粉體成型工藝

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定義粉體成型是指粒度較細的粉體物料加水潤濕后，借助于外力將其加工成具有一定尺寸和形狀的塊狀物體的過程。2粉體成型2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉2功能

使粉末成為具有一定尺寸和形狀的塊狀物體成型制品具有一定的機械強度，以保證制品在工藝流程中轉(zhuǎn)運和進一步加工時，其尺寸與形狀不會破壞；

賦予制品進一步加工的良好加工性能2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉3

成型是一個中間環(huán)節(jié)，原料的性能不同、制品的用途不同，粉體成型方法也不盡相同。

按照外力施加方式的不同分為：滾動成型、壓力成型

按照潤濕程度不同分為：半干法（物料水分5%左右）可塑法（物料水分15%左右）注漿法（物料水分40%左右）

2.1粉體成型的基本方法2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉4定義

滾動成型屬半干法成型，是將粉狀物料加水潤濕，在不斷滾動的過程中，由機械力和毛細力共同作用而成型，常用于冶金過程的原料預(yù)處理，制品為對尺寸要求不很嚴格的球狀物料。

2.1.1滾動成型

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉5說明：在冶金工業(yè)的球團生產(chǎn)中，滾動成型稱為造球，目的是將粒度為－0.075mm約占80%以上的細磨精礦制成9-15mm的球團礦；燒結(jié)生產(chǎn)中，滾動成型稱為制粒，目的是將0-10mm的粉礦中的細粒物料粘附于粗顆粒上，形成制粒小球，以改善燒結(jié)過程的透氣性。

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滾動成型設(shè)備及工藝原理主要設(shè)備圓盤造球機和圓筒造球機（或制粒機）工藝原理相同點：造球機旋轉(zhuǎn)時，物料靠造球機內(nèi)壁摩擦而上升運動至一定高度，然后物料靠重力而向下滾動，當(dāng)物料滾動到造球機下部時，又靠造球機內(nèi)壁摩擦而上升運動，如此循環(huán)往復(fù)，由于水分的作用，物料在滾動過程中互相粘附成型。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉7不同點：圓盤具有自動分級的特點，成型生球粒度較均勻。圓筒卸出的生球粒度差別大，作為造球設(shè)備，生球必須經(jīng)過篩分，不合格生球返回圓筒造球機；作為制粒設(shè)備，卸出的制粒小球則直接進入下一道工序。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉8定義壓制成型是指借助于機械壓力和模型將粉體加工成規(guī)定尺寸和形狀的制品的過程，廣泛應(yīng)用于粉末冶金、耐火材料、建筑材料、型煤生產(chǎn)等工業(yè)中，也可以用于生產(chǎn)規(guī)模較小的冶金原料預(yù)處理工藝。

2.1.2壓制成型

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壓制成型的方法

機壓成型

可塑成型

注漿成型

等靜壓成型

振動成型

搗打成型

擠壓成型

對輥成型,等2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉10

機壓成型法機壓成型法是目前耐火材料生產(chǎn)中使用最多的成型方法。該方法使用壓磚機和鋼模具將粉體壓制成坯體。因機壓成型一般均指含水量為4%-9%的半干料成型方法，因而也稱半干法成型。該法常用的設(shè)備有摩擦壓磚機、杠桿壓磚機和液壓機等。

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機壓成型法機壓成型過程的實質(zhì)是一個使物料內(nèi)顆粒密集和空氣排出、形成致密坯體的過程。機壓成型的制品具有密度高、強度大、干燥收縮和燒成收縮小、制品尺寸容易控制等優(yōu)點，所以該法在耐火材料生產(chǎn)中占主要地位。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉12

可塑成型法定義是指用含水量為16%以上呈塑性的泥料制成制品的方法。成型過程將預(yù)制好的物料投入擠泥機中，擠成泥條，然后切割，按所需要的尺寸制成荒坯，再將荒坯用壓機壓制，使物料具有規(guī)定的尺寸和形狀。

缺點坯體水分大，磚坯強度低，外形尺寸不準(zhǔn)確，干燥過程復(fù)雜，收縮有時達到10%以上。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉13

注漿成型法定義

將泥漿注入石膏模型，借助于模型吸水制成坯體的方法。注漿成型的方式

有空心澆注、實心澆注、壓力澆注、離心澆注、真空澆注等，其中空心澆注是最主要的澆注方式。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉14

注漿成型法空心澆注的特點

石膏模不帶任何型芯，所以又稱單面澆注或單面吸漿。泥漿注入石膏模型后，在模腔內(nèi)壁形成坯體的外形，適合于薄壁中空制品。實心澆注的特點

石膏模腔內(nèi)放置一個或幾個型芯，以形成注件的內(nèi)表面，所以又稱為雙面澆注或雙面吸漿，適合于壁厚大件或外形復(fù)雜的制品。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉15注漿成型的特點

泥漿水分一般達40%左右，它主要用于生產(chǎn)中空壁薄的高級耐火制品及特種耐火制品，在陶瓷工業(yè)中，注漿成型是一種適應(yīng)性大、生產(chǎn)效率高的成型方法。凡是形狀復(fù)雜或不規(guī)則、以及薄胎等制品，均可采用注漿成型法來生產(chǎn)。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉16

等靜壓成型法

定義

應(yīng)用帕斯卡原理，依靠高壓液體或氣體在粉體各個方向上施加等同壓力進行成型的方法。常用的壓力傳遞介質(zhì)為液體。因剎車油或無水甘油的可壓縮性極小，幾乎可以把全部壓力傳遞到彈性模具上，故多用這兩種液體作為壓力傳遞介質(zhì)。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉17等靜壓成型的特點

粉體各部分受壓均勻且壓力很高，這樣得到的制品密度高且均勻，從而使制品在燒成過程中的變形和收縮等大為減少，也不會出現(xiàn)一般成型法成型制品因密度差產(chǎn)生應(yīng)力而導(dǎo)致的燒成裂紋。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉18等靜壓成型方法

按施壓介質(zhì)及成型溫度可分為冷等靜壓成型法（介質(zhì)為常溫液體）和熱等靜壓成型法（介質(zhì)為氣體，加壓與加熱同時進行）。通常所稱等靜壓成型法是指冷等靜壓成型法。

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振動成型法

定義利用振動作用使粉體成型方法。適用于形狀復(fù)雜及大型的制品，也適用于密度相差不太懸殊的物料。由于成型時物料不受破壞，容易水化的物料如焦油白云石、焦油鎂砂料等，多用此法成型。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉20

振動成型法

原理

是物料在頻率很高（一般為3000-12000次/min）的振動作用下，質(zhì)點相互撞擊，動摩擦代替質(zhì)點間的靜摩擦，粉體變成具有流動性的顆粒，在自重和外力作用下逐漸堆集密實形成致密的制品。

特點顆粒具有三維空間的活動能力，顆粒密集并填充于模型的各個角落而將空氣排擠出去。在很小的單位壓力下既可得到密度較高的制品。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉21

搗打成型法定義用手動、風(fēng)動或電動搗錘將粉體搗實成型的方法。搗打成型法一般用于成型形狀復(fù)雜、體積較大的制品。搗打成型的粉體水分大多控制在4%~6%的范圍內(nèi)，粉體的臨界顆粒度比機壓成型時要大，這有利于提高坯體的密度。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉22擠壓成型法定義

強力擠壓可塑性粉體使其通過孔模成型擠壓成型與可塑成型都是采用可塑性粉體，兩者的區(qū)別在于擠壓成型需用強力擠壓的擠壓機，多用于特殊耐火材料的生產(chǎn)。

特殊耐火材料用的原料大多屬于瘠性料，不具有可塑性。在擠壓成型前通常加入塑化劑或粘結(jié)劑使其成為可塑料，如糊精、工業(yè)糖漿、羧甲基纖維素、聚醋酸乙烯脂、聚乙烯醇等有機塑化劑。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉23對輥成型對輥成型廣泛應(yīng)用于氮肥工業(yè)中的煤球生產(chǎn)、豎罐煉鋅的制團等處理量較小的工藝。

壓團采用對輥壓團機。團礦的成型壓力、型態(tài)及大小等對團礦的強度、制團效率和蒸餾效率都有直接影響。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉242.2水分在成型的過程中的作用

粉體物料的特性分散度大，比表面積大，具有較大的表面能。從熱力學(xué)角度，高的比表面能是粉體成型的推動力。表面分子處于不均衡的力場中，當(dāng)其與周圍介質(zhì)（氣體或液體）接觸時，顆粒表面就顯示出電荷，并在顆粒表面的空間形成電場。

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粉體物料中水分的存在形式當(dāng)干燥固體顆粒與水接觸時，在電場范圍內(nèi)的極性水分子被吸附于顆粒表面，依次形成吸附水、薄膜水；水分進一步增加時，則在粉體中形成毛細水。水分使粉體顆粒相互靠近、粘結(jié)，在外力作用下完成粉體成型。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉26顆粒表面極化水分子的排列及電分子力的分布情況2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉272.2.1吸附水的特性及其作用

1)吸附水的形成粉體顆粒表面帶有電荷，在靜電引力作用下具有偶極結(jié)構(gòu)的水分子被吸附在固體顆粒的表面形成吸附水層，顆粒表面過剩能量因放出潤濕熱而減少。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉28吸附水的形成不－定將顆粒放入水中，或往顆粒中加水，當(dāng)干燥的顆粒與潮濕大氣接觸時，會吸附大氣中的氣態(tài)水分子。當(dāng)相對水蒸汽壓很低時，靠顆粒表面的離子和水的偶極分子之間的靜電吸引形成單分子層吸附，這種吸引力的作用半徑約1?(10-10m)或幾個?

。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉29在距顆粒表面超出水分子直徑的地方，被吸附的多水分子層是靠范德華力。被吸附的水偶極分子在吸附作用下失去了活動性，同時水偶極子以正極或負極靠攏吸著點而呈定向排列狀態(tài)，第一層偶極分子吸引著第二層偶極分子，第二層又吸著第三層，以此類推。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉30隨著礦物成分或親水性不同吸附水層的厚度不同，同時也隨著料層中相對水蒸汽壓力的增加而增大。吸附水層的厚度一般在0.002-0.008μm之間。當(dāng)相對水蒸汽壓達到100%時的吸附水含量達到最大值，稱為最大吸附水。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉312)吸附水的特性特點

吸附水的性質(zhì)不同于－般液態(tài)水的性質(zhì)，常被稱為固態(tài)水沒有溶解鹽類的能力沒有從－個顆粒直接轉(zhuǎn)移列另－個顆粒的能力，其轉(zhuǎn)移只能以水蒸汽方式進行吸附水密度大于1（大約1.2-2.4），－般為1.5不導(dǎo)電，在低于零下78℃的溫度時不結(jié)冰

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原因水分子力在極小的范圍內(nèi)作用力非常大例加，直接附著在固體表面的第－層分子水的作用力相當(dāng)于980MPa，在受范德華力作用的地方，其作用半徑的大小至少可達數(shù)個水分子直徑。作用力雖與距離按六次方成反比的遞減，但吸附水的偶極分子呈定向排列的靜電引力給予了補充，產(chǎn)生了極大的力，使被吸附的多層水分子仍能牢固地保持在顆粒上。

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作用

當(dāng)細磨物料(顆粒直徑約為0.1-1.0mm)呈砂粒狀態(tài)時，如果僅含有吸附水，仍是散粒狀。當(dāng)細磨物料呈粘土狀態(tài)時(顆粒直徑約為1μm)，如果只含有吸附水，可以成為堅硬的固體。結(jié)論

適宜滾動成型的物料層中，如果僅存在吸附水時則說明成型過程尚未開始。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉342.2.2薄膜水的特性及其作用

1)薄膜水的形成固體顆粒表面達到最大吸附水層后，再進一步潤濕顆粒，由于顆粒表面吸著吸附水后，還有存在未被平衡掉的靜電引力（主要是顆粒表面的引力，其次是吸附水內(nèi)層的分子引力），在這些殘余靜電引力的作用下，在吸附水的周圍就形成薄膜水。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉352)薄膜水的特點殘余靜電引力較小使水分子定向排列較差，較松弛。薄膜水與顆粒表面的結(jié)合力比吸附水和顆粒表面的結(jié)合力要弱得多，但難使它從顆粒表面排出。薄膜水內(nèi)層與最大吸附水相接，引力為304×104Pa，外層為61×104Pa。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉362)薄膜水的特點薄膜水的平均密度為1.25，溶解溶質(zhì)的能力較弱，冰點為-4℃。在分子力的作用下，薄膜水可從水膜厚處移向水膜薄處。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉373)薄膜水的方式遷移相鄰且直徑相等的顆粒甲和乙，當(dāng)甲顆粒薄膜水較乙顆粒薄膜水厚，顆粒甲薄膜水A開始向顆粒乙移動。直到兩個顆粒的水膜厚度相等時為止，這種遷移速度非常緩慢。薄膜水由于受到表面引力的吸引，具有比普通水更大的粘滯性。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉38

當(dāng)兩個顆粒間的距離ac小于兩個顆粒的表面引力半徑ab、cd之和時，兩顆粒間引力相互影響范圍ebfd內(nèi)的薄膜水，它同時受到兩個顆粒的分子引力的作用，而具有更大的粘滯性。顆粒間距離越小，薄膜水的粘滯性就越大，顆粒就越不容易發(fā)生相對移動。對成型制品來說，制品的強度就越好。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉394)細磨物料成型后具有強度的原因吸附水和薄膜水合起來組成分子結(jié)合力，在力學(xué)上可以看作是顆粒的外殼。在外力作用下結(jié)合水和顆粒－起變形，并且分子水膜使顆粒彼此粘結(jié)。

結(jié)論當(dāng)物料達到最大分子結(jié)合水后，細磨物料就能在外力（搓揉滾壓）的作用下表現(xiàn)出塑性性能，在造球機中，成球過程才明顯開始。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉405)鐵礦石及常用添加物的最大分子結(jié)合水含水量鐵礦石磁鐵礦最大分子結(jié)合水的含量最小褐鐵礦最大分子結(jié)合水的含量最大，且其數(shù)值隨著礦石粒度的減少而增大添加物膨潤土因親水性最好、比表面積最大，其分子結(jié)合水最大值，消石灰次之。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉412.2.3毛細水的特性及其作用1)毛細水的形成

當(dāng)細磨物料被潤濕，并超過最大分子結(jié)合水時，物料層中就出現(xiàn)毛細水。它是顆粒表面引力作用范圍以外的水分。毛細水的形成是靠表面張力的作用。毛細水是在直徑為0.001～1mm的毛細管中，受毛細管引力作用保持的一種水分。根據(jù)物料的親水性和毛細管的直徑，其所受引力的大小在0.98×l04～2.45×104Pa之間。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉42

當(dāng)顆粒被水潤濕超過薄膜水時，在顆粒之間出現(xiàn)了毛細水，開始出現(xiàn)的毛細水叫做觸點態(tài)毛細水，它使顆粒連系起來。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉43

繼續(xù)增加水，在毛細水表面張力或外力作用，下使顆粒靠攏，在它們之間形成蜂窩狀毛細水，毛細水在顆粒之間開始連接起來，可以遷移。

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進一步潤濕，則出現(xiàn)了飽和毛細水，這時達到了最大毛細水含量。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉452)毛細水的作用毛細水能夠在毛細壓和能引起毛細管形狀和尺寸改變的外力作用下發(fā)生遷移。

毛細力將水滴周圍的顆粒拉向水滴中心，而形成小球。在造球過程中，毛細水起著主導(dǎo)作用。當(dāng)物料潤濕到毛細水階段，物料的成球過程才獲得應(yīng)有的發(fā)展，物料的成球速度決定于毛細水的遷移速度。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉462.2.4重力水的特性及其作用1)重力水的形成當(dāng)細磨物料層完全為水所飽和，即超過最大毛細水含量之后，超過的水分子不能為毛細管引力所保持，而受重力的支配，沿著顆粒間大孔隙向下移動，這種水分叫做重力水。2)重力水的作用重力水在成球過程中是有害的。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉472.2.5水分對成型過程的作用毛細力將顆粒拉向水滴而成球，范德華力能使顆粒粘在一起。毛細水在形成生球的過程中起主要作用。分子水在某種程度上能增加生球的機械強度。重力水對成球過程是有害的顆粒表面上的吸附水、薄膜水、毛細水和重力水的總和稱為全水量。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉482.3粉體成型機理2.3.1滾動成型機理

在燒結(jié)、球團生產(chǎn)中，成球是將物料加水潤濕，在機械力和毛細力作用下滾動而形成－定粒度的生球，它是燒結(jié)、球團礦生產(chǎn)過程中的重要工序之－。生球質(zhì)量的好壞在很大程度上影響著燒結(jié)礦、球團礦生產(chǎn)的產(chǎn)質(zhì)量。生球質(zhì)量受原料種類、物化特性、粘結(jié)劑種類和用量、成型設(shè)備工藝參數(shù)和操作等因素的影響。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉491)細磨物料的滾動成型造球機理細磨物料在成球過程中的行為

成核

濕料加到造球機中，或干料在造球機中加水潤濕后，在滾動過程中，顆?；ハ嗫繑n，由于顆粒之間機械力和毛細力的作用而聚集成核。

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細磨物料開始形成小球的過程稱為成核過程。這是任何新球形成必不可少的過程。核的形成是造球的第一步，因此，核的形成速度與強度將影響生球的產(chǎn)質(zhì)量。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉51成層在連續(xù)往球核上加料加水的條件下，表面潮濕的核，由于毛細力的作用，在滾動時粘附上顆粒，使球的粒度連續(xù)增大。球核在滾動過程中，其表面聚集新料而逐漸長大的過程，稱為成層長大。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉52聚結(jié)生球長大是由于小的球核在造球機內(nèi)“瀑布式”的料流中，互相碰撞和擠壓，球核逐漸變得密實，毛細管中的水被擠到球表面，在繼續(xù)碰撞中彼此聚結(jié)在一起，因而導(dǎo)致球的長大。球核的聚結(jié)是兩個或多個球可核，以成對的或四面體的形式聚結(jié)在一起。幾個小球核連結(jié)在一起叫聚結(jié)。球以聚結(jié)方式長大時，其長大速度比成層長大的快，成品的粒度范圍比成層長大的寬。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉53粉碎（散開）在造球過程中，部分原料雖然暫時聚集在一起，但由于水分少，毛細粘結(jié)力小，球核強度小，在其他球核的撞擊下而破碎，已經(jīng)形成的球核又被壓碎。這部分散料在繼續(xù)造球過程中會粘附到其他球核上。對于粒度較粗、親水性較差或難成球的物料，球核破碎的幾率很大，往往導(dǎo)致造球過程不能順利進行，必須添加某些粘結(jié)劑以改善其成球性。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉54破損已經(jīng)形成的球，在繼續(xù)長大過程中，由于沖擊或碰撞而破裂成碎片，這種碎片往往形成球核或同其它的球聚結(jié)。若出現(xiàn)大量的球破碎，則說明造球機的工藝參數(shù)不適宜，必須加以調(diào)整。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉55磨損已經(jīng)形成的球，在繼續(xù)長大中，有些球表面因水分不足或無粘結(jié)劑而粘附不牢，在互相磨剝過程中被磨損。這些磨損下來的粒子，又粘附到其它的球上。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉56磨剝轉(zhuǎn)移在造球過程中，球由于相互作用和磨剝，一定數(shù)量的物料從一個球轉(zhuǎn)移到另一個球上，這稱為“磨剝轉(zhuǎn)移”。磨剝轉(zhuǎn)移是在球相互碰撞時，非常少的物料從一個球的表面轉(zhuǎn)移到另一個球的表面，不存在交換。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉57生球的粘結(jié)機理

生球依靠自然力把顆粒粘結(jié)在－起，并具有一定的強度。自然力中對顆粒粘結(jié)起主導(dǎo)作用的是界面力和毛細力。當(dāng)物料顆粒之間孔隙中液體充滿率較小時，顆粒間存在界面力和毛細力。如果孔隙完全被液體充滿，并且液體表面呈弧形時，顆粒之間的粘結(jié)力主要為毛細力。

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兩個大小相同球形顆粒之間形成－個雙凹透鏡形的液體連接橋。由于它的側(cè)面是凹凸形的、所以具有兩種曲率半徑r1和r2。根據(jù)拉普拉斯公式：2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉59Pk為毛細壓，凹液面毛細壓為負，凸液面為正值。因為，那么就得出毛細力Fk

為

：

兩顆粒的三相（氣液固）界面力FR為：

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉60總粘結(jié)力FH：FH=FK+FR=r1和r2與連接橋所對半角、接觸角、顆粒直徑d和兩顆粒之間的距離a有關(guān)：

當(dāng)＝0o，a＝0及＝10o~40o時，

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉61

當(dāng)＝0o，a＝0

，可以得出此時，顆粒之間連接橋非常小。當(dāng)液固體積比（VL/VS）變小時，粘結(jié)力對距離比值的變化反應(yīng)很靈敏。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉62

如果液體連接橋由于顆粒之間的距離增大而被拉長，當(dāng)顆粒距離達到臨界值時，連接橋變得不穩(wěn)定而脫落。連接橋越小這種不穩(wěn)定狀態(tài)就越容易出現(xiàn)。這解釋了生球水分太低生球強度小的原因。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉63細磨物料的成球過程

細磨物料造球分為連續(xù)造球和批料造球。成球過程大致可分為三個階段，即成核階段、球核長大階段和生球緊密階段。連續(xù)造球過程的三個階段

成核階段

當(dāng)細磨物料表面達到最大分子結(jié)合水后，繼續(xù)加水潤濕，則在顆粒表面上裹上一層水膜。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉64顆粒物料彼此有許多接觸點，由于水膜的表面張力作用，在兩顆顆粒之間便形成液體連接橋、使顆粒連接在－起。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉65顆粒在造球機內(nèi)通過運動，含有兩顆或數(shù)顆顆粒的各個小水珠相互結(jié)合，形成了最初的聚集體。這種聚集體靠液體連接橋使各個顆粒呈網(wǎng)狀地保持在一起。液體填充率僅20%左右，但聚集體是疏松的。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉66在機械力的作用和增加水分的情況下，聚集體的粒子重新排列，部分孔隙被水充填，液體傾向融合，形成連續(xù)的水網(wǎng)。聚集體為蜂窩狀毛細水所連接，當(dāng)其中孔隙體積變小，形成堅實穩(wěn)定的球核，又稱母球。這就是成核階段，成核的速度與物料的比表面積和水分有關(guān)。

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這時的球核仍然是由固一液一氣三相組成，球核強度不高。

這一階段，具有決定意義的作用是潤濕。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉68

球核長大階段已經(jīng)形成的球核，在機械力的作用下顆粒彼此靠攏、所有孔隙被水充滿，球核內(nèi)蜂窩狀毛細水逐漸過渡到毛細管水。在球核表面孔隙中形成彎液面，由于毛細力將顆粒保持在一起。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉69繼續(xù)滾動球核進一步被壓密，毛細管形狀和尺寸的改變，使過剩的毛細水被擠到球核表面，并均勻地裹住球核。表面過濕的球核在滾動過程中粘上一層潤濕程度較低的物料，使核長大，多次重復(fù)直到球中顆料間摩擦力比滾動成形機械壓密作用力大為止。此后為使球繼續(xù)長大，必須噴水，使表面充分潤濕，球以成層方式長大。這一階段，潤濕作用和機械作用起著重大的影響。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉70

生球緊密階段生球粒度符合要求后，便進入緊密階段。利用造球機所產(chǎn)生滾動和搓動的機械作用，使生球內(nèi)的顆粒發(fā)生選擇性的按接觸面積最大的排列，使生球內(nèi)的顆粒被進一步壓緊，并有可能使這些顆粒的薄膜水層相互接觸，沿顆粒表面遷移，使幾個顆粒同為一薄膜水層所包圍，生球中各顆粒靠著分子力、毛細力和內(nèi)摩擦阻力作用相互粘合起來。這些力的值越大，生球的機械強度就愈大。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉71

在這一階段應(yīng)該停止補充潤濕，讓生球中擠出來的多余水分為未充分潤濕的物料層所吸收。

在這一階段，機械作用為決定性因素

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉72批料造球過程的三個階段批料造球是將造球物料潤濕到適宜的造球水后，一次性加入到造球機中，在造球過程中不再加水加料。批料造球分為成核階段、過渡階段和長大階段。成核階段

成核階段與連續(xù)造球過程中的成核階段相同。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉73過渡階段

球核形成后接著是過渡階段。由于無新料和水加入，過濕的球核長大主要靠兩個或幾個球核相互聚結(jié)長大。少數(shù)球核在運動中被破碎，這些碎片或粉末又以聚結(jié)或成層的方式再分配到留下的球上。在這階段球核表面有足夠的水膜，在“瀑布式”料流中，球核相互碰撞時容易夾住水環(huán)而聚結(jié)。過渡階段球長大最快。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉74長大階段球核表面水分減少，在碰撞時，聚結(jié)的效率逐漸降低，所以球長大的速度較慢，直到球中的水分不能再被機械作用力壓出時為止。球聚結(jié)長大還與所產(chǎn)生的力矩有關(guān)，當(dāng)力矩產(chǎn)生的分離力大于兩個球毛細粘結(jié)力，聚結(jié)過程也會停止。

批料造球獲得的球粒度不均勻、形狀不規(guī)整、強度低。批料造球方法一般只是實驗室采用。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉75批料造球時各個成球階段平均粒徑的變化2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉76細磨物料成球動力學(xué)

成球動力學(xué)主要研究造球過程中生球生長速度。生球成長速度一般用單位時間，或者造球機每轉(zhuǎn)一圈，生球直徑平均增大毫米數(shù)表示。生球成長速度可按下式計算：

式中：V--成長速度，mm/min或mm/轉(zhuǎn)；

D--生球平均直徑mm；

t--造球時間，minn--造球機轉(zhuǎn)數(shù)，轉(zhuǎn)。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉77成球方式對成球動力學(xué)的影響連續(xù)造球時，生球平均直徑是造球機轉(zhuǎn)數(shù)的函數(shù)。生球的平均直徑與造球機轉(zhuǎn)數(shù)呈直線關(guān)系，說明連續(xù)造球中生球長大速度是均勻的。

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批料造球時，生球平均直徑也是造球機轉(zhuǎn)數(shù)的函數(shù)，但生球成長曲線顯示出一個S形。說明生球成長速度在成核、過渡和長大階段是不同的。成核階段，長大速度是逐漸地增加，過渡階段長大速度最快，生球長大階段成長速度降低。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉79水分對成球動力學(xué)的影響細磨物料造球，在很大程度上取決于物料水分含量。在不超過極限水分的范圍內(nèi)，隨水分的增加成球速度加快，特別是批料造球時，水分的影響更明顯。隨著物料水分增加，球核聚結(jié)效果變好。物料水分不同，生球長大速度出現(xiàn)不同的波峰。隨著物料水分的降低，過渡階段延長，波峰降低，說明成長速度下降。水分愈低，曲線變化愈不明顯，說明生球成長速度趨向均勻。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉80不同含水量原料造球生球成長速率的變化2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉81粘結(jié)劑對成球動力學(xué)的影響造球常用粘結(jié)劑有膨潤土、消石灰、佩利多等膨潤土膨潤土是一種良好的粘結(jié)劑，它能提高生球和干球的強度。但是降低生球成長速度，并隨著膨潤土用量增加，生球成長速度降低。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉82膨潤土降低生球成長速度的主要原因膨潤土是層狀結(jié)構(gòu)、遇水后，不僅表面吸水，其晶層間也要吸附一定量的水分，成為層間結(jié)合水，因而減少了造球過程中的有效水，使生球成長速度降低。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉83膨潤土對成球動力學(xué)影響膨潤土所吸附的陽離子不同對成球動力學(xué)影響不同。鈣型膨潤土對降低生球成長速度的影響比鈉型膨潤土的影響小。原因鈉型膨潤土電動電位高，水化膜較厚、能使更多的水分轉(zhuǎn)化為水化膜中的弱結(jié)合水。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉84消石灰消石灰也有降低生球成長速度的作用，但不如膨潤土效果大。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉85消石灰降低生球成長速度較膨潤土小原因消石灰僅在顆粒周圍形成弱的雙電層結(jié)構(gòu)的膠層，在造球過程中水分較易向生球表面遷移。生球成長速度較添加膨潤土的快。例如添加1%和1.5%膨潤土的生球成長速度僅為0.898mm/min和0.85mm/min

添加3%和5%消石灰生球成長速度分別為1.75mm/min和1.12mm/min。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉86佩利多

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉87佩利多佩利多是由纖維素基天然高分子聚合物經(jīng)過化學(xué)變形而成，主要組分為含有大量羥基和羧基的長鏈分子。佩利多同樣有固定水分的特性。造球物料中添加佩利多能引起生球成長速度降低。佩利多極性基團與水分子接觸時，在很大范圍內(nèi)使水分子定向排列，將水束縛，雖用量很低，佩利多降低生球長大速度比膨潤土更大。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉882)粉狀物料滾動成型制粒機理制粒

定義

制粒就是將含有大量粉末的散粒物料群（0～10mm），借助于滾動成型工藝，使細粒粉末相互粘結(jié)，或者使細粒粉末粘附到較大顆粒上，使其整個物料群的平均直徑增大，粒度范圍變窄。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉89作用

制粒后的物料群少含甚至不含細粒粉末，氣流通過的阻力較小，改善料層的流體動力學(xué)性質(zhì)，為固體碳燃燒和熱量傳遞創(chuàng)造良好條件。散粒物料的制粒對燒結(jié)生產(chǎn)極為重要，因為制粒效果影響燒結(jié)料層透氣性的好壞，從而在很大程度上決定了垂直燒結(jié)速度，影響了燒結(jié)機的生產(chǎn)率及能耗。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉90混合料制粒性能和效果的評價混合料粒度分布測定方法把制粒后的混合料烘干至殘留水2%～3%，停放1小時后，在不破壞小球形態(tài)的情況下，用人工篩分分級，計算不同粒級的出量。評價指標(biāo)一般認為燒結(jié)混合料的制粒小球中，2-5mm粒級應(yīng)大于50%，平均直徑d為2.4-2.6mm為宜。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉91準(zhǔn)顆粒指數(shù)GI

用準(zhǔn)顆粒指數(shù)GI表示細粉粘附程度作為評價指標(biāo)。GI值愈大，則制粒效果愈好。

式中，Al、B1---制粒前后0.5～0.25mm粒級百分含量

A2、B2---制粒前后-0.25mm粒級百分含量。

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混合料中-0.25mm粒級的影響要比0.5～0.25mm粒級大得多，因此只取公式右邊第二項來評價制粒效果，即：

式中，A、B---制粒前后-0.25mm粒級的百分含量。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉93

透氣性指數(shù)

透氣性指數(shù)J.P.U是以燒結(jié)混合料作填充層處理，測定在一定料層高度和一定抽風(fēng)負壓條件下通過料層的風(fēng)量：

式中，Q－通過料層風(fēng)量，m3/min；

A－抽風(fēng)面積，m2；

ΔP－抽風(fēng)負壓，mm水柱；

H－裝料高度，m。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉94JPU與混合料粒度、GI間的關(guān)系J.P.U=-28.9＋17.7d

J.P.U=-104.6＋1.41GI

制粒效率η1

式中，q1、q2---制粒前后+3mm粒級的百分含量。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉95制粒小球的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖制粒小球的結(jié)構(gòu)用“準(zhǔn)顆粒模型”來描述。

A---核粒

B---全干顆粒

C---制粒粒子2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉96準(zhǔn)顆粒的組成起粒核作用的粗粒部分即使干燥也不剝落的細粉粘附的中間層，它包裹著核顆粒易碎裂的外層部分

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉97中間顆粒

中間顆粒是指既不可作為核粒也不可作為粘附層的顆粒。中間顆粒比例大時，有害于燒結(jié)料透氣性。大?。?.7mm-0.2mm的顆粒或2.0mm-0.5mm顆?；蚪橛谡掣筋w粒和核顆粒之間的分界顆粒2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉98分級系數(shù)起粒核作用的那部分顆粒所占的比例：

式中mij---粒級為j的準(zhǔn)顆粒中粒級為i顆粒的重量。

ai=1時，表示全部為粒核顆粒；

ai=0時，表示全部為粘附顆粒粒級。

一般的燒結(jié)料中大部分是起粒核作用的顆粒，另一些顆粒則是起粘附作用。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉99ai位于0與1之間，分級曲線可用一個標(biāo)準(zhǔn)的對數(shù)函數(shù)來表示：

式中：X0.5－分級系數(shù)為0.5時的顆粒尺寸，其實質(zhì)是中間顆粒的粒度。當(dāng)顆粒為這種粒度時，該顆粒既可作為核顆粒，也可作為粘附顆粒，且兩種可能性是相等的。X0.5的數(shù)值越大，準(zhǔn)顆粒的平均粒度也越大。

σ－中間顆粒粒度范圍的延伸程度。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉100分級系數(shù)與顆粒粒度的關(guān)系2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉101小球形成的連接機理

散粒物料制粒時的作用力包括物料本身固有的自然力和機械外力。自然力

固體顆粒間的范德華力、磁力和靜電力

機械力

顆粒之間的相互作用的摩擦力不能移動的連接橋中的附著力和內(nèi)聚力液相存在所形成的界面力和毛細力2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉102說明小球的強度主要靠自然力的作用，自然力的大小決定于顆粒的粒度、表面電荷、結(jié)晶構(gòu)造、顆粒間的接近程度和添加劑的種類和數(shù)量。當(dāng)液體存在并完全潤濕固體顆粒表面時，主要的物理力是顆粒間氣一液界面的表面張力引起的毛細力。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉103粒核周圍的粘附層的形成在粒核的周圍形成很細的內(nèi)層在較細粒的基體中形成中間顆粒的外層中間顆粒與較大的準(zhǔn)顆粒接觸時，如果中間顆粒與粘附層中的細顆粒之間的結(jié)合力超過使中間顆粒與粘附層脫離的力，則中間顆粒便可能粘附于較大準(zhǔn)顆粒上。最終，中間顆粒將全部進入粘附層。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉104球團強度

X0.5＝f（粘附層的粘結(jié)強度)

＝

S1－粘附層的相對飽和率

d1－粘附層中顆粒的平均粒度

ε1－粘附層的孔隙率2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉105無核小球的形成機理當(dāng)細粒物料表面達到最大分子水后，繼續(xù)加水潤濕，顆粒表面裹上一層水膜，顆粒彼此有許多點接觸，由于水膜的表面張力作用，在兩個顆粒連接橋間便形成液體橋鍵，使顆粒連接在一起。顆粒在制粒機內(nèi)通過運動，形成了疏松的聚集體，液體橋鍵使各個顆粒呈網(wǎng)狀地保持在一起，其中保留了大量的孔隙，液體填充率僅20%左右。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉106機械力的作用和增加水分的情況下，聚集體粒子發(fā)生重新排列，部分孔隙被水充填，液體傾向融合，形成連續(xù)水網(wǎng)，聚集體為蜂窩狀毛細水所連接，孔隙體積減小，形成堅實穩(wěn)定的球核。

球核在機械力的作用下，使顆粒彼此靠攏，所有孔隙被水充滿，球核內(nèi)蜂窩毛細水逐漸過渡到毛細管水，在球核外圍氣孔上形成彎月面，由于毛細力的作用將顆粒保持在一起。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉107球核進一步被壓密，毛細管形狀和尺寸改變，使過剩毛細水被擠到球核表面并均勻地裹住球核。這樣表面過濕的球核，滾動時粘上一層潤濕程度較低的物料，使核長大成球粒，多次重復(fù)的直到球核中顆粒間的摩擦力比滾動成型時的機械壓密作用力大時為止。

無核小球的形成一般來說是成層長大的，但水分過濕時也不排除少量的聚結(jié)形式。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉1082.3.2壓制成型機理

壓制成型是在一定壓力下，使細粒物料在型模中受壓后成為具有確定形狀與尺寸、一定密度和強度的成型方法。1)壓制成型過程中的“拱橋效應(yīng)”

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉109定義

“拱橋效應(yīng)”：在模型內(nèi)自由松裝的細粒物料，在無外力情況下，是依靠顆粒之間的摩擦力和機械咬合，而相互搭接，在顆粒間形成大的孔隙的現(xiàn)象。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉110特點顆粒間僅存在簡單的面、線、點接觸，具有不穩(wěn)定性和流動性，處于暫時平衡狀態(tài)。當(dāng)向顆粒上稍施外力時，使“拱橋效應(yīng)”遭到破壞，則顆粒向著自己有利方向發(fā)生位移，產(chǎn)生重新排列，導(dǎo)致顆粒間接觸面積增大，孔隙度減少。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉111顆粒粉末位移的形式移近（a）分離（b）滑動（c）轉(zhuǎn)動（d）嵌入（e）2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉112細粒物料變形類別彈性變形固體顆粒除去外力后可以恢復(fù)原狀的變形。塑性變形具塑性的固體顆粒除去外力后不能恢復(fù)原狀的變形為塑性變形，且物料塑性愈大則變形愈大；塑性變形程度隨壓力增大而增加。脆性斷裂當(dāng)脆性物料在外力下產(chǎn)生的顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生的破壞性變形，易產(chǎn)生新的顆粒斷面并使顆粒數(shù)增加。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉113固體顆粒的變形過程及原因固體顆粒外表凹凸不平且有許多棱角，顆粒之間的接觸是通過棱角和凸峰來實現(xiàn)的。顆粒間的接觸面積很小，加壓時，即使外加壓力不大，但集中到這些小的接觸區(qū)時，單位面積上的壓力就變得很大。如果壓力超過了物料變形的臨界應(yīng)力時，則在顆粒的棱角和凸峰處首先開始變形，使顆粒間接觸面積增大，如果壓力繼續(xù)增大，顆粒的變形就會向接觸區(qū)的顆粒內(nèi)部發(fā)展。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉114壓制成型機理第一階段顆粒位移，重新排列并排除孔隙內(nèi)氣體，使物料致密化。在這一階段耗能較少但物料體積變化較大。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉115第二階段

脆性物料易被壓碎，新生的細顆粒會充填在細小孔隙內(nèi)，重新排列結(jié)果使密度增大，新生顆粒表面上的自由化學(xué)鍵能使各顆粒粘結(jié)。

塑性物料顆粒發(fā)生塑性變形時其顆粒間相互圍繞著流動，產(chǎn)生強烈的范德華力粘結(jié)起來。大多數(shù)情況下，兩種機理同時發(fā)生，并在一定條件下能夠引起機理的轉(zhuǎn)換。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉116細粒物料密度在壓制時變化規(guī)律第一階段壓力相對較低，對細粒物料初施壓力后，料層內(nèi)“拱橋效應(yīng)”被破壞，顆粒發(fā)生相對位移并填充孔隙，結(jié)果松散料層體積大大減小，密度迅速增加。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉117第二階段

隨壓力增加和加壓時間延長，孔隙因達最大物料充填而減至最小，在每種細粒物料最佳壓制壓力情況下，密度達最大值，此時細粒物料層已體現(xiàn)出一定壓縮阻力。在此階段內(nèi)，繼續(xù)增大壓力時，壓塊密度并沒有增大。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉118第三階段

壓力繼續(xù)增大并達到超過細粒的臨界應(yīng)力值（即極限強度）時，固體顆粒發(fā)生變形或裂碎，顆粒間再行排列和相互充填，壓塊密度又隨之增大。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉119壓塊密度與壓力的關(guān)系

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉120說明固體顆粒的位移和變形不是截然分開的。第一階段，壓塊的密度增加以顆粒位移為主，同時也可能發(fā)生少量顆粒變形。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉121第二階段，視壓制物料不同而異。對于又硬又脆的物料，壓制時，壓塊物料密度曲線變化比較平坦，但隨著物料塑性增加，其密度增加較快。塑性好的物料密度在加壓時的變化中第二階段基本消失。但對于任一種物料壓制時，加壓壓力皆在第二階段結(jié)束，最多使壓力增大到第二階段的壓力極限值。第三階段，壓塊的致密化以顆粒變形為主，同時也發(fā)生裂碎顆粒的少量位移。2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉122壓制過程中力的分布和壓塊密度變化模型中細粒物料施加的壓力主要消耗在兩方面：

消耗于內(nèi)摩擦力p1，又稱靜壓力。主要用來克服固體顆粒間產(chǎn)生的摩擦，使顆粒產(chǎn)生位移甚至變形，最終使之達到緊密排列程度，獲得壓緊效果。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉123消耗于外摩擦力p2，又稱壓力損失。主要用來克服固體顆粒料層壓實時易形成對模型壁的側(cè)壓力，使固體顆粒移動過程中與模型壁產(chǎn)生摩擦力，導(dǎo)致壓塊沿高度上減少。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉124

壓制過程中的總壓力（p）至少為靜壓力和壓力損失之和。即：

P=p1＋p2

（N）

p2值的大小表示為：

P2=μ·p側(cè)·S（N）式中：μ—物料與模壁間摩擦系數(shù)；

p側(cè)—側(cè)壓力，N/cm2；

S—物料與模壁的接觸面積，cm2

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉125壓塊粘結(jié)機理觀點一

壓塊強度取決于壓塊內(nèi)固體顆粒間存在的摩擦力（即內(nèi)摩擦力），細粒物料顆粒表面是凹凸不平的粗糙體態(tài)，在緊密接觸后表面會相互楔住和鉤結(jié)而發(fā)生顆粒間機械嚙合。證據(jù)：用樹枝狀或楔形的粒子比用球形或平滑粒子能夠制得更牢固的壓塊，其抗壓強度可相差幾十倍，而抗拉強度相差100倍左右。在測試過程中還發(fā)現(xiàn)每一種壓塊本身的抗拉強度比抗壓強度要小幾＋倍。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉126觀點二

壓塊強度主要決定于顆粒間分子力的相互作用及薄膜水分子力和天然膠結(jié)物質(zhì)分子力的作用，這三種力統(tǒng)稱為分子粘結(jié)力。當(dāng)壓制壓力逐漸增高時，物料顆粒間接觸表面積也相應(yīng)增大，會促使有更多的接觸表面處于分子力作用的范圍，在宏觀上就表現(xiàn)為壓塊強度提高。證據(jù)：干燥的磁鐵顆粒形狀不規(guī)則、很粗糙，在高壓壓制時才能獲得一定強度的壓塊。經(jīng)過適當(dāng)潤濕之后，雖顆粒形態(tài)和粗糙度不變，但可在較低壓力下獲得強度較好的壓塊。

2023/3/14湖北工業(yè)大學(xué)王志偉127相同壓力下，礦物的壓塊強度會依下列次序而下降：

泥質(zhì)褐鐵礦---泥質(zhì)氧化鎳礦---硅質(zhì)氧化鎳礦---鉻鐵礦---含水赤鐵礦---假象赤鐵礦---磁鐵礦

原因：塑性好的顆粒---壓塊強度由顆粒間的機械