材料機(jī)械與設(shè)備

材料科學(xué)與工程專業(yè)主講：謝玉芬材料科學(xué)與工程學(xué)院材料機(jī)械與設(shè)備第六章粉體的機(jī)械制備6.1基本概念6.1.1粉碎與粉碎比

粉碎：是固體物料在外力作用下，克服內(nèi)聚力，使之顆粒尺寸減小，表面積增加的過(guò)程。（定義）粉碎是一種使大塊物料變成小塊物料甚至粉末，并產(chǎn)生新表面的過(guò)程。它可分為兩個(gè)階段，將大塊物料碎裂成小塊稱破碎；將小塊物料碎裂為細(xì)粉末狀物料的加工過(guò)程稱粉磨。相應(yīng)的機(jī)械分別稱為破碎機(jī)械和粉磨機(jī)械。

第六章粉體的機(jī)械制備6.1基本概念

粗碎物料破碎到100mm

破碎中碎物料破碎到30mm

細(xì)碎物料破碎到3mm

粉碎

粗磨物料粉磨到0.1mm

粉磨細(xì)磨物料粉磨到60μm

超細(xì)磨物料粉磨到≤5μm

（小至亞微米）粗碎物

粉碎度（粉碎比）

粉碎前物料的尺寸D與粉碎后物料尺寸d的比值為粉碎度（破碎比）

i=D/d上式系指平均粉碎度，破碎機(jī)的公稱粉碎比i公=最大進(jìn)料口寬度/最大出料口寬度破碎機(jī)i=3～30，粉磨機(jī)i=500～1000

機(jī)械工作的基本技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，粉碎設(shè)備性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。粉碎度（粉碎比）6.1.2粉碎級(jí)數(shù)與粉碎流程多級(jí)粉碎：幾臺(tái)粉碎機(jī)串聯(lián)起來(lái)的粉碎過(guò)程。粉碎級(jí)數(shù)：串聯(lián)粉碎機(jī)的臺(tái)數(shù)。總粉碎比：原料粒度與最終產(chǎn)品的粒度之比。總粉碎比與各級(jí)粉碎比的關(guān)系如下：i0=i1?i2?i3?i4?…in=D/dn例題1.(p81)6.1.2粉碎級(jí)數(shù)與粉碎流程粉碎流程（p82圖6.1）簡(jiǎn)單的粉碎流程（a)

開路流程帶預(yù)篩分的粉碎流程(b)帶檢查篩分的粉碎流程(c)

閉路流程帶預(yù)篩分和檢查篩分的粉碎流程(d)開閉路的區(qū)別在于粉碎后的粗物料是否再回到粉碎機(jī)粉碎流程（p82圖6.1）循環(huán)負(fù)荷率：

粗顆粒回料質(zhì)量與該級(jí)破碎（或粉磨）產(chǎn)品質(zhì)量之比。篩分效率（或選粉效率）：

檢查篩分（或選粉設(shè)備）分選出的合格物料質(zhì)量與進(jìn)該設(shè)備的合格物料總質(zhì)量之比。基本概念粉碎功耗粉碎方法和設(shè)備分類ppt課件6.1.3.強(qiáng)度強(qiáng)度：指材料對(duì)外力的抵抗能力，通常以材料破壞時(shí)單位面積上所受的力表示。按受力破壞方式不同可分為：壓縮、拉伸、彎曲和剪切強(qiáng)度等。理想強(qiáng)度：材料結(jié)構(gòu)非常均勻，沒有缺陷時(shí)的強(qiáng)度。此時(shí)，原子或分子間的引力源于原子或分子間的化學(xué)建。而斥力源于原子核間的排斥力。引力和斥力的作用使原子或分子處于平衡位置，理想強(qiáng)度就是破壞這一平衡所需的能量。σth=(γE/α)1/2γ-表面能；E-材料彈性模量；α（R0）-晶格常數(shù)（引力和斥力相等時(shí)原子或分子間的距離）6.1.3.強(qiáng)度材料分子或原子間作用力與分子或原子間距離的關(guān)系材料分子或原子間作用力與分子或原子間距離的關(guān)系實(shí)際強(qiáng)度：由于實(shí)際材料不可避免的存在缺陷，從而使材料在受力尚未達(dá)到理想強(qiáng)度前，這些缺陷的薄弱位置已經(jīng)達(dá)到其極限強(qiáng)度，材料已經(jīng)發(fā)生破壞。實(shí)際強(qiáng)度≈（10-3～10-2）×理想強(qiáng)度

（p83表6.1一些材料的理想強(qiáng)度和實(shí)測(cè)強(qiáng)度）材料的實(shí)測(cè)強(qiáng)度大小與測(cè)定條件有關(guān)，如試樣的尺寸、加載速度及測(cè)定時(shí)的介質(zhì)環(huán)境等。實(shí)際強(qiáng)度：由于實(shí)際材料不可避免的存在缺陷，從而使材料在受力尚6.1.4.硬度表示材料抵抗其他物體刻劃或壓入其表面的能力，（固體表面產(chǎn)生局部變形所需的能量）。這一能量與材料內(nèi)部化學(xué)鍵強(qiáng)度以及配位數(shù)等有關(guān)。無(wú)機(jī)材料一般以莫氏硬度表示，硬度值越大意味著硬度越高。

（P84表6.2典型礦物的莫氏硬度值）硬度可作為材料耐磨性的間接評(píng)價(jià)指標(biāo)，即硬度值越大者，通常耐磨性也越好。6.1.4.硬度6.1.5.易碎性

物料粉碎的難易程度。與材料的強(qiáng)度、硬度、密度、結(jié)構(gòu)、水分、表面情況及形狀等有關(guān)。易碎性通常用易碎性系數(shù)表示，又稱相對(duì)易碎系數(shù)。

Km=Eb/E

式中Eb-粉碎標(biāo)準(zhǔn)物料單位電耗，J/t；E-粉碎風(fēng)干狀態(tài)下該物料的單位電耗，J/t。物料易碎系數(shù)愈大，愈易粉碎。已知某一粉碎機(jī)在粉碎某一物料的生產(chǎn)能力Q，利用易碎系數(shù)，可求出這臺(tái)粉碎機(jī)在粉碎另一物料時(shí)的生產(chǎn)能力Q1，即Q1/Q=Km1/Km6.1.5.易碎性Wi越小，物料的易碎性越好Wi越小，物料的易碎性越好6.2粉碎功耗理論6.2.1經(jīng)典粉碎功耗理論

1)Lewis公式：粒徑減小所耗能量與粒徑的n次方成反比。

dE=－CdD/Dn（6.7）式中：

E為粉碎功耗；D為物料的粒徑；C、n為常數(shù)。

缺陷：隨著粉碎過(guò)程進(jìn)行，物料粒度不斷減小，其宏觀缺陷也減小，強(qiáng)度增大，因而減小同樣的粒度所需的能量是要增加的。即粗粉碎和細(xì)粉碎階段的比功耗是不同的。

2)雷廷智（RittingerP.R.）表面積理論

dE=CRdSE=CR(1/D2-1/D1)式中：S為物料表面積；

E為粉碎功耗；D1、D2分別為物料粉碎前后的平均粒徑；CR為常數(shù)該學(xué)說(shuō)比較適合粉磨過(guò)程。6.2粉碎功耗理論6.2.1經(jīng)典粉碎功耗理論

3)基爾比切夫和基克（F.Kick）體積理論

此學(xué)說(shuō)認(rèn)為物體受外力后必然在內(nèi)部引起應(yīng)力，隨外力增加，物體的應(yīng)力及變形亦隨之增大。由于物料的體積變形，導(dǎo)致了物料的粉碎。因而，粉碎物料所作的功與物料的體積成正比。E=CK(lg1/D2-lg1/D1)

系數(shù)CK與物料的機(jī)械性能有關(guān)。該學(xué)說(shuō)比較適合粗碎作業(yè)。

4)邦德(Bond)·裂紋理論

邦德認(rèn)為，粉碎物料時(shí)，外力作用的功首先使物體發(fā)生變形，當(dāng)局部變形超過(guò)臨界點(diǎn)時(shí)即生成裂紋，裂紋形成之后，儲(chǔ)在物體內(nèi)的形變能使裂紋擴(kuò)展并生成斷面。輸入功的一部分轉(zhuǎn)化為新生表面的表面能，其余部分轉(zhuǎn)變成熱損失。E=CB{(D2)1/2-(D1)1/2）}CB的大小與物料性質(zhì)與使用的粉碎機(jī)類型有關(guān)，D1、D2為粉碎前后80％的物料所能通過(guò)的篩孔尺寸。3)基爾比切夫和基克（F.Kick）體積理論

表面積學(xué)說(shuō)、體積學(xué)說(shuō)和裂紋學(xué)說(shuō)可以看成是Lewis式中常數(shù)n=1、2和1.5時(shí)積分所得。可以認(rèn)為是對(duì)Lewis式的具體修正，從不同角度解釋了粉碎現(xiàn)象的某些方面，它們各自代表粉碎過(guò)程的一個(gè)階段－－彈性變形（Kick）、開裂及裂紋擴(kuò)展（Bond）和形成新表面（Ritttinger）。所以粗碎時(shí)，體積學(xué)說(shuō)比較適合，細(xì)碎（粉磨）時(shí)表面積學(xué)說(shuō)比較適合，裂紋學(xué)說(shuō)比較適合介于兩者之間的情況。三者之間互相補(bǔ)充。基本概念粉碎功耗粉碎方法和設(shè)備分類ppt課件6.2.2新近粉碎功耗理論1)田中達(dá)夫粉碎理論由于顆粒形狀、表面粗糙度等因素的影響，經(jīng)典理論各式中的平均粒徑或代表性粒徑很難精確測(cè)定。而比表面積測(cè)定技術(shù)的發(fā)展使得用其表示粒度平均情況來(lái)的更加精確。田中達(dá)夫提出：比表面積增量對(duì)功耗增量的比與極限比表面積和瞬時(shí)比表面積的差成正比。dS/dS=K(S∞-S)

式中：S∞為極限比表面積，與粉碎設(shè)備、工藝及物料性質(zhì)有關(guān)。S為瞬時(shí)比表面積；K為常數(shù)。

物料越細(xì)時(shí)，單位能量所能產(chǎn)生的新表面積越小，即越難粉碎。將上式積分，當(dāng)S<<S∞時(shí)，可得S=S∞(1-e-KE)。相當(dāng)于Lewis式中n>2情形，適用于微細(xì)或超細(xì)粉碎。6.2.2新近粉碎功耗理論2)Hiorns公式假定粉碎過(guò)程復(fù)合Ritttinger定律及粉碎產(chǎn)品粒度符合RRB分布的基礎(chǔ)上，設(shè)固體顆粒間的摩擦力為k,導(dǎo)出功耗公式E=CR(1/D2-1/D1)/(1-k)K值越大，粉碎能耗越大。由于粉碎的結(jié)果是增加固體的表面積，則將固體比表面能σ與新生表面積相乘可得粉碎功耗計(jì)算式：E=σ(S2-S1)/(1-k)2)Hiorns公式Rosin-Rammler–Bennet

(簡(jiǎn)記為RRB)模型常見的RRB分布模型存在兩種形式,一種是RRB分布方程的原型,其具體表達(dá)式見公式(1);另一種是為便于數(shù)據(jù)處理而實(shí)行了線性變換的“l(fā)nln－ln”形式,見公式(2)。RRB模型可以獲得用以表征粉體粒度分布特征的特征粒徑(De)和均勻性系數(shù)(n)這兩個(gè)重要參數(shù)。利用De和n可以方便地研究和分析粉體粒度分布對(duì)材料性能的影響Rosin-Rammler–Bennet

(簡(jiǎn)記為RR3)Rebinder公式在粉碎過(guò)程中，固體粒度變化的同時(shí)還伴隨著有其晶體結(jié)構(gòu)及表面物理化學(xué)性質(zhì)等的變化。所以Rebinder等在將基克定律和田中定律相結(jié)合的基礎(chǔ)上，考慮增加表面能σ、轉(zhuǎn)化為熱能的彈性能的儲(chǔ)存及固體表面某些機(jī)械化學(xué)性能的變化，提出如下功耗公式（p87)：

ηmE=αlnS/S0+[α+(β+σ)S∞]?ln(S∞+S0)/(S∞+S)

式中：ηm為粉碎機(jī)械效率；α與彈性有關(guān)的系數(shù)；β為與固體表面物理化學(xué)性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)；S0為粉碎前的初始比表面積；其余符號(hào)同上。3)Rebinder公式

6.2.3粉碎極限

粉碎設(shè)備的發(fā)展方向和研究的前沿是制備納米顆粒材料和超細(xì)粉體材料。超細(xì)粉：通常指粒徑在1μm以下的微粉，介于宏觀物體與微觀粒子之間。除兼具宏觀物體和微觀粒子的一些固有性質(zhì)之外，還具有自身的特殊性能，如表面效應(yīng)和體積效應(yīng)。（添加粉碎助劑或用不同的粉碎介質(zhì)可制備）細(xì)磨過(guò)程中，粉碎能同顆粒比表面積的增加直接相聯(lián)系。（圖6.4石英粉碎過(guò)程中的比表面積隨粉碎時(shí)間的變化曲線。）從圖6.4可以得出結(jié)論：粉碎粒度存在極限。6.2.3粉碎極限

由《粉體工程》所學(xué)的微觀機(jī)械力化學(xué)基本理論可知：粉碎特別是超細(xì)粉碎已并非一簡(jiǎn)單的粗粒變細(xì)粒的過(guò)程，而是一個(gè)粉碎與團(tuán)聚的復(fù)雜過(guò)程。

一方面，機(jī)械力作用導(dǎo)致物料顆粒變小，比表面積增大；

另一方面，機(jī)械作用也促進(jìn)物料顆粒的聚結(jié)，從而增大表觀粒度，減小比表面積。

因此，可以認(rèn)為，超細(xì)粉碎是一個(gè)粉碎與團(tuán)聚的可逆過(guò)程，當(dāng)這兩種過(guò)程速度相等時(shí)，便達(dá)到粉碎平衡，顆粒的尺寸達(dá)到極限值。由《粉體工程》所學(xué)的微觀機(jī)械力化學(xué)基本理論6.3粉碎方法和粉碎設(shè)備分類6.3.1粉碎方法常用的有四種：（p89圖6.6）a.擠壓法（料加兩面間，增加粉碎）6-6a；b.沖擊法（物料受瞬間沖擊力作用）6-6b；c.研磨、磨削法（兩面運(yùn)動(dòng)）6-6c；d.劈裂法（料受尖劈楔入）6-6d。6.3粉碎方法和粉碎設(shè)備分類6.3.1粉碎方法6.3.2粉碎設(shè)備的分類可分為破碎機(jī)和粉磨機(jī)兩類1）破碎機(jī)的類型（p90圖6.7）

顎式破碎機(jī)

圓錐式破碎機(jī)

錘式破碎機(jī)反擊式破碎機(jī)輪碾機(jī)輥式破碎機(jī)及輥壓機(jī)等2）粉磨機(jī)的類型（p91圖6.8）

球磨機(jī)輥磨機(jī)

錘擊磨振動(dòng)磨

氣流磨等6.3.2粉碎設(shè)備的分類可分為破碎機(jī)和粉磨機(jī)兩類也可按受力方式不同，分為：1）以擠壓粉碎為主；（顎式破碎機(jī)、

圓錐式破碎機(jī)）2）以沖擊粉碎為主；（錘式破碎機(jī)、反擊式破碎機(jī)