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1、第四章 破碎矿石的理论基础,碎矿与磨矿,碎矿和磨矿的工艺特征（重点）岩矿的机械强度、可碎性与可磨性破碎机械的施力情况（重点）破碎功耗学说及其应用（重点）破碎矿石的其他方法破碎机械的分类,本章主要内容,一、解离度和过粉碎1、为什么要碎矿、磨矿?使有用矿物和脉石矿物分开，达到单体解离的目的。有用矿物：我们需要的矿物，磁铁矿，黄铜矿、方铅矿，闪锌矿等。 脉石矿物：我们暂时不需要或无价值的矿物，粘土矿物，石英、方解石等。生活中的例子：吃饭嚼细、消化 吃排骨骨头与肉分离,碎矿和磨矿的工艺特征,2、单体颗粒只含有一种矿物的颗粒。例如锡石（SnO2）、磁铁矿（Fe3O4）、黄铜矿（CuFeS2）3、连生颗粒
2、几种矿物连在一起的颗粒。如黄铜矿嵌布在石英中。4、单体解离度单体颗粒数占颗粒总数的百分比。 (在显微镜下观察计数),5、过粉碎矿石被过度的粉碎，使得微细颗粒增多，主要是在磨矿环节产生。过粉碎产生的原因：（1）磨矿细度超过最佳粒度（2）所用设备与矿石性质不适应，易将其泥化（3）操作条件不好（4）碎矿与磨矿工艺流程不合理,过粉碎的危害：（1）浪费能源，能耗增高（2）影响选矿回收率和精矿品位（3）精矿、尾矿处理困难（4）增加矿石处理成本,1、破碎与磨碎用外力克服固体物料各质点间的内聚力，使物料块破坏以减小其颗粒粒度的过程。2、破碎比破碎前物料粒度与破碎后产物粒度的比值，或物料粒度减小的倍数，用i表示
3、， i 1。,破碎比和分阶段破碎,3、破碎比的计算方法（1）最大破碎比最大块粒度相比（2）公称破碎比破碎机给、排矿口尺寸之比 0.85B-给矿口有效宽度，S排矿口宽度（3）平均破碎比平均粒度之比,4、分段破碎与总破碎比从最大块到适应选别要求的颗粒，粒度破碎比可达上万倍，一次破碎不能完成任务，需经过碎矿和磨矿配合完成相应的作业。碎矿根据粒度情况可分为一三段，粗碎 i1，中碎i2，细碎i3。磨矿根据选别粒度要求可以是一段至三段，粗磨i4，细磨i5。,总破碎比：各分段破碎比的乘积,1、破碎处理量 用单位时间处理矿量的大小来表示，t/h，从数量上评价破碎过程。2、破碎效率 用破碎矿石的单位能耗来表示，
4、kw.h/t，从能耗上评价破碎过程。3、破碎技术效率 用破碎后新生成的细粒级含量与破碎前大于细粒级含量的百分比表示，从新生细粒级的数量来评价破碎过程。,破碎过程的评价指标,一、岩矿机械强度岩矿机械强度指矿石破碎时对于外力的抵抗阻力。静载下测定的矿石的抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等，常用来表示岩矿的抗破碎阻力机械强度。通常用普氏系数f（俄罗斯M.M 普罗托吉雅可诺夫）表示矿石的坚固程度，或称坚固性系数。其数字为岩石单轴抗压强度的1。,岩矿的机械强度、可碎性和可磨性,f =0.320 ， f 越大，矿石越硬，越难磨（详见P52表3-1-1） 粒度越小，承载的抗压强度越大，矿石越难磨细,普
5、氏系数f:,二、 可碎性和可磨性,可碎性和可磨性反映矿石被破碎的难易程度，它决定于矿石的机械强度。同一破碎机械，在同一条件下，处理坚硬矿石与处理软矿石相比较 ，前一情况的生产率比较低，功率消耗指数也越大。结合碎矿和磨矿工艺提出的矿石的可碎性系数和可磨性系数，既反映矿石的坚固程度，也能用来定量地痕量破碎机械的工艺指标。,(1)可碎性系数,(2)可磨性系数中硬矿石一般指石英等中等硬度的矿石， f = 810 ，其可碎系数和可磨系数都等于1。 k碎，K磨1 ，矿石较软，好碎、好磨。 K碎，K磨 1，矿石较硬，难碎、难磨。,破碎机械的施力情况，主要有五种1、压碎（反映抗压强度）2、劈开（反映抗拉强度）
6、3、折断（反映抗弯强度）4、磨剥（反映抗剪强度）5、冲击（反映抗冲击强度）（详见P49图3-1-1）,破碎机械的施力情况,（a）压碎；(b) 劈开；(c) 折断；(d) 磨剥；(e) 冲击,一种破碎设备可能同时具备几种施力方式，但以一二种力为主。选择何种施力方式主要取决于矿石的硬度和脆性等情况。,破碎机械对矿石的施力情况,任何一种碎矿机和磨矿机都不是只用一种力破碎矿石，通常是以某种力为主，配合上其它种类力的作用，因此，破碎机施于矿石的力是复杂的。为了便于分析研究，常常考虑主要的力，对于其他种力的影响仅作附带考察。,一、受力分析 当一物体撞击到另一物体时，前者的动能迅速地转换为后者的形变位能，而
7、且局部的集中在被撞击处。如果撞击速度过高，变形来不及扩展到被撞击物的全部，就在撞击处发生相对较大的应力，故动载荷的破坏作用较静载荷的大。,二、矿石组成对受力的影响 一般矿石都是由多种矿物组成，它们的物理性质不一样，有时还有很大差别，例如煤块中的精煤和黄铁矿及矸石，伟晶花岗岩中的绿柱石和长石等等。当破碎这类矿石时，其中个矿物被破碎的情形不一样，有的被破碎成较粗的粒子，有的却细，这种现象称为选择性破碎。,4-4 岩矿破磨能耗学说及其应用,1. 岩矿破磨的能耗量 据初步统计，我国年破磨岩矿量超过20亿吨，消耗的电能占到总发电量的35%； 一般的选矿厂中，电能的绝大部分用于破磨矿石，占到选矿总电耗的6
8、0%以上。 但是，岩矿破磨输入的能量仅仅只有6%左右转化为所需要的有用功。,节能降耗，降低生产成本，碎矿与磨矿的节能是重要组成部分，同时也是减少大气中二氧化碳排放量的间接措施之一。2、岩矿破裂的微观过程 岩矿在外力的作用下，破裂的过程可分成5个阶段，即施力、变形、裂纹产生及扩展、新生表面的生成（破裂）、外力消失及变形部分复原。,A-施力,B-变形,B-化学键断裂形成裂纹,D-裂纹扩展形成新生表面-岩矿破裂,E-外力消失及变形部分复原-破碎完成,3.破碎过程中的能量输入与转换,能量最基本、最普遍的形式是什么？热量所有的能量最终都将自发地转换为其最基本的形式热量这是宇宙演化的基本规律，也是热力学第
9、二定律中，热不可能完全转变为功，而部产生任何影响；功可以完全转化为热的根本原因。,岩矿破磨过程中，输入的能量也不可能完全转化为功。那么，岩矿破磨中的功是怎样形成的呢？其他的能量又是这样消散的呢？,A-施力阶段：能量以力的形式表现，该过程中能量将部分耗散，因为这一转换过程不可能不对环境产生影响。因此能量转换为力的效率达不到100%；,B-变形阶段：变形就是位移，岩矿在力的作用下位移，就做了功，所有岩矿内部的变形与其各变形质点所受的力乘积的总和为变形能，外力所做的功可以全部变成岩矿的变形能。但是，岩矿的变形必将对岩矿体系以外产生影响，所以输入的部分用于对外界做工，变形阶段的输入等能量也不可能100
10、%转化为岩矿的变形能。,C-化学键断裂形成裂纹阶段：在有外力控制的情况下，化学建的断裂将使分子和原子质点产生局部的振动，振动的阻尼将消耗能量，消耗的能量以热的形式散发，岩矿的部分变形能转化为热能。同时化学键断裂后，化学活性增加，势能提高，这部分能量也由变形能转化而来。对于岩矿破磨而言，化学键断裂消耗的能量是有用的，而振动产生的热是无用的，所以该阶段变形能转化为有用的键能效率小于100%。,D-裂纹扩展形成新生表面-岩矿破裂阶段：在外力的控制的情况下，化学键不断断裂，形成裂纹，裂纹扩展形成断裂面，新生断裂面实际上就是断裂化学键的集合。断裂面上，断裂化学键活性极高，很不稳定，它们会自发地吸附外来物
11、质，或者相邻化学键互相吸引，形成自饱和，降低其能量。从而形成相对稳定的新生表面。新生表面上的原子或分子质点能量高于体相内原子或分子，这部分能量由变形能转化而来。,新生断裂面原子或分子质量的相互作用，或对外来物质的吸引，都将是其相对位置发生变化，即产生位移。原子或分子质点的摩擦振动，消耗变形能，变形能降低，转化为热能释放。这是无用能量消耗，但又是必须的。该能量为新生表面驰豫生成的热量，为Q2.,新生表面的稳定过程,E-外力消失及变形部分复原阶段：新生表面形成，岩矿变成几块，外力施力点不复存在，外力消失。外力消失后，变形的矿块形变恢复，其实质是原子或分子质点弹性振动，在阻尼的作用下逐渐消停，达到新
12、的平衡。该过程中，原子或分子质量的振动产生热量，变形能转化为热能消散，这部分能耗的无用的。该部分热量为Q3。但是由于岩矿具有塑性，不能完全恢复原状，产生的永久变形是由变形能做功的结果，所做的功为矿块各原子或分子质点永久变形位移与外力乘积的积分。,4.岩矿破磨过程能量耗散的综合表达,式中：k施力效率系数.,5.岩矿破磨过程的常见的施力方式,（a）压碎；(b) 劈开；(c) 折断；(d) 磨剥；(e) 冲击,6.公认的三大能耗学说,（1）P.R雷廷格尔（Rittinger1867）学说（面积学说）外力破碎物体所做之功，转化为新生表面积上的表面能，破碎过程所消耗的功与新生表面积成正比。 ，k1-比表
13、面能，生成单位新表面积所做的功,进一步的公式推导： i-破碎比式中平均粒度为： 给矿：产品：,（2）吉尔皮切夫（1874）和F.基克（kick1885）学说-体积学说破碎矿石外力所做的功，完全用于使矿石发生形变，到了形变能储至极限，矿石即被破坏，使几何上相似的同种物料，破碎成同样形状的产品，所需的功与它们的体积或重量成正比。 k 2-比体积功，产生一个单位体积形变所做的功。,可以推导：平均粒径 给矿： 产品： 上面两个公式都是加权几何平均法推算的结果。,（3）F.C邦德（Bond）及王文东裂缝学说（1952）根据碎矿、磨矿设备试验得到的资料，整理成经验公式破碎矿石时，外力所做的功首先使物体发生
14、形变，局部变形超过临界点即生成裂缝，裂缝形成之后，储在物体内的形变能使裂缝扩展并生成断面，输入的有用功转变为新生表面的表面能，其它为热损失。,可以推导：平均直径 给矿： 产品：,7.三个学说比较,破碎比小，形变能为主-吉尔皮切夫学说（粗碎）破碎比大，新生表面积多，表面能为主-雷廷格学说（细磨）破碎比中等，形变能与表面能综合考虑-邦德学说（细碎及磨矿）上述三个学说都有局限性，但互不矛盾，且相互补充。芬兰R.T.胡基（Hukki）教授通过试验对三个学说的适用范围进行了验证（详见P55 图3-1-2）。,问题：三大能耗学说与岩矿破磨能耗综合表达式的关系？,思考题：根据岩矿破裂的围微观过程，试提出降低
15、热耗、提高能量转化率的方法。,电热照射破碎：利用高频及超高频电磁场，易于吸收电磁能的矿物急剧受热，其它矿物仅靠热传递得到热能。受热速度不同使矿物间发生了温度应力，从而原来的强度约降低1/23/4。美国曾在47兆周及25千瓦的线圈磁场下进行破碎铁燧岩的试验，苏联曾在0.550兆周及614千伏电容片对花岗岩等做过研究。,破碎矿石的其他方法,液电效应破碎： 利用液体内部的高压和脉冲瞬时放电产生的高压破碎矿物。在放电区域内产生极高压力，可以将物体破碎。 此法曾用作大块矿石的破碎试验，在65千伏、45微法拉、25微亭的放电电路内，破碎花岗岩及石英岩等不合格大块，每立方米的能量消耗约0.050.15千瓦时
16、。同时也曾做过1007050毫米的页岩、碧玉铁质岩和角岩破碎到5毫米以下试验。,超声波粉碎： 利用超声波在液体中的分散效应，使液体产生空化的作用，从而使液体中的固体颗粒或细胞组织破碎超声波细胞粉碎机由超声波发生器和换能器二大部分组成。超声波发生器将市电转变成1821KHz交变电能供给换能器。锆钛酸钡压电振子是换能器的心脏，它随交变电压以18-21KHz频率作伸缩弹性形变，换能器随之作纵向机械振动。振动波通过浸入在生物溶液中的钛合金变幅杆产生空化效应，激发介质里的生物微粒剧烈振动。,微波破碎： 利用微波先将矿石加热到一定的温度使得矿石产生一定的裂缝，从而达到矿石破碎的目的。 水电效应破碎： 用高
17、压脉冲发生器，在液体水中以高压脉冲放电时，产生的热点效应来破碎矿石。由于扩散的电火花队周围的液体发生作用，经液体传到破碎的矿石上，使矿石破碎，实验结果证明，可将150mm的矿石破碎到10mm左右。,热力破碎： 选矿上研究的热力破碎，实际是热与机械破碎相结合。先将矿石加热到一定的温度，然后再水中冷却，这样就可以改善矿石的可碰性及可磨性。,高压料层粉碎,当受到高压气体突然放开时，体积立即膨胀，以声速或超声速度运动，造成强大的冲击波作用于矿料。冲击波在矿粒内部的晶粒交界处反射，就使晶粒交界受着张应力。高速运动着的流体的动能更有效地传递给矿粒，以及矿粒间的高频率碰撞，都有利于破碎。,气力破碎法,其工作
18、原理是以高速喷射气流，使细粒物料互相撞击而粉碎。粉碎程度与进入气流压力有关。,高压电弧破碎法,两个碳级间通以高压电，作用于被破碎设备矿石商，当高压电的炭级开始接触矿石时，就发生电弧。即在接触面上发生火花放电。经过短时间作用，矿石爆裂。电流剧增，这时矿石就被击穿而破碎。此法曾在采矿场对大块矿石进行二次爆破实验。但用于选矿厂连续破碎矿石，尚待进一步研究。,根据用途主要分为三大类粗碎破碎机：主要有颚式破碎机、旋回破碎机。中碎破碎机：主要有标准型圆锥破碎机、中碎圆锥破碎机。细碎破碎机：主要有短头型圆锥破碎机、反击式破碎机、锤式破碎机、辊式破碎机、细碎型颚式破碎机等。,破碎机械分类,本讲作业,三种破碎功耗学说及其比较。,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,
