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破碎的物理学原理与工艺流程

时间:2012-07-06返回列表

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20世纪90年代以来,由于高新技术的发展和矿物加工工业的精细化,人们对粉碎工程提出了新的要求。因此,粉碎原理的研究向多学科多领域和交叉学科方向拓展,从而推进粉碎原理不再停留于粉碎物理学和粉碎功耗方面,而且出现了粉碎动力学、粉碎物理化学、粉碎机构学等新的领域,粉碎工艺也出现了多样化。本书就这些方面作一简单介绍。

破碎物理学原理

粉碎物理学是在传统的粉碎原理———岩石的机械力学基础上发展起来的,视野更加开阔,对生产的指导意义更加突出。在传统的粉碎原理中,岩石的机械力学主要考虑两个方面:一是岩矿的物理性质(岩石的结构和构造、孔隙度、含水率和硬度、密度、容重及碎胀性)与其被粉碎的难易程度的关系;二是岩矿在外力作用下,因其性质和载荷大小、速度的不同,发生弹性形变和塑性形变直至粉碎的相关规律。粉碎物理学则大大地扩大了其研究的范围,也更逼近于粉碎的实际过程。主要方面有:单颗粒粉碎与料层粉碎,选择性破碎,粉碎极限等。

1.单颗粒粉碎

单颗粒粉碎是粉碎技术的基础。1920年格里菲思提出了强度理论。在理想情况下,如果施加的外力未超过物体的应变极限,则物体又会恢复原状而未被破碎,但由于固体物料内部存在着许多细微裂纹,将引起应力集中,致使裂纹扩展。这一理论一直统治着固体单颗粒粉碎机理的研究。

舒纳特于20世纪80年代中期,归纳了应力状态与颗粒的关系,如图1-9所示,并指出,有关材料特性可分为两类:第一类是作为反抗粉碎阻力参数,第二类是应力所产生的结果参数。这两类参数不是从熟悉的材料特性(如弹性模数、抗拉强度、硬度等)引导出来的,它们包括有:

图1-9

(1)阻力参数:颗粒强度、断裂能、破碎概率、单面表面的反作用力、被破碎块的组分、磨碎阻力。

(2)结果参数:破裂函数(破碎产物的粒度分布)、表面积的增大、能量效率;材料特性与被粉碎物料结构及载荷条件———物料种类、产地和预处理方法;颗粒强度、形状、颗粒的均匀性;载荷强度、载荷速度、载荷次数、施加载荷的工具形状和硬度、湿度等。 舒纳特等人对此进行了较全面的研究,推进了单颗粒粉碎理论的发展。

2.料层粉碎

料层粉碎有别于单颗粒粉碎。单颗粒粉碎是指粒子受到应力作用及发生粉碎事件是各自独立进行的,即不存在粒子间的相互作用。而料层粉碎是指大量的颗粒相互聚集,彼此接触所形成的粒子群受到应力作用而发生的粉碎现象,即存在粒子间的相互作用。

料层粉碎与单颗粒粉碎物料数量的界限,依据阿齐兹(Aziz)的研究,体积中的固体容积百分率为10%时,则表现为单颗粒粉碎行为,超过45%则为料层粉碎行为,依据舒纳特等人的研究,在容器内进行料层粉碎应消除器壁效应的影响,当物料中比较大颗粒粒径为Dmax,容器直径为D,料层高度为h时,必须满足下列条件:
D/Dmax>10;h/Dmax>6;h/D<1/3
依据李去龙的研究,只有料层厚度大于6时才符合料层粉碎的定律。

3.粉碎极限

随着矿物加工工业向精细化方向发展,对于产品粒度的要求在一些工业部门已达到微粒和超微粒的粒度范围。到底机械粉碎方式能达到多细,近几年一些学者提出了粉碎极限的问题,这也属粉碎物理学的一个新领域。

众所周知,能够独立存在并保持原物质性质(化学性质)的最小微粒是分子。因此,我们能够将某固体物质(如某矿物)分割成的最小颗粒极限粒度是该物质分子的大小。

用机械方法缩小颗粒的粒度,假设达到了粒子粒度的终点,则称之为粉碎的极限粒度。这个极限粒度的大小决定于该矿物的晶体晶格结构和结构阻力。根据计算,石英的粒度大约在10A~10A(0.001um~0.01um)范围以下,按表面积计算,超过了6*106cm2 /cm3~6*103cm7/cm3的范围。高登(Gaudin)的计算,石英的单位晶体的值为0.0005um。这些值,应该说是限定的粉碎相对极限粒度。由于现代粉碎手段的限制,至今人们还不可能获得达到粉碎极限粒度的产品,而只能获得10倍甚至100倍于它的粒度,如1um~0.1um,已是很困难的了。如磨矿,有人将磨矿时间延长到100h以上,所获得的产品细度降低不大,甚至于某些矿物随着磨矿时间的延长,产品粒度反而变粗。

因此,这里存在着一个粉碎实际极限粒度。依据一些学者的研究,其原因在于:

(1)现有的任何一种粉碎设备,由于其性能本身的限制,其破碎(磨碎)比是一定的,因此,要使其超出粉碎实际极限是困难的。

(2)任何现有的粉碎设备,其输入的能量及能量利用率是一定的,而粉碎的效果取决于该设备依次粉碎能量的大小和能量利用率,延长粉碎时间,增加的是累积能量,而累积能量的大小并不是粉碎的决定性因素。

(3)随着颗粒粒度的减小,表面能增大,导致颗粒的聚合力(内聚力或粘着力)增加,从而形成粒度减小与聚合的动力平衡粒度;在粉碎过程中,晶体表面的错位和晶体结构上的明显错位,引起机械化学上的变化,如石英表面形成非晶形膜,方解石变成霞石等;颗粒的破碎阻力增大,一次粉碎所需的粉碎能量显著增大,从而导致粉碎能量的分散。

(4)在批量磨矿中,随着试验的延长,粗细颗粒的比例发生变化,残余粒会阻碍细粒获得足够的粉碎能量,而细粒又会对残余粒产生保护效应。由此可见,要实现超细粉碎使产品尽可能达到粉碎极限粒度,关键在于提高一次粉碎的局部应力,即一次粉碎输入的有效能量,而不在于无限延长磨矿时间。

4.选择性粉碎

岩石的破碎有各种各样的目的,可大致划分成两种:第一种情况只要求将岩石的尺寸减小到一定的尺寸,如获得碎石。这时将块状岩石看成是各向同性同体积的物料,用可以获得的粒度或表面积来划分;第二种情况是选矿和其他许多工艺过程中,要求岩石的一种矿物或多种矿物解离,以便利用物理、化学的方法将不同的矿物颗粒分离出来,这时岩石必然看成是各向异性的,每个相具有自己固有的性质和组成,由此可见,对于每一种目的应该有自己的一套粉碎方法。而实际上恰恰相反,在决定各种粉碎任务时,运用的是相同的破碎和磨碎的方法,并且绝大多数情况下,运用的粉碎方法是建立在无序的粉碎过程的基础上,是在不定强度的载荷联合作用下实现的,导致在不可知的方向上的粉碎,具有相应的粉碎概率。显然,这种无序粉碎,既消耗大量的能量,又易造成过粉碎。用于选矿等广义的准备作业的岩石粉碎,其指导思想是沿分割相表面粉碎,并且用比较低的能耗,这就是选择性粉碎。

从这个概念出发,列夫尼切夫提出了选择性粉碎的两个原则:第一是沿分割相表面粉碎,即粉碎的几何学选择原则;第二是用比较低的能耗,即粉碎的动力学选择原则,并进行了理论计算。

两种矿物的交界面是复杂的。郝木诺夫等人的研究提出,矿石的解离特性取决于构成矿石的各矿物相及相界面的强度。矿物共生界面的作用。不仅能构成结构成一整体的矿石,而且决定着外应力的传递、分配及各组分的离解。矿物间的联结强度取决于包括成矿及继而的变质条件在内的许多因素,这些因素决定了共生界面的结晶学及结晶化学的参数、化学组成及化学键的结构与类型。在成矿及变质过程中,如果有能使原子通过共生界面扩散的条件(温度、用力、时间),则界面可变为过渡区,其强度高于界面的共生矿物或它们之一。

在粉碎时,矿物的解离取决于粉碎方法,即每一个粒子消耗的能量的形式和数量及粒子的选择性机械强度。选择性机械强度表征了在(内或外)应力作用下,其中的组分完全解离时的矿石解离特性。这个数值取决于晶体间强度和穿晶强度的比值。晶体间的强度可以由界面间岩石选择性解离的阻力来获得。穿晶强度由其岩石中任何矿物的选择性解离的阻力来确定。因此,欲选择合理的粉碎方法,以期达到好的解离,必须对矿石中各组成矿物及其界面特性、碎裂的动力学特性等进行综合考虑。

粉碎功耗

一个半世纪以来,粉碎过程的功耗问题始终是粉碎机理的研究重心,它能便于人们认识粉碎过程的输入功与粉碎前后物料潜能变化的关系,为确定物料的可碎性,合理地选择和设计粉碎设备,评价粉碎效率等提供理论基础。

众所周知,功耗理论有三大有名的功耗学说,即雷廷格尔(P.Rittinger)的“面积说”、契尔皮切夫(B.ji,KupnhyeB)和基克(F.Kick)的“体积说”、邦德(F.Bond)和王仁东的“裂缝说”,这三大理论的提出,历经了近百年。这三大理论,各自反应了粉碎过程的某一阶段,都有片面性,但互不矛盾,而是相互补充。对于粗粒物料的粉碎过程,体积说比较实际;对于细粒物料的粉碎,面积说与实际过程较吻合;裂缝说适用于中等粒度的粉碎过程。

这三大理论,各自反应了粉碎过程的某一阶段,都有片面性,但互不矛盾,而是相互补充。对于粗粒物料的粉碎过程,体积说比较实际;对于细粒物料的粉碎,面积说与实际过程较吻合;裂缝说适用于中等粒度的粉碎过程。

粉碎过程的物理化学

传统的观点是将粉碎过程视作一个机械力学过程,而实际上粉碎过程是一个物理过程,如粉碎功耗的三大学说,始终突出了表面能与粉碎功耗的关系。粉碎的物理化学问题属粉碎引起的机械化学反应的一个组成部分。机械化学反应是由机械能诱发的化学反应,是机械运动能与化学能量的交换。

在许多应用领域,如塑料填料、涂料等,不仅对非金属矿粉体产品的粒度、纯度有要求,还对其表面物理化学性质:如白度或亮度、亲水性、疏水性、吸附活性、电性、比表面积等有要求。对于金属矿物,在分选过程中,粉体的表面性质对分选也是至关重要的决定性因素。因此,如能有目的地将粉碎加工与机械激活表面改性和表面包覆结合起来,将简化工艺流程并提高经济效益。

近年来的研究表明,在粉碎过程中引起的物理化学变化,主要有如下四个方面:

(1)有些物质,随着粒径的减小,引起表面能增加。这是由于外力所作的功,增加了粉体表面积,即增加了表面能。

(2)有些物质,随粒径的减小,粉碎面上的表面能下降。对于离子晶体和金属,它的表面结构与其内部结构不同,表面层的阴离子要向外偏移,阳离子则向内偏移。这是因为阴离子的半径大、易分级而形成电偶极子,偶极子的正电荷受邻接于内部的阳离子的排斥作用;相反,阳离子则几乎不分级。因此,无机物的晶体和分子同时受静电力和分级力的作用。

当晶体受单纯的劈裂作用生成新断面时,其表面的结构和性质在很大程度上受到表面离子的性质大小、荷电量和分级性的影响。通常将作用于固体断裂表面的颗粒(离子、原子)上,并朝向空间一侧的凝聚力称为表面力。此时,表面能将随下述过程产生的表面结构的变化而降低如表面离子的分级;表面上分级性大的离子数增加而分级性小的离子数减少;分级性大的离子由表面外移,分级性小的离子内移。

(3)受机械应力与周围环境的影响,引起表面性质的变化。 在空气中,被粉碎的物料颗粒表面形成无定形膜或氧化膜。在湿式磨矿中,情况就比较复杂,如黄铁矿在不同的pH值矿浆中细磨,其表面成分就显著不同:当pH=9时,表面不是硫化矿物表面,而是氢氧化物层;当pH=3时,表面为黄铁矿表面。

(4)在机械力作用下,引起结晶构造的转变。 最典型的代表是黄色氧化铅在球磨机内磨碎时,生成了赤色氧化铅。

目前,粉碎物理化学的研究,除对上述机械化学反应方面的研究外,对于粉碎界则着重于下列三个方面:

(1)物料可碎性的调节。为了突破各种粉碎设备的粉碎实际粒度极限,使产品接近粉碎的相对粒度极限,进一步降低粉碎能耗而开展助磨剂的研究;为了改善后续的加工工艺而开展选择性粉碎的研究等。

(2)粉碎对物料可选性的调节。主要是改善粉碎过程所造成的物理化学环境对矿物表面性质和结构性质的影响,从而有利于分选、分离、浸取、萃取等。

(3)为节约钢耗开展的介质磨损速率的调节研究。

粉碎工艺学

粉碎工艺学的范围较广,本书只就近年来有关节能新工艺的情况,作一简介。节能新工艺的基本原则是“多碎少磨”和“以碎代磨”。从表1-3可以清楚地得知:破碎的能耗低于研磨的能耗,破碎的能量利用率高于研磨的能量利用率。

表1-3

1.为了降低破碎产品的粒度应采取的主要措施

(1)选用合适的破碎腔几何形状和运转参数。进一步改进破碎机的结构;研制以料层粉碎理论为基础的新型破碎机,重点是研制超细破碎机,进行第三段破碎的更新换代。

(2)强化预先筛分,尤其是强化中碎前的预先筛分,推广新三段闭路流程;选择合理的碎矿工艺,在破碎段加入选矿作业,早丢多丢废石和排出尾矿。

(3)调整各段破碎比,充分发挥各破碎段设备的负荷潜力,尤其是适当增大粗、中碎破碎比,减轻第三段破碎机负荷。

2.改进和强化磨碎过程

(1)改进磨矿设备,研制新型高效节能磨机,重点是对磨腔内元件(如衬板、介质)、工作参数和传动系统方面进行改进。

(2)合理使用自磨机和自磨工艺;提高与磨机配套使用的筛分、分级的分级效率,改进分级工艺;研究来源广、高效、廉价和减少污染的助磨剂,人工调节物料的可磨性。

(3)依据断裂力学的理论,采用矿石预损伤手段,增加矿石颗粒中裂纹,改善矿石的可磨性;提高磨矿过程的自动控制水平。

3.破碎的新工艺

常用的破碎工艺主要有一段、两段和三段破碎流程,可以是开路,也可以是闭路。一段破碎流程,一般使用颚式破碎机,为自磨机提供合理组成的矿石。两段破碎流程的构成,近年来有许多改进,出现了多样化的势头。主要工艺流程有:

(1)颚式破碎机一圆锥破碎机:产品细度<1smm。

(2)颚式破碎机一旋盘式破碎机:产品粒度<10mm~12mm。

(3)颚式破碎机一锤式破碎机:产品粒度<12mm。

(4)颚式破碎机一细碎颚式破碎机:产品粒度<15mm。

(5)细碎颚式破碎机一高压辊磨机:产品粒度<5mm。

对于两段破碎流程,目前的趋势是使用颚式破碎机——细碎颚式破碎机,产品较细,生产率较大,能耗较低。但第五种流程更有前途,目前的问题是细碎颚式破碎机开路工作时,产品较粗,闭路时流程复杂因为500mm——120mm高压辊磨机的给料粒度<22mm,与细碎颚式破碎机开路联接尚有些困难。再者细碎颚式破碎机给料粒度有限制,若采矿粒度稍大,就需在前面增加一段普通颚式破碎机。

三段破碎流程的前景是用高压辊磨机代细碎圆锥破碎机,这样才能确保破碎最终粒度小于5mm。目前主要是在中碎前的预先筛分上进行研究,出现了三种新三段闭路流程。

4.磨矿的新工艺

球磨工艺的发展不大,前段时间主要是大型化,用筛分和水力旋流器更替螺旋分级机,采用筛分分级在我国取得了很大进展。水力旋流器使用进展较慢,主要是耐磨材料问题。

高压辊磨机

磨矿工艺流程取得新进展是高压辊磨机配套的磨矿工艺。因为该工艺可降低磨矿能耗20%以上,提高磨机生产能力50%~100%。目前已出现四种类型的工艺流程,即预磨流程、终磨流程、半终磨流程和混合磨流程。

粉碎机理研究的范围和内容,除上述简介的几个方面外,当然还有一个重要的方面,即粉碎机械学。这方面包括粉碎机械的结构、工作原理、结构参数、影响因素等诸方面。