第一章破碎理论与设备

建材机械与设备绪论设备服务于工艺，设备决定工艺水平工厂的每一条工艺生产线都是通过相应的机械设备来实现。工业生产的发展水平，很大程度上取决于机械设备的完善与先进程度。工业生产的技术进步，总是反映在工艺设备的技术进步上的。在建材行业中亦是如此。本课程介绍无机非金属材料中建材工业生产过程中常用的机械设备，着重介绍机械过程的基本概念和典型的机械设备，包括粉碎理论及粉碎机械，筛分过程及筛分机械，颗粒流体力学及设备，混合过程及混合机械设备，仓流过程及贮料喂料设备、起重运输设备、热工设备等。第1章破碎机械一、用途破碎与筛分机械是工矿企业必备的工程机械。比如机制砂行业，它是加工生产各种规格碎石及砂料的机械设备，其作用是将大块岩石进行破碎、筛分分级，形成不同粒度的碎石、砾石等，广泛应用于公路、建筑、水利和矿业等领域的施工中。二、分类1、破碎机械按破碎方式和结构特点，破碎机有颚式、锥式、辊式、锤式。2、筛分机械筛分机械按工作机构运动与否可分为不动式和活动式两大类。三、国内外状况及发展趋势1、国内状况及发展趋势国产破碎与筛分机械的发展方向主要是采用和完善自动控制装置，提高产品的生产能力和降低能耗等等。2、国外状况及发展趋势破碎机的发展方向是：采用先进的自动控制技术、液压传动技术，改进破碎腔，使机械达到最佳的运行状况，提高功率因数和生产能力；筛分机械的发展方向是：采用完善的计算机全自动控制系统，使各个系统实现合理匹配，在保证整机具有最佳经济效益的前提下，使给定粒度的碎石产量最大。本章主要内容：1.概述2.破碎及粉碎理论3.鄂式破碎机4.反击式破碎机5.锤式破碎机6.圆锥破碎机1.了解各种破碎方法及其所使用的范围；2.掌握破碎流程及破碎比等概念；3.了解目前主要使用的破碎机械。学习要求：1.概述用机械方法或非机械方法（电能、热能、原子能、化学能等）克服物料内部的内聚力而将其分裂的过程，称为粉碎。大块物料破碎成小块物料称为破碎；小块物料磨成细粉称为粉磨。破碎与粉磨统称为粉碎。相应地完成这些作业的机械，称为破碎机械和粉磨机械，或统称为粉碎机械。物料经粉碎后，比表面积增加，可提高化学反应速度和物理作用效果；几种不同固体物料的混合，在细粉状态下易达到均匀的效果；物料经粉碎后，便于干燥、传热、贮存和运输；物料经粉碎后，还可用于材料科学，环境保护和工矿等部门。1、破碎作业在建材行业中的应用破碎是在外力作用下使物料变成小块的过程。在建筑材料生产中，粉碎作业是很重要的过程。例如：每生产1t水泥，需破碎和粉磨的物料量约4t左右。粉碎作业的情况直接关系着产品质量和产品成本。1.概述2、破碎作业的分类1）按作用不同分为:准备（前）破碎最终（后）破碎1.概述2）按破碎产物的粒度不同分为:粗碎、中碎、细碎与粉碎。作业名称粗碎中碎细碎粉碎产品粒度(mm)506~251~61表1-1-1按产品粒度划分的破碎作业3）按破碎作业所消耗的能量形式不同分为:机械能破碎:即用机械力破碎物料；非机械能破碎：即用电能、热能等破碎物料。建材行业主要是采用机械能破碎。机械能破碎的五种基本形式：1.概述(a)挤压破碎：物料在两个工作面之间受到缓慢增大的压力作用而破碎。1.概述(b)劈裂破碎：用一个尖棱和一个带有尖棱的工作表面挤压矿石时，矿石将沿压力作用线的方向劈裂而破碎。1.概述(c)折断破碎：矿石受弯曲作用而破碎。1.概述(d)研磨破碎：矿石与运动的工作面之间存在相对运动而受到一定的压力和剪切作用，当剪切应力达到矿石的剪切强度时，矿石被粉碎。1.概述(e)冲击破碎：物料受到足够大的瞬时冲击力而破碎。其破碎效率高，破碎比大、能量消耗少。1.概述1.概述3、矿石破碎的难易程度及破碎方法选择矿石破碎过程中所表现出来的抵抗外力的强度大小，称为矿石破碎的难易程度。它是衡量矿石可碎性的标准，主要取决于矿石的结构特性和矿物的结晶形态。影响矿石破碎难易程度的最主要因素是矿石的硬度。矿石的破碎方法主要根据矿石的物理机械性质、矿石块入料的尺寸和所要求的破碎比来选择。1.概述建材行业常引用可碎性系数定量地衡量矿物机械强度对破碎的影响，其表示方法如下：（1-1-1）01QQ式中ε—物料的可碎性系数；Qo—某破碎机破碎中硬矿石的处理能力；Q1—同一破碎机在同样条件下破碎指定矿石的处理能力。中硬矿石通常用石英代表，其可碎性系数与可磨性系数均为1。矿石的硬度、可碎性系数及可磨性系数如表1-1-2所示。1.概述表1-1-2矿石硬度、可碎性系数和可磨性系数硬度等级极限抗压强度σb／MPa普氏硬度系数f(f=σb/10)可碎性系数ε可磨性系数实例很软＜20＜21.30～1.401.40～2.00石膏、无烟煤软20～402～41.15～1.251.25～1.50页岩、泥灰岩中等硬度40～804～81.001.00石英、硫化矿硬80～1008～100.80～0.900.75～0.85一般铁矿很硬＞100＞100.65～0.750.50～0.70玄武岩、含铁石英岩1.概述矿物破碎的难易程度与矿物的力学性质有关。不同矿物集合体之间的结合力比同种矿物内部的结合力要小；在同样的矿物集合体内，晶体面上的结合力比晶体内部的要小。一般来说，矿物粒度愈细愈难磨碎。矿物破碎的难易程度与矿物的脆性也有关系：1）破裂前无变形或变形很小的物料叫脆性物料；2）破碎时先变形而后碎裂的物料叫塑性物料。煤和大多数矿石都是脆性物料，煤属于软矿物。矿石通常都是多种不同性质矿物的共生体，破碎时，不同矿物的破碎程度是不一样的。矿石的抗压强度最大，抗弯强度次之，抗磨强度再次之，抗拉强度最小。针对矿石这一机械强度特点，选择恰当的破碎方法，可以使破碎更加有效。1.概述4、破碎比及破碎产物的粒度特性在破碎过程中，入料粒度与产物粒度的比值叫做破碎比。破碎的能量消耗和处理能力均与破碎比有关。破碎比通常由入料最大颗粒直径（Dmax）与产物最大颗粒直径（dmax）的比值来确定，即maxmaxDid1.概述（1-1-2）在工业应用中，由式（1-1-2）确定的破碎比并不能准确地描述破碎过程。因为粒度特性相同的物料经破碎后，虽然产物中的最大粒度是一样的，但破碎后粒度特性未必相同，如图1-1-2所示。真实粉碎比：粉碎前后物料的平均粒度的比值，i=Dp/dp。式中：Dp、dp—根据粒度特性计算出的原料与产物的加权平均直径，mm；γ,—原料和产物的各粒级产率（按筛分分析），％；D、d—原料和产物各粒级的算术或几何平均直径，mm。平均粉碎比是进料平均粒径与出料平均粒度之比；公称粉碎比（度）：最大进料口宽度与最大出料口宽度之比；破碎机的平均粉碎比一般较公称粉碎比低。建材过程中的破碎比一般比较小，一段破碎即可满足。如果产品粒度很细，故破碎比i值很大，往往需要进行多次（段）破碎，其总破碎比i等于各段破碎比的乘积。i=i1×i2×i3×…×in=Dmax/dmax为了鉴定破碎机的破碎效果和检查破碎产品的质量，必须确定它们的产品粒度组成和粒度特性曲线。各种粉碎机械的粉碎比均有一定的范围，一般破碎机的粉碎比为3～6，近年来研制的立式反击式破碎机的粉碎比为40～1000，而磨机的粉碎比达300～1000。对一定性质的物料，粉碎比是确定破碎机械或粉磨机械的主要依据。破碎级数，是指破碎机串联的台数；多级破碎，是指接连使用几台破碎机的破碎过程。1.概述1.概述1.概述根据图中的粒度特性曲线，可以比较各种矿石的破碎难易程度，检查破碎机的工作情况，比较各种破碎机的破碎效果。这里的“细粒”是针对破碎产物粒度而言的：排料粒度要求大于和等于50mm的粗碎时，“细粒”是指0～13mm；排料粒度要求小于50mm的中碎和细碎，“细粒”是指0～0.5mm。1）矿石粒度的影响2）破碎粒度与破碎效率及能耗3）选择性破碎物料破碎过程随破碎粒度的变细，效率下降，能耗大幅度上升，被破碎颗粒粒度愈细，其抗破碎的能力愈强。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，愈易破碎。而粒度愈细则机械强度愈好，愈难破碎。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，这种现象称选择性破碎。5、破碎产品的细度与性能1.概述4）破碎过程中细粒物料的凝聚现象物料细磨时，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。胶体分散体系是指分散相大小在1μm到lnm之间的分散体系，具有明显的布朗运动现象。6）随颗粒粒度变细，表面化学力增强，料浆的粘度增加，料浆的流动性及粒子的分散性变差。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。5）微细颗粒布朗运动的影响1.概述6、常用的破碎工艺流程建材行业有两种破碎系统。（1）开路破碎系统（2）闭路破碎系统1.概述（1）开路破碎系统开路破碎系统：一般是带有准备筛分作业，破碎产品不检查。准备筛分原矿破碎1.概述（2）闭路破碎系统闭路破碎系统：一般是带有检查筛分。检查筛分破碎原矿1.概述目前，我国水泥厂的石灰石一般采用开路流程，有时在中碎入料溜槽处加倾斜的固定格筛，起预先筛分、减轻堵塞与磨损、提高产量等作用。一般用相对易碎指数来表示物料的易碎性。它是以标准物料单位产量的电耗为基准做相对比较而得出来的。某一物料的易碎系数Km是指采用同一台粉碎机，同一物料尺寸变化条件下，粉碎标准物料的电耗Eb(J/t)与粉碎风干状态下该物料的单位电耗E之比，即Km=Eb/E水泥工业中，一般选用中等易碎性的回转窑水泥熟料作为标准物料，标准物料的易碎系数取1，若被测物料的相对易碎系数大于1，则说明其易碎性好，比标准物料容易破碎。7、破碎效果评定方法已知某一种粉碎机粉碎某一种物料的生产能力Q，利用易碎系数，就可以求出这台粉碎机在粉碎另一种物料的生产能力Q1，即与易碎指数成正比。Q1/Q=Km1/Km1.2破碎及粉碎理论破碎及粉碎理论是研究物料在破碎过程中能量消耗与哪些因素有关，并确定外力破碎物料时所做的功的学说，也叫破碎的功耗学说。在工矿企业中，40％～60％的动力消耗是在破碎和磨碎作业中，这必然引起人们的关注。破碎物料块所消耗的功，一部分使被破碎的物料变形，并以热的形式散失于周围空间；另一部分则用于形成新表面，变成固体的自由表面能。破碎过程的能量消耗与很多因素有关，如矿石的物理机械性质、矿石的形状、尺寸和湿度，还有破碎方法等。现有的破碎理论都没有完整地解释物料被破碎的实质，均有一定的局限性。目前，公认的破碎及粉碎理论有以下几种理论和假说。1、面积假说破碎理论的面积假说是由德国学者P．R．雷廷格（P．R．Rittinger）于1867年提出的。雷廷格认为：破碎过程是以减小物料颗粒尺寸为目的的，破碎过程将使物料的表面积不断增加。为此，物料破碎时，外力所做的功用于产生新表面，即破碎功耗与破碎过程中物料新生成表面的面积成正比，或破碎过程所消耗的功dA1与物料的新生表面积增量dS成正比。即：dA1＝K1dS(1-1-5)式中K1—比例系数。1.2破碎及粉碎理论假设物料块的形状为立方体，边长为D，如顺着一个面把它破碎开，则新生成表面的面积为S=D2，式（1-1-5）可写为；dA1＝K1dS=K1dD2＝2K1DdD破碎Q立方米物料时所作的单元功为：设原矿和破碎产物的平均直径为Dpj和dpj。将式（1-1-6）积分，即得破碎Q立方米物料时所需要的功。1113222QdDdANdAKDdDKQDD1.2破碎及粉碎理论（1-1-6）1.2破碎及粉碎理论由式（1-1-7）可知，当原矿的平均直径Dpj一定时，破碎功与破碎比减1之值成正比；如原矿的平均直径不同而破碎比相同，则破碎功与原矿的平均直径成反比。实践证明，当破碎比一定时，原矿粒度越小，破碎所需的能量越大。面积假说只能近似地计算破碎比很大时的破碎总功耗，也就是只能近似地用在磨矿机的磨矿中，因为它只考虑了生成新表面所需的功。11121112pjpjDdpjpjpjdDiAKQKQKQDdDD()（1-1-7）式中—i为破碎比。1.2