材料機械與設備

材料科學與工程專業主講：謝玉芬材料科學與工程學院材料機械與設備第六章粉體的機械制備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，克服內聚力，使之顆粒尺寸減小，表面積增加的過程。（定義）粉碎是一種使大塊物料變成小塊物料甚至粉末，并產生新表面的過程。它可分為兩個階段，將大塊物料碎裂成小塊稱破碎；將小塊物料碎裂為細粉末狀物料的加工過程稱粉磨。相應的機械分別稱為破碎機械和粉磨機械。

第六章粉體的機械制備6.1基本概念

粗碎物料破碎到100mm

破碎中碎物料破碎到30mm

細碎物料破碎到3mm

粉碎

粗磨物料粉磨到0.1mm

粉磨細磨物料粉磨到60μm

超細磨物料粉磨到≤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，破碎機的公稱粉碎比i公=最大進料口寬度/最大出料口寬度破碎機i=3～30，粉磨機i=500～1000

機械工作的基本技術經濟指標，粉碎設備性能的評價指標之一。粉碎度（粉碎比）6.1.2粉碎級數與粉碎流程多級粉碎：幾臺粉碎機串聯起來的粉碎過程。粉碎級數：串聯粉碎機的臺數。總粉碎比：原料粒度與最終產品的粒度之比?？偡鬯楸扰c各級粉碎比的關系如下：i0=i1?i2?i3?i4?…in=D/dn例題1.(p81)6.1.2粉碎級數與粉碎流程粉碎流程（p82圖6.1）簡單的粉碎流程（a)

開路流程帶預篩分的粉碎流程(b)帶檢查篩分的粉碎流程(c)

閉路流程帶預篩分和檢查篩分的粉碎流程(d)開閉路的區別在于粉碎后的粗物料是否再回到粉碎機粉碎流程（p82圖6.1）循環負荷率：

粗顆?；亓腺|量與該級破碎（或粉磨）產品質量之比。篩分效率（或選粉效率）：

檢查篩分（或選粉設備）分選出的合格物料質量與進該設備的合格物料總質量之比?；靖拍罘鬯楣姆鬯榉椒ê驮O備分類ppt課件6.1.3.強度強度：指材料對外力的抵抗能力，通常以材料破壞時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、彎曲和剪切強度等。理想強度：材料結構非常均勻，沒有缺陷時的強度。此時，原子或分子間的引力源于原子或分子間的化學建。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（引力和斥力相等時原子或分子間的距離）6.1.3.強度材料分子或原子間作用力與分子或原子間距離的關系材料分子或原子間作用力與分子或原子間距離的關系實際強度：由于實際材料不可避免的存在缺陷，從而使材料在受力尚未達到理想強度前，這些缺陷的薄弱位置已經達到其極限強度，材料已經發生破壞。實際強度≈（10-3～10-2）×理想強度

（p83表6.1一些材料的理想強度和實測強度）材料的實測強度大小與測定條件有關，如試樣的尺寸、加載速度及測定時的介質環境等。實際強度：由于實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，（固體表面產生局部變形所需的能量）。這一能量與材料內部化學鍵強度以及配位數等有關。無機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價指標，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。與材料的強度、硬度、密度、結構、水分、表面情況及形狀等有關。易碎性通常用易碎性系數表示，又稱相對易碎系數。

Km=Eb/E

式中Eb-粉碎標準物料單位電耗，J/t；E-粉碎風干狀態下該物料的單位電耗，J/t。物料易碎系數愈大，愈易粉碎。已知某一粉碎機在粉碎某一物料的生產能力Q，利用易碎系數，可求出這臺粉碎機在粉碎另一物料時的生產能力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。

缺陷：隨著粉碎過程進行，物料粒度不斷減小，其宏觀缺陷也減小，強度增大，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為常數該學說比較適合粉磨過程。6.2粉碎功耗理論6.2.1經典粉碎功耗理論

3)基爾比切夫和基克（F.Kick）體積理論

此學說認為物體受外力后必然在內部引起應力，隨外力增加，物體的應力及變形亦隨之增大。由于物料的體積變形，導致了物料的粉碎。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CK與物料的機械性能有關。該學說比較適合粗碎作業。

4)邦德(Bond)·裂紋理論

邦德認為，粉碎物料時，外力作用的功首先使物體發生變形，當局部變形超過臨界點時即生成裂紋，裂紋形成之后，儲在物體內的形變能使裂紋擴展并生成斷面。輸入功的一部分轉化為新生表面的表面能，其余部分轉變成熱損失。E=CB{(D2)1/2-(D1)1/2）}CB的大小與物料性質與使用的粉碎機類型有關，D1、D2為粉碎前后80％的物料所能通過的篩孔尺寸。3)基爾比切夫和基克（F.Kick）體積理論

表面積學說、體積學說和裂紋學說可以看成是Lewis式中常數n=1、2和1.5時積分所得。可以認為是對Lewis式的具體修正，從不同角度解釋了粉碎現象的某些方面，它們各自代表粉碎過程的一個階段－－彈性變形（Kick）、開裂及裂紋擴展（Bond）和形成新表面（Ritttinger）。所以粗碎時，體積學說比較適合，細碎（粉磨）時表面積學說比較適合，裂紋學說比較適合介于兩者之間的情況。三者之間互相補充?；靖拍罘鬯楣姆鬯榉椒ê驮O備分類ppt課件6.2.2新近粉碎功耗理論1)田中達夫粉碎理論由于顆粒形狀、表面粗糙度等因素的影響，經典理論各式中的平均粒徑或代表性粒徑很難精確測定。而比表面積測定技術的發展使得用其表示粒度平均情況來的更加精確。田中達夫提出：比表面積增量對功耗增量的比與極限比表面積和瞬時比表面積的差成正比。dS/dS=K(S∞-S)

式中：S∞為極限比表面積，與粉碎設備、工藝及物料性質有關。S為瞬時比表面積；K為常數。

物料越細時，單位能量所能產生的新表面積越小，即越難粉碎。將上式積分，當S<<S∞時，可得S=S∞(1-e-KE)。相當于Lewis式中n>2情形，適用于微細或超細粉碎。6.2.2新近粉碎功耗理論2)Hiorns公式假定粉碎過程復合Ritttinger定律及粉碎產品粒度符合RRB分布的基礎上，設固體顆粒間的摩擦力為k,導出功耗公式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算式：E=σ(S2-S1)/(1-k)2)Hiorns公式Rosin-Rammler–Bennet

(簡記為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,其具體表達式見公式(1);另一種是為便于數據處理而實行了線性變換的“lnln－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(n)這兩個重要參數。利用De和n可以方便地研究和分析粉體粒度分布對材料性能的影響Rosin-Rammler–Bennet

(簡記為RR3)Rebinder公式在粉碎過程中，固體粒度變化的同時還伴隨著有其晶體結構及表面物理化學性質等的變化。所以Rebinder等在將基克定律和田中定律相結合的基礎上，考慮增加表面能σ、轉化為熱能的彈性能的儲存及固體表面某些機械化學性能的變化，提出如下功耗公式（p87)：

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

式中：ηm為粉碎機械效率；α與彈性有關的系數；β為與固體表面物理化學性質相關的常數；S0為粉碎前的初始比表面積；其余符號同上。3)Rebinder公式

6.2.3粉碎極限

粉碎設備的發展方向和研究的前沿是制備納米顆粒材料和超細粉體材料。超細粉：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之外，還具有自身的特殊性能，如表面效應和體積效應。（添加粉碎助劑或用不同的粉碎介質可制備）細磨過程中，粉碎能同顆粒比表面積的增加直接相聯系。（圖6.4石英粉碎過程中的比表面積隨粉碎時間的變化曲線。）從圖6.4可以得出結論：粉碎粒度存在極限。6.2.3粉碎極限

由《粉體工程》所學的微觀機械力化學基本理論可知：粉碎特別是超細粉碎已并非一簡單的粗粒變細粒的過程，而是一個粉碎與團聚的復雜過程。

一方面，機械力作用導致物料顆粒變小，比表面積增大；

另一方面，機械作用也促進物料顆粒的聚結，從而增大表觀粒度，減小比表面積。

因此，可以認為，超細粉碎是一個粉碎與團聚的可逆過程，當這兩種過程速度相等時，便達到粉碎平衡，顆粒的尺寸達到極限值。由《粉體工程》所學的微觀機械力化學基本理論6.3粉碎方法和粉碎設備分類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（兩面運動）6-6c；d.劈裂法（料受尖劈楔入）6-6d。6.3粉碎方法和粉碎設備分類6.3.1粉碎方法6.3.2粉碎設備的分類可分為破碎機和粉磨機兩類1）破碎機的類型（p90圖6.7）

顎式破碎機

圓錐式破碎機

錘式破碎機反擊式破碎機輪碾機輥式破碎機及輥壓機等2）粉磨機的類型（p91圖6.8）

球磨機輥磨機

錘擊磨振動磨

氣流磨等6.3.2粉碎設備的分類可分為破碎機和粉磨機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、

圓錐式破碎機）2）以沖擊粉碎為主；（錘式破碎機、反擊式破碎機