水泥工业粉磨工艺技术与装备的讲座(四)——粉碎理论

水泥工业粉磨工艺技术与装备的讲座

(四)——粉碎理论

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1.强度理论

工业粉碎用的物料，来自天然矿山、井下的开采或工业生产的过程，它们内部本身都存在着许多的局部薄弱面（如：不均质性的解理面、微细裂纹等）。在外力作用时，由于这些局部薄弱面的作用，使其周围产生应力集中，外力增加，应力集中将更大，解理加剧、裂纹扩展开始，必然导致物料的破坏。实际上强度值是随被粉碎物料的形状、大小变化而变化的，物料粒度越小，强度值显著增大。因为物料越大，其不均质性也越大。

在物料中的各组份对强度的作用不是叠加的，也不是各组份的平均值，而是最小值。极少量的薄弱部位决定了物料整体的物理性质。

2.能耗理论

粉碎过程是一个外力做功的过程，物料颗粒粒径的减小与能量消耗之间存在着一个什么样的关系？一直是粉碎理论研究的焦点。一百多年来，许多学者曾提出过一些推力精辟的理论。虽然这些学说都是从一些不切合实际的假设开始，但他们最终研究的结果，在某一个方面对生产实践却具有相当大的适用价值。

（1）表面积假说

1867年雷廷智（P.R.Von Rittinger）提出，粉碎过程是物料由大球形变为小球形的过程，粉碎过程的能耗与物料表面积的增加成正比。

实践证明，该理论用于粉碎过程能耗计算，当粉碎产品粒径范围在0.01～1mm时，比较适合。

（2）体积假说

1885年基克（F.Kick）提出，物料粉碎过程，是由一个大圆柱体受到挤压力的作用，在其内部引起应力和产生应变，应力达到极限，导致物料破坏，变成形状相似的小圆柱体，同时每次的粉碎比都相同，粉碎所消耗的能量与物料的体积或质量的减小成正比。

实践证明，当粉碎产品粒径范围大于10mm时，用于粉碎过程能耗计算比较适合。

（3）裂纹假说

1952年邦德（F.C.Bond）提出，物料粉碎的过程，是一个大正方体在受压的情况下，积累一定的能量后产生了裂纹，由于裂纹的扩展，纵横交错，形成一堆大小相同的小正方体，最后才被粉碎。粉碎所消耗的能量与正方体的边长（颗粒平均粒径）的平方根成反比。

实践证明，当粉碎产品粒径范围在1～10mm之间时，用于粉碎过程能耗计算比较适合。

3.粉碎机械化学理论

粉碎机械化学，它泛指机械运动能量与化学能量的相互转化。它研究固体物料在施加冲击、剪切、摩檫、压缩、延伸等机械力作用后，其内部晶体结构会不规则化和产生多相晶型转变，导致晶格缺陷发生、比表面积增大、表面能增加等，随之物料的热力学性质、结晶学性质、物理化学性质等都会发生规律性变化。 机械粉碎是采用机械能使物料由大颗粒变成小颗粒的工艺过程。在粒径减小的同时，自身的晶体结构、化学组成、物理化学性质等，都会发生机械化学变化。这些变化并非在所有的粉碎作业中都能显著存在，它与机械力的施加方式、粉碎时间、粉碎环境以及被粉碎物料的种类、粒度、物理化学性质等，都有密切的关系。

在水泥生产中，粉碎机械化学的应用研究越来越深入。它是“物理激发”技术的理论根据。如：如何进一步提高水泥或活性混合材的比表面积，以增进或提高其水化反应活性、强度等级、及使用性能等等。[page

4.球磨机粉磨理论

球磨机是一种以研磨体（钢球、钢段等）在回转的筒体内对物料进行粉碎的重要粉磨设备。为了确定其机械设计制造的计算依据和它工作时的主要技术参数，必须对动态研磨体的运动规律作详细地分析。研究者作出了如下假设，使研究内容的复杂程度得到了简化。

（1）研磨体与磨机筒体内壁之间的相对滑动忽略不计；

（2）磨机筒体内物料对研磨体运动状态的影响忽略不计；

（3）当磨机正常运转时，研磨体在磨机筒体内，按其所在位置一层一层地进行连续循环运动，且各层研磨体在循环运动中互不干扰；

（4）研磨体在筒体内循环运动的轨迹是由两种曲线封闭组成，一种是以筒体断面中心为圆心向上运动的同心圆弧；另一种是向下运动的抛物线。

5.球磨机粉磨动力学理论

为了控制物料在球磨机内的粉磨过程、选择球磨机最佳工作条件，必须要掌握在整个粉磨过程中，随时间的增加，磨内物料粒度减小的情况。这就是粉磨速度问题，即：粉磨动力学理论。

某一粗粒级含量的减少速度与该瞬间球磨机中未磨好的粗粒级含量成正比。其数学表达式如下：

式中： R—粉磨t时间后，某一粗粒级的含量（以筛余累计百分数表示）；

t —粉磨时间；

Kt—粉磨速度常数，与粉磨条件有关；

“－”负号表示R随时间增加而减少。

1954年高登（A.M.Gaudin）、巴斯（L.Bass）等人导出了一个新的粉磨动力学的数学模型，也被业内人士称之为：现代粉磨动力学数学表达式，并应用于工业生产指导工作。

在整个粉磨过程中，粒度i增加的速率必须等于所有大颗粒产生的粒度i的总量，减去粒度i粉碎成较小颗粒的速率。

式中：Mi、Mj—表示粒度I.j在总颗粒质量中的重量百分数；

Si、Sj—表示粒度I.j的单位粉碎速率；

bij—表示粒度j粉碎到i的重量百分数；

t—粉碎时间。

6.料床粉碎理论

在破碎机械中，我们经常看到机械力直接作用于物料将其粉碎；然而在粉磨设备中，物料被粉碎的现象却不一样，它是以一种物料床层（颗粒群）的堆积方式来接受外力，直接受外力作用的颗粒很少，大部分是通过颗粒之间的传递、或相互作用受应力集中而被粉碎、破坏，这就是“料床粉碎”现象（也称“料层粉碎”）。 1972年德国学者舒纳德（SchÖnert）从能量需求观出发，研究了在不同粉碎方式下单颗粒脆性物料的粉碎，并用高压挤压方式进行了料床粉碎，得出所需能耗大大低于传统球磨机粉磨的方式，1984年制造出世界第一台辊压机。料床粉碎理论的研究也开始了新的一页。