陶瓷原料的球磨细碎机理

1、 陶瓷原料的球磨细碎机理摘 要：本文介绍了球磨机的主要结构及工作原理，详细论述了陶瓷原料的粉碎理论及其球磨细碎机理。实践证明，陶瓷原料经球磨粉碎后易获得物理化学性能一致的陶瓷浆料或釉料，并可获得高质量的陶瓷制品。关键词：球磨机；粉碎理论；球磨细碎机理1 前 言陶瓷原料经球磨机粉碎后，增大了陶瓷原料的接触面积，促使陶瓷原料混合更加均匀，物理机械性能一致。因此，球磨机是陶瓷工业原料（坯料及釉料等）粉碎及混合的重要设备。球磨机缺点为功率消耗大、效率较低，其有用功仅占球磨机输入功率的小部分，大部分则消耗于研磨体与筒体、研磨体与研磨体之间的机械碰撞、筒体轴承及传动装置的机械摩擦阻力等方面，并最终转变成热

2、能或（和）声能而浪费掉。随着燃油价格的飚升、能源危机的临近及市场竞争的日益激烈，如何节约能源，提高陶瓷原料的球磨细碎效率，降低生产成本，赢得更大的市场份额，是陶瓷科技工作者及陶瓷生产企业共同关注的问题。因此，积极研究和探讨陶瓷原料的球磨细碎机理，能最大限度地提高陶瓷原料的球磨效率、节约能源，对提高企业的经济效益及陶瓷工业的可持续发展等具有深远而重要的意义。2 球磨机的主要结构及工作原理球磨机具有一个水平放置的钢质圆柱薄壁壳体（简称筒体），见图1所示。在电动机及传动装置（包括：液力偶合器、圆柱齿轮减速器、联轴器及三角胶带等）的作用下，驱动筒体以适宜的转速旋转。因此，筒体内的物料和研磨体（俗称球石

3、）等在筒体内衬（保护钢质筒体免遭破坏的材料）的作用下，被筒体提升到一定高度后，在其自身重力的作用下沿近似抛物线轨迹降落下来，冲击碰撞和研磨筒体底部的另一部分物料。经多次反复作用后，获得物理化学性能一致的陶瓷浆料或釉料，最后获得高质量的陶瓷制品。3 粉碎理论陶瓷原料的球磨细碎过程是一个复杂的物料尺寸的变化过程，它与许多因素有关，其主要影响因素大致是：物料的强度、硬度、韧性、形状、尺寸、湿度、温度、密度、均质性和可聚集性以及外部环境条件等。尽管上述因素都造成了物料破碎过程的复杂化，但最终必然是外力对物料做功，克服物料质点的内聚力后才会迫使物料破碎。内聚力大致可以分为两类：一类是晶体内部各质点之间的

4、作用力；另一类是晶体与晶体之间的作用力。这两者具有相同的物理性质，但其数值却不同，前者比后者大很多倍。内聚力的大小通常取决与物料块中晶体本身的性质与结构，也与结构中存在的缺陷及其数量多少等有关，这些缺陷最终表现为宏观和微观的损伤性裂缝，并且削弱了晶体之间的联系。根据晶体的构造和质点之间的作用力的性质，可从理论上估算出晶体之间的内聚力数值的大致范围。至于晶体间内聚力数值大小，以及所有降低物料坚固性的因素等所引起的影响，目前还不能精确地估算，所以内聚力的大小对同一物料也是变化的。3.1 强度理论陶瓷原料通常来自天然矿山、井下开采或工业生产过程中的产物，它们内部本身就存在着许多局部薄弱面（如：不均质

5、性的解理面、微细裂纹等）。在外力的作用下，这些局部薄弱面的周围势必产生应力集中，当外力增加时，应力集中现象逐渐加剧，迫使物料解理的加剧直至裂纹扩展，最终导致陶瓷原料破碎成为细粒球磨细碎的产物。事实上，物料的强度值随被粉碎物料的形状、尺寸大小的变化而变化，通常物料粒度越小，其强度值就越大。因为物料粒度越大，缺陷就越多，不均质性也越大，所以，其强度就越低。同时，物料中的各组成部分对强度的作用不是各组分的叠加，也不是各组分的平均值，而是取决于其最小值，即极少量的薄弱部位决定了物料整体的物理机械强度。3.2 能耗理论陶瓷原料的球磨细碎过程其实就是克服各质点之间的内聚力的作用，迫使物料变细（颗粒粒径的减

6、小）的过程是外力做功的结果。陶瓷原料的球磨细碎粒度与能量消耗之间究竟存在着什么样的关系呢？这一直是球磨粉碎理论研究的核心。100多年来，许多学者根据自己的工作经验总结出一些适用价值较高的“假说”理论，具体阐述如下：（1） 表面积“假说”理论1867年雷廷智（p.r.von rittinger）指出，物料的粉碎过程可近似认为是由大球形物料变为小球形物料的生产过程，因此物料在粉碎过程的能量消耗应与物料表面积的增加成正比，可用数学式表示为：ks系数，与物料的性质、形状、强度和密度等相关，通常由实验确定。实践经验表明，表面积“假说”理论实用于0.011mm粒径的产品，可估算出研磨粉碎过程的能耗。（2）

7、 体积“假说”理论1885年基克（f.kick）指出，物料的粉碎过程可近似认为是由一个大圆柱体物料受到挤压力的作用，在其内部引起应力并产生相应的应变，当应力达到极限时，迫使物料破坏，导致大圆柱体物料粉碎成为形状相似的小圆柱体物料，同时每次的粉碎比都相同。因此，物料粉碎所消耗的能量应与物料的体积或质量的减小成正比，利用数学式可表示为：kv系数，与物料的性质、形状、强度和密度等相关，通常由实验确定。实践经验表明，体积“假说”理论实用于大于10mm粒径产品，可估算出粉碎过程的能耗。因此，它实用于陶瓷原料（硬质料）的破碎颚式破碎机的能耗估算。（3） 裂纹“假说”理论1952年邦德（f.c.bond）指

8、出，物料的粉碎过程可近似认为是由一个大立方体物料在受压的情况下，积累一定的能量后产生了裂纹，由于裂纹的扩展，纵横交错，导致大立方体物料转变成一堆大小相同的小立方体物料，多次反复作用后才被粉碎。因此，物料粉碎所消耗的能量应与立方体的边长颗粒平均粒径的平方根成反比，利用数学式可表示为：kc系数，与物料的性质、形状、强度和密度等相关，通常由实验确定。实践经验表明，裂纹“假说”理论实用于110mm粒径产品，可估算出粉碎过程的能耗。因此，它实用于陶瓷原料的中碎轮碾机的能耗估算。采用轮碾机湿法粉碎陶瓷原料时，易糊筛而影响破碎效率；采用轮碾机干法粉碎陶瓷原料时，粉尘飞扬、污染环境，危害工人的身体健康。因此，

9、目前，陶瓷工厂通常不再采用轮碾机粉碎陶瓷原料这一工序，而是将陶瓷原料（硬质料粒径约10mm）直接投入球磨机球磨细碎制成陶瓷泥浆。表面积“假说”理论和裂纹“假说”理论都实用于球磨机的能耗估算。3.3 机械化学理论粉碎过程的机械化学理论是指物料粉碎过程中的机械运动能量与化学能量是相互转化的。它是研究固体物料在施加冲击、碰撞、挤压、研磨和剪切等机械力的作用后，其内部晶体结构将产生不规则变化和多相晶型转变，导致物料晶格缺陷的产生、比表面积的增大以及表面活化能的增加等；与此同时，物料的热力学性质、结晶学性质、物理化学性质等都会发生规律性的变化。机械粉碎其实就是采用机械能迫使物料由大颗粒变成小颗粒的过程。

10、显然在物料粒径减小的同时，物料自身的晶体结构、化学组成、物理化学性质等都会发生机械化学变化。而这些机械化学变化并非在所有的粉碎作业中都能显著存在，它与机械力的施加方式、粉碎时间、粉碎环境以及被粉碎物料的种类、粒度、物理化学性质等密切相关。4 球磨细碎机理陶瓷原料在球磨机中被球磨细碎成规定的颗粒度是由于球石（研磨体）对其冲击碰撞和研磨等作用的结果。但陶瓷原料的球磨细碎过程非常复杂，若以单一物料颗粒作为研究对象，那么在球磨细碎过程中，它可能反复地受到冲击碰撞应力和研磨挤压应力等共同作用。致使存在于该物料颗粒表面上固有的或新生成的裂纹扩张，从而迫使物料产生塑性变形或者破碎。当该物料颗粒不断地被球磨细

11、碎时，产生的某一级新颗粒便难以进一步磨细，主要原因是新生成的物料颗粒表面上的裂纹较微细，并且迫使这一微细裂纹的扩张所需的最小破碎应力急剧增大的缘故。即使球磨细碎陶瓷原料所需的最终破碎应力可能会增大到迫使颗粒产生塑性变形，却不足以破碎物料，即物料颗粒不会再被球磨细碎已经磨得太细。由此可见，陶瓷原料的球磨细碎过程中存在一细度极限值。实践经验表明：若陶瓷原料的球磨细度超过某一极限值时，球磨机对物料的球磨细碎作用就较困难。陶瓷原料的球磨细度极限值主要取决于球磨细碎产物重新团聚的倾向以及团聚与破碎之间所建立的动态平衡。若过长地延长球磨时间，对研磨细碎物料而言也是徒劳的，只会白白地浪费能源。这是因为过细的

12、物料颗粒不能有效地储存迫使裂纹扩张所需的弹性变形能。由于陶瓷原料的球磨细碎过程比上述单一颗粒物料球磨细碎过程更复杂，它是众多单一颗粒物料共同球磨细碎的复合体，并且物料颗粒表面上的裂纹扩张与新裂纹的出现会因每一颗粒中裂纹的相互作用而变化。次一级颗粒的破碎，颗粒与颗粒之间的相互作用，颗粒与研磨体之间及颗粒与球磨机内衬之间的作用以及球磨细碎环境状态对颗粒的作用而加剧，最终迫使陶瓷原料颗粒的破碎球磨细碎。（下转第31页）陶瓷原料在受外力作用而被球磨细碎之前，通常是首先产生弹性变形。当变形达到一定值时，陶瓷原料的缺陷处重新弥合，并产生“加工硬化”和应力增大的现象。当外力继续作用时，变形也继续增长，直至沿着最脆弱面的断裂。通过观察破坏断面可知，陶瓷原料通常是被与之垂直应力压裂（或拉裂）和剪应力作用下产生滑动的撕裂，这就是陶瓷原料的球磨细碎机理。5 结 语陶瓷原料经球磨机粉碎后，增大了陶瓷原料的接触面积，促使陶瓷原料混合更加均匀