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料层粉碎、多碎少磨与惯性圆锥破碎机
发布时间：2013-10-18 09:27 来源：未知
1、理论研究
1.1粉碎理论
国际粉碎领域存在3个著名的粉碎理论，即面积说、体积说和裂缝说，由于历史条件和科研手段的限制，这些传统的破碎理论都是建立在动力学、平衡态、连续渐变过程和稳定过程基础上的，在此基础上开展了粉碎物理学和粉碎功耗的理论研究。但实际上物料内缺陷的分布是随机的，粉碎过程是不连续、突变、不可逆、非线性、离散的开放系统，随着科学技术的发展，粉碎理论的研究已向多领域和交叉学科方向扩展，数学、物理学、材料力学的研究成果被应用于粉碎理论研究中。
(1)粉碎机械学。研究机构设计、工作原理、机械结构、结构参数对破碎效果的影响。在理论研究的基础上研制出新型破碎机。
(2)粉碎物理学。从研究被破碎物料在外力作用下的破碎规律人手，研究单颗粒破碎、料层粉碎、选择性破碎及粉碎极限等。
(3)粉碎功耗学。研究粉碎过程的输入功与破碎前后物料潜能变化的关系。3个著名的粉碎理论面积说、体积说和裂缝说从不同侧面揭示粉碎过程中能耗与破碎效果的关系。在此基础上，通过分析物料破碎的突变行为，定性地阐述物料破碎的过程及能耗关系，并定量给出破碎过程中的功耗状态方程式。
(4)粉碎动力学。研究被破碎物料粒度减小与时间的关系，揭示粉碎过程输入和输出的动力学关系。通过非线性动力学研究，阐明物料粉碎过程中的失稳和稳定性。
(5)分形技术。分形技术更好地反映了破碎的本质，矿石和天然砂等基本符合分形规律。利用分形理论通过对矿石破碎颗粒表面分形维数D。与功耗三理论的研究，进一步揭示了破碎功耗的规律。
(6)突变理论。针对物料粉碎过程的不连续、突变、不可逆、非线性、开放系统等显著特点，运用突变理论和耗散结构研究物料粉碎过程，将物料破碎机理推进到非线性热力学和非线性动力学范畴。通过物料粉碎的非线性不可逆过程热力学来阐明物料粉碎过程中旧结构破坏和新结构产生这一行为的物理本质。
(7)离散数学。应用离散单元法能方便地研究和模拟破碎机不同形状磨损件在不同工作条件下的磨损状态和规律，分析获得的数据可用于破碎机结构和工艺参数的优化。
1.2破碎机理
物料破碎是矿物及土石质原料加工必不可少的工艺过程，这个过程是用外力（人力、机械力、电力、化学能、原子能等）施加于被破碎物料上，克服物料分子间的内聚力，使大块物料分裂成若干小块。破碎的目的是：达到合格产品粒度，为下道工序提供原料；使物料中有用成分解离，为选别的除杂提纯创造条件；增加原料的比表面积。
在工业上主要是利用机械力来破碎。机械力破碎的方法有如下几种：压碎、劈碎、折断、磨碎、冲击破碎。压碎是将物料置于2个破碎表面之间，施加压力后，物料因压应力超过其抗压强度极限而破碎。劈碎是用1个平面和1个带有尖棱的工作表面挤压物料时，物料将沿力作用线的方向劈裂。劈裂的原因是由于被劈裂平面上的拉应力达到或超过物料拉伸强度极限，物料的拉伸强度极限比抗压强度极限小很多。折断是物料受弯曲作用而破坏，被破碎的物料就是承受集中载荷的两支点或多支点梁，当物料内的弯曲应力达到物料的弯曲强度极限时，物料即被折断。磨碎是物料与运动的表面之间受一定的压力和剪切力作用后，其剪应力达到物料的剪切强度极限时，物料即被磨碎。磨碎的效率低，能量消耗大。冲击破碎是物料受冲击力而破碎。它的破碎力是瞬时作用的，其破碎效率高，破碎比大，能量消耗少。任何1种破碎机都不能只用某一种方法进行破碎，一般都是由两种或两种以上的方法联合起来进行破碎的，例如压碎和折断，冲击和磨碎等。
物料的破碎方法主要是根据物料的物理机械性质，被破碎物料的尺寸、形貌和所要求的破碎产品粒度来选择。
物料分为坚硬物料、中等坚硬物料和软物料；也可分为粘性物料和脆性物料。根据物料的物理性质，物料的抗压强度最大，抗弯强度次之，抗磨强度再次之，抗拉强度最小。对于坚硬物料最好采用压碎、劈碎和折断（弯曲）的破碎方法，而对粘性物料则采用压碎和磨碎方法破碎，脆性物料和软物料采用劈碎和冲击破碎的方法为宜。随着耐磨材料质量的提高和使用寿命的增长，对于硬而脆的物料也可以采用冲击破碎的方法。
1.3料层粉碎
合理组织破碎的原则如下：
(1)物料应承受在料层的不同方向局部负载所形成的体积压力；
(2)为了在晶体和晶体边缘同时造成应力．物料应反复多次承受包括剪切、弯曲和扭转因素在内的组合负载；
(3)负载应具有最大峰值的脉冲；
(4)适应缺陷区的强度和持久强度负载应严格定量；
(5)在加载循环的间隙时间里物料可以相对移动，相互重新排列，使合格产品的颗粒及时地从料层中分出来，同时还可以控制料层的密度；
(6)为了在物料表面形成起始裂纹，要使物料彼此相互研磨；
(7)压缩及组合负载值的比例关系及加载频率应根据物料性质及工艺技术要求来选择。
料层粉碎能很好地满足上述破碎原则，破碎腔挤满给料，通过向物料层施加严格定量的平时破碎力，可以使物料层适当地压实，使物料承受全方位的挤压，全部颗粒都受力，物料颗粒之间相互作用，出现微裂纹和产生粉碎，从而实现“料层粉碎”。料层粉碎产品如果给入磨机，颗粒微裂纹可使磨机给料功指数降低10%～25%，物料在磨机中易于解离和磨碎；破碎产品如果直接浸出，颗粒微裂纹有助于浸出液渗入而提高粗粒级产品的金属回收率。
在破碎力作用下，物料在破碎腔中承受交变的挤压、剪切、弯曲和扭转应力。物料颗粒之间不断改变方位，由于物料颗粒越小，晶格缺陷越少，强度越大，因此强度大的小颗�？善扑橄嗔诘那慷刃〉拇罂帕�；在等强度颗粒中，那些晶格缺陷与剪切力方向重合的颗粒被破碎。这样物料主要沿晶格间的区域破碎而不破碎晶体本身，破碎后的物料具有最低过粉碎，从而实现了物料的“选择性破碎”，有利于多种成分物料中有用矿物解离和减少物料中有用成分的过粉碎。
2、入磨粒度
如何确定最佳人磨粒度，粉碎领域经过几十年的研讨，提出以下几种方法。
(l)罗兰方法。最佳人磨粒度与功指数的平方根成反比。硬而难磨的矿石最佳入磨粒度应小些，软而易磨的矿石最佳人磨粒度可大些。入磨粒度大于最佳值，磨机效率会降低。
(2)奥列夫斯基方法。在适宜磨矿条件下，入磨粒度降低，磨机生产能力提高。
(3)邦德方法。按照邦德功耗理论分别计算破碎和磨矿的能耗，得出在入磨粒度为-13 mm时，碎磨总能耗最低。
(4)沙伐哈特金方法。选矿厂的生产率越高，则由入磨粒度的降低而产生的经济效益越大。
图1表示破碎、磨矿成本与入磨粒度关系，在一定工况条件下，存在一个最佳人磨粒度，此时破碎、磨矿成本最低。入磨粒度大于最佳人磨粒度时，降低入磨粒度，破碎作业增加的成本小于磨矿作业降低的成本，碎磨总成本降低；如果把入磨粒度降得比最佳人磨粒度更小，则破碎作业增加的成本大于磨矿作业降低的成本，破碎、磨矿总成本增加。
经过50多年的实践和总结，通过破碎与磨矿的能源消耗与利用、基建成本的差异和不同入磨粒度的磨矿成本与效益等不同方面和不同层次进行的破碎与磨矿研究分析比较，粉碎领域正大力提倡“多碎少磨”的新工艺流程，即降低破碎产品最终粒度，增加细粒级在破碎产品中的含量，从而提高磨机的处理能力，达到降低破碎、磨矿工序电耗和金属消耗量、减少成本、增加经济效益，提高企业市场竞争力的目的。
纵观粉碎领域，合理配置破碎、磨矿作业工艺流程，改进现有破碎机的结构及进行参数优化，提高设备性能，简化和改革破碎工艺流程，已经成为各国实现多碎少磨目标的研究课题。而实现这一目标的最有效、最经济的方法就是设计研制大破碎比、高效、低耗的新型破碎设备。
以前由于破碎设备的局限，一般选矿厂入磨粒度为-25 mm，随着新理论和新技术的应用，新型破碎设备不断出现，最佳人磨粒度越来越小，碎磨总成本不断降低。根据目前国际先进破碎设备可以达到的水平，在不同工况下最佳人磨粒度为6～10mm。
3、惯性圆锥破碎机
3.1惯性圆锥破碎机的结构特点
惯性圆锥破碎机的结构如图2所示。
惯性圆锥破碎机机体通过隔振元件座落在底架上，工作机构由定锥和动锥组成，锥体上均附有耐磨衬板，衬板之间的空间形成破碎腔。动锥轴插入轴套中，电动机的旋转运动通过传动机构传给固定在轴套上的激振器，激振器旋转时产生惯性力，迫使动锥绕球面瓦的球心做旋摆运动。在一个垂直平面内，动锥靠近定锥时，物料受到冲击和挤压被破碎，动锥离开定锥时，破碎产品因自重由排料口排出。动锥与传动机构之间无刚性联接。
3.2惯性圆锥破碎机的运动分析
惯性圆锥破碎机机体不是直接固定在地基上，而是安装在弹性元件上，因此机体有6个自由度、3个旋转自由度、3个平移自由度。动锥相对于机体有3个旋转自由度，激振器相对于动锥有1个旋转自由度和1个沿轴向的平移自由度。对于破碎机来说，最重要的是破碎体之间的相互运动，即动锥相对于定锥（固定在机体上）的运动。
动锥与电机之间无刚性联接，工作时绕球面支承的球心D做旋摆运动，动锥相对于机体的运动为刚体绕定点O的转动。以0点为原点，机体中心线为Z轴建立坐标系OX YZ．另取以动锥轴线为Z’轴并与动锥固结的动坐标系。
动坐标平面与定坐标平面OXY的交线用ON表示，称为节线，节线垂直于和，节线与定轴OY间的夹角称为进动角，节线与动轴间的夹角称为自转角，动轴与定轴间的夹角称为章动角，根据运动学原理，绕O点运动的动锥相对于机体的位置用这3个角可以完全确定。因此，动锥相对于机体的运动是由以下3种旋转运动组成：
(1)进动运动。动锥绕机体中心线作旋转运动。
(2)自转运动。动锥绕自己的轴线作旋转运动。
(3)章动运动。动锥绕节线作旋转运动。
惯性圆锥破碎机正常运转时，动锥不但作进动运动和自转运动，而且由于物料颗粒大小不一，在破碎腔内分布不均匀，动锥沿物料层滚压时也不稳定，每滚动一周都伴随着强烈的振动，动锥即产生章动运动。动锥相对于机体有3个自由度，要用3个参变量才能确定动锥相对于机体的位置。
动锥是否存在章动运动是惯性圆锥破碎机和偏心圆锥破碎机在运动学上的最显著区别。
3.3惯性圆锥破碎机破碎力分析
惯性圆锥破碎机与偏心圆锥破碎机在破碎力的产生上有本质的不同。惯性圆锥破碎机工作时，动锥和激振器旋转都产生惯性力，因为机器工作时，章动角卢很小，一般不会大于20，动锥的质心距机体中心线很近，所以动锥产生的惯性力远小于激振器产生的惯性力，惯性圆锥破碎机中破碎力的大小主要是由激振器旋转时产生的惯性力来决定。现在忽略动锥所产生的惯性力，来分析惯性圆锥破碎机破碎力的大小。
在忽略摩擦力和重力等一些次要力的情况下，动锥的受力情况如图4所示。
惯性圆锥破碎机的破碎腔是挤满给料，通过向物料层施加严格定量的由惯性力造成的压力，从而实现“料层粉碎”和物料的“选择性破碎”，并由附加的强烈脉冲振动加强了破碎作用，具有破碎比大、节能、技术指标稳定、操作安装方便等优点，能够很好地满足“多碎少磨”新工艺的要求。
3.4惯性圆锥破碎机应用情况
表l为惯性圆锥破碎机主要技术参数。惯性圆锥破碎机已广泛用于金属及非金属矿山、冶金、电子、陶瓷、涂料、耐火材料、化工、磨料磨具、建材、医药、食品等行业的物料破碎领域，均取得了显著的经济效益和社会效益。下面为部分应用实例。
(l)青�；∠啬衬チ铣�。选用一级碳化硅为原料，年产磨料（+240号）1000 t和微粉200 t（-240号）。原设计为三段粉碎工艺流程：颚式破碎机、圆锥破碎机加磨机。使用GYP - 300惯性圆锥破碎机后发现，通过调节破碎机工作参数，可以直接同时生产出磨料和微粉，且产量完全能满足设计要求，完全可以不用磨机，三段粉碎工艺流程可以简化为两段。
(2)湖南湘潭某电化集团公司生产电解二氧化锰，要求- 40目+100目的窄粒级产品尽可能多，-0.074 mm为过粉碎，用CYP - 300惯性圆锥破碎机加工的产品中-40目+100目占50.8%，过粉碎率为6.5%。
(3)江苏连云港某石英制品公司。清华大学粉体开发部为该公司设计的高纯石英粉生产线，其中破碎流程采用的是颚式破碎机加GYP -450惯性圆锥破碎机，实现两段开路破碎，在CYP - 450惯性圆锥破碎机的给料粒度≤35mm时，处理能力为2.5t/h，破碎产品粒度取样筛析结果见表2。
不同的时期对石英颗粒和高纯石英粉的需求量不同，根据市场的需要，可以方便地调节破碎机的工作参数，既可使-7目+32目或-32目+65目的粒级范围内的石英颗粒产率提高，也可使破碎产品尽可能地细，以降低磨矿工序中振动磨的入磨粒度，实现节能降耗增产的目标。
淮北朔里某高岭土厂采用CYP - 450惯性圆锥破碎机破碎莫来石，莫氏硬度为7~8级，密度为2.7g／Cm3，很脆，破碎时很容易过粉碎。在不同工作参数下，取了4组样，取样筛分结果见表3。
湖南郴州某有色金属矿应用GYP - 600惯性圆锥破碎机，开路破碎产品粒度-5mm占95%，整个碎磨系统比原系统能耗下降20%，产量提高28%，经济效益十分显著。
(4)天津某矿业公司。加工高铝钒土烧结矿要求的产品粒度分为3个粒级：0—1 mm，1—3 mm，3—5 mm。经1 600℃以上高温烧结而成的高铝钒土烧结矿莫氏硬度达到9级，密度为3.6g／C!113，质地十分致密，国内用对辊破碎机和锤式破碎机破碎高铝钒土烧结矿，效果很不理想，辊面和锤头磨损太快，更换频繁，生产效率很低。该矿业公司采用GYP-600惯性圆锥破碎机加工高铝钒土烧结矿，成品率（产品中-5mm的颗粒）占90%，-8mm颗粒则达到100%；原来用6台对辊破碎机构成的闭路作业破碎筛分系统产量每小时不足6t，而l台GYP - 600惯性圆锥破碎机产量可达14 t左右，单位功耗只有原来的40010，节能效果十分明显。
(5)河北宣化某钢铁公司。采用CYP - 600惯性圆锥破碎机破碎钢渣，由于钢渣中“钢”和“渣”的颗粒强度不同，在选择性破碎时钢渣中的“渣”被破碎，而“钢”由于具有压延性，在破碎力的作用下被轧扁，随同破碎的“渣”一同排出，彻底的解离了钢渣中的“钢”和“渣”；通过磁选回收钢粒，废渣重新回高炉做溶剂，使钢渣变废为宝。产品粒度-5 mm占93.3%，产量为13.5~ 15t/h。
(6)辽宁建昌某铀业公司。要求淋浸采铀时矿石粒度为-8 mm，使用了1台CYP-900惯性圆锥破碎机，在入料粒度为- 70 mm时，实现开路破碎，产品粒度-8mm占98%。
(7)四川泸沽某铁矿�？笫肺桓�，特新建1条生产线，生产铁矿石，要求7mm以下产品粒级在75%以上，产量不低于30t/h，产品作为成品出售。采用了l台GYP-900惯性圆锥破碎机，产品粒度90%在7 mm以下，产量为40 t左右，开路破碎即可达到生产要求，大大简化了工艺流程。
(8)辽宁鞍山某矿业公司。破碎车间原采用四段闭路破碎生产工艺流程，最终破碎产品粒度为-15 mm。存在的主要问题：①破碎产品粒度大，-12 mm含量在80%以下，难以实现多碎少磨的目标。②矿石难破碎，尤其是-30 mm的矿石特别难破碎．新的破碎年产工艺流程采用两段破碎．颚式破碎机后采用GYP - 1200惯性圆锥破碎机开路破碎，破碎产品粒度-9 mm占80%以上，简化了破碎工艺流程，减少了土建和施工量，节省了投资成本和运转费用。
(9)北京矿冶研究总院和安徽铜陵某有色金属公司联合攻关，对下属某铜矿选矿厂细碎系统进行改造，采用PD - 90120型低矮大破碎比颚式破碎机加CYP - 1200惯性圆锥破碎机，实现两段开路破碎工艺流程，破碎生产线的能力为70—80t/h；破碎物料的粒度由-750 mm破碎至-10 mm，与原碎磨流程(入磨粒度为20 mm)相比，系统能耗降低20%以上，磨机处理能力提高25%以上。
4、结论
目前“多碎少磨”已经成为粉碎领域的共识，料层粉碎原理已作为实现“多碎少磨”的重要理论依据用于新型破碎设备的设计研制中。惯性圆锥破碎机是基于料层粉碎原理、能满足“多碎少磨”工艺要求的节能超细破碎设备，具有破碎比大，产品粒度细而均匀，单位电耗低，能破碎任何硬度的脆性物料的优点，在金属及非金属矿山、冶金、电子、陶瓷、涂料、耐火材料、化工、磨料磨具、建材、医药、食品等行业的物料破碎加工领域具有极其广阔的应用前景，推广使用可产生巨大的社会效益和经济效益。
