Организация производства по Г. Форду

Данное исследование имеет своей целью установление закономерностей тонкого и сверхтонкого измельчения твердых тел на основе положений физико-химической механики и, особенно, той ее части, которая  относится к сорбционной механохимии - химическому взаимодействию активированных пластическим деформированием поверхностных слоев частиц между собой и окружающей их внешней средой [3, 4].

Для развиваемой  на основе физико-химической механики теории измельчения существенны  основанные на анализе большого блока  экспериментальных исследований следующие  факторы:

1. Влияние внешней  среды на процесс измельчения  весьма велико и проявляется  уже при очень малом содержании  химически активных включений,  составляющих десятые и даже  сотые доли процента массы  измельчаемого материала. Такое  содержание жидкостей (точнее - их  паров) соответствует поверхностной  (на частицах) концентрации, близкой  к десятым долям насыщенного  мономолекулярного слоя. Очистка  от столь малых количеств воды  или других жидкостей затруднительна, а в большинстве опытов практически  невозможна без нарушения структуры  и механических свойств измельчаемого  материала. 

Во всех известных  нам исследованиях влияние таких  включений на процесс измельчения  не контролировали, что и оказалось  одной из причин несогласованности  экспериментальных данных и неудач в поиске их закономерностей. Если герметичность  опыта не соблюдена, содержание активных включений в измельчаемом материале  остается неопределенным и ввиду  этого их влияние не подлежит количественной оценке.

Помолам в избытке  жидкости свойственны свои особенности  и тонкости. В наибольшей мере они  обусловлены реологией помольной  среды - совокупности измельчаемого  материала, мелющих тел и жидкой фазы. Вязкие пасты, реологические свойства которых можно значительно варьировать  подбором поверхностно активных веществ (ПАВ), затрудняют движение мелющих  тел. В разбавленных суспензиях их энергия  расходуется на бесполезное перемещение  жидкости. В ряде случаев происходит известное в технологии т.н. проскальзывание  помольной среды относительно барабана мельницы, что приводит к снижению эффективности измельчения и  уменьшению потребляемой мельницей  энергии.

В высокоскоростных мельницах ударного действия доля энергии, тем большая, чем выше скорость движения мелющих тел и частиц, расходуется  на преодоление сопротивления воздуха. Частицы малых размеров тормозятся воздушным потоком до скоростей, недостаточных для их разрушения [8, 9].

2. По достижении  удельной поверхности 5-10 м² /г по БЭТ измельчение порошков сопровождается образованием необычно плотных агрегатов частиц (своеобразных кластеров). Высокодисперсные частицы объединяются в агрегаты с настолько плотной упаковкой, что внутренняя межчастичная поверхность пор становится недоступной для адсорбции азота, криптона и других газов, используемых в качестве адсорбатов при измерении удельной поверхности. Такие агрегаты-кластеры были нами изучены и в силу недоступности их внутренних поверхностей для сорбции простых газов названы молекулярноплотными. Всеми методами дисперсионного анализа они воспринимаются как отдельные частицы. Из-за образования молекулярноплотных агрегатов экспериментально наблюдается уменьшение дисперсности (удельной поверхности по БЭТ) порошков в процессе помола, наступающее после предварительного тонкого их диспергирования. С еще большим эффектом можно (в несколько раз) уменьшить удельную поверхность коллоидно-дисперсных препаратов. Зачастую, особенно для металлических частиц, происходит их контактное сваривание - mechanical alloing, подробно описанное нами ранее [4].

Частицы в молекулярноплотных агрегатах минералов типа кварца, корунда и других слабо связаны между собой и могут быть разрушены кратковременным механическим воздействием в активных дисперсионных средах. И в них же они склонны к самопроизвольному диспергированию при длительном с ними взаимодействии в обычных условиях [4]. Однако некоторые природные или синтетические высокодисперсные материалы (порошки металлов, тальк, аэросил, белая сажа и другие) переходят в молекулярноплотные агрегаты частично или полностью необратимо. Механохимическое сваривание (mechanical alloing) частиц, часто необычного химического состава [5], является предельным случаем такого необратимого агрегирования.

Молекулярноплотное агрегирование и его резкая зависимость от состава среды измельчения делают некорректной трактовки процесса механического измельчения без учета этого фактора. Кроме того, на образование и разрушение агрегатов затрачивается энергия мельницы, доля которой зависит от условий измельчения, физико-химических и механических свойств измельчаемого материала и состава среды измельчения, но всегда увеличивается с ростом дисперсности твердой фазы [4,5].

3. Механическое  разрушение твердых тел происходит  при создании в нем предельных  упругих напряжений, которые на  конечной стадии разрушения неизбежно  сопровождаются пластическими деформациями, на которые затрачивается значительная  доля работы внешних сил. Пластическому  деформированию подвергаются тонкие, непосредственно прилегающие к  поверхностям раскола слои частиц. Толщина таких слоев и плотность  затрат энергии на пластическое  деформирование при предельном (разрушающем)  напряжении определяются только  природой твердого тела и особенностями  условий разрушения, но не размерами  разрушаемых фрагментов. Следовательно,  удельные (на единицу объема измельчаемого  материала) затраты энергии на  пластическое деформирование пропорциональны  площади поверхности уже разрушенных  частиц и возрастают пропорционально  уменьшению их размеров, тогда  как удельные затраты энергии  на предельное упругое деформирование  от дисперсности не зависят.  Пластическое деформирование становится  определяющим в балансе затрат  энергии на измельчение частиц  малых размеров даже весьма  хрупких материалов типа кварца  и корунда. 

Следствием пластических деформаций при измельчении является ряд экспериментально наблюдаемых  необратимых превращений, которые  позволяют фиксировать и измерять некоторые его аспекты: изменения (уменьшение, иногда - повышение) плотности, полиморфные инверсии и аморфизацию поверхностных слоев частиц. Таким активированным (в частности, аморфным) слоям свойственна аномально высокая химическая активность и сорбционная способность, а также и аномально низкое диффузионное сопротивление. Аккумулированные в разупорядоченной структуре поверхностных слоев значительные запасы энергии и низкое диффузионное их сопротивление могут быть реализованы в низкотемпературных химических реакциях и определяют протекающие в них механохимические и механосорбционные процессы.

Как и упругие  деформации, пластические деформации с течением времени частично или  полностью релаксируют и их энергия переходит в тепловую. Однако период релаксации пластических деформации значительно больше, чем упругих. Его величина определяется природой материала и зависит от состава и содержания среды измельчения, размера частиц и температуры опыта.

4. Энергия, затрачиваемая  на трение и образование новой  поверхности при разрушении частиц, как и энергия пластического  деформирования, пропорциональна удельной  поверхности порошков. Наряду с  этим, износ мелющих тел и затрачиваемая  на него энергия по мере  увеличения дисперсности за редким  исключением уменьшаются. Исключения  составляют материалы, которые  в высокодисперсном состоянии  вследствие механохимических воздействий  испытывают полиморфные инверсии, которые переводят их в более абразивную форму [4].

Попутно следует  заметить, что удельные (на единицу  массы измельчаемого материала) затраты металла в результате абразивного и коррозионного  износа мельниц в стоимостном  выражении сопоставимы, а зачастую и превосходят удельные затраты  энергии. Поэтому их в равной мере следует учитывать в расходах на процесс измельчения. Однако, как  часто наблюдается, в стоимостном  выражении удельные затраты металла  и энергии на измельчение пропорциональны. Это упрощает расчеты и кроме того, в процессе измельчения в отличие, например, от родственного ему процесса шлифования, износ инструмента - мелющих тел и показатель работы мельницы - дисперсность измельчаемого материала связаны не функционально, а корреляционно.

5. В теории  измельчения неизбежно использование  хорошо известных законов разрушения  твердых тел конечных размеров, разрушаемых также на фрагменты  конечных размеров. Порция механической  энергии, затраченной на совершившееся  разрушение тела конечных размеров, также всегда конечна. (Не исключая  усталостное разрушение, для которого  удельные затраты на разрушение  в среднем многократно больше  затрат на обычное предельное  упруго-пластичное воздействие.) Это,  казалось, исключает написание закономерностей  измельчения в виде дифференциальных  уравнений.

Для привлечения  аппарата математического анализа  к теории измельчения мог быть использован тот факт, что в  ансамбле множества частиц дисперсной системы всегда имеются такие  их группы, размеры которых можно  полагать отличающимися от других групп  частиц на бесконечно малую величину. Это означает, что распределение  частиц по размерам могло быть аппроксимировано непрерывной функцией, причем безразличен  вид такого распределения и величина его используемого участка. Другие посылки для математического  анализа процесса измельчения не требовались. Отметим, что такой  прием общепринят, но в теории измельчения  его ранее не применяли.

6. Масштабное  упрочнение частиц (как физическое  явление), в силу непрерывного  пополнения объема каждой из  них в последовательных актах  разрушения разного рода дефектами,  для процесса измельчения весьма  проблематично. Тем не менее,  учет этого эффекта по классической  схеме произведен, и удалось показать, что он не приводит к заметным  изменениям соотношений, полученным  из более основательных посылок.

Критерием корректности всех сделанных здесь предпосылок  является не только доказанная в наших  и других исследованиях их экспериментальная  обоснованность [например, 13-15]. Полученные на их основе математические соотношения  непротиворечивы и преемственны с общепринятыми "законами измельчения" Кика, Риттингера и Бонда в тех диапазонах дисперсности, в которых корректность этих законов проверена не только в исследованиях, но и производственной практикой.

В соответствии с изложенным пластическое деформирование совершается в тонких слоях частиц, прилежащих к поверхности образующихся при их разрушении фрагментов. В каждом отдельном акте разрушения затраты энергии на пластические (квазиобратимые) деформации определяются объемом деформированной области.

Энергия, необходимая  для разрушения частицы, определяется суммой работ упругой и пластической предельных деформаций, а также работой  поверхностных сил в условиях опыта.

Было получено уравнение, которое для грубого  помола – дробления (удельная поверхность  – малая величина) переходит в  уравнение Кика, а для среднетонкого (величина S - значительна) – в уравнение Риттингера, отражающее прямолинейный участок кинетики измельчения по обобщенному уравнению.

Для всех хрупких, а тем более - пластичных твердых  тел, объемная плотность энергии  предельных пластических деформаций многократно  больше, чем упругих. Поэтому закон  Кика выполняется только когда размеры  кусков измельчаемого материала  на несколько порядков больше толщины  слоя пластических деформаций. Данный вывод согласуется со всеми экспериментальными данными и производственной практикой.

Был определен  максимальный размер неразрушающихся  частиц.

Теория позволяет  учитывать не только механические свойства измельчаемого материала, но и действие окружающей среды. Подбором состава  и содержания дисперсионной среды  толщину слоя и, следовательно, работу пластического деформирования можно  изменять в несколько раз (для  кварца добавками воды - в 10-15 раз). Для  очень хрупких материалов и активной дисперсионной среды используется параметр, определяющий затраты энергии  на образование новой поверхности, трение в помольном ансамбле, образование  и разрушение агрегатов.

Активированные  при механическом разрушении поверхностные  слои частиц интенсивно взаимодействуют  с молекулами внешней среды - жидкостей  и их паров, подвергаются механодеструкции, их фрагменты химически связываются с механически активированным веществом поверхностных слоев частиц и глубоко в них проникают. Скорость диффузии в активированных пластическим деформированием деструктурированных слоях частиц на несколько порядков превосходит скорость диффузии в обычных кристаллах и стеклах.. Этот вид сорбции и взаимодействия как по интенсивности, так и по механизму, существенно не идентичны физической (обратимой) адсорбции и классической хемосорбции. Анализом экспериментальных данных убедительно установлено, что именно таким типом механосорбционного взаимодействия при разрушении твердых тел и обусловлены основные эффекты (кроме реологических) внешней среды в кинетике и энергетике измельчения [3,4]. Основным фактором взаимодействия частиц с внешней жидкой и парообразной фазами является не столько уменьшение их поверхностной энергии, сколько значительное уменьшение удельной работы предельного пластического деформирования при разрушении. Результирующий энергетический эффект уменьшения работы предельного пластического деформирования на несколько порядков превосходит возможный эффект снижения поверхностной энергии.

Следует заметить, что применительно к твердым  телам понятие поверхностной  энергии и методы его экспериментального измерения определены неоднозначно. Расчетные значения поверхностной  энергии разупорядоченных механическими воздействиями поверхностей частиц также проблематичны.

Жидкости, растворенные в них поверхностно-активные вещества (ПАВ) и даже сорбированные на частицах пары жидкостей (сорбционные монослой и прослойки) во многих случаях меняют реологические свойства массы измельчаемого материала - сыпучесть и связность частиц в порошках, вязкость суспензий и паст. Реологические свойства измельчаемой массы в силу конструктивных особенностей механического диспергирования определяют долю энергии привода мельницы, трансформируемой в энергию разрушения частиц и тем самым влияют на формально определяемую на приводе мельницы удельную работу диспергирования. В ряде случаев реологический фактор, который также следует относить к разряду физико-химической механики, определяет энергетику и кинетику (особенно) процесса измельчения в большей мере, чем механосорбционные и другие эффекты, традиционно считающиеся областью физико-химической механики.