20世紀(jì)90年代以來，由于高新技術(shù)的發(fā)展和礦物加工工業(yè)的精細(xì)化，人們對粉碎工程提出了新的要求。因此，粉碎原理的研究向多學(xué)科多領(lǐng)域和交叉學(xué)科方向拓展，從而推進粉碎原理不再停留于粉碎物理學(xué)和粉碎功耗方面，而且出現(xiàn)了粉碎動力學(xué)、粉碎物理化學(xué)、粉碎機構(gòu)學(xué)等新的領(lǐng)域，粉碎工藝也出現(xiàn)了多樣化。本書就這些方面作一簡單介紹。

破碎物理學(xué)原理

粉碎物理學(xué)是在傳統(tǒng)的粉碎原理———巖石的機械力學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，視野更加開闊，對生產(chǎn)的指導(dǎo)意義更加突出。在傳統(tǒng)的粉碎原理中，巖石的機械力學(xué)主要考慮兩個方面：一是巖礦的物理性質(zhì)（巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造、孔隙度、含水率和硬度、密度、容重及碎脹性）與其被粉碎的難易程度的關(guān)系；二是巖礦在外力作用下，因其性質(zhì)和載荷大小、速度的不同，發(fā)生彈性形變和塑性形變直至粉碎的相關(guān)規(guī)律。粉碎物理學(xué)則大大地擴大了其研究的范圍，也更逼近于粉碎的實際過程。主要方面有：單顆粒粉碎與料層粉碎，選擇性破碎，粉碎極限等。

1.單顆粒粉碎

單顆粒粉碎是粉碎技術(shù)的基礎(chǔ)。1920年格里菲思提出了強度理論。在理想情況下，如果施加的外力未超過物體的應(yīng)變極限，則物體又會恢復(fù)原狀而未被破碎，但由于固體物料內(nèi)部存在著許多細(xì)微裂紋，將引起應(yīng)力集中，致使裂紋擴展。這一理論一直統(tǒng)治著固體單顆粒粉碎機理的研究。

舒納特于20世紀(jì)80年代中期，歸納了應(yīng)力狀態(tài)與顆粒的關(guān)系，如圖1-9所示，并指出，有關(guān)材料特性可分為兩類：第一類是作為反抗粉碎阻力參數(shù)，第二類是應(yīng)力所產(chǎn)生的結(jié)果參數(shù)。這兩類參數(shù)不是從熟悉的材料特性（如彈性模數(shù)、抗拉強度、硬度等）引導(dǎo)出來的，它們包括有：

（1）阻力參數(shù)：顆粒強度、斷裂能、破碎概率、單面表面的反作用力、被破碎塊的組分、磨碎阻力。

（2）結(jié)果參數(shù)：破裂函數(shù)（破碎產(chǎn)物的粒度分布）、表面積的增大、能量效率；材料特性與被粉碎物料結(jié)構(gòu)及載荷條件———物料種類、產(chǎn)地和預(yù)處理方法；顆粒強度、形狀、顆粒的均勻性；載荷強度、載荷速度、載荷次數(shù)、施加載荷的工具形狀和硬度、濕度等。 舒納特等人對此進行了較全面的研究，推進了單顆粒粉碎理論的發(fā)展。

2.料層粉碎

料層粉碎有別于單顆粒粉碎。單顆粒粉碎是指粒子受到應(yīng)力作用及發(fā)生粉碎事件是各自獨立進行的，即不存在粒子間的相互作用。而料層粉碎是指大量的顆粒相互聚集，彼此接觸所形成的粒子群受到應(yīng)力作用而發(fā)生的粉碎現(xiàn)象，即存在粒子間的相互作用。

料層粉碎與單顆粒粉碎物料數(shù)量的界限，依據(jù)阿齊茲（Aziz）的研究，體積中的固體容積百分率為10%時，則表現(xiàn)為單顆粒粉碎行為，超過45%則為料層粉碎行為，依據(jù)舒納特等人的研究，在容器內(nèi)進行料層粉碎應(yīng)消除器壁效應(yīng)的影響，當(dāng)物料中比較大顆粒粒徑為D_max，容器直徑為D，料層高度為h時，必須滿足下列條件：
D/D_max>10;h/D_max>6;h/D<1/3
依據(jù)李去龍的研究，只有料層厚度大于6時才符合料層粉碎的定律。

3.粉碎極限

隨著礦物加工工業(yè)向精細(xì)化方向發(fā)展，對于產(chǎn)品粒度的要求在一些工業(yè)部門已達到微粒和超微粒的粒度范圍。到底機械粉碎方式能達到多細(xì)，近幾年一些學(xué)者提出了粉碎極限的問題，這也屬粉碎物理學(xué)的一個新領(lǐng)域。

眾所周知，能夠獨立存在并保持原物質(zhì)性質(zhì)（化學(xué)性質(zhì)）的最小微粒是分子。因此，我們能夠?qū)⒛彻腆w物質(zhì)（如某礦物）分割成的最小顆粒極限粒度是該物質(zhì)分子的大小。

用機械方法縮小顆粒的粒度，假設(shè)達到了粒子粒度的終點，則稱之為粉碎的極限粒度。這個極限粒度的大小決定于該礦物的晶體晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)阻力。根據(jù)計算，石英的粒度大約在10A~10A（0.001um~0.01um）范圍以下，按表面積計算，超過了6*10⁶cm² /cm³~6*10³cm⁷/cm³的范圍。高登（Gaudin）的計算，石英的單位晶體的值為0.0005um。這些值，應(yīng)該說是限定的粉碎相對極限粒度。由于現(xiàn)代粉碎手段的限制，至今人們還不可能獲得達到粉碎極限粒度的產(chǎn)品，而只能獲得10倍甚至100倍于它的粒度，如1um~0.1um，已是很困難的了。如磨礦，有人將磨礦時間延長到100h以上，所獲得的產(chǎn)品細(xì)度降低不大，甚至于某些礦物隨著磨礦時間的延長，產(chǎn)品粒度反而變粗。

因此，這里存在著一個粉碎實際極限粒度。依據(jù)一些學(xué)者的研究，其原因在于：

（1）現(xiàn)有的任何一種粉碎設(shè)備，由于其性能本身的限制，其破碎（磨碎）比是一定的，因此，要使其超出粉碎實際極限是困難的。

（2）任何現(xiàn)有的粉碎設(shè)備，其輸入的能量及能量利用率是一定的，而粉碎的效果取決于該設(shè)備依次粉碎能量的大小和能量利用率，延長粉碎時間，增加的是累積能量，而累積能量的大小并不是粉碎的決定性因素。

（3）隨著顆粒粒度的減小，表面能增大，導(dǎo)致顆粒的聚合力（內(nèi)聚力或粘著力）增加，從而形成粒度減小與聚合的動力平衡粒度；在粉碎過程中，晶體表面的錯位和晶體結(jié)構(gòu)上的明顯錯位，引起機械化學(xué)上的變化，如石英表面形成非晶形膜，方解石變成霞石等；顆粒的破碎阻力增大，一次粉碎所需的粉碎能量顯著增大，從而導(dǎo)致粉碎能量的分散。

（4）在批量磨礦中，隨著試驗的延長，粗細(xì)顆粒的比例發(fā)生變化，殘余粒會阻礙細(xì)粒獲得足夠的粉碎能量，而細(xì)粒又會對殘余粒產(chǎn)生保護效應(yīng)。由此可見，要實現(xiàn)超細(xì)粉碎使產(chǎn)品盡可能達到粉碎極限粒度，關(guān)鍵在于提高一次粉碎的局部應(yīng)力，即一次粉碎輸入的有效能量，而不在于無限延長磨礦時間。

4.選擇性粉碎

巖石的破碎有各種各樣的目的，可大致劃分成兩種：第一種情況只要求將巖石的尺寸減小到一定的尺寸，如獲得碎石。這時將塊狀巖石看成是各向同性同體積的物料，用可以獲得的粒度或表面積來劃分；第二種情況是選礦和其他許多工藝過程中，要求巖石的一種礦物或多種礦物解離，以便利用物理、化學(xué)的方法將不同的礦物顆粒分離出來，這時巖石必然看成是各向異性的，每個相具有自己固有的性質(zhì)和組成，由此可見，對于每一種目的應(yīng)該有自己的一套粉碎方法。而實際上恰恰相反，在決定各種粉碎任務(wù)時，運用的是相同的破碎和磨碎的方法，并且絕大多數(shù)情況下，運用的粉碎方法是建立在無序的粉碎過程的基礎(chǔ)上，是在不定強度的載荷聯(lián)合作用下實現(xiàn)的，導(dǎo)致在不可知的方向上的粉碎，具有相應(yīng)的粉碎概率。顯然，這種無序粉碎，既消耗大量的能量，又易造成過粉碎。用于選礦等廣義的準(zhǔn)備作業(yè)的巖石粉碎，其指導(dǎo)思想是沿分割相表面粉碎，并且用比較低的能耗，這就是選擇性粉碎。

從這個概念出發(fā)，列夫尼切夫提出了選擇性粉碎的兩個原則：第一是沿分割相表面粉碎，即粉碎的幾何學(xué)選擇原則；第二是用比較低的能耗，即粉碎的動力學(xué)選擇原則，并進行了理論計算。

兩種礦物的交界面是復(fù)雜的。郝木諾夫等人的研究提出，礦石的解離特性取決于構(gòu)成礦石的各礦物相及相界面的強度。礦物共生界面的作用。不僅能構(gòu)成結(jié)構(gòu)成一整體的礦石，而且決定著外應(yīng)力的傳遞、分配及各組分的離解。礦物間的聯(lián)結(jié)強度取決于包括成礦及繼而的變質(zhì)條件在內(nèi)的許多因素，這些因素決定了共生界面的結(jié)晶學(xué)及結(jié)晶化學(xué)的參數(shù)、化學(xué)組成及化學(xué)鍵的結(jié)構(gòu)與類型。在成礦及變質(zhì)過程中，如果有能使原子通過共生界面擴散的條件（溫度、用力、時間），則界面可變?yōu)檫^渡區(qū)，其強度高于界面的共生礦物或它們之一。

在粉碎時，礦物的解離取決于粉碎方法，即每一個粒子消耗的能量的形式和數(shù)量及粒子的選擇性機械強度。選擇性機械強度表征了在（內(nèi)或外）應(yīng)力作用下，其中的組分完全解離時的礦石解離特性。這個數(shù)值取決于晶體間強度和穿晶強度的比值。晶體間的強度可以由界面間巖石選擇性解離的阻力來獲得。穿晶強度由其巖石中任何礦物的選擇性解離的阻力來確定。因此，欲選擇合理的粉碎方法，以期達到好的解離，必須對礦石中各組成礦物及其界面特性、碎裂的動力學(xué)特性等進行綜合考慮。

粉碎功耗

一個半世紀(jì)以來，粉碎過程的功耗問題始終是粉碎機理的研究重心，它能便于人們認(rèn)識粉碎過程的輸入功與粉碎前后物料潛能變化的關(guān)系，為確定物料的可碎性，合理地選擇和設(shè)計粉碎設(shè)備，評價粉碎效率等提供理論基礎(chǔ)。

眾所周知，功耗理論有三大有名的功耗學(xué)說，即雷廷格爾（P.Rittinger）的“面積說”、契爾皮切夫（B.ji,KupnhyeB）和基克（F.Kick）的“體積說”、邦德（F.Bond）和王仁東的“裂縫說”，這三大理論的提出，歷經(jīng)了近百年。這三大理論，各自反應(yīng)了粉碎過程的某一階段，都有片面性，但互不矛盾，而是相互補充。對于粗粒物料的粉碎過程，體積說比較實際；對于細(xì)粒物料的粉碎，面積說與實際過程較吻合；裂縫說適用于中等粒度的粉碎過程。

這三大理論，各自反應(yīng)了粉碎過程的某一階段，都有片面性，但互不矛盾，而是相互補充。對于粗粒物料的粉碎過程，體積說比較實際；對于細(xì)粒物料的粉碎，面積說與實際過程較吻合；裂縫說適用于中等粒度的粉碎過程。

粉碎過程的物理化學(xué)

傳統(tǒng)的觀點是將粉碎過程視作一個機械力學(xué)過程，而實際上粉碎過程是一個物理過程，如粉碎功耗的三大學(xué)說，始終突出了表面能與粉碎功耗的關(guān)系。粉碎的物理化學(xué)問題屬粉碎引起的機械化學(xué)反應(yīng)的一個組成部分。機械化學(xué)反應(yīng)是由機械能誘發(fā)的化學(xué)反應(yīng)，是機械運動能與化學(xué)能量的交換。

在許多應(yīng)用領(lǐng)域，如塑料填料、涂料等，不僅對非金屬礦粉體產(chǎn)品的粒度、純度有要求，還對其表面物理化學(xué)性質(zhì)：如白度或亮度、親水性、疏水性、吸附活性、電性、比表面積等有要求。對于金屬礦物，在分選過程中，粉體的表面性質(zhì)對分選也是至關(guān)重要的決定性因素。因此，如能有目的地將粉碎加工與機械激活表面改性和表面包覆結(jié)合起來，將簡化工藝流程并提高經(jīng)濟效益。

近年來的研究表明，在粉碎過程中引起的物理化學(xué)變化，主要有如下四個方面：

（1）有些物質(zhì)，隨著粒徑的減小，引起表面能增加。這是由于外力所作的功，增加了粉體表面積，即增加了表面能。

（2）有些物質(zhì)，隨粒徑的減小，粉碎面上的表面能下降。對于離子晶體和金屬，它的表面結(jié)構(gòu)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，表面層的陰離子要向外偏移，陽離子則向內(nèi)偏移。這是因為陰離子的半徑大、易分級而形成電偶極子，偶極子的正電荷受鄰接于內(nèi)部的陽離子的排斥作用；相反，陽離子則幾乎不分級。因此，無機物的晶體和分子同時受靜電力和分級力的作用。

當(dāng)晶體受單純的劈裂作用生成新斷面時，其表面的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)在很大程度上受到表面離子的性質(zhì)大小、荷電量和分級性的影響。通常將作用于固體斷裂表面的顆粒（離子、原子）上，并朝向空間一側(cè)的凝聚力稱為表面力。此時，表面能將隨下述過程產(chǎn)生的表面結(jié)構(gòu)的變化而降低如表面離子的分級；表面上分級性大的離子數(shù)增加而分級性小的離子數(shù)減少；分級性大的離子由表面外移，分級性小的離子內(nèi)移。

（3）受機械應(yīng)力與周圍環(huán)境的影響，引起表面性質(zhì)的變化。 在空氣中，被粉碎的物料顆粒表面形成無定形膜或氧化膜。在濕式磨礦中，情況就比較復(fù)雜，如黃鐵礦在不同的pH值礦漿中細(xì)磨，其表面成分就顯著不同：當(dāng)pH=9時，表面不是硫化礦物表面，而是氫氧化物層；當(dāng)pH=3時，表面為黃鐵礦表面。

（4）在機械力作用下，引起結(jié)晶構(gòu)造的轉(zhuǎn)變。 最典型的代表是黃色氧化鉛在球磨機內(nèi)磨碎時，生成了赤色氧化鉛。

目前，粉碎物理化學(xué)的研究，除對上述機械化學(xué)反應(yīng)方面的研究外，對于粉碎界則著重于下列三個方面：

（1）物料可碎性的調(diào)節(jié)。為了突破各種粉碎設(shè)備的粉碎實際粒度極限，使產(chǎn)品接近粉碎的相對粒度極限，進一步降低粉碎能耗而開展助磨劑的研究；為了改善后續(xù)的加工工藝而開展選擇性粉碎的研究等。

（2）粉碎對物料可選性的調(diào)節(jié)。主要是改善粉碎過程所造成的物理化學(xué)環(huán)境對礦物表面性質(zhì)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響，從而有利于分選、分離、浸取、萃取等。

（3）為節(jié)約鋼耗開展的介質(zhì)磨損速率的調(diào)節(jié)研究。

粉碎工藝學(xué)

粉碎工藝學(xué)的范圍較廣，本書只就近年來有關(guān)節(jié)能新工藝的情況，作一簡介。節(jié)能新工藝的基本原則是“多碎少磨”和“以碎代磨”。從表1-3可以清楚地得知：破碎的能耗低于研磨的能耗，破碎的能量利用率高于研磨的能量利用率。

1.為了降低破碎產(chǎn)品的粒度應(yīng)采取的主要措施

（1）選用合適的破碎腔幾何形狀和運轉(zhuǎn)參數(shù)。進一步改進破碎機的結(jié)構(gòu)；研制以料層粉碎理論為基礎(chǔ)的新型破碎機，重點是研制超細(xì)破碎機，進行第三段破碎的更新?lián)Q代。

（2）強化預(yù)先篩分，尤其是強化中碎前的預(yù)先篩分，推廣新三段閉路流程；選擇合理的碎礦工藝，在破碎段加入選礦作業(yè)，早丟多丟廢石和排出尾礦。

（3）調(diào)整各段破碎比，充分發(fā)揮各破碎段設(shè)備的負(fù)荷潛力，尤其是適當(dāng)增大粗、中碎破碎比，減輕第三段破碎機負(fù)荷。

2.改進和強化磨碎過程

（1）改進磨礦設(shè)備，研制新型效率高節(jié)能磨機，重點是對磨腔內(nèi)元件（如襯板、介質(zhì)）、工作參數(shù)和傳動系統(tǒng)方面進行改進。

（2）合理使用自磨機和自磨工藝；提高與磨機配套使用的篩分、分級的分級效率，改進分級工藝；研究來源廣、效率高、廉價和減少污染的助磨劑，人工調(diào)節(jié)物料的可磨性。

（3）依據(jù)斷裂力學(xué)的理論，采用礦石預(yù)損傷手段，增加礦石顆粒中裂紋，改善礦石的可磨性；提高磨礦過程的自動控制水平。

3.破碎的新工藝

常用的破碎工藝主要有一段、兩段和三段破碎流程，可以是開路，也可以是閉路。一段破碎流程，一般使用顎式破碎機，為自磨機提供合理組成的礦石。兩段破碎流程的構(gòu)成，近年來有許多改進，出現(xiàn)了多樣化的勢頭。主要工藝流程有：

（1）顎式破碎機一圓錐破碎機：產(chǎn)品細(xì)度<1smm。

（2）顎式破碎機一旋盤式破碎機：產(chǎn)品粒度<10mm~12mm。

（3）顎式破碎機一錘式破碎機：產(chǎn)品粒度<12mm。

（4）顎式破碎機一細(xì)碎顎式破碎機：產(chǎn)品粒度<15mm。

（5）細(xì)碎顎式破碎機一高壓輥磨機：產(chǎn)品粒度<5mm。

對于兩段破碎流程，目前的趨勢是使用顎式破碎機——細(xì)碎顎式破碎機，產(chǎn)品較細(xì)，生產(chǎn)率較大，能耗較低。但第五種流程更有前途，目前的問題是細(xì)碎顎式破碎機開路工作時，產(chǎn)品較粗，閉路時流程復(fù)雜因為500mm——120mm高壓輥磨機的給料粒度<22mm，與細(xì)碎顎式破碎機開路聯(lián)接尚有些困難。再者細(xì)碎顎式破碎機給料粒度有限制，若采礦粒度稍大，就需在前面增加一段普通顎式破碎機。

三段破碎流程的前景是用高壓輥磨機代細(xì)碎圓錐破碎機，這樣才能確保破碎最終粒度小于5mm。目前主要是在中碎前的預(yù)先篩分上進行研究，出現(xiàn)了三種新三段閉路流程。

4.磨礦的新工藝

球磨工藝的發(fā)展不大，前段時間主要是大型化，用篩分和水力旋流器更替螺旋分級機，采用篩分分級在我國取得了很大進展。水力旋流器使用進展較慢，主要是耐磨材料問題。

磨礦工藝流程取得新進展是高壓輥磨機配套的磨礦工藝。因為該工藝可降低磨礦能耗20%以上，提高磨機生產(chǎn)能力50%～100%。目前已出現(xiàn)四種類型的工藝流程，即預(yù)磨流程、終磨流程、半終磨流程和混合磨流程。

粉碎機理研究的范圍和內(nèi)容，除上述簡介的幾個方面外，當(dāng)然還有一個重要的方面，即粉碎機械學(xué)。這方面包括粉碎機械的結(jié)構(gòu)、工作原理、結(jié)構(gòu)參數(shù)、影響因素等諸方面。