Физико-механические основы измельчения

Процесс измельчения связан со значительным расходом энергии на :

- образование новых поверхностей;

- преодоление сил сцепления между частицами (преодоления внутреннего трения частиц при их деформации во время разрушения);

- преодоления внешнего трения между измельчаемым материалом и рабочими частями аппаратуры.

Для объяснения физических основ измельчения академиком П.А.Ребиндером предложена единая теория измельчения.

Измельчение осуществляется под действием внешних сил, преодолевающих силы взаимного сцепления частиц материала. При дроблении куски твердого материала сначала подвергаются объемной деформации, а затем разрушаются по ослабленным дефектами (макро- и микротрещинами) сечениям с образованием новых поверхностей. Куски продукта дробления ослаблены трещинами значительно меньше исходных. Поэтому с увеличением степени измельчения возрастает расход энергии на измельчение.

Таким образом, работа, полезно затрачиваемая на дробление, расходуется на объемную деформацию разрушаемых кусков и на образование новых поверхностей.

Работа А_D упругого деформирования объема разрушаемого куска пропорциональна изменению объема (деформированному объему):

А_D=kV

где А_D - работа упругого деформирования, разрушаемого куска, Дж;

k- коэффициент пропорциональности, равный работе деформирования единицы объема твердого тела, Дж;

V - изменение объема твердого тела, мл

Работа А_П образования новой поверхности при измельчении пропорциональна ее изменению:

А_П=sDF

где А_П- работа образования новой поверхности при измельчении, Дж;

- коэффициент пропорциональности, равный работе, затрачен ной на образование единицы новой поверхности твердого тела, образующейся при измельчении; зависит от свойств измельчаемого материала и определяется опытным путем, Дж;

F - величина вновь образованной поверхности, м².

Полная работа А внешних сил при дроблении выразится уравнением П.А.Ребиндера:

А=А_D + А_П=kDV + sDF

Данное уравнение является частным выражением закона сохранения энергии, согласно которому процесс дробления характеризуется переходом одного из видов энергии твердого тела в другой. До разрушения тело обладает потенциальной энергией, т.е. находится под действием внешних сил в состоянии упругой деформации. В результате разрушения потенциальная энергия переходит в кинетическую, причем энергия деформации превращается в тепло и рассеивается в окружающую среду.

При крупном дроблении величина вновь образующейся поверхности, вследствие больших размеров исходного материала, сравнительно невелика. Поэтому в уравнении первый член (kV) значительно превышает второй (sDF) и расход энергии на дробление приблизительно пропорционален объему твердого тела.

При тонком измельчении вновь образующаяся поверхность очень велика; поэтому второй член уравнения во много раз больше первого. В связи с этим расход энергии на измельчение приблизительно пропорционален вновь образованной поверхности.

Таким образом, используя теорию измельчения, можно наметить правильную организацию процессов измельчения и в первом приближении определить затраты энергии на эти процессы.

ПРЕССОВАНИЕ ПОРОШКООБРАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Прессование является определяющей операцией при изготовлении таблеток. В современных промышленных прессах производится двустороннее сжатие порошка верхним и нижним пуансонами. При движении пуансонов в матрице происходит ступенчатое изменение состояния порошка, представленное на рис. 2.

Весь процесс прессования разбивается на три стадии прессования:

1) уплотнение (подпрессовка),

2) образование компактного тела,

3) объемное сжатие образовавшегося компактного тела.

В каждой из этих стадий протекают характерные для нее механические процессы. В начале сжатия происходит перераспределение частиц: малые частицы укладываются в промежутках между большими и ориентируются в направлениях, обеспечивающих максимальное сопротивления сжатию (участки А и В на рис.) Усилия, преодолеваемые при этом незначительны, уплотнение становится заметным уже при малых давлениях. Прилагаемая энергия в основном расходуется на преодоление внутреннего (между частицами) и внешнего (между частицами и стенками матрицы) трения.

При увеличении давления в области ВС происходит интенсивное уплотнение материала за счет заполнения пустот и эластичная деформация частиц, которая способствует более компактной упаковке частиц. На этой стадии прессования из сыпучего материала образуется компактное пористое тело, обладающее достаточной механической прочностью.

После того, как частицы будут плотно сжаты в точках контакта, наблюдают пластическую деформацию (отрезок СD). На этой стадии при высоких величинах давления, когда механическая прочность таблеток изменяется незначительно, происходит, возможно, объемное сжатие частиц и гранул порошка без заметного увеличения контактных поверхностей.

В действительности между тремя стадиями нет резких границ, так как процессы, протекающие во второй стадии, имеют место в первой и третьей стадиях к можно говорить только о преимущественной роли отдельных процессов в каждой из них.

Дальнейшее увеличение давления приводит к разрушению кристаллов и образованию новых плоскостей и поверхностей контактов.