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一

長(zhǎng)期以來，粉碎過程規(guī)律性的理論觀點(diǎn)乃是建立在實(shí)物古典力學(xué)的基礎(chǔ)上的；研究人員力圖從單位能耗最大限度產(chǎn)生新生表面，并沒有考慮到物料實(shí)際上是由許多不同相位組成，例如在巖石中不同的相位就是礦物的晶體，在植物中就是纖維，在金屬和陶瓷中就是微晶等。

為了分析實(shí)際晶體破碎的固體物理學(xué)概念，建立了一種多晶集合體選擇悻解離過程的理論，這就是以格里菲斯-奧羅文-列賓捷夫（Griffith-Orovan-Rebinder)的引起微裂紋產(chǎn)生的位錯(cuò)假說而發(fā)展起來的理論。

他們認(rèn)為：（1)固體實(shí)際強(qiáng)度與理論值相比低兩個(gè)或更多的數(shù)量級(jí)，這是因?yàn)楣腆w中微裂紋的存在，導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力集中。例如0.lμm的裂紋可使物體強(qiáng)度降低100倍，深10μm的裂紋，可使物體強(qiáng)度降低1000倍。

(2)將固體的強(qiáng)度及塑性機(jī)制與其中存在的晶格缺陷聯(lián)系起來，即不同類型的位錯(cuò)，象晶體結(jié)構(gòu)簿弱的根源一樣作用，很多物料中塑性變形的實(shí)現(xiàn)，是由于晶體群沿邊緣或蜾旋 位錯(cuò)相對(duì)滑動(dòng)。邊緣位錯(cuò)在滑動(dòng)面擴(kuò)展，其方向垂直于滑動(dòng)向它們的運(yùn)動(dòng)類似于沿地毯的皺紋位移，比移動(dòng)整個(gè)地毯容易實(shí)現(xiàn)�？w旋位錯(cuò)垂直滑動(dòng)面排列，但平行于滑動(dòng)矢量的方向，螺旋位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于在其底部斷面內(nèi)紙板邊緣移動(dòng)的性質(zhì)。

(3)確定固體強(qiáng)度的破壞原因時(shí)要考慮由于位錯(cuò)積聚而引起的徽觀應(yīng)力集中及由于裂紋這類缺陷引起的宏觀應(yīng)力集中。當(dāng)相應(yīng)的剪切應(yīng)力分力達(dá)到某個(gè)固定的臨界值時(shí)開始位錯(cuò)滑動(dòng)。當(dāng)急劇超過此臨界值時(shí)物料出現(xiàn)不規(guī)則的破壞。

二

前蘇聯(lián)列夫尼采夫等研究了料層粉碎中的選擇性解離機(jī)理，其模似是基于格里菲斯-奧羅文-列賓捷夫的微裂紋產(chǎn)生位錯(cuò)假說的理論。采用石英和磁鐵礦樣品，對(duì)其礦物連生體進(jìn)行測(cè)定。圖1和圖2為石英、進(jìn)鐵礦晶粒接觸邊界的顯微硬度變化以及功函數(shù)、外電子發(fā)射強(qiáng)度等情況。

這些實(shí)驗(yàn)無疑地證實(shí)了裂紋和位錯(cuò)集中在晶體之間、不同相位的選擇性粉碎的情況。

三

固體粉碎的過程是多階段的。從晶格中有缺陷的地方開始，在這些部位晶格的破壞是周期性的，并依以下階段進(jìn)行。

(1)導(dǎo)致局部應(yīng)力集中的缺陷的集聚。

(2)初始的微裂紋形成，個(gè)別地方晶團(tuán)解理致密性的破壞。

(3)初始微裂紋的發(fā)展和聯(lián)合直到形成破斷的主體大裂紋。

(4)固體斷裂成幾部分。

合理組織破碎過程應(yīng)考慮到依上述順序進(jìn)行時(shí)每個(gè)階段的最佳條件�，F(xiàn)有的破碎過程中礦物解離選擇性差的原因，可以解釋為多數(shù)情況下沒有遵守上述最佳條件及階段順序。

破碎的概念可看作是形成和進(jìn)一步增長(zhǎng)裂紋的過程.因此，一般所見的強(qiáng)度限值（9.8～980) MPa,本質(zhì)區(qū)別于按原子間聯(lián)系力計(jì)算的理論值（9.8～98) GPa。為建立保證初始微觀裂紋勢(shì)能條件，固體的晶格應(yīng)有足夠的缺陷度，即一方面必須具備一是數(shù)量的線性缺陷位錯(cuò)，另一方面缺陷和位錯(cuò)能與其相互作用，可望在礦石顆粒接觸處首先發(fā)展微裂紋。

多數(shù)情況下，這種必要的潛在條件自然界已經(jīng)形成。礦物晶格的缺陷是由巖石成因決定的。巖漿不均衡，固化伴隨者大量不同類型的礦物晶體結(jié)構(gòu)的缺陷產(chǎn)生，在以后的巖石變質(zhì)作用過程中缺陷在增長(zhǎng)，而且正是在粒子間的表面上可以觀察到高度集中的位錯(cuò)，雜質(zhì)及其他類型缺陷,它們彼此間又相互作用。在布爾哥爾斯（Burgers J.M)的研究中，實(shí)驗(yàn)證明，裂紋及位銪集中在晶體之間。因此地下采出的礦物已具有沿晶體破碎的條件。用人工方法熔煉得到的物料，例如金屬或人造剛玉具有大量各種類型晶體結(jié)構(gòu)的缺陷。當(dāng)加載引起應(yīng)變時(shí)破碎由微觀裂紋處 開始，發(fā)展為干線裂紋。微裂紋發(fā)展并轉(zhuǎn)化為干線裂紋的過程，在很大程度上表現(xiàn)為在給 定地點(diǎn)發(fā)生的機(jī)械應(yīng)力的特征。只有在拉伸或剪切應(yīng)力作用下微裂紋才能發(fā)展，壓縮應(yīng)力 (傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)破碎機(jī)的特點(diǎn)）相反，只能使其結(jié)合。因此，如果在被破碎物料的顆粒邊緣上選擇地建立拉伸或剪切應(yīng)力，在這些顆粒中就能得到微裂紋的選擇性發(fā)展。在微裂發(fā)展階段, 吸附表面活性物質(zhì)具有很大意義。滲透在微裂紋開口中，它們削弱了原子間聯(lián)系，使裂紋容易擴(kuò)展，而在重新組成的表面上吸收，阻礙其結(jié)合，破碎過程具有機(jī)械化學(xué)特性。

為使破碎過程走向選擇，初始應(yīng)力應(yīng)相當(dāng)于這樣的能量水平，即必須和足夠發(fā)展給定 區(qū)段微裂紋達(dá)到宏觀裂紋。如果初始負(fù)荷多余，則在其他區(qū)段過程平行開始。

選擇性破碎多相物料過程的基本原則是相位結(jié)合邊緣變化（礦石中的礦物晶體，植物中的纖維，金屬合金中的微晶）。實(shí)現(xiàn)相位間邊緣變化的技術(shù)方法，來組織選擇性破碎過程。與傳統(tǒng)方法的原則區(qū)別、與單軸擠壓或沖擊不同，被破碎的物料應(yīng)在體積料層中承受全方位的擠壓；同時(shí)在晶體或微晶邊緣引發(fā)應(yīng)力，料塊應(yīng)承受組合負(fù)荷，包括剪切、彎曲和扭轉(zhuǎn)。

物料塊能承受純機(jī)械脈沖負(fù)荷，其值明顯低于破壞值。機(jī)械加工可能的幾種方案：由機(jī)械結(jié)構(gòu)組成的工作腔中料塊的全方位擠壓；周圍水或氣介質(zhì)壓力的改變；物料塊彼此多次沖擊或沖擊某個(gè)平面；快速轉(zhuǎn)動(dòng)等等。這些方法簡(jiǎn)單，對(duì)礦石及含各種彈塑性成分的材料均有效。

以不同頻率振動(dòng)或在水、空氣周圍介質(zhì)中造成的沖擊波能童作用于物料，也能導(dǎo)致顆粒間邊緣的變化。拉伸應(yīng)力的產(chǎn)生是由于部分沖擊波在具有各種通過能力的礦物顆粒邊緣被吸收。對(duì)于具有顯著不同熱體積或熱線性膨脹系數(shù)的或具有不均勻熱性質(zhì)的礦石，可以利用熱加工。用于電、磁或由磁場(chǎng)加工的礦石，其組分具有不同特性能 選擇性吸收電磁振動(dòng)（電致伸縮、磁致伸縮、沿導(dǎo)電表面電擊穿、電水力作用等現(xiàn)象）。除此之外，基于利用組成具體礦石的礦物組分的某種特性及組織特性，還可能有其他方法。然而與最廣泛使用的機(jī)械破碎方法比較，它們具有局限性。對(duì)于所有的方法,不論引起應(yīng)變采用能童的形式如何，作用在每塊礦石（或其他物料）上的能量功率應(yīng)該僅夠在顆粒間邊緣上形成微裂紋，但不會(huì)造成橫晶（晶體全部體積）的破碎。采用以小能量脈沖，引起在顆粒間邊緣上積累不可逆的應(yīng)變，對(duì)物料多次作用的方法可以達(dá)到。作用頻率及加載速度也有很大意義，加載速度應(yīng)足夠高，是為了降低對(duì)彈性或塑性應(yīng)變的能最損失，作用頻率應(yīng)與晶體或微晶的尺寸相適應(yīng)。例如，當(dāng)破碎鋼筋混凝土?xí)r，當(dāng)初始裂紋發(fā)生在鋼筋或混凝土成分表面時(shí)，它應(yīng)該相當(dāng)?shù)�；�?dāng)破碎小顆粒礦石或金屬合金時(shí)，它應(yīng)相當(dāng)高。

為發(fā)展微觀裂紋到宏觀裂紋所需的力的大小，應(yīng)當(dāng)超過在變化階段的作用在物料上的脈沖能量。但它不應(yīng)超過一定值。在相反情況下，選擇性破碎顆粒將從根本上被破壞，并且粉碎過程機(jī)制開始接近具有剛性運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的傳統(tǒng)破碎機(jī)的常規(guī)破碎。

特別高選擇性破碎時(shí)，破碎過程應(yīng)該這樣組織，使物料承受逐漸增長(zhǎng)的動(dòng)力作用水準(zhǔn), 在這種情況下將保持在低過粉碎條件下最完全破碎顆粒的條件。

對(duì)固體強(qiáng)度問題的新的科學(xué)方法是要考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷和不均勻性。在新生表面最少情況下解離各相，這是選擇性破壞晶體物料的想法，對(duì)過程實(shí)施正確的組織，就可以破 碎任何強(qiáng)度的物料而沒有多余過粉碎晶體，因而受力小、能耗小，在一個(gè)工作作業(yè)循環(huán)中破碎比最大。

四

研究選擇性破碎的方法，研制出處理不同物料（其中包括那些用傳統(tǒng)粉碎方法不能奏 效或效率不高的物料）的新粉碎工藝和新設(shè)備。

圖3為各種不同機(jī)械破碎時(shí)的單元作用方案。圖3（a）中 所示為傳統(tǒng)破碎-磨碎設(shè)備（顎式、圓錐、錘式、球磨、棒磨 機(jī)）中破碎物料的方案。實(shí)現(xiàn)破碎是由于單一料塊或幾個(gè)料塊 單何加載的結(jié)果。為了破碎特別堅(jiān)固的物料，需要造成最大力，采用具有剛性運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)器。為了防止對(duì)這些破碎機(jī)構(gòu)可能 的損壞，料塊的變形量控制在一定的范圍，不超過次值，從此開始擠壓已經(jīng)組成的料塊，伴隨著在其中以積聚的碎塊充填空間。自然地，在這種方式下破碎比受到限制，破碎不是選擇性的，能耗很大。

圖3（b)中為料層粉碎的方案。這里物料塊能彼此相互作用，但他們相對(duì)位移很小而且是單向的。組成的細(xì)碎物填充到 物料塊之間的空隙阻礙了超過某個(gè)數(shù)值δ2的應(yīng)變量。這種破碎過程首先用于料塊之間的相互作用（強(qiáng)度髙的料塊破碎缺陷的料塊),已經(jīng)在很大程度上相應(yīng)于上述形成的原則，但其可能性在才很大程度上受到破碎比和選擇性的限制。美國賴克斯諾爾德 (Rexnord)公司的旋盤式破碎機(jī)就是這種料層粉碎方案。

圖3(c)是對(duì)圖3 (b)方案的補(bǔ)充，這里料層顆粒在擠壓時(shí)又承受剪切（圖中表示"沖頭"轉(zhuǎn)動(dòng)）。此時(shí)，同樣載荷P下料層應(yīng)變更大了，即δ3>δ2>δ l可達(dá)到高破碎比。在擠壓時(shí)具有剪切，能提高選擇性，這是由于剪切使料塊填充空間更趨均勻并改善粉碎效果，可使允許的應(yīng)變水準(zhǔn)達(dá)到較大值δ3。 據(jù)報(bào)導(dǎo)，此拼究方案在北高加索礦山冶金研究院的磨機(jī)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了。但存在著在卸載區(qū)磨損大、破碎力不易控制、產(chǎn)品過粉碎多、選擇性降低等問題，尚處在樣機(jī)試驗(yàn)階段。

圖3（d）慣性振動(dòng)方案。這是在強(qiáng)力振動(dòng)慣性作用條件下，在給定可調(diào)負(fù)荷P下，實(shí)現(xiàn)料層中選擇性粉碎。這種粉碎工藝是由于在破碎體間沒有剛性運(yùn)動(dòng)聯(lián)系（圖中陰模及沖頭），料層的應(yīng)變只與破碎過程的阻力有關(guān)。在破碎機(jī)中建立振動(dòng)的慣性原理可比較簡(jiǎn)單地改變破碎力P值，這就可能調(diào)整破碎機(jī)只破壞晶體間聯(lián)系，而不破壞晶體。

對(duì)物料層的強(qiáng)烈振動(dòng)作用，可在這些料塊中造成交變剪切和彎曲應(yīng)力。同時(shí)進(jìn)行積極消除粘結(jié)在物料塊間的粉未，減少過粉碎。與前面方法相比，可對(duì)物料的作用頻率提高一倍，強(qiáng)化料層振動(dòng)粉碎。慣性圓錐破碎機(jī)、顎式振動(dòng)破碎機(jī)、就是屬于這種粉碎工藝方案。

五

慣性圓錐破碎機(jī)（簡(jiǎn)稱ΚИД或簡(jiǎn)稱ICCS)，如圖4所示。

破碎機(jī)包括內(nèi)外兩個(gè)破碎錐,兩錐體均嵌有襯墊，其表面組成一個(gè)逐漸向卸載方向收縮形的破碎腔。在內(nèi)部動(dòng)錐軸上通過軸承裝有不平衡振動(dòng)器，通過撓性傳動(dòng)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)。當(dāng)不平衡振動(dòng)器旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生離心力，迫使內(nèi)錐沿外錐無間隙地滾動(dòng)（若破碎腔中沒有被加工的物料）或通過料層滾動(dòng)。內(nèi)錐的這種不同形式的位移之所以可能，是由于在這種機(jī)器中沒有內(nèi)錐圓周振動(dòng)振幅的運(yùn)動(dòng)學(xué)限制，可使其在空行程時(shí)沿外錐無間隙甚至沿橢圓軌跡滾動(dòng)（例如在破碎機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中形成）。

在工作狀態(tài)下，由于破碎物料沿破碎腔的阻力的不均勻性，內(nèi)錐可能改變其振幅。當(dāng)機(jī)器中落入不可破碎的物體時(shí)不會(huì)發(fā)生傳動(dòng)系統(tǒng)的損壞， 因?yàn)椴黄胶怏w繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，只暫停了內(nèi)錐的振動(dòng)。

與一般破碎機(jī)相比，ΚИД的第二個(gè)特點(diǎn)是在破碎力的組成特性上有本質(zhì)不同。在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的破碎機(jī)中，這個(gè)破碎力與被加工的物料硬度及破碎 腔充滿程度有關(guān),在空行程時(shí)它為零。在ΚИД中,破碎力與被加工的物料性質(zhì)無關(guān)，它是進(jìn)行迥轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的不平衡體及內(nèi)錐的離心力之和。破碎力的值是不變的，空行程也一樣（當(dāng)內(nèi)錐無間隙滾動(dòng)時(shí)）。因此，在ΚИД中沒有通常的空行程概念。因此，當(dāng)停止向破碎機(jī)供料時(shí)沒有必要采取專門措施在球面軸承上保證內(nèi)錐的穩(wěn)定性。

這個(gè)情況，以及在ΚИД與基礎(chǔ)間的彈性隔離，可以增大內(nèi)錐的頻率最少一倍。圓錐慣 性破碎機(jī)不需要定量供料裝置，可順利地在"堵塞"情況下工作，可使礦石偏析對(duì)工藝指標(biāo)的影響達(dá)到最低。

偏心傳動(dòng)的破碎機(jī)可以看成是具有兩個(gè)自由度的機(jī)構(gòu)，而ΚИД的動(dòng)力系統(tǒng)在一般情況 下有10個(gè)自由度：其中6個(gè)是外殼的前移和轉(zhuǎn)動(dòng)，3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度是錐體相對(duì)外殼的，另一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度是不平衡體的。因此，破碎機(jī)的運(yùn)動(dòng)在一般情況下可描繪成微分方程系統(tǒng)。

為了提高過程的選擇性，必須使物料顆粒承受不是單向的，而是體積的受力狀態(tài)。還可以解釋為沿顆粒表面不均勻分布負(fù)荷，多向局部負(fù)荷的總和。如果對(duì)每個(gè)顆粒作用的不只是破碎體的工作表面，而且是在破碎腔中在密實(shí)物料層條件下，相鄰顆粒的相互作用，這種工況是可能的。料層允許的密實(shí)度應(yīng)按所需破碎比，從物料可破碎角度看的強(qiáng)度，以及晶體形狀和尺寸來決定。已知立方晶體抗破壞的程度比不等軸晶體要大些。

由選擇性破碎基本原則出發(fā)的其他重要條件，是在相鄰顆粒邊緣建立一定水平的機(jī)械應(yīng)力，它在物料中足以發(fā)展初始的和干線的裂紋，但不超過破壞顆粒整體的負(fù)荷。

在慣性破碎機(jī)中，由于交變脈沖應(yīng)力的結(jié)果，這種類型應(yīng)力能夠發(fā)生。這時(shí)重要的條件是這些應(yīng)力的頻率及變形速度應(yīng)足夠高。在慣性破碎機(jī)中，當(dāng)物料硬度及破碎腔充滿率變化時(shí)，破碎力的值本質(zhì)上不變。它與破碎機(jī)的調(diào)試有關(guān)，即與所選的不平衡體靜力矩及轉(zhuǎn)速有關(guān)。調(diào)節(jié)不平衡體的靜力矩可以確定任何工作條件所需破碎力值。改變破碎力值可以保證料層所具有的密實(shí)度，可使顆粒承受全方位負(fù)荷，將多數(shù)按晶界破碎，基本上為在最少產(chǎn)生礦泥條件下獲得晶體形狀產(chǎn)品創(chuàng)造條件。但是如果選擇的破碎力值超過了給定物料顆粒間聯(lián)系的強(qiáng)度限，則將導(dǎo)致過粉碎及在破碎腔出口處產(chǎn)品的局部擠壓。

被粉碎的物料在破碎腔中移動(dòng)時(shí)，停留幾秒鐘承受約30多次來自破碎體的作用力。在每個(gè)移動(dòng)循環(huán)中物料顆粒改變它與相鄰顆粒之間的方位,導(dǎo)致連續(xù)改變其作用力的向量。這些可達(dá)到被粉碎物料的交變應(yīng)力并造成強(qiáng)制自粉碎條件,結(jié)構(gòu)缺陷少的顆粒具有較高強(qiáng)度，可破碎相鄰具有不牢固晶間聯(lián)系的顆粒。在等強(qiáng)度顆粒中，那些剪切力和位錯(cuò)滑動(dòng)方向重合的顆粒發(fā)生破碎。破碎錐每周擺動(dòng)都伴隨著不少于100次振動(dòng)，這是由于它沿料層滾動(dòng)的不均勻性造成的，由于補(bǔ)充脈沖力而加速了破碎作用。

慣性圓錐破碎機(jī)選擇性破碎以白電剛玉為例。它與棒磨機(jī)粉碎比較見表1所示。

從表1可見，粉碎白電剛玉的效率增加近一倍，磨體耗量?jī)H為1／19。同時(shí)在ΚИД產(chǎn)品中單晶體產(chǎn)量高出45％，一500十160μm含量高出16％，缺陷顆粒含量降低58％，熔渣顆粒降低85％，并改善了其他指標(biāo)。

慣性圓錐破碎機(jī)的效率指標(biāo)明顯優(yōu)于棒磨機(jī)。