ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Физические основы измельчения

Во многих случаях возникает необходимость измельчения частиц твердого материала с целью увеличения поверхности контакта при обжиге, растворении, химических реакциях, фло­тации и других процессах.

Измельчение - это процесс уменьшения размеров частиц, как правило, до 2 мм.

Дробление - это предварительное грубое измельчение час­тиц до размеров не более 2...5 мм. Цель дробления - получение кускового продукта необходимой крупности, а также подготов­ка к измельчению и размолу.

Размол - это тонкое измельчение частиц до порошкообраз­ного состояния размером менее 0,1 мм.

Для измельчения используется различное разрушающее воздействие (рис. 1.1).

В большинстве случаев в машинах реализуются одновре­менно все эти способы, но главную роль играет один из них (тот, для которого сконструирована данная машина).

Метод измельчения выбирают исходя из физико-механиче­ских свойств материала (табл. 1.1) и требуемой степени измель­чения i (табл. 1.2).

д

Рис. 1.1. Методы измельчения: а - раздавливание; б - раскалывание;
в - истирание; г - удар; д - резание; е - излом

Таблица 1.1

Выбор метода измельчения в зависимости от свойств материала

Пример

Продолжение табл. 1.1

Пример

Хрупкий, средней твердости

Удар, раскалы­вание, истира­ние

3

Вязкий, Истирание средней и удар твердости

4

Степень измельчения (i) - это отношение средневзвешен­ного размера частиц материала до и после измельчения.

где D - средневзвешенный размер частиц до измельчения, мм; dср - средневзвешенный размер частиц после измельчения, мм.

где Dn - средний размер частиц n-ой фракции в исходном мате­риале, мм; an - массовое процентное содержание частиц n-ой фракции в исходном материале.

a1 + a2 +... + an = 100 %.

Куски, получаемые в результате измельчения, не имеют правильной формы. Размеры частиц (D и d) определяют разме­ром отверстий сит, через которые просеивают материал до и по­сле измельчения (ситовой анализ).

Каждая машина может обеспечить только ограниченную степень измельчения. Например, для щековых дробилок i = = 3...6; для валковых дробилок i = 5...15. Поэтому на практике измельчение проводят в несколько стадий.

Крупное и среднее дробление, как правило, производится сухим способом, а мелкое дробление и размол - сухим или мок­рым способами.

Мокрое измельчение имеет ряд преимуществ:

• уменьшается пылеобразование;

• улучшаются условия выгрузки материала (так как образу­ется подвижная суспензия);

• повышается равномерность помола;

• существенно сокращаются энергозатраты за счет эффекта Ребиндера (жидкость, проникая в микротрещины материала, оказывает расклинивающее действие; жидкость как бы «распи­рает» материал).

При измельчении совершается работа внешних сил, пре­одолевающих силы взаимного сцепления частиц материала. Ме­ханизм этого процесса чрезвычайно сложен. Поэтому в настоя­щее время существует около 100 гипотез, объясняющих в той или иной степени механизм измельчения, но наибольшее рас­пространение получили только некоторые из них.

При измельчении куски реального твердого материала под­вергаются сначала объемной деформации, а затем разрушаются по сечениям, ослабленным различными дефектами (микро - и макротрещинами), с образованием новых поверхностей.

Работа, полезно затраченная на измельчение, расходуется на объемную деформацию разрушае­мых кусков и на образование новых поверхностей.

Объемная работа

Ау = K •AV, (1.2)

где K - работа упругого деформирования единицы объема тела; AV - изменение объема тела.

Поверхностная работа

Ар = о • AF, (1.3)

где а - поверхностное натяжение тела (работа, затраченная на образование единицы новой поверхности); AF - величина вновь образованной поверхности.

Полная работа внешних сил при дроблении выражается уравнением Ребиндера

А = K • AV + о • AF. (1.4)

При крупном дроблении величина вновь образующейся по­верхности сравнительно невелика, а объемные деформации зна­чительны. В этом случае объемная работа намного больше, чем поверхностная (AV >> AF).

Тогда расход энергии на дробление будет пропорционален изменению объема тела (~ первоначальному объему, т. е. ~ D3, где D характеризует размер):

А = K •AV + K' • D3, (1.5)

где K - объемный коэффициент формы частиц.

Работа при крупном дроблении пропорциональ­на объему (массе) дробимого куска. Это объемная гипотеза (теорема) Кика - Кирпичева.

При мелком дроблении и тонком размоле изменение объе­ма частиц при упругих деформациях незначительно, а вновь об­
разующаяся поверхность велика. В этом случае поверхностная работа намного больше, чем объемная (AF >> AV).

Тогда расход энергии при мелком дроблении и тонком раз­моле пропорционален изменению поверхности тела (~ первона­чальной поверхности, т. е. ~ D2, где D характеризует размер):

Af = о - AF = K-о ■ D2, (1.6)

где K - коэффициент формы частиц, K > 1.

Работа при мелком дроблении и тонком размо­ле пропорциональна величине вновь образующейся поверхности. Это поверхностная гипотеза (теоре­ма) Риттингера.

Для среднего дробления (промежуточный случай)

А = K2 - VD2 ■ D3 = К2 ■ D2,5, (1.7)

где K2 - опытная величина для каждого дробимого тела. Это ги­потеза среднего дробления Бонда.