II. Основные законы и закономерности процесса измельчения.

Под измельчением понимается последовательный ряд операций, имеющих целью уменьшить размеры кусков твердого материала от начальных до конечных, необходимых для промышленного использования продукта измельчения. Так, в цементной промышленности исходное сырье поступает в кусках размером до 0,7-1,2 м и более, в то время как размеры частиц конечного продукта - цемента - определяются остатком до 10% на сите № 008.

Процесс измельчения материалов принято разделять на две стадии: дробление и помол. В свою очередь процессы дробления в зависимости от крупности исходного куска или крупности промежуточного продукта подразделяются на крупное, среднее и мелкое дробление. При помоле различают стадии грубого, тонкого и сверхтонкого помола.

Ранее полагали, что различие между дроблением и помолом состоит в том, что при дроблении разрушение кусков происходит от приложения сжимающих усилий, в то время как при помоле имеют место усилия среза.

В действительности различие между дроблением и помолом небольшое. Оно заключается в том, что дроблению подвергается материал относительно крупных кусков, а помолу – относительно мелких. К тому же в ряде машин, применяемых для измельчения материала, усилия среза не являются единственно действующими усилиями, и они, возможно, не самые главные.

Помол материала до порошкообразного состояния осуществляется путем сжатия и истирания; при этом требуется, чтобы мелющие тела тесно соприкасались друг с другом. Различие между дробилкой и мельницей состоит в том, что в мельнице поверхности мелющих тел могут соприкасаться и между ними размещается измельчаемый материал, тогда как в дробилке эти поверхности по самой конструкции машины отстоят друг от друга.

В силу того, что в промышленности наибольшее практическое значение имеет размер частиц измельченного материала, становится очевидной целесообразность такой классификации дробильно-помольных машин, в основу которой положены размеры исходного и конечного продуктов.

Методы измельчения материалов разнообразны. Измельчение может производиться путем раздавливания, истирания, излома, удара, раскалывания. На практике эти методы могут применяться в различном сочетании.

Ниже приводятся основные методы измельчения:

1) Раздавливание (рисунок 1.2, а). При раздавливании кусок материала зажимается между двумя поверхностями и раздавливается при сравнительно медленном нарастании давления.

2) Удар (рисунок 1.2, б). Материал измельчается путем: удара по куску материала, лежащему на какой-либо поверхности; удара быстро движущейся детали (молотка, била) по куску материала; удара куска материала, движущегося с относительно большой скоростью, о неподвижную плиту; удара кусков материала друг о друга. Именно этот метод используется в молотковых дробилках.

Рисунок 1.2 Способы измельчения материалов

3) Истирание (рисунок 1.2, в). Материал измельчается путем трения между движущимися поверхностями или мелющими телами различной формы, а также при трении кусков (частиц) материала друг о друга.

4) Раскалывание (рисунок 1.2,г). Кусок материала измельчается в результате раскалывающего действия клиновидных тел.

За последние годы были предложены новые способы измельчения: электрогидравлический, ультразвуковой, гравитационный, способ применения быстроменяющихся высоких и низких температур и, наконец, измельчение световым лучом, полученным при помощи квантового генератора.

Все перечисленные способы находятся в стадии начального развития и пока не имеют успешного промышленного применения. Однако наибольшее число исследований выполнено по методу электрогидравлического измельчения.

Электрогидравлический эффект получается при мгновенном (доли секунды) разряжении высоковольтного конденсатора, создающего при этом энергию в тысячи мегаватт. Образующаяся в результате разряжения гидравлическая ударная волна дробит материал.

Хотя еще не имеется технических установок для электрогидравлического дробления, но уже в различных научно-исследовательских институтах в лабораторных условиях ведутся работы по усовершенствованию этого способа дробления.

Рассмотрим более подробно процесс измельчения в молотковых дробилках.

В дробилках ударного действия дробимый материал разрушается под действием механического удара, при котором кинетическая энергия движущихся тел полностью или частично переходит в энергию их деформации и разрушения.

Материал, подлежащий дроблению, загружают в дробилку. Под действием силы тяжести он падает или скользит по лотку и попадает под действие бил или молотков быстро вращающегося ротора. В результате удара билом или молотком кусок разрушается, и его осколки разлетаются широким сектором (~90°) и отбрасываются на футеровку, отбойные плиты или колосники, образую­щие камеру дробления. Ударяясь о футеровку, материал дополнительно измельчается и, отражаясь, снова попадает под действие ротора. Это повторяется многократно, пока куски материала, до­стигнув определенной крупности, не выйдут сквозь разгрузочную щель или щель колосниковой решетки на разгрузку.

В некоторых случаях кусок материала, получив эксцентричный удар, начинает вращаться вокруг своего центра тяжести со скоростью, близкой к скорости рабочего органа дробилки (примерно 30 м/с) и разрушается, так как при этом от действия центробежных сил в куске материала возникает напряжение ≈ 10 МН/м², что превышает предел прочности при растяжении для многих горных пород.

Таким образом, в дробилках ударного действия материал измель­чается в результате удара о быстро движущийся рабочий орган, соударения кусков один о другой, удара о неподвижную футеровку камеры дробления, а также под действием центробежных сил.

Законы измельчения:

Удельный расход энергии на единицу получаемой продукции является одним из основных технико-экономических показателей дробильно-помольных машин.

Для определения энергии, потребной для измельчения, известны четыре основных законов:

1. Закон поверхностей был предложен в 1867г. Р.Ритингером и сформулирован в следующем виде: “работа, затраченная при измельчении, пропорциональна вновь полученной поверхности”, т.е.

где k – коэффициент пропорциональности, Н/м²;

ΔF – изменение вновь образованной поверхности, м².

При дроблении кубического куска размером D с определенной степенью дробления i вновь образованная поверхность будет

,

где D/i – размер кубического куска дробленого продукта;

D³/(D/i)³ – число кубических кусков, образовавшихся при дроблении из исходного куска.

Работа дробления одного куска:

.

Гипотеза Риттингера применима только для мелкого дробления и помола.

2. Закон объемов. Этот закон был, выдвинут в 1874г. профессором В.Л. Кирпичевым, а в дальнейшем был проверен экспериментально Киком. Закон основан на том, что “энергия, необходимая для одинакового измельчения формы геометрически подобных тел, пропорциональна объемам или массам этих же тел”. Отсюда следует, что работа внутренних сил упругости равна:

где ΔV – объем деформируемого тела, м³

K_пр – коэффициент пропорциональности, Н/м²

3. Закон Бонда, заключающийся в том, что работа измельчения пропорциональна среднему геометрическому из объема и поверхности куска. Теория Бонда может быть выражена формулой:

где A – работа, затрачиваемая на измельчение;

D – линейный размер куска;

k_пр – коэффициент пропорциональности.

3. Обобщенный закон П.А. Ребиндера. Основным положением в теории П.А. Ребиндера является то, что при деформации твердых тел в период, непосредственно предшествующий его разрушению, т.е. в период упругих и пластичных деформаций, накапливается объемная энергия, которая при достижении критического значения приводит к разрушению твердых тел. Математически этот закон выглядит следующим образом:

Дж.

При анализе законов измельчения можно сделать вывод, что для молотковой дробилки подходит обобщенный закон П.А.Ребиндера.