1 生料粉磨作業的功能和意義
生料粉磨是水泥生產的重要工序,其主要功能在于為熟料煅燒提供性能優良的粉狀生料。對粉磨生料要求:一是要達到規定的顆粒大小(可以細度、比面積等表示);二是不同化學成分的原料顆粒混合均勻;三是粉磨效率高、耗能少、工藝簡單、易于大型化、形成規模化生產能力。由于生料粉磨設備、土建等建設投資高,消耗能量大(一般占水泥綜合電耗的1/4以上),因此采用高新技術,優化生料粉磨工藝,對水泥工業現代化建設有著十分重要的作用和意義。
2 粉磨的基本原理
物料的粉磨是在外力作用下,通過沖擊、擠壓、研磨克服物料晶體內部各質點及晶體之間的內聚力,使大塊物料變成小塊以至細粉的過程。粉磨功一部分用于物料生成新的表面,變成固體的自由表面能;大部分則轉變為熱量散失于空間。
為提高粉磨效率,近百年來許多學者從各個不同角度對粉碎理論進行了研究,提出了不少有價值的學說,在一定程度上近似地反映了粉碎過程的客觀現實。其中,最著名的有三個基本原理:第一粉碎原理即雷廷格的粉碎表面積原理;第二粉碎原理即克爾皮切夫和基克的粉碎容積或重量原理;第三粉碎原理即邦德的粉碎工作指數原理。但是由于破碎和細磨過程本身受著很多因素的影響,而這些因素在不同的具體條件下又有著不同的變化。諸如,物料的性質、形狀、粒度、產品的細度、設備類型、操作方法等。因此,至今都沒有建立完備的理論,更難用一個簡單公式加以全面概括。盡管如此,這些理論仍有重要的指導意義。
2.1 第一粉碎原理——粉碎表面積原
由雷廷格(Rittinger)于1867年提出。他認為: “粉碎物料時所消耗的能量與物料新生成的表面積成正比。”其物理基礎是,認為組成任何純脆性的晶體物質的質點之間,具有恒定的分子吸引力。因此,從熱力學觀點來看,粉碎所消耗的能量與物質揮發時所需的總能量有關,亦即與用來拆開分子間的引力,產生新的表面所需的能量有關。并推證出表面積原理的普遍公式:
2.2 第二粉碎原理——粉碎容積或重量原理[31)
克爾皮切·夫(B·Ⅱ·KupnHqen)及基克(F.Kick)分別于1874年及1885年提出了這一原理,他們認為:在相同技術條件下,將幾何形狀相似之物料粉碎成形狀亦相似的成品時,消耗的能量與其容積或重量成正比。
克爾皮切夫推導出容積原理的普遍公式為:
分析以上兩個原理可知,兩者從不同的基本觀點出發,在對物料粉碎規律的認識上,似乎有著本質的差別。加亡兩者的計算結果,都不能全面地與實際相符,相差很大,故幾十年來一直有著爭論。
1941年列賓捷爾提出了統一這兩種學說的看法,認為當破碎物料時,由于物料塊的尺寸較大,粉碎比較小,表面積增加不多,因此消耗在新生表面能的能量遠小于使物料變形所需的能量,故變形功的影響較大;反之,當細磨物料時,由于新生表面積很大,故以表面積增加所消耗的能量為主。許多科學家進行的試驗和實際經驗也證明,兩種學說雖然都不能完全符合實際,但用于物料破碎時,容積學說較為接近實際,而用于細磨時,表面積學說則較為接近實際。
4.2.3 第三粉碎原理——邦德粉磨工作指數原理131)
該原理由邦德(P,C.Bond)于1952年提出,它是介于表面積學說與容積學說之間的第三學說。可論述為:粉碎物料所需的有效功與生成的碎粒直徑的平方根成反比。在原始物料粒度為無限大,成品碎粒直徑為P時,其表達式為: