Подрібнення твердих матеріалів

Швидкість хімічних і дифузійних процесів, які відбуваються за участю твердої фази, значно підвищується внаслідок збільшення поверхні твердої фази, що досягається зменшенням кусків матеріалу, тобто подрібненням.

Дроблення і розмелювання є процесами механічного подрібнення твердих речовин. В результаті подрібнення значно збільшується поверхня оброблювального матеріалу.

Застосування твердих матеріалів, подрібнених на дрібні шматки (шляхом дроблення) чи роздрібнених у порошок (шляхом розмелювання), дозволяє значно прискорити розчинення, випалювання, хімічну взаємодію, тобто прискорити різні процеси, які відбуваються тим швидше, чим більша поверхня твердої речовини, що бере у них участь.

В даний час для подрібнення матеріалів застосовують машини різних типів, починаючи від великих щокових дробарок, що дроблять брили матеріалу об’ємом до 2 м², і, завершуючи колоїдними млинами, які роздрібнюють продукти на частинки розміром до 0,1 мкм. Умовно виділяють подрібнення (велике, середнє і мале) і роздрібнення (тонке і надтонке).

Процес подрібнення характеризується ступенем подрібнення, що дорівнює відношенню середнього характерного розміру куска матеріалу до подрібнення D до середнього характерного розміру куска d після подрібнення:

Характерним лінійним розміром куска речовини кулястої форми є діаметр, кубічної – довжина ребра, а неправильної форми – середня геометрична величина:

де lbh – максимальні розміри куска речовини за трьома взаємно перпендикулярними напрямами: найбільший l – довжина, середній b – ширина, найменший h – товщина.

Шматки вихідного матеріалу чи шматки зернини, які отримують в результаті подрібнення, не мають правильної (симетричної) форми. Для визначення середнього розміру кусків матеріал розділяють за допомогою набору сит на кілька фракцій. Практично розмір максимальних кусків визначається розміром отворів сита, крізь які проходить весь матеріал фракції, а розмір мінімальних кусків – розміром отворів сит, на якому фракція матеріалу залишається. Знайдені характерні розміри кусків D і d вихідного і подрібненого матеріалу використовуються для розрахунків ступеня подрібнення. Подрібнення здійснюється в одну чи декілька стадій. Кожна машина, в залежності від пристрою, може забезпечувати обмежений ступінь подрібнення, що коливається від і = 3÷6 (для щокових дробарок) до і = 100 і більше (для млинів). Для досягнення високих ступенів подрібнення цей процес проводять у декілька стадій, використовуючи послідовно з’єднані дробильно-розмелювальні машини, тому що за один цикл (на одній машині) не вдається отримати шматки заданої кінцевої крупності.

В залежності від розмірів найбільших кусків вихідного і подрібненого матеріалу орієнтовно розрізняють такі види подрібнення, що наведені в таблиці 4.

Таблиця 4

Види подрібнення матеріалу

Види подрібнення	Розмір кусків матеріалу до подрібнення, мм	Розмір кусків матеріалу після подріб-нення, мм	Ступінь подрібнення
Велике подрібнення	1500-300	300-100	2-6
Середнє подрібнення	300-100	50-10	5-10
Дрібне подрібнення	50-10	10-2	10-50
Тонке подрібнення	10-2	2-75 . 10-3	близько 100
Надтонке подрібнення	10 - 75 . 10-3	75 . 10-3 -1 . 10-4	-

Велике і середнє подрібнення здійснюються, як правило, сухим способом; дрібне подрібнення і розмелювання – сухим або мокрим способом (у водному середовищі). При мокрому подрібненні зменшується пилоутворення, і частинки отриманого продукту мають рівномірні розміри; крім того, полегшується вивантаження продукту.

а б в г

Рис. 9. Способи подрібнення матеріалів:

а – роздавлювання; б – метод удару; в – стирання; г – розколювання

Подрібнення матеріалів може здійснюватися шляхом роздавлювання, удару, стирання і розколювання. Схематично ці види зусиль показані на рис.9. Вибір того чи іншого виду механічного впливу залежить від крупності і міцності матеріалу. В залежності від межі міцності при роздавлюванні (а) матеріали умовно поділяють на групи. Основні групи матеріалів наведено у таблиці 5.

Таблиця 5

Матеріали	σ, кгс/см2	σ, Мн/м2
Тверді (граніт, діабаз тощо)	Більше 500	Більше 50
Середньої твердості (вапняк, кам'яна сіль, антрацит тощо)	100 – 500	10 – 50
М’які (вугілля, глина тощо)	Менше 100	Менше 10

Як правило, при подрібненні матеріалу комбінуються ті чи інші зусилля, наприклад, роздавлювання й удар, стирання й удар. Роздавлювання застосовують, головним чином, при великому і середньому подрібненні, стирання – при тонкому подрібненні. В залежності від фізико-механічних властивостей матеріалів вибирають такі методи подрібнення, які наведені у таблиці 6.

Таблиця 6

Матеріал	Метод роздрібнення
Твердий і тендітний	Роздавлювання, удар
Твердий і в’язкий	Роздавлювання
Крихкий, середньої твердості	Удар, розколювання і стирання
В’язкий, середньої твердості	Стирання чи стирання й удар

Вибираючи метод подрібнення, необхідно враховувати властивості матеріалу, наприклад, його схильність до комкування, вологість тощо.

Подрібнення здійснюється за такими двома основними схемами: у відкритому або замкненому циклі. Під час роботи за першою схемою весь матеріал проходить через дробарку (млин) тільки один раз. Під час роботи у замкненому циклі значна частина матеріалу проходить через дробарку (млин) багаторазово, тому що матеріал з великими розмірами шматків повертається на повторне дроблення. Це досягається поєднанням дії дробарки або млина з пристроями для розділення подрібненого матеріалу за крупністю часток (грохотами чи класифікаторами).

Подрібнення в замкнутому циклі дозволяє значно збільшити продуктивність установки й одержати більш рівномірний за крупністю продукт. Машини для подрібнення поділяють на дробарки і млини. Млинами називають машини для тонкого і надтонкого подрібнення, а дробарками – машини для великого, середнього і дрібного подрібнення. Але такий розподіл є умовним.