摘 要：本文介紹了球磨機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及工作原理，詳細(xì)論述了陶瓷原料的粉碎理論及其球磨細(xì)碎機(jī)理。實(shí)踐證明，陶瓷原料經(jīng)球磨粉碎后易獲得物理化學(xué)性能一致的陶瓷漿料或釉料，并可獲得高質(zhì)量的陶瓷制品。

關(guān)鍵詞：球磨機(jī)；粉碎理論；球磨細(xì)碎機(jī)理

1 前 言

陶瓷原料經(jīng)球磨機(jī)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(jī)械性能一致。因此，球磨機(jī)是陶瓷工業(yè)原料（坯料及釉料等）粉碎及混合的重要設(shè)備。球磨機(jī)缺點(diǎn)為功率消耗大、效率較低，其有用功僅占球磨機(jī)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(jī)械碰撞、筒體軸承及傳動裝置的機(jī)械摩擦阻力等方面，并最終轉(zhuǎn)變成熱能或（和）聲能而浪費(fèi)掉。隨著燃油價(jià)格的飚升、能源危機(jī)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(xì)碎效率，降低生產(chǎn)成本，贏得更大的市場份額，是陶瓷科技工作者及陶瓷生產(chǎn)企業(yè)共同關(guān)注的問題。因此，積極研究和探討陶瓷原料的球磨細(xì)碎機(jī)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(jīng)濟(jì)效益及陶瓷工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展等具有深遠(yuǎn)而重要的意義。

2 球磨機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及工作原理

球磨機(jī)具有一個(gè)水平放置的鋼質(zhì)圓柱薄壁殼體（簡稱筒體），見圖1所示。在電動機(jī)及傳動裝置（包括：液力偶合器、圓柱齒輪減速器、聯(lián)軸器及三角膠帶等）的作用下，驅(qū)動筒體以適宜的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。因此，筒體內(nèi)的物料和研磨體（俗稱球石）等在筒體內(nèi)襯（保護(hù)鋼質(zhì)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(jīng)多次反復(fù)作用后，獲得物理化學(xué)性能一致的陶瓷漿料或釉料，最后獲得高質(zhì)量的陶瓷制品。

3 粉碎理論

陶瓷原料的球磨細(xì)碎過程是一個(gè)復(fù)雜的物料尺寸的變化過程，它與許多因素有關(guān)，其主要影響因素大致是：物料的強(qiáng)度、硬度、韌性、形狀、尺寸、濕度、溫度、密度、均質(zhì)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(fù)雜化，但最終必然是外力對物料做功，克服物料質(zhì)點(diǎn)的內(nèi)聚力后才會迫使物料破碎。內(nèi)聚力大致可以分為兩類：一類是晶體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)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(zhì)，但其數(shù)值卻不同，前者比后者大很多倍。內(nèi)聚力的大小通常取決與物料塊中晶體本身的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)，也與結(jié)構(gòu)中存在的缺陷及其數(shù)量多少等有關(guān)，這些缺陷最終表現(xiàn)為宏觀和微觀的損傷性裂縫，并且削弱了晶體之間的聯(lián)系。根據(jù)晶體的構(gòu)造和質(zhì)點(diǎn)之間的作用力的性質(zhì)，可從理論上估算出晶體之間的內(nèi)聚力數(shù)值的大致范圍。至于晶體間內(nèi)聚力數(shù)值大小，以及所有降低物料堅(jiān)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(nèi)聚力的大小對同一物料也是變化的。

3.1 強(qiáng)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(chǎn)過程中的產(chǎn)物，它們內(nèi)部本身就存在著許多局部薄弱面（如：不均質(zhì)性的解理面、微細(xì)裂紋等）。在外力的作用下，這些局部薄弱面的周圍勢必產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)外力增加時(shí)，應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸加劇，迫使物料解理的加劇直至裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致陶瓷原料破碎成為細(xì)粒——球磨細(xì)碎的產(chǎn)物。事實(shí)上，物料的強(qiáng)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(qiáng)度值就越大。因?yàn)槲锪狭６仍酱?，缺陷就越多，不均質(zhì)性也越大，所以，其強(qiáng)度就越低。同時(shí)，物料中的各組成部分對強(qiáng)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(jī)械強(qiáng)度。

3.2 能耗理論

陶瓷原料的球磨細(xì)碎過程其實(shí)就是克服各質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)聚力的作用，迫使物料變細(xì)（顆粒粒徑的減?。┑倪^程是外力做功的結(jié)果。陶瓷原料的球磨細(xì)碎粒度與能量消耗之間究竟存在著什么樣的關(guān)系呢？這一直是球磨粉碎理論研究的核心。100多年來，許多學(xué)者根據(jù)自己的工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出一些適用價(jià)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(rèn)為是由大球形物料變?yōu)樾∏蛐挝锪系纳a(chǎn)過程，因此物料在粉碎過程的能量消耗應(yīng)與物料表面積的增加成正比，可用數(shù)學(xué)式表示為：

KS——系數(shù)，與物料的性質(zhì)、形狀、強(qiáng)度和密度等相關(guān)，通常由實(shí)驗(yàn)確定。

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，表面積“假說”理論實(shí)用于0.01～1mm粒徑的產(chǎn)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(rèn)為是由一個(gè)大圓柱體物料受到擠壓力的作用，在其內(nèi)部引起應(yīng)力并產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到極限時(shí)，迫使物料破壞，導(dǎo)致大圓柱體物料粉碎成為形狀相似的小圓柱體物料，同時(shí)每次的粉碎比都相同。因此，物料粉碎所消耗的能量應(yīng)與物料的體積或質(zhì)量的減小成正比，利用數(shù)學(xué)式可表示為：

Kv——系數(shù)，與物料的性質(zhì)、形狀、強(qiáng)度和密度等相關(guān)，通常由實(shí)驗(yàn)確定。

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，體積“假說”理論實(shí)用于大于10mm粒徑產(chǎn)品，可估算出粉碎過程的能耗。因此，它實(shí)用于陶瓷原料（硬質(zhì)料）的破碎——顎式破碎機(jī)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(rèn)為是由一個(gè)大立方體物料在受壓的情況下，積累一定的能量后產(chǎn)生了裂紋，由于裂紋的擴(kuò)展，縱橫交錯(cuò)，導(dǎo)致大立方體物料轉(zhuǎn)變成一堆大小相同的小立方體物料，多次反復(fù)作用后才被粉碎。因此，物料粉碎所消耗的能量應(yīng)與立方體的邊長——顆粒平均粒徑的平方根成反比，利用數(shù)學(xué)式可表示為：

KC——系數(shù)，與物料的性質(zhì)、形狀、強(qiáng)度和密度等相關(guān)，通常由實(shí)驗(yàn)確定。

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，裂紋“假說”理論實(shí)用于1～10mm粒徑產(chǎn)品，可估算出粉碎過程的能耗。因此，它實(shí)用于陶瓷原料的中碎——輪碾機(jī)的能耗估算。采用輪碾機(jī)濕法粉碎陶瓷原料時(shí)，易糊篩而影響破碎效率；采用輪碾機(jī)干法粉碎陶瓷原料時(shí)，粉塵飛揚(yáng)、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(jī)粉碎陶瓷原料這一工序，而是將陶瓷原料（硬質(zhì)料粒徑約10mm）直接投入球磨機(jī)球磨細(xì)碎制成陶瓷泥漿。表面積“假說”理論和裂紋“假說”理論都實(shí)用于球磨機(jī)的能耗估算。

3.3 機(jī)械化學(xué)理論

粉碎過程的機(jī)械化學(xué)理論是指物料粉碎過程中的機(jī)械運(yùn)動能量與化學(xué)能量是相互轉(zhuǎn)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(jī)械力的作用后，其內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生不規(guī)則變化和多相晶型轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致物料晶格缺陷的產(chǎn)生、比表面積的增大以及表面活化能的增加等；與此同時(shí)，物料的熱力學(xué)性質(zhì)、結(jié)晶學(xué)性質(zhì)、物理化學(xué)性質(zhì)等都會發(fā)生規(guī)律性的變化。機(jī)械粉碎其實(shí)就是采用機(jī)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(shí)，物料自身的晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、物理化學(xué)性質(zhì)等都會發(fā)生機(jī)械化學(xué)變化。而這些機(jī)械化學(xué)變化并非在所有的粉碎作業(yè)中都能顯著存在，它與機(jī)械力的施加方式、粉碎時(shí)間、粉碎環(huán)境以及被粉碎物料的種類、粒度、物理化學(xué)性質(zhì)等密切相關(guān)。

4 球磨細(xì)碎機(jī)理

陶瓷原料在球磨機(jī)中被球磨細(xì)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(jié)果。但陶瓷原料的球磨細(xì)碎過程非常復(fù)雜，若以單一物料顆粒作為研究對象，那么在球磨細(xì)碎過程中，它可能反復(fù)地受到?jīng)_擊碰撞應(yīng)力和研磨擠壓應(yīng)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(kuò)張，從而迫使物料產(chǎn)生塑性變形或者破碎。當(dāng)該物料顆粒不斷地被球磨細(xì)碎時(shí)，產(chǎn)生的某一級新顆粒便難以進(jìn)一步磨細(xì)，主要原因是新生成的物料顆粒表面上的裂紋較微細(xì)，并且迫使這一微細(xì)裂紋的擴(kuò)張所需的最小破碎應(yīng)力急劇增大的緣故。即使球磨細(xì)碎陶瓷原料所需的最終破碎應(yīng)力可能會增大到迫使顆粒產(chǎn)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(xì)碎——已經(jīng)磨得太細(xì)。由此可見，陶瓷原料的球磨細(xì)碎過程中存在一細(xì)度極限值。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：若陶瓷原料的球磨細(xì)度超過某一極限值時(shí)，球磨機(jī)對物料的球磨細(xì)碎作用就較困難。

陶瓷原料的球磨細(xì)度極限值主要取決于球磨細(xì)碎產(chǎn)物重新團(tuán)聚的傾向以及團(tuán)聚與破碎之間所建立的動態(tài)平衡。若過長地延長球磨時(shí)間，對研磨細(xì)碎物料而言也是徒勞的，只會白白地浪費(fèi)能源。這是因?yàn)檫^細(xì)的物料顆粒不能有效地儲存迫使裂紋擴(kuò)張所需的彈性變形能。由于陶瓷原料的球磨細(xì)碎過程比上述單一顆粒物料球磨細(xì)碎過程更復(fù)雜，它是眾多單一顆粒物料共同球磨細(xì)碎的復(fù)合體，并且物料顆粒表面上的裂紋擴(kuò)張與新裂紋的出現(xiàn)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(jī)內(nèi)襯之間的作用以及球磨細(xì)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(xì)碎。（下轉(zhuǎn)第31頁）

陶瓷原料在受外力作用而被球磨細(xì)碎之前，通常是首先產(chǎn)生彈性變形。當(dāng)變形達(dá)到一定值時(shí)，陶瓷原料的缺陷處重新彌合，并產(chǎn)生“加工硬化”和應(yīng)力增大的現(xiàn)象。當(dāng)外力繼續(xù)作用時(shí)，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(yīng)力壓裂（或拉裂）和剪應(yīng)力作用下產(chǎn)生滑動的撕裂，這就是陶瓷原料的球磨細(xì)碎機(jī)理。

5 結(jié) 語

陶瓷原料經(jīng)球磨機(jī)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(xì)度超過某一極限值時(shí)，球磨機(jī)對物料的球磨細(xì)碎作用就較困難。實(shí)踐證明，陶瓷原料經(jīng)球磨粉碎后易獲得物理化學(xué)性能一致的陶瓷漿料或釉料，并可獲得高質(zhì)量的陶瓷制品。

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