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1、第三章 粉碎及设备,3.1 基本概念3.2 物料的基本特性3.2.1 强度3.2.2 硬度3.2.3 易碎（磨）性3.2.4 脆性3.2.5 韧性,1,3.3 基本理论3.3.1 粉碎模型3.3.2 粉碎功耗定律3.3.3 粉碎过程热力学3.3.4 粉碎过程动力学3.4 粉碎设备3.4.1 破碎设备3.4.2 粉磨设备3.4.3 超细粉碎设备,2,3.5 粉体的分级3.5.1 基本概念3.5.2 分级性能的评价3.5.3 筛分分级原理与设备3.5.4 流体系分级原理与设备3.6 粉碎机械力化学3.6.1 机械力化学作用3.6.2 机械力化学的应用思考题,3,4,3.1 基本概念(1) 粉碎粉碎
2、：固体物料在外力的作用下，克服内聚力，从而使颗粒尺寸减小，比表面积增大的过程破碎：使大块物料碎裂成小块物料的加工过程粉磨：使小块物料碎裂成细粉末状颗粒的加工过程相应的机械设备分别称为破碎机械和粉磨机械进一步的划分,(2) 粉碎比和粉碎级数若原始物料粒度为D，经过某台粉碎机械粉碎后的粒度为d，则比值i(i=D/d)称为粉碎比也可用粉碎机械的最大进料口宽度与最大出料口宽度之比来表示，称为公称粉碎比串联多台粉碎机进行的粉碎作业称为多级粉碎，粉碎机串联的台数称为粉碎级数，原始物料的粒度与最后破碎产品的粒度之比称为总粉碎比各级粉碎比i1,i2,in与总粉碎比i0的关系为：,5,(3) 粉碎方式挤压粉碎冲
3、击粉碎磨擦-剪切粉碎劈裂粉碎,6,7,(4) 粉碎流程,8,3.2 物料的基本特性3.2.1 强度指的是物料对外力的抵抗能力，通常以物料破坏时单位面积上所受的力来表示，单位为N/m2或Pa按材料内部的均匀性和是否有缺陷分为理论强度和实际（测）强度物料强度的高低在一定程度上体现了其粉碎的难易程度,9,（1）理论强度不含任何缺陷的完全均质材料的强度称为理论强度。它相当于原子、离子或分子间的结合力理论强度：th=(E/a)1/2，其中为表面能，E为弹性模量，a为晶格常数（2）实际（测）强度物料的实际（测）强度往往远低于理论强度（约为其1/1001/1000）。 实际强度：=(2E/c)1/2，其中c
4、为裂纹半长。实际（测）强度还与测定条件（如试样的尺寸、加载速率及所处环境等）有关,10,材料的理论强度和实测强度,典型矿物的莫氏硬度值,11,3.2.2 硬度指的是抵抗其他物体刻划或压入其表面的能力。也可理解为在固体表面产生局部变形所需的能量硬度的大小与物料内部的化学键以及晶体结构有关。无机材料常用莫氏硬度或维氏硬度表示硬度越大，耐磨性越好。硬度作为间接评价指标，在一定程度上体现了物料粉碎的难易程度,12,3.2.3 易碎（磨）性指的是在一定粉碎条件下，将单位质量物料从一定粒度粉碎至某一指定粒度所需的能量，或施加一定能量使物料达到的粉碎细度易碎（磨）性一般用相对易碎性系数来表示。易碎性系数越大
5、，物料越易粉碎3.2.4 脆性与塑性相反的一种性质。脆性材料抵抗动载荷或冲击的能力较差，采用冲击粉碎可使粉碎效率提高,13,14,3.2.5 韧性指物料在外力的作用下，塑性变形过程中吸收能量的能力。韧性物料的抗拉和抗冲击性能较好，而抗压性能较差，采用挤压粉碎可使粉碎效率提高,15,3.3 基本理论3.3.1 粉碎模型Hting等人提出了以下三种粉碎模型体积粉碎模型表面粉碎模型均一粉碎模型,16,粉碎产物的粒度分布有所不同：体积粉碎后的粒度分布较集中，而表面粉碎后的细粉较多，粒度分布范围较宽,17,3.3.2 粉碎功耗定律通常以粒径的函数来表示粉碎功耗(1) 经典理论1) Lewis公式（或综合
6、式）提出粒径减小所耗能量与粒径的n次方成反比数学表达式为式中，E为粉碎能量，x为粒径，CL、n为常数。上式是粉碎过程中粒径与功耗关系的通式,18,2) 雷廷格尔（Rittinger）定律提出粉碎物料所消耗的能量与粉碎过程中新增加的表面积成正比：dE=CRdS数学表达式为将Lewis式中的常数n取2并积分后也可以得到上式,19,3) 基克（Kick）定律提出相同重量，相似物体粉碎时所需的能量只与粉碎比有关数学表达式为此式为Lewis式中的常数n=1时积分所得4) 邦德（Bond）定律提出粉碎所需能量与颗粒粒径的平方根成反比数学表达式为此式为Lewis式中常数n=1.5时积分所得,20,(2) 粉
7、碎功耗新观点1) 田中达夫粉碎定律提出比表面积增量对功耗增量的比与极限比表面积和瞬时比表面积的差成正比数学表达式为式中，S为极限比表面积，它与粉碎设备、工艺及被粉碎物料的性质有关，S为瞬时比表面积，K为常数将上式积分，当S远远小于S时，可得,21,2) Hiorns公式假定符合雷廷格尔定律，粒度符合罗辛-拉姆勒分布，若固体颗粒间的摩擦力为kr，则,22,3) Rebinder公式将基克定律和田中定律相结合，考虑了表面能、热能的变化及固体表面某些物理化学性质的变化，提出,23,3.3.3 粉碎过程热力学粉碎作业是一个需消耗外功的不可逆过程，S0，根据热力学第二定律，粉碎过程的损失功为 WL=TS
8、若完全可逆过程的有效功为WE则 W总=WL+WE粉碎效率=WE/W总=1-WL/W总只有表面能增加所消耗的外功才是有效功，即 =A/W总,24,3.3.4 粉碎过程动力学设粗颗粒物料随粉碎时间的变化率为-dQ/dt，影响过程进行速度的因素及其影响程度分别为A、B、C和、 ，则粉碎速度可表示为式中k为比例系数。+之和为动力学级数，若值为0、1、2，则分别为零级、一级、二级粉碎动力学，其中应用最广泛的是一级动力学。,25,26,3.4 粉碎设备3.4.1 破碎设备（颚式破碎机）根据动颚的运动特征，颚式破碎机可分为简单摆动、复杂摆动和综合摆动型。破碎机的规格通常用进料口的宽度和长度来表示,(1) 工
9、作原理,27,(2) 主要工作部件1) 机架和支承装置：即刚性的外部框架、支承偏心轴和悬挂轴的支承装置。2) 破碎部件：即动颚和定颚。3) 传动机构：即偏心轴、连杆、推力板。4) 拉紧装置：即拉杆、弹簧、调节螺母等零件。5) 调整装置：即出料口的调整装置。6) 保险装置：保护动颚、机架、偏心轴等大型贵重部件免受损坏。7) 润滑装置：即偏心轴、悬挂轴、推力板支承面的润滑。,28,(3) 工作参数的确定1) 钳角动颚与定颚之间的夹角称为钳角。破碎机的钳角应有一定的范围，可通过物料的受力分析来确定。一般取1822。,29,2) 偏心轴的转速转速n根据如下的条件确定：当动颚后退时，破碎后的物料在重力的
10、作用下全部卸出，而后动颚立即返回破碎物料。n=470(tan/s)1/2经验公式：B1200mm，n=160-42BB为进料口宽度，m。,30,3) 生产能力经验公式：Q=K1K2K3qe。其中，K1为物料易碎性系数，K2物料体积密度修正系数（=物料体积密度/1.6），K3为进料粒度修正系数，q为标准条件下（指开路破碎体积密度为1.6t/m3的中等硬度物料）的单位出料口宽度的生产能力，e为破碎机出口宽度。,31,32,4) 功率设破碎机工作时整个颚膛内充满物料，且沿颚膛长度方向成平行圆柱体排列，推导可得：简单摆动NM=10.2LHSn (KW)复杂摆动NM=18LHrn (KW)其中，L为颚口
11、长度（m）；H为颚膛高度（m）；S为颚板行程（m）；r为偏心轴的偏心距（m）；n为偏心轴的转速（r/min）。,33,常用的经验公式为：NM=CBLB为进料口宽度（cm），L为进料口长度（cm），C为系数（B250mm时为1/60，B=250900mm时为1/100，B900mm时为1/120）。例：用400mm600mm复摆颚式破碎机破碎中硬石灰石，最大进料粒度为340mm。已知钳角为20，偏心距r=10mm，动颚行程s=13.3mm，出料口宽度为100mm，试计算偏心轴转速、生产能力及功率。,34,35,3.4.2 粉磨设备（球磨机）球磨机的主要工作部分为一回转的圆筒，靠筒内装入的各种材料
12、和不同形状的研磨介质的冲击和研磨作用使物料粉碎、磨细。球磨机的规格一般用筒体的内径和长度表示,36,(1) 工作原理当磨机以不同转速回转时，筒体内的研磨体可能出现三种基本情况。（a）转速太快，研磨体作离心运动；（b）转速太慢，研磨体作泻落运动；（c）转速比较适中，研磨体作抛落运动,（a）离心式,（b）泻落式,（c）抛落式,(2) 构造1) 筒体：要求材料强度高、冲击韧性高、耐腐蚀性能强。2) 衬板：保护筒体，使其免受研磨体和物料的冲击、摩擦作用，也能起到调整研磨体运动状态的作用。3) 隔仓板：当筒体内有多个研磨仓时，能起到分隔研磨体、物料的作用。4) 主轴承：由轴瓦、轴承座、轴承盖、润滑及冷却
13、系统组成。5) 进料、卸料装置：根据生产工艺要求，有不同的类型。6) 传动系统：即高速电动机和减速机。,37,38,(3) 工作参数的确定1) 外层研磨体的基本运动方程cos = R0n2/900,39,2) 磨机转速临界转速n0以=0代入研磨体运动的基本方程式，可得n0为式中D0为磨机筒体的有效内径，m理论适宜转速n分析的出发点：使最外层研磨体具有最大的降落高度，此时研磨体对物料产生最大的冲击粉碎功n = 22.8/(R0)1/2 32.2/ (D0)1/2,40,41,实际工作转速ng干法磨机可按下述方法确定：当D2m时，当1.8D2m时，当D1.8m时，湿法间歇球磨机则按下式计算： 当D
14、01.75时，当1.25mD01.75m时， 当D01.25m时， 式中ng为磨机的实际工作转速，r/min；n为磨机的适宜转速，r/min；D0为磨机筒体的有效内径，m；D为磨机筒体的规格直径，m,42,3) 生产能力对于连续式球磨机，可按下式计算式中q为单位功率单位时间生产能力（可由生产统计资料或有关文献获得），kg/(kWh)；c为流程系数，开路粉磨c=1.0，闭路粉磨c=1.151.5；N0为磨机粉磨物料的有用功率，不包括机械效率和运动物料以及辅助传动装置所消耗的功率,43,4) 研磨体性质应具有较高的硬度和密度常用的有玛瑙，瓷球，氧化铝，氧化锆，钢球和硬质合金等填充率、尺寸与形状填充
15、率一般为3040适宜尺寸通常是物料粒度DP的函数多为球形，也有柱状、棒状及椭球状（异形研磨体的比表面积较大）,3.4.3 超细粉碎设备(1) 行星式球磨机由球磨罐的公转自转构成。,44,(2) 行星式振动磨进行自转及绕主轴公转，同时在偏心配重的影响下上下振动。,45,(3) 搅拌球磨机通过搅拌器的高速回转，使研磨体和物料在整个筒体内翻滚。,46,(4) 高能球磨机是在行星式球磨机和振动式球磨机的基础上发展而来的一类新型超细粉碎设备的通称。无论设备采取何种驱动方式，最终均可使球磨罐在三维方向上高速旋转摆动或振动，使其中的研磨体和物料获得很高的能量。,47,3.5 粉体的分级3.5.1 基本概念分
16、级：根据使用要求，把粉体按某种粒径大小或不同种类的颗粒进行分选的操作过程。筛选：适用于粗颗粒流体力学分级：适用于所有颗粒，效率高。可分为重力式、离心力式、惯性力式。,48,3.5.2 分级性能的评价(1) 分级效率1) 部分分级效率d=Wb/Wa,49,2) 牛顿分级效率按特定粒度进行分级，分为细粒部分和粗粒部分时，合格成分的收集率与不合格成分的残留率之差。Rf：原料中实有的粗粒比率；Ra：粗粒级中实有的粗粒比率；Rb：细粒级中实有的粗粒比率3) 分级精度用部分分级效率为75和25的颗粒粒径比值来表示：K=d75/d25（或K=d25/d75）,50,3.5.3 筛分分级原理与设备(1) 筛分
17、机理1) 颗粒通过概率筛孔尺寸越大，筛丝和颗粒直径越小，则颗粒通过概率越大。,51,2) 筛分效率即筛分过程中，实际得到的筛下物质量与原料中小于筛孔的物料质量之比：式中，E为筛分效率（），C为筛下产品质量（g），Q为入筛原料质量（g），为入筛原料中小于筛孔的级别的含量（）。实际使用时、分别表示入筛原料、筛下物及筛上物中小于筛孔的物料含量（）。,52,53,3) 影响筛分的因素物料因素堆积密度、粒度分布、含水率等筛分机械孔隙率、筛孔大小、筛孔形状、筛面的长宽比、筛子的运动状态等操作方式加料的均匀性、加料速度等,(2) 筛分设备振动筛、摇动筛、回转筛、固定筛。,54,3.5.4 流体系分级原理与设
18、备(1) 重力分级利用空气阻力和重力之间的平衡关系，调整颗粒粒径进行分级。重力场中，设颗粒为球形，且在介质中自由沉降，其沉降末速为,55,(2) 离心力分级,56,水平方向的离心力为垂直方向气流给颗粒的作用力为：合力方向决定颗粒走向：分级极限粒径为：,57,(3) 惯性力分级主气流通过喷射口携带颗粒喷射至分级室，辅助气流使气体及颗粒运动方向发行偏移，粗细颗粒由于惯性不同，随气流沿不同的运动轨迹进入相应的装置被分别收集。,58,59,3.6 粉碎机械力化学固体物质在各种形式的机械力作用下所诱发的化学变化和物理化学变化称为机械力化学效应。3.6.1 机械力化学作用物理变化：尺寸、裂纹、密度、比表面
19、积的变化结晶状态变化：晶格缺陷、结晶程度变化、晶型转变化学变化：脱水、形成合金或固溶体、固相反应,(1) 粉碎平衡粉碎过程中颗粒微细化过程与微细颗粒的团聚过程达到平衡。与工作条件、物料的物理化学性质有关，是相对的、有条件的。,60,61,(2) 晶格畸变在机械力的作用下，物料的晶格发生畸变，有序结构被破坏，形成非晶体，发生无定形化。晶格畸变常导致物料的密度发生变化，同时使物料的反应活性提高。,(3) 晶型转变由于机械力的反复作用，晶格内积聚的能量不断增加，使结构中某些结合键发生断裂并重新排列形成新的结合键。(4) 化学变化脱水效应固相反应等等,62,63,3.6.2 机械力化学的应用(1) 化学改性有目的地改变其表面的物理化学性质，使其晶格结构及晶型发生变化，内能增大，增强表面活性(2) 制备纳米金属、非晶态金属及合金(3) 制备新型材料制备纳米陶瓷、功能材料、纳米复合材料等(4) 在水泥、混凝土生产中的应用助磨剂的应用、硅酸盐矿物的合成等,64,第三章思考题1、与粉碎有关的基本概念？2、粉碎方式与粉碎流程有哪些？3、物料的性质对粉碎的影响？4、不同粉碎功耗定律及其区别？不同粉碎模型及其区别？5、破碎机及球磨机工作参数的确定？6、粉体分级的类别及原理？7、机械力化学及其作用？,
