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1、第第6 6章章 粉碎过程粉碎过程定定义义 ：固体物料在外力作用下克服内聚力，从而使颗粒尺寸减小、比表面积增大的过程。意意义义: 提高反应速度的需要；均匀混合的需要；尤其是超细粉体（微米级、亚微米级、纳米级粉体），其光、电、磁、力学、热力学及表面与界面特性会发生奇特变化，可获得超常的使用效果；堆积填充、溶解的需要；输送和储存的需要。材料的破坏、破碎与粉碎材料的破坏、破碎与粉碎破坏:单个材料的失效粉碎：使大块物料碎裂成小块物料的加工过程称为破碎。粉磨（碎）：使小块物料碎裂成细粉末状物料的加工过程称为粉磨。 粗碎100mm左右 中碎30mm左右 细碎3mm左右 粗磨0.1mm左右 细磨60m左右 超
2、细磨5m以下粉碎比粉碎比i：粉碎前后的粒度比：i=d1/d2平均粉碎比平均粉碎比：用平均粒度表示，是衡量物料粉碎前后粒度变化程度的一个指标，也是粉碎设备性能的评价指标之一。公称粉碎比公称粉碎比： i=B/s,破碎机最大进料口宽度B与最大出料口宽度s之比。设计选型用。有效粉碎比有效粉碎比：破碎机进料口宽度的85%/出料口宽度(因为喂入破碎机的最大物料直径应当比破碎机进料口宽度约小15%才能被破碎机钳住）多级粉碎的总粉碎比总粉碎比：i=i1i2i3几台粉碎机串联起来的粉碎过程称为多级粉碎；串联的粉碎机台数称为粉碎级数。在此情形下，原料粒度与最终产品的粒度之比称为总粉碎比。粉碎级数增多将会使粉碎流程
3、复杂化，设备检修工作量增大，因此要选择粉碎级数较小的简单流程。粉碎作业的技术经济指标粉碎作业的技术经济指标单位电耗（动力消耗指标） ：单位质量粉碎产品的能量消耗（kw/t)。 粉碎比和单位电耗是鉴别粉碎机性能的重要指标。粉碎流程：粉碎流程：根据不同的生产情形，粉碎流程可分为：简单的粉碎流程：流程简单，设备少，操作控制较方便，但不能发挥粉碎机的生产能力，有时难以满足生产要求；带预筛分的粉碎流程：预先清除了物料中无需粉碎的细颗粒，故可增加粉碎流程的生产能力，减少动力消耗、工作部件的磨损等；带检查筛分的粉碎流程：由于带有检查筛分环节，故可获得粒度合乎要求的粉碎产品，为后续工序创造有利条件，但这种流程
4、较复杂，设备多，建筑投资大，操作管理工作量也大，一般用于最后一级粉碎作业；带预筛分和检查筛分的粉碎流程。被粉碎材料的基本物性被粉碎材料的基本物性强度强度: 指其对外力的抵抗能力，通常以材料破坏时单位面积上所受的力来表示，单位为N/m2或Pa。按受力破坏的方式不同，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。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。一般来说，原子或分子间的作用力随其间距而变化，并在一定距离处保持平衡，而理论强度即是破坏这一平衡所需要的能量，可通过下式求得理论强度th 实际强度:完全均质的材料所受应力到达理论强度时，
5、所有原子或分子间的结合键将同时发生破坏，整个材料将分散为原子或分子单元。实际上，几乎所有材料破坏时都分裂成大小不一的块体，这说明质点间结合的牢固程度并不相同，即存在着某些结合相对薄弱的部位，使得在受力尚未达到理论强度之前，材料已发生破坏。因此，材料的实际强度往往远低于其理论强度。强度的影响因素：试样尺寸越小，强度越大；加载速度大时测得的强度也较高；同一材料在空气中和在水中的测定强度也不相同。硬硬度度：表示材料抵抗其它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。一般来说硬度越硬，就越难磨。磨料都是硬度高的物质，如金刚石、碳化硅、碳化钨、刚玉等。易碎（磨）性：易碎（磨）
6、性：表示在一定粉碎条件下，将物料粉碎到某一粒度所需的比功耗，是粉碎过程所耗能量的判据。脆性：脆性材料受力破坏时直到断裂前只出现极小的弹性变形而不出现塑性变形。脆性材料抵抗动载荷或冲击的能力较差。韧性：指材料在外力作用下，塑性变形过程中吸收能量的能力。吸收的能量越大，韧性越好。与脆性材料相反，韧性材料的抗拉和抗冲击性能较好，但抗压性能较差。3、粉碎方法、粉碎方法（按施力方法分） 挤压粉碎：利用粉碎设备的工作部件对物料施加挤压作用，物料在压力作用下发生粉碎。常用的设备有挤压磨、颚式破碎机等。常用于硬而大的块物料初碎；冲击粉碎：包括高速运动的粉碎体对被粉碎物料的冲击和高速运动的物料向固定壁或靶的冲击
7、。这种粉碎过程可在较短的时间内发生多次冲击碰撞，每次冲击碰撞的粉碎时间是在瞬间完成的，所以粉碎体与被粉碎物料的动量交换非常迅速。挤压-剪切粉碎：这是挤压和剪切两种基本粉碎方法相结合的粉碎方式，包括雷蒙磨及各种立式磨。研磨、磨削粉碎：均为剪切摩擦粉碎，包括研磨介质对物料的粉碎和物料相互间的摩擦作用。振动磨、搅拌磨及球磨机等。研磨、磨削粉碎研磨、磨削粉碎与施加强大粉碎力的挤压和冲击粉碎不同，研磨和磨削是靠研磨介质对物料颗粒表面的不断磨蚀而实现粉碎的。因此必须考虑：研磨介质的物料性质：相对于被粉碎物料而言，研磨介质应有较高的硬度和耐磨性。试验证明，细粉碎和超细粉碎时，研磨介质的密度影响减弱，重要的是
8、其硬度。研磨介质的填充率、尺寸及形状：研磨介质的填充率是指介质的表观体积与磨机的有效容积之比，理论上以介质与物料最大限度地接触又能避免自身的相互无功碰撞为佳；介质的尺寸是给料粒度DP的函数：当n=0.5时，为戴维斯公式，对于硬物料，k=35；对于软物料，k=30。斯塔劳柯提出，对于硬物料，k=23；对于软物料，k=13。拉组莫夫平均球公式：式中：Dpa-入磨物料筛下为80%的筛孔径表示的平均粒度，R-物料易磨性系数，f-单位容积物料通过系数。邦德公式：式中：p-物料密度；Wi-Bond粉碎功指数；-磨机转速率（实际工作转速与临界转速之比；D-磨机有效内径；Dp80-入磨物料筛下为80%的筛孔径
9、表示的平均粒度。此式考虑了产品的细度，更接近实际情况。研磨介质的形状为非球形时，其比比面积大。另外，它们与物料之间的接触为线接触或面接触，故研磨效率高。但异形介质易发生紊乱，且与搅拌件的摩擦增大，不利于降低粉碎电耗。所以，搅拌磨中一般使用球形研磨介质。研磨介质的黏糊：干法粉磨时，超细粉体极易黏糊于研磨介质的表面，因而使其失去应有的研磨作用。 材料的粉碎机理材料的粉碎机理Griffith理论（微裂纹理论）：格里菲斯指出，固体材料内部的质点实际上并非严格地规则排列，而是存在着许多微裂纹，在应力作用下，微裂纹尖端将产生应力集中，当外应力达到材料的抗拉强度时，裂纹将扩展，导致材料的破坏。设裂纹扩展时，
10、其表面积增加S，其比表面能为，则表面能增加 S，此时其附近约一个原子距离a之内的形变能为aS2/2E,裂纹扩展所需的能量由变形能提供，即：则裂纹扩展临界条件为：式中，E为弹性模量。对于玻璃、大理石和石英等典型材料，E为10101011Pa，约为10J/m2,a约为310-6m,计算得1010Pa，但实际强度仅有107-108Pa，即实际强度为理论强度的1/100 1/1000。为此给出了实际断裂强度：式中，裂纹长度c1m,则强度降低至理论强度的1/100断裂断裂材料的断裂和破坏实质上是在应力作用下达到其极限应变的结果。脆性断裂：在材料达到其弹性极限时，材料发生破坏，无塑性变形，弹性模量基本上为
11、一常数；韧性断裂：当应力高于弹性极限A并达到屈服极限C时，尽管应力不增加，但应变不断增大，但此时材料不断裂。自屈服点以后的变形是塑性变形，即为不可恢复的变形。当应力达到断裂强度D时，材料破坏。粉碎模型粉碎模型Rosin-Rammler等认为，粉碎产物的粒度分布具有二成分性。粗粒部分为过渡成分，与粉碎过程有关。微粉部分取决于原材料的物性，称为稳定部分。体积粉碎模型：粉碎中整个颗粒被破坏生成粒度大的中间颗粒。随着粉碎过程的进行，中间颗粒依次被粉碎成微粉。冲击粉碎和挤压粉碎接近此模型。表面粉碎模型：在粉碎的某一刻，仅在颗粒表面产生破坏，从表面削下微粉成分。研磨和磨削粉碎方式与此接近。均一粉碎模型：施
12、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。（仅发生在结合不紧密的颗粒集合体中，如药片）体积粉碎与表面粉碎所得的粉碎产物的粒度分布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。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，既粗颗粒也较多。用粉碎模型解析影响粒度分布的因素用粉碎模型解析影响粒度分布的因素球磨机研磨体重量增加或磨机转速提高，材料颗粒的粉碎模型从表面粉碎移向体积粉碎。表面粉碎模型的粉碎产物粒度分布较宽挤压、弯曲作用表现为体积粉碎磨剥、研磨作用表现为表面粉碎冲击：冲击力小时表面粉碎 冲击力大时体积粉碎混合粉碎：
13、混合粉碎：当几种不同的物料在同一粉碎设备中进行同一粉碎过程时，由于物料的相互作用使粉碎情形更复杂。目前对多种物料混合粉碎过程的机理尚存在分歧。为什么硬物质对软物质具有屏蔽作用？为什么软物质对硬物质的粉碎具有催化作用？对同样体积、不同破坏荷载的两种物料进行混合粉碎时，破坏荷载小的物料优先被粉碎，为什么？（作业）。L：石灰石单独粉碎Q：石英单独粉碎MGL：混合粉碎中的石灰石MGQ：混合粉碎中的石英。其他粉碎方法其他粉碎方法低温粉碎：适用对象：熔点低、软化点低的热塑性材料；易失去结晶水且氧化变质的材料；常温强韧性、低温脆性化的物料。熔融喷雾冷却粉碎法粉碎过程热力学：粉碎功耗学说粉碎过程热力学：粉碎功
14、耗学说粉碎过程是巨大的耗能作业，约占世界总耗电量的3-4%。热力学第一定律：式中，Q为环境对系统输入的热量；W为环境对系统做的功，U为系统内能的增加。根据热力学分析：过程中的无用功WL为：式中，S1和S2分别为体系的熵增量和环境的熵增量，WT和WE分别为设备接受的总能量和设备所做的功。固体的比表面能固体的比表面能固体的比表面能是使其表面增加单位面积所需要的能量。它是固体表面的重要性质之一。外力作用于固体使之破碎，在此过程中，外力所做的功是克服材料的内聚力，并有一部分转化为新生表面的表面能。表面能实质上是表面上不饱和键所致，而不同物质的键合情形又存在差异，因而使之形成稳定的新表面所需的能量也不同
15、。例如0K下真空中NaCl的（100）面的表面能为1.8910-5 J/cm2，而（110）面的表面能为4.4510-5 J/cm2固体的比断裂表面能固体的比断裂表面能E.Oroman将断裂分为脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂、粘滞断裂、晶粒界面的脆性断裂和分子间活动形成的断裂等六类；输入：在外力作用下产生的弹性应力场Uel;输出：产生新表面、裂纹附近的塑性变形及加速扩展的动能ev;(T,V)即为比表面断裂能，是新增表面的表面能与塑性变形能之和。粉碎功耗定律：粉碎过程是以减小物料粒径为目的的。粒径的不断减小是不断施加粉碎能量的结果，所以通常以粒径的函数来表示粉碎功耗。Lewis公式(列屋斯，193
16、7年）：粒径减小所耗能量与粒径的n次方成反比，即：E-粉碎功耗；x-粒径；CL-常数；n-常数。认为粉碎所需功是粒径的连续函数。实际上，粗粉碎与细粉碎阶段的比功耗是不同的。显然用Lewis式来表示整个粉碎过程的功耗是不确切的。S-比表面积当n=2.0时，积分得到表面积学说。Rittinge日（雷廷格尔）1867年提出当当n=1.0时，积分得基克定律时，积分得基克定律(Kick于1885年提出)当当n=1.5，积分得邦德（，积分得邦德（Bond）定律）定律(裂纹学说)三个功耗学说的比较三个功耗学说的比较近代研究表明：外力作用于物体时，先发生变形，到一定程度时生成微裂纹，在微裂纹两端产生应力集中，
17、使裂纹扩展。对脆性材料，在裂纹传播瞬间即发生破裂。三个学说 代表粉碎过程的一个阶段，各有一定的适用范围。Kick学说适用于弹性变形，Bond学说适用于开裂及微裂纹扩展，Rittinger学说适用于形成新表面。当D1cm时，体积学说；D2，适用于微粉碎。当SS时，得：粉碎过程动力学粉碎过程动力学我们不仅要了解将物料粉碎至某一规定细度的总能量消耗，同时还希望知道完成这样的粉碎作业需要的时间，即粉碎的速率。粉碎过程动力学研究的目的就在于了解过程进行的速度以及与之相关的影响因素，从而实现对过程的有效控制。设粗颗粒级别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、
18、C和、，则粉碎速度可用下面的动力学方程表示。式中的K为比例常数，+之和为动力学级数，如果和值为0、1、2，则分别称为零级、一级、二级粉碎动力学。阿尔比特等认为，粉磨过程中细颗粒的生成速率符合零级粉碎动力学，并指出当磨机中存在大于预期细颗粒的粗颗粒时，这些粗颗粒优先被粉磨，因而对细颗粒有屏蔽作用。等认为，粉碎速率与物料中不合格粗颗粒含量（R）成正比，即：鲍迪什() 提出，在粉磨过程中，应将研磨介质的尺寸分布特征作为粉磨速度的影响因素。在一级粉碎动力学基础上，加上研磨介质表面积A的影响，得到了二级粉磨动力学基本公式：作业何谓粉碎？何谓粉碎比？粉碎的目的和意义有哪些？被粉碎物料有哪些特性？这些特性对粉碎有哪些影响？常用的粉碎方法有哪些？试述粉碎的表面积学说、体积学说和裂纹学说之间的联系几个字的适应性。
