惯性圆锥破碎机在粉体工程领域中的应用前景

惯性圆锥破碎机在粉体工程领域中的应用前景唐威（北京矿冶研究总院，北京，100160）摘要：本文总结了现有的粉碎理论，从物料破碎机理出发，对“料层粉碎”进行了研究，分析了破磨成本与入磨粒度的关系，简述了惯性圆锥破碎机的结构特点和工作原理。该机不仅破碎比大，产品粒度细而均匀，粒型为立方体，调节破碎机参数能使某粒级段的产率最大，而且破碎产品机械铁污染小，单位电耗低，能破碎任何硬度的脆性物料，十分适合于粉体生产的破碎工序。关键词：惯性圆锥破碎机；多碎少磨；粉体生产1理论研究1.1粉碎理论国际粉碎领域存在三个著名的粉碎理论，即面积说、体积说和裂缝说，由于历史条件和科研手段的限制，这些传统的破碎理论都是建立在动力学、平衡态、连续渐变过程和稳定过程基础上的，在此基础上开展了粉碎物理学和粉碎功耗的理论研究。但实际上物料内缺陷的分布是随机的，粉碎过程是不连续、突变、不可逆、非线性、离散的开放系统，随着科学技术的发展，粉碎理论的研究已向多领域和交叉学科方向扩展，数学、物理学、材料力学的研究成果被应用于粉碎理论研究中。1）粉碎机械学。研究机构设计、工作原理、机械结构、结构参数对破碎效果的影响。在理论研究的基础上研制出新型破碎机。2）粉碎物理学。从研究被破碎物料在外力作用下破碎规律的基础上，开展研究范围，研究单颗粒破碎、料层粉碎、选择性破碎及粉碎极限等。3）粉碎功耗学。研究粉碎过程的输入功与破碎前后物料潜能变化的关系。三个著名的粉碎理论面积说、体积说和裂缝说从不同侧面揭示粉碎过程中能耗与破碎效果的关系。在此基础上，通过分析物料破碎的突变行为，定性地阐述物料破碎的过程及能耗关系，并定量给出破碎过程中的功耗状态方程式。4）粉碎动力学。研究被破碎物料粒度减小与时间的关系，揭示粉碎过程输入和输出的动力学关系。通过非线性动力学研究，阐明物料粉碎过程中的失稳和稳定性。5）分形技术。分形技术更好地反映了破碎的本质，矿石和天然砂等基本符合分形规律。利用分形理论通过对矿石破碎颗粒表面分形维数Ds与功耗三理论的研究，进一步揭示了破碎功耗的规律。6）突变理论。针对物料粉碎过程的不连续、突变、不可逆、非线性、开放系统等显著特点，运用突变理论和耗散结构研究物料粉碎过程，将物料破碎机理推进到非线性热力学和非线性动力学范畴。通过物料粉碎的非线性不可逆过程热力学来阐明物料粉碎过程中旧结构破坏和新结构产生这一行为的物理本质。7）离散数学。应用离散单元法能方便地研究和模拟破碎机不同形状磨损件在不同工作条件下的磨损状态和规律，分析获得的数据可用于破碎机结构和工艺参数的优化。1.2破碎机理物料破碎是矿物及土石质原料加工必不可少的工艺过程，这个过程是用外力（人力、机械力、电力、化学能、原子能等）施加于被破碎物料上，克服物料分子间的内聚力，使大块物料分裂成若干小块。破碎的目的是：达到合格产品粒度，为下道工序提供原料；使物料中有用成分解离，为选别的除杂提纯创造条件；增加原料的比表面积。在工业上主要是利用机械力来破碎。机械力破碎的方法有如下几种：压碎、劈碎、折断、磨碎、冲击破碎。压碎是将物料置于两个破碎表面之间，施加压力后，物料因压应力超过其抗压强度极限而破碎。劈碎是用一个平面和一个带有尖棱的工作表面挤压物料时，物料将沿力作用线的方向劈裂。劈裂的原因是由于被劈裂平面上的拉应力达到或超过物料拉伸强度极限，物料的拉伸强度极限比抗压强度极限小很多。折断是物料受弯曲作用而破坏，被破碎的物料就是承受集中载荷的两支点或多支点梁，当物料内的弯曲应力达到物料的弯曲强度极限时，物料即被折断。磨碎是物料与运动的表面之间受一定的压力和剪切力作用后，其剪应力达到物料的剪切强度极限时，物料即被磨碎。磨碎的效率低，能量消耗大。冲击破碎是物料受冲击力而破碎。它的破碎力是瞬时作用的，其破碎效率高，破碎比大，能量消耗少。任何一种破碎机都不能只用某一种方法进行破碎，一般都是由两种或两种以上的方法联合起来进行破碎的，例如压碎和折断，冲击和磨碎等。物料的破碎方法主要是根据物料的物理机械性质，被破碎物料的尺寸、形貌和所要求的破碎产品粒度来选择。物料分为坚硬物料、中等坚硬物料和软物料；也可分为粘性物料和脆性物料。根据物料的物理性质，物料的抗压强度最大，抗弯强度次之，抗磨强度再次之，抗拉强度最小。对于坚硬物料最好采用压碎、劈碎和折断（弯曲）的破碎方法，而对粘性物料则采用压碎和磨碎方法破碎，脆性物料和软物料采用劈碎和冲击破碎的方法为宜。随着耐磨材料质量的提高和使用寿命的增长，对于硬而脆的物料也可以采用冲击破碎的方法。1.3料层粉碎合理组织破碎的原则如下：1）物料应承受在料层的不同方向局部负载所形成的体积压力；2）为了在晶体和晶体边缘同时造成应力，物料应反复多次承受包括剪切、弯曲和扭转因素在内的组合负载；3）负载应具有最大峰值的脉冲；4）适应缺陷区的强度和持久强度负载应严格定量；5）在加载循环的间隙时间里物料可以相对移动，相互重新排列，使合格产品的颗粒及时地从料层中分出来，同时还可以控制料层的密度；6）为了在物料表面形成起始裂纹，要使物料彼此相互研磨；7）压缩及组合负载值的比例关系及加载频率应根据物料性质及工艺技术要求来选择。料层粉碎能很好地满足上述破碎原则，破碎腔挤满给料，通过向物料层施加严格定量的平时破碎力，可以使物料层适当地压实，使物料承受全方位的挤压，全部颗粒都受力，物料颗粒之间相互作用，出现微裂纹和产生粉碎，从而实现“料层粉碎”。料层粉碎产品如果给入磨机，颗粒微裂纹可使磨机给料功指数降低10～25%，物料在磨机中易于解离和磨碎；破碎产品如果直接浸出，颗粒微裂纹有助于浸出液渗入而提高粗粒级产品的金属回收率。在破碎力作用下，物料在破碎腔中承受交变的挤压、剪切、弯曲和扭转应力。物料颗粒之间不断改变方位，由于物料颗粒越小，晶格缺陷越少，强度越大，因此强度大的小颗粒可破碎相邻的强度小的大颗粒；在等强度颗粒中，那些晶格缺陷与剪切力方向重合的颗粒被破碎。这样物料主要沿晶格间的区域破碎而不破碎晶体本身，破碎后的物料具有最低过粉碎，从而实现了物料的“选择性破碎”，有利于多种成分物料中有用矿物解离和减少物料中有用成分的过粉碎。2入磨粒度如何确定最佳入磨粒度，粉碎领域经过几十年的研讨，提出以下几种方法。1）罗兰方法：最佳入磨粒度与功指数的平方根成反比。硬而难磨的矿石最佳入磨粒度应小些，软而易磨的矿石最佳入磨粒度可大些。入磨粒度大于最佳值，磨机效率会降低。2）奥列夫斯基方法：在适宜磨矿条件下，入磨粒度降低，磨机生产能力提高。3）邦德方法：按照邦德功耗理论分别计算破碎和磨矿的能耗，得出在入磨粒度为－13mm时，破磨总能耗最低。4）沙伐哈特金方法：选厂的生产率越高，则由入磨粒度的降低而产生的经济效益越大。图1破磨成本与入磨粒度关系1-磨矿成本2-破碎成本3-破碎＋磨矿成本图1表示破磨成本与入磨粒度关系，在一定工况条件下，存在一个最佳入磨粒度，此时破磨成本最低。入磨粒度大于最佳入磨粒度时，降低入磨粒度，破碎作业增加的成本小于磨矿作业降低的成本，破磨总成本降低；如果把入磨粒度降得比最佳入磨粒度更小，则破碎作业增加的成本大于磨矿作业降低的成本，破磨总成本增加。经过五十多年的实践和总结，通过破碎与磨碎的能源消耗与利用、基建成本的差异和不同入磨粒度的磨矿成本与效益等不同方面和不同层次进行的破碎与磨碎研究分析比较，粉碎领域正大力提倡“多碎少磨”的新工艺流程，即降低破碎产品最终粒度，增加细粒级在破碎产品中的含量，从而提高磨机的处理能力，达到降低破磨工序电耗和金属消耗量、减少成本、增加经济效益，提高企业市场竞争力的目的。纵观粉碎领域，合理配置破磨作业工艺流程，改进现有破碎机的结构及进行参数优化，提高设备性能，简化和改革破碎工艺流程，已经成为各国实现多碎少磨目标的研究课题。而实现这一目标的最有效、最经济的方法就是设计研制大破碎比、高效、低耗的新型破碎设备。以前由于破碎设备的局限，一般入磨粒度为－25mm，随着新理论和新技术的应用，新型破碎设备不断出现，最佳入磨粒度越来越小，破磨总成本不断降低。根据目前国际先进破碎设备可以达到的水平，在不同工况下最佳入磨粒度为6～10mm。俄罗斯圣·彼得堡“米哈诺布尔”科技股份有限公司经过40多年努力研究，终于研制成功新型节能超细破碎设备——惯性圆锥破碎机。惯性圆锥破碎机以其先进的破碎理论、独特的设计思路、合理的机械结构和优良的性能代表了当前世界圆锥破碎机的最高水平，能够很好地满足“多碎少磨”新工艺的要求。3惯性圆锥破碎机3.1惯性圆锥破碎机的结构特点和工作原理惯性圆锥破碎机的结构如图2所示。惯性圆锥破碎机机体通过隔振元件座落在底架上，工作机构由定锥和动锥组成，锥体上均附有耐磨衬板，衬板之间的空间形成破碎腔。动锥轴插入轴套中，电动机的旋转运动通过传动机构传给固定在轴套上的激振器，激振器旋转时产生惯性力，迫使动锥绕球面瓦的球心做旋摆运动。在一个垂直平面内，动锥靠近定锥时，物料受到冲击和挤压被破碎，动锥离开定锥时，破碎产品因自重由排料口排出。动锥与传动机构之间无刚性联接。图2惯性圆锥破碎机结构原理图1-底架2-皮带传动装置3-隔振元件4-激振器5-外壳6-球面瓦7-衬板8-定锥9-动锥10-动锥支座11-轴套在惯性圆锥破碎机中，动锥和传动机构之间不是刚性联接，动锥的振幅不受传动系统的限制，是可以变化的，它的大小取决于物料层抗压阻力与破碎力的平衡。破碎机刚启动时，动锥摆动频率小，破碎力较小，动锥的振幅较小，因此启动力矩也较小，带负荷启动不会损坏破碎机，所以，惯性圆锥破碎机可以带负荷启动和停车。同样道理，在惯性圆锥破碎机中，挤满给料只是增大了物料层的抗压阻力，动锥的振幅减小，不会造成破碎机“闷车”，不需安装给料机。在惯性力的作用下，动锥将尽可能靠近定锥，从而将物料破碎得更细，其产品最大粒度只有排料间隙的1/3～1/4左右。由于动锥与传动机构之间无刚性联接，如果物料中混入不可破碎的物体，动锥暂时停止运动，激振器绕动锥轴继续转动，绝对不会破坏传动系统和主机。因为惯性圆锥破碎机是带负荷启动，相对于偏心圆锥破碎机的空载启动，惯性圆锥破碎机的启动力矩较大，所以启动时瞬间电流较大。为了保证破碎机安全平稳的启动，选用了较大功率的电机，实际上，破碎机正常工作时所耗功率只有电机额定功率的60%左右。惯性圆锥破碎机动锥的旋摆频率根据不同机型从750～2200转/分钟，远大于偏心圆锥破碎机动锥的摆动频率，因此，在破碎过程中，物料在惯性圆锥破碎机破碎腔中被破碎达几十次，远大于物料在偏心圆锥破碎机破碎腔中被破碎的次数。而且，与偏心圆锥破碎机相比，惯性圆锥破碎机的动锥振幅可变，动锥沿物料层每滚动一周都伴随有100多次的振动，由附加的这种强烈脉冲振动加强了破碎作用。因此，惯性圆锥破碎机的破碎比远大于偏心圆锥破碎机的破碎比，而且可在很大范围内调节。惯性圆锥破碎机是挤满给料，通过向物料层施加严格定量的由惯性力造成的压力，可以使物料层适当地压实，使物料承受全方位的挤压，物料颗粒之间相互作用，从而实现“料层粉碎”，破碎产品机械铁污染小。同时在由惯性力引起的强烈脉动冲击作用下，物料在破碎腔中承受交变的挤压、剪切、弯曲和扭转应力。物料颗粒之间不断改变方位，由于物料颗粒越小，晶格缺陷越少，强度越大，因此强度大的小颗粒可破碎相邻的强度小的大颗粒；在等强度颗粒中，那些晶格缺陷与剪切力方向重合的颗粒被破碎。这样物料主要沿晶格间的区域破碎而不破碎晶体本身，破碎产品粒型为立方体，破碎后的物料具有最低过粉碎，从而实现了物料的“选择性破碎”，可轻松破碎抗压强度高达360Mpa的物料。惯性圆锥破碎机破碎比大，产品粒度细而均匀，可以降低入磨粒度，实现“多碎少磨”；可方便地调节破碎机的工作参数，有效地控制某粒级段的产率；而且单位破碎比功耗低，能破碎任何硬度的脆性物料，十分适合于粉体生产的破碎工序3.2惯性圆锥破碎机生产应用情况惯性圆锥破碎机目前已形成动锥底部直径从100mm到1200mm5种规格的产品，技术参数见表1。表1惯性圆锥破碎机技术参数型号GYP-100GYP-300GYP-600GYP-900