陶瓷原料的球磨細碎機理

摘 要：本文介紹了球磨機的主要結構及工作原理，詳細論述了陶瓷原料的粉碎理論及其球磨細碎機理。實踐證明，陶瓷原料經球磨粉碎后易獲得物理化學性能一致的陶瓷漿料或釉料，并可獲得高質量的陶瓷制品。

關鍵詞：球磨機；粉碎理論；球磨細碎機理

1 前 言

陶瓷原料經球磨機粉碎后，增大了陶瓷原料的接觸面積，促使陶瓷原料混合更加均勻，物理機械性能一致。因此，球磨機是陶瓷工業(yè)原料（坯料及釉料等）粉碎及混合的重要設備。球磨機缺點為功率消耗大、效率較低，其有用功僅占球磨機輸入功率的小部分，大部分則消耗于研磨體與筒體、研磨體與研磨體之間的機械碰撞、筒體軸承及傳動裝置的機械摩擦阻力等方面，并最終轉變成熱能或（和）聲能而浪費掉。隨著燃油價格的飚升、能源危機的臨近及市場競爭的日益激烈，如何節(jié)約能源，提高陶瓷原料的球磨細碎效率，降低生產成本，贏得更大的市場份額，是陶瓷科技工作者及陶瓷生產企業(yè)共同關注的問題。因此，積極研究和探討陶瓷原料的球磨細碎機理，能最大限度地提高陶瓷原料的球磨效率、節(jié)約能源，對提高企業(yè)的經濟效益及陶瓷工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展等具有深遠而重要的意義。

2 球磨機的主要結構及工作原理

球磨機具有一個水平放置的鋼質圓柱薄壁殼體（簡稱筒體），見圖1所示。在電動機及傳動裝置（包括：液力偶合器、圓柱齒輪減速器、聯軸器及三角膠帶等）的作用下，驅動筒體以適宜的轉速旋轉。因此，筒體內的物料和研磨體（俗稱球石）等在筒體內襯（保護鋼質筒體免遭破壞的材料）的作用下，被筒體提升到一定高度后，在其自身重力的作用下沿近似拋物線軌跡降落下來，沖擊碰撞和研磨筒體底部的另一部分物料。經多次反復作用后，獲得物理化學性能一致的陶瓷漿料或釉料，最后獲得高質量的陶瓷制品。

3 粉碎理論

陶瓷原料的球磨細碎過程是一個復雜的物料尺寸的變化過程，它與許多因素有關，其主要影響因素大致是：物料的強度、硬度、韌性、形狀、尺寸、濕度、溫度、密度、均質性和可聚集性以及外部環(huán)境條件等。盡管上述因素都造成了物料破碎過程的復雜化，但最終必然是外力對物料做功，克服物料質點的內聚力后才會迫使物料破碎。內聚力大致可以分為兩類：一類是晶體內部各質點之間的作用力；另一類是晶體與晶體之間的作用力。這兩者具有相同的物理性質，但其數值卻不同，前者比后者大很多倍。內聚力的大小通常取決與物料塊中晶體本身的性質與結構，也與結構中存在的缺陷及其數量多少等有關，這些缺陷最終表現為宏觀和微觀的損傷性裂縫，并且削弱了晶體之間的聯系。根據晶體的構造和質點之間的作用力的性質，可從理論上估算出晶體之間的內聚力數值的大致范圍。至于晶體間內聚力數值大小，以及所有降低物料堅固性的因素等所引起的影響，目前還不能精確地估算，所以內聚力的大小對同一物料也是變化的。

3.1 強度理論

陶瓷原料通常來自天然礦山、井下開采或工業(yè)生產過程中的產物，它們內部本身就存在著許多局部薄弱面（如：不均質性的解理面、微細裂紋等）。在外力的作用下，這些局部薄弱面的周圍勢必產生應力集中，當外力增加時，應力集中現象逐漸加劇，迫使物料解理的加劇直至裂紋擴展，最終導致陶瓷原料破碎成為細粒——球磨細碎的產物。事實上，物料的強度值隨被粉碎物料的形狀、尺寸大小的變化而變化，通常物料粒度越小，其強度值就越大。因為物料粒度越大，缺陷就越多，不均質性也越大，所以，其強度就越低。同時，物料中的各組成部分對強度的作用不是各組分的疊加，也不是各組分的平均值，而是取決于其最小值，即極少量的薄弱部位決定了物料整體的物理機械強度。

3.2 能耗理論

陶瓷原料的球磨細碎過程其實就是克服各質點之間的內聚力的作用，迫使物料變細（顆粒粒徑的減小）的過程是外力做功的結果。陶瓷原料的球磨細碎粒度與能量消耗之間究竟存在著什么樣的關系呢？這一直是球磨粉碎理論研究的核心。100多年來，許多學者根據自己的工作經驗總結出一些適用價值較高的“假說”理論，具體闡述如下：

（1） 表面積“假說”理論

1867年雷廷智（P.R.Von Rittinger）指出，物料的粉碎過程可近似認為是由大球形物料變?yōu)樾∏蛐挝锪系纳a過程，因此物料在粉碎過程的能量消耗應與物料表面積的增加成正比，可用數學式表示為：

KS——系數，與物料的性質、形狀、強度和密度等相關，通常由實驗確定。

實踐經驗表明，表面積“假說”理論實用于0.01～1mm粒徑的產品，可估算出研磨粉碎過程的能耗。

（2） 體積“假說”理論

1885年基克（F.Kick）指出，物料的粉碎過程可近似認為是由一個大圓柱體物料受到擠壓力的作用，在其內部引起應力并產生相應的應變，當應力達到極限時，迫使物料破壞，導致大圓柱體物料粉碎成為形狀相似的小圓柱體物料，同時每次的粉碎比都相同。因此，物料粉碎所消耗的能量應與物料的體積或質量的減小成正比，利用數學式可表示為：

Kv——系數，與物料的性質、形狀、強度和密度等相關，通常由實驗確定。

實踐經驗表明，體積“假說”理論實用于大于10mm粒徑產品，可估算出粉碎過程的能耗。因此，它實用于陶瓷原料（硬質料）的破碎——顎式破碎機的能耗估算。

（3） 裂紋“假說”理論

1952年邦德（F.C.Bond）指出，物料的粉碎過程可近似認為是由一個大立方體物料在受壓的情況下，積累一定的能量后產生了裂紋，由于裂紋的擴展，縱橫交錯，導致大立方體物料轉變成一堆大小相同的小立方體物料，多次反復作用后才被粉碎。因此，物料粉碎所消耗的能量應與立方體的邊長——顆粒平均粒徑的平方根成反比，利用數學式可表示為：

KC——系數，與物料的性質、形狀、強度和密度等相關，通常由實驗確定。

實踐經驗表明，裂紋“假說”理論實用于1～10mm粒徑產品，可估算出粉碎過程的能耗。因此，它實用于陶瓷原料的中碎——輪碾機的能耗估算。采用輪碾機濕法粉碎陶瓷原料時，易糊篩而影響破碎效率；采用輪碾機干法粉碎陶瓷原料時，粉塵飛揚、污染環(huán)境，危害工人的身體健康。因此，目前，陶瓷工廠通常不再采用輪碾機粉碎陶瓷原料這一工序，而是將陶瓷原料（硬質料粒徑約10mm）直接投入球磨機球磨細碎制成陶瓷泥漿。表面積“假說”理論和裂紋“假說”理論都實用于球磨機的能耗估算。

3.3 機械化學理論

粉碎過程的機械化學理論是指物料粉碎過程中的機械運動能量與化學能量是相互轉化的。它是研究固體物料在施加沖擊、碰撞、擠壓、研磨和剪切等機械力的作用后，其內部晶體結構將產生不規(guī)則變化和多相晶型轉變，導致物料晶格缺陷的產生、比表面積的增大以及表面活化能的增加等；與此同時，物料的熱力學性質、結晶學性質、物理化學性質等都會發(fā)生規(guī)律性的變化。機械粉碎其實就是采用機械能迫使物料由大顆粒變成小顆粒的過程。顯然在物料粒徑減小的同時，物料自身的晶體結構、化學組成、物理化學性質等都會發(fā)生機械化學變化。而這些機械化學變化并非在所有的粉碎作業(yè)中都能顯著存在，它與機械力的施加方式、粉碎時間、粉碎環(huán)境以及被粉碎物料的種類、粒度、物理化學性質等密切相關。

4 球磨細碎機理

陶瓷原料在球磨機中被球磨細碎成規(guī)定的顆粒度是由于球石（研磨體）對其沖擊碰撞和研磨等作用的結果。但陶瓷原料的球磨細碎過程非常復雜，若以單一物料顆粒作為研究對象，那么在球磨細碎過程中，它可能反復地受到沖擊碰撞應力和研磨擠壓應力等共同作用。致使存在于該物料顆粒表面上固有的或新生成的裂紋擴張，從而迫使物料產生塑性變形或者破碎。當該物料顆粒不斷地被球磨細碎時，產生的某一級新顆粒便難以進一步磨細，主要原因是新生成的物料顆粒表面上的裂紋較微細，并且迫使這一微細裂紋的擴張所需的最小破碎應力急劇增大的緣故。即使球磨細碎陶瓷原料所需的最終破碎應力可能會增大到迫使顆粒產生塑性變形，卻不足以破碎物料，即物料顆粒不會再被球磨細碎——已經磨得太細。由此可見，陶瓷原料的球磨細碎過程中存在一細度極限值。實踐經驗表明：若陶瓷原料的球磨細度超過某一極限值時，球磨機對物料的球磨細碎作用就較困難。

陶瓷原料的球磨細度極限值主要取決于球磨細碎產物重新團聚的傾向以及團聚與破碎之間所建立的動態(tài)平衡。若過長地延長球磨時間，對研磨細碎物料而言也是徒勞的，只會白白地浪費能源。這是因為過細的物料顆粒不能有效地儲存迫使裂紋擴張所需的彈性變形能。由于陶瓷原料的球磨細碎過程比上述單一顆粒物料球磨細碎過程更復雜，它是眾多單一顆粒物料共同球磨細碎的復合體，并且物料顆粒表面上的裂紋擴張與新裂紋的出現會因每一顆粒中裂紋的相互作用而變化。次一級顆粒的破碎，顆粒與顆粒之間的相互作用，顆粒與研磨體之間及顆粒與球磨機內襯之間的作用以及球磨細碎環(huán)境狀態(tài)對顆粒的作用而加劇，最終迫使陶瓷原料顆粒的破碎——球磨細碎。（下轉第31頁）

陶瓷原料在受外力作用而被球磨細碎之前，通常是首先產生彈性變形。當變形達到一定值時，陶瓷原料的缺陷處重新彌合，并產生“加工硬化”和應力增大的現象。當外力繼續(xù)作用時，變形也繼續(xù)增長，直至沿著最脆弱面的斷裂。通過觀察破壞斷面可知，陶瓷原料通常是被與之垂直應力壓裂（或拉裂）和剪應力作用下產生滑動的撕裂，這就是陶瓷原料的球磨細碎機理。

5 結 語

陶瓷原料經球磨機粉碎后，增大了陶瓷原料的接觸面積，促使陶瓷原料混合更加均勻。但若陶瓷原料的球磨細度超過某一極限值時，球磨機對物料的球磨細碎作用就較困難。實踐證明，陶瓷原料經球磨粉碎后易獲得物理化學性能一致的陶瓷漿料或釉料，并可獲得高質量的陶瓷制品。

參考文獻

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