1基本概念、粉碎功耗、粉碎方法和设备分类

材料机械与设备材料科学与工程专业主讲：谢玉芬材料科学与工程学院第六章粉体的机械制备6.1基本概念6.1.1粉碎与粉碎比粉碎：是固体物料在外力作用下，克服内聚力，使之颗粒尺寸减小，表面积增加的过程。（定义）粉碎是一种使大块物料变成小块物料甚至粉末，并产生新表面的过程。它可分为两个阶段，将大块物料碎裂成小块称破碎；将小块物料碎裂为细粉末状物料的加工过程称粉磨。相应的机械分别称为破碎机械和粉磨机械。粗碎物料破碎到100mm破碎中碎物料破碎到30mm细碎物料破碎到3mm粉碎粗磨物料粉磨到0.1mm粉磨细磨物料粉磨到60μm超细磨物料粉磨到≤5μm（小至亚微米）粉碎度（粉碎比）粉碎前物料的尺寸D与粉碎后物料尺寸d的比值为粉碎度（破碎比）i=D/d上式系指平均粉碎度，破碎机的公称粉碎比i公=最大进料口宽度/最大出料口宽度破碎机i=3～30，粉磨机i=500～1000机械工作的基本技术经济指标，粉碎设备性能的评价指标之一。6.1.2粉碎级数与粉碎流程多级粉碎：几台粉碎机串联起来的粉碎过程。粉碎级数：串联粉碎机的台数。总粉碎比：原料粒度与最终产品的粒度之比。总粉碎比与各级粉碎比的关系如下：i0=i1•i2•i3•i4•…in=D/dn例题1.(p81)粉碎流程（p82图6.1）简单的粉碎流程（a)开路流程带预筛分的粉碎流程(b)带检查筛分的粉碎流程(c)闭路流程带预筛分和检查筛分的粉碎流程(d)开闭路的区别在于粉碎后的粗物料是否再回到粉碎机循环负荷率：粗颗粒回料质量与该级破碎（或粉磨）产品质量之比。筛分效率（或选粉效率）：检查筛分（或选粉设备）分选出的合格物料质量与进该设备的合格物料总质量之比。6.1.3.强度强度：指材料对外力的抵抗能力，通常以材料破坏时单位面积上所受的力表示。按受力破坏方式不同可分为：压缩、拉伸、弯曲和剪切强度等。理想强度：材料结构非常均匀，没有缺陷时的强度。此时，原子或分子间的引力源于原子或分子间的化学建。而斥力源于原子核间的排斥力。引力和斥力的作用使原子或分子处于平衡位置，理想强度就是破坏这一平衡所需的能量。σth=(γE/α)1/2γ-表面能；E-材料弹性模量；α（R0）-晶格常数（引力和斥力相等时原子或分子间的距离）材料分子或原子间作用力与分子或原子间距离的关系实际强度：由于实际材料不可避免的存在缺陷，从而使材料在受力尚未达到理想强度前，这些缺陷的薄弱位置已经达到其极限强度，材料已经发生破坏。实际强度≈（10-3～10-2）×理想强度（p83表6.1一些材料的理想强度和实测强度）材料的实测强度大小与测定条件有关，如试样的尺寸、加载速度及测定时的介质环境等。6.1.4.硬度表示材料抵抗其他物体刻划或压入其表面的能力，（固体表面产生局部变形所需的能量）。这一能量与材料内部化学键强度以及配位数等有关。无机材料一般以莫氏硬度表示，硬度值越大意味着硬度越高。（P84表6.2典型矿物的莫氏硬度值）硬度可作为材料耐磨性的间接评价指标，即硬度值越大者，通常耐磨性也越好。6.1.5.易碎性物料粉碎的难易程度。与材料的强度、硬度、密度、结构、水分、表面情况及形状等有关。易碎性通常用易碎性系数表示，又称相对易碎系数。Km=Eb/E式中Eb-粉碎标准物料单位电耗，J/t；E-粉碎风干状态下该物料的单位电耗，J/t。物料易碎系数愈大，愈易粉碎。已知某一粉碎机在粉碎某一物料的生产能力Q，利用易碎系数，可求出这台粉碎机在粉碎另一物料时的生产能力Q1，即Q1/Q=Km1/KmWi越小，物料的易碎性越好6.2粉碎功耗理论6.2.1经典粉碎功耗理论1)Lewis公式：粒径减小所耗能量与粒径的n次方成反比。dE=－CdD/Dn（6.7）式中：E为粉碎功耗；D为物料的粒径；C、n为常数。缺陷：随着粉碎过程进行，物料粒度不断减小，其宏观缺陷也减小，强度增大，因而减小同样的粒度所需的能量是要增加的。即粗粉碎和细粉碎阶段的比功耗是不同的。2)雷廷智（RittingerP.R.）表面积理论dE=CRdSE=CR(1/D2-1/D1)式中：S为物料表面积；E为粉碎功耗；D1、D2分别为物料粉碎前后的平均粒径；CR为常数该学说比较适合粉磨过程。3)基尔比切夫和基克（F.Kick）体积理论此学说认为物体受外力后必然在内部引起应力，随外力增加，物体的应力及变形亦随之增大。由于物料的体积变形，导致了物料的粉碎。因而，粉碎物料所作的功与物料的体积成正比。E=CK(lg1/D2-lg1/D1)系数CK与物料的机械性能有关。该学说比较适合粗碎作业。4)邦德(Bond)·裂纹理论邦德认为，粉碎物料时，外力作用的功首先使物体发生变形，当局部变形超过临界点时即生成裂纹，裂纹形成之后，储在物体内的形变能使裂纹扩展并生成断面。输入功的一部分转化为新生表面的表面能，其余部分转变成热损失。E=CB{(D2)1/2-(D1)1/2）}CB的大小与物料性质与使用的粉碎机类型有关，D1、D2为粉碎前后80％的物料所能通过的筛孔尺寸。表面积学说、体积学说和裂纹学说可以看成是Lewis式中常数n=1、2和1.5时积分所得。可以认为是对Lewis式的具体修正，从不同角度解释了粉碎现象的某些方面，它们各自代表粉碎过程的一个阶段－－弹性变形（Kick）、开裂及裂纹扩展（Bond）和形成新表面（Ritttinger）。所以粗碎时，体积学说比较适合，细碎（粉磨）时表面积学说比较适合，裂纹学说比较适合介于两者之间的情况。三者之间互相补充。6.2.2新近粉碎功耗理论1)田中达夫粉碎理论由于颗粒形状、表面粗糙度等因素的影响，经典理论各式中的平均粒径或代表性粒径很难精确测定。而比表面积测定技术的发展使得用其表示粒度平均情况来的更加精确。田中达夫提出：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。dS/dS=K(S∞-S)式中：S∞为极限比表面积，与粉碎设备、工艺及物料性质有关。S为瞬时比表面积；K为常数。物料越细时，单位能量所能产生的新表面积越小，即越难粉碎。将上式积分，当SS∞时，可得S=S∞(1-e-KE)。相当于Lewis式中n2情形，适用于微细或超细粉碎。2)Hiorns公式假定粉碎过程复合Ritttinger定律及粉碎产品粒度符合RRB分布的基础上，设固体颗粒间的摩擦力为k,导出功耗公式E=CR(1/D2-1/D1)/(1-k)K值越大，粉碎能耗越大。由于粉碎的结果是增加固体的表面积，则将固体比表面能σ与新生表面积相乘可得粉碎功耗计算式：E=σ(S2-S1)/(1-k)Rosin-Rammler–Bennet(简记为RRB)模型常见的RRB分布模型存在两种形式,一种是RRB分布方程的原型,其具体表达式见公式(1);另一种是为便于数据处理而实行了线性变换的“lnln－ln”形式,见公式(2)。RRB模型可以获得用以表征粉体粒度分布特征的特征粒径(De)和均匀性系数(n)这两个重要参数。利用De和n可以方便地研究和分析粉体粒度分布对材料性能的影响3)Rebinder公式在粉碎过程中，固体粒度变化的同时还伴随着有其晶体结构及表面物理化学性质等的变化。所以Rebinder等在将基克定律和田中定律相结合的基础上，考虑增加表面能σ、转化为热能的弹性能的储存及固体表面某些机械化学性能的变化，提出如下功耗公式（p87)：ηmE=αlnS/S0+[α+(β+σ)S∞]•ln(S∞+S0)/(S∞+S)式中：ηm为粉碎机械效率；α与弹性有关的系数；β为与固体表面物理化学性质相关的常数；S0为粉碎前的初始比表面积；其余符号同上。6.2.3粉碎极限粉碎设备的发展方向和研究的前沿是制备纳米颗粒材料和超细粉体材料。超细粉：通常指粒径在1μm以下的微粉，介于宏观物体与微观粒子之间。除兼具宏观物体和微观粒子的一些固有性质之外，还具有自身的特殊性能，如表面效应和体积效应。（添加粉碎助剂或用不同的粉碎介质可制备）细磨过程中，粉碎能同颗粒比表面积的增加直接相联系。（图6.4石英粉碎过程中的比表面积随粉碎时间的变化曲线。）从图6.4可以得出结论：粉碎粒度存在极限。由《粉体工程》所学的微观机械力化学基本理论可知：粉碎特别是超细粉碎已并非一简单的粗粒变细粒的过程，而是一个粉碎与团聚的复杂过程。一方面，机械力作用导致物料颗粒变小，比表面积增大；另一方面，机械作用也促进物料颗粒的聚结，从而增大表观粒度，减小比表面积。因此，可以认为，超细粉碎是一个粉碎与团聚的可逆过程，当这两种过程速度相等时，便达到粉碎平衡，颗粒的尺寸达到极限值。6.3粉碎方法和粉碎设备分类6.3.1粉碎方法常用的有四种：（p89图6.6）a.挤压法（料加两面间，增加粉碎）6-6a；b.冲击法（物料受瞬间冲击力作用）6-6b；c.研磨、磨削法（两面运动）6-6c；d.劈裂法（料受尖劈楔入）6-6d。6.3.2粉碎设备的分类可分为破碎机和粉磨机两类1）破碎机的类型（p90图6.7）颚式破碎机圆锥式破碎机锤式破碎机反击式破碎机轮碾机辊式破碎机及辊压机等2）粉磨机的类型（p91图6.8）球磨机辊磨机锤击磨振动磨气流磨等也可按受力方式不同，分为：1）以挤压粉碎为主；（颚式破碎机、圆锥式破碎机）2）以冲击粉碎为主；（锤式破碎机、反击式破碎机锤击磨）3）以挤压兼研磨为主；（轮碾机、辊磨机）4）以碰击兼研磨为主；（球磨机、振动磨、自磨机）6.3.3粉碎技术发展动态发展趋势：a)设备日趋大型化，以简化设备和工艺流程b)采用预烘干（或预破碎）形式组成烘干（破碎）粉磨联合机组。c)粉磨机与新型高效分离设备和输送设备相匹配，组成各种新型干法闭路粉磨系统，以提高粉磨效率，增加粉磨功的有效利用率。d)采用电子定量喂料系统，保证入磨料的稳定。e)降低粉磨能耗及尽量降低磨损件的磨耗。国内外差别：1）发达国家，微米级超细粉碎设备已渡过了其发明时期，而进入成熟、配套、完善阶段，设备研究朝亚微米级超细粉碎和微米级精密分级的方向发展。2）国内在追赶先进的研究中，在有些设备性能上已经接近国外同类设备的水平。但是仍然存在一些问题：①已经研制出的各种型号规格的超细粉碎设备中，有些在结构设计，材质及加工精度等方面，与国外先进设备相比还有一定差距。②产品深加工档次低、系列少。对用户的需求针对性差。③缺少高效的超细分级设备与粉碎设备配套。同学们，让我们认真学习基础知识，努力探索，为我国的科学技术赶超国外先进贡献一份力量吧！谢谢大家！