粉碎理论与粉碎设备发展评述_赵敏

文章编号:1005-7854(2001)02-0036-06
粉碎理论与粉碎设备发展评述
赵敏,卢亚平,潘英民
(北京矿冶研究总院,北京100044)
摘 要:综合评述了粉碎理论和粉碎设备,指出不同的粉碎理论所适用的范畴、各类粉
碎设备的特点及其应用范围,并指出今后粉碎设备研制的发展趋势。

关键词:粉碎理论;粉碎方法;粉碎设备
中图分类号:TS 211 4+2;TD921+4 文献标识码:A
DEV ELOPM ENT OF COM M IN U T ION
TH EORY AN D EQ U IPM ENT
Z H A O Min,L U Ya p ing ,PAN Ying min
(Beij ing General Research I nstitute of Mining and Metallurgy ,
Beij ing 100044,China)
ABSTRAC T:In this paper,comm inution theory and equipment are review ed comprehensively It points out applicable scopes of different comminution theories,features and applicable scopes of v arious comminution equipment and developm ent trend of comm inution equipment
KEY WORDS:Comminution theory;Comminution method;Comm inution equipment
收稿日期:2001-01-10作者简介:赵 敏,研究生部硕士研究生,工程师。

1 粉碎的目的与意义
固体物料经过粉碎,颗粒由大变小,物料单位质量的表面积增加,可以提高物理作用及化学反应的速度;在矿物加工过程中,矿石经过粉碎,可以实现不同矿物的彼此解离;几种固体物料的混合,也必须在细粉状态下,才能均匀混合。

粉体材料最重要的质量指标之一是粒度和粒度分布,而粒度和粒度分布决定了粉体产品的技术性能和应用范围。

例如,物料的比表面积、化学反应速率、吸附性、堆积性、补强性、在液相介质中的沉降速度、溶解性、光学性能、电性、磁性等,这些都与应用范围有直接关系。

而产品的应用领域对物料的粒度及粒度分布均有严格的要求。

粉碎是当代飞速发展的经济社会必不可少的一个工业环节。

粉体技术被看作是高技术工业最重要的基础技术之一。

在各种矿石、金属、非金属、化工原料及建筑材料的加工过程中,粉碎作业要消耗巨大的能量,而且又是低效作业。

这是由于在物料粉碎过程中,会产生发热、振
第10卷 第2期2001年6月 矿 冶M INING &M ETALLURGY Vol.10,No.2June 2001
动和摩擦等作用,使能源大量消耗,因而多年来人们一直在研究如何节能、高效地完成粉碎的过程,从理论研究到创新设备(包括改造旧有的设备)直至改变生产工艺流程[1~5]。

2 粉碎功耗理论[1,6,7]
2 1 雷廷智(Rittinger 1867)假说
雷廷智假说亦称面积假说。

他认为粉碎所需要的能量与物料表面积的增加成正比,即A 1 S 。

如以均质立方体为例,每边原始长度D 0,粉碎后小立方体每边长度D i ,则新生成的表面积为 S =6D 30(1/D i -1/D 0),当颗粒形状不规则时,D 0和D i 只代表粒度的关系,所以粉
碎所需要的功为A 1=K 1D 20(i -1),式中D 20反映物料颗粒在粉碎前的原始表面积,K 1决定
于物料的形状、质地、粉碎方法等综合因素,i 为破碎比。

雷廷智假说认为粉碎所做功全都用来克服新生表面物料分子之间的内聚力,这种假说只能应用于比较理想的情况,要求物料在破裂过程中没有变形,各向均匀,无节理和层理结构。

当破碎比相当大时(i >10),这种假说的结果和实际情况较为接近,同时也适用于塑性和韧性物料的薄刃切割。

2 2 基尔皮切夫(1874)假说
基尔皮切夫假说亦称体积假说。

他认为将物料破碎成与原物料几何相似的成品时,所需要的功与物体的体积或重量成正比,即A 2 V 。

体积假说是以弹性理论为基础,对于完全弹性的物体,受到外力作用时,首先产生弹性变形,超过弹性限度则发生破坏,此时所需的功为A 2= 2V/2E =k 2V =K 2D 3,式中 、E 分别为物料的弹性限度和弹性模数。

假定粒度为D 0的物料粉碎至D i ,共需经n 次才能完成,总破碎比为i =D 0/D i 。

如每次粉碎的粉碎比均为i 0,则i =i n 0,由此可得n =lg i/lg i 0。

如一定量的物料每次粉碎需要的功为A 0,则粉碎需要的总功为:A 2=nA 0=A 0lg i/lg i 0。

体积假说也是以理想条件为前提的,不考虑物料颗粒的形状、质地,同时也不考虑粉碎过程中新生成的表面积。

对于粉碎比小的情况,粉碎所产生的新表面积相对较小,大量能耗用在物料的变形。

体积假说比较符合于物料的压碎和击碎。

2 3 邦德(Bond 1952)假说
邦德假说亦称裂缝假说。

他认为破碎单位体积物料所需要的功与物料颗粒粒径(或边长)的平方根成反比,即A 3 1/D 。

对每一个颗粒所消耗的功为A 3 D 3/D 或A 3 D 2 5。

邦德假说的物理概念是认为物体在外力作用下先产生变形,当物体内部的变形能积累到一定程度时,在某些薄弱点(或面)首先产生裂缝,这时变形能集中到裂缝附近,使裂缝扩大而形成破碎。

当物料从粒度D 0破碎到D i 时,单位物料所需粉碎功可表示为:
A 3=K 3(1/D i -1/D 0)=K 3 (1/D 0 5i ) (1-1/i 0 5)
K 3为实验系数,决定于物料的性质、形状、大小以及粉碎方式。

实验研究证实,对不同的粉碎条件,上式中D i 和i 的指数并不一定都是0 5,因此应表示为:
A 3=K 3 (1/D r i ) (1-1/i r ) (r 一般在0 5左右变动)
2 4 高压料层粉碎理论料层粉碎理论认为:固体物料受外界压力时产生压力变形,形成内部应力集中,当应力达
37 赵 敏等:粉碎理论与粉碎设备发展评述
到颗粒在某最弱的轴向的破坏应力时,颗粒就会在最弱处首先发生破裂和粉碎。

研究表明,岩相结构比较固定、内部应力状态比较稳定的匀质和较匀质的矿石和烧结物,其受压而被粉碎的碎块、碎屑或粉末,多数呈相同形状的断裂状态。

而一些比较松软的物料,因其内部结构存在较多的脆弱部位,受压粉碎后的碎块、碎屑,多数呈无规则的破裂状态,碎料的形状带有很大的随机性。

固体物料受压而粉碎的难易程度,可以用脆性值B r 来衡量: B r =N 0/N t
式中:N 0、N t 为物料的抗压、抗拉强度。

物料的脆性值B r 越大,物料越容易被压碎。

固体物料受压粉碎时,颗粒内的应变能,即粉碎功E 可由下式计算(在单轴受压时):
E =
F 2/2Y (F 为应力值,Y 为杨氏模量)
在粉碎机械中,粉碎过程都不是理想的,其所需要的能量包括有效功、无效功以及机械传动损耗。

无效功的量往往很大,甚至会由于热量来不及散发,积累在工作区域,从而使工作区中物料变性。

3 粉碎方法和粉碎设备
3 1 粉碎方法[20]
(1)压碎:物料在两平面之间受到压力作用而被粉碎。

挤压粉碎适用于脆性物料,食品加工中常用的对辊粉碎机,如果对辊的线速度相等,则为纯粹的挤压过程。

(2)劈碎:物料受楔状刀具的作用而分裂。

多用于脆性、韧性物料的破碎,能耗较低。

(3)剪碎:物料在两个破碎工作面间,如同承受载荷的两支点(或多支点)梁,除了在外力作用点受劈力外,还发生弯曲折断。

多用于较大块的长或薄的硬、脆性物料粉碎。

(4)击碎:物料在瞬间受到冲击力而被破碎。

多用于脆性物料的粉碎,粉碎范围很大。

(5)磨碎:物料在两工作面或各种形状的研磨介质之间受到摩擦、剪切作用而被磨削成为细粒,多用于小块物料或韧性物料的粉碎。

3 2 国内外粉碎设备的发展现状
[8~11]
近年来,国外对超细粉碎及分级设备、工艺、微细颗粒粒度测定等方面的研究十分活跃,这是由于国外在复合材料、新型陶瓷、电子材料等许多尖端技术方面迅速发展而决定的。

在先进的工业化国家,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、完善的阶段,设备研究朝着亚微米级超细粉碎和微米级精密分级的方向发展。

粉碎技术的发展主要表现在产品微细化、微粉功能化、设备自动化、节能新工艺和新设备及低污染高强度材料的应用等方面。

我国自20世纪80年代以来,粉碎工程学术界较为活跃,其主要目标在于提高粉碎过程的效率和满足工业上某些物料产品的粒度要求。

对粉碎机研究的大规模兴起,始于80年代中期,当时主要注意力在两方面:其一是湿式超细粉碎机、搅拌球磨机和塔式磨机的研究;其二是干式气流粉碎机的研究。

当时,我国主要以引进国外先进的设备和技术为主,同时,国内技术人员进行了大量研究开发工作,经过十几年的努力,国内已能生产各种气流磨、高速冲击磨、搅拌磨、振动磨,有的设备在性能上已接近国外同类设备的水平。

但总的说来,与国外的先进技术设备相比,我国的超细粉碎技术仍存在一些问题: 已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; 产品的深加工档次低、系列少,对用户的需求针对性差; 缺少高效的超细分级设备与粉碎设备配套。

3 3 各类粉碎设备及其特点
[12,22]3 3 1 机械冲击式粉碎机 38 矿 冶
机械冲击式粉碎机是利用围绕水平或垂直轴高速旋转的回转转子上的冲击元件(锤头、叶片、棒体等)对物料进行撞击,并使其在定子与转子间、物料颗粒间产生高频度的相互强力冲击、剪切作用而粉碎的设备。

其特点是粉碎比大、运转稳定,适合于中软硬度物料的粉碎。

粉碎成品的颗粒细度和形态由转子上锤头的运动状态和定子间间隙来决定,低速冲击可得细长的颗粒,而高速冲击则易得物料结晶状态相同的颗粒。

(1)锤片式粉碎机:主要由进料口、转子、销连在转子上的锤片、筛片以及出料口等部分组成。

按照不同的进料方向,又可以把这类粉碎机分为切向式、轴向式和径向式三种,前两种粉碎机一般配用的动力比较小,生产率比较低,多为中、小型粉碎机;后一种粉碎机一般配用的动力比较大,生产率比较高,多为大、中型粉碎机。

(2)齿爪式粉碎机:主要由进料斗、动齿盘转子、定齿盘、包角为360 的环筛和排料口等组成。

可用于谷物等的粉碎。

齿爪式粉碎机的特点是结构简单、粉碎室比较窄、筛片包角为360 、生产效率比较高,但噪声和粉尘比较大。

(3)涡轮式粉碎机:其特点是粉碎物温升比较低,适合于粉碎脱脂大豆、米、小麦粉、食盐、矿物质添加剂和颜料等。

80%以上的粉碎物可以通过0 15~0 1mm 的筛孔。

(4)立式高速冲击粉碎机:主要由给料机、粉碎器和分级器三部分组成。

给料机包括料斗和给料螺旋。

粉碎器由动齿盘(它是一个旋转的圆盘,在其周边垂直地均布安装着打击棒柱或齿爪)和环状的固定磨圈(有槽形的和光面的)所组成。

分级器是一个旋转的圆盘,在其周边装有叶片,有长叶片、短叶片和斜叶片等型式可供选用。

在粉碎区和分级区之间有分隔的导向环,其作用时是使未达到粒度要求的物料在其间作闭路回转流动,并继续被破碎。

工作时,物料从给料螺旋送入后,在动齿盘和固定磨圈之间受到棒柱或齿爪以110m/s 的线速度的冲击、剪切和搓擦等作用而粉碎。

该机适用于涂料、食品、医药品、合成树脂等弱热性物质的粉碎。

(5)卧式微粉碎机:这是一种水平轴、双室、气流分级式粉碎机,主要基于冲击粉碎原理工作,在粉碎的同时能够进行分级和清除杂质。

它由水平轴上安设的两个串联的粉碎 分级室和风机组成。

两串联的粉碎 分级室之间用隔环分隔,第二粉碎室粉碎力更强(转子的圆周速度较大),故为细磨区。

细粉随气流由风机排出机外捕集。

此机的特点是采用两极串联粉碎装置,故粉碎效率高,能耗较低;产品粒度细(平均粒径3~100 m);机内设有排渣装置,可将难以粉碎的杂质排除,故产品纯度高;负压操作,可减少粉尘对环境的污染。

适用于莫氏硬度低于5级的物料,例如涂料、颜料、非金属矿、化工原料、农药等的微粉碎。

(6)克罗普列克斯粉碎机:类似于爪式自由粉碎机,安装有许多短圆柱小棒,在粉碎室外周设有筛网。

在机内装有带许多小棒的圆板,借以粉碎软质或中硬质的材料,也有在两块圆板上交错安装小棒,逆向运动。

此机适宜粉碎玉米及小麦。

(7)帕尔巴克式粉碎机:该机粉碎室较短,分级是采用让物料通过装有叶片的圆板产生负压,使粗粒通过管道返回压力低的原料入口。

粉碎转子和分级叶片采取分别传动的方法,若单独改变叶片的转速,就可以调速和调节产品的粒度。

(8)喷射粉碎机:该机由重锤式冲击部件、螺旋给料器、分级轮、风扇轮、转子轴等组成,可粉碎较硬的物料。

产品粒度可用改变转速和改变分级叶片的长度调节,或者用风量调节。

冷却效果好,适应于热敏性物料的粉碎。

3 3 2 气流粉碎机
气流粉碎机是以高速气流(300~500m/s)为动力和载体,使物料颗粒在高速运动中相互碰撞、摩擦和剪切而使物料粉碎。

优点为产品不受污染,能保持原来的纯度和白度;能保持原
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结晶状态,如长径比。

气流磨的缺点:被处理的物料不能含水,气流中湿度也不能高,因此气流进入前应有去湿(或油气)装置;电耗高,平均每吨产品耗电为100~1000kWh,个别物料高达2000kWh,气流磨比机械方式粉碎的能耗要高出数倍。

(1)扁平式气流粉碎机:此机亦称圆盘式气流磨。

物料由汾丘里喷嘴加速到超音速导入粉碎室;高压气流进入气流分配室,分配室与粉碎室相通,气流在自身压力下,强行通过研磨喷嘴时,产生高达每秒几百米至上千米的气流速度,物料在高速旋流的带动下作循环运动,颗粒间、颗粒与机体间产生相互冲击、碰撞、摩擦而被粉碎。

粗粉在离心力作用下甩向粉碎室周壁作循环粉碎,而微粉在离心气流带动下被导入粉碎机中心出口管进入旋风分离器加以捕集。

(2)超音速喷射式粉碎机:亦称P J M 气动射流磨。

该粉碎机适用于粉碎低熔点食品和热敏性物料,能保存物料原有的芳香味。

国产超音速喷射式粉碎机主要有GTM -10型、BQF -200型和BQF-280型等气流超音速喷射式粉碎机。

(3)立式环形喷射式粉碎机:又称循环管式气流磨,它具有分级的特点。

其成品粒度可达3~0 2 m,广泛地应用于填料、颜料、金属、化妆品、医药品、食品、磨料以及具有热敏性、爆炸性的化学品等的超细粉碎。

(4)靶式气流磨:它是利用高速气流夹带物料冲击在各种形状的靶板上进行粉碎的设备。

适用于粉碎高分子聚合物、低熔点热敏性物料,以及纤维状物料。

可以根据原料性质和产品粒度的要求选择不同形状的靶板。

靶板作为易损件,应采用耐磨材质制作。

(5)对喷式气流磨:又称逆向喷射磨,是利用物料在一对喷嘴相对喷射的超音速气流中相撞而粉碎的设备。

可用于粉碎莫氏硬度9 5级以下硬质、脆性、韧性的各种物料,产品粒度可达74 m 至亚微米。

代表机型有布劳-诺克斯型气流磨(Blaw Knox M ill)、特劳斯特型气流磨(Trost Jet Mill)和马亚克型气流磨(Majac Jet Puluerizer)。

(6)流化床对喷式气流磨:它是20世纪90年代最新的超细粉碎设备。

其特点是产品细度达3~10 m,粒度分布窄;粉磨效率高,能耗低,比其它类型气流磨节能50%;产品污染少,可加工无铁质污染的粉体产品和莫氏硬度10级的物料;结构紧凑、噪音小、操作自动化,但成本高。

德国Apline 公司研制的AFG 流化床逆向气流磨较为先进,国内主要有沈阳飞机研究所、四川绵阳中国空气动力研究中心、上海化机三厂生产。

3 3 3 磨碎机械
磨碎机主要依靠两个工作表面或介质之间的挤压和摩擦力将物料研磨成极细的产品。

(1)片磨:适用于物料磨碎,也适用于研磨含水分高的物料以及韧性大的物料。

按照磨盘安装位置可以分为立磨和卧磨两种;按照磨片的材质不同可分为刚磨、金刚砂磨、石墨、陶瓷磨等,用途十分广泛。

(2)锥形磨粉机:适用于小麦、杂粮和豆类的干磨和湿磨。

工作时,依靠两磨头磨齿对物料的挤压和剪切作用磨碎物料。

锥形磨的特点是适应性广、经久耐用、加工低廉,但是干磨时成品的温升较高、成品质量较差、耗能大、生产效率低、噪声较大、轧距调整比较复杂。

(3)对辊式粉磨机:根据使用对象不同,又可分为农用小型磨粉机和大、中型磨粉机。

前者装备有一对磨辊,其结构简单、操作方便、生产率低;后者配制有两对磨辊,其结构复杂、机械化自动化程度高、生产率高,如国产MY 型磨粉机。

(4)立式辊磨机:亦称立式磨,其结构型式有十余种之多,如莱歇磨(Loeshe m ill)等。

辊磨机是利用快速转动的若干个辊子对固定磨盘中的物料进行辊压产生的研磨作用而粉碎,有效粉碎功较高;由于它是风扫式磨,兼具粉磨与烘干的功能。

其缺点是磨辊与磨盘的磨损大、寿
40 矿 冶
命短,需采用高耐磨材料制作,且检修、更换较复杂。

德国的洪堡公司、美国的富勒公司和丹麦的史密斯公司等都相继开发出各自的辊磨机系列产品。

(5)球磨机:球磨机的类型很多,应用广泛。

按研磨介质分有球磨机、棒磨机、砾磨机、自磨机(无介质)、半自磨机(少量介质)。

球磨机的优点是结构简单,适应性强,可连续操作适于大型化;缺点是效率低,耗电高,介质材料消耗大。

为适应工业化大规模生产的要求,采用分级机与球磨机闭路作业生产粉体物料。

(6)振动磨:通过磨机筒体作高频强烈振动使研磨介质对物料产生冲击、摩擦、剪切作用而使物料粉碎。

振动磨的缺点是噪音大,对轴承弹簧等部件材质质量要求高,处置某些含结晶水物料时有粒度粘结、增大现象。

振动磨主要应用在耐火材料、磁性材料、化工等领域。

国外机型主要有德国宏堡公司的Palla 型振动磨,美国SWECO 公司的立式旋振动磨。

国内振动磨生产厂家主要有温州矿山机械厂、江阴机械厂及青岛矿山机械厂。

(7)介质搅拌磨:介质搅拌磨有立式和卧式两大类,主要由一个静止的筒体和一个旋转的搅拌器组成,筒体内充满小直径研磨介质,主要通过搅拌器搅动介质产生摩擦、剪切和少量冲击粉碎物料,产品细度可小于1 m 。

介质搅拌磨被认为是最有发展前途的粉碎设备。

产品有美国U P 公司生产的Szeg vari 搅拌磨、瑞典SALA 公司生产的SAM 搅拌磨,国内有长沙矿冶研究院研制的立式螺旋搅拌磨等。

4 粉碎设备的发展趋势
鉴于粉碎技术及设备的应用涉及化工、冶金、建材、电子、化工、医药、农业等许多领域的广泛性,以及被粉碎材料种类的多样性,尤其是当代高新技术发展对材料深加工制备提出越来越高的要求:粒度微细化、粒度分布均匀化或颗粒形状特定化、品质高纯化、表面处理功能化等等,必将促使粉碎技术与设备的不断发展。

其发展和研究的主要方面应包括:
(1)开发粉碎与分级相结合的闭路工艺及设备,从而降低能耗,提高生产率;
(2)提高和改进现有粉碎设备的性能,降低生产成本,增加品种和机型;
(3)实现工艺研究和设备开发的一体化,针对具体物料特性,进行设备开发设计;
(4)重视粉碎基础理论的研究。

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41 赵 敏等:粉碎理论与粉碎设备发展评述
艺的优点,对流程进行了等可浮工艺的改造,侧重使用具有选择性的捕收剂丁铵黑药,并且和分步优先浮选工艺一样产出一个较低品位的硫精矿,使其与较高品位的分离硫精矿合并,得到最终硫精矿。

等可浮工艺于1994年投入使用至今,稳定了铜、硫的回收率,而银的回收率也得到较大幅度的提高。

1994~1998年铜、硫、银回收率统计结果如下:
年度
19941995199619971998铜回收率/%
80 5080 5780 7480 6780 81硫回收率/%
81 8681 3181 4481 4881 26银回收率/%53 255 655 856 156 3
4 结 语
银是该铜矿床最重要的有价伴生元素,综合回收银、提高其实收率能使企业获得较大的经济效益。

为提高伴生银的综合回收指标,研究了矿床中银的赋存状态,并结合选矿试验和生产实践,认为伴生银回收率低主要是尾矿中银的损失造成,其次是损失在铜硫分离的硫精矿中,再其次是入选矿石的硫品位偏高和大幅度波动引起,并且试验表明,铜硫分步优先浮选工艺和中矿再磨都能提高伴生银的回收率。

在实际生产中,分步优先浮选工艺存在难以操作、硫回收率低等缺点,同时 再磨 的条件也不成熟,充分吸取分步优先浮选工艺的优点,逐渐形成了能基本满足回收伴生银条件的等可浮浮选工艺。

此外,实际生产中应尽量提高铜硫粗选的银回收率,从而减少最终尾矿中银的损失,而且矿山供矿要密切配合,减少入选矿石中硫品位的波动,以利于银回收指标的稳定和提高。

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