1、第3章 破碎及破碎机械,本章主要内容：,3.1 概述3.2 破碎及粉碎理论3.3 破碎机械,了解各种破碎方法及其所使用的范围；掌握破碎流程及破碎比等概念；了解目前主要使用的破碎机械。,学习要求：,3.1 概述 破碎、磨矿或粉碎在矿物加工及材料工程中非常重要。矿物颗粒的尺寸必须减小到使有用矿物与脉石充分解离或使有用矿物裸露的程度。破碎、磨矿及粉碎在使用的方法及产物料度上有所不同，破碎产物的粒度较大，而磨矿或粉碎产物的粒度微细。任何磨矿或粉碎作业都是耗费能量大、能量效率低的作业过程。,1、破碎作业在选煤厂和选矿厂中的应用破碎是在外力作用下使物料变成小块的过程。破碎作业在选煤厂和选矿厂生产中都占有重
2、要地位。破碎作业的作用主要有以下几方面：满足分选机械对入选物料最大入选粒度的要求。满足夹矸煤或中矿物料的有用矿物与脉石的解离要求。满足用户对选后产品粒度的要求。,3.1 概述,2、破碎作业的分类 1）按在选矿(煤)工艺中的作用不同分为:准备破碎（分选前）最终破碎（分选后）,3.1 概述,2）按破碎产物的粒度不同分为:粗碎、中碎、细碎与粉碎。,表1-3-1 按产品粒度划分的破碎作业,3）按破碎作业所消耗的能量形式不同分为:机械能破碎:即用机械力破碎物料；非机械能破碎：即用电能、热能等破碎物料。选煤厂和选矿厂主要是采用机械能破碎。,机械能破碎的五种基本形式：,3.1 概述,(a)挤压破碎：物料在两
3、个工作面之间受到缓慢增大的压力作用而破碎。,3.1 概述,(b)劈裂破碎：用一个尖棱和一个带有尖棱的工作表面挤压矿石时，矿石将沿压力作用线的方向劈裂而破碎。,3.1 概述,(c)折断破碎：矿石受弯曲作用而破碎。,3.1 概述,(d)研磨破碎：矿石与运动的工作面之间存在相对运动而受到一定的压力和剪切作用，当剪切应力达到矿石的剪切强度时，矿石被粉碎。,3.1 概述,(e)冲击破碎：物料受到足够大的瞬时冲击力而破碎。其破碎效率高，破碎比大、能量消耗少。,3.1 概述,3.1 概述,3、矿石破碎的难易程度及破碎方法选择 矿石破碎过程中所表现出来的抵抗外力的强度大小，称为矿石破碎的难易程度。它是衡量矿石
4、可碎性的标准，主要取决于矿石的结构特性和矿物的结晶形态。影响矿石破碎难易程度的最主要因素是矿石的硬度。矿石的破碎方法主要根据矿石的物理机械性质、矿石块入料的尺寸和所要求的破碎比来选择。,3.1 概述,选矿工业常引用可碎性系数定量地衡量矿物机械强度对破碎的影响，其表示方法如下：（1-3-1）,式中 物料的可碎性系数；Qo 某破碎机破碎中硬矿石的处理能力；Q1 同一破碎机在同样条件下破碎指定矿石的处理能力。中硬矿石通常用石英代表，其可碎性系数与可磨性系数均为1。,矿石的硬度、可碎性系数及可磨性系数如表1-3-2所示。,3.1 概述,表1-3-2 矿石硬度、可碎性系数和可磨性系数,3.1 概述,矿物
5、破碎的难易程度与矿物的力学性质有关。不同矿物集合体之间的结合力比同种矿物内部的结合力要小；在同样的矿物集合体内，晶体面上的结合力比晶体内部的要小。一般来说，矿物粒度愈细愈难磨碎。矿物破碎的难易程度与矿物的脆性也有关系：1）破裂前无变形或变形很小的物料叫脆性物料；2）破碎时先变形而后碎裂的物料叫塑性物料。煤和大多数矿石都是脆性物料，煤属于软矿物。,矿石通常都是多种不同性质矿物的共生体，破碎时，不同矿物的破碎程度是不一样的。矿石的抗压强度最大，抗弯强度次之，抗磨强度再次之，抗拉强度最小。针对矿石这一机械强度特点，选择恰当的破碎方法，可以使破碎更加有效。,3.1 概述,4、破碎比及破碎产物的粒度特性
6、 在破碎过程中，入料粒度与产物粒度的比值叫做破碎比。破碎的能量消耗和处理能力均与破碎比有关。破碎比通常由入料最大颗粒直径（Dmax）与产物最大颗粒直径（dmax）的比值来确定，即,3.1 概述,（1-3-2）,在工业应用中，由式（1-3-2）确定的破碎比并不能准确地描述破碎过程。因为粒度特性相同的物料经破碎后，虽然产物中的最大粒度是一样的，但破碎后粒度特性未必相同，如图1-3-2所示。,真实粉碎比：粉碎前后物料的平均粒度的比值，i=Dp/dp。,式中：Dp、dp 根据粒度特性计算出的原料与产物的加权平均 直径，mm；,原料和产物的各粒级产率（按筛分分析），；D、d 原料和产物各粒级的算术或几何
7、平均直径，mm。,选煤过程中的破碎比一般比较小，一段破碎即可满足。但对于选矿，其入选粒度很细，故破碎比i值很大，往往需要进行多次（段）破碎，其总破碎比i等于各段破碎比的乘积。i=i1i2i3in=Dmax/dmax为了鉴定破碎机的破碎效果和检查破碎产品的质量，必须确定它们的产品粒度组成和粒度特性曲线。,3.1 概述,3.1 概述,3.1 概述,根据图中的粒度特性曲线，可以比较各种矿石的破碎难易程度，检查破碎机的工作情况，比较各种破碎机的破碎效果。,1）矿石粒度的影响,2）破碎粒度与破碎效率及能耗,3）选择性破碎,物料破碎过程随破碎粒度的变细，效率下降，能耗大幅度上升，被破碎颗粒粒度愈细，其抗破
8、碎的能力愈强。,大多数物料的力学性质是不均匀的，粒度愈粗微裂缝愈多，机械强度愈差，愈易破碎。而粒度愈细则机械强度愈好，愈难破碎。,力学性质不均匀的物料在细磨过程中强度小的被磨细，强度大的则残留下来，这种现象称选择性破碎。,5、破碎产品的细度与性能,3.1 概述,4）破碎过程中细粒物料的凝聚现象,物料细磨时，表面积急剧增大，颗粒表面能增大，物料颗粒会自发地聚集在一起以降低表面能，即发生凝聚现象。,胶体分散体系是指分散相大小在1m到lnm之间的分散体系，具有明显的布朗运动现象。,6）随颗粒粒度变细，表面化学力增强，料浆的粘度增加，料浆的流动性及粒子的分散性变差。采用较稀的料浆浓度或使用化学药剂改变
9、料浆系统的流动、凝聚等性质，才可抵消因颗粒变细而引起的细磨恶化的现象。,5）微细颗粒布朗运动的影响,3.1 概述,6、选煤矿常用的破碎工艺流程 煤矿运到选煤厂的原煤粒度很大，可达300mm。我国目前选煤方法主要采用重介或跳汰，一般对入选原煤的粒度都有要求。为了满足重选设备对原煤粒度的要求，选煤厂有两种破碎系统。（1）开路破碎系统（2）闭路破碎系统,3.1 概述,（1）开路破碎系统 开路破碎系统：一般是带有准备筛分作业，破碎产品不检查。,3.1 概述,（2）闭路破碎系统 闭路破碎系统：一般是带有检查筛分。,3.1 概述,7、破碎效果评定方法 根据原煤炭工业部于1980年发布的指导性技术文件规定，
10、选煤厂破碎设备工艺效果的评定方法（MTZ21979），应采用破碎效率为主要指标，细粒增量为辅助指标，综合评定破碎机的效果。破碎效率按下式计算：细粒增量按下式计算：,3.1 概述,(1-3-3),(1-3-4),这里的“细粒”是针对破碎产物粒度而言的：排料粒度要求大于和等于 50 mm的粗碎时，“细粒”是指 013 mm；排料粒度要求小于 50 mm的中碎和细碎，“细粒”是指00.5 mm。,3.2 破碎及粉碎理论,破碎及粉碎理论是研究物料在破碎过程中能量消耗与哪些因素有关，并确定外力破碎物料时所做的功的学说，也叫破碎的功耗学说。在选矿厂中，4060的动力消耗是在破碎和磨碎作业中，这必然引起人们
11、的关注。破碎物料块所消耗的功，一部分使被破碎的物料变形，并以热的形式散失于周围空间；另一部分则用于形成新表面，变成固体的自由表面能。破碎过程的能量消耗与很多因素有关，如矿石的物理机械性质、矿石的形状、尺寸和湿度，还有破碎方法等。现有的破碎理论都没有完整地解释物料被破碎的实质，均有一定的局限性。目前，公认的破碎及粉碎理论有以下几种理论和假说。,1、面积假说 破碎理论的面积假说是由德国学者PR雷廷格（PRRittinger）于1867年提出的。雷廷格认为：破碎过程是以减小物料颗粒尺寸为目的的，破碎过程将使物料的表面积不断增加。为此，物料破碎时，外力所做的功用于产生新表面，即破碎功耗与破碎过程中物料
12、新生成表面的面积成正比，或破碎过程所消耗的功dA1与物料的新生表面积增量dS成正比。即：dA1K1 dS(1-3-5)式中 K1 比例系数。,3.2 破碎及粉碎理论,假设物料块的形状为立方体，边长为D，如顺着一个面把它破碎开，则新生成表面的面积为S=D2，式（1-3-5）可写为；dA1K1 dS=K1 dD22K1DdD 破碎Q 立方米物料时所作的单元功为：设原矿和破碎产物的平均直径为Dpj和dpj。将式（1-3-6）积分，即得破碎Q立方米物料时所需要的功。,3.2 破碎及粉碎理论,（1-3-6）,3.2 破碎及粉碎理论,由式（1-3-7）可知，当原矿的平均直径Dpj一定时，破碎功与破碎比减1
13、之值成正比；如原矿的平均直径不同而破碎比相同，则破碎功与原矿的平均直径成反比。实践证明，当破碎比一定时，原矿粒度越小，破碎所需的能量越大。面积假说只能近似地计算破碎比很大时的破碎总功耗，也就是只能近似地用在磨矿机的磨矿中，因为它只考虑了生成新表面所需的功。,（1-3-7）,式中i为破碎比。,3.2 破碎及粉碎理论,2、体积假说 破碎的体积假说是由俄国学者吉尔皮切夫与德国学者基克（kick）提出的。体积假说认为：将几何形状相似的同类物料破碎成几何形状也相似的产品时，其破碎功耗与被破碎物料块的体积或质量成正比，或破碎过程所消耗的功dA2与破碎物料块的变形体积的微量dV成正比。即：dA2K2dVK2
14、dD33K2D2dD（1-2-5）式中：K2 比例系数。破碎Q 立方米 物料时的单元功：,（1-2-6）,破碎Q立方米物料所需之功：由式（1-2-7）可见，根据体积假说，破碎功只与破碎比有关。体积假说只能近似地计算粗碎和中碎的破碎总功耗，因为它只考虑了变形。,3.2 破碎及粉碎理论,（1-2-7）,3、裂缝假说 裂缝假说是由F.C.榜德（F.C.Bond）于1952年提出，它介于面积假说和体积假说之间的一种破碎理论。裂缝假说认为破碎矿石时，外力首先使物料块产生变形，外力超过强度极限以后，物料块就产生裂缝而破碎成许多小块。榜德提出的一个计算破碎功耗的公式为：Wi 是理论上无限大的粒度破碎到80%
15、可以通过100m筛孔宽时所做的功，它在一定程度上表示物料粉碎的难易程度，即可碎性或可磨性，也成为功指数。,3.2 破碎及粉碎理论,(1-2-8),3.2 破碎及粉碎理论,榜德认为：破碎物料时外力所做的功先是使物体变形，当变形超过一定限度后即产生裂缝，储存在物体内的变形能促使裂缝扩展并生成断面。输入功的有用部分成为新生表面上的表面能，其它部分成为热损失。因此，破碎所需的功，应考虑变形能和表面能两项，变形能和体积成正比，而表面能与表面积成正比。因此，根据榜德所作的解释，将质量m的矿物从D破碎到d所需的功耗A3为：,（1-2-9）,式中：K3 综合比例系数。,榜德假说适用于破碎和磨碎。以上所介绍的三
16、种破碎理论都有局限性和误差，都从某一个角度解释了破碎的某一阶段。面积假说只注意了新生表面积所需要的能量，而忽视了物料破碎前先出现变形和实际中物料又是非均质的。体积假说只考虑了破碎时的变形能，没有考虑到新生表面积的增加，同样具有片面性。裂缝假说是介于面积假说与体积假说之间，提出破碎功耗与D5/2成正比，但没有充足的理论根据，而且由于它是根据实际资料整理出的经验公式，所以具有一定的适用范围。,3.2 破碎及粉碎理论,根据试验研究证实：粗碎时新生表面积不多，体积假说较为准确，裂缝假说结果不可靠；细碎时（破碎到10m以下时）裂缝假说求得的数据过小，此时新生表面积增加，表面能是主要的，面积假说较为准确；在粗碎与细碎之间的广泛范围内，裂缝假说比较适用，因为榜德的经验公式是根据一般破碎设备得出结论，所以在中等破碎比情况下与它大致相符。各假说在适合各自的粒度范围内与实际情况的误差不大，因而在应用时，应正确加以选择。其中，裂缝假说较有实际意义与应用价值。,3.2 破碎及粉碎理论,3.3 破碎机械,在工业中应用的破碎设备种类繁多，其分类方法也有多种。按照使用的粒度范围可将破碎设备分为破碎机与磨碎机两大类。
