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走进微观世界4:超细微纳米化破碎理论机理分析
2021年11月10日 发布 分类:粉体入门 点击量:144
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现今,微纳粉体在各个领域行业应用广泛,相关微纳粉体技术的重要性十分显著。粉体在粉碎机中粉碎具有随机性,会生成大小不一的细微粉体颗粒。随着颗粒粒度不断变小,其比表面积和比表面能都在不断增大,进而增加了细微颗粒间的团聚趋势。当颗粒达到粉碎极限(粉体粉碎与团聚为动态平衡状态)时,物料粉体中包含粗颗粒和细颗粒,但无法通过破碎的方法将其粒径再减小。为了解决粉碎极限问题、提高粉碎效率和降低能耗,其最重要的方法是将分级设备与粉碎设备相互配合,即在粉碎过程中及时分离出合格的细粒级产品,不仅可提高粉体产品质量,而且能避免粉碎过程中合格粒度的产品在磨机中过度粉碎。故制备超细粉体的工艺理论主要涉及两个方面∶粉体破碎理论和粉体分级理论。

粉碎的基本概念

粉碎是指固体物料在外力(如人力、机械力、热核力等)作用下,克服颗粒内的内聚力使物料的粒度减小、比表面积增大的过程。根据原料粒度以及 产品粒度大小的不同,将粉碎分为破碎和粉磨,大块物料破碎为小块物料的过程称为破碎,小块物料粉碎为细粉的过程称为粉磨,具体分类如表2-1所示。破碎和粉磨之间的界限并不明显,有时也将细磨称为超细粉碎。

表2-1 粉碎的类型


粉碎比

定义原始物料的颗粒粒度为D,粉碎后粒度为d,将比值i=D/d称为粉碎比,用于物料破碎时称为破碎比。粉碎比用来描述物料粉碎前后粒度变化的程度,比较各种粉碎机械的粉碎能力。般来说,破碎机的破碎比为3~100,粉磨机的粉碎比为500~1000或更大。

粉碎通常为多段粉碎,即将多 台粉碎设备串联使用,总粉碎比i与各级粉碎比i,i2,…,in之间有以下关系∶

 

粉碎段数增加会导致粉碎流程复杂化,同时增加设备的检修工作量。因此在满足生产要求的前提下,粉碎段数越少越好,粉碎或粉磨的段数不应超过4段。

与粉碎相关的参数

1)强度

强度是指固体物料抵抗外力破坏的能力,表现为物料粉碎的难易程度。材料强度表示为物料单位面积上的受力大小,材料强度根据破坏方式的不同可分为抗压强度、抗拉强度、抗弯强度和剪切强度等。

 

2-1 原子间的距离和原子间的作用力

材料的理论强度是指不含任何缺陷、完全均质材料的强度,相当于原子、离子或分子间的结合力。当材料所受应力达到其理论强度时,原子间或分子间的结合键将发生破坏。原子间相互作用的引力和斥力如图2-1所示,原子间作用力随原子间距发生变化并在r0处保持平衡。理想强度即为破坏这一平衡的强度,其计算公式如下

 

式中 Δth-理论强度γ-比表面能E弹性模量a-晶格常数。

实际上材料被粉碎后颗粒的组成不均一,表明材料各质点间的结合力不一致,即存在局部结合相对薄弱的现象,导致材料受力还未达到理论强度时发生破坏,因此材料的实际强度要低于理论强度,一般为理论强度的千分之一到百分之一。即使

是同一材料,因内部的裂纹大小不同,其测量的实际强度也不同。理想强度和实测强度之间的差异如表2-2所示。

2-2理想强度和实测强度之间的差异


2)硬度

硬度是指材料抵抗外物压入其表面的能力,表现为材料的耐磨性。硬度的测试方法包括刻痕法、压入法、弹子回跳法和磨蚀法等。利用划痕法测出的硬度称为莫氏硬度,利用压入法测出的硬度称为布氏硬度、洛氏硬度或维氏硬度等,利用弹子回跳法测出的硬度称为肖氏硬度。

虽然硬度测定方式不同,但是都反映了物料抵抗变形及破坏的能力。因此利用各种方法测得的硬度可以互相换算,例如莫氏硬度约为维氏硬度的1/3。典型矿物的莫氏硬度值如表2-3所示。

表2-3典型矿物的莫氏硬度值

 

晶体的硬度测试结果表明如下几点。

①硬度不仅与晶体的种类有关,还与结构有关。

②离子或原子越小、离子电荷或电价越大以及晶体的质点堆积越密集,都会造成平均刻划硬度和研磨硬度越大。

③同一晶体的不同晶面甚至同一晶面的不同方向的硬度都有差异。

3)韧性和脆性

脆性材料因强度极限一般低于弹性极限,在粉碎过程中只出现极小的弹性变形而不出现塑性变形。脆性材料如陶瓷、玻璃等抵抗动载荷或冲击的能力差,抗拉能力远低于抗压能力,因此常采用冲击法将其粉碎。

韧性材料的抗拉性能和抗冲击性能较好,但抗压性能差,食品物料都属于韧性材料。例如谷物、麦麸、茶叶等在粉碎时,应采用剪切或快速打击的方法或者采用低温冷冻法降低物料的韧性。

4)易碎性

易碎性物料颗粒破碎或磨碎的难易程度取决于在一定条件下,将物料从一定粒度粉碎至设定粒度所需要的比功耗大小,或使一定物料达到指定粉碎粒度所需要施加的能量大小。粉碎除了取决于材料物性外,还受到如粒度、粉碎方式(粉碎设备和粉碎工艺)等因素的影响。

易碎性的表示方法有很多,下面主要介绍Bond粉碎功指数。

采用有效内径305mm、有效长度305mm的球磨机,内装各级别钢珠共285 个,钢珠级配如表2-4所示。

表2-4 磨钢珠级配


试验方法如下。

①取700cm3粒度小于3360μm的原料装入球磨机中,球磨机转速为70r/min。粉碎一定时间后,将粉碎产物按规定筛目DPIμm)进行筛分,记录筛余量W(g)和筛下量Wp-W,求出球磨机每一转的筛下量Gbp

②取与筛下量相等的新试料与筛余量W混合作为新物料加入球磨机中,球磨机转速按保持循环符合率的250%计算。反复上述试验过程直至Gbp达到稳定。

③取最后三次的Gbp并求平均值,且Gbp的最大值和最小值之差小于平均值的3%。平均值即为易碎性值。粉碎功指数越小,物料的易碎性越好;反之物料越难粉碎。


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