第2部分-粉碎.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,粉 碎,粉碎与断裂,粉碎材料的基本性质,粉碎的工艺性质,粉碎机械力化学,一、粉碎与断裂,材料破坏、粉碎的概念,裂纹及其扩展的条件,裂纹扩展速度与物料粉碎速度,材料破坏、粉碎的概念,破坏,脆性材料：超过弹性形变极限，发生破坏,塑性材料：超过塑性变形极限，发生破坏,粉碎：,固体物料在外力作用下，克服内聚力，从而使颗粒的尺寸减小，比表面积增大的过程。,破碎：将大块物料碎裂成小块的过程,粉磨：将小块物料粉碎为粉料的过程称为粉磨裂纹扩展的条件,力的条件：在裂纹尖端产生的局部拉应力必须大于裂纹尖端分子之间的结合力,能量条件：扩展裂纹尖端吸收的能量大大超过边界表面能的数量级。,断裂表面能与断裂速度的关系见表6.1,表6.1 断裂表面能与断裂速度的关系,材料,名称,断裂表面能,转化为热的能量,（,J,m,-2,）,比表面积,（,J,m,-2,）,（,J,m,-2,）,（,J,m,-2,）,玻璃,4,44,22,0.4,10,110,塑料,300,7000,4000,1,300,7000,钢,5000,14000,130000,1.5,3300,93000,石灰石,2.5,0.1,25,理论强度与,实际强度,理论强度,分子结合力,比表面能；,杨氏弹性模量；,裂纹尖端半径；,理论强度与,实际强度,实际强度,：,裂纹长度；,裂纹扩展的临界应力,裂纹扩展的临界应力,裂纹扩展临界长度,裂纹扩展速度与物料粉碎速度,裂纹扩展速度,其中,固体中的声速,为物料密度,裂纹扩展速度与物料粉碎速度,粉碎速度,其中,与粉碎工艺及设备条件有关的系数,；,二、粉碎材料的基本性质,强度,硬度,易碎性,强度,理想强度：不含缺陷时的强度。相当于原子间或分子间结合力。,实测强度：约为理想强度的,1/1001/1000,强度尺寸效应：材料强度测定值随试验片大小变化。实验片体积变小时，其强度测定值却增大，这一现象称为强度的尺寸效应,原因：由于体积大的试验片比体积小的试验片含有更多的缺陷，含弱缺陷的概率亦大，因而试验片体积减小时，其实测强度增大。,强度,强度随加荷速度而变化：对材料的加荷速度增大时，材料的变形阻抗也增大，其破坏应力（强度）增大。,原因：加荷速度低的场合，材料的延展性易于表现出来；而加荷速度快的场合则易于呈现弹性性质。,强度随氛围条件而变化,材料强度在真空、水、空气中不相同。,硬度,材料对磨耗的抵抗性用硬度表示。严格地说，磨耗和硬度性质是不同的，可是硬度往往作为耐磨性的指标使用。硬度一般用莫氏硬度表示。,易碎性,表征材料对粉碎的阻抗，可定量地表示为材料粉碎到某一粒度所需地比功。是粉碎过程所耗能量的判据。,表示方法,Hardgrove,指数,Bond,粉碎功指数,Hardgrove,指数,Hardgrove,指数,环球磨测定仪,表达式：,GI,13+6.93W,，,W,为通过,200,目筛的筛下料重量。,GI,值越大，易碎性越好。,Bond,粉碎功指数,表达式,Bond,指数与,Hardgrove,指数之间的关系：,三、,粉碎的工艺性质,粉碎需用功,破碎粒子碰撞速度,粉碎介质碰撞速度,粉碎模型,混合粉碎,影响粉碎效率的因素,低温粉碎,粉碎需用功,无论从粉碎概率考察，还是从破坏由结合力弱点处开始来分析，都表明随着粉碎粒径的减小，粉碎需用功增大。,破碎粒子碰撞速度,气流粉碎机、冲击式粉碎机让碎料粒子加速碰撞而进行粉碎。假定粉碎处在最大粉碎效率状况下，即粒子具有的运动能完全转变为破碎能，则粒径的,1,个粒子破碎所需的碰撞速度,U,按下式计算,粉碎介质碰撞速度,假定为理想粉碎，质量为,M,B,的粉碎介质，以,U,B,速度碰撞碎料粒子，粉碎介质所具有的运动能被,100,地变换为粒子破碎能，则为破碎粒径的粒子所需介质质量和碰撞速度的关系按下式计算：,粉碎模型,Rosin-Rammler,等学者认为，破碎粉体的粒度分布具有二成份性。所谓二成份性乃指整个粒度分布包含粗粒和微粉两部分的分布。,从,Heywood,提供的颚式破碎机粉碎产品的粒度分布可知：粗粒的分布取决于颚板出口间隙的大小，称为过渡成分；微粉部分与破碎机的结构无关，它取决于材料本身的物性，称为稳定成分。,粉碎模型,H,tting,提出三种破碎模型：,a,）体积破碎模型：整个颗粒都受到破坏（粉碎），粉碎生成物大多为粒度大的中间颗粒，随着粉碎的进行，这些中间粒径的颗粒依次粉碎成具有一定粒度分布的中间粒径颗粒，最后逐渐积蓄成微粉成分（即稳定成分）,b,）表面积破碎模型：仅在颗粒的表面产生破坏，从颗粒表面不断削下微粉成分，这一破坏不涉及颗粒的内部。,c,）,均一破碎模型：加于颗粒的表面产生破坏，从颗粒表面不断削下微粉成分，这一破坏不涉及颗粒的内部。,混合粉碎,原理：对同样体积、破坏载荷不同的两种物料进行混合粉碎时，破坏载荷小的粒子优先被粉碎的可能性大。,模型：黑粒子,破坏载荷较大的粒子，白粒子,破坏载荷较小的粒子。当受到使白粒子破坏而黑粒子不破坏的载荷时，不破坏的黑粒子便将从球承受到的载荷传递给白粒子，起到了粉碎介质的作用，因而提高了白粒子接受粉碎能的概率。,混合粉碎,影响粉碎效率的因素,粗颗粒受负荷作用发生破裂，而细颗粒仅有塑性变形。这是由于颗粒粒度减小，颗粒上的裂纹长度变短及数量变少以致消失所致。同时由于破碎强度和阻力增大，使颗粒在从脆性破坏过渡至塑性变形的粒度范围内产生裂纹变得十分困难。因此，在一定粒度下，反复的机械应力作用不会导致破碎，而仅仅产生变形，在超微粉碎中它成为粉碎效率的负因素。,加荷速度,107N/s,压坏强度和破碎能随加荷速度增大而增加,107,109N/s,压坏强度和破碎能随加荷速度增大而下降,109,N/s,压坏强度和破碎能随加荷速度增大而增加,低温粉碎,适用范围：对于熔点、软化点低的热可塑性材料和因温度上升而失去结合水由氧化作用而变质的材料，以及常温时强韧、低温时脆性化的材料。,方法：预冷材料、在磨机周围通以制冷介质、磨机内混入干冰或通以冷却空气等方法进行低温粉碎。,四、,粉碎机械力化学,机械力化学概念,粉碎机械力活化作用机理,晶体结构的变化,物理化学性质的变化,机械力化学反应,助磨剂与助磨作用机理,机械力化学概念,所谓,“,机械力化学,”,乃泛指机械运动能量与化学能量的相互转换。,K,Peters,指出，机械力化学反应是由机械力诱发的化学反应。,机械力化学概念,在粉碎过程中，不仅颗粒的尺寸逐渐变小，比表面积不断增大，而且其内部结构、物理化学性质以及化学反应性也相应产生一系列的变化，此即为粉碎机械力化学现象。主要研究：在机械力作用下产生颗粒微细化时，微细颗粒尺寸大小、晶粒大小、表面性质改变、晶格畸变与晶格缺陷、活性点分布与活性表面的浓度等所显示出来的与原粗颗粒不同的物理化学性质，以及要获得这些新的物理化学性质所需的措施。,粉碎机械力活化作用机理,1.,物料在机械力作用下粉碎生成新表面，颗粒粒度减小，比表面积增大，从而粉体面自由能增大，活性增强。,随着物料颗粒度的减小，规整的晶面在颗粒体系总表面上所占比例减小，键力不饱和的质点占全部质点数的比例增多，在尖角、棱边处不饱和程度高的质点数亦增多，从而大大提高了颗粒的表面活性。断裂的立方晶格角上的配位原子比饱和时少三个，在棱边上的少二个，面上的少一个。固体表面上具有台阶、弯折、空位等处质点的表面能一定大于平面质点的表面能。,粉碎机械力活化作用机理,颗粒表面能的数值不仅取决于比表面积的大小，假设相邻原子的结合力为,F,，配为数为,K,。整个晶体的原子数为,N,只要晶体相对质点足够大，则总的结合能,H,和上述参数的关系为,H=FKN/2,若原子间的键被断开，形成两个新表面，相邻原子的间距为,a,，颗粒的单位表面能,取决于断裂面的几何形状和质点所处的位置。体系表面自由能随着粒度的减小而显著增大，亦即减小粒径对增强物料表面活性具有重要作用。,粉碎机械力活化作用机理,2.,颗粒在机械力作用下，表面层发生晶格畸变，其中贮存了部分能量，使表面层能位升高，从而活化能降低，活性增强。,物料颗粒受机械力作用，在粉碎过程中，随颗粒的细化将从脆性破坏转变成塑性变形。塑性变形的实质是位错的增殖和移动。颗粒发生塑性变形需消耗机械能，同时在位错中又贮存能量，这就形成机械力化学的活性点，增强并改变矿物材料的化学反应活性。,粉碎机械力活化作用机理,粉碎过程中机械力化学的主要特征是体系自由能增大。对真实晶体，自由能与晶格缺陷的关系为,f,为自由能；,U,为内能；,S为熵；,n,为晶格缺陷数；,N,为晶格的总原子数；,Eu,为晶格能；,颗粒及粉磨介质的塑性变形、破碎、摩擦等诸多因素综合作用的结果，使晶格缺陷数增多及其扩散速度,D,增大,。,在粉料过程中晶格缺陷数的增加，增进自发和非均一过程，促进反应物之间的相互作用。,粉碎机械力活化作用机理,3.,物料颗粒在机械力作用下，表面层结构发生破坏，并趋于无定形化，内部贮存了大量能量，使表面层能位更高，因而活化能更小，表面活性更强。,物料颗粒经机械粉碎后形成的微细颗粒表面性质大大不同于原有粗颗粒，机械力的持续作用使颗粒表面的活性点不断增多，颗粒表面处于亚稳高能活性状态，易于发生化学或物理化学变化。,粉碎机械力活化作用机理,表面能增大和活性提高，将导致下述一种或几种结果的产生：,表面结构自发地重组，在表面形成易溶于水,的,非晶态结构并降低表面张力；,颗粒相互粘附，引起团聚甚至重结晶；,外来分子，如气体、蒸汽等在新生成地所谓“自由”表面上自发地进行物理吸附或化学吸附。由于这些分子地吸附降低了表面能，从而可阻止颗粒地团聚和重结晶。,晶体结构的变化,晶格不规则,粉碎过程中，随着微细化而使粒径减小的同时，还产生颗粒表面晶格的不规则化及结晶性的下降。,所谓晶格的不规则是指晶格的晶面间距发生变化、变动以及形成非结晶结构等，即在机械力作用下，有序的结晶结构被破坏，形成非晶态层，最终导致整个结晶颗粒无定形化。,如石英颗粒有一层非结晶层的厚度。,晶体结构的变化,晶型转变,当矿物受粉碎而微细化时，可产生前述的结晶不规则、非结晶化、中间结晶相等状态，并形成焓增大的不稳定项。如不断地施加压缩、剪切、弯曲、延伸等力，使其能量超过不稳定相转移和结晶地活化能，就要产生晶型转变。如方解石粉碎时转变。,物理化学性质的变化,物料在粉碎过程中，不仅颗粒大小、晶体结构发生变化，而且机械力还诱发颗粒产生一系列地物理化学性质地变化，例如分散度、溶解度、溶解速度、吸附、粒子交换和置换能力、密度、电性等。,分散度,粉碎过程中，随着粒度地细化，其表面积增大，这一比表面积实际上表征体系,的,分散度。粉碎平衡：颗粒的细化过程与微细颗粒的团聚过程是可逆的，当正反两方面的速度相等时，,即称为粉碎平衡，这时,颗粒尺寸达到极限值。,溶解度,许多矿物，如方解石、刚玉、矾土、铬铁矿、方钻矿以及各种硅酸盐矿物等，经机械力活化都能显著地提高其溶解度和溶解速率。,吸附能力,颗粒粉碎后，在断裂面上出现不饱和键和带电的结构单元，使颗粒处于不稳定的高能状态，从而增加活性，提高其表面的吸附能力。,离子交换和置换能力,细磨、超细粉磨导致矿物表面富含不饱和键及残余电荷的活性点，从而提高了离子交换或置换能力。,机械力化学反应,机械力和其它的形式的能量一样，可引起物质化学性质的变化，这种由机械力诱发的物质的化学反应成为机械力化学反应。这些反应包括气相固相间、液相固相间、固固相间的机械力化学反应，以及机械力化学分解反应等。,黄丹经,20,小时以上的粉磨，转变为方铅矿，而以硫磺形式存在的氧化物经化学反应转变为方铅矿；碳酸盐粉磨时释放二氧化碳；高岭土经长时间粉磨，外来铝离子进入高岭土的晶体结构中；石英和方解石混合粉磨时，产生硅酸钙和二氧化碳。,助磨剂与助磨作用机理,助磨剂是一种表面活性剂。在粉磨过程中添加少量助磨剂到粉磨物料中，即能吸附在物料颗粒的表面上，通过物理化学作用产生力学效能，从而加速粉碎。,助磨剂与助磨作用机理,助磨剂分子吸附于固体颗粒表面上，改变了颗粒的结构性质，从而降低颗粒的强度或硬度。,钻销硬质岩石时，如在冲洗液中加入电解质或表面活性剂，可使钻通速度提高,20-60%,。结论：,1.,存在界面吸附时，界面处的晶格内聚力降低了，也就是吸附降低了界面张力。,2.,颗粒上原有的裂缝在吸附表面活性剂分子并形成吸附层后更容易扩展，防止裂缝的愈合，即物料的断裂性能发生改变。,助磨剂与助磨作用机理,助磨剂吸附于固体颗粒表面上，减小了颗粒的表面力。,根据磨细的物料在添加助磨剂前后流动性的改变，可说明助磨剂有减小颗粒间粘附力和团聚的作用。,Krupp,测定了颗粒吸附表面活性剂分子后粘附力的变化。试验结果表明，所试物料在添加有机表面活性剂后，粘附力显著降低。,助磨剂与助磨作用机理,粉磨过程中颗粒团聚的原因。聚集的根源是粉碎所截断的颗粒内部的电价键。正是这种出现断裂时所产生的新表面上的游离电价键驱使临近颗粒的相互粘附和聚集。水泥中的,Si-O,键和,Ca-O,键发生断裂时在界面处产生大量的钙离子和氧离子。在没有外来离子或分子将这些活性点屏蔽时，他们会彼此吸引，使断裂面趋于复合。研磨介质对这些刚断裂的颗粒的撞击作用，可产生新的断裂，也可使颗粒压紧，促进已分离部分的复合。助磨剂的作用就是迅速提供外来离子或分子去满足断开面上未饱和的电价键，消除或减弱聚集的趋势，组织断裂面的复合。,助磨剂与助磨作用机理,助磨剂的种类,碱性聚合无机盐：除用于硅酸盐粉磨之外，一般多聚磷酸盐优于多聚硅酸盐；,碱性聚合有机盐：最适宜采用聚丙烯酸酯；,偶极偶极有机化合物：如烷烃醇胺等,助磨剂与助磨作用机理,助磨剂的发展方向,应用工业废料开发助磨剂新品种,将多种有效助磨剂成分配合在一起，组成复合助磨剂，以满足各种物料在不同团聚下的粉磨要求，发挥最佳助磨效果,助磨剂的多功能化，即不仅其助磨作用，还能起减水剂和活化水泥的作用，制备出高强度的塑化水泥。,