物料破碎的機理及過程

物料破碎的產(chǎn)品粒度大約為1mm~5mm，即使用外力使大塊物料破裂為小塊。其主要目的是為后步工序提供粒度合乎工藝要求的原料以及便儲存和運輸。在工業(yè)生產(chǎn)中破碎均采用破碎機進行。破碎產(chǎn)品的上限粒度不小于3mm~5mm，實驗室加工的試料可達1mm。破碎是選礦、選煤、冶金、建筑、筑路、水泥、氧化鋁、非金屬礦物加工和火力發(fā)電等工業(yè)部門的一項重要作業(yè)。在選礦廠和水泥廠，粉碎車間的投資和生產(chǎn)費用所占比重很大，例如選礦廠破碎與磨碎車間的投資，約占全廠投資的60%，其生產(chǎn)費用占全廠生產(chǎn)費用的40%。因此，降低破碎能耗，提高破碎效率，意義十分重大。

破碎的原理

破碎過程是一個復雜的物料塊尺寸變化過程，與許多因素有關(guān)。主要影響因素有：物料的抗力強度、硬度、韌性、形狀、尺寸、濕度、溫度、密度和均質(zhì)性，以及外部條件如物料塊群在破碎瞬間相互作用及分布狀態(tài)等。上述因素都導致了破碎過程的復雜化，因而至今尚未得出統(tǒng)一而完整的理論來闡述并指導破碎實踐。破碎必須是在外力對物料作功，克服其質(zhì)點間的內(nèi)聚力時才能發(fā)生。內(nèi)聚力的大小對同一種物料也是十分懸殊的，內(nèi)聚力可分為兩類：一類是晶體內(nèi)部的各質(zhì)點之間的力，另一類是晶體與晶體之間的力。兩者具有相同的物理性質(zhì)，但數(shù)值不同，第一類內(nèi)聚力比第二類內(nèi)聚力大很多倍。內(nèi)聚力的大小，取決于物料塊中晶體本身的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，也與結(jié)構(gòu)中存在的缺陷有關(guān)。這些缺陷可能是宏觀和微觀的損傷性裂縫，它使晶體間的聯(lián)系變?nèi)趿?。根?jù)晶體的構(gòu)造和質(zhì)點間作用力的性質(zhì)，能從理論上計算晶體內(nèi)的內(nèi)聚力；至于晶體間內(nèi)聚力的大小，以及所有降低物料堅固性的因素所引起的影響，尚不能精確地計算。物料塊在因受外力作用而破碎之前，首先產(chǎn)生彈性變形，當變形達到一定值時，物料的缺陷處重新彌合，并發(fā)生硬化和應力增大，外力繼續(xù)作用時變形也繼續(xù)，直至沿著最脆弱面斷裂開。觀察破壞斷面可知，物料或是被與之垂直的應力壓裂（或拉裂），或是在應力作用下產(chǎn)生滑移，或是在兩者共同作用下斷裂。

破碎方式及過程

破碎方式分機械破碎和非機械破碎兩類。機械破碎按外力作用方式分為：擠壓破碎、沖擊破碎、研磨破碎、劈裂破碎和彎曲破碎（見圖1-1）。非機械破碎有：爆炸破碎、水力破碎、超聲破碎（即利用超聲高頻振蕩的沖擊力使物料破碎）、熱裂破碎（即將物料加熱，改變其周圍壓力而使之破碎）、高頻電磁波破碎（即用高頻或超頻電磁波（3000MHz以上）使物料表面受高熱，產(chǎn)生巨大張力而破碎）、水電效應破碎（利用離子性液體對物料產(chǎn)生短暫脈沖高壓放電作用使之破碎）等。無論采用哪種破碎方法，物料受外力作用時，總是沿著其最脆弱面產(chǎn)生應力集中而發(fā)生破裂。破碎后，新生成的碎料塊上，原有的脆弱面減少或消失了，同時又形成了更加微小的新的脆弱面。隨著物料粒度的減小，損傷相對減少，物料變得更加堅固。因此，破碎較小的物料，需用較大的能量消耗，即磨碎1t物料的能耗大于破碎1t物料的能耗。用某一種物料的破碎、磨碎指數(shù)計算粒度變化和能耗關(guān)系，繪制如圖1-2所示曲線，可以確定該物料的合理的破碎產(chǎn)品粒度，使破碎和磨碎的綜合能耗大幅度降低。

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中國學者于1985年提出了降低破碎產(chǎn)品粒度，提高球磨機處理能力，降低磨碎作業(yè)能耗的多碎少磨的學術(shù)思想。這一思想經(jīng)歷了20多年的能源危機之后，已被世界公認和提倡，形成了“多碎少磨”節(jié)能型破碎工藝。圖1-2所示的確定磨機合理給料粒度的方法可視為“多碎少磨”工藝的理論依據(jù)。實際生產(chǎn)中，物料群在破碎設備中的破碎與單個顆粒的破碎不同，它雖以單個顆粒的破碎為基礎，但反映的是力對物料群體破碎的總情況，由于各個顆粒在破碎過程中所處的狀態(tài)不同，只能近似地對群體破碎的總狀態(tài)進行定性和半定量分析。從宏觀上看，破碎過程是顆粒群的物料粒度組成的逐步變化過程，即由較粗的顆粒組成，變成較細的顆粒組成的過程。變化的程度，取決于破碎加工的強度和頻率（見圖1-3）。

破碎過程中，物料的粒度變化還可用圖1-4來說明。在破碎過程中，每一物料塊可能碎成產(chǎn)品中的各個粒級，并不是逐次地被破碎，當然，也有可能未被破碎而進入產(chǎn)品中。

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1-4

破碎模型

破碎產(chǎn)品包含粗粒和微粉兩部分。粗粒部分稱為過渡成分，微粉部分稱為穩(wěn)定成分。由此可以推論固體顆粒的破碎過程不是連續(xù)單一的一種破碎形式，而是兩種以上不同破碎形式的組合。德國人提出了破碎時的三種破碎模型，如圖1-5所示。

體積破碎模型是指整個顆粒都受到破壞（破碎），生成物大多為粒度大的中間顆粒，隨著破碎的進行，這些中間粒徑的顆粒依次被破碎成具有一定粒度分布的小粒徑顆粒，其后逐漸積蓄成微粉成分（即穩(wěn)定成分）。表面破碎模型是指僅在顆粒的表面產(chǎn)生破壞，從顆粒表面不斷剝下微粉成分，破壞不涉及顆粒的內(nèi)部。均一破碎模型是指加于顆粒的力，使顆粒產(chǎn)生分散性的破壞，直接破碎成微粉成分。三種模型中均。一破碎模型僅在結(jié)合極不緊密的顆粒集合體如藥片之類中出現(xiàn)，實際的破碎是（a）、（b）兩種模型的疊加。（b）模型構(gòu)成穩(wěn)定成分，（a）模型構(gòu)成過渡成分。（a）模型與破碎構(gòu)造和參數(shù)有關(guān)，（b）模型與被破碎物料的物理性質(zhì)有關(guān)。通常又將體積碎看做沖擊破碎，表面破碎看做摩擦破碎。

破碎流程

破碎作業(yè)常與篩分作業(yè)聯(lián)合進行。在待破碎的給料中常含有一些小于破碎階段要求達到的粒度的物料。給人破碎機前有時先進行一次篩分，預先將它們篩出。破碎后的產(chǎn)品中常含有一些過大顆粒的物料，對此也常用篩子分出進行再破碎。稱為檢查篩分。因此，破碎機常與各種類型的篩子構(gòu)成開路或閉路系統(tǒng)工作。閉路系統(tǒng)破碎產(chǎn)品粒度由檢查篩分尺寸控制，而開路破碎系統(tǒng)的產(chǎn)品中常含有大于規(guī)定粒度的過大顆粒。在破碎和篩分作業(yè)過程中，由粗碎、中碎、細碎或超細碎組成的工藝過程叫破碎篩分流程，通常簡稱為破碎流程。選礦廠的破碎流程多種多樣，共同的特點是：

1.破碎分段進行。

2.破碎機通常與篩子配合使用。

3.以破碎段為破碎流程的基本單元，通常分為粗碎段、中段段、細碎段，它們又分別稱為第一段破碎、第二段破碎、第三段破碎和第四段破碎。各破碎段都應選用相應的破碎與篩分設備。第四段破碎（超細碎段）的設置多是為了獲得小于8mm的破碎產(chǎn)品，以實現(xiàn)多碎少磨的節(jié)能工藝。各種石料破碎生產(chǎn)線基本流程的差別只是破碎段數(shù)、篩子的配置位置和作用以及采用設備的不同。常見的破碎流程有兩段破碎流程、三段破碎流程和帶洗礦作業(yè)的破碎流程；一段破碎流程只有在采用自磨機和半自磨機，以及在露天或井下礦山為便于運輸時才使用。圖1-6為了選礦廠常見的破碎工藝流程。

兩段破碎流程又分兩段開路和兩段閉路兩種。適用于井下開采的小型選礦廠，原礦粒度為)200mm~400mm，產(chǎn)品粒度為12mm~30mm。若第一段破碎機生產(chǎn)能力有較大富余，第一段可不設預先篩分，即采用第一段不設預先篩分的兩段閉路破碎流程。兩段開路破碎流程只在某些重選廠，或小型選礦廠把破碎產(chǎn)物直接送到棒磨機進行磨礦時才采用。三段破碎流程的基本形式有三段開路和三段閉路兩種。

三段閉路破碎流程，作為磨礦的準備作業(yè)，只要原礦含泥不高，都能適應，在各種不同規(guī)模的選礦廠獲得了較廣泛的應用。三段開路破碎流程所得破碎產(chǎn)物較粗，但可以簡化破碎車間的設備配置，節(jié)省基建費用。因此，當磨礦的給料粒度要求不嚴和磨礦段的粗磨采用棒磨時，以及處理含水分不高的泥質(zhì)礦石和受地形限制等情況下，可采用該流程。

當原礦含泥量，會惡化破碎過程的生產(chǎn)條件，此時應采用帶洗礦作業(yè)的破碎流程。洗礦作業(yè)一般設在粗碎前后。由于原礦性質(zhì)不同，洗礦的方式和細泥的處理方式也不同，因而流程多樣。

破碎比

破碎比是原物料粒度與破碎產(chǎn)物粒度的比值。它是衡量破碎機、磨礦機在破碎和磨碎過程中功率消耗的指標。計算破碎比（i）的常用方法有三種：

(1)用物料在破碎前的比較大粒度Dmax與破碎后的比較大粒度d_max的比值來確定，即：

i=Dmax/d_max

物料的比較大塊直徑在中國和蘇聯(lián)取物料的百分之九十五能通過篩孔寬度，英、美等國取物料的百分之八十能通過的篩孔寬度，選礦廠設計和生產(chǎn)中使用后者。

(2)用碎礦機給礦口的有效寬度（B）和排礦口寬度（S）的比值來確定，即：i=0.85B/S生產(chǎn)中常用這種表示方法評估和選擇破碎機。

(3)用破碎前物料的平均直徑D_平均與破碎后物料的平均直徑D_平均的比值來確定，即：i=D_平均/d_平均

用這種方法算得的破碎比，能較真實地反映破碎程度，因而常在理論研究以及評估細碎和磨碎作用中采用。

由于采礦開采出的礦石塊度很大，而入選粒度一般都很細，為了保證所需的高破碎比，通常是把適合處理各種粒度的碎礦機和磨礦機依次串聯(lián)，構(gòu)成破碎和磨礦流程。在流程中，形成了各個破碎段和磨碎段。整個破碎和磨碎流程的破碎比叫總破碎比(i)，各段的破碎比(i1,i2,i3……)叫分破碎比，設D_max最原礦比較大塊直徑，d_max是破碎最終產(chǎn)物里的比較大粒直徑，d₁，d₂……，D_n是第一段，第二段，至第n段破碎產(chǎn)物中的比較大粒直徑。

破碎段

待破碎的物料，例如露天開采的礦石，其比較大塊尺寸可達1500mm。假定要將其粉碎至0.1mm以下，則破碎比高達15000。目前尚不能用一臺粉碎設備來達到如此大的破碎比，通常是將適合處理各種粒度物料的破碎機和磨礦機依次串聯(lián)，組成破碎和磨礦流程，來完成這一任務，于是，形成分階段粉碎，每經(jīng)過一臺粉碎設備，物料粒度減小一次，稱為“一段”。根據(jù)處理的物料的粒度，破碎與磨碎的階段劃分如表1-1所示。整個流程的破碎比是各段破碎比的連乘積。

通常，中型和大型選礦廠采用三段或四段破碎；小型選礦廠只采用兩段破碎。三段破碎分為粗碎段、中碎段和細碎段。粗碎段給料粒度為300mm～1500mm，產(chǎn)物粒度為100mm～3500mm；中碎段給料粒度為19mm～150mm，產(chǎn)物粒度為4.8mm~30mm；細碎段給料粒度為19mm~150mm，產(chǎn)物粒度為4.8~3.mm。這種劃分主要適用于顎式破碎機、旋回破碎機、圓錐破碎機和輥式破碎機等。而某些破碎機，如反擊式破碎機和錘式破碎機，能將1000mm的大塊物料一次破碎至0.044mm以下；自磨機能將600mm的大塊物料一次粉碎至0.044mm以下，即一臺設備兼有粗、中、細碎或粗、中、細碎及磨碎的功能。