【摘 要】
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脆性矿物破碎过程能量消耗巨大,破碎磨矿能耗可达全国总能源消费的1.15%以上,世界上用于破碎磨矿的电能占总电能消耗3.3%左右。破碎过程中,传递给待破碎物料的吸收能转化为弹性能、新增表面能、耗散热能、破碎后飞溅颗粒动能及其它形式的能量,其中热能是主要的耗散形式。研究脆性矿物破碎现象,建立各类能量的计算模型,揭示破碎过程能量演化规律,对选择合适的加载方式、降低破碎过程的能量消耗具有重要意义。对典型的
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脆性矿物破碎过程能量消耗巨大,破碎磨矿能耗可达全国总能源消费的1.15%以上,世界上用于破碎磨矿的电能占总电能消耗3.3%左右。破碎过程中,传递给待破碎物料的吸收能转化为弹性能、新增表面能、耗散热能、破碎后飞溅颗粒动能及其它形式的能量,其中热能是主要的耗散形式。研究脆性矿物破碎现象,建立各类能量的计算模型,揭示破碎过程能量演化规律,对选择合适的加载方式、降低破碎过程的能量消耗具有重要意义。对典型的脆性矿物花岗岩与石英进行单轴循环加卸载试验,定量测定破碎过程中的输入能、弹性能与耗散能,并研究不同加载速率下弹性能与耗散能随载荷水平变化的规律。加载过程中,随着应力水平的提高,弹性能增速大于耗散能。加载速率对花岗岩与石英弹性能密度差异的影响不显著,在1～2 k N/s的加载速率下,花岗岩的耗散能密度高于石英,随着加载速率的提高,两者的差异不再明显。在压密阶段,花岗岩与石英弹性能占比的演化特点刚好相反,较低加载速率下花岗岩试件的弹性能占较低,而石英的弹性能较高。试验过程中,随着载荷的增加,花岗岩弹性能占比从55%增长到73%,石英的弹性能占比从50%增长到80%,石英的储能极限高于花岗岩。借助高速摄影技术,综合坐标法与涂色法,研究不同脆性矿物破碎过程动能演化规律以及破碎颗粒的空间分布特征。试验结果表明,在加载速率为1、2、3、4与5 kN/s的条件下,花岗岩试件破碎平均动能为2.60 J,弹性能转化为动能比例的平均值为16.03%;石英试件破碎平均动能为39.99 J,弹性能转化为动能比例的平均值为22.74%。石英试件破碎后颗粒动能约为花岗岩的15倍,输入能转化为动能的比例约为花岗岩的2.4倍。对花岗岩而言,破碎产生的小颗粒主要集中在中心位置,大颗粒飞溅位置随机性较强。对石英而言,小颗粒与大颗粒质量空间分布相似,产物聚集质量与飞溅距离正相关。在加载速率为1、2、3、4与5 kN/s的条件下对花岗岩与石英试件进行单轴压缩试验,利用颗粒形貌测量系统结合自动化图像处理技术对花岗岩与石英的破碎产物粒形与表面分形维数进行研究。结果表明,加载速率对颗粒粒形与表面分形维数影响不显著。6～13、13～20、20～30、30～100 mm各粒级花岗岩颗粒的伸长率主要为2～3,平整度主要为1.5～3.5;3～6、6～13、13～20、20～30 mm各粒级石英颗粒伸长率主要为1～2,平整度主要为2～4。由此可知,不同粒级颗粒的粒形无明显差异。在6～100 mm粒级范围内,花岗岩颗粒的分形维数随粒度的增大而增大。在3～30 mm粒级范围内,石英分形维数随粒度增大表现出波动性。建立表面能精细计算模型,研究粒形与表面分形维数在表面积计算模型中的权重,计算两种矿物破碎能量效率。试验结果表明,在计算大颗粒表面积时,粗糙模型比光滑模型有更明显的差异。对于整个粒级,粗糙度对表面积的影响比颗粒形状更显著。在颗粒形状相同的情况下,粗糙模型计算的新增表面能约为光滑模型的27倍;在相同粗糙度下,椭球模型的新增表面能约为球体模型的1.3倍。采用红外热像仪实时监测无烟煤冲击破碎过程的温度变化,基于牛顿冷却定律与瞬态热传导理论,建立耗散热能直接计算模型。在花岗岩与石英的单轴压缩过程中,应用耗散热能计算模型完成脆性矿物破碎过程主要能量的系统研究。在此基础上分析了加载速率与矿物种类对能量效率以及能量演化规律的影响,结果表明,在1～5 k N/s范围内,加载速率对花岗岩破碎能量效率影响不显著;颗粒动能与耗散热能的比例随加载速率增大而增大,在加载速率为5 k N/s时耗散热能占比大幅度增加。对于石英,在加载速率为1 k N/s时,破碎能量效率最高,达到8%;在1～5 k N/s范围内,各类能量的变化没有显著的规律性,加载速率为1 k N/s时,耗散热占比能接近10%。本文提出了脆性矿物破碎动能与表面能的精细计算方法,建立了耗散热能直接计算模型,并对破碎过程涉及的主要能量类型进行了量化研究。论文的研究成果丰富了脆性矿物破碎理论与研究方法。
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