第二章粉碎

第二章 粉 碎

第一节 粉碎的基本概念

一、粉碎的涵义

固体物料在外力作用下，克服分子间的内聚力，使固体物料外观尺寸由大变小，物料的比表面积由小变大的过程，称之为粉碎。

将固体物料粉碎的方法有多种，通常采用机械方法。物料的粉碎作业通常是在破碎机和粉磨机内进行的，所以，按物料粉碎的粗细程度，又划分为破碎和磨碎两个过程。为了明确起见，通常按以下方法加以划分： 粗碎—将物料破碎到100mm左右

破碎 中碎—将物料破碎到30mm左右

细碎—将物料破碎到3mm左右

粉碎

粗磨—将物料粉磨到左右

粉磨 细磨—将物料粉磨到60m左右

超细磨—将物料粉磨到5m或更小

粉碎过程的实质与以下因素有关，即克服物料表面质点的表面张力和克服物料内部质点间的内聚力。从硅酸盐物理化学分散系的基本概念出发，不难看出，当初碎时，破碎后物料的颗粒仍很大，所以，颗粒表面及表面能都较小，到目前为止，用一般的机械方法，将物料破碎到1微米以下是困难的，质点越小，表面能越高，所以就要消耗更多的确能量去克服表面能。另外，在粉磨时，由于微粒的运动加快，质点间的碰撞机率增大，还可能产生聚结和聚沉现象。因此，必须正确地组织粉碎过程，根据最终产物的粒度来选择粉碎方法和设备。 二、粉碎的目的和意义

粉碎的目的在于减小固体物料的尺寸，使之变成颗粒体（或称粉体）。其意义在于：

1． 有利于不同组分的分离，选矿及除去原料中的杂质；

2． 粉碎使固体物料颗粒化，将具有某些流体性质，而具有良好的流动性，因而有利于物料的输送及给料控制；

3． 减少固体颗粒尺寸，提高分散度，因而使之容易和流体或气体作用，有利于均匀混合，促进制品的均质化；

4． 把固体物料加工成为多种粒级的颗粒料，采用多级颗粒级配，可以获得紧密堆积，因而有利于提高制品的密度，而且粉碎加工可破坏封闭气孔，也有利于提高制品的密度；

5． 颗粒尺寸愈小，其比表面积也就愈大，表面能也愈大，因而可促进物理化学反应速度，促进陶瓷和耐火材料的烧结，提高水泥的水化活性，加速玻璃配合料的熔化速度。

三、粉碎比

为了定量描述固体物料经某一粉碎机械粉碎后颗粒尺寸变化的大小采用粉碎比这一概念。如果粉碎前物料的平均直径为D均，粉碎后物料的平均d均，则

i=Dd均均

此值i定义为粉碎比，称为平均粉碎比。它可较真实地反映粉碎前后物料的粉碎程度，并能近似地反映出粉碎机械的作业情况。对于破碎机械，这一参数也称为破碎比，为了简易地表示和比较各种机械的这一主要特征，通常也用破碎机的最大进料口宽度与最大出料口宽度之比来作为破碎比，称为公称破碎比：

i公称=Ddmaxmax

式中 i公称—公称破碎比；

Dmax—破碎机的最大进料口宽度； dmax—破碎机的最大出料口宽度。

因为实际最大进料块度通常总是小于最大进料口宽度，所以破碎机的破碎比低于公称破碎比，约为公称破碎比的70~90%，即

i=（~）i公称

粉碎比是用以说明粉碎过程的特征及鉴定粉碎质量的。粉碎机械的另一技术经济指标是单位电耗（单位质量粉碎产品的能耗），它是用以判断粉碎机械的动力消耗是否经济的指标。两台单位电耗相同的粉碎机械，其粉碎比不同，那么两台机械的经济效果是不一样的，一般说来，粉碎比大的工作效较好，因此评价一台粉碎机械的好坏，应同时比较单位电耗及粉碎比的大小。另外也有把粉碎比和单位电耗的乘积作为质量系数，把它作为粉碎机技术评价和对比的指标之一。

每种粉碎机械所能达到的粉碎比具有一定的限度，破碎机的破碎比一般为3~100，粉磨机的粉碎比较大，可达500~1000或更大。

由于破碎机的破碎比较小，如果要求达到的破碎比较大时，就需要接连使用两台或更多台破碎机进行破碎才能达到要求，接连使用多台破碎机的过程称为多级破碎，破碎机串连的台数即为破碎级数，此时原料尺寸与最终产品的尺寸之比称为总破碎比。在多级破碎时，如果各级的破碎比为i1，i2，……in，则总破碎比为：

i总=i1．i2……in

即多级破碎时的总破碎比等于各级破碎比的乘积，如果已知破碎机的破碎比，则可根据总破碎比求得所需的破碎级数。

四、粉碎方法

固体物料采用的粉碎方法，主要是借助于机械力的作用来达到粉碎的目的。常用的有下述几种方法。

1、 压碎 压碎是将物料置于两破碎表面之间并施加压力，使被破碎的物料达到它的压碎强度极限而被破坏，见图2-1a。

2、 击碎 击碎是使物料在瞬间受到外来的冲击力作用而破碎。这种方法可用多种不同的方式来完成，例如，在钢板表面上的物料，受到外来冲击的打击（如图2-1b）；高速回转的零件（如板锤）冲击物料块；高速运动的物料冲击到固定的钢板上；物料之间的互相冲击等。这种冲击破碎方法，破碎效率高，破碎比大，能量消耗较少。

3、 磨碎 物料在两个相对滑动的表面或各种形状的研磨体（又称介质）之间，受一定的压力和剪切力的作用，侍物料的剪切力达到它的剪切强度极限时，物料即被磨碎（如图2-1c）。磨碎的效率较低，能量消耗较大。

4、 劈碎 用两个带尖齿的工作面挤压物料，被破碎的物料内部便产生拉应力，当该拉应力达到它的拉伸强度极限时，物料被破碎（图2-1d）。物料的抗拉强度极限远远低于抗压强度极限。

5、 折断 物料受弯曲作用而被折碎。物料在破碎工作面之间如同受集中截荷的两支点或多支点的梁，当物料内的弯曲应力达到它的弯曲强度时即被折断，如图2-1e所示。

目前采用的破碎机和磨碎机，一般都由上述两种或两种以上的方法联合起来进行粉碎。例如挤压和折断，冲击和磨碎等。粉碎方法的选择主在取决于物料的物理机械性质，被破碎物料块的尺寸和所要求的破碎比。对于硬物料采用挤压、劈碎和折断方法破碎较合适；对粘性物料采用挤压和磨碎的方法；脆性和软性物料宜采用劈碎和冲击方法破碎；粉磨时大都是击碎和磨碎。冲击破碎法应用范围较广，可用于破碎和粉磨。

图2-1 破碎及磨碎的方法 a—压碎；b—击碎；c—磨碎；d—劈碎；e—折断

五、粉碎流程

对于粉碎作业，有两种不同的流程：一种是开流式粉碎流程，又称为开路粉碎；另一种是圈流式粉碎流程，又称闭路粉碎。在开路粉碎中，物料只通过粉碎机一次即达到要求的粒度，全部作为产品卸出。在闭路粉碎中，物料经粉碎机粉碎后，需要通过分级设备将其中合乎要求的细粒物料分出，作为产品，而把其中粗粒部分重新送回粉碎机与后来加入的物料一起再进行粉碎。

显然，开流式粉碎流程是比较简单的，但要使只经过一次粉碎后的物料粒度完全达到要求，其中必然有一部分物料发生“过度粉碎”，这种情况对粉磨作业来说更为显著。圈流式粉碎流程没有这个缺点，但是物料经过的路线复杂，使用较多的附属设备，同时操作控制上也比较麻烦和困难。

六、粉碎产品的粒度特征

1、破碎产品的粒度特征

粉碎产品由各种粒级颗粒组成，为了知道它们的粒度分布情况，通常采用筛析方法将它们按一定的粒度范围分成若干粒级。筛析所得数据可以整理在筛析记录表上，用来说明物料的颗粒组成特征。为了更直观、更明显地比较物料的粒度组成情况，可根据筛析所得数据作出物料的筛析组成曲线（或称筛析曲线）来表示。作法是在普通直角坐标上绘制曲线，如图2-2所示，用左坐标轴表示粗粒级的累积百分数，右坐标表示细粒级的累积百分数，横坐标轴表示粒度尺寸（或筛孔尺寸）。

根据筛析曲线可以清楚地判断粒度分布情况，如图2-2中直线2表示此物料全部大小颗粒是均匀分布的，图中的凹形曲线1表明粉碎产品中生成了较多的细小颗粒，图2-2中凸形曲线3则表示粉碎产品中粗粒级物料占多数。

图2-2粒度组成特征曲线

作出筛析曲线，不仅可以求得筛析表中没有给出的任意中间粒级百分数，同时还可以检查和判断粉碎机械的工作情况。为了比较在同一粉碎机械中粉碎各种物料的特性，或比较在不同粉碎机械中粉碎同一物料的粒度特性，可将两条或三条或更多条筛析曲线画在同一图中，以便于研究。

在绘制筛析曲线时，如以筛孔尺寸与排料口之比作横坐标时，则可很容易地从曲线上看出粉碎产品中大于排料口尺寸的过大颗粒含量。

用普通直角坐标绘制筛析曲线的缺点是表示细粒级的一段曲线不易绘出，因为1毫米以下的颗粒的间隔非常小，为了绘制得更精确，必须采用较大的比例或用对数坐标绘制。

2、磨碎产品的粒度分布

磨碎产品的粒度分布特征可以用粒度分布曲线来表示。多少年来不少人研究了各种物料的颗粒分布曲线及规律，磨碎产品的粒度分布规律最接近于罗辛—拉姆勒—本尼特公式，即：

R=100exxn0

式中 R—碎产品中大于某一粒径x（m）的累积百分数；

e—自然对数的底，e= x0—特征粒径（m），表示物料的粗细程度，对于一种磨碎产品x0为常数；

n—均匀性系数，与物料性质及磨碎设备有关，对于一种磨碎产品n为常数。

对上式取二次对数，得

loglog100R=nlogx－nlogx0＋logloge

此方程式在RRB坐标中是一条直线，均匀性系数是直线的钭率，如图2-3所示。

可以通过x0和n两个参数来反映磨碎产品的粒度分布，x0的大小表示磨碎产品的粗和细，x0值越大磨碎产品越粗，x0越小磨碎产品越细；n值的大小表示磨碎产品的级配（粒度分布）的窄和宽，n值大表示粒度分布窄，n值小表示粒度分布宽。

图2-3 粉磨产品粒度RRB坐标

利用特征粒径x0和均匀性系数n，还可以计算磨碎产品的比表面积S。

S=3681040.xn（cm2/g）

式中 x0—特征粒径（m）；

n—均匀性系数；

—颗粒的密度（g/cm3）

应注意，上述颗粒分布公式和其它一些颗粒分布经验公式一样是近似式， 实际上完全符合数学方程的颗粒群是不多的。

第二节 粉碎过程机理

固体承受外力的作用，在出现破坏之前，首先产生弹性变形，这时材料并未破坏。当变形达到一定值后，材料硬化，应力增大，因而变形还可继续进行。当应力达到弹性极限时，开始出现永久变形，材料进入塑性变形状态。当塑性变形达到极限时，材料才产生破坏。当然，有的材料屈服点不显著。因此，材料受拉或受压时的破坏形式是不相同的。

材料或是在相互垂直的应力的作用下被拉裂；或是在剪应力作用下产生滑移；或是在两者共同作用下而断裂。例如，在上方对脆性材料的立方体试件施加压缩力，当其达到压缩强度极限时，试件将沿纵向破坏；如果在瞬时卸去压缩力，则只产生压缩破坏。如果继续施加外力，则已破坏的材料将进一步碎裂，这就是破碎。由于很难确定破碎时材料各部分的力，因此计算其应力分布也很困难。进一步而言，对粉体的压缩应力更难确定。显然，为了能够破坏材料，不仅作用于断裂面上的应力必须达到特定值，而且，它还与断裂面被拉裂的距离有关。因此，破坏量取决于功的大小。