基本概念粉碎功耗粉碎方法和設(shè)備分類

1、 材料機械與設(shè)備 材料科學(xué)與工程專業(yè)材料科學(xué)與工程專業(yè)主講：謝玉芬主講：謝玉芬材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院第六章第六章 粉體的機械制備粉體的機械制備6.1 6.1 基本概念基本概念6.1.1 6.1.1 粉碎與粉碎比粉碎與粉碎比 粉碎：粉碎：是固體物料在是固體物料在外力作用外力作用下，克服內(nèi)聚下，克服內(nèi)聚力，使之顆粒尺寸減小，表面積增加的過程。力，使之顆粒尺寸減小，表面積增加的過程。（定義）（定義） 粉碎是一種使大塊物料變成小塊物料甚至粉粉碎是一種使大塊物料變成小塊物料甚至粉末，并產(chǎn)生新表面的過程。它可分為兩個階段，末，并產(chǎn)生新表面的過程。它可分為兩個階段，將大塊物料碎裂成小塊稱將大塊

2、物料碎裂成小塊稱破碎破碎；將小塊物料碎裂；將小塊物料碎裂為細粉末狀物料的加工過程稱為細粉末狀物料的加工過程稱粉磨粉磨。相應(yīng)的機械。相應(yīng)的機械分別稱為破碎機械和粉磨機械。分別稱為破碎機械和粉磨機械。 粗碎粗碎 物料破碎到物料破碎到100mm 破碎破碎 中碎中碎 物料破碎到物料破碎到30mm 細碎細碎 物料破碎到物料破碎到3mm 粉碎粉碎 粗磨粗磨 物料粉磨到物料粉磨到0.1mm 粉磨粉磨 細磨細磨 物料粉磨到物料粉磨到60m 超細磨超細磨 物料粉磨到物料粉磨到 5m （小至亞微米）（小至亞微米） 粉碎度（粉碎比）粉碎度（粉碎比） 粉碎前物料的尺寸粉碎前物料的尺寸D與粉碎后物料尺寸與粉碎后物料尺寸

3、d的比值的比值為粉碎度（破碎比）為粉碎度（破碎比） i= D/d 上式系指平均粉碎度，上式系指平均粉碎度， 破碎機的公稱粉碎比破碎機的公稱粉碎比 i公公=最大進料口寬度最大進料口寬度/最大出料口寬度最大出料口寬度 破碎機破碎機i=330，粉磨機，粉磨機i=5001000 機械工作的基本技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，粉碎設(shè)備性能的機械工作的基本技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，粉碎設(shè)備性能的評價指標(biāo)之一。評價指標(biāo)之一。6.1.2 6.1.2 粉碎級數(shù)與粉碎流程粉碎級數(shù)與粉碎流程多級粉碎：幾臺粉碎機串聯(lián)起來的粉碎過程。多級粉碎：幾臺粉碎機串聯(lián)起來的粉碎過程。粉碎級數(shù)：串聯(lián)粉碎機的臺數(shù)。粉碎級數(shù)：串聯(lián)粉碎機的臺數(shù)?？偡鬯楸龋涸狭６扰c

4、最終產(chǎn)品的粒度之比?？偡鬯楸龋涸狭６扰c最終產(chǎn)品的粒度之比。 總粉碎比與各級粉碎比的關(guān)系如下：總粉碎比與各級粉碎比的關(guān)系如下：i0=i1i2i3i4in=D/dn例題例題1.(p81)1.(p81)粉碎流程（粉碎流程（p82 p82 圖圖6.16.1） 簡單的粉碎流程（簡單的粉碎流程（a)a) 開路流程開路流程 帶預(yù)篩分的粉碎流程帶預(yù)篩分的粉碎流程(b)(b) 帶檢查篩分的粉碎流程帶檢查篩分的粉碎流程(c)(c) 閉路流程閉路流程 帶預(yù)篩分和檢查篩分的粉碎流程帶預(yù)篩分和檢查篩分的粉碎流程(d)(d)開閉路的區(qū)別在于粉碎后的粗物料是否再回到粉碎機開閉路的區(qū)別在于粉碎后的粗物料是否再回到粉碎機循環(huán)

5、負荷率循環(huán)負荷率： 粗顆?；亓腺|(zhì)量與該級破碎（或粉磨）產(chǎn)品粗顆粒回料質(zhì)量與該級破碎（或粉磨）產(chǎn)品質(zhì)量之比。質(zhì)量之比。篩分效率（或選粉效率）：篩分效率（或選粉效率）： 檢查篩分（或選粉設(shè)備）分選出的合格物料檢查篩分（或選粉設(shè)備）分選出的合格物料質(zhì)量與進該設(shè)備的合格物料總質(zhì)量之比。質(zhì)量與進該設(shè)備的合格物料總質(zhì)量之比。6.1.3.6.1.3.強度強度強度：強度： 指材料對外力的抵抗能力，通常以材料破壞時單位指材料對外力的抵抗能力，通常以材料破壞時單位面積上所受的力表示。按受力破壞方式不同可分為：壓縮、面積上所受的力表示。按受力破壞方式不同可分為：壓縮、拉伸、彎曲和剪切強度等。拉伸、彎曲和剪切強度等。

6、理想強度：理想強度：材料結(jié)構(gòu)非常均勻，沒有缺陷時的強度。此時，材料結(jié)構(gòu)非常均勻，沒有缺陷時的強度。此時，原子或分子間的引力源于原子或分子間的化學(xué)建。而斥力原子或分子間的引力源于原子或分子間的化學(xué)建。而斥力源于原子核間的排斥力。引力和斥力的作用使原子或分子源于原子核間的排斥力。引力和斥力的作用使原子或分子處于平衡位置，理想強度就是破壞這一平衡所需的能量。處于平衡位置，理想強度就是破壞這一平衡所需的能量。th=(E/)1/2-表面能；表面能；E-材料彈性模量；材料彈性模量；（R0）-晶格常數(shù)（晶格常數(shù)（引力和斥引力和斥力相等時原子或分子間的距離）力相等時原子或分子間的距離） 材料分子或原子間作用力

7、與分子或原子間距離的關(guān)系材料分子或原子間作用力與分子或原子間距離的關(guān)系 實際強度：實際強度：由于實際材料不可避免的存在缺陷，從由于實際材料不可避免的存在缺陷，從而使材料在受力尚未達到理想強度前，這些缺陷而使材料在受力尚未達到理想強度前，這些缺陷的薄弱位置已經(jīng)達到其極限強度，材料已經(jīng)發(fā)生的薄弱位置已經(jīng)達到其極限強度，材料已經(jīng)發(fā)生破壞。破壞。實際強度實際強度（10-310-2） 理想強度理想強度 （p83 表表6.1一些材料的理想強度和實測強度一些材料的理想強度和實測強度）材料的實測強度大小與測定條件有關(guān)，如試樣的尺材料的實測強度大小與測定條件有關(guān)，如試樣的尺寸、加載速度及測定時的介質(zhì)環(huán)境等。寸、

8、加載速度及測定時的介質(zhì)環(huán)境等。6.1.6.1.4.4.硬度硬度 表示材料抵抗其他物體刻劃或壓入其表面的能力，表示材料抵抗其他物體刻劃或壓入其表面的能力，（固體表面產(chǎn)生局部變形所需的能量）。這一能量與（固體表面產(chǎn)生局部變形所需的能量）。這一能量與材料內(nèi)部化學(xué)鍵強度以及配位數(shù)等有關(guān)。材料內(nèi)部化學(xué)鍵強度以及配位數(shù)等有關(guān)。 無機材料一般以莫氏硬度表示，硬度值越大意味無機材料一般以莫氏硬度表示，硬度值越大意味著硬度越高。著硬度越高。 （P84 P84 表表6.26.2典型礦物的莫氏硬度值典型礦物的莫氏硬度值） 硬度可作為材料耐磨性的間接評價指標(biāo)，即硬度硬度可作為材料耐磨性的間接評價指標(biāo)，即硬度值越大者，

9、通常耐磨性也越好。值越大者，通常耐磨性也越好。6.1.5.易碎性易碎性 物料粉碎的難易程度。與材料的強度、硬度、密度、結(jié)構(gòu)、水物料粉碎的難易程度。與材料的強度、硬度、密度、結(jié)構(gòu)、水分、表面情況及形狀等有關(guān)。分、表面情況及形狀等有關(guān)。 易碎性通常用易碎性系數(shù)表示，又稱相對易碎系數(shù)。易碎性通常用易碎性系數(shù)表示，又稱相對易碎系數(shù)。 Km=Eb/E 式中式中 Eb-粉碎標(biāo)準(zhǔn)物料單位電耗，粉碎標(biāo)準(zhǔn)物料單位電耗， J/t ；E-粉碎風(fēng)干狀態(tài)下該物粉碎風(fēng)干狀態(tài)下該物料的單位電耗，料的單位電耗，J/t。物料易碎系數(shù)愈大，愈易粉碎。物料易碎系數(shù)愈大，愈易粉碎。 已知某一粉碎機在粉碎某一物料的生產(chǎn)能力已知某一粉碎

10、機在粉碎某一物料的生產(chǎn)能力Q，利用易碎系數(shù)，利用易碎系數(shù)，可求出這臺粉碎機在粉碎另一物料時的生產(chǎn)能力可求出這臺粉碎機在粉碎另一物料時的生產(chǎn)能力Q1，即，即Q1/Q=Km1/KmWi越小，物料的易碎性越好越小，物料的易碎性越好6.2 6.2 粉碎功耗理論粉碎功耗理論6.2.1 經(jīng)典粉碎功耗理論經(jīng)典粉碎功耗理論 1) Lewis公式公式 ：粒徑減小所耗能量與粒徑的粒徑減小所耗能量與粒徑的n次方成反比。次方成反比。 dE= C dD/Dn （6.7）式中：式中： E 為粉碎功耗；為粉碎功耗；D為物料的粒徑；為物料的粒徑；C、n為常數(shù)。為常數(shù)。 缺陷缺陷：隨著粉碎過程進行，物料粒度不斷減小，其宏觀缺陷

11、也減小，強度增大，因：隨著粉碎過程進行，物料粒度不斷減小，其宏觀缺陷也減小，強度增大，因而而減小同樣的粒度所需的能量是要增加的。即減小同樣的粒度所需的能量是要增加的。即 粗粉碎和細粉碎階段的比功耗是不同粗粉碎和細粉碎階段的比功耗是不同的。的。 2) 雷廷智（雷廷智（Rittinger P.R.Rittinger P.R.）表面積理論）表面積理論 dE=CRdS E= CR (1/D2-1/D1)式中：式中：S為物料表面積；為物料表面積； E 為粉碎功耗；為粉碎功耗；D1、D2分別為物料粉碎前后的平均粒徑；分別為物料粉碎前后的平均粒徑；CR為常數(shù)為常數(shù) 該學(xué)說比較適合粉磨過程。該學(xué)說比較適合粉磨

12、過程。 3) 基爾比切夫和基克（基爾比切夫和基克（F. Kick）體積理論）體積理論 此學(xué)說認為物體受外力后必然在內(nèi)部引起應(yīng)力，隨外力增加，此學(xué)說認為物體受外力后必然在內(nèi)部引起應(yīng)力，隨外力增加，物體的應(yīng)力及變形亦隨之增大。由于物料的體積變形，導(dǎo)致了物物體的應(yīng)力及變形亦隨之增大。由于物料的體積變形，導(dǎo)致了物料的粉碎。因而，粉碎物料所作的功與物料的體積成正比。料的粉碎。因而，粉碎物料所作的功與物料的體積成正比。 E=CK(lg1/D2-lg1/D1) 系數(shù)系數(shù)CK與物料的機械性能有關(guān)。與物料的機械性能有關(guān)。該學(xué)說比較適合粗碎作業(yè)。該學(xué)說比較適合粗碎作業(yè)。 4) 邦德邦德(Bond)裂紋理論裂紋理論

13、 邦德認為，粉碎物料時，外力作用的功首先使物體發(fā)生變形，邦德認為，粉碎物料時，外力作用的功首先使物體發(fā)生變形，當(dāng)局部變形超過臨界點時即生成裂紋，裂紋形成之后，儲在物體當(dāng)局部變形超過臨界點時即生成裂紋，裂紋形成之后，儲在物體內(nèi)的形變能使裂紋擴展并生成斷面。輸入功的一部分轉(zhuǎn)化為新生內(nèi)的形變能使裂紋擴展并生成斷面。輸入功的一部分轉(zhuǎn)化為新生表面的表面能，其余部分轉(zhuǎn)變成熱損失表面的表面能，其余部分轉(zhuǎn)變成熱損失。 E=CB(D2)1/2 -(D1)1/2）C CB B的大小與物料性質(zhì)與使用的粉碎機類型有關(guān)，的大小與物料性質(zhì)與使用的粉碎機類型有關(guān)，D D1 1、D D2 2為粉碎前后為粉碎前后8080的物料

14、所能通過的篩孔尺寸。的物料所能通過的篩孔尺寸。 表面積學(xué)說、體積學(xué)說和裂紋學(xué)說可以看成是表面積學(xué)說、體積學(xué)說和裂紋學(xué)說可以看成是Lewis式中常數(shù)式中常數(shù)n=1、2和和1.5時積分所得。可以認為是時積分所得。可以認為是對對Lewis式的具體修正，從不同角度解釋了粉碎現(xiàn)象的式的具體修正，從不同角度解釋了粉碎現(xiàn)象的某些方面，它們各自代表粉碎過程的一個階段彈某些方面，它們各自代表粉碎過程的一個階段彈性變形（性變形（Kick）、開裂及裂紋擴展（）、開裂及裂紋擴展（Bond）和形成新）和形成新表面（表面（Ritttinger）。）。 所以粗碎時，體積學(xué)說比較適合，細碎（粉磨）時所以粗碎時，體積學(xué)說比較適

15、合，細碎（粉磨）時表面積學(xué)說比較適合，裂紋學(xué)說比較適合介于兩者之表面積學(xué)說比較適合，裂紋學(xué)說比較適合介于兩者之間的情況。三者之間互相補充。間的情況。三者之間互相補充。6.2.2 新近粉碎功耗理論新近粉碎功耗理論1)田中達夫粉碎理論田中達夫粉碎理論 由于顆粒形狀、表面粗糙度等因素的影響，經(jīng)典理由于顆粒形狀、表面粗糙度等因素的影響，經(jīng)典理論各式中的平均粒徑或代表性粒徑很難精確測定。而論各式中的平均粒徑或代表性粒徑很難精確測定。而比比表面積測定技術(shù)表面積測定技術(shù)的發(fā)展使得用其表示粒度平均情況來的的發(fā)展使得用其表示粒度平均情況來的更加精確。田中達夫提出：更加精確。田中達夫提出：比表面積增量對功耗增量的

16、比表面積增量對功耗增量的比與極限比表面積和瞬時比表面積的差成正比比與極限比表面積和瞬時比表面積的差成正比。 dS/dS=K(S-S) 式中：式中：S為極限比表面積，與粉碎設(shè)備、工藝及物料性質(zhì)有關(guān)為極限比表面積，與粉碎設(shè)備、工藝及物料性質(zhì)有關(guān)。S 為瞬時比表面積；為瞬時比表面積；K為常數(shù)為常數(shù)。 物料越細時，單位能量所能產(chǎn)生的新表面積越小，即越難物料越細時，單位能量所能產(chǎn)生的新表面積越小，即越難粉碎。將上式積分，當(dāng)粉碎。將上式積分，當(dāng)S2情形，適用于微細或超細粉碎。情形，適用于微細或超細粉碎。2) Hiorns公式公式 假定粉碎過程復(fù)合假定粉碎過程復(fù)合Ritttinger定律及粉碎產(chǎn)品粒度符合定

17、律及粉碎產(chǎn)品粒度符合RRB分布的基礎(chǔ)上，設(shè)固體顆粒間的摩擦力為分布的基礎(chǔ)上，設(shè)固體顆粒間的摩擦力為k,導(dǎo)出功導(dǎo)出功耗公式耗公式E=CR(1/D2-1/D1)/(1-k) K值越大，粉碎能耗越大。由于粉碎的結(jié)果是增加值越大，粉碎能耗越大。由于粉碎的結(jié)果是增加固體的表面積，則將固體比表面能固體的表面積，則將固體比表面能與新生表面積相乘與新生表面積相乘可得粉碎功耗計算式：可得粉碎功耗計算式：E= (S2-S1)/(1-k)Rosin- Rammler Bennet( 簡記為簡記為RRB) 模型模型 常見的常見的RRB 分布模型存在兩種形式分布模型存在兩種形式, 一種是一種是RRB 分布方程分布方程的

18、原型的原型, 其具體表達式見公式其具體表達式見公式( 1) ; 另一種是為便于數(shù)據(jù)處理而實另一種是為便于數(shù)據(jù)處理而實行了線性變換的行了線性變換的“l(fā)nlnln”形式形式, 見公式見公式( 2)。 RRB模型可以獲得用以表征粉體粒度分布特征的特征粒徑模型可以獲得用以表征粉體粒度分布特征的特征粒徑(De) 和均勻性系數(shù)和均勻性系數(shù)( n) 這兩個重要參數(shù)。利用這兩個重要參數(shù)。利用De 和和n 可以方便可以方便地研究和分析粉體粒度分布對材料性能的影響地研究和分析粉體粒度分布對材料性能的影響3)Rebinder公式公式 在粉碎過程中，固體粒度變化的同時還伴隨著有其在粉碎過程中，固體粒度變化的同時還伴隨

19、著有其晶體結(jié)構(gòu)及表面物理化學(xué)性質(zhì)等的變化。所以晶體結(jié)構(gòu)及表面物理化學(xué)性質(zhì)等的變化。所以Rebinder等等在將在將基克定律和田中定律基克定律和田中定律相結(jié)合的基礎(chǔ)上，考慮增加表面相結(jié)合的基礎(chǔ)上，考慮增加表面能能、轉(zhuǎn)化為熱能的彈性能的儲存及固體表面某些機械化、轉(zhuǎn)化為熱能的彈性能的儲存及固體表面某些機械化學(xué)性能的變化，提出如下功耗公式學(xué)性能的變化，提出如下功耗公式（p87)： mE=lnS/S0+(+)Sln(S+S0)/ (S+S) 式中式中：m為粉碎機械效率；為粉碎機械效率； 與彈性有關(guān)的系數(shù)；與彈性有關(guān)的系數(shù)； 為與固體表面為與固體表面物理化學(xué)性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)；物理化學(xué)性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)； S0為

20、粉碎前的初始比表面積；其余符號為粉碎前的初始比表面積；其余符號同上。同上。 6.2.3 粉碎極限粉碎極限 粉碎設(shè)備的發(fā)展方向和研究的前沿是制備納米顆粒粉碎設(shè)備的發(fā)展方向和研究的前沿是制備納米顆粒材料和超細粉體材料。材料和超細粉體材料。 超細粉：通常指超細粉：通常指粒徑在粒徑在1m以下的微粉以下的微粉，介于宏觀，介于宏觀物體與微觀粒子之間。除兼具宏觀物體和微觀粒子的一物體與微觀粒子之間。除兼具宏觀物體和微觀粒子的一些固有性質(zhì)之外，還具有自身的特殊性能，如表面效應(yīng)些固有性質(zhì)之外，還具有自身的特殊性能，如表面效應(yīng)和體積效應(yīng)。和體積效應(yīng)。（添加粉碎助劑或用不同的粉碎介質(zhì)可制備）（添加粉碎助劑或用不同的

21、粉碎介質(zhì)可制備） 細磨過程中，粉碎能同顆粒比表面積的增加直接相聯(lián)細磨過程中，粉碎能同顆粒比表面積的增加直接相聯(lián)系系。（圖。（圖6.4石英粉碎過程中的比表面積隨粉碎時間的石英粉碎過程中的比表面積隨粉碎時間的變化曲線。）變化曲線。）從圖從圖6.4可以得出結(jié)論：可以得出結(jié)論：粉碎粒度存在極粉碎粒度存在極限。限。 由由粉體工程粉體工程所學(xué)的所學(xué)的微觀機械力化學(xué)基本微觀機械力化學(xué)基本理論理論可知：粉碎特別是超細粉碎已并非一簡單的可知：粉碎特別是超細粉碎已并非一簡單的粗粒變細粒的過程，而是一個粉碎與團聚的復(fù)雜粗粒變細粒的過程，而是一個粉碎與團聚的復(fù)雜過程。過程。 一方面，機械力作用導(dǎo)致物料顆粒變小，比一方

22、面，機械力作用導(dǎo)致物料顆粒變小，比表面積增大；表面積增大； 另一方面，機械作用也促進物料顆粒的聚結(jié)，另一方面，機械作用也促進物料顆粒的聚結(jié)，從而增大表觀粒度，減小比表面積。從而增大表觀粒度，減小比表面積。 因此，可以認為，因此，可以認為，超細粉碎是一個粉碎與團超細粉碎是一個粉碎與團聚的可逆過程，聚的可逆過程，當(dāng)這兩種過程速度相等時，便達當(dāng)這兩種過程速度相等時，便達到粉碎平衡，顆粒的尺寸達到極限值。到粉碎平衡，顆粒的尺寸達到極限值。6.3 6.3 粉碎方法和粉碎設(shè)備分類粉碎方法和粉碎設(shè)備分類6.3.1 6.3.1 粉碎方法粉碎方法 常用的有四種：（p89 圖6.6）a.擠壓法 （料加兩面間，增加

23、粉碎） 6-6a；b.沖擊法（物料受瞬間沖擊力作用） 6-6b；c.研磨、磨削法（兩面運動） 6-6c；d.劈裂法 （料受尖劈楔入） 6-6d。6.3.2 6.3.2 粉碎設(shè)備的分類粉碎設(shè)備的分類可分為破碎機和粉磨機兩類可分為破碎機和粉磨機兩類1 1）破碎機的類型）破碎機的類型（p90 p90 圖圖6.76.7） 顎式破碎機顎式破碎機 圓錐式破碎機圓錐式破碎機 錘式破碎機錘式破碎機 反擊式破碎機反擊式破碎機 輪碾機輪碾機 輥式破碎機及輥壓機等輥式破碎機及輥壓機等2 2）粉磨機的類型）粉磨機的類型（p91 p91 圖圖6.86.8） 球磨機球磨機 輥磨機輥磨機 錘擊磨錘擊磨 振動磨振動磨 氣流磨

24、等氣流磨等也可按受力方式不同，分為也可按受力方式不同，分為：1 1）以擠壓粉碎為主；）以擠壓粉碎為主； （顎式破碎機、顎式破碎機、 圓錐式破碎機）圓錐式破碎機）2 2）以沖擊粉碎為主；）以沖擊粉碎為主； （錘式破碎機、反擊式破碎機錘式破碎機、反擊式破碎機 錘擊磨錘擊磨 ）3 3）以擠壓兼研磨為主；）以擠壓兼研磨為主； （輪碾機、輥磨機）（輪碾機、輥磨機）4 4）以碰擊兼研磨為主；）以碰擊兼研磨為主； （球磨機、振動磨、自磨機）（球磨機、振動磨、自磨機）6.3.3 6.3.3 粉碎技術(shù)發(fā)展動態(tài)粉碎技術(shù)發(fā)展動態(tài)發(fā)展趨勢：發(fā)展趨勢：a) a) 設(shè)備日趨大型化，以簡化設(shè)備和工藝流程設(shè)備日趨大型化，以簡化設(shè)備和工藝流程b) b) 采用預(yù)烘