Процесс измельчения материалов является весьма сложной операцией и зависит от их однородности, плотности, вязкости, твердости, формы кусков, влажности и т. д.

Процесс измельчения, т.е. разрушения кристаллической решетки сырьевых компонентов на более мелкие части в реальных условиях является очень сложным по совокупности явлений, сопровождающих этот процесс. При работе измельчающего устройства можно наблюдать чисто механические явления (движение корпуса измельчающего устройства, движение самого измельчителя, трение кусков измельченного материала о корпус измельчающего устройства, трение кусков друг о друга и т.п.). Значительное место в этом процессе занимают и физические явления (деформация кристаллической решетки измельчаемых материалов без существенного разрушения ее, выделение тепла и нагрев частиц измельчаемых материалов, деталей измельчающего устройства; эмиссия электронов при разрушении кристаллической решетки). Всегда при этом наблюдаются также химические явления (разрыв связей между структурными элементами кристаллической решетки измельчаемых материалов, т. е. разрушение ее; возбуждение электронов при разрыве связей и возможное взаимодействие твердого тела с молекулами окружающей среды вплоть до образования определенных соединений, т. е. механохимические явления) и физико-химические явления (адсорбция свежеобразовавшимися поверхностями частиц измельчаемого материала молекул газов и поверхностно - активных веществ из окружающей среды, агрегация частиц друг с другом и т.д.).

Поведение твердого тела при приложении к нему силы извне зависит как от способа измельчения, так и от природы сил связи между частицами твердого тела.

Измельчать материалы можно разными способами (рис. I): раздавливанием (а), истиранием (б), изгибом (в), ударом (г).

Рис. 6.1

Решающую роль в затратах энергии на разрушение кристаллической решетки твердого тела играет природа химической связи между структурными элементами решетки, энергия этой связи, тип структуры измельчаемого материала.

При приложении к твердому телу силы извне, если нагрузка небольшая, то происходит незначительная деформация твердого тела, т.е. смещение узлов кристаллической решетки относительно друг друга на расстояние, не превышающее а, где а - кратчайшее расстояние между узлами решетки (рис. 2). При снятии нагрузки решетка вновь восстанавливает свою форму. При этом энергия, затраченная на такую обратимую деформацию, рассеивается в окружающую среду в виде тепла, что приводит к разогреву измельчаемого материала, корпуса измельчающей машины.

Рис. 6.2

Эту энергию теоретически можно оценить, исходя из следующих соображений.

При смещении узлов кристаллической решетки относительно друг друга возникает состояние, близкое к перекрытию электронных оболочек, вследствие чего возникают силы отталкивания, стремящиеся возвратить узлы в первоначальное состояние. Эти силы отталкивания есть не что иное, как силы упругости, которые, как известно, подчиняются закону Р. Гука.

где Fynp - сила упругости; Gм - константа, аналогичная модулю сдвига; х - величина смещения узлов от начального положения при деформации (в данном случае х < а).

Очевидно, работа (энергия), затраченная на обратимую деформацию, будет равна

,

где K1= Gм / 2.

Согласно закону сохранения энергии, работа, затраченная на обратимую деформацию, должна по возвращении решетки в исходное состояние выделиться в окружающую среду в виде теплаQ:

исходный кристалл + Ео.д→ деформированный кристалл → исходный кристалл - Q.

При более сильных воздействиях измельчителя на кристаллическую решетку материала в нем могут возникнуть необратимые деформации - смещение узлов решетки на расстояние а и более (рис. 3). Такие смещения принято называть дислокациями.

Необратимая деформация кристаллической решетки.

Рис.3

Следует отметить, что подобные смещения участков кристалла относительно друг друга характерны в основном для тел, обладающих пластичностью, а таковыми являются преимущественно тела с ненаправленными химическими связями между их структурными элементами (ван-дер-ваальсовыми, металлическими, ионными). Ненаправленность связи относительно легко позволяет слоям решетки как бы «эластично скользить» друг по другу. Жесткие же, направленные (ковалентные) связи обуславливают большую твердость кристаллов и повышенную хрупкость их, что почти исключает появление пластических эффектов при деформации таких кристаллов.

При воздействии сдвигового усилия дислокация перемещается через кристалл и, в конце концов, выходит на его поверхность (рис. 3). При этом на поверхности возникает элементарная ступенька, высота которой соответствует величине т.н. вектора Бюргерса в. Вектор Бюргерса в характеризует величину и направление сдвига атомов в кристаллической решетке. В зависимости от числа передвинувшихся узлов решетки в одной плоскости скольжения возникающая ступень скольжения может быть кратной элементарной ступени, т.е. в=n*а, где n= 1, 2, 3 и т.д. Величина вектора Бюргерса в является, таким образом, количественной мерой дислокации.

Рассуждая аналогично предыдущему случаю, можно показать, что энергия, затрачиваемая на образование дислокации, т.е. собственно перемещения одной части кристалла по отношению к другой, пропорциональна квадрату вектора Бюргерса:

Поскольку такая деформация необратима, энергия дислокации аккумулируется кристаллом, и после воздействия измельчителя на кристалл не выделяется в окружающую среду.

При внешних воздействиях на кристалл, превосходящих предел прочности на сдвиг и сжатие, кристалл раскалывается на две и более частей. Наименьшие усилия для разрушения необходимы по плоскостям спайности, а при больших усилиях возможны раскалывания и по другим плоскостям кристаллической решетки, особенно если эти плоскости имеют различного рода дефекты, возникшие при росте кристаллов.

Разрушение твердого тела происходит всегда не мгновенно, а стадийно, ступенчато. Под воздействием измельчителя в нем сначала возникают поверхностные микротрещины, которые затем от последующих ударов постепенно разрастаются вглубь измельчаемых кусочков вплоть доихразрушения на части.

Влияние среды на процесс измельчения

В реальных условиях процесс измельчения осуществляется в воздушной среде (сухой помол), в жидкой среде (мокрый помол) и окружающая среда оказывает не малое влияние на механизм и скорость процесса измельчения, а также на свойства измельчаемого продукта.

Исключительную роль при помоле играют два важных поверхностных явления - адсорбция и адгезия. Под адсорбцией понимают явление самопроизвольного поглощения поверхностью твердого тела за счет свободной поверхностной энергии молекул газов из окружающей атмосферы или молекул растворенных в жидкой среде соединений. Адсорбция протекает самопроизвольно под действием нескомпенсированных связей узлов кристаллической решетки твердого тела, возникших при образовании новых поверхностей (при разрушении тела).