破碎与磨矿19世纪的三大理论

破碎与磨矿19世纪的三大理论

粉碎、磨矿的发展现状和基矿区是经济的基本产业，与经济发展密切相关。矿物加工是矿业的一个非常重要的环节,它不但要为其他领域提供原材料,而且还要为自身的可持续发展提供机遇。粉碎是矿物加工中不可缺少的一种工艺过程,粉碎的任务是提供具有一定粒度、粒度组成和充分解离而又不过粉碎的加工原料,以便下一步的加工、处理和使用。当今世界矿物加工领域中破碎、磨矿能耗约占整个选矿过程能耗的40%～60%,据资料表明,20世纪90年代以来世界上约12%的电能用于粉碎物料。破碎、磨矿的节能降耗成了选矿领域降低成本、增加经济效益的重要手段之一。而破碎理论的成熟是破碎机实现节能降耗的先决条件,因而破碎设备的发展依赖于破碎理论的发展。1破碎理论的总结1.1大理论的型型化19世纪中叶,许多学者就粉碎能耗的关系问题纷纷提出自己的看法,其中最著名的有雷廷格尔(Rittinger)的“面积说”,基克(Kick)的“体积说”和庞德(Bond)的“裂缝说”,他们的数学表达式可以写成:dA1=rds(Rittinger理论)(1)dA2=kdv(Kick理论)(2)w=wi(F√−P√F√)100P−−−√(Bondw=wi(F-ΡF)100Ρ(Bond理论)(3)而这三大理论的表达式,可以统计地由沃克公式表示为dE=−dxxn(4)dE=-dxxn(4)当n=1,1.5,2时,将上式积分,就可以分别得到上述三大理论的表达式。三大理论表达式右边粒度的表示法,“面积说”采用调和平均径;“体积说”采用加权几何平均径;而“裂缝说”采用80%所有通过的方孔筛宽的尺寸来表示。他们采用的粒度都是靠经验确定的。实际运用中,这三大理论各自仅反映粉碎过程的某一阶段,互不矛盾。对于粗粒物料的粉碎过程,“体积说”比较接近于实际;对于细粒物料,“面积说”与实际过程较吻合;“裂缝说”使用于中等粒度的粉碎过程。1.2粉碎效率与冲击在上世纪80年代,人们在研究单颗粒破碎时发现,在空气中一次破碎的碎片撞击金属板时明显地产生二次破碎,一次破碎的碎片具有的动能占全部破碎能量的45%。如能充分利用二次破碎能量则可提高破碎效率。也有人指出,较小的持续负荷比短时间的强大冲击,更有希望破碎物料。同时在对冲击力与挤压力对颗粒层的破碎效果进行研究后得出结论:静压粉碎效率为100%,单次冲击效率为35%～40%。为了节约能量,提高粉碎效率,应多用静压粉碎,少用冲击粉碎。如果使大批脆性物料颗粒受到50MPa以上的压力,就能够由“料层粉碎”节约出可观的能量。基于这两个认识形成了层压破碎理论,与传统的挤压破碎理论不同,传统的挤压破碎认为石料的破碎是基于单颗粒发生在颗粒与衬板之间。层压破碎认为石料颗粒的破碎不仅发生在颗粒与衬板之间,同时也大量发生在颗粒与颗粒之间。其特征是在破碎室的有效破碎段形成高密度的多个颗粒层,将充足的破碎功作用于石料颗粒群,在充分发挥层压破碎的同时充分利用了石料破碎过程中所产生的强大碎片飞动能对相邻石料进行再破碎,获得极高的破碎率。即便是比较大的排料口间隙也能大量生产细粒产品。料层石料颗粒之间的相互挤压,实现了选择性破碎,使那些强度低的针、片石料在层压破碎中首先破碎,故能产生优粒形含量很高的石料产品(针片状含量≤15%)。颚式破碎机是在这一理论的指导下应运而生的代表性破碎设备。1.3超声破碎过程自冲击破碎理论是上世纪80年代初,新西兰BARMAC公司的布赖恩·巴特立和吉姆·麦克唐纳提出的。传统的冲击破碎机是靠旋转的板锤直接冲击石料,对石料破碎并给石料破碎所需动能,板锤在破碎石料的过程中自己也在快速消耗。与传统的冲击破碎方式不同,自冲击破碎则是石料与石料之间的冲击破碎,一部分石料通过高速旋转装置获得动能,与另一部分伞状以瀑落而下的石料冲击破碎,在破碎腔内一部分石料形成自衬式工作部件,使机器本身不受磨损。石料自衬保护了易损零部件,而本身又是被破碎物料。石料在工作时实现了不断破碎——形成石衬与排料一一再破碎的循环破碎、排料过程。破碎过程是一种选择性破碎,石料产品针片状含量可≤10%。自冲击破碎机由涡动破碎腔、进料分料装置、转子旋冲器、动力传动装置、机架等组成。石料通过给料装置进入转子中心,转子高速回转,中心石料受离心力作用而飞溅,像子弹一样,与另一部分以伞状瀑落方式分流而下,在和转子周围环形石料相碰击而产生第一次“石打石”自破碎,并共同飞溅到反击石衬环上而产生第二次“石打石”自破碎(如图1)。设备内壁和转子出流喷射口侧壁在运转中自形成抛物紧贴自衬层,使设备部件无磨损。石料在相互打击后,又会在转子与壳体之间破碎腔内再次作回转弧的回流运动,而形成多次“石打石”自破碎。破碎过程中,在物料颗粒之间传递能量,可使激烈的冲击摩擦转变为温和的研磨。颗粒受到阻力,在消耗能量的同时被击碎,直到能量全部消耗掉为止,最后脱离破碎腔,经排料口排出。物料的破碎过程是物料颗粒之间的能量交换,从而提高了能量的利用率。自冲击破碎机最显著的特点主要表现在破碎发生在石料与石料之间,使设备的磨损损耗大大降低,减少了维修次数,延长了设备使用寿命。同时产品粒度等级不因机件的磨损而改变,破碎效率也保持恒定。破碎机的内部本身形成空气流通系统,因此它对周围的环境污染很小。由于细小的物料颗粒所具有的动能小,破碎的可能性也很小,从而可以避免过粉磨现象的产生。自冲击破碎机选择性破碎,可生产优形粒料,是一种高能量利用率设备。自冲击破碎机主要是用于路用碎石系统的三级或四级破碎,生产中、细碎石和砂,也可降低转子的速度而用于粗细石料的整形以提高产品立方体颗粒含量。2目前，中国有几种具有代表性的破碎机械2.1破碎法2.1.1gxije系列深腔可拆式破碎1858年埃里-布雷克(El.Blake)取得专利权,制造双肘板颚式破碎机,现在最常用的颚式破碎机是布雷克的颚式破碎机和更近代制造的单肘板颚式破碎机。颚式破碎机最大的弱点之一是它们在一个工作循环内只有一半时间进行工作,20世纪80年代以来,国内颚式破碎机的研制与改进取得了一定成果。如我国破碎专家王宏勋教授和他的学生丁培洪硕士引用了“动态啮角”的概念,开发GXIJE系列深腔颚式破碎机,当时在国内引起一定的轰动。该机与同种规格破碎机相比,在相同工况条件下,处理能力可提高20%～25%,齿板寿命可提高1～2倍。该机采用负支撑零悬挂,具有双曲面腔型第二代GXI250×400负支撑在第一代的基础上进行了全面改进,增大了破碎比,降低了产品粒度,最大给料粒度为220mm,产量为5～16t/h,排料口调整范围为10～40mm,给料抗压强度小于300MPa。PEY4060液压保险颚式破碎机,以液压缸为过载保护装置,正支撑、正悬挂、深破碎腔,该机最大给料粒度为340mm,排料调整在30～100mm之间,生产能力为10～40t/h。北京矿冶研究总院林运亮等人与上海多灵沃森机械设备有限公司合作开发了PED低矮可拆式颚式破碎机。该机是一种适于井下作业特殊条件下的新型颚式破碎机。机械本身高度低,动颚位置低,固定颚位于动颚和偏心轴之间多灵沃森机械设备有限公司的戎吉华高级工程师集多年实践经验,设计了目前国内最大的1200mm×1500mm复摆颚式破碎机。2.1.2式改良改良机械包括将高效节能的颚式破碎机和对辊破碎机有机的结合在一起,研制出了颚辊破碎机。该设备采用单电机或柴(汽)油机驱动,当整机放在拖车上被牵引拖动时,便成为移动式颚辊破碎机。颚辊破碎机的工作原理是:电机或柴(汽)油机驱动下部对辊破碎机主动辊部,主动辊部经过桥式齿轮带动被动辊部反向运转。同时,主动辊部另一端经胶带传动带动上部颚式破碎机工作。通过调整对辊破碎机的安全调整装置,调整两辊间的间隙,可得到最终要求的粒度。颚辊破碎机具有破碎比大(15～16)、高效节能、体积小、重量轻、驱动方式多样和移动灵活、可整机也可分开单独使用等特点。特别适于深山区中小型矿山和建筑工地材料的破碎,也可作为“移动式选厂”的配套破碎系统。2.1.3设备特点建议这种大传动角颚辊破碎机克服了复摆颚辊破碎机的抬矿、机体高、主轴承受力大等缺点,它具有如下优点:用较小的偏心距能得到较大的水平行程,因而可降低能耗;动颚与给料口方向一致,从而提高复摆颚辊破碎机的抬矿作用;肘板置于动颚给料口后部,使机器高度降低,适于井下移动式破碎机上。原上海建材工业学院利用“固定容积”原理,推导出有独特见解的修正高斯曲线方程,利用该方程设计出新一代的PEX—150×750—A型细碎颚式破碎机,该设备的破碎腔为“直线-外旋轮线-修正高斯曲线”型高深式破碎腔。该机与国内同类产品相比,具有运转平稳、破碎比大、产量高(提高20%左右)、噪音小、运行费用低等特点。该产品已获得国家专利,主要用于水泥、选矿、冶金、陶瓷、化工等行业各种磨机的预粉碎(细碎)。2.1.4双动改良两种破碎材料沈阳黄金学院与辽宁红透山机械厂联合研制的SEP-25型双动颚式破碎机,其破碎比可达12,与同规格旧型颚式破碎机对比,生产能力提高60%～100%,电耗降低30%～50%。北京矿冶研究总院也生产双动颚式破碎机。2.2双辊破碎式组合结构针对用于粉碎煤的单齿轮破碎机存在效率低、结构复杂、受力不均匀等缺点,华北工学院开发了新一代Φ915mm单齿辊破碎机。这种破碎机有两种结构型式:第一种结构型式将原来的拉力弹簧改为推力弹簧,弹簧弹力为490kN,拉杆铰接在颚板上,两端带有M100×4螺纹,分别装有两个旋紧螺母:左端螺母用于调整颚板位置,即出料口间隙,右端螺母用于调整弹簧弹力。拉杆插在装于机体上的支座上,支座孔为上下可调的长方形,用以调整产品的粒度。这种结构降低了机体高度,缩短了拉杆长度,使结构更为紧凑。第二种结构利用颚式破碎机的楔形调整机构和双辊破碎机的主动辊轴相结合,吸收了两者的优点,如:进料口大,辊子表面可装有不同尺寸的破碎齿板,颚板上镶有可更换的耐磨衬板,出料口大小可通过推力板上的长方形螺孔调整。与同规格的颚式破碎机或双辊破碎机相比,这类设备的破碎能力可增大几倍,效率可提高30%。现已调试出F915×1000单齿辊破碎机,生产能力达140t/h,最大进料口尺寸为500mm,出料粒度为50～100mm,产品粒度比较均匀;同时,由于这种结构的破碎机有预碎和破碎两个区域,破碎后的物料受齿辊拨动而被强制排出机体外,所以更适用于处理较粘的潮湿物料。2.3返回失效检测2.3.1破碎工具的质量控制回转式破碎机最早见于20世纪60年代的联邦德国,由于国外大型矿山要求大型机械,刚刚问世的回转破碎机没有得到发展。80年代初期,由于中小型矿山的迅速发展,国内有些研究工作者开始对回转破碎机进行进一步的研制。破碎设备的好坏主要是取决于破碎腔的设计,破碎腔能够体现设备的生产能力、功耗、钢耗及破碎产品质量等重要性能指标。回转式破碎机主要由回转辊、悬挂装置、保险装置、调整机构、拉紧装置、转动系统及机架组成,其破碎腔由固定凹面破碎板和破碎回转辊组成。物料的破碎是通过回转辊的偏心运转来完成的,其破碎腔啮角具有静态和动态变化功能。该机破碎腔的啮角是自上而下逐渐减小的,这可有效地防止排料口堵塞,使排料顺畅,并可实现高频破碎,且破碎过程又是渐进的。因此,破碎功率高、能量集中、磨损小。PH型回转式破碎机的破碎作用发生于破碎回转辊偏心位置附近,破碎腔中的物料由上至下依次被破碎。物料的破碎主要靠挤压、劈裂、弯曲、磨削等作用。当偏心转离破碎腔时,巳被破碎的合格物料由排料口排出。排料过程,一是靠重力自然排料,二是靠“强制排料”。破碎辊可相对于偏心轴自由回转,根据作用力矩的大小和方向,辊筒有正转(与偏心轴旋转相同)、不转和反转3种状态,转速也有快慢之分,这样可有效地使破碎辊面磨损均匀。回转式破碎机具有变啮角、高密度破碎、依次渐进破碎、高频破碎和强制排料等特点。2.3.2组合破碎设备为更好地发挥回转破碎机的作用,将PH破碎机的辅助破碎腔改成与主破碎腔对称形式,这就是双腔回转破碎机。中南工业大学张智铁教授的回转破碎机自称为变啮角回转颚式破碎机,认为是复摆颚式破碎机的变形,以代替复摆颚式破碎机。正式提出双腔回转式是北京市京海鹰矿山工程设备公司徐正一等人,是对偏心回转辊式破碎机进一步发展,可用来取代现行的细碎或超细碎颚式破碎机和中小规格圆锥破碎机。双腔回转式破碎机有以下优点:(1)破碎回转辊筒呈正反摆转,使物料的破碎更加有效;(2)对称副腔的增设,使破碎过程的空行程缩短,产量约增加30%～40%,PSH系列双腔回转破碎机由于破碎辊采用了高强度耐磨焊层,可以破碎抗压强度为600MPa以上的物料,对Al2O3含量为87.5%的耐火材料,可以很容易破碎。北京市京海鹰矿山工程设备公司生产的五鹰牌PSH系列双腔回转破碎机,与同规格的颚式破碎机相比,该机的生产能力提高近1倍,能耗降低40%,钢耗降低50%以上,破碎产品粒度分布均匀,颗粒尺寸严格,粒形呈立方状,使其在矿山加工和建筑石料破碎等方面展现出良好的应用前景。另外,PSH回转式破碎机工作时振动小,可平稳工作,空载噪音与颚式破碎机相比降低30%。提高近1倍,能耗降低40%,钢耗降低50%以上,破碎产品粒度分布均匀,颗粒尺寸严格,粒形呈立方状,使其在矿山加工和建筑石料破碎等方面展现出良好的应用前景。另外,PSH回转式破碎机工作时振动小,可平稳工作,空载噪音与颚式破碎机相比降低30%。五鹰牌PSH双腔回转