过0.01mm筛孔宽（或65%通过0.075mm筛孔宽）时所需的功。Bond公式可运用于以下几个方面：a在测出功指数Wi的情况下可以计算各种粒度范围内的粉碎功耗；b测出被粉碎物料的功指数Wi，可以计算设计条件下的需要功率，根据需用功率的容量，选择粉碎机械；c可以比较不同粉碎设备的工作效率，如两台磨机消耗的功率相同，但产品粒度不同，分别算出两台磨机的操作功指数，就可确定哪台效率高。4.粉碎动力学粉碎动力学模型基于粉碎速度即粗大颗粒（大于指定粒级）消失速率与参加粉碎的粉体中这些大颗粒所占比率成正比，同化学反应动力学方程相类似，可以用如下模型来表示：上式称之为n阶粉碎动力学方程，xo为给料中大于指定粒级颗粒的比率，x(t)为经过t时间粉碎后产品中大于指定粒级颗粒的比率。k相当于该指定粒级以上大颗粒被粉碎的选择函数。3.1.5助磨作用在粉碎作业中，能够显著提高粉碎效率或降低能耗的化学物质称为助磨剂。1.助磨剂的种类按助磨剂添加时的物质状态可分为固体、液体和气体助磨剂；根据物理化学性质可分为有机助磨剂和无机助磨剂。助磨剂特点：从化学结构上来说，助磨剂应具有良好的选择性分散作用；能够调节料浆的粘度；具有较强的抗Ca＋2、Mg+2的能力;受pH的影响较小等等。常用的助磨剂通常是表面活性剂如：①碱性聚合无机盐，在这类中，除了用于硅酸盐矿物的磨矿外，一般多聚磷酸盐优于多聚硅酸盐；②碱性聚合有机盐，在这类中，最合适的是丙烯酸脂，它受pH的影响最小：③偶极=偶极有机化合物，如烷烃醇胺等。2.助磨剂的作用原理助磨剂的助磨作用机理，主要提出了两种学说。一是“吸附降低硬度”学说：助磨剂分子在颗粒上的吸附降低了颗粒的表面能或者引起近表面层晶格的位错迁移，产生点或线的缺陷，从而降低颗粒的强度和硬度，促进裂纹的产生和扩展：二是“料浆流变学调节”学说：助磨剂通过调节浆料的流变学性质和颗粒的表面电性等，降