粉碎是礦物加工過(guò)程中的首要工序，也是決定所生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工序，礦物只有被解離到一定要求的粒度后，其有用成分才能被充分利用。因此設(shè)備的粉碎粒度大小就成了評(píng)價(jià)一臺(tái)粉碎機(jī)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，同時(shí)粉碎過(guò)程也在整個(gè)礦物加工過(guò)程中電耗、鋼耗等原材料消耗最大，據(jù)專家估算，粉碎階段處理每噸原礦的電耗平均約為16.0kWh，占選礦廠總電耗的40%左右。
    因此在粉碎工程領(lǐng)域中，在盡量降低能耗的前提下提高加工成品細(xì)度意義重大，可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在這一迫切需求下，多碎少磨理論己得到公認(rèn)，并有一系列相應(yīng)的新型破碎機(jī)涌現(xiàn)，其中氣流沖擊對(duì)撞粉碎機(jī)以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和工作原理，使礦物實(shí)現(xiàn)了完全的自粉碎，碎后產(chǎn)品粒度可以達(dá)到400目，從而充分體現(xiàn)了多碎少磨、節(jié)能降耗的思想。
    CHJ氣流沖擊對(duì)撞粉碎機(jī)是在最初對(duì)流噴射磨的理論基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，借助高速氣流來(lái)實(shí)現(xiàn)物料自身對(duì)撞而發(fā)生粉碎，由此實(shí)現(xiàn)了完全的自粉碎，這種設(shè)備集超細(xì)粉碎、氣力輸送為一體，產(chǎn)品粒度細(xì)、金屬磨損輕微。通過(guò)破碎理論證明其破碎效果已達(dá)到了破碎機(jī)行列中的先進(jìn)水平。
1、最初研發(fā)原理
    CHJ氣流沖擊對(duì)撞粉碎機(jī)是一種新型沖擊式超細(xì)粉碎設(shè)備，適用于各種非金屬礦、水泥、建材原料等脆性物料的粉碎，也可以用于一些一般設(shè)備很難達(dá)到粉碎細(xì)度的物料加工，同時(shí)運(yùn)用了流體機(jī)械的設(shè)計(jì)思路、物料顆粒群理論并結(jié)合粉體物料的流態(tài)化特性及選粉和顆粒的沉降效應(yīng)而設(shè)計(jì)，該設(shè)備中待加工物料瞬間被速度為20 m/s的高速氣流吹起，并與其他高速運(yùn)動(dòng)的物料相撞擊，由于氣流速度高，物料沖擊強(qiáng)度大，因而粉碎效率也相當(dāng)高，同時(shí)物料在噴槍內(nèi)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中人為加上內(nèi)螺旋風(fēng)和外螺旋風(fēng)使物料最大限度的向運(yùn)動(dòng)軸心收聚從而減少與管壁的摩擦，使金屬磨損減少到最低限度。該設(shè)備主要由噴槍、碰撞室、機(jī)架、分級(jí)機(jī)、送氣箱、物料輸送機(jī)等部件組成，主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。
    設(shè)備的基本工作過(guò)程是：物料從螺旋輸送機(jī)6處沿料管傾斜落下，在到達(dá)噴槍與輸料管結(jié)合處時(shí)，由空壓機(jī)來(lái)的高速氣流將物料帶起并沿噴槍向前做加速運(yùn)動(dòng)，在這一過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了物料和氣流的混合，形成氣料混合相，這是在一根噴槍內(nèi)形成氣料混合相的過(guò)程，設(shè)備碰撞室圓周每隔120度分布一根噴槍，每根噴槍對(duì)準(zhǔn)碰撞室中心，物料從噴槍內(nèi)噴出后，在碰撞室中心發(fā)生對(duì)撞并粉碎，整個(gè)過(guò)程將在瞬間連續(xù)進(jìn)行，粉碎后的物料粗細(xì)不均，在風(fēng)速一定的底風(fēng)噴吹作用下符合一定粒徑范圍的物料隨底風(fēng)上升進(jìn)入分級(jí)機(jī)，分級(jí)機(jī)將粗細(xì)不均的物料進(jìn)行分級(jí)，物料中粒度較大的在分級(jí)機(jī)和重力的作用下重新落下，在下落過(guò)程中與其他上升的物料發(fā)生摩擦，并在落至噴槍處時(shí)受到其余高速物料的沖擊而再次粉碎，直至達(dá)到要求的粒徑范圍后被底風(fēng)再次送入分級(jí)機(jī)進(jìn)行分級(jí)。
2、物料顆粒運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算
2.1  待加工物料顆粒的懸浮速度分析
    CHJ氣流沖擊對(duì)撞粉碎機(jī)設(shè)計(jì)中運(yùn)用了流體力學(xué)理論，對(duì)其物料的懸浮速度、氣流速度、質(zhì)量濃度以及空氣消耗量進(jìn)行了反復(fù)核算。由于物料顆粒粒徑在粉碎前相對(duì)較大、速度高、此時(shí)壓差阻力占大部分，本區(qū)中速度的平方與阻力成正比，在研究懸浮速度時(shí)，通常是向上運(yùn)動(dòng)的氣流使物料顆粒懸浮，也就是空氣對(duì)物料顆粒的阻力R，通常稱為空氣動(dòng)力，當(dāng)物料處于懸浮狀態(tài)時(shí)，作用在顆粒上的空氣動(dòng)力R與物料的浮重W相等，公式如下：
    設(shè)備粉碎加工屬于二次加工，設(shè)待粉碎物料粒度參數(shù)：物料直徑100μm，p。=1.2kg/m3。
    鑒于以上公式分析并代入所設(shè)待加工物料參數(shù)即可得出此種物料的懸浮速度。這也是決定氣流沖擊關(guān)鍵速度的決定因素。
2.2  影響物料顆粒懸浮速度的條件及解決措施
    在噴槍中，由于管道的截面積有限，而懸浮的物料又占距一定的截面積，致使空氣流通的截面積減少，顆粒周圍氣流速度增加，因此同一物料顆粒在受管壁限制的條件下的懸浮速度較之在自由空間中的懸浮速度要小，為解決這一問(wèn)題，我們?cè)谠O(shè)計(jì)的過(guò)程中可以人為的設(shè)計(jì)一個(gè)沿內(nèi)部管壁切向流動(dòng)的氣流，使物料沿噴槍徑向螺旋收緊的同時(shí)又減少與管壁的摩擦，在內(nèi)風(fēng)管和外風(fēng)管（即噴槍中部和頭部）上分別加上氣流環(huán)分管（如圖2所示），氣流通過(guò)環(huán)分管均勻的沿管壁環(huán)分，并通過(guò)焊接在噴槍內(nèi)部的螺旋葉片將氣流螺旋沿管道的內(nèi)外壁送出，這樣兩次的內(nèi)外風(fēng)可使物料充分的向盆槍中心收攏，以大大的提高物料相撞時(shí)的沖擊力，與此同時(shí)通過(guò)內(nèi)外風(fēng)的作用還可減少甚至消除物料對(duì)內(nèi)壁的摩擦，減少沿程壓力損失，因此，懸浮速度受到內(nèi)管壁摩擦的影響可忽略不記。
2.3  待加工物料的流動(dòng)特性分析
    通過(guò)上面的分析及計(jì)算得出懸浮速度的計(jì)算公式，將氣流沖擊對(duì)撞粉碎機(jī)的原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)代入公式又可得出物料的懸浮速度。但是，在輸送過(guò)程中，空氣壓強(qiáng)沿管道從進(jìn)料端向出料端逐漸下降使氣體體積不斷的增大，所以氣流速度沿管道也相應(yīng)的增大。為使顆粒能被氣流迅速帶走，應(yīng)首先使進(jìn)料口氣流速度遠(yuǎn)大于懸浮速度。要分析這一點(diǎn)首先應(yīng)考慮粉料的混合與離析特性。
    對(duì)粉料混合和離析機(jī)制影響最大的因素是粉料的流動(dòng)特性，自由流動(dòng)粉料從容器中倒出時(shí)流動(dòng)時(shí)是連續(xù)的，同時(shí)粒子又很容易做個(gè)別運(yùn)動(dòng)，從而發(fā)生粒子之間的離析現(xiàn)象，粘性粉料的流動(dòng)是間斷的，雖然存在流動(dòng)和貯存問(wèn)題，但卻不會(huì)出現(xiàn)自由流動(dòng)粉料常發(fā)生嚴(yán)重離析，而粉料流動(dòng)特性又與固體粒子的性質(zhì)密切相關(guān)，其性質(zhì)包括有：粒子粒徑及其粒度分布、粒子形狀、水分含量等。
    粒度及其分布是影響粉料流動(dòng)性能的重要參數(shù)，隨著粒徑的減小，顆粒間由重量引起的分離作用變?yōu)榇我�，而粒子間的結(jié)合力會(huì)使混合物中形成團(tuán)塊，隨著混合物中粒徑差異減小，離析現(xiàn)象減弱，但如果在表面帶有少量的黏附性的粗粒子混合物中，摻有粒徑非常小的細(xì)粒子，則細(xì)粒子會(huì)迅速覆蓋在粗粒子表面，此時(shí)細(xì)粒子失去了運(yùn)動(dòng)自由，從而得到高質(zhì)量的混合物。粒子的形狀及其表面粗糙度會(huì)影響粒子的流動(dòng)性能，類似球形的粒子比不規(guī)則形狀的粒子易于流動(dòng)，因?yàn)楹笳呔哂休^大的接觸面積，使流動(dòng)阻力增大。
    粉料隨著含水量的增加，使粒子之間吸附力增加，從而易于結(jié)成團(tuán)塊，使流動(dòng)遲緩，阻礙混合的形成。而安息角使粉體靠粒子自重相成一種摩擦角，它是固體粉料流動(dòng)難易的一種表征。安息角愈小的粒子流動(dòng)性愈好，在混合料中若各部分的安息角存在較大的差別，也會(huì)引起離析。
    通過(guò)以上分析可以看出所設(shè)計(jì)的設(shè)備在粉碎的粒子形狀及氣流速度等方面有嚴(yán)格的要求，設(shè)備規(guī)格和主要技術(shù)指標(biāo)如附表所示。
3、成品物料顆粒篩選高度（TDH值）
    成品物料顆粒篩選高度直接決定了本粉碎機(jī)的碰撞室高度尺寸，碰撞室的高度為碰撞室出口高度和出口大小兩者之和，其中出口大小是由分級(jí)機(jī)的處理風(fēng)量決定，對(duì)于選定的分級(jí)機(jī)工作參數(shù)，它為一定值，而碰撞室的出口高度是依據(jù)TDH值決定的，因此正確研究并合理計(jì)算TDH的大小是非常重要的，TDH值為夾帶輸送分離高度的簡(jiǎn)稱，其定義為夾帶接近常數(shù)的床層某一高度距分布板的距離，過(guò)去估算TDH值一直沿用的是Zenz和Weil提出的經(jīng)驗(yàn)線圖。相關(guān)聯(lián)，其計(jì)算結(jié)果比Zenz的估算結(jié)果更接近實(shí)際，原因是Zenz沒(méi)有考慮到自由空間軸向氣流速度的梯度變化，而是假定氣流速度為常數(shù)。
    經(jīng)過(guò)不斷的研究與探索，濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院李昆山教授引進(jìn)了凈化常數(shù)K*(d)，通過(guò)計(jì)算K*(d)，同時(shí)通過(guò)測(cè)定床層不同高度處的濃度的方法確定TDH的最優(yōu)值，其含義是，對(duì)于不同的喂料顆粒，測(cè)定其在自由空間內(nèi)不同高度的夾帶量，與相同顆粒范圍的飽和夾帶量相比，兩者的相同高度即為TDH值。
    TDH之上的夾帶量為凈化常數(shù)K*(d)，通常對(duì)平均顆粒直徑為dsi的窄尺寸范圍的固體夾帶量可用下式來(lái)求得：mi_ xi K*( d)
    Xl是這個(gè)粒級(jí)范圍的顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，總的夾帶量為整個(gè)尺寸范圍內(nèi)具有帶出速度Vt小于表觀氣速U的顆粒的夾帶量的總和。
    Wen和Hashing在1960年提出的K*(dsi)的計(jì)算式為：
    這個(gè)過(guò)程是對(duì)管道的摩擦最劇烈的部分，所以從供料器交接口處到噴料管第一部分結(jié)束這段距離添加陶瓷襯層，防止管道聯(lián)結(jié)部位磨損。在第一部分結(jié)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果相差較大的原因，原因主要有以下3點(diǎn)：
    1)床層結(jié)構(gòu)尺寸影響，前面夾帶理論中已經(jīng)分析了床層結(jié)構(gòu)對(duì)夾帶的影響。
    2)考慮到震動(dòng)因素的影響，震動(dòng)條件下分散相濃度隨高度的衰減比無(wú)震動(dòng)時(shí)要快，這說(shuō)明震動(dòng)有助于TDH值的降低，這可以從兩個(gè)方面分析，首先，由于震動(dòng)的拋擲作用，震動(dòng)條件下物料的分布較無(wú)震動(dòng)條件下物料分布均勻。而且震動(dòng)條件下物料與分布板的接觸時(shí)間為短，流化鉸好，其次，震動(dòng)有助于氣泡尺寸的降低，抑制大氣泡的形成。
    3)顆粒大小及顆粒組成的影響，由于實(shí)驗(yàn)的目的不同，所用的物料顆粒的大小及其組成不能相同，因此夾帶量F與自由空域高度的關(guān)系線不同。
    綜合以上3個(gè)方面的影響，有必要對(duì)公式式進(jìn)行修正，假定公式的指數(shù)變化規(guī)律不變，代入預(yù)先設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)得：
    我們推薦使用上式計(jì)算凈化系數(shù)K+(d)，對(duì)于本次設(shè)計(jì)所用的物料及系統(tǒng)所要求達(dá)到的產(chǎn)量，在估算系統(tǒng)的最佳風(fēng)速在2.5m/s左右時(shí)，根據(jù)上式我們推算出碰撞室噴嘴到分級(jí)機(jī)高度為2.3m。
4、主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理
    噴料管為整臺(tái)設(shè)備的關(guān)鍵部位，它由兩部分組成如圖2所示，第一部分是從供料器交接口到內(nèi)風(fēng)管，這一段距離是物料從自由落下到被吹起的部分，前進(jìn)，對(duì)噴料管內(nèi)壁的摩擦小于第一段噴料管的摩擦，但由于此時(shí)風(fēng)速提高，顆粒碰撞對(duì)管壁的沖擊力增加，更應(yīng)附陶瓷襯層保護(hù)，第一段噴料管和第二段噴料管的連接通過(guò)內(nèi)風(fēng)環(huán)分管和內(nèi)風(fēng)管連接在一起的，內(nèi)風(fēng)環(huán)分管焊接在第一段噴料管上再與內(nèi)風(fēng)管外壁相連，而內(nèi)風(fēng)管又與第二段噴料管法藍(lán)連接，整個(gè)部件被連成一體。
    在第一段噴料管與第二段噴料管的管頭部分都焊接有螺旋狀的葉片，其錐度與內(nèi)風(fēng)管和外風(fēng)管的錐度相同，主要作用是將經(jīng)過(guò)環(huán)分后的內(nèi)外風(fēng)通過(guò)這些均勻布置在噴管頭處的螺旋葉片均勻的分開(kāi)，并沿內(nèi)壁螺旋送入下一段噴料管，同時(shí)，還起到支撐內(nèi)風(fēng)管和噴料管的作用，從而減少了單純環(huán)分管焊接處的受力，增加了整個(gè)部件的剛性。
5、結(jié)  語(yǔ)
    1) CHJ新型氣流沖擊粉碎機(jī)是一種超細(xì)碎設(shè)備，具有產(chǎn)品粒度細(xì)、金屬磨損輕微的優(yōu)點(diǎn)。
    2)設(shè)計(jì)中運(yùn)用了物料顆粒群理論，設(shè)備分級(jí)能力可達(dá)到預(yù)定設(shè)計(jì)要求。
    3)制造中可運(yùn)用無(wú)損探傷、動(dòng)平衡、高強(qiáng)度合金鋼、耐磨陶瓷材料等增加設(shè)備使用壽命。
    4)通過(guò)理論計(jì)算證明，其機(jī)械性能、破碎效果都達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，可作為超細(xì)磨設(shè)備運(yùn)用到生產(chǎn)中。