4.2.1. Подрібнення

Подрібнення використовують в різних галузях промисловості з метою зменшення розмірів кускових матеріалів (подрібнення руд, гірських порід, вугілля, мінералів, зерна, пластмас, напівфа-

123

брикатів та готових матеріалів) до визначених розмірів шляхом роздавлювання, розколювання, розламування, різання, розпилю­вання, розбивання, розривання. Під подрібненням розуміють тільки зменшення крупних шматків. Мілкі кускові матеріли підлягають мілкому здрібненню або розпилу.

Крупним вважають подрібнення кусків із середнім попереч­ним розміром від 1000 до 200 мм, середнім — від 250 до 50 мм, мілким — від 50 до 20 мм і тонким (розмелом) від 20 до 3 мм. Ду­же тонке подрібнення використовують коли кінцевий продукт повинен мати розмір — десяті і соті частки міліметра. Відношен­ня поперечного розміру початкового продукту — D найбільш крупних шматків до подрібнення до розміру d шматків після подрібнення називають ступенем подрібнення

, (4.1)

яка змінюється в межах: (2...6) — для крупних часток; (5... 10) — для середніх; (10...20) — для мілких і 50 — для самих мілких часток.

У більшості випадків спосіб подрібнення та відповідну подрібнюючу машину вибирають в залежності від фізичних вла­стивостей і початкових розмірів матеріалу.

Важливою характеристикою процесу подрібнення є витрати енергії. Є дві гіпотези, що визначають витрати енергії в залеж­ності від степені подрібнення — пропорційність затрат енергії площі новоутвореної поверхні матеріалів та пропорційність за­трат енергії об'єму (або лінійним розміром) подрібненої сирови­ни. Жодна з цих гіпотез не має кількісного визначення і не завжди узгоджується з практичними дослідженнями. Але є ос­новні принципи подрібнення, додержання яких забезпечить най­менші затрати енергії.

Не подрібнювати зайвого, тобто подрібнення треба вести тільки до даного ступеня, що необхідний для подальшого вико­ристання сировини. Частки матеріалу, що мають ці нормовані розміри, повинні негайно вилучуватись із машин.

Всі машини за ступенем подрібнення поділяють на три групи: машини для крупного (попереднього) подрібнення; машини для середнього і мілкого подрібнення; машини для тонкого подрібнення (розмелу).

Куски матеріалу до і після подрібнення звичайно не мають правильної форми. Тому у практиці розміри кусків визначають через розміри отворів сит, крізь які просіюють сипкий матеріал до і після подрібнення. 124

За розмірами кусків вихідної сировини і кінцевого продукту дробіння умовно поділяють на кілька класів (табл. 4.1.)

Твердий матеріал можна зруйнувати і подрібнити до части­нок потрібного розміру такими способами: роздавлюванням або розчавлюванням, розколюванням, розламуванням, різанням, розпилюванням, розтиранням, розбиванням і розриванням. Схе­матично ці способи зображені на рис. 4.1.

Таблиця 4.1.

Класи подрібнення

125

Роздавлювання (рис. 4.1, а). Тіло під впливом наван­таження деформується по всьому об'єму і, коли внутрішнє напру­ження в ньому перевищить границю міцності на стиск, руй­нується. В результаті такого руйнування утворюються частинки різного розміру і форми.

Розколювання (рис. 4.1, б). Тіло руйнується на частинки в місцях концентрації найбільших навантажень, які передаються клиноподібними робочими елементами подрібнювача. Частинки, що утворюються при цьому, більш однорідні за розмірами і фор­мою, хоч форма, як і під час роздавлювання, мінлива. Спосіб роз­колювання досконаліший порівняно з роздавлюванням, оскільки дає можливість регулювати розмір одержуваних частинок.

Розламування (рис. 4.1, в). Тіло руйнується під впли­вом згинальних сил. Розміри і форми частинок після розламуван­ня приблизно такі самі, як і після розколювання.

Різання (рис. 4.1, г). Тіло ділиться на частинки наперед за­даних розмірів і форми. Процес повністю керований.

Розпилювання (рис. 4.1, д). Результати такі самі, як і після різання. Процес цілком керований, а частинки мають напе­ред визначені розміри і форму.

Розтирання (рис. 4.1, є). Тіло подрібнюється під впли­вом стискальних, розтягу вальних і зрізувальних сил. Утво­рюється дрібний порошкоподібний продукт.

Розбивання (рис. 4.1, є, ж). Тіло розпадається на частин­ки під дією динамічного навантаження. У випадку сконцентрова­ного навантаження створюється ефект, схожий на той, який має місце під час розколювання, а в разі розподілу зусиль на весь об'єм тіла ефект руйнування схожий на ефект роздавлювання. Розрізняють руйнування тіла обмеженим і вільним ударами. У випадку обмеженого удару (рис. 4.1, є) тіло руйнується між дво­ма робочими органами подрібнювача, а при вільному ударі (рис. 4.1, ж) тіло руйнується в результаті зіткнення його з робочим ор­ганом подрібнювача або іншими тілами в польоті.

Розривання (рис. 4.1, з). Тіло руйнується під дією розтя-гувальних сил у результаті виникнення напруження в матеріалі, яке перевищує границю міцності на розрив.

У практиці часто комбінують різні способи дробіння ма­теріалів. Так, наприклад, розтирання завжди супроводжується роздавлюванням чи розбиванням, розламування — розколюван­ням або роздавлюванням.

126

Вибір способу подрібнення залежить від фізичних властивос­тей і розмірів матеріалу. Основне значення має твердість. Дуже тверді матеріали недоцільно розривати, роздавлювати або стира­ти, бо вони стійкі проти таких дій. Для них найкращим способом подрібнення буде розбивання або розколювання.

Машини, що призначені для подрібнення твердих матеріалів, повинні працювати якомога повільніше (зменшується спрацю­вання машин дрібними твердими частинками).

Матеріали в кусках великих розмірів найкраще дробити роз­давлюванням або розколюванням. Розтирання у цьому випадку недоцільне. Для матеріалів у вигляді кусків середніх розмірів дробіння має ґрунтуватися на розколюванні або розбиванні. Ду­же дрібні матеріали найкраще подрібнювати розтиранням або розбиванням, для них зовсім непридатні способи роздавлювання або розламування.

Структура матеріалу також може істотно впливати на вибір способу дробіння. Для волокнистих матеріалів треба використо­вувати машини, дія яких ґрунтується на різанні або розриванні. Очевидно, у цьому випадку роздавлювання не дасть позитивних результатів.

Процес подрібнення вимагає значних витрат енергії, тому визначення величини використаної енергії на подрібнення є ос­новною проблемою в теорії подрібнення. Нині проблема достат­ньою мірою ще не розв'язана.

За спостереженнями Ребіндера, енергія, яка витрачається на подрібнення матеріалу, є сумою робіт, що йдуть на деформацію тіла і на утворення нових поверхонь

, (4.2)

де к — коефіцієнт пропорційності, що дорівнює роботі деформу­вання одиниці об'єму твердого тіла;

V — об'єм тіла, яке деформується.

Думка про те, що робота подрібнення пропорційна як наново утвореній поверхні, так і об'єму подрібнюваного матеріалу, знай­шла своє відбиття у подальших дослідженнях подрібнення. На жаль, жодна із запропонованих гіпотез для визначення роботи, що витрачається на подрібнення, не дістала широкого застосування.

У загальному випадку схема руйнування твердого тіла скла­дається з таких трьох стадій. Стадія пружної деформації від по­чаткового моменту прикладення руйнівних сил, спричинених

127

дією робочих органів машини, до моменту появи тріщин, що відповідає границі пружності. Стадія пластичної деформації, яка відображує переміщення елементів в окремих частинах тіла. В межах цієї стадії тіло розколюєтеся, іноді сплющується і в усяко­му разі ущільнюється. Стадія дробіння тіла на частинки. В цій стадії енергія витрачається на утворення нових зовнішніх повер­хонь і на пластично-в'язку деформацію речовини.