Cơ sở lí thuyết về đập nghiền
Giới thiệu chung về Clinke
Clinker là sản phẩm thu được từ quá trình nung hỗn hợp đá vôi, đất sét và một số phụ gia khác như quặng sắt, cát, boxit ở nhiệt độ lên đến 1450 độ C Thành phần hóa học chính của Clinker bao gồm các oxit kim loại như CaO (đá vôi), Al2O3 (đất sét), Fe2O3 (sắt), SiO2 cùng với các phụ gia bổ sung.
Khi nung ở nhiệt độ 1450 độ C, oxit kim loại phản ứng tạo ra 4 khoáng chính trong Clinker: C2S (2CaO.SiO2), C3A (3CaO.Al2O3), C3S (3CaO.SiO2) và C4AF (4CaO.Al2O3.Fe2O3) Các khoáng này có cấu trúc tinh thể không đồng nhất, ảnh hưởng đến tính chất của Clinker và từ đó quyết định đặc trưng của từng loại xi măng.
Cơ sở vật lí của quá trình nghiền vỡ vật thể
Nghiên cứu của các Viện sĩ A.Ph.Iophphe, P.A.Rebinder và I.A.Phrenkel cho thấy mọi vật thể rắn đều có khuyết tật nhỏ, phân bố theo chiều dày và thể hiện cục bộ trên bề mặt Những khuyết tật này làm giảm độ bền của vật thể từ 100 đến 1000 lần so với vật rắn hoàn hảo Do đó, tồn tại hai khái niệm độ bền: độ bền phân hủy và độ bền kỹ thuật Trong thiết kế kỹ thuật, yêu cầu đầu tiên là chế tạo kim loại thuần khiết Quá trình biến dạng của vật rắn gia tăng số lượng khuyết tật, và khi khuyết tật vượt ngưỡng giới hạn, vết nứt phát triển nhanh chóng dẫn đến sự phá vỡ Hai dạng năng lượng quan trọng trong phá hủy vật thể rắn là năng lượng tích tụ của biến dạng đàn hồi và năng lượng tự do Mặc dù nhiều nghiên cứu đã chỉ ra vai trò hạn chế của năng lượng bề mặt trong quá trình nghiền, nhưng hiện tại vẫn chưa tìm ra phương pháp xác định giá trị năng lượng cho vật thể cứng.
Khi vật thể chịu tải trọng tuần hoàn, số lượng vết nứt sẽ gia tăng theo từng chu kỳ, dẫn đến sự giảm sút độ bền của vật thể Sự xuất hiện của các vết nứt tế vi trong cấu trúc làm giảm lực liên kết phân tử, gây ra sự suy giảm đột ngột về độ bền Hiện tượng này được Viện sĩ P.A Rebider phát hiện và gọi là “hiệu ứng Rebider”, một khái niệm quan trọng trong kỹ thuật.
Cơ học phá hủy nguyên liệu hạt, hay còn gọi là cơ sở quá trình động lực nghiền, là một khái niệm quan trọng trong ngành công nghiệp chế biến Cơ chế phá vỡ hạt chủ yếu diễn ra qua quá trình nén ép, với đặc điểm là không có biến dạng dẻo rõ rệt, dẫn đến hiện tượng phá hủy giòn Lý thuyết nghiền không chỉ nghiên cứu quy luật phân bố kích thước các phần tử sản phẩm nghiền mà còn phân tích mối quan hệ giữa chi phí năng lượng và mức độ nghiền của vật liệu.
Năng lượng cần thiết để nghiền vỡ vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố quan trọng, bao gồm kích thước và hình dạng của hạt, sự phân xếp đặt của chúng, độ bền và độ giòn của vật liệu, mức độ đồng nhất, độ ẩm cũng như trạng thái bề mặt của máy nghiền.
Các định luật nghiền
Thuyết này do giáo sư P.Ritinger người Đức nêu ra năm 1867 được phát triển như sau:
“ Công tiêu hao để nghiền vật liệu tỷ lệ với diện tích bề mặt mới tạo ra trong quá trình nghiền “
A s: công chi phí để nghiền vỡ vật thể, tạo thành bề mặt mới [J]
∆S: diện tích bề mặt mới được tạo thành
Thuyết thể tích, do nhà cơ học người Nga V.L Kirpitrev đề xuất vào năm 1874, đã được giáo sư người Đức Ph Kik kiểm tra thực nghiệm trên máy nghiền kiểu búa.
1885 Nội dung cơ bản của thuyết thể tích: “công cần thiết để nghiền vật liệu tỷ lệ thuận với mức độ biến thiên thể tích của vật liệu”
A v : công biến dạng σ: ứng suất lúc biến dạng
V: Thể tích vật thể biến dạng
Thuyết dung hòa trong thuyết bề mặt gặp khó khăn trong việc xác định hệ số K, dẫn đến việc giảm thiểu ý nghĩa thực tế của công thức Trong khi đó, thuyết thể tích cũng gặp trở ngại do thiếu hệ số tỷ lệ cho các trường hợp cụ thể, khiến công thức không thể áp dụng rộng rãi.
Thuyết dung hòa, do Ph.C.Bon đề xuất vào năm 1952, kết hợp hai thuyết trước đó Nội dung chính của thuyết này là: “công nghiền tỷ lệ với trung bình nhân giữa thể tích V và bề mặt S của vật liệu được nghiền.”
K dh : hệ số tỷ lệ d: Đường kính sản phẩm
D: đường kính vật liệu nghiền
Do những hạn chế của thuyết bề mặt và thuyết thể tích, vào năm 1928, viện sĩ người Nga P.A Rebinder đã giới thiệu thuyết nghiền tổng hợp, hay còn gọi là thuyết nghiền cơ bản Thuyết này nhấn mạnh rằng công nghiền vật liệu bao gồm hai thành phần chính: công tiêu hao để tạo ra bề mặt mới và công để làm biến dạng vật liệu.
A th : Công để nghiền vật liệu
A v : Công chi phí cho sự biến dạng của vật liệu
A s : công chi phí cho sự tạo thành bề mặt mới
K: hệ số tỷ lệ Α: Hệ số có tính năng lượng sức căng bề mặt của vật thể cứng α: Hệ số có tính đến năng lượng sức căng bề mặt của vật thể cứng
Quá trình nghiền là một quá trình phức tạp với nhiều biến đổi cơ lý của vật liệu Hai định luật bề mặt và thể tích chỉ tập trung vào từng giai đoạn riêng lẻ của quá trình này Định luật thể tích xác định năng lượng cho biến dạng đàn hồi mà không xem xét số bề mặt mới sinh ra do miết vỡ Ngược lại, định luật mặt phẳng chỉ tính đến năng lượng cần thiết để tạo ra các bề mặt mới mà không tính đến năng lượng biến dạng Khi nghiền ở quy mô lớn (nghiền bột), định luật mặt phẳng cho kết quả chính xác hơn, trong khi ở quy mô nhỏ (nghiền hạt), định luật thể tích lại đúng hơn.
Các phương pháp nghiền cơ bản
Sự phá vỡ vật liệu bằng ngoại lực dựa vào bốn phương pháp chính sau:
Dưới tác động của ngoại lực, thể tích của cục vật liệu sẽ bị biến dạng Khi nội ứng suất trong cục vật liệu vượt quá giới hạn bền nén, cục vật liệu sẽ bị phá vỡ, dẫn đến việc thu được cục vật liệu có hình dạng và kích thước nhỏ hơn so với ban đầu.
Bổ là quá trình phá vỡ vật liệu do lực tập trung tác động tại vị trí đặt lực, cho phép điều chỉnh kích thước của vật liệu sau khi được đập.
Va đập là hiện tượng vật liệu bị phá vỡ dưới tác động của tải trọng động Khi tải trọng tập trung, hiệu quả phá vỡ giống như phương pháp bổ, trong khi tải trọng phân bố trên toàn bộ thể tích vật liệu sẽ dẫn đến sự phá vỡ tương tự như phương pháp ép.
• Chà xát : Vật liệu bị phá vỡ do chịu tác dụng đồng thời của lực nén và kéo, sản phẩm thu được dạng bột
Khi lựa chọn phương pháp đập, nghiền cần phải căn cứ vào các yếu tố sau:
• Cơ tính của vật liệu (cứng, giòn, mềm,… )
• Kích thước vật liệu trước khi đập, nghiền
Bảng 1.1 – Phân chia nghiền theo kích thước của vật liệu trước và sau khi nghiền
Phương pháp Đập thô Đập vừa Đập nhỏ Nghiền mịn Nghiền keo
D(mm) 1500÷300 350÷100 100÷40 30÷5 1.2÷0.1 d (mm) 350÷100 100÷40 30÷5 2÷0.075 0.0001 i 3÷5 6÷10 16÷20 100 1000 Đập thô, đập vừa thường thực hiện ở trạng thái khô, còn đập nhỏ, nghiền mịn, nghiền keo có thể thực hiện ở trạng thái khô hoặc ướt
Quá trình đập và nghiền có thể diễn ra theo nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm chu trình hở, chu trình kín, hoặc kết hợp cả hai Ngoài ra, có thể áp dụng chu trình hai giai đoạn để tối ưu hóa hiệu quả.
Bảng 1.2 – Các phương pháp đập Ép
Các tính chất của vật liệu nghiền
Độ cứng là một yếu tố quan trọng trong quá trình đập nghiền, giúp lựa chọn vật liệu phù hợp cho bi và tấm lót Để đảm bảo hiệu quả, vật liệu làm bi và tấm lót cần có độ cứng tương đồng và lớn hơn độ cứng tối đa của vật liệu cần nghiền.
Hiện nay độ cứng thường được đo bằng thang Mohs gồm 10 bậc với 10 vật liệu chuẩn được sắp xếp theo thứ tự
Bảng 1.3 – Độ cứng của các loại vật liệu Độ cứng Vật liệu chuẩn
Độ giòn là chỉ số quan trọng phản ánh khả năng của vật liệu bị phá hủy khi chịu tác động va đập Dựa vào số lần va đập cần thiết để làm hỏng vật liệu, người ta phân loại độ giòn thành các nhóm khác nhau.
Bảng 1.4 – Độ giòn dựa trên số lần va đập
Rất giòn Giòn Dai Rất dai
Hệ số mài mòn là chỉ số quan trọng phản ánh mức độ hao mòn của các bộ phận trong quá trình làm việc, đặc biệt trong việc nghiền vật liệu cứng Mỗi loại vật liệu có hệ số mài mòn khác nhau, được đo bằng hệ số tương đối Việc nắm rõ hệ số mài mòn giúp xác định thời gian cần thiết để thay thế bi và tấm lót, từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất.
Bảng 1.5 – Hệ số mài mòn tùy theo mức độ mài mòn
Giới hạn bền nén S Vật liệu điển hình
Mềm