第二章　破碎与筛分

一、基本概念

1.什么是破碎？

破碎是指在外力作用下使大块物料变成小块物料的过程。它是用外力（包括人力、机械力、电力、化学能、原子能或其他方法等）施加于被破碎的物料上，克服物料分子间的内聚力，使大块物料分裂成若干小块的过程。

2.破碎作业的作用是什么？

矿石的粉碎，就是大块的矿石或者待处理的矿石，借助于外力的作用，克服其内部分子间力而破碎，使矿块粒度逐渐缩小的过程。在选矿工艺过程中，矿石粉碎通常分为破碎（粗粒阶段）和磨矿（细粒阶段）两大阶段。

在选矿厂中，矿石的粉碎是选别作业之前必不可少的物料准备阶段。首先，选矿厂处理的矿石绝大多数都是有用矿物和脉石矿物紧密连生在一起，且常常成细粒乃至为细粒嵌布。只有将它们粉碎，充分解离出来，才能用现有的物理选矿方法将它们富集。其次，一切物理选矿方法都受到粒度的限制，粒度过粗（有用矿物与脉石未实现解离）或粒度过细（即过粉碎）都不能进行有效分选。在选矿厂各环节中，矿石粉碎又是费用最高的过程，是构成选矿厂投资和生产成本的重要部分。因此，矿石粉碎作业的基本任务是为选别作业提供适宜入选物料，破碎过程工作好坏，直接影响选矿的技术和经济指标。

3.破碎作业的分类有哪些？

破碎作业按其在选矿（煤）工艺中的作用不同可分为：准备破碎（分选前）；最终破碎（分选后）。

破碎作业按破碎产物的粒度不同分为：粗碎、中碎、细碎与粉碎，见表2-1。

破碎作业按其所消耗的能量形式不同分为：机械能破碎，即用机械力破碎物料；非机械能破碎，即应用电能、热能等进行破碎。选矿厂和选煤厂主要是采用机械能破碎。机械能破碎有五种基本方式（图2-1）。

（1）挤压破碎［图2-1（a）］　物料在两个工作面之间受到缓慢增大的压力作用而破碎。这种方法大多用于脆性、坚硬物料的粗碎。

（2）劈裂破碎［图2-1（b）］　用一个尖棱（或平面）和一个带有尖棱的工作表面挤压矿石时，矿石将沿压力作用线的方向劈裂。劈裂的原因是由于劈裂平面上的拉应力达到或超过矿石拉伸强度极限。由于矿石的拉伸强度极限比抗压强度极限小很多，因此，在其他条件相同情况下，劈裂破碎比挤压破碎所需的压力小。

（3）折断破碎［图2-1（c）］　矿石受弯曲作用而破碎。被破碎的矿石被视为承受集中载荷的两支点梁或多支点梁。当矿石内的弯曲应力达到矿石的弯曲强度时，矿石即被折断。

（4）研磨破碎［图2-1（d）］　矿石与运动的工作面之间存在相对运动而受一定的压力和剪切力作用。当剪切应力达到矿石的剪切强度时，矿石即被粉碎。研磨破碎多产生细粒，效率低、能量消耗大。这种方法多用于小块物料的细磨。

（5）冲击破碎［图2-1（e）］　物料受到足够大的瞬时冲击力而破碎，其破碎效率高、破碎比大、能量消耗少。这种方法主要用于脆性物料的破碎。

实际上，任何一种破碎机和磨矿机都不能只用前面所列举的某一种方法进行破碎，一般都是由两种或两种以上的破碎方式联合起来进行破碎的，例如压碎和折断，冲击和磨碎等。破碎机的结构应保证实现上述破碎方式。每一种破碎机，一般都有其主要的破碎方式。齿辊破碎机以劈裂破碎为主，但在连续破碎时，由于物料在破碎空间排列的随机性，物料受力是很复杂的，常常是几种破碎方式并存。

4.除机械破碎法外，还有哪些破碎方法？

除传统的机械破碎法外，目前研究的破碎方法大致如下：

（1）电热照射法破碎　它的破碎原理是，岩矿在高频电磁场的作用下，易于吸收电磁能的矿物急剧受热，其他矿物仅靠热传导得到热量。受热速度不同使矿物间产生温度应力，从而使原矿的强度降低1/2～3/4。

（2）液电效应破碎　在液体内部进行高压和瞬时脉冲放电，放电区域内产生极高压力，可以将物体破碎，此种效应叫液电效应。此方法曾用于大块矿石的破碎试验，在65kV的放电电路内，破碎花岗岩及石英等不合格大块，1m3的能量消耗约为0.05～0.15kW·h。

（3）超声波粉碎法　美国尤他大学研究表明，超声波粉碎原理是在破碎过程中施加一定的超声波，使矿粒产生共振，直接吸收超声波的能量，诱发裂纹。这种诱发的裂纹，对颗粒的破碎十分有效，能产生快速破碎及节能效果。

（4）热力破碎法　实际是热与机械力相结合，用热处理的方法使矿石变弱，然后用机械破碎它，从而提高破碎效果。如果加热后又突然浸入水中水冷，会在矿块中产生应力，降低矿石强度，从而改善矿石可磨性。

（5）高压水射流粉碎法　原理是把现行的挤压粉碎原理改为颗粒内裂纹的应力扩张破碎。利用射流高压水的压力从颗粒内部使内裂纹扩张而导致颗粒破碎。

但上述这些研究大多属于初期研究，而且成本高，或者只适用于少量物料的粉碎。近来一些研究在现有的破碎机械上附加振动也取得好的效果，但还属机械破碎法范围。

5.选矿中的段是如何划分的？

现有破碎设备不可能一次将采出的巨大矿块破碎到可以进入磨矿的细粒，所以分段破碎是必需的。分粗碎、中碎、细碎三段破碎，根据矿块大小，常采用三段破碎或两段破碎，将矿块破碎至所需粒度。选矿中的段是按所处理的矿料的粒度来划分的。

6.影响矿石破碎难易程度的主要因素是什么？

（1）矿石的结构特性　是指矿物在矿石中的结晶程度、矿物颗粒的形状、大小和相互结合关系，不同矿物集合体之间的结合力比同种矿物内部的结合力要小；在同样的矿物集合体内，晶体面上的结合力比晶体内部的要小。矿物晶格间的作用力越大，硬度就越大，也就越难破碎。

（2）矿石的结晶形态　矿石或矿物的结构具有某些缺陷、裂隙时，往往首先易在该部位破裂。

（3）硬度　它是指矿石抵抗其他物质压入或刻画的能力，是影响矿石破碎难易程度最主要的因素。

（4）粒度　随着物料粒度的减小，以上提到的引起矿物强度降低的因素也减少，故细粒级矿粒的强度较高，承载的抗压强度大，也就是矿粒愈细愈难磨碎。

（5）物料的脆性　破裂前无变形或变形很小的物料叫脆性物料；破碎时先变形而后碎裂的物料叫塑性物料。

（6）破碎的方法　矿石的抗压强度最大，抗弯强度次之，抗磨强度再次之，抗拉强度最小。针对矿石这一机械强度特点，实施恰当的破碎方法，可以使破碎更加有效。对于硬物料应采用折断配合冲击来破碎，若采用磨碎，机器将遭严重磨损；对煤这样的脆性软物料，则以劈裂与冲击较为合适，若采用磨碎，将产生过多粉煤，给选煤工艺带来困难。冲击破碎主要以动载荷进行破碎，效果比用静载荷好。破碎机工作时，工作面也以动载荷形式作用于矿物，具有一定的冲击效果。在载荷超过疲劳极限的条件下。反复冲击物料可以减小破碎时所需要的应力，因此，高频冲击破碎有较好的效果，功耗低，破碎比高，过粉碎小。

总之，掌握了物料性质与破碎方式相适应的规律，对金属矿石、化工原料和煤等的破碎，都可正确选择所需的破碎设备。

7.什么是可碎性系数？

可碎性系数是用来定量考查岩矿机械强度对破碎或磨矿的影响指标，反映矿石破碎或磨矿的难易程度。其表示方法如下：

式中　ε——物料的可碎性系数或可磨性系数；

Q0——某破碎机破碎中硬矿石的处理能力；

Q1——同一破碎机在同样条件下破碎指定矿石的处理能力。

中硬矿石通常用石英代表，其可碎性系数为1。若矿石硬度大，则可碎性系数与可磨性系数小于1，表示破碎机或磨矿机对其处理能力小于对中硬矿石的处理能力；反之，矿石硬度小，可碎性系数与可磨性系数大于1，破碎机对其处理能力则较大。选矿上常用矿石的极限抗压强度σb、普氏硬度系数f（σb/10）、可碎性系数及可磨性系数表示矿石的硬度，如表2-2所示。

8.什么是破碎比？它有几种表示法？

破碎比是指在破碎过程中入料粒度与产物粒度的比值。它表征了物料破碎的程度。破碎的能量消耗和处理能力均与破碎比有关。

（1）最大破碎比　最大块粒度之比。

式中　Dmax——入料最大颗粒直径，mm；

dmax——产物最大颗粒直径，mm。

由于各国的习惯不同，最大粒度取值方法不同。英美以物料80％能通过筛孔的筛孔宽度为最大粒度直径，我国和前苏联以物料的95％能通过筛孔的筛孔宽度为最大粒度的直径。我国在选矿厂设计中常采用这种计算方法，因为设计时要根据给矿最大粒度来确定破碎机给矿口宽度。

（2）公称破碎比　破碎机给、排矿口尺寸之比。

式中　0.85B——给矿口有效宽度，mm；

S——排矿口宽度，mm。

0.85是保证破碎机咬住物料的有效宽度系数。排料口宽度的取值，粗破碎机取最大排料口宽度；中破碎机取最小排料口宽度。

由于此法不需将大批物料做筛分分析，而仅仅知道破碎机给矿口和排矿口宽度便可进行近似计算，简单迅速，故在生产中广为采用，以便大致了解破碎机负荷情况。

（3）平均破碎比　平均粒度之比。

式中　Dp——入料的加权平均直径，mm；

dp——产物的加权平均直径，mm。

由于破碎前后的物料都是大小不一、形状各异的混合物料，是由若干粒级组成，只有用平均粒度才能更好地代表它们。因此，用平均粒度计算出的破碎比，才能较真实地反映破碎的程度，故多在理论研究中采用。

9.破碎效果的评定方法有哪些？

在选煤厂和选矿厂中，无论哪一种破碎作业都应该满足以下两方面要求：

（1）破碎产品达到规定粒度，或排料中大于规定粒度的矿石尽可能少。

（2）尽量避免过粉碎，即排料中过细的矿粒含量要小。

破碎效果的评定方法采用破碎效率为主要指标，细粒增量为辅助指标，综合评定破碎机的破碎效果。破碎效率按下式计算：

式中　ηp——破碎效率（有效数字取到小数点后第一位），％；

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，％。

细粒增量按下式计算：

Δ=β-d-α-d

式中　Δ——细粒增量（有效数字取到小数点后第一位），％；

β-d——排料中的细粒含量，％；

α-d——入料中的细粒含量，％。

10.什么是筛分？

筛分是指碎散物料通过一层或数层筛面被分成不同粒级的过程。在实验室或试验场地为完成粒度分析而进行的筛分称为试验筛分，在工厂或矿场为完成生产任务而进行的筛分称为工业筛分。

11.什么是筛上产物和筛下产物？

筛分原料给到筛分机械（简称筛子）上以后，小于筛孔尺寸的物料透过筛孔，称为筛下产物；大于筛孔尺寸的物料从筛面上不断排出，称为筛上产物。

12.筛分适用于什么粒度范围的分级？

一般较粗的物料（大于0.25mm）应用筛分设备进行分级。

13.什么是矿粒的粒度？

描述单一颗粒大小的尺寸称为粒度。

14.单颗矿粒粒度怎么表示？

球形或立方体颗粒的粒度即为直径或边长；对于外形不规则的颗粒，其粒度以三维尺寸（长a、宽b、厚c）的算术平均值d=（a+b+c）/3或几何平均值d=3abc表示。

15.什么是粒级？

用某种方法（如筛分）将粒度范围宽的物料群分离成若干个粒度范围窄的级别，这些级别称为粒级。

16.什么是粒度组成？

各个粒级按粗、细不同顺序排列，并指明各粒级占物料群总量的质量分数，称为粒度组成。它描述物料群的粒度分布情况。

17.粒度分析方法有哪几种？

粒度分析是一种技术操作，它的任务是测定碎散物料的粒度特性。粒度分析方法有多种，选矿工程中常用的有以下三种：

（1）筛分分析法　此法是利用筛孔大小不同的一系列筛子对散料筛分，n层筛子可把物料分成n+1个粒级，各粒级的上、下限粒度通常就取相应筛子的筛孔尺寸。筛分分析法广泛用于测定0.04～100mm散粒的粒度组成，更大粒度的物料也可编制更大筛孔的筛子，但对于小粒度的物料，一是制作相应筛孔的筛子较困难，二是很难筛得充分。一般干筛的分级粒度最小至0.1mm。0.04～0.1mm的物料须用湿筛。筛分分析法的特点是设备简单，易于操作，但筛析结果受颗粒形状和筛分时间的影响较大。

（2）水力沉降分析法　此法是利用水力分析装置，根据不同粒度的颗粒在水介质中沉降速度不同而分成若干粒级。该法适用于测定1～75μm细粒物料的粒度组成，其特点是不像筛分分析法那样严格按颗粒几何尺寸分级，而是按沉降速度分级。因水力沉降过程受颗粒密度和形状的影响，密度大的小颗粒与密度小的大颗粒有可能进入同一个粒级。

（3）显微镜分析法　此法是利用显微镜观察微细颗粒的大小和形状，适用于0.1～50μm的物料，可检查分选产品或校正水力沉降分析结果，也可研究矿石的结构。其主要特点是直观。

在选矿生产和选矿研究中，应用最广泛的是筛分分析法。

18.何谓标准筛？

标准筛是一套筛孔尺寸大小有一定比例、筛孔边长及筛丝直径均按有关标准制造的筛子。使用时将各个筛子按筛孔大小从上至下顺序叠放，上层筛孔大，下层筛孔小。各筛子所处的层位次序称为筛序；每两个相邻筛子筛孔尺寸的比值称为筛比。有的标准筛确定一系列筛子中的某个筛子作为基准筛，简称基筛。标准筛都有筛底和筛盖，分别用以收集筛下产品和防止物料溅失。

19.泰勒筛的基筛筛孔是多少？

泰勒筛的基筛筛孔是0.074mm。

20.什么是基本筛比和辅助筛比？

由于各国采用的标准不同，所以有各种各样的标准筛，按筛比不同可大致将它们分为两类：一类的筛比是，美国、英国、加拿大等国采用；另一类的筛比是，法国、前苏联等采用。和称为基本筛比。为了得到粒度范围更窄的级别，还规定了辅助筛比，如、等。

21.筛分作业如何分类？

筛分是利用破碎机筛板把粒度范围较宽的物料按粒度分为若干个级别的作业。分级是根据物料在介质（水或空气）中沉降速度的不同而分成不同的粒级的作业。筛分一般用于较粗的物料，即大于0.25mm的物料。较细的物料，即小于0.2mm的物料用分级。近几年来，国内外正在用细筛对磨矿产品进行分级，这种分级效率一般都比较高。

根据筛分的目的不同，筛分作业可以分为六类。

（1）独立筛分　其目的是得到适合于用户要求的最终产品。例如，在黑色冶金工业中，常把含铁较高的富铁矿筛分成不同的粒级，合格的大块铁矿石进入高炉冶炼，粉矿则经团矿或烧结制块入炉。

（2）辅助筛分　这种筛分主要用在选矿厂的破碎作业中，对厂矿作业起辅助作用。一般又有预先筛分和检查筛分之别。

预先筛分是指矿石进入破碎机前进行的筛分，用筛子从矿石中分出对于该破碎机而言已经是合格的部分，如粗碎机前安装的格筛、条筛，其筛下产品可不经粗碎机再碎，这样就可以减小进入破碎机的矿石量，提高破碎机的处理量。

检查筛分是指矿石经过破碎之后进行的筛分，其目的是保证最终的破碎产品符合磨矿作业的粒度要求，使不合格的破碎产品返回破碎作业，如中碎、细碎破碎机前的筛分，既起到预先筛分，又起到检查筛分的作用。所以检查筛分可以改善破碎设备的利用情况，类似于分级机和磨矿机构成闭路循环工作，以提高磨矿效率。

（3）准备筛分　其目的是为下一作业做准备。如重选厂在跳汰前要把物料进行筛分分级，把粗、中、细不同的产物进行分级跳汰。

（4）选择性筛分　如果物料中有用成分在各个粒级的分布差别很大，则可以经筛分分级得到质量不同的粒级，把低质量的粒级筛除，从而相应提高物料的品位。如一些铁精矿再磨的细粒筛分就有选择性筛分的作用，通过筛分能提高铁精矿品位。

（5）脱水筛分　脱除物料中水分的筛分。

（6）脱泥筛分　脱除物料中细粒的筛分。

22.筛分作用有哪些？

筛分作用概括起来有分级、脱水、脱泥和脱介。分级是最常用的筛分作用，筛分是按照几何粒度进行分级，筛分一般用于粗颗粒的分级，不用作细颗粒的分级，细颗粒物料通常用水力分级。

23.什么是“易筛粒”和“难筛粒”？

物料粒度小于筛孔尺寸3/4的颗粒，很容易通过粗粒物料形成的间隙，到达筛面，到筛面后它就很快透过筛孔，这种颗粒称为“易筛粒”。物料粒度大于筛孔尺寸3/4的颗粒，通过粗粒组成的间隙比较困难，这种颗粒的直径愈接近筛孔尺寸，它透过筛孔的困难程度就愈大，因此，这种颗粒称为“难筛粒”。

24.什么是筛析，如何筛析？

确定物料粒度组成的筛分工作称为筛分分析，简称筛析。

粒度大于6mm物料的筛析，采用钢板冲孔或铁丝网制成的手筛来进行。其方法是用一套筛孔大小不同的筛子进行筛分，将矿石分成若干粒级，然后分别称量各粒级质量。如果原矿含泥、含水较高，大量的矿泥和细粒矿石黏附在大块矿石上面，则应将它们清洗下来，以免影响筛析的精确性。

粒度范围为6～0.038mm物料的筛析，用实验室标准套筛进行。如果对筛析的要求不严格，通常直接进行干法筛析即可。但如果试样含水、含泥较多，物料互相黏结时，应采用干湿联合筛析法，筛析所得到的结果才比较精确。

25.什么是干法筛析和干湿联合筛析？

干法筛析是先将标准筛按顺序套好，把样品倒入最上层筛面上，盖好上盖，放到振筛机上筛分10～30min。然后依次将每层筛子取下，用手在橡皮布上筛分，如果1min内所得筛下物料量小于筛上物料量的1％，则认为已达到终点，否则筛分就应该继续进行，直到符合上述要求为止。干筛完成后，将筛得的各个粒级分别称量出质量。

干湿联合筛析法是先将试样倒入细孔筛（如200目的筛子）中，在盛水的盆内进行筛分，每隔1～2min，将盆内的水更换一次，直到盆内的水不再浑浊为止。将筛上物料进行干燥和称重，并根据称出质量和原样品质量之差，推算洗出的细泥质量。然后再将干燥后的筛上物料用干法筛析，此时所得最底层筛面的筛下物料量应与湿筛时洗出的细泥量合在一起计算。筛析结束后，将各粒级物料用工业天平（精确度0.01g）称重，各粒级总质量与原样品质量之差不得超过原样品质量的1％，否则应重做。

26.什么是粒度分析曲线？

按筛析结果绘制出的曲线，叫粒度分析曲线。它直观地反映出被筛析物料中的任何一个粒级的产率与粒级之间的关系。

根据用途的不同，粒度分析曲线有各种不同的绘制方法，一般是以产率为纵坐标，粒度为横坐标。根据各个级别的产率绘制的曲线，称为部分粒度分析曲线；根据累积产率绘制的曲线，称为累积粒度分析曲线。实际上最常用的是累积粒度分析曲线。通常有3种绘图方法，即算术坐标法、半对数坐标法和全对数坐标法。