Свойства кристаллических и аморфных твердых тел, страница 12

На стадии дробления реализуется развитие уже существующих в объеме трещин, характеризующихся способностью к высокой концентрации напряжений в материале, прилегающем к вершинам трещин. Рост трещин может происходить с большой скоростью как путем объединения ослабленных мест, так и непосредственно по межзеренным границам и телам зерен, составляющих структуру. Основным количественным отличием этого этапа измельчения является возможность полагать поверхностную удельную энергию разрушаемого материала g = g₀ - поверхностному натяжению границы раздела «вещество - вакуум». И хотя точное значение g₀ для многих структур неизвестно, хорошо известно, что ее величина зависит от нескольких параметров. Она может быть увеличена или уменьшена при соприкосновении с поверхностно-активными веществами, сильно изменяется с дефектностью структуры. Выше уже указывалось, что по предложению Орована и Гилмана в телах, испытывающих в процессе разрушения пластическую деформацию, для определения необходимой энергии заменяют g₀ на g = g₀ + g_пл, причем в некоторых случаях отношение g/g₀ =  12...15.

Рис.2.1.12. Развитие микротрещин при дроблении: а) - в условиях одноосного сжатия без трения по опорным поверхностям;   б) - сжатие при наличии трения на опорных поверхностях;                   в) - разрушение тела реальной формы под действием сжимающих, срезающих и растягивающих напряжений.

При быстром росте хрупких трещин в крупных телах возможна лишь очень малая деформация материала по берегам трещины на глубину 10…20Å , т.е.  g»g₀, и потому хрупкое разрушение в телах любого типа (металлы, неметаллы, кристаллы, аморфные структуры) требует малых энергозатрат. Например, Гилман определил экспериментально, что при комнатной температуре рост трещин в кристаллах  LiF  со скоростью 60 м/с и более не сопровождается образованием дислокаций в пересекаемом трещиной объеме. Для сравнения укажем, что предельная скорость трещин в кристаллах LiF  составляет ~ 2000 м/с.    В механике разрушения материалов общепризнанной является точка зрения об обратной зависимости между скоростью деформации и вязкостью разрушения (рис. 2.1.13), четко выявляющейся для металлов и тел кристаллического строения, но менее явно для тел с дефектами, например, бетонов. Высказанное утверждение полностью может быть отнесено к разрушению строительных и других неметаллических материалов на стадии дробления.

Ситуация количественно и качественно изменяется при переходе к измельчению. По мере уменьшения частиц - продуктов помола - исходная дефектность их объема уменьшается, возрастает степень совершенства структуры, которую предстоит разрушить.

Разрушение же структур совершенного строения требует значительно больших энергозатрат, так как обязательно должна быть пройдена стадия их упругого и пластического деформирования, зарождение и движение точечных и линейных дефектов, накопление их и формирование микрозародышей разрушения и микротрещин и, наконец, разделение частей и образование новых поверхностей как результат помола.

Рис.2.1.13. связь вязкости разрушения металлов и кристаллов со скоростью их нагружения

При размерах частиц примерно 1…2 мкм основным видом затрат энергии становятся затраты на предельное пластическое деформирование, хотя имеются и другие затраты энергии:

·  на образование новых поверхностей, причем они могут быть в 5…15 раз выше, чем при раскалывании макротел;

·   на работу против сил трения;

·  на работу по преодолению агрегирующих сил, вызывающих слипание уже размолотых частиц.

Изменение кристаллической структуры, возрастание ее дефектности, полная или частичная аморфизация всего объема частиц или их поверхностных слоев неоднократно обнаруживались рентгенографическими и термографическими исследованиями продуктов помола кварца, двухкальциевого и трехкальциевого силикатов (белита 2CaO×SiO₂ и алита 3CaO×SiO₂) - основных составляющих портландцементного клинкера, и других материалов. В частности, отмечено, что толщина аморфного слоя на частицах кварца, измельченного в сухом воздухе, изменяется очень резко от значения, равного примерно 20Å  при грубой дисперсности, до нескольких сотен ангстрем в случае достаточно тонкого измельчения (Г.С.Ходаков), т.е. возрастает в 5…10 раз.

Пропорционально возрастают и энергозатраты на помол. Факт о пропорциональности энергозатрат увеличению удельной поверхности материала (количеству площади поверхности, отнесенному к единице массы порошка), хорошо известен в практике измельчения веществ.

Одним из путей снижения этих затрат является применение, там где это возможно, мокрого помола с добавлением воды или ПАВ, размол в присутствии паров или твердых добавок, например, помол клинкера в присутствии угля. Производительность мельниц, или качество помола, или и то и другое одновременно удается повысить до 15...30%, хотя точный механизм влияния добавок не всегда ясен. Например, эффективность измельчения кварца в присутствии уже 1% воды возрастает примерно в 10 раз и примерно в 15 раз выше (по сравнению с сухим помолом) при мокром помоле (40…80% воды от массы загрузки). Отмечено три различных эффекта влияния среды, связанных с влиянием на величину поверхностной энергии g₀ физической сорбции: пластифицирование, увеличение хрупкости материала, появление способности к самопроизвольному диспергированию.

Имеющиеся в объеме или создаваемые в ходе деформации микротрещины могут заполняться пленками жидкости и оказывать расклинивающее действие (эффект Ребиндера), стимулируемое гидравлическими ударами, происходящими при соударении диспергируемых частиц с мелющими телами, стенками камер и друг с другом.

Однако влияние адсорбционного эффекта заключается не только в возможном снижении поверхностной энергии и способствовании разрушению твердых тел.  

Поскольку при тонком измельчении сильно проявляется эффект слипания частиц (агрегирование), природа которого остается не вполне понятной, но, по-видимому, связана с электризацией и поляризацией частиц-диэлектриков, можно полагать, что присутствие некоторых добавок (например, угля) снижает электростатическое взаимодействие между частицами. Вместе с тем известно, что в некоторых случаях деагрегации частиц способствует и добавка неэлектропроводных добавок - канифоли, трепела. Отсутствие сколько-нибудь точной теории физико-химического воздействия сред на процесс измельчения требует проведения в каждом отдельном случае специальных экспериментов по эмпирическому подбору состава и количества добавок, по отладке технологии диспергирования.