（机械制造及其自动化专业论文）波形辊压机的开发研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下( 或我个人) 进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签 名嗲竞眵 日期：加( d 6 弓 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签稚磊参 新签名尹如坳 日期：加- 多 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 物料粉碎是当代飞速发展的经济社会必不可少的一个工业环节。粉体技术被看 作是高技术工业最重要的基础技术之一。在各种矿石、金属、非金属、化工原料及 建筑材料的加工过程中，粉碎作业要消耗巨大的能量，而且又是低效作业。因而多年 来人们一直在研究如何节能，如何高效地完成粉碎的过程，这些研究包括了粉碎理 论研究到创新设备( 包括改造旧有的设备) 直至改变生产工艺流程。 本文在贯彻“以碎代磨，多碎少磨”的粉碎理念上，对粉碎理论及传统粉碎设 备进行了研究，结合差速挤压剪切粉碎理论和料层粉碎理论，提出了波形辊压机的 概念。并就波形辊压机的性能与传统辊压机、球磨机和椭圆形辊压机等进行了分析 比较，在理论上阐述了波形辊压机的节能效果和良好的粉碎性能。其后，根据辊压 机粉碎效果稳定的条件，建立了波形辊截面函数，并从理论上进行了验证。通过运 动仿真进一步对波形函数进行了可行性验证和参数优化，最后通过正交实验观察了 波形辊压机的实际粉碎效果，发现了其一些新的特点，找出了波形辊压机粉碎时的 最优因素水平组合并进行了验证试验。 关键词：波形辊压机差速挤压剪切粉碎 波形函数正交试验设计 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t c r u s h e dm a t e r i a l si st h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i e t yo fc o n t e m p o r a r y e s s e n t i a lp a r to fa ni n d u s t r i a l p o w d e rt e c h n o l o g yi ss e e na sh i g h - t e c hi n d u s t r yo n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tb a s i ct e c h n o l o g y i nav a r i e t yo fm i n e r a l s ，m e t a l s ，n o n m e t a l ，c h e m i c a lr a w m a t e r i a l sa n d p r o c e s s i n g o fc o n s t r u c t i o n m a t e r i a l s ，g r i n d i n go p e r a t i o n c o n s u m e s e n o r m o u se n e r g y , a n di t i st h ei n e f f i c i e n to p e r a t i o n s op e o p l eh a v eb e e ns t u d y i n gh o wt o d oe n e r g y s a v i n gf o rm a n yy e a r s ，h o wt oe f f i c i e n t l yc o m p l e t et h ep r o c e s so fc r u s hf o r m a n yy e a r s ，c r u s ht h e s es t u d i e si n c l u d e dt h e o r e t i c a lr e s e a r c ht oi n n o v a t i v ed e v i c e s ( i n c l u d i n gt h et r a n s f o r m a t i o no f o l de q u i p m e n t ) u n t i lt h ec h a n g ei nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s i nt h i sa r t i c l e ，i m p l e m e n t a t i o no ft h e ”b r o k e ni n s t e a do fg r i n d i n g ，g r i n d i n gm a n y s m a l lp i e c e s ，”t h es m a s hc o n c e p to ft h et r a d i t i o n a lc r u s h i n ga n dg r i n d i n ge q u i p m e n t t h e o r yh a sb e e ns t u d i e d ，c o m b i n a t i o no fd i f f e r e n t i a lt h e o r ya n dt h ee x t r u d e dm a t e r i a ll a v e r s h e a rs m a s hs m a s ht h e o r y , p u tf o r w a r dt h ec o n c e p to fw a v er o l l e rp r e s s a n dt h e p e r f o r m a n c eo ft h ew a v er o l l e rp r e s sw i t ht h et r a d i t i o n a lr o l l e rp r e s s ，b a l lm i l la n d e l l i p t i c a lr o l l e rp r e s ss oa n a l y z e da n dc o m p a r e d , i nt h e o r y , w a v er o l l e rp r e s sd e s c r i b e dt h e e n e r g ys a v i n ge f f e c ta n dag o o dg r i n d i n gp e r f o r m a n c e s u b s e q u e n t l y , t h ee f f e c to fr o l l e r p r e s sg r i n d i n gs t a b l ec o n d i t i o n s ，t h ee s t a b l i s h m e n to ft h ew a v er o l l e rs e c t i o nf u n c t i o n , a n d t h e o r e t i c a l l yv e r i f i e d t h r o u g ht h em o v e m e n ts i m u l a t i o no ft h ew a v ef u n c t i o nf u r t h e r v a l i d a t e st h e f e a s i b i l i t ya n do p t i m i z a t i o n o fp a r a m e t e r s ，a n d f i n a l l y o b s e r v e db y o r t h o g o n a lw a v ec r u s h i n gr o l l e rp r e s so ft h ea c t u a le f f e c t , d i s c o v e r e ds o m eo fi t sn e w f e a t u r e s ，f i n do u tw h e nt h ew a v er o l l e rp r e s sg r i n d i n go p t i m a lf a c t o rl e v e lc o m b i n a t i o n a n dv a l i d a t e dt e s t k e yw o r d s ：w a v er o l l e rp r e s s ：d i f f e r e n t i a le x t r u s i o ns h e a rs m a s h i n g ： w a v ef u n c t i o n ：o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n 1 绪论 1 - 1 选题的背景及意义1 1 2 物料粉碎机理及过程 2 1 2 1 物料粉碎的目的2 1 2 2 物料粉碎机理2 1 2 3 物料的粉碎方式及过程3 1 2 4 粉碎模型5 1 2 5 混合粉碎和选择性粉碎6 1 3 国内外粉碎设备的发展现状及趋势7 1 3 1 国内外粉碎设备的发展现状7 1 3 2 粉碎设备的发展趋势 8 1 4 本课题研究内容8 2 破碎粉磨理论及典型粉磨设备研究9 2 1 粉碎理论研究? 9 2 1 1 粉碎物理学 9 2 1 2 粉碎功耗1 1 2 1 3 粉碎过程的物理化学 1 3 2 1 4 粉碎工艺学 1 4 2 1 5 高压料层粉碎理论1 6 2 2 挤压类粉碎机腔形研究1 7 2 2 1 国内对挤压类破碎机腔形研究情况1 7 2 2 2 国外对挤压类破碎机腔形的研究1 9 2 3 典型粉碎设备介绍2 0 2 3 1 球磨机2 1 2 3 2 辊压机辊压机理、工作原理、特点及发展概况2 2 2 3 3 立磨2 4 2 3 4 筒辊磨0 00 0b 2 4 2 3 5 小结2 5 3 波形辊压机的开发研究2 6 3 1 差速辊压粉碎机理的提出2 6 3 2 波形辊压机工作原理及特点2 6 3 2 1 波形辊压机工作原理及运动分析2 6 西 3 2 2 波形辊压机特点2 8 3 3 波形辊压机与圆柱形、椭圆形辊压机对比分析2 9 3 3 1 与波形辊压机相比，圆柱形辊压机缺点3 0 3 3 2 椭圆形辊压机缺点 3 0 3 4 波形辊压料层受力分析3 1 3 4 1 波形棍棍压料层受力分析3 1 3 5 压辊波形设计3 4 3 5 1 压辊波形的函数表示3 4 3 5 2 压辊截面函数可靠性分析3 5 3 5 3 波形函数各参数的探讨及优化3 7 3 5 4 其它参数初探3 8 3 5 5 波形辊加工3 9 3 6 本章小结4 0 4 波形辊压机的试验研究4 1 4 1 试验设计4 1 4 1 1 实验目的及考察指标4 1 4 1 2 实验条件4 2 4 1 3 试验方案设计4 3 4 2 实验数据处理及求解最优粉碎条件4 4 4 2 1 实验数据处理 4 4 4 2 2 求解优化粉碎条件4 7 结论5 l 致谢5 2 参考文献5 3 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果5 8 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1选题的背景及意义 节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，也是当前一项极为紧 迫的任务。推动全社会开展节能降耗、缓解能源瓶颈制约、建设节能型社会 是促进社会经济可持续发展、实现全面建设小康社会宏伟目标的关键所在。 工业是能源和原材料的主要消耗大户，而粉碎是工业原料加工中的重要 工序，粉碎其含义是指使物料颗粒尺寸逐渐变小的工艺过程，它是粉碎和磨 碎的总称。据估计，在现代人类生产中，人们一年粉碎的各种物料其总量有 1 0 0 亿吨以上。事实上，粉碎作业在冶金，煤炭、能源、水泥，化工，陶瓷， 建筑，电力，医药，食品以及国防等许多行业和部门中占有极其重要的地位。 物料粉碎是一个高能耗、高钢耗、低效率的工艺过程。据统计，在世界 各国中，粉碎消耗的电能约占总电能的4 5 ，在选矿厂，粉碎能耗约占整 个选矿的4 0 - - 7 0 ，其比例不可谓不巨大，因此在选矿厂，粉碎车间的投资 和生产费用所占比重很大，约占全厂投资的6 0 ，其生产费用占全厂生产费 用的4 0 。 在水泥行业，粉碎作业在水泥熟料，矿渣，石灰石，粉煤灰的加工中更 显重要，在生产成本中亦占有较大的比例。同时粉碎产品的质量( 粒度分布、 粒径) 对产品性能有很大的影响。在当前我国整个工业中，水泥工业占有举 足轻重的地位，自改革开放以来，我国水泥工业发展迅速，目前全国共有水 泥生产企业5 0 0 0 余家，水泥总产量连续2 0 多年一直居世界第一位。3 0 年来， 中国的水泥产量以超过年均1 3 的高速度持续增长。2 0 0 9 年卜1 2 月，全年 水泥产量1 6 3 亿吨，同比增长1 7 9 。占世界水泥总产量的6 0 以上，成为 名副其实的“水泥大国 。由于水泥工业是大耗能的工业，尤其是水泥的粉磨 作业，许多研究资料显示，在目前水泥加工的整个过程中，有7 0 一8 0 的能 量消耗在粉磨工艺上，能量利用率很低的管式球磨机一直在粉磨工业中占主 导地位。以传统的球磨机为主的粉磨作业耗电量约为总耗电量的6 5 一7 0 。 而球磨机的粉磨有效功仅占提供给磨机运转能量的2 一5 。能量利用率非常 低n 吨1 2 1 。因此粉碎生产的节能已是一个很重要的课题，具有巨大的经济效益。 粉碎生产节能的关键在于提高粉磨效率，改善粉碎过程，降低粉磨作业电耗。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2物料粉碎机理及过程 1 2 1物料粉碎的目的 ( 1 ) 使矿石中有用成分解离 从地壳中开采出来的矿物原料，或因有用成分含量过低，或因几种有用 成分与杂质共生，或因粒度不合要求，通常不能直接使用。只有经选矿等一 系列的加工处理，将其充分粉碎，使有用成分解离，才能剔除杂质，提高有 用成分品位。 ( 2 ) 使物料的比表面积增大 比表面是单位质量或体积的物料的表面积。物料的粒度越小，比表面越 大。增大比表面的目的主要有两个：一是使物料与周围介质的接触面积增大， 因而反应速度增加，这有利于提高如催化剂的接触反应、固体燃料的燃烧与 气化、物料的溶解、吸附与干燥以及化工上利用粉末颗粒流化床的大面积接 触来强化传质与传热等的效率；二是提高物料的性能，如在水泥工业中提高 水泥标号，因为水泥熟料同石膏一起磨成粉末状态的最终产品，粒度愈细， 比表面愈大，水泥的标号愈高。 ( 3 ) 为下一步加工原料准备 如在炼焦厂、烧结厂、制团厂、陶瓷工业、玻璃工业、粉末冶金等部门 中，要求将原料粉碎至一定粒度以下，以供进一步加工用。 ( 4 ) 便于使用、贮存及运输 如在食品、化学、医药、化肥、农药等工业部门中，常将产品粉碎成粉 末状态，以便于使用。此外粉碎后的物料便于采用气力或水力的管道输送。 ( 5 ) 人工造砂 在大型水电站等建设中，混凝土耗量极大，天然砂常常不敷使用，于是 用粉碎方法制备严格符合粒度要求的人工砂。 ( 6 ) 用于材料科学和环境保护 如在一些功能材料、复合材料的生产中，就利用了粉碎过程的机械化学 效应引起粉末材料的表面改性、晶格变形和性变随1 1 3 刳。 1 2 2 物料粉碎机理 粉碎过程是一个复杂的物料尺寸变化过程，与许多因素有关。主要影响 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 因素有：物料的抗力强度、硬度、韧性、形状、尺寸、湿度、密度和均匀性， 以及外部条件如物料块群在粉碎瞬间相互作用力及分布状态等。上述因素都 导致了粉碎过程的复杂化，因而至今尚未得出统一而完整的理论来阐述并指 导粉碎实践。粉碎必须是外力对物料做功，克服其质点间的内聚力时才能发 生。内聚力可分为两类：一类是晶体内部的各质点之间的力，另一类是晶体 与晶体之间的力。第一类内聚力比第二类内聚力大很多倍。内聚力的大小， 取决于物料块中晶体本身的性质和结构，也与结构中存在的缺陷有关。根据 晶体的构造和质点间作用力的性质，能从理论上计算晶体的内聚力：至于晶 体间内聚力的大小，以及所有物料降低物料坚固性的因素所引起的影响，尚 不能精确地计算。 物料块在因受外力作用而粉碎之前，首先产生弹性变形，当变形达到一 定值时，物料的缺陷处重新弥合，并发生硬化和应力增大，外力继续作用时 变形也继续，直至沿着最脆弱面断裂开。观察物料破坏断面可知，物料或是 被与之垂直的应力压裂( 或拉裂) ，或是在剪应力作用下产生滑移，或是在两 者共同作用下断裂旧。 1 2 3物料的粉碎方式及过程 粉碎方式分机械粉碎和非机械粉碎方式两类。机械粉碎是在机械力作用 下进行的。根据粉碎机械施力方式差异，粉碎施力种类有挤压、弯曲、剪切、 劈碎、研磨、打击或冲击等，如图1 1 所示。 对于某一种粉碎设备，多数情况下是以一种施力方式为主，若干种施力 方式同时存在，这样有利于提高粉碎效率。机械粉碎按外力作用方式分为： 挤压粉碎、冲击粉碎、破裂粉碎、剪切粉碎和磨碎。 ( 1 ) 挤压粉碎：物料在两平面之间受到压力作用而被粉碎。挤压粉碎适用 于脆性物料，食品加工中常用的对辊粉碎机，如果对辊的线速度相等，则为 纯粹的挤压过程。 ( 2 ) 劈碎：物料受楔状刀具的作用而分裂。多用于脆性、韧性物料的破碎， 能耗较低。 ( 3 ) 剪碎：物料在两个破碎工作面间，如同承受载荷的两支点( 或多支点) 梁，除了在外力作用点受劈力外，还发生弯曲折断。多用于较大块的长或薄 的硬、脆性物料粉碎。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 率枣童秽 雪书鳓啪 图卜1 矿石的破碎和磨碎方法 f i 9 1 - 1 o r ec r u s h in ga n dg rin d i n gm e t h o d 卜挤压，2 一弯曲，3 一剪切，4 一打碎或击碎，5 研磨，6 、7 一劈碎 ( 4 ) 击碎：物料在瞬间受到冲击力而被破碎。多用于脆性物料的粉碎， 粉碎范围很大。 ( 5 ) 磨碎：物料在两工作面或各种形状的研磨介质之间受到摩擦、剪切 作用而被磨削成为细粒，多用于小块物料或韧性物料的粉碎。 非机械粉碎方式有：爆炸粉碎、水力粉碎、超声波粉碎( 即利用超声高 频振荡的冲击力使物料粉碎) 、热裂粉碎( 即将物料加热，改变其周围压力而 使之粉碎) 、高频电磁波粉碎( 即用高频或超高频电磁波( 3 0 0 0 m h z s 以上) 使物料表面受高热，产生巨大张力而粉碎) 、水电效应粉碎( 利用离子性液体 对物料产生短暂脉冲高压放电作用使之粉碎) 等。 尽管物料的粉碎方式纷繁多样，但无论采用哪种粉碎方式，物料受外力 作用时，总是沿着其最脆弱面产生应力集中而发生粉碎。粉碎后，新生成的 粉碎块上，原有脆弱面减少或消失了，同时又形成了更加微小的新的脆弱面。 随着物料粒度的变小，损伤相对减少，物料变得更加坚固。因此粉碎较小的 物料，需用较大的能量消耗，即磨碎某一重量物料的能耗大于粉碎同样重量 物料的能耗。用某一种物料的粉碎、磨碎邦德功指数计算粒度变化和能耗的 关系，它们的关系如图卜2 所示曲线，可以确定该物料的合理的粉碎产品粒 ，基，惑赵磊 ，案 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 度，使粉碎和磨碎的综合能耗大幅度降低随。9 m 3 。3 5 1 。 u 皇 誊 j 耀 口o q m 粒度，m m 图卜2粉碎产品粒度与能耗的关系 f i g 卜2 t h er e l a t i o n s h i po fs m a s h i n gp r o d u c tb e t w e e ns iz ea n de n e r g y c o n s u m p tio n 1 2 4 粉碎模型 j 粉碎产品包含粗粒和微粒两部分。粗粒部分称为过渡成分，微粒部分称 为稳定成分。由此可以推论固体颗粒的粉碎过程不是单一的一种粉碎方式， 而是两种以上不同粉碎形式的组合。德国胡廷等人提出了粉碎时的三种粉碎 模型：即体积粉碎模型、表面积粉碎模型和均一粉碎模型。如图卜3 所示： 体积粉碎模型是指整个颗粒都受到破坏( 破碎) ，生成物大多为粒度大的 中间颗粒，随着粉碎的进行，这些中间粒径的颗粒依次被破碎成具有一定粒 度分布的小粒径颗粒，最后逐渐积蓄成微粉成分( 即稳定成分) 。 表面粉碎模型是指仅在颗粒的表面产生破坏，从颗粒表面不断剥下微粉 成分，破坏不涉及颗粒的内部。 均一粉碎模型是指加于颗粒的力，使颗粒产生分散性的破坏，直接粉碎 成微粉成分。 三种模型中均一粉碎模型仅在结合极不紧密的颗粒集合体如药片之类出 现，实际的大多数的粉碎是体积粉碎模型与表面粉碎模型的叠加。表面破碎 模型构成稳定成分，体积破碎模型构成过渡成分。其中体积粉碎模型与粉碎 机构造和参数有关，表面破碎模型与被破碎物料的物理性质有关。通常亦将 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 体积粉碎看作冲击粉碎，表面粉碎看作摩擦粉碎1 2 m o m 2 | 。 一璩_ 辩 妫一 图卜3三种粉碎模型 f i g l - 。3 t h r e ek in d so f c r q s h in gm o d e i a 体积粉碎模型b 表面积粉碎模型c 均一粉碎模型 1 2 5 混合粉碎和选择性粉碎 几种不同的物料在同一粉碎设备中同时进行粉碎时，由于各种物料的相 互影响，因此较单一物料的粉碎情形要更复杂一些。目前，对多种物料混合 粉碎过程中各种物料相互是否有影响以及如何影响尚存在分歧。一种看法是 物料混合粉碎时无相互影响，认为无论单独粉碎还是混合粉碎，混合物料中 每一组分的粒度分布本质上都遵循粒度特性分布函数。另一种看法是各种物 料存在相互影响。易碎的物料混合粉碎时比其单独粉碎时来得细，难碎物料 比其单独粉碎时来得粗。在以挤压粉碎和磨削粉碎为主要原理的粉碎情形时， 这种现象更为明显。这种多种物料共同粉碎时某种物料比其他物料优先粉碎 的现象就是选择性粉碎。出现这种选择性粉碎现象的原因可归纳为： ( 1 ) 颗粒层受到粉碎介质的作用力即使不足以使强度高的物料颗粒碎裂， 但其大部分( 其中一部分作用能量消耗于直接受力颗粒的裂纹扩展) 会通过 该颗粒传递至位于力的作用方向上与之相邻的强度低的颗粒上，该作用足以 使之发生粉碎，从这个意义上讲，倒是硬质颗粒对软质颗粒起到了催化作用。 ( 2 ) 当两种硬度不同的颗粒相互接触并作相对运动时，硬度大者会对硬度 小者产生表面剪切或磨削作用，软颗粒在接触面上会被硬颗粒磨削而形成若 干细颗粒。此时，硬质颗粒对软质颗粒起着研磨介质的作用。 ( 3 ) 两种硬度不同的颗粒在破碎过程中，硬度大的大颗粒的表面不均匀性 辫搭 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 ( 锐角) 会对硬度小的颗粒起劈裂、压碎等作用，有利于硬度小的颗粒破碎。 上述三种作用的结果导致了软质物料在混合粉碎时的细颗粒产率比其单 独粉碎时高，而硬质物料相反n 小3 纠。 1 3 国内外粉碎设备的发展现状及趋势 1 3 1国内外粉碎设备的发展现状 近年来，国外对超细粉碎及分级设备、工艺、微细颗粒粒度测定等方面 的研究十分活跃，这是由于国外在复合材料、新型陶瓷、电子材料等许多尖 端技术方面迅速发展而决定的。在先进的工业化国家，微米级超细粉碎设备 已渡过了其发明时期，而进入成熟、配套、完善的阶段，设备研究朝着亚微 米级超细粉碎和微米级精密分级的方向发展。粉碎技术的发展主要表现在产 品微细化、微粉功能化、设备自动化、节能新工艺和新设备及低污染高强度 材料的应用等方面。 我国自2 0 世纪8 0 年代以来，粉碎工程学术界较为活跃，其主要目标在 于提高粉碎过程的效率和满足工业上某些物料产品的粒度要求。对粉碎机研 究的大规模兴起，始于8 0 年代中期，当时主要注意力在两方面：其一是湿 式超细粉碎机、搅拌球磨机和塔式磨机的研究；其二是干式气流粉碎机的研 究。当时，我国主要以引进国外先进的设备和技术为主，同时，国内技术人 员进行了大量研究开发工作，经过十几年的努力，国内已能生产各种气流磨、 高速冲击磨、搅拌磨和振动磨，有的设备在性能上已接近国外同类设备的水 平。 但总的说来，与国外的先进技术设备相比，我国的粉碎技术仍存在一些 问题： ( 1 ) 己研制出的各种型号规格的超细粉碎设备中，有些在结构设计、材质 及加工精度等方面，与国外先进设备相比还有一定差距； ( 2 ) 产品的深加工档次低、系列少，对用户的需求针对性差； ( 3 ) 缺少高效的超细分级设备与粉碎设备配套陆m 3 1 7 2 。 1 3 2 粉碎设备的发展趋势 鉴于粉碎技术及设备的应用涉及化工、建材、电子、化工、医药、农业 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 等许多领域的广泛性以及被粉碎材料种类的多样性，尤其是当代高新技术发 展对材料深加工制备提出越来越高的要求：粒度微细化、粒度分布均匀化或 颗粒形状特定化、品质高纯化、表面处理功能化等等，必将促使粉碎技术与 设备的不断发展。 目前国内外的发展和研究方向主要在以下几个方面： ( 1 ) 开发粉碎与分级相结合的闭路工艺及设备，从而降低能耗，提高生产 率； ( 2 ) 提高和改进现有粉碎设备的性能，降低生产成本，增加品种和机型； ( 3 ) 实现工艺研究和设备开发的一体化，针对具体物料特性，进行设备开 发设计； ( 4 ) 重视粉碎基础理论的研究m m 朝。 1 4 本课题研究内容 一 本课题在详细研究物料粉碎机理及分析传统粉碎设备的粉碎性能基础 上，引入差速挤压粉碎的理念，提出了波形辊压机的构想，并根据粉碎条件 通过数学求解得出了辊压机波形函数，通过运动仿真及正交实验对辊压机波 形函数进行了优化，并针对石膏、石灰石和矿渣这三种物料提出了其最优因 素水平组合粉碎条件，对波形辊压机针对不同物料的粉碎生产实践起到了一 定的指导作用。 本课题主要研究内容： ( 1 ) 对当前的主要粉碎理论及传统水泥粉碎设备进行了研究分析比较； ( 2 ) 探讨了波形辊压机的挤压剪切粉碎原理并进行运动分析； ( 3 ) 建立辊压机波形形状函数进行理论验证； ( 4 ) 对辊压机进行了运动仿真并对波形辊参数的取值进行了初步优化； ( 5 ) 通过试验，发现了波形辊压机粉碎时的主要影响因素； ( 6 ) 实验求解优化辊压机辊压参数，寻找波形辊最优粉碎条件。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 2 破碎粉磨理论及典型粉磨设备研究 2 1粉碎理论研究 粉碎作业可追溯到几千年以前( 如古代的制陶、冶炼、开山碎石等) ，甚 至更远，但它作为大规模的社会化行为，并提升到一定的理论高度则是第一 次工业革命以后。在1 9 世纪中叶，r i t t i n g e r 学者提出了一个崭新的概念一 一粉碎理论。它首次以定量的方法揭示了物料粉碎状态与能量消耗之间的内 在联系，对物料粉碎粉磨领域的发展起着重要的指导作用。之后经过一个多 世纪的时间，关于粉碎方面的理论已逐步建立，形成了较为完善的理论体系 8 3 2 1 1粉碎物理学 粉碎物理学是在传统的粉碎原理一一岩石的机械力学基础上发展起来 的，视野更加开阔，对生产的指导意义更加突出。 在传统的粉碎原理中，岩石的机械力学主要考虑两个方面：一是岩矿的 物理性质( 岩石的结构与构造、孔隙度、含水率和硬度、密度、容重及碎胀 性) 与其粉碎难易程度的关系；二是岩矿在外力作用下，因其性质和载荷大 小、速度的不同，发生弹性变形和塑性直至粉碎的相关规律。粉碎物理学则 大大地扩大了其研究的范围，也更逼近于粉碎的实际过程。其理论主要有两 个方面： ( 1 ) 单颗粒粉碎啼3 2 3 单颗粒粉碎是粉碎技术的基础。1 9 2 0 年格里菲斯提出了强度理论。在理 想情况下，如果施加的外力未超过物体的应变极限，则物体又会恢复原状而 未被粉碎，但由于固体物料内部存在着许多微细裂纹，将引起应力集中，致 使裂纹扩展。这一理论一直统治着固体单颗粒粉碎机理的研究。 苏纳特与上世纪八十年代中期，归纳了应力状态与颗粒的关系，如图2 1 所示： 并指出，有关材料特性可分为两类：第一类是作为反抗粉碎阻力参数， 第二类是应力所产生的结果参数。它们包括有： 西南科技大学硕士研究生学位论文第10 页 图2 - 1应力状态与颗粒断裂的关系 f j 9 2 1 t h er e ia t i o n s h i pb e t w e e ns t r e s sc o n d i t i o na n dp a r t i c i ef r a c t u r e 阻力参数：颗粒强度、断裂能、粉碎概率、单面积的反作用力、被粉 碎块的成分、磨碎阻力。 结果参数：破裂函数( 粉碎产物的粒度分布) 、表面积的增加、能量、 效率；材料特性与被粉碎物料结构及载荷条件一一物料种类、产地和 预处理方法；颗粒强度、形状、颗粒的均匀性等。 苏纳特等人对此进行了较全面的研究，推进了单颗粒粉碎理论的发展 ( 2 ) 料层粉碎 料层粉碎是区别于单颗粒粉碎而言的，单颗粒粉碎是外力直接作用于单 一颗粒，形成破坏应力而粉碎。料层粉碎是粉碎颗粒聚合在一起，在高压下 形成料床，主要由颗粒本身传递应力而粉碎。最早进行料层粉碎研究的是斯 柯文迪格，后来由原联邦德国科劳斯特尔大学选矿冶炼工学院k 逊纳特教授 进行了深入的系统研究。并于1 9 7 7 年获得了辊压机技术的专利。近年来，我 国中南大学的黄圣生教授对料层粉碎也进行了研究和摸拟试验。结果都证明： 料层粉碎比单颗粒粉碎能耗要低得多心1 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第11 页 但单颗粒粉碎是指用单纯的应力作用于单一颗粒，这虽然不同于实际粉 碎过程中的复杂应力作用于颗粒群的粒间粉碎。但从某种意义上说，它是研 究物料粉碎过程的基础。随着现代粉磨工业的发展，人们发现单颗粒粉碎的 研究已不能满足实际的需要，局限性较大，在实际的粉碎生产中，还存在着 料层问的粉碎。料层粉碎又称粒间粉碎，是大量颗粒聚集在一起，在外界载 荷作用下产生的粉碎形式，其粉碎形式与单颗粒粉碎截然不同。在实际粉碎 过程中，许多粉碎设备都含有料层粉碎的形式，如搅拌磨机、振动磨机、轮 碾机、摆式磨机、各种磨煤机、和高压辊磨机等。 料层粉碎与单颗粒粉碎物料数量的界限，依据阿齐兹的研究，体积中的 固体容积百分率为1 0 时，则表现为单颗粒粉碎行为，超过4 5 贝j j 为料床粉碎 行为，依据苏纳特等人的研究，在容器内进行料层粉碎应消除器壁效应的影 响，当物料中最大颗粒粒径为d m a x ，容器直径为d ，料层高度为h 时，必须 满足下列条件： d d m a x l o ；h d m a x 6 ；h d 1 0 ) ， 这种假说的结果和实际情况较为接近，同时也适用于塑性和韧性物料的薄刃 切割。 ( 2 ) 基尔皮切夫( 1 8 7 4 ) 和k i c k 假说 基尔皮切夫假说亦称体积假说。他认为将物料粉碎成与原物料几何相似 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 的成品时，所需要的功与物体的体积或重量成正比，即e o c v 。 体积假说也是以理想条件为前提的，不考虑物料颗粒的形状、质地，同 时也不考虑粉碎过程中新生成的表面积。对于粉碎比小的情况，粉碎所产生 的新表面积相对较小，大量能耗用在物料的变形。体积假说比较符合于物料 的压碎和击碎。 ( 3 ) 邦德( b o n d1 9 5 2 ) 假说 邦德假说亦称裂缝假说。他认为粉碎单位体积物料所需要的功与物料颗 粒粒径( 或边长) 的平方根成反比，即e o c1 d 。对每一个颗粒所消耗的功为 e o cd 3 d 或eo cd 2 5 。 邦德假说的物理概念是认为：“物料在破碎时外力首先使其在局部发生 变形，一旦局部变形超过临界点时则产生裂口，裂口的形成释放了物料内的 变形能，使裂纹扩展为新的表面。输入的能量一部分转化为新生表面积的表 面能，与表面积成正比；另一部分变形能因分子摩擦转化为热能而耗散，与 体积成正比。两者综合起来，将物料粉碎所需要的有效能量设定为与体积和 表面积的几何平均值成正比 。 以上三个假设可统一地用如下数学模型来表述，式中e 为粉碎所需功耗， 】、 x 为粒径，c 。为常数，n 为指数：d e = 一c 竺n x 当n = 2 时，其积分式e = g ( 二一土) = g ( 是一墨) 为r i t t i n g e r 的表面积假 工21 说模型，式中c 。、c 。为r i t t i n g e r 常数。s ：为粉碎后物料的总表面积，s 。为 粉碎前物料的总表面积。 。 当n = 1 5 时，其积分式e = g ( 专一专) = g ( 压一i ) 为b o n d 的裂纹 x 2五 假说模型； r 当n = l 时，其积分式e = ql g ( 而- - ) = g l g ( 了d 2 ) 为k i c k 的体积假说模型。 工2o l 以上三式中： e 一一粉碎所需功， 五、而一一粉碎前后的粒径，指平均粒径或代表性粒径； c 。、g 一一r i t t i n g e r 常数，g 、q 一一b o n d 常数， c ，、c ，一一k i c k 常数， 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 s ：、s 。一一粉碎前后物料的比表面积。 对于整个粉碎过程来说：开始阶段即弹性变形阶段，由于体积的变化更 为显著，而遵循基尔皮切夫假说；粉碎的中间阶段即开裂、裂缝扩展阶段， 遵循邦德法则；最终阶段即断裂形成新表面的阶段，细粉碎过程中表面积的 增加更为突出，而遵循r i t t i n g e r 法则。 或者说对于粗粒物料的粉碎过程，体积说比较实际；对于细粒物料的粉 碎，面积说与实际过程较吻合；裂缝说适用于中等粒度的粉碎过程。 由此可见，这三大粉碎理论是相互补充的。在低粉碎比时，基尔皮切夫 的体积学说较为适宜；中等粉碎比时，宜用邦德的裂缝学说；高粉碎比时， 以r i t t i n g e r 的面积假说较好。 ( 4 ) 功指数在实践中，粉碎能耗模型最具实际应用价值和理论意义的是 b o n d 的裂缝学说。将上述功耗模型经定积分后可得b o n d 的实用式： w ：单一婴：彬罄一辈) qp_ f qpqf 式中，f 、p 一一给料及产品中8 0 通过的方形筛孔的宽度( 微米) w 一一将一短吨( 9 0 7 1 8 5 k g ) 给料粒度为f 的物料粉碎到产品粒度 为p 时所消耗的功 彬一一功指数，即将“理论上无限大的粒度粉碎到8 0 通过 0 o l m m 筛孔宽( 或6 5 通过0 0 7 5 m m 筛孔宽) 时所需的功。 b o n d 公式可运用于以下几个方面： a 在测出功指数形的情况下可以计算各种粒度范围内的粉碎功耗； b 测出被粉碎物料的功指数形，可以计算设计条件下的需要功率，根据 需用功率的容量，选择粉碎机械； c 可以比较不同粉碎设备的工作效率，如两台磨机消耗的功率相同，但 产品粒度不同，分别算出两台磨机的操作功指数，就可确定哪台效率高n 口副。 2 1 3 粉碎过程的物理化学 粉碎的物理化学问题属粉碎引起的机械化学反应的一个组成部分。机械 化学反应是由机械能诱发的化学反应，是机械运动能与化学能量的交换。 在许多领域，如塑料填料、涂料等不仅对非金属矿粉体产品的粒度、纯 度有要求，还对其表面物理化学性质：如白度或亮度、亲水性、疏水性、吸 西南科技大学硕士研究生学位论文 第14 页 附活性、电性、比表面积等有要求。对于金属矿物，在分选过程中，粉体的 表面性质对分选也是至关重要的因数。因此，如能有目的地将粉碎加工和表 面包覆结合起来，将简化工艺流程并提高经济效益。 近年来的国内外研究表明，在粉碎过程中引起的物理化学变化，主要有 如下四个方面： ( 1 ) 有些物质，随着粒径的减少，引起表面能的增加。这是由于外力所作 的功，增加了粉体表面积，即增加了表面能。 ( 2 ) 有些物质，随粒径的减少，粉碎面上的表面能下降。 ( 3 ) 受机械应力和周围环境的影响，引起表面性质的变化。 ( 4 ) 在机械力作用下，引起结晶构造的转变。 目前，粉碎物理化学的研究，除对上述机械化学反应方面的研究外，对 于粉碎界则着重于下列三个方面： ( 1 ) 物料可碎性的调节。为了突破各种粉碎设备的粉碎实际粒度极限， 使产品接近粉碎的绝对粒度极限，进一步降低粉碎能耗而开展助磨剂的研究； 为了改善后续的加工工艺而开展选择性粉碎的研究等。 ( 2 ) 粉碎对物料可选性的调节。主要是改善粉碎过程所造成的物理化学环 境对矿物表面性质和结果性质的影响，从而有利于分选、分离、浸取、萃取 盘莹 寸0 ( 3 ) 为节约钢耗开展的介质磨损速率的调节研究8 m 川2 们。 2 1 4 粉碎工艺学 粉碎工艺学的范围较广，此处只就近年来有关节能新工艺的情况，作一 简介。 节能新工艺的基本原则是“多碎少磨 和“以碎代磨”。从表可以清楚地 得知：粉碎的能耗低于研磨的能耗，粉碎的能量利用率高于研磨的能量利用 率。 ( 1 ) 为了降低粉碎产品的粒度应采取的主要措施 选用合适的粉碎腔几何形状和运转参数，进一步改进粉碎机的结构； 研制以料层粉碎理论为基础的新型粉碎机，重点是研制超细碎粉碎机，进行 第三段粉碎机的更新换代。 西南科技大学硕士研究生学位论文第15 页 表2 - 1各种类型的设备粉碎所需的能量及效率 f i g2 - 1e l f i c i e n c yo ft h ee n e r g yr e q u ir e dt oc r u s hf o r v a ri o u st y p e so f e q u i p m e n t 粒度范围m =所需能量标准预测能量效 设备 物料 给料产品 w t - - ! k h 率 。 给料产品 w t 率 i 粉碎 颚式粉碎机 旋回粉碎机 旋回冲击式粉碎机 自磨机( 干式) 辊磨机 粗磨 棒磨机 锤碎机 盘磨机 环形锤碎机 i i 细磨 球磨机 振动磨机 管磨机 i i i 超细磨 磨碎机 射流粉碎机 a a a c a a a a a a c 1 0 0 0 7 0 0 3 0 0 1 5 0 6 0 5 0 4 0 2 0 2 a b c1 0 o a0 5 e0 3 2 0 o 1 5 3 03 3 2 0o 3 o 5 o 1 4 o 8 o 9 0 0 4 0 0 5 。 0 0 0 6 0 0 0 6 o 0 0 1 o 2 o 4 1 6 o 8 47 8 7 1 5 3 5 o 3 1 5 2 o 1 5 2 53 0 6 4 2 5 2 1 85 6 1 3 3 2 8 3 1 4 3 7 a d0 0 5 ：一o c 一c a ：等等乒 写i c3 圳 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 3 页 一 l 2a0 。- 、j 、9 ，。0 、 a b ) 0n q e on i n 图3 - 6波形辊压机料层粉碎应力圆 a 与b 点位于应力圆上同一直径的两端，即最大与最小正应力所在截面 相互垂直，因此各正应力极值所在截面的方位如图3 6 所示。 由于圆辊辊压机粉磨时颗粒是受挤压力粉碎的，即只受盯，作用，与( 3 - 4 ) 式相比可得在相同的正压力下q 。要大于巳( 其程度是剪切力而定) ，即波 形辊压机比圆辊辊压机要节能。 其最大正应力所在截面的方位角则由下式确定： t a n2 口。：一丝：一上：一上l( 3 5 ) ” c r ! ! 二! 兰仃，一盯y 2 式中，负号表示由x 截面至最大正应力作用面为顺时针方向。 由图3 -