Тема № 3. Измельчение материалов в технологии НиСМ.

3.1. Общая характеристика процессов измельчения.

Измельчение является важнейшим технологическим процессом подготовки минерального сырья, позволяющим перевести его в химически активное состояние и подготовить к химическому взаимодействию при дальнейшей тепловой обработке.

Конечная цель – получение тонкодисперсного однородного по составу материала или гомогенной смеси разнородных материалов.

Эффективность измельчения характеризуют степенью измельчения (i)

i = D/d,

где D – диаметр самых крупных кусков, поступающих на измельчение;

d - диаметр самых крупных кусков, прошедших измельчение.

Типы измельчения материалов в зависимости от степени измельчения

Тип измельчения	Средний размер кусков до измельчения D, мм	Средний размер кусков зёрен, частиц до измельчения d, мм	Степень измельчения, i = D/d
Крупное дробление	1500 – 300	300 – 100	2 – 6
Среднее дробление	300 – 100	50 – 10	5 – 10
Мелкое дробление	50 – 20	10 – 2	10 – 50
Тонкое измельчение	10 – 2	2 – 0,075	50 – 100
Сверхтонкое измельчение	2 – 0,075	0,075 – 0,0001	>100

В зависимости от размолоспособности можно выделить три группы материалов:

1. породы высокой твердости: - кристаллические известняки;

- мрамор;

- кварцевые и полевые пески;

(предел прочности при сжатии более 120 МПа, естественная влажность до 2%).

2. породы средней твердости – некоторые виды известняков;

- гипсовый камень;

- плотные глинистые сланцы;

(предел прочности при сжатии более 120 МПа, естественная влажность до 5-10%).

3. мягкие породы– разновидности мела;

- глины с естественной влажностью;

- мягкие опоки, трепела, диатомиты, но не способные распускаться в воде.

Выбор способа измельчения определяется свойствами материала. В большинстве случаев измельчение производится в два этапа: грубое измельчение (дробление) и тонкое измельчение (помол). Каждый из этих этапов может реализоваться в несколько стадий.

3.2. Теоретические основы процесса измельчения

Измельчение – это разрушение твердого тела под действием внешней механической нагрузки. Оно может производиться несколькими методами:

Раздавливание		Раздавливание материала наступает после перехода напряжений за предел первичности сжатия.
Раскалывание		Раскалывание кусков происходит в результате их расклинивания и последующего разрыва вследствие возникновения в них напряжений растяжений.
Удар		Ударное измельчение – это результат действия динамических нагрузок с возникновением в материале сжимающих, растягивающих, изгибающих и сдвиговых напряжений.
Излом		Излом куска происходит в результате его изгиба.
Истирание		При истирании внешние слои куска подвергаются деформации сдвига и постепенно срезаются скользящими рабочими поверхностями измельчителя вследствие перехода касательных напряжений за предел прочности.

Методы измельчения материала выбирают в зависимости от его физико-химических свойств.

Материал	Метод измельчения
Прочный и хрупкий	Раздавливание, удар, излом.
Прочный и вязкий	Раздавливание, истирание.
Хрупкий, средней прочности	Удар, раскалывание, истирание.
Вязкий, средней прочности	Истирание, удар, раскалывание.

Процесс измельчения можно представить следующим образом (независимо от вида деформации):

Внешние механические силы вызывают в материале накопление внутренней энергии упругих деформаций. Напряжение в куске материала возрастает до тех пор, пока в каком-либо месте вследствие концентраций напряжений, вызванных местными дефектами, они не превысят предела прочности, что приводит к развитию трещины, сопровождающиеся перераспределением энергии упругих деформаций, часть которых превращается в поверхностную энергию. Поверхностная энергия является полезной энергией дробления. Остальная энергия расходуется главным образом на упругие деформации сжатия и рассеивается в виде теплоты и других видов энергии.

Полная работа внешних сил при измельчении выражается уравнением Ребиндера:

W = Wg + Wn = k∆v + G∆S (1)

где Wg - работа упругого деформированного объёма разрушаемого куска;

Wn- работа образования новых поверхностей;

v - изменение объёма разрушаемого куска;

S - величина вновь, образовавшейся поверхности;

k и G - коэффициенты.

При больших размерах тела, можно пренебречь работой (Wn), тогда уравнение (1) примет вид:

W = W_g = k∆V или W = k₁d³ (2)

Уравнение (1) и (2) используется для анализа работы дробления как первого этапа измельчения до сравнительно крупных кусков материала.

При малых размерах тела можно пренебречь работой упругого деформированного куска (Wg), тогда уравнение (1) примет вид:

W = W_n = G∆S или W = k₂Gd² (3)

Уравнение (3) используется для анализа тонкого измельчения.

Процесс тонкого измельчения можно разбить на три стадии: (по сопротивляемости размолу).

1 стадия: сопротивляемость размолу определяется в основном пористостью материала, и в частности содержанием крупных пор;

2 стадия: сопротивляемость размолу определяется микроструктурой и минералогическим составом материала (т.е. идет разрушение кристаллов);

3 стадия: сопротивляемость размолу увеличивается с ростом удельной поверхности и в дальнейшем подчиняется экспоненциальному закону, вследствие агрегирования тонких частиц и их налипания на рабочие поверхности.

Измельчение идёт с образованием новой поверхности, что сопровождается появлением электрических зарядов (знак и величина которых зависит от природы измельчаемого вещества и размера частиц). По мере измельчения электрический потенциал частиц настолько возрастает, что происходит самопроизвольное их агрегирование (т.е. слипание) с уменьшение удельной поверхности и увеличением комковатости и неоднородности продукта. Исходя из выше изложенного следует, что на третьей стадии измельчения большая часть энергии затрачивается не на измельчение исходного материала, а на разрушение вновь образовавшихся агрегатов (агломератов). Поэтому вводятся определённые ограничения, устанавливающие целесообразную степень измельчения каждого материала в зависимости от его назначения.

В результате тонкого измельчения разрываются отдельные химические связи поверхностных слоёв кристаллов, и в них появляются свободные атомные группы и радикалы. Т.е. тонкое измельчение приводит к «обнажению» химических соединений, обладающих повышенной активностью при взаимодействии с окружающей средой, создает благоприятные условия для протекания физико-химических процессов на границе раздела фаз. Чем более дисперсными являются сырьевые материалы и легче разрушается их кристаллическая решетка, тем полнее и с большей скоростью они взаимодействуют друг с другом (например: у тонкоизмельченных сырьевых смесей для получения ПЦК клинкерообразование завершается на 50ºС раньше, чем у грубоизмельченных).

Такое измельчение материалов – чрезвычайно энергоемкий процесс. Расход энергии определяется свойствами измельчаемого материала и заданной дисперсностью.

Удельный расход энергии на 1 тонну размолотого материала (МДж):

• известняк – 55-85;

• мел и глина – 30-50;

• гранулированный доменный шлак – 100-110;

Поэтому для снижения энергоемкости измельчения особое значение приобретает:

• Выбор схемы измельчения;

• Выбор способа измельчения (конкретного вида измельчения);

Выбор способа и схемы измельчения в свою очередь зависит как от свойств измельчаемого материала, так и от требований, предъявляемых к измельчаемому продукту (дисперсность, гранулометрический состав, влажность).

Энергозатраты на помол примерно в 15-20 раз выше чем на дробление.