第二章　破碎與篩分

一、基本概念

1.什么是破碎？

破碎是指在外力作用下使大塊物料變成小塊物料的過程。它是用外力（包括人力、機械力、電力、化學能、原子能或其他方法等）施加于被破碎的物料上，克服物料分子間的內聚力，使大塊物料分裂成若干小塊的過程。

2.破碎作業的作用是什么？

礦石的粉碎，就是大塊的礦石或者待處理的礦石，借助于外力的作用，克服其內部分子間力而破碎，使礦塊粒度逐漸縮小的過程。在選礦工藝過程中，礦石粉碎通常分為破碎（粗粒階段）和磨礦（細粒階段）兩大階段。

在選礦廠中，礦石的粉碎是選別作業之前必不可少的物料準備階段。首先，選礦廠處理的礦石絕大多數都是有用礦物和脈石礦物緊密連生在一起，且常常成細粒乃至為細粒嵌布。只有將它們粉碎，充分解離出來，才能用現有的物理選礦方法將它們富集。其次，一切物理選礦方法都受到粒度的限制，粒度過粗（有用礦物與脈石未實現解離）或粒度過細（即過粉碎）都不能進行有效分選。在選礦廠各環節中，礦石粉碎又是費用最高的過程，是構成選礦廠投資和生產成本的重要部分。因此，礦石粉碎作業的基本任務是為選別作業提供適宜入選物料，破碎過程工作好壞，直接影響選礦的技術和經濟指標。

3.破碎作業的分類有哪些？

破碎作業按其在選礦（煤）工藝中的作用不同可分為：準備破碎（分選前）；最終破碎（分選后）。

破碎作業按破碎產物的粒度不同分為：粗碎、中碎、細碎與粉碎，見表2-1。

破碎作業按其所消耗的能量形式不同分為：機械能破碎，即用機械力破碎物料；非機械能破碎，即應用電能、熱能等進行破碎。選礦廠和選煤廠主要是采用機械能破碎。機械能破碎有五種基本方式（圖2-1）。

（1）擠壓破碎［圖2-1（a）］　物料在兩個工作面之間受到緩慢增大的壓力作用而破碎。這種方法大多用于脆性、堅硬物料的粗碎。

（2）劈裂破碎［圖2-1（b）］　用一個尖棱（或平面）和一個帶有尖棱的工作表面擠壓礦石時，礦石將沿壓力作用線的方向劈裂。劈裂的原因是由于劈裂平面上的拉應力達到或超過礦石拉伸強度極限。由于礦石的拉伸強度極限比抗壓強度極限小很多，因此，在其他條件相同情況下，劈裂破碎比擠壓破碎所需的壓力小。

（3）折斷破碎［圖2-1（c）］　礦石受彎曲作用而破碎。被破碎的礦石被視為承受集中載荷的兩支點梁或多支點梁。當礦石內的彎曲應力達到礦石的彎曲強度時，礦石即被折斷。

（4）研磨破碎［圖2-1（d）］　礦石與運動的工作面之間存在相對運動而受一定的壓力和剪切力作用。當剪切應力達到礦石的剪切強度時，礦石即被粉碎。研磨破碎多產生細粒，效率低、能量消耗大。這種方法多用于小塊物料的細磨。

（5）沖擊破碎［圖2-1（e）］　物料受到足夠大的瞬時沖擊力而破碎，其破碎效率高、破碎比大、能量消耗少。這種方法主要用于脆性物料的破碎。

實際上，任何一種破碎機和磨礦機都不能只用前面所列舉的某一種方法進行破碎，一般都是由兩種或兩種以上的破碎方式聯合起來進行破碎的，例如壓碎和折斷，沖擊和磨碎等。破碎機的結構應保證實現上述破碎方式。每一種破碎機，一般都有其主要的破碎方式。齒輥破碎機以劈裂破碎為主，但在連續破碎時，由于物料在破碎空間排列的隨機性，物料受力是很復雜的，常常是幾種破碎方式并存。

4.除機械破碎法外，還有哪些破碎方法？

除傳統的機械破碎法外，目前研究的破碎方法大致如下：

（1）電熱照射法破碎　它的破碎原理是，巖礦在高頻電磁場的作用下，易于吸收電磁能的礦物急劇受熱，其他礦物僅靠熱傳導得到熱量。受熱速度不同使礦物間產生溫度應力，從而使原礦的強度降低1/2～3/4。

（2）液電效應破碎　在液體內部進行高壓和瞬時脈沖放電，放電區域內產生極高壓力，可以將物體破碎，此種效應叫液電效應。此方法曾用于大塊礦石的破碎試驗，在65kV的放電電路內，破碎花崗巖及石英等不合格大塊，1m3的能量消耗約為0.05～0.15kW·h。

（3）超聲波粉碎法　美國尤他大學研究表明，超聲波粉碎原理是在破碎過程中施加一定的超聲波，使礦粒產生共振，直接吸收超聲波的能量，誘發裂紋。這種誘發的裂紋，對顆粒的破碎十分有效，能產生快速破碎及節能效果。

（4）熱力破碎法　實際是熱與機械力相結合，用熱處理的方法使礦石變弱，然后用機械破碎它，從而提高破碎效果。如果加熱后又突然浸入水中水冷，會在礦塊中產生應力，降低礦石強度，從而改善礦石可磨性。

（5）高壓水射流粉碎法　原理是把現行的擠壓粉碎原理改為顆粒內裂紋的應力擴張破碎。利用射流高壓水的壓力從顆粒內部使內裂紋擴張而導致顆粒破碎。

但上述這些研究大多屬于初期研究，而且成本高，或者只適用于少量物料的粉碎。近來一些研究在現有的破碎機械上附加振動也取得好的效果，但還屬機械破碎法范圍。

5.選礦中的段是如何劃分的？

現有破碎設備不可能一次將采出的巨大礦塊破碎到可以進入磨礦的細粒，所以分段破碎是必需的。分粗碎、中碎、細碎三段破碎，根據礦塊大小，常采用三段破碎或兩段破碎，將礦塊破碎至所需粒度。選礦中的段是按所處理的礦料的粒度來劃分的。

6.影響礦石破碎難易程度的主要因素是什么？

（1）礦石的結構特性　是指礦物在礦石中的結晶程度、礦物顆粒的形狀、大小和相互結合關系，不同礦物集合體之間的結合力比同種礦物內部的結合力要小；在同樣的礦物集合體內，晶體面上的結合力比晶體內部的要小。礦物晶格間的作用力越大，硬度就越大，也就越難破碎。

（2）礦石的結晶形態　礦石或礦物的結構具有某些缺陷、裂隙時，往往首先易在該部位破裂。

（3）硬度　它是指礦石抵抗其他物質壓入或刻畫的能力，是影響礦石破碎難易程度最主要的因素。

（4）粒度　隨著物料粒度的減小，以上提到的引起礦物強度降低的因素也減少，故細粒級礦粒的強度較高，承載的抗壓強度大，也就是礦粒愈細愈難磨碎。

（5）物料的脆性　破裂前無變形或變形很小的物料叫脆性物料；破碎時先變形而后碎裂的物料叫塑性物料。

（6）破碎的方法　礦石的抗壓強度最大，抗彎強度次之，抗磨強度再次之，抗拉強度最小。針對礦石這一機械強度特點，實施恰當的破碎方法，可以使破碎更加有效。對于硬物料應采用折斷配合沖擊來破碎，若采用磨碎，機器將遭嚴重磨損；對煤這樣的脆性軟物料，則以劈裂與沖擊較為合適，若采用磨碎，將產生過多粉煤，給選煤工藝帶來困難。沖擊破碎主要以動載荷進行破碎，效果比用靜載荷好。破碎機工作時，工作面也以動載荷形式作用于礦物，具有一定的沖擊效果。在載荷超過疲勞極限的條件下。反復沖擊物料可以減小破碎時所需要的應力，因此，高頻沖擊破碎有較好的效果，功耗低，破碎比高，過粉碎小。

總之，掌握了物料性質與破碎方式相適應的規律，對金屬礦石、化工原料和煤等的破碎，都可正確選擇所需的破碎設備。

7.什么是可碎性系數？

可碎性系數是用來定量考查巖礦機械強度對破碎或磨礦的影響指標，反映礦石破碎或磨礦的難易程度。其表示方法如下：

式中　ε——物料的可碎性系數或可磨性系數；

Q0——某破碎機破碎中硬礦石的處理能力；

Q1——同一破碎機在同樣條件下破碎指定礦石的處理能力。

中硬礦石通常用石英代表，其可碎性系數為1。若礦石硬度大，則可碎性系數與可磨性系數小于1，表示破碎機或磨礦機對其處理能力小于對中硬礦石的處理能力；反之，礦石硬度小，可碎性系數與可磨性系數大于1，破碎機對其處理能力則較大。選礦上常用礦石的極限抗壓強度σb、普氏硬度系數f（σb/10）、可碎性系數及可磨性系數表示礦石的硬度，如表2-2所示。

8.什么是破碎比？它有幾種表示法？

破碎比是指在破碎過程中入料粒度與產物粒度的比值。它表征了物料破碎的程度。破碎的能量消耗和處理能力均與破碎比有關。

（1）最大破碎比　最大塊粒度之比。

式中　Dmax——入料最大顆粒直徑，mm；

dmax——產物最大顆粒直徑，mm。

由于各國的習慣不同，最大粒度取值方法不同。英美以物料80％能通過篩孔的篩孔寬度為最大粒度直徑，我國和前蘇聯以物料的95％能通過篩孔的篩孔寬度為最大粒度的直徑。我國在選礦廠設計中常采用這種計算方法，因為設計時要根據給礦最大粒度來確定破碎機給礦口寬度。

（2）公稱破碎比　破碎機給、排礦口尺寸之比。

式中　0.85B——給礦口有效寬度，mm；

S——排礦口寬度，mm。

0.85是保證破碎機咬住物料的有效寬度系數。排料口寬度的取值，粗破碎機取最大排料口寬度；中破碎機取最小排料口寬度。

由于此法不需將大批物料做篩分分析，而僅僅知道破碎機給礦口和排礦口寬度便可進行近似計算，簡單迅速，故在生產中廣為采用，以便大致了解破碎機負荷情況。

（3）平均破碎比　平均粒度之比。

式中　Dp——入料的加權平均直徑，mm；

dp——產物的加權平均直徑，mm。

由于破碎前后的物料都是大小不一、形狀各異的混合物料，是由若干粒級組成，只有用平均粒度才能更好地代表它們。因此，用平均粒度計算出的破碎比，才能較真實地反映破碎的程度，故多在理論研究中采用。

9.破碎效果的評定方法有哪些？

在選煤廠和選礦廠中，無論哪一種破碎作業都應該滿足以下兩方面要求：

（1）破碎產品達到規定粒度，或排料中大于規定粒度的礦石盡可能少。

（2）盡量避免過粉碎，即排料中過細的礦粒含量要小。

破碎效果的評定方法采用破碎效率為主要指標，細粒增量為輔助指標，綜合評定破碎機的破碎效果。破碎效率按下式計算：

式中　ηp——破碎效率（有效數字取到小數點后第一位），％；

β-d——排料中小于要求破碎粒度d的含量，％；

α+d——入料中大于要求破碎粒度d的含量，％；

α-d——入料中小于要求破碎粒度d的含量，％。

細粒增量按下式計算：

Δ=β-d-α-d

式中　Δ——細粒增量（有效數字取到小數點后第一位），％；

β-d——排料中的細粒含量，％；

α-d——入料中的細粒含量，％。

10.什么是篩分？

篩分是指碎散物料通過一層或數層篩面被分成不同粒級的過程。在實驗室或試驗場地為完成粒度分析而進行的篩分稱為試驗篩分，在工廠或礦場為完成生產任務而進行的篩分稱為工業篩分。

11.什么是篩上產物和篩下產物？

篩分原料給到篩分機械（簡稱篩子）上以后，小于篩孔尺寸的物料透過篩孔，稱為篩下產物；大于篩孔尺寸的物料從篩面上不斷排出，稱為篩上產物。

12.篩分適用于什么粒度范圍的分級？

一般較粗的物料（大于0.25mm）應用篩分設備進行分級。

13.什么是礦粒的粒度？

描述單一顆粒大小的尺寸稱為粒度。

14.單顆礦粒粒度怎么表示？

球形或立方體顆粒的粒度即為直徑或邊長；對于外形不規則的顆粒，其粒度以三維尺寸（長a、寬b、厚c）的算術平均值d=（a+b+c）/3或幾何平均值d=3abc表示。

15.什么是粒級？

用某種方法（如篩分）將粒度范圍寬的物料群分離成若干個粒度范圍窄的級別，這些級別稱為粒級。

16.什么是粒度組成？

各個粒級按粗、細不同順序排列，并指明各粒級占物料群總量的質量分數，稱為粒度組成。它描述物料群的粒度分布情況。

17.粒度分析方法有哪幾種？

粒度分析是一種技術操作，它的任務是測定碎散物料的粒度特性。粒度分析方法有多種，選礦工程中常用的有以下三種：

（1）篩分分析法　此法是利用篩孔大小不同的一系列篩子對散料篩分，n層篩子可把物料分成n+1個粒級，各粒級的上、下限粒度通常就取相應篩子的篩孔尺寸。篩分分析法廣泛用于測定0.04～100mm散粒的粒度組成，更大粒度的物料也可編制更大篩孔的篩子，但對于小粒度的物料，一是制作相應篩孔的篩子較困難，二是很難篩得充分。一般干篩的分級粒度最小至0.1mm。0.04～0.1mm的物料須用濕篩。篩分分析法的特點是設備簡單，易于操作，但篩析結果受顆粒形狀和篩分時間的影響較大。

（2）水力沉降分析法　此法是利用水力分析裝置，根據不同粒度的顆粒在水介質中沉降速度不同而分成若干粒級。該法適用于測定1～75μm細粒物料的粒度組成，其特點是不像篩分分析法那樣嚴格按顆粒幾何尺寸分級，而是按沉降速度分級。因水力沉降過程受顆粒密度和形狀的影響，密度大的小顆粒與密度小的大顆粒有可能進入同一個粒級。

（3）顯微鏡分析法　此法是利用顯微鏡觀察微細顆粒的大小和形狀，適用于0.1～50μm的物料，可檢查分選產品或校正水力沉降分析結果，也可研究礦石的結構。其主要特點是直觀。

在選礦生產和選礦研究中，應用最廣泛的是篩分分析法。

18.何謂標準篩？

標準篩是一套篩孔尺寸大小有一定比例、篩孔邊長及篩絲直徑均按有關標準制造的篩子。使用時將各個篩子按篩孔大小從上至下順序疊放，上層篩孔大，下層篩孔小。各篩子所處的層位次序稱為篩序；每兩個相鄰篩子篩孔尺寸的比值稱為篩比。有的標準篩確定一系列篩子中的某個篩子作為基準篩，簡稱基篩。標準篩都有篩底和篩蓋，分別用以收集篩下產品和防止物料濺失。

19.泰勒篩的基篩篩孔是多少？

泰勒篩的基篩篩孔是0.074mm。

20.什么是基本篩比和輔助篩比？

由于各國采用的標準不同，所以有各種各樣的標準篩，按篩比不同可大致將它們分為兩類：一類的篩比是，美國、英國、加拿大等國采用；另一類的篩比是，法國、前蘇聯等采用。和稱為基本篩比。為了得到粒度范圍更窄的級別，還規定了輔助篩比，如、等。

21.篩分作業如何分類？

篩分是利用破碎機篩板把粒度范圍較寬的物料按粒度分為若干個級別的作業。分級是根據物料在介質（水或空氣）中沉降速度的不同而分成不同的粒級的作業。篩分一般用于較粗的物料，即大于0.25mm的物料。較細的物料，即小于0.2mm的物料用分級。近幾年來，國內外正在用細篩對磨礦產品進行分級，這種分級效率一般都比較高。

根據篩分的目的不同，篩分作業可以分為六類。

（1）獨立篩分　其目的是得到適合于用戶要求的最終產品。例如，在黑色冶金工業中，常把含鐵較高的富鐵礦篩分成不同的粒級，合格的大塊鐵礦石進入高爐冶煉，粉礦則經團礦或燒結制塊入爐。

（2）輔助篩分　這種篩分主要用在選礦廠的破碎作業中，對廠礦作業起輔助作用。一般又有預先篩分和檢查篩分之別。

預先篩分是指礦石進入破碎機前進行的篩分，用篩子從礦石中分出對于該破碎機而言已經是合格的部分，如粗碎機前安裝的格篩、條篩，其篩下產品可不經粗碎機再碎，這樣就可以減小進入破碎機的礦石量，提高破碎機的處理量。

檢查篩分是指礦石經過破碎之后進行的篩分，其目的是保證最終的破碎產品符合磨礦作業的粒度要求，使不合格的破碎產品返回破碎作業，如中碎、細碎破碎機前的篩分，既起到預先篩分，又起到檢查篩分的作用。所以檢查篩分可以改善破碎設備的利用情況，類似于分級機和磨礦機構成閉路循環工作，以提高磨礦效率。

（3）準備篩分　其目的是為下一作業做準備。如重選廠在跳汰前要把物料進行篩分分級，把粗、中、細不同的產物進行分級跳汰。

（4）選擇性篩分　如果物料中有用成分在各個粒級的分布差別很大，則可以經篩分分級得到質量不同的粒級，把低質量的粒級篩除，從而相應提高物料的品位。如一些鐵精礦再磨的細粒篩分就有選擇性篩分的作用，通過篩分能提高鐵精礦品位。

（5）脫水篩分　脫除物料中水分的篩分。

（6）脫泥篩分　脫除物料中細粒的篩分。

22.篩分作用有哪些？

篩分作用概括起來有分級、脫水、脫泥和脫介。分級是最常用的篩分作用，篩分是按照幾何粒度進行分級，篩分一般用于粗顆粒的分級，不用作細顆粒的分級，細顆粒物料通常用水力分級。

23.什么是“易篩粒”和“難篩粒”？

物料粒度小于篩孔尺寸3/4的顆粒，很容易通過粗粒物料形成的間隙，到達篩面，到篩面后它就很快透過篩孔，這種顆粒稱為“易篩粒”。物料粒度大于篩孔尺寸3/4的顆粒，通過粗粒組成的間隙比較困難，這種顆粒的直徑愈接近篩孔尺寸，它透過篩孔的困難程度就愈大，因此，這種顆粒稱為“難篩粒”。

24.什么是篩析，如何篩析？

確定物料粒度組成的篩分工作稱為篩分分析，簡稱篩析。

粒度大于6mm物料的篩析，采用鋼板沖孔或鐵絲網制成的手篩來進行。其方法是用一套篩孔大小不同的篩子進行篩分，將礦石分成若干粒級，然后分別稱量各粒級質量。如果原礦含泥、含水較高，大量的礦泥和細粒礦石黏附在大塊礦石上面，則應將它們清洗下來，以免影響篩析的精確性。

粒度范圍為6～0.038mm物料的篩析，用實驗室標準套篩進行。如果對篩析的要求不嚴格，通常直接進行干法篩析即可。但如果試樣含水、含泥較多，物料互相黏結時，應采用干濕聯合篩析法，篩析所得到的結果才比較精確。

25.什么是干法篩析和干濕聯合篩析？

干法篩析是先將標準篩按順序套好，把樣品倒入最上層篩面上，蓋好上蓋，放到振篩機上篩分10～30min。然后依次將每層篩子取下，用手在橡皮布上篩分，如果1min內所得篩下物料量小于篩上物料量的1％，則認為已達到終點，否則篩分就應該繼續進行，直到符合上述要求為止。干篩完成后，將篩得的各個粒級分別稱量出質量。

干濕聯合篩析法是先將試樣倒入細孔篩（如200目的篩子）中，在盛水的盆內進行篩分，每隔1～2min，將盆內的水更換一次，直到盆內的水不再渾濁為止。將篩上物料進行干燥和稱重，并根據稱出質量和原樣品質量之差，推算洗出的細泥質量。然后再將干燥后的篩上物料用干法篩析，此時所得最底層篩面的篩下物料量應與濕篩時洗出的細泥量合在一起計算。篩析結束后，將各粒級物料用工業天平（精確度0.01g）稱重，各粒級總質量與原樣品質量之差不得超過原樣品質量的1％，否則應重做。

26.什么是粒度分析曲線？

按篩析結果繪制出的曲線，叫粒度分析曲線。它直觀地反映出被篩析物料中的任何一個粒級的產率與粒級之間的關系。

根據用途的不同，粒度分析曲線有各種不同的繪制方法，一般是以產率為縱坐標，粒度為橫坐標。根據各個級別的產率繪制的曲線，稱為部分粒度分析曲線；根據累積產率繪制的曲線，稱為累積粒度分析曲線。實際上最常用的是累積粒度分析曲線。通常有3種繪圖方法，即算術坐標法、半對數坐標法和全對數坐標法。