Физические основы измельчения.

Схемы измельчения. Измельчение может проводиться в открытом и замкнутом циклах, а также в один или несколько приёмов.

При измельчении в открытом цикле куски материала проходят через измельчающую машину только один раз, не возвращаясь в неё. Обычно в открытом цикле проводят крупное и среднее измельчение, когда нет необходимости в точных размерах конечного продукта. При наличии мелочи в исходном материале его предварительно классифицируют и отделённую мелочь присоединяют к продукту.

При измельчении в замкнутом цикле измельчающая машина работает с классифицирующими и транспортирующими устройствами, при помощи которых крупный продукт непрерывно возвращается для повторного измельчения. Такая схема широко используется при тонком измельчении, где требуется однородность конечного продукта. Работа по замкнутому циклу позволяет снизить расход энергии на измельчение и повысить производительность оборудования.

При измельчении в два приёма после первой измельчающей машины материал поступает на предварительную классификацию, а затем направляется на вторую измельчающую машину. Такая схема позволяет получать наиболее равномерный по крупности продукт.

Количество материала, возвращаемого на повторное измельчение при работе по замкнутому циклу («циркуляционная нагрузка»), может колебаться в широких пределах (25-600% от количества исходного материала).

Методы измельчения. Измельчение материалов производится раздавливанием, раскалыванием, ударом и истиранием.

При измельчении всегда одновременно сочетается несколько методов, так как они неизбежно сопутствуют друг другу. Истирание при измельчении вызывает образование большого количества пыли и ведёт к переизмельчению, что часто бывает весьма нежелательным.

Выбор того или иного метода измельчения зависит от крупности и прочности измельчаемых материалов.

Теории измельчения. На процессы измельчения требуются значительные затраты энергии. Эти затраты являются наиболее существенным фактором, характеризующим процесс.

Расход энергии на измельчение может быть определён, исходя из существующих теорий измельчения. В настоящее время наибольшее распространение имеют две теории: поверхностная и объёмная.

Поверхностная теория, предложенная Риттенгером, исходит из того, что при измельчении работа расходуется на преодоление сил молекулярного притяжения по поверхностям разрушения материала, то есть по вновь образующимся при измельчении поверхностям. Отсюда следует, что работа, необходимая для измельчения, пропорциональная вновь образующейся поверхности измельчаемого материала.

,

где К – коэффициент, показывающий затраты работы в кгс·см на 1 см² поверхности материала, образующейся при измельчении; этот коэффициент зависит от свойств измельчаемого материала и определяется опытным путём.

Объёмная теория, предложенная, В.Л.Кирпичёвым в 1874 г. и позднее (1885) Киком, исходит из того, что при измельчении работа расходуется на деформации материала, которые предшествуют его разрушению. При этом работа расходуется до достижения предельной (разрушающей) деформации. Отсюда следует, что работа, необходимая для измельчения, пропорциональна уменьшению объёма кусков материала перед их разрушением.

Исходя из закона Гука, работу деформации (в кгс·см) материала при сжатии можно определить по соотношению:

,

где - уменьшение объёма кусков материала в результате их деформации перед разрушением в см³; Е – модуль упругости материала в кгс/см²; - временное сопротивление сжатию в кгс/см².

4. Классификация измельчённых материалов и классифицирующие устройства.

Путём классификации измельчённые материалы разделяются на фракции (классы), ограниченные определёнными пределами размеров кусков (частиц).

В технике используют три вида классификации:

1) грохочение, или механическая классификация – рассев сыпучих материалов на ситах, решетах или других устройствах. При грохочении через отверстия рассеивающего устройства проходят куски (частицы) материала, размеры которых меньше размеров отверстий; эта фракция материала собирается в один сборник. Крупные куски материала, не прошедшие через отверстия рассеивающего устройства, собираются в другой сборник;

2) гидравлическая классификация – разделение смеси твёрдых частиц на фракции по величине скорости осаждения частиц в жидкости (обычно в воде);

3) воздушная классификация (сепарация) – разделение смеси, твёрдых частиц на фракции по величине скорости осаждения частиц в воздухе.

Грохочение является наиболее распространённым способом классификации. Оно применяется для разделения частиц размерами от сотен миллиметров до долей миллиметра. Гидравлической классификацией и воздушной сепарацией разделяются частицы размерами менее 2-3 мм.

Классификация применяется как вспомогательная операция – при предварительной подготовке материала к измельчению (удаление мелочи) или при возврате крупных частиц материала на повторное измельчение, а также и в качестве самостоятельной операции – для выделения готового продукта заданного фракционного состава.

Классификация широко используется для ситового анализа – определения содержания в сыпучем материале частиц различных размеров (фракционного состава).