1、破碎的物理學原理與工藝流程破碎物理學原理粉碎物理學是在傳統的粉碎原理巖石的機械力學基礎上發展起來的，視野更 加開闊，對生產的指導意義更加突出。 在傳統的粉碎原理中，巖石的機械力學主要考慮兩個方面：一是巖礦的物理性質 （巖石的結構和構造、孔隙度、含水率和硬度、密度、容重及碎脹性）與其被粉碎的難易 程度的關系；二是巖礦在外力作用下，因其性質和載荷大小、速度的不同，發生彈性形 變和塑性形變直至粉碎的相關規律。粉碎物理學則大大地擴大了其研究的范圍，也更 逼近于粉碎的實際過程。主要方面有：單顆粒粉碎與料層粉碎，選擇性破碎，粉碎極限等。1.單顆粒粉碎單顆粒粉碎是粉碎技術的基礎。1920年格里菲思提出了強度

2、理論。在理想情況 下，如果施加的外力未超過物體的應變極限，則物體又會恢復原狀而未被破碎，但由于 固體物料內部存在著許多細微裂紋，將引起應力集中，致使裂紋擴展。這一理論一直 統治著固體單顆粒粉碎機理的研究。舒納特于20世紀80 年代中期，歸納了應力狀態與顆粒的關系，如圖1-9所示，并 指出，有關材料特性可分為兩類：第一類是作為反抗粉碎阻力參數，第二類是應力所產 生的結果參數。這兩類參數不是從熟悉的材料特性（ 如彈性模數、抗拉強度、硬度等） 引導出來的，它們包括有：（1）阻力參數：顆粒強度、斷裂能、破碎概率、單面表面的反作用力、被破碎塊的組 分、磨碎阻力。（2）結果參數：破裂函數（破碎產物的粒度分

3、布）、表面積的增大、能量效率；材料 特性與被粉碎物料結構及載荷條件物料種類、產地和預處理方法；顆粒強度、形 狀、顆粒的均勻性；載荷強度、載荷速度、載荷次數、施加載荷的工具形狀和硬度、濕度 等。舒納特等人對此進行了較全面的研究，推進了單顆粒粉碎理論的發展。2.料層粉碎料層粉碎有別于單顆粒粉碎。單顆粒粉碎是指粒子受到應力作用及發生粉碎事 件是各自獨立進行的，即不存在粒子間的相互作用。而料層粉碎是指大量的顆粒相互 聚集，彼此接觸所形成的粒子群受到應力作用而發生的粉碎現象，即存在粒子間的相 互作用。料層粉碎與單顆粒粉碎物料數量的界限，依據阿齊茲（Aziz）的研究，體積中的固 體容積百分率為10%時，則

4、表現為單顆粒粉碎行為，超過45% 則為料層粉碎行為，依 據舒納特等人的研究，在容器內進行料層粉碎應消除器壁效應的影響，當物料中最大 顆粒粒徑為Dmax ，容器直徑為D，料層高度為h時，必須滿足下列條件：D/Dmax10;h/Dmax6;h/D1/3依據李去龍的研究，只有料層厚度大于6時才符合料層粉碎的定律。3.粉碎極限隨著礦物加工工業向精細化方向發展，對于產品粒度的要求在一些工業部門已達 到微粒和超微粒的粒度范圍。到底機械粉碎方式能達到多細，近幾年一些學者提出了 粉碎極限的問題，這也屬粉碎物理學的一個新領域。眾所周知，能夠獨立存在并保持原物質性質（ 化學性質）的最小微粒是分子。因 此，我們能夠

5、將某固體物質（如某礦物）分割成的最小顆粒極限粒度是該物質分子的大 小。用機械方法縮小顆粒的粒度，假設達到了粒子粒度的終點，則稱之為粉碎的極限 粒度。這個極限粒度的大小決定于該礦物的晶體晶格結構和結構阻力。根據計算，石 英的粒度大約在10A10A（0.001um0.01um）范圍以下，按表面積計算，超過了6*106 cm2 /cm3 6*103 cm7 /cm3 的范圍。高登（Gaudin）的計算，石英的單位晶體的值 為0.0005um。這些值，應該說是限定的粉碎絕對極限粒度。由于現代粉碎手段的限 制，至今人們還不可能獲得達到粉碎極限粒度的產品，而只能獲得10倍甚至100 倍于 它的粒度，如1u

6、m0.1um，已是很困難的了。如磨礦，有人將磨礦時間延長到100h 以上，所獲得的產品細度降低不大，甚至于某些礦物隨著磨礦時間的延長，產品粒度反 而變粗。因此，這里存在著一個粉碎實際極限粒度。依據一些學者的研究，其原因在于：（1）現有的任何一種粉碎設備，由于其性能本身的限制，其破碎（ 磨碎）比是一定 的，因此，要使其超出粉碎實際極限是困難的。（2）任何現有的粉碎設備，其輸入的能量及能量利用率是一定的，而粉碎的效果取 決于該設備依次粉碎能量的大小和能量利用率，延長粉碎時間，增加的是累積能量，而 累積能量的大小并不是粉碎的決定性因素。（3）隨著顆粒粒度的減小，表面能增大，導致顆粒的聚合力（ 內聚力

7、或粘著力）增加，從而形成粒度減小與聚合的動力平衡粒度；在粉碎過程中，晶體表面的錯位和晶體 結構上的明顯錯位，引起機械化學上的變化，如石英表面形成非晶形膜，方解石變成霞 石等；顆粒的破碎阻力增大，一次粉碎所需的粉碎能量顯著增大，從而導致粉碎能量的 分散。（4）在批量磨礦中，隨著試驗的延長，粗細顆粒的比例發生變化，殘余粒會阻礙細 粒獲得足夠的粉碎能量，而細粒又會對殘余粒產生保護效應。 由此可見，要實現超細粉碎使產品盡可能達到粉碎極限粒度，關鍵在于提高一次 粉碎的局部應力，即一次粉碎輸入的有效能量，而不在于無限延長磨礦時間。4.選擇性粉碎巖石的破碎有各種各樣的目的，可大致劃分成兩種：第一種情況只要求

8、將巖石的 尺寸減小到一定的尺寸，如獲得碎石。這時將塊狀巖石看成是各向同性同體積的物 料，用可以獲得的粒度或表面積來劃分；第二種情況是選礦和其他許多工藝過程中，要 求巖石的一種礦物或多種礦物解離，以便利用物理、化學的方法將不同的礦物顆粒分 離出來，這時巖石必然看成是各向異性的，每個相具有自己固有的性質和組成，由此可見，對于每一種目的應該有自己的一套粉碎方法。而實際上恰恰相反，在 決定各種粉碎任務時，運用的是相同的破碎和磨碎的方法，并且絕大多數情況下，運用 的粉碎方法是建立在無序的粉碎過程的基礎上，是在不定強度的載荷聯合作用下實現 的，導致在不可知的方向上的粉碎，具有相應的粉碎概率。顯然，這種無序

9、粉碎，既消 耗大量的能量，又易造成過粉碎。用于選礦等廣義的準備作業的巖石粉碎，其指導思 想是沿分割相表面粉碎，并且用最低的能耗，這就是選擇性粉碎。從這個概念出發，列夫尼切夫提出了選擇性粉碎的兩個原則：第一是沿分割相表 面粉碎，即粉碎的幾何學選擇原則；第二是用最低的能耗，即粉碎的動力學選擇原則， 并進行了理論計算。兩種礦物的交界面是復雜的。郝木諾夫等人的研究提出，礦石的解離特性取決于 構成礦石的各礦物相及相界面的強度。礦物共生界面的作用。不僅能構成結構成一 整體的礦石，而且決定著外應力的傳遞、分配及各組分的離解。礦物間的聯結強度取 決于包括成礦及繼而的變質條件在內的許多因素，這些因素決定了共生界

10、面的結晶學 及結晶化學的參數、化學組成及化學鍵的結構與類型。在成礦及變質過程中，如果有 能使原子通過共生界面擴散的條件（ 溫度、用力、時間），則界面可變為過渡區，其強度 高于界面的共生礦物或它們之一。在粉碎時，礦物的解離取決于粉碎方法，即每一個粒子消耗的能量的形式和數量 及粒子的選擇性機械強度。選擇性機械強度表征了在（內或外）應力作用下，其中的組 分完全解離時的礦石解離特性。這個數值取決于晶體間強度和穿晶強度的比值。晶體間的強度可以由界面間巖石選擇性解離的阻力來獲得。穿晶強度由其巖石中任何 礦物的選擇性解離的阻力來確定。因此，欲選擇合理的粉碎方法，以期達到最佳的解 離，必須對礦石中各組成礦物及

11、其界面特性、碎裂的動力學特性等進行綜合考慮。粉碎功耗一個半世紀以來，粉碎過程的功耗問題始終是粉碎機理的研究重心，它能便于人 們認識粉碎過程的輸入功與粉碎前后物料潛能變化的關系，為確定物料的可碎性，合 理地選擇和設計粉碎設備，評價粉碎效率等提供理論基礎。眾所周知，功耗理論有三大著名的功耗學說，即雷廷格爾（P.Rittinger）的“ 面積 說”、契爾皮切夫（B.ji,KupnhyeB）和基克（F.Kick）的“體積說”、邦德（F.Bond）和王仁 東的“裂縫說”，這三大理論的提出，歷經了近百年。 這三大理論，各自反應了粉碎過程的某一階段，都有片面性，但互不矛盾，而是相 互補充。對于粗粒物料的粉碎

12、過程，體積說比較實際；對于細粒物料的粉碎，面積說與 實際過程較吻合；裂縫說適用于中等粒度的粉碎過程。這三大理論，各自反應了粉碎過程的某一階段，都有片面性，但互不矛盾，而是相 互補充。對于粗粒物料的粉碎過程，體積說比較實際；對于細粒物料的粉碎，面積說與 實際過程較吻合；裂縫說適用于中等粒度的粉碎過程。粉碎過程的物理化學傳統的觀點是將粉碎過程視作一個機械力學過程，而實際上粉碎過程是一個物理 過程，如粉碎功耗的三大學說，始終突出了表面能與粉碎功耗的關系。粉碎的物理化 學問題屬粉碎引起的機械化學反應的一個組成部分。機械化學反應是由機械能誘發 的化學反應，是機械運動能與化學能量的交換。在許多應用領域，如

13、塑料填料、涂料等，不僅對非金屬礦粉體產品的粒度、純度有 要求，還對其表面物理化學性質：如白度或亮度、親水性、疏水性、吸附活性、電性、比表 面積等有要求。對于金屬礦物，在分選過程中，粉體的表面性質對分選也是至關重要 的決定性因素。因此，如能有目的地將粉碎加工與機械激活表面改性和表面包覆結合 起來，將簡化工藝流程并提高經濟效益。近年來的研究表明，在粉碎過程中引起的物理化學變化，主要有如下四個方面：（1）有些物質，隨著粒徑的減小，引起表面能增加。這是由于外力所作的功，增加 了粉體表面積，即增加了表面能。（2）有些物質，隨粒徑的減小，粉碎面上的表面能下降。 對于離子晶體和金屬，它的表面結構與其內部結構

14、不同，表面層的陰離子要向外 偏移，陽離子則向內偏移。這是因為陰離子的半徑大、易分級而形成電偶極子，偶極子 的正電荷受鄰接于內部的陽離子的排斥作用；相反，陽離子則幾乎不分級。因此，無機 物的晶體和分子同時受靜電力和分級力的作用。當晶體受單純的劈裂作用生成新斷面時，其表面的結構和性質在很大程度上受到 表面離子的性質大小、荷電量和分級性的影響。通常將作用于固體斷裂表面的顆 粒（離子、原子）上，并朝向空間一側的凝聚力稱為表面力。此時，表面能將隨下述過程 產生的表面結構的變化而降低：1.表面離子的分級；2.表面上分級性大的離子數增加， 而分級性小的離子數減少；3.分級性大的離子由表面外移，分級性小的離子

15、內移。(3)受機械應力與周圍環境的影響，引起表面性質的變化。在空氣中，被粉碎的物料顆粒表面形成無定形膜或氧化膜。在濕式磨礦中，情況就比較復雜，如黃鐵礦在不同的pH 值礦漿中細磨，其表面成 分就顯著不同：當pH=9時，表面不是硫化礦物表面，而是氫氧化物層；當pH=3 時， 表面為黃鐵礦表面。(4)在機械力作用下，引起結晶構造的轉變。最典型的代表是黃色氧化鉛在球磨機內磨碎時，生成了赤色氧化鉛。 目前，粉碎物理化學的研究，除對上述機械化學反應方面的研究外，對于粉碎界則 著重于下列三個方面：(1)物料可碎性的調節。為了突破各種粉碎設備的粉碎實際粒度極限，使產品接 近粉碎的絕對粒度極限，進一步降低粉碎能

16、耗而開展助磨劑的研究；為了改善后續的 加工工藝而開展選擇性粉碎的研究等。(2)粉碎對物料可選性的調節。主要是改善粉碎過程所造成的物理化學環境對礦 物表面性質和結構性質的影響，從而有利于分選、分離、浸取、萃取等。(3)為節約鋼耗開展的介質磨損速率的調節研究。粉碎工藝學粉碎工藝學的范圍較廣，本書只就近年來有關節能新工藝的情況，作一簡介。 節能新工藝的基本原則是“ 多碎少磨”和“ 以碎代磨”。從表1-3可以清楚地得 知：破碎的能耗低于研磨的能耗，破碎的能量利用率高于研磨的能量利用率。1.為了降低破碎產品的粒度應采取的主要措施(1)選用合適的破碎腔幾何形狀和運轉參數。進一步改進破碎機的結構；研制以料層

17、粉碎理論為基礎的新型破碎機，重點是研制超細破碎機，進行第三段破碎的更新換代。(2)強化預先篩分，尤其是強化中碎前的預先篩分，推廣新三段閉路流程；選擇合 理的碎礦工藝，在破碎段加入選礦作業，早丟多丟廢石和排出尾礦。(3)調整各段破碎比，充分發揮各破碎段設備的負荷潛力，尤其是適當增大粗、中 碎破碎比，減輕第三段破碎機負荷。2.改進和強化磨碎過程(1)改進磨礦設備，研制新型高效節能磨機，重點是對磨腔內元件（ 如襯板、介 質）、工作參數和傳動系統方面進行改進。(2)合理使用自磨機和自磨工藝；提高與磨機配套使用的篩分、分級的分級效率，改進分級工藝；研究來源廣、高效、廉價和無污染的助磨劑，人工調節物料的可

18、磨性。(3)依據斷裂力學的理論，采用礦石預損傷手段，增加礦石顆粒中裂紋，改善礦石 的可磨性；提高磨礦過程的自動控制水平。3.破碎的新工藝常用的破碎工藝主要有一段、兩段和三段破碎流程，可以是開路，也可以是閉路。 一段破碎流程，一般使用顎式破碎機，為自磨機提供合理組成的礦石。兩段破碎流程的構成，近年來有許多改進，出現了多樣化的勢頭。主要工藝流程有：（1）顎式破碎機一圓錐破碎機：產品細度1s mm（2）顎式破碎機一旋盤式破碎機：產品粒度10mm12mm（3）顎式破碎機一錘式破碎機：產品粒度12mm（4）顎式破碎機一細碎顎式破碎機：產品粒度15mm（5）細碎顎式破碎機一高壓輥磨機：產品粒度5mm對于兩段破碎流程，目前的趨勢是使用顎式破碎機一細碎顎式破碎機，產品較細， 生產率較大，能耗較低。但第五種流程更有前途，目前的問題是細碎顎式破碎機開路 工作時，產品較粗，閉路時流程復雜因為500mm*120mm高壓輥磨機的給料粒度22mm，與細碎顎式破碎機開路聯接尚有些困難。再者細碎顎式 破碎機給料粒度有 限制，若采礦粒度稍大，就需在前面增加一段普通顎式破碎機。三段破碎流程的前景是用高壓輥磨機代細碎圓錐破碎機，這樣才能確保破碎最終粒度小于5mm。