原料破碎與粉體制備

1.2.1破碎一、基本概念破碎（crushing）定義——對(duì)塊狀固體物料施用機(jī)械方法，使之克服內(nèi)聚力，分裂為若干碎塊的作業(yè)過(guò)程。破碎物料多脆性材料，但有較高的韌性和塑性物料，需采取特殊措施。破碎的作用——減小塊狀物料的粒度，這在不同的工業(yè)部門(mén)中有不同的意義。如陶瓷、玻璃、水泥行業(yè)都要求把塊狀原料破碎到一定粒度以下，以他后續(xù)粉磨。粒度直接影響生產(chǎn)控制和產(chǎn)品質(zhì)量。冶金行業(yè)則需要將礦石破碎到指定粒度，才能實(shí)施剔除雜質(zhì)的選礦作業(yè)。1.2原料破碎與粉體制備2/5/20231合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系方法與分類(lèi)破碎方法有：(a)擠壓；（b）劈裂；（c）折斷；(d)磨剝；(e)沖擊五種。上述五種方法，擠壓所需力較大，劈裂和折斷因其作用力較集中，所需力僅為擠壓的l／10左右。沖擊屬瞬時(shí)動(dòng)載荷，對(duì)脆性物料有較好的破碎效果，但工作部件磨損較大。磨剝的破碎效率較低，但對(duì)一些具有明顯解理面的礦物，這種方式有利于破碎產(chǎn)品保持礦物原有晶體形態(tài)。2/5/20232合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系2/5/20233合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系二、破碎設(shè)備（一）顎式破碎機(jī)（jawcrusher）顎破的主要破碎工藝部件是動(dòng)顎和定顎。動(dòng)顎可繞其懸掛心軸相對(duì)定顎作周期性擺動(dòng)，使處于動(dòng)、定顎之間的物料受到擠壓、劈裂和折斷作用而破碎。顎破分為三種類(lèi)型：簡(jiǎn)擺式、復(fù)擺式、綜合擺動(dòng)式。（二）圓錐破碎機(jī)圓錐破碎機(jī)破碎工作部件是兩個(gè)截錐體，一定一動(dòng)。圓錐破碎機(jī)可用于粗碎和中細(xì)碎（三）輥式破碎機(jī)可分為單輥、雙輥、三輥、四輥四種機(jī)型。常用的是雙輥破碎機(jī)。其破碎機(jī)構(gòu)是一對(duì)輥?zhàn)?，入兩輥之間，受到擠壓而破碎。2/5/20234合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系（四）錘式破碎機(jī)錘式破碎機(jī)的破碎機(jī)構(gòu)是帶錘頭的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子由主軸、掛錘體、銷(xiāo)軸和錘頭構(gòu)成。此法不適于破碎和濕物料。（五）反擊式破碎機(jī)反擊式破碎機(jī)（kickbackcrusher）是錘式破碎機(jī)的改進(jìn)型，物料從進(jìn)料口沿導(dǎo)料板進(jìn)入錘擊區(qū)受到?jīng)_擊后，小塊料沿轉(zhuǎn)子切線方向飛行，大塊物料沿與切線成一定角度的方向偏斜拋出，向沖擊板高速?zèng)_擊，碰撞后又反彈回錘擊區(qū)重復(fù)上述過(guò)程，反復(fù)的沖擊破碎。（六）籠式粉碎機(jī)籠式粉碎機(jī)也是沖擊型破碎機(jī)，其主要破碎機(jī)構(gòu)是轉(zhuǎn)籠。2/5/20235合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系1.2.2粉磨（grinding）粉磨與破碎同屬粉碎（comminution）作業(yè)，可視作粉碎的兩個(gè)不同作業(yè)階段。一、球磨機(jī)的工作原理、特點(diǎn)及類(lèi)型

球磨機(jī)（ballmill）——內(nèi)裝入研磨體和被磨物料，研磨體的裝入量為筒內(nèi)有效容積的25%~50%。按旋轉(zhuǎn)速度的快慢，筒體內(nèi)研磨體可能出現(xiàn)三種基本運(yùn)動(dòng)狀況，轉(zhuǎn)速太慢時(shí)，研磨體與筒壁間摩擦力太小，其僅被帶到相當(dāng)于動(dòng)摩擦角的高度就沿壁下滑，即所謂“傾斜態(tài)”，物料只受到研磨作用，缺少?zèng)_擊作用，粉磨效果不佳。轉(zhuǎn)速較大時(shí)，研磨體貼附簡(jiǎn)壁一道回轉(zhuǎn)，被稱(chēng)為“周轉(zhuǎn)態(tài)”，基本無(wú)沖擊和研磨作用。轉(zhuǎn)速適中，研磨體提升到一定高度后拋落下來(lái)，則為“拋落態(tài)”，其沖擊和研磨作用較強(qiáng)，粉磨效果較好。

2/5/20236合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系二、球磨機(jī)的構(gòu)造概況

球磨機(jī)有筒體部分、進(jìn)料及出料裝置、軸承系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)這幾部分。筒體部分由鋼板焊接而成，筒體內(nèi)表面裝設(shè)了可更換的耐磨材質(zhì)襯板，不同形式的襯板可調(diào)整研磨體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如磨體較長(zhǎng)，常以隔倉(cāng)板將磨內(nèi)空間分割為若干磨倉(cāng)，使不同尺寸的研磨體按大小順序，由磨頭至磨尾分類(lèi)填充。此外，隔倉(cāng)板還具有篩析物料和控制磨內(nèi)物料流速的作用。球磨機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)有三大類(lèi)：邊緣傳動(dòng)；中心傳動(dòng)；和無(wú)齒輪傳動(dòng)研磨體的最大填充率

根據(jù)上升和拋落運(yùn)動(dòng)兩部分研磨體在筒體斷面上的面積，求得理論適宜轉(zhuǎn)速時(shí)的最大填充率為0.42。2/5/20237合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系三、粉磨作業(yè)流程

粉磨系統(tǒng)開(kāi)路系統(tǒng)——開(kāi)路（opencircuit），無(wú)分級(jí)設(shè)備，物料從磨機(jī)中出來(lái)即為產(chǎn)品；流程簡(jiǎn)單，設(shè)備少，操作簡(jiǎn)便，基建投資少，其缺點(diǎn)是物料必須全部達(dá)到合格細(xì)度才能出磨，容易產(chǎn)生過(guò)粉磨，因而開(kāi)路系統(tǒng)粉磨效率低，電耗高，產(chǎn)量低。閉路系統(tǒng)——閉路（closedcircuit），配分級(jí)設(shè)備，出磨物料須經(jīng)分級(jí)設(shè)備分選，合格細(xì)粉為產(chǎn)品，粗粉返回磨內(nèi)重磨?？梢韵^(guò)粉磨現(xiàn)象，可調(diào)控產(chǎn)品粒度，且能提高粉磨效率和產(chǎn)量。其缺點(diǎn)是流程復(fù)雜，設(shè)備多，基建投資大，操作管理復(fù)雜。2/5/20238合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系多臺(tái)粉磨設(shè)備串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，構(gòu)成多級(jí)粉磨流程。在閉路系統(tǒng)中，分級(jí)機(jī)的回料量T與成品量Q之比，以百分?jǐn)?shù)計(jì)，稱(chēng)為循環(huán)負(fù)荷率K。各種不同粉磨系統(tǒng)的循環(huán)負(fù)荷率一般在50％～300％。對(duì)球磨機(jī)而言，循環(huán)負(fù)荷率與磨機(jī)長(zhǎng)度有關(guān)，磨機(jī)越長(zhǎng)則出磨物料越細(xì)，循環(huán)負(fù)荷率就越低。2/5/20239合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系四、影響磨機(jī)效率的主要因素

1.入磨物料的性質(zhì)粒度、易磨性、溫度和水分四個(gè)方面①入磨物料粒度大，則研磨體的尺寸也要相應(yīng)增大，而研磨體個(gè)數(shù)減少削弱了粉磨效果，從而降低了產(chǎn)量，增加了電耗。②易磨性是表征物料粉磨難易程度的物理參數(shù)，易磨性好產(chǎn)量高，反之則產(chǎn)量低。③入磨物料的溫度如高于常溫，致使磨內(nèi)溫度升高，物料易磨性下降。④入磨物料水分應(yīng)適中。水分過(guò)大易粘在研磨體和襯板上，形成“物料墊”，水分過(guò)少則影響磨內(nèi)散熱，易產(chǎn)生“竄磨”跑粗現(xiàn)象。適宜的物料水分為l％～15％。2/5/202310合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系易碎系數(shù)Ｋｍ：為了表征物料粉碎難易程度的綜合影響，可用相對(duì)易碎系數(shù)來(lái)反映物料的易碎性。

某物料的Ｋｍ＝Ｅｂ／Ｅ：采用同一粉碎機(jī)械，在相同物料尺寸變化條件下，粉碎標(biāo)準(zhǔn)物料的單位電耗Ｅｂ與粉碎干燥狀態(tài)下某一物料的單位電耗Ｅ之比，即。物料的易碎系數(shù)愈大，愈容易粉碎。2.助磨劑添加少量助磨劑，可以消除細(xì)粉粘附和聚集現(xiàn)象，提高粉磨效率，降低電耗，提高產(chǎn)量。2/5/202311合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系

3．粉磨產(chǎn)品細(xì)度產(chǎn)品要求越細(xì)，則磨機(jī)產(chǎn)量越低。

4．設(shè)備和流程

設(shè)備規(guī)格越大產(chǎn)量越高，流程則以閉路流程為佳。5.研磨體

研磨體的形狀、大小、裝填量、級(jí)配以及補(bǔ)充等對(duì)磨機(jī)產(chǎn)量有明顯的影響。磨介填充率一般在２５％～４５％之間,干法粉磨取值較低.2/5/202312合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系6干法磨機(jī)通風(fēng)

良好的磨內(nèi)通風(fēng)可冷卻磨內(nèi)物料，改善易磨性，排除水蒸氣，增加極細(xì)物料的流速，使之及時(shí)卸出磨機(jī)。7干法磨水冷卻

主要是磨內(nèi)霧化噴水，可有效帶出磨內(nèi)熱量，消除靜電凝聚，有利于提高產(chǎn)量。8磨機(jī)的操作

喂料量適當(dāng)且均衡穩(wěn)定是提高產(chǎn)量的重要措施。2/5/202313合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系五、其他形式的磨機(jī)

（一）無(wú)介質(zhì)磨磨機(jī)結(jié)構(gòu)與球磨機(jī)相似，其筒體直徑很大而長(zhǎng)度較?。L(zhǎng)徑比一般小于1，磨內(nèi)無(wú)研磨體（或加少量研磨體），靠物料自身相互間的沖擊和研磨作用形成一種自磨機(jī)制，故又稱(chēng)自磨機(jī)。

（二）輥式磨

有立式、臥式兩種類(lèi)型。其粉碎機(jī)構(gòu)為錐輥（球）和磨盤(pán)（環(huán)），靠擠壓和摩擦使輥、盤(pán)間的物料磨碎。物料由上部加料口均勻加入并撒落在磨盤(pán)上，受到磨輥的碾壓作用而粉碎。由于其合格細(xì)粉靠氣力輸送出磨，這類(lèi)磨機(jī)都在磨體內(nèi)裝備了選粉機(jī)，如以廢熱氣體作工作介質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)粉磨、烘干、分級(jí)一體化。當(dāng)今世界最大的輥磨臺(tái)時(shí)產(chǎn)量已達(dá)700t／h，功率5750kw。

2/5/202314合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系（三）輥壓機(jī)

輥壓機(jī)是高壓粒間擠壓粉碎理論生產(chǎn)的一種新型磨機(jī)，輥壓機(jī)的粉碎機(jī)構(gòu)是一對(duì)相向轉(zhuǎn)動(dòng)的輥?zhàn)樱欢ㄒ粍?dòng)，兩輥間施以高壓，其名義擠壓應(yīng)力為5～10MPa。突出優(yōu)點(diǎn)是能量利用率高，破碎比大，與球磨機(jī)相比，節(jié)能效果高達(dá)50％。2/5/202315合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系2/5/202316合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系六、超磨機(jī)

超細(xì)粉一般是指粒徑在10um以下的粉體物料。超細(xì)磨主要有機(jī)械式和流能式兩類(lèi)。有振動(dòng)磨、攪拌磨和沖擊磨

多用于硬度不高的天然礦物、化工原料、填料等脆性物料的超細(xì)粉碎，如充以液氮，還能進(jìn)行深冷粉碎。能適應(yīng)干法和濕法及連續(xù)或分批作業(yè)等多種要求。攪拌磨的粉碎機(jī)構(gòu)由固定的研磨腔體和裝在其軸心的攪拌器構(gòu)成，工作時(shí)攪拌器旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)研磨體運(yùn)動(dòng)，對(duì)物料施加粉碎力。2/5/202317合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系沖擊磨的結(jié)構(gòu)特征是具有圍繞水平或豎直轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)工作件，借助回轉(zhuǎn)件的強(qiáng)烈沖擊，使入磨物料與其他固定工作件碰撞磨擦而粉碎。還能用于纖維狀物料或塑性固形物的粉碎。機(jī)械式超細(xì)磨機(jī)普遍存在著機(jī)損和物料污染問(wèn)題。流能式超細(xì)磨是目前主要的超細(xì)粉碎設(shè)備。噴嘴是氣流磨最主要的組成部分，其作用是將流動(dòng)介質(zhì)的壓力能轉(zhuǎn)換成速度能，產(chǎn)生高速氣流，使物料顆粒相互之間或顆粒與固定板發(fā)生激烈的沖擊碰撞而粉碎。現(xiàn)代氣流磨的Ma一般為15～302/5/202318合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系1.2.3超微粉合成方法超微粉(ultramicron)的粒度一般為1～100nm。目前尚不能用機(jī)械粉碎方法獲得。當(dāng)物質(zhì)微細(xì)化到這種程度時(shí)，將表現(xiàn)出與原固體顯著不同的性質(zhì)，成為物質(zhì)的新?tīng)顟B(tài)，如大顆粒金屬粉具有連續(xù)的導(dǎo)電能帶，而超微金屬粉的電子能級(jí)卻是離散的。表面效應(yīng)——指顆粒物質(zhì)表面原子與內(nèi)部原子的數(shù)量之比達(dá)到不可忽略的程度時(shí)，某些物性發(fā)生改變的現(xiàn)象。如熔點(diǎn)下降、晶體結(jié)構(gòu)異常等。2/5/202319合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系一、化學(xué)反應(yīng)法多以固相物質(zhì)為原料，利用氧化還原反應(yīng)、固體熱分解反應(yīng)、固相反應(yīng)等化學(xué)方法制備超微粉。如硅可先氧化成四氯化硅，然后在鋅蒸氣中還原成硅微粉。熱分解法是利用晶體的熱分解反應(yīng)來(lái)制備微粉，其產(chǎn)品粒度可通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)速度加以控制，反應(yīng)速度快時(shí)，成核數(shù)量多，粒度?。环粗畡t粒度較粗。2/5/202320合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系二、冷凍干燥法

首先制備含有金屬離子的鹽溶液，然后將溶液霧化成微小液滴，同時(shí)進(jìn)行急速冷凍使之固化，可得凍結(jié)液滴，經(jīng)升華將水分完全汽化，成為溶質(zhì)無(wú)水鹽，最后在低溫下煅燒，即可合成超微粉。

設(shè)鹽水溶液的初始狀態(tài)為點(diǎn)①，經(jīng)急速冷凍至狀態(tài)點(diǎn)②，成為冰與鹽的固體混合物。再將物系恒溫減壓至狀態(tài)點(diǎn)③，該點(diǎn)恒壓升溫至狀態(tài)點(diǎn)④，成為無(wú)水鹽超微粉體。2/5/202321合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系

三、噴霧干燥法

用霧化噴嘴將鹽溶液處理為霧狀，隨即進(jìn)行干燥和捕集，捕集物可直接或經(jīng)熱處理后作為產(chǎn)物顆粒。

四、蒸發(fā)凝聚法

物理方法。目前比較普遍的做法是將金屬在惰性氣氛中加熱，使之熔融蒸發(fā)，氣化的金屬原子被周?chē)亩栊詺怏w冷卻，凝聚成原子的集合體，形成微細(xì)顆粒。制備出最小粒徑為2nm的超微顆粒，顆粒的粒徑可由加熱溫度和冷卻速度控制。溫度低且冷卻速度高，則粒度較??；反之，則粒度較大。2/5/202322合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系五、生成沉淀法溶液中的離子A+和B-的濃度超過(guò)其濃度積[A+]·[B-]時(shí)，A和B開(kāi)始結(jié)合，進(jìn)而形成晶格，當(dāng)晶格生長(zhǎng)到一定程度時(shí)發(fā)生重力沉降，將此沉淀物過(guò)濾、洗滌、干燥，再反應(yīng)形成微粉。目前應(yīng)用較為廣泛的是共沉淀法和化合物沉淀法。(一)共沉淀法(coprecipition)即溶液中所用的離子完全沉淀，均勻分布在主成分中，以獲得組成均勻的沉淀物顆粒。但由于溶液中的沉淀生成條件因不同金屬而異，讓組成材料的多種離子同時(shí)沉淀十分困難。2/5/202323合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系(二)化合物沉淀法化合物沉淀法可彌補(bǔ)共沉淀法的缺點(diǎn)，其溶液中的金屬離子是依據(jù)由于配比組成相等的化學(xué)計(jì)量組成的化合物形成沉淀的，沉淀物一般具有在原子尺度上的均勻組成。(三)醇鹽水解法

金屬醇鹽屬有機(jī)金屬化合物，可與水反應(yīng)生成氧化物、氫氧化物、水合物等沉淀。這種水解反應(yīng)一般進(jìn)行很快，只有個(gè)別情況例外。如沉淀為氧化物，可直接干燥成為成品微粉，氫氧化物水合物沉淀則需經(jīng)焙燒才能獲得氧化物微