第三章 粉 碎3.1 粉碎概论13.2 粉碎机理的解析方法23.3 矿物加工破碎工艺类型、设备及应用33.4 矿物加工磨矿工艺类型、设备及应用43.5粉碎机械力化学51第三章 粉 碎弹性变形外力塑性变形破坏破碎粉碎颗粒体集团材料破碎的主要过程：裂纹的产生与扩展，物体破坏前，物体内部存在细微裂纹，当应力集中更大，裂纹将扩展。3.1 粉碎概论3.1.1概念：材料破坏、破碎、粉碎2第三章 粉碎表3-1 粉碎工程所涉及的行业及应用3.1.2 粉碎的应用3第三章 粉碎v 原料制备，如烧结、制团、陶瓷、玻璃、粉末冶金等部门。v 共生物料中有用成分的解离，使共生的有价成分与非有价成分或多种有价成分解离成相对独立的单体，然后选择合适的分离方法分离。 v 增加物料的比表面，增大物料同周围介质的接触面积，提高反应速度。 v 粉体的改性，在新材料，如用于一些功能材料，复合材料的制造。v 便于贮存、运输和作用，如物料需要采用风力或水力输送，食品等以粉状使用。 v 用于环境保护，如城市垃圾的处理、二次资源的利用中的预先粉碎。 粉碎在这些行业中应用所起的主要作用4第三章 粉碎v 粉碎基础理论，包括粉碎产品的粒度、表面物理化学性质及其表征方法；不同 性质颗粒的受力变形和粉碎机理；颗粒粉碎过程的描述和数学模型；粉碎过程 的粉碎效率、粒度分布、能耗规律等； v 粉碎设备，包括各种粉碎设备、分级设备以及与相配套的储存与输送、过滤干 燥、包装等设备。 v 粉碎工艺，包括不同种类、不同性质物料在一定粒度、粒度分布及纯度等指标 要求下的粉碎工艺流程和设备选型。 v 粉碎过程的粒度监控技术和粉体的粒度检测技术 v 开发非机械力粉碎技术 3.1.3未来粉碎工程研究的主要内容及发展趋势5第三章 粉碎 粉碎比粉碎过程进行的程度可以用粉碎比表示。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： 极限粉碎比：物料粉碎前后的最大粒度之比，i=Dm/dm； 名义粉碎比：粉碎机给料口的有效宽度（0.85B）和排料口宽度（） 的比值，i=0.85B/S； 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，相应地，整个粉碎过程中达到的粉碎比叫总粉碎比，显然：i=i1i2i3in=Dmax/dmax 3.1.4 粉碎的工艺特征6第三章 粉碎2. 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。 表3-2 粉碎各阶段产品粒度特征7第三章 粉碎 粉碎产品的细度和性能 矿石硬度的影响大多数物料的力学性质是不均匀的，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。当对硬的石英及软的方解石进行细磨时，产品磨得愈细，新生 细级别产率的差距愈小，证明磨矿粒度愈细，矿石硬度的影响逐 渐减弱，产品细度的影响逐渐增强。 上述现象的原因：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。 8第三章 粉碎 粉碎粒度与粉碎效率及能耗 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。 选择性粉碎力学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。 结果说明：随磨矿时间的延长，矿物颗粒变细，软 硬两种矿物的平均粒度差变小，磨碎时间足够长时， 二者粒度可达到相同；软硬两种矿物小于0.074mm产 率差随磨矿时间的延长而减少，而且时间愈长产率差 值愈小，即磨下选择性磨碎现象显著，而细磨下选择 性磨碎现象逐渐减弱。9第三章 粉碎 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。凝聚使粒子出现粗化现象。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。覆膜现象使自由运动粒群减 少，也是降低细磨过程效率的原因之一。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。 10第三章 粉碎 微细颗粒布朗运动的影响 有资料显示（表3-10），粒度稍大于1m的颗粒的布朗 运动位移量 已大于重力作用的位移量。细磨或超细磨下，有1/5的颗粒 接近布朗运动 状态，所以在研究细磨时就不能不考虑这种现象。 表3-10 微粒在水中沉降时布朗运动与重力作用引起的位移量11第三章 粉碎 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。 只有采用较稀的料浆浓度或使用化学药剂改变料浆系统的流 动、凝聚等性质，才可抵消因颗粒变细而引起的细磨恶化的现 象。使用无机电解质及胺分别作为添加剂用于粉磨石英的实验 。结果发现，在一定pH值条件下，钙、硫和硅酸盐使粉磨石英 的效果显著下降，而氯化钾及胺能明显提高磨碎效果。化学药 剂能改变料浆的许多性质，提高或降低磨碎效果。12第三章 粉碎 单体解离及解离度在矿石粉碎产品中，有些颗粒只含有一种矿物，叫单体( 如图3-1a,f)；另一些颗粒两种或两种以上矿物连生在一 起，叫连生粒(如图3-1b，c，d，e)。 图3-1 矿石颗粒截面 13第三章 粉碎矿石粉碎后，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。在矿物加工中，精矿品位低、尾矿品位高及中矿 产率大，往往都是矿物解离度不够造成的。14第三章 粉碎 可碎性材料的强度是指其对外的抵抗能力，通常以材 料破坏时单位面积上所受的力即N/或Pa 来表示。按 接受破坏力的方式不同，可分为压缩强度、拉伸强度、 扭曲强度、弯曲强度和剪切强度等；按材料内部的均匀 性和有否缺陷分为理论强度和实际强度。 物料的实际强度可以用试验室仪器进行测量，根 据静载下的测定结果，各种材料的机械强度有如下规律 ：抗压强度抗剪强度抗弯强度抗拉强度15第三章 粉碎在矿物加工上习惯用普氏硬度系数作为矿石坚固性的标准，普 氏硬度系数为抗压强度的百分之一，用符号f表示。式中：p抗压强度通常用“可碎（磨）性系数”来衡量矿石粉碎的难易程度，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。16第三章 粉 碎3.1.5 被粉碎物料的基本物性1.强度a.理想强度:材料完全均质不含缺陷时的强度。b.实测强度：约为理想强度的1/1001/1000。c.强度的尺寸效应：材料强度测定值随试验片大小而变化。尤其，试验片体积变小时，其强度测定值却增大，这一现象称为强度的尺寸效应。d.强度随加荷速度的变化：对材料的加荷速度增大时，材料的变形阻抗增大，其破坏应力（强度）增大。e.强度随氛围条件的变化:材料强度在真空中、或空气中或水中亦有不同。17第三章 粉 碎2 硬度材料对磨耗的抵抗性一般用硬度表示。严格地说，磨耗 和硬度性质是不同的，其间未必有一定的关系。可是，硬度 往往作为耐磨性的指标使用。硬度一般用莫氏(mohs)硬度表 示，见下表：18第三章 粉 碎3 易碎性采用强度和硬度往往还难以表述材料粉碎的难易程度，这是因 为粉碎过程除取决于材料物性之外，还受大量未知的影响因素所 支配，例如粒度、粉碎方式(设备、工艺流程)等影响，从而使得判断粉碎过程相当困难。为此，引用易碎性这一概念来概括影响粉 碎过程的大量变量。采用易碎性值即可判断材料在某一粉碎条件 下的粉碎状态，用以评价粉碎设备的运行管理状况。易碎性表征材料对粉碎的阻抗。它可定量地表示为将材料粉碎 到某一粒度所需的比功。显然，易碎性是粉碎过程所耗能量的判 据。由易碎性可确定将某一原始粒度的材料粉磨到某一指定的产 品粒度所消耗的能量。不少学者提出了各种易碎性的表示方法 如Hardgrove 指数和Bond 粉碎功指数。19第三章 粉 碎3.1.6 粉碎需用功无论从粉碎概率论考察，还是从破坏由结合力弱点处开始来分析 ，都表明随着粉碎粒径的减小，粉碎需用功增大。直径(粒子径)x的球用平行平板加压时，到达破坏时积蓄于粒子 的弹性变形能E可用下式表达：式中，P为荷重，为变形，Y为杨氏弹性模量；v为伯松比。把E定 义为粉碎1个粒子需用功，则单位质量粉碎能E/M如下式所示：式中，为粒子密度，M为材料质量。20第三章 粉 碎3.1.7 碎碎粒子碰撞速度微粉碎人多采用气流粉碎机、冲击式粉碎机让碎料 粒子加速碰撞而进行粉碎。假定粉碎处在最大粉碎效率 状况下，即粒子具有的运动能完全转变为破碎能，则粒 径x的1个粒子破碎所需的碰撞速度U按下式求算：21第三章 粉 碎前述碎料粒径在几十微米以下的粒子加速碰撞粉碎时，表面粉碎比 体积粉碎的比例要大，因而可视为粉碎介质静止，而让碎料粒子碰 撞粉碎的场合。现假定为理想粉碎，质量为MB的粉碎介质，以UB速 度碰撞碎料粒子，粉碎介质所具有的运动能被100地变换为粒子破 碎能，则为破碎粒径“的粒子所需介质质量和碰植速度的关系按下 式计算：3.1.8 粉碎介质碰撞速度22第三章 粉 碎3.1.9 混合粉碎对同样体积、破坏载荷不同的两种物料进行混合 粉碎时，破坏载荷小的粒子优先被粉碎的可能性大。 混合粉碎适用于附着性、凝集性强而流动性差的微粉 体混合物，尤其适用于混合物中成分必须是更微细粒 子的生产过程。23第三章 粉 碎v随着物料粒度减小，由于破碎强度和阻力增大， 使颗粒在从脆性破坏过渡至塑性变形的粒度范围 内产生裂纹变得十分困难。因此，在一定的粒度 下，反复的机械应力作用不会导致破碎，而仅仅 产生变形，在超微粉碎中它成为粉碎效率的负因 素。 v另一方面，在力学性质中对材料粉碎性影响大的 是拉伸强度。且因压坏强度相当于拉伸强度，因 此，有人用直径2cm的球，通过改变加荷速度测 定了球压坏强度、单位质量破碎能及破碎表面能 。结果表明，以碎料粒子固有用期近似值作为加 荷周期进行粉碎，可显著地提高粉碎效率。3.1.10 影响粉碎效率的因素24第三章 粉 碎3.1.11 低温粉碎对于熔点、软化点低的热可塑性材料和因温度上升而失去结合水 由氧化作用而变质的材料，以及常温时强韧、低温时脆性化的材料， 适宜采用低温粉碎。可以采用预冷材料、在磨机周围通以致冷介质、 磨机内混入干冰或通以冷却空气等方法进行低温粉碎。必须指出，与上述热性质相反，有的材料各组成素材的热膨胀 系数不同。利用这一性质，如在粉碎前加热材料，则可降低材料的 强度。此外，结晶水化合物与无结晶水者相比，由于结晶水使体积膨 胀，利用这一性质进行粉碎的方法称为化学粉碎法。总之，要充分研究材料的热性质、化学性质与粉碎性之间的关系 ，并加以利用。25第三章 粉 碎3.2 粉碎机理的解析方法3.2.1 粉碎方法物料粉碎是在机械力作用下进行的，任何一种粉碎机械都不 只用一种力来完成粉碎过程。根据粉碎机械施力方式差异，粉碎 施力种类有挤压、弯曲、剪切、劈碎、研磨、打击或冲击等，如 图3-2。对于某一种粉碎设备，多数情况下是以一种施力方式为 主，若干种施力方式同时存在，这样有利于提高粉碎效率。对于矿物加工业，一般矿石都是由多种矿物组成，各矿物的 物理、机械性质差别很大，矿石粉碎时，只有当所选用的粉碎设 备与矿石性质相适应时，粉碎的效果才会最好。26第三章 粉碎图3-2 粉碎工具对物料施力的种类1- 压碎；