第09章-第1節(jié)超細(xì)粉磨原理

9.1超細(xì)粉磨原理超細(xì)粉磨是粉體深加工技術(shù)之一。粒度界限在非金屬礦加工中，一般將10μm以下的粉體稱為超細(xì)粉體，物料粒度小于1μm以下時，稱為超微粉。在水泥粉磨中：普通粉磨：產(chǎn)品粒度

<80μm，比表面積250～350高細(xì)粉磨：產(chǎn)品粒度

<50μm，比表面積350～600超細(xì)粉磨：產(chǎn)品粒度

<10μm，比表面積600～800粉碎粉碎是一種可逆過程：一方面是大顆粒在機(jī)械力的作用下，顆粒原子或分子的化學(xué)鍵折斷，解除鍵合，從而碎裂成為小顆粒，同時比表面積增大；另一方面由于生成的小顆粒之間的物理作用，斷裂后在新表面上產(chǎn)生的剩余價鍵、帶有正電荷或負(fù)電荷的結(jié)構(gòu)單元以及化學(xué)游離基等的作用，使小顆粒又再附聚及聚結(jié)而成為大顆粒。粉碎在粉碎進(jìn)行期問，當(dāng)正向過程的速度大于逆向的速度時，顆粒得以粉碎而微細(xì)化；當(dāng)逆向過程的速度大于正向的速度時，顆粒附聚及聚結(jié)而粗大化。粉碎平衡當(dāng)相反的兩種作用進(jìn)行速度相等時，則出現(xiàn)粉碎平衡。即使繼續(xù)進(jìn)行粉碎，物料顆粒不再變小，比表面積不再增大，達(dá)到粉碎極限。這時的尺寸就是平衡尺寸，也就是粉碎的極限尺寸。

粉碎平衡極限比表面積理論：S=(1-)粉碎顆粒細(xì)度的比表面積S可以表示為粉碎所耗費(fèi)掉的能量W的指數(shù)函數(shù)，當(dāng)趨近于極限比表面積時，就達(dá)到式（9-1）所表示的粉碎平衡。某一時問粉碎所耗費(fèi)掉的能量與粉碎所經(jīng)過的時間成正比。

粉碎動力學(xué)曲線粉碎速度dS／dt的大小取決于極限比表面積s。與該時刻顆粒所具有的比表面積S的差值(-s)。此差值表示該時刻的比表面積可能發(fā)展的潛力，稱為粉碎勢。超細(xì)粉磨受到極限尺寸的限制。在接近極限尺寸時，粉碎勢很小，粉碎進(jìn)展很慢，能量的利用率也很低，經(jīng)濟(jì)上并不合算。平衡尺寸平衡尺寸是可以通過改變操作環(huán)境而使之變更的。超細(xì)粉磨技術(shù)是設(shè)法將平衡點(diǎn)往尺寸較小的一方推移，以創(chuàng)造一種適合于超細(xì)粉磨的環(huán)境，從而有條件獲取尺寸更小的顆粒。操作環(huán)境主要通過兩方面去改變：使粉碎設(shè)備的能量高度密集；使用助磨劑優(yōu)化粉碎環(huán)境。能量高度密集因素能量高度密集包含兩個因素：質(zhì)的因素，也就是強(qiáng)度因素，要求增強(qiáng)粉碎作用力；量的因素，要求增加單位時間內(nèi)粉碎的作用次數(shù)，亦即增大粉碎的作用頻率。顆粒的斷裂通常是脆性斷裂，依靠顆粒中的裂紋的伸延和擴(kuò)展而發(fā)生斷裂。粗顆粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)中的缺陷，使顆粒的強(qiáng)度下降。結(jié)構(gòu)不均勻引起應(yīng)力集中，有可能產(chǎn)生新的裂紋。隨著粉碎的進(jìn)行，這些有利于粉碎的條件逐漸消失，顆粒的結(jié)構(gòu)趨于更加完整。當(dāng)顆粒的尺寸變得很小時，顆粒中的裂紋的尺寸也變得很小，需要更大的應(yīng)力才能引起裂紋的伸延和擴(kuò)展。因此，小顆粒的強(qiáng)度大于大顆粒。其次，細(xì)小顆粒由于裂紋稀少，結(jié)構(gòu)均勻，在受力作用時不是產(chǎn)生脆性斷裂，而是產(chǎn)生永久性的塑性變形，顆粒微塑性的出現(xiàn)使粉碎很難進(jìn)行。凡此種種，都使微顆粒的強(qiáng)度升高，需相應(yīng)地增強(qiáng)作用力才能使之粉碎。粉碎平衡當(dāng)顆粒尺寸變小時，顆粒的數(shù)目增加很快，數(shù)目眾多的顆粒需要逐個進(jìn)行粉碎，甚至需要在每個顆粒上用磨剝法逐點(diǎn)進(jìn)行粉碎。所以，沒有高頻的作用力就無法保證粉碎的進(jìn)行。高頻作用力還保證每次力的有效作用，避免因應(yīng)力的弛豫而造成損失。超細(xì)磨技術(shù)就是要想法創(chuàng)造能量高度密集的粉碎環(huán)境，以利于超細(xì)粉磨的進(jìn)行。粉碎不單純是顆粒細(xì)化的物理過程。粉碎過程中有化學(xué)鍵的折斷和重新組合，也有能量的積聚，使顆粒的表面自由能增大，并產(chǎn)生晶格變形、結(jié)構(gòu)缺陷、無定形化，生成表面游離基，放射外激電子和出現(xiàn)等離子態(tài)等，從而使正在粉碎中和經(jīng)過粉碎后的顆粒處于亞穩(wěn)的高能狀態(tài)。因此，粉碎是由機(jī)械力誘發(fā)的物理化學(xué)現(xiàn)象，是可逆的機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)過程。助磨劑在顆粒表面上的物理化學(xué)作用，發(fā)揮力學(xué)效能，消除或延緩顆粒的聚結(jié)，同時提高顆粒的易碎性，從而一直粉碎的可逆過程，使平衡點(diǎn)向尺寸較小的方向推移，以提高粉碎的細(xì)度和粉碎效率。助磨劑機(jī)理

(i)助磨劑加入量不多。助磨劑多數(shù)是表面活性劑，所以能分散地吸附在顆粒的表面上或與顆粒的表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使表面上的新生不飽和價鍵趨于飽和；屏蔽范德華力或靜電力，避免顆粒之問的貼合，防止或延緩聚結(jié)的發(fā)生。因此，助磨劑在粉磨過程中起著平衡顆粒表面剩余價鍵和屏蔽顆粒表面的作用，避免顆粒聚結(jié)，抑制粉碎的逆過程，從而有利于粉碎過程的進(jìn)行。在這種意義上，助磨劑是一種防聚結(jié)劑或分散劑。助磨劑機(jī)理(ii)粉碎過程也是顆粒積聚能量的過程，助磨劑吸附在裂紋表面上時，就能使裂紋的表面自由能降低，并能平衡裂紋新表面上剩余價鍵及電荷，起尖楔作用，防止裂紋的愈合，從而使裂紋更加容易擴(kuò)展，使物料的易碎性提高。因此，助磨劑在粉磨中起著降低固體強(qiáng)度的作用，使粉碎過程容易進(jìn)行，從而有利于粉磨細(xì)度和粉磨效率的提高。在這種意義上，助磨劑是一種強(qiáng)度削弱劑或軟化劑。助磨劑使用助磨劑是一種行之有效的增產(chǎn)節(jié)能措施。特別是在進(jìn)行超細(xì)粉磨時，更需要使用助磨劑來延緩顆粒的聚結(jié)，以使顆粒微細(xì)化；同時需要助磨劑來提高顆粒的易碎性，以減少粉磨的能耗。超細(xì)粉磨系統(tǒng)分類分為干法和濕法兩種類型。濕法是采用超細(xì)粉磨設(shè)備濕法粉磨，水力分級后將產(chǎn)品脫水、干燥，從而獲得超細(xì)粉體。超細(xì)粉磨設(shè)備(i)機(jī)械沖擊式超細(xì)磨機(jī)。通過高速回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子上的錘頭、棒體、葉片等對物料進(jìn)行激烈撞擊，并使顆粒間產(chǎn)生高頻強(qiáng)力沖擊、磨剝而粉碎。其速度可達(dá)50～55m／s，產(chǎn)品細(xì)度對于軟質(zhì)物料可達(dá)

<10μm，

硬質(zhì)物料可達(dá)

<20μm。如沖擊式超細(xì)粉磨機(jī)等。超細(xì)粉磨設(shè)備(ii)介質(zhì)運(yùn)動式超細(xì)磨機(jī)。利用細(xì)小粉磨介質(zhì)的高速運(yùn)動對物料進(jìn)行沖擊和磨剝作用使物料粉碎。產(chǎn)品細(xì)度可達(dá)

<10μm。如振動磨機(jī)、行星振動磨機(jī)、攪拌