0、概述
粉碎工程在當(dāng)今的經(jīng)濟(jì)和工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，20世紀(jì)以來，特別是近年來的主要發(fā)展特點有以下幾點。
(1)國內(nèi)外一致認(rèn)識到降低最終破碎產(chǎn)品粒度（即入磨粒度）是粉碎作業(yè)增產(chǎn)、節(jié)能、降耗的重要途徑，并從工藝上和設(shè)備上進(jìn)行了不懈的努力。國內(nèi)粉碎工程界概括性地將這一思想歸納為“多碎少磨”。“多碎少磨”成為近幾十年來指導(dǎo)我國粉碎工程領(lǐng)域生產(chǎn)和設(shè)備研制的重要工藝原則。與國際上相比，我國粉碎工程領(lǐng)域“多碎少磨”尚有差距，但隨著近20年來的不斷努力，已有了很大進(jìn)步；
(2)粉碎理論研究工作繼續(xù)發(fā)展，突變理論、分形理論、離散數(shù)學(xué)等方法被引入粉碎理論研究中。球磨過程和介質(zhì)運動理論以及碎磨功指數(shù)方面的研究仍時有報導(dǎo)；
(3)料層粉碎原理的出現(xiàn)對粉碎工程設(shè)備研制和開發(fā)產(chǎn)生了巨大影響。新型粉碎設(shè)備研制及舊設(shè)備優(yōu)化改進(jìn)中普遍貫徹這一原理；
(4)由于礦山選廠實現(xiàn)多碎少磨的關(guān)鍵是降低最終破碎產(chǎn)品粒度（即入磨粒度），因此在這一范圍內(nèi)的科研和開發(fā)工作中，破碎設(shè)備所占的比重大于粉磨設(shè)備，其中又以細(xì)碎和超細(xì)碎設(shè)備的研制和開發(fā)占較大比重；
(5)近年來，超細(xì)工業(yè)礦物（主要是非金屬礦）市場需求迅速發(fā)展，這一領(lǐng)域超細(xì)粉磨及其分級工藝及設(shè)備發(fā)展迅速；
(6)新的粉碎方法和設(shè)備還在不斷涌現(xiàn)，目標(biāo)是達(dá)到更細(xì)的產(chǎn)品粒度、獲取更大的破碎比、適應(yīng)不同的應(yīng)用范圍、達(dá)到更高的效率和使粉碎流程更簡短。
1、理論和試驗研究
一百多年來，國際粉碎界提出了三個著名的粉碎理論，即面積說、體積說和裂縫說。由于受歷史條件和科研手段的限制，這些理論均建立在動力學(xué)、平衡態(tài)、連續(xù)漸變過程和穩(wěn)定過程基礎(chǔ)上。但實際上巖石內(nèi)缺陷的分布是隨機的，粉碎過程是不連續(xù)、突變、不可逆、非線形、離散的開放系統(tǒng)。中南大學(xué)的張智鐵教授運用突變理論，將物料粉碎過程中狀態(tài)演變行為的研究轉(zhuǎn)化為對系統(tǒng)勢函數(shù)的研究，提出了尖點模型和燕尾模型等物料粉碎模型。他從物料系統(tǒng)狀態(tài)的失穩(wěn)和穩(wěn)定性研究出發(fā)，將物料粉碎機理研究推進(jìn)到非線形熱力學(xué)和非線性動力學(xué)范疇，選擇超熵作為物料系統(tǒng)的Lyapounov函數(shù)來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，闡明了物料粉碎是一個由定態(tài)到失穩(wěn)再到新定態(tài)過程的耗散結(jié)構(gòu)。他根據(jù)巖石內(nèi)缺陷的分形特點，運用分形理論推導(dǎo)了強度與缺陷分布維數(shù)之間的關(guān)系，建立了粉碎顆粒粒度分布模型，找到了分維數(shù)、分布指數(shù)與破碎概率之間的關(guān)系，用顆粒表面分維數(shù)Ds將三個功耗理論統(tǒng)一起來。
Toshio Inoue等運用離散單元法研究球磨機和離心磨機工作過程，對于球磨機，動態(tài)模擬介質(zhì)在不同操作條件下的臨界狀態(tài)和磨機內(nèi)能耗的分布情況。對于離心磨機，用模擬結(jié)果優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，為離心磨機設(shè)計提供了參考。G．Glove。等用離散單元法方便地研究和模擬不同球磨機襯板結(jié)構(gòu)形式的磨損規(guī)律，分析獲得的磨損數(shù)據(jù)可用于優(yōu)化球磨機結(jié)構(gòu)和磨礦工藝參數(shù)。離散單元法還有望用于模擬和優(yōu)化
顎式破碎機和圓錐破碎機等設(shè)備。
德國Klausthal技術(shù)大學(xué)K．Schonert教授等進(jìn)一步發(fā)展料層粉碎理論，提出了交叉交變料層粉碎方法。將石灰石、碳化硅等不同硬度、粒度為- 40um的物料放在一個特制的模具內(nèi)，用4個壓頭呈十字形安放，從相互垂直的兩個方向交替施加高壓，壓力為100~700 MPa。結(jié)果產(chǎn)生了-2~-5um的產(chǎn)品，能耗低于輥壓機。
以往對球磨機利用率的分析都認(rèn)為，大部分能量是以熱、振動和聲音等形式消耗，只有不到5%消耗于粒度減小。D．W．Fuerstenau和A一Z．M．Abouzeid提出，根據(jù)單一樣品在壓縮負(fù)荷或沖擊負(fù)荷下，單位能量產(chǎn)生的新生表面積評價球磨效率，以壓縮負(fù)荷下單顆粒破碎的平均值0. 02m2/J為效率計算的基準(zhǔn)，得出石英的球磨之效率大約為15%。以Bergstrom的單顆粒試驗的計算表面積為參考，鈉鈣玻璃的球磨之效率在15%以內(nèi)。與單顆粒破碎產(chǎn)生同樣程度的粒度分布所需要的能量相比，分批球磨鈉鈣玻璃的凈效率大約為25%。另外，利用破碎后飛濺的碎塊進(jìn)行再破碎，可使能量利用率幾乎翻番。采用閉路粉磨流程時，循環(huán)負(fù)荷從50%增加到500%，能量利用率可提高36 %。
在進(jìn)行Bond球磨功指數(shù)試驗時，若試驗粒度較細(xì)(小于53um），由于篩分效率下降，將造成試驗結(jié)果偏大。為此，加拿大Falconbridge公司采用濕式Bond球磨功指數(shù)試驗代替標(biāo)準(zhǔn)干式試驗方法。濕式試驗所用設(shè)備和介質(zhì)、設(shè)備和工藝參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)方法基本相同，但要在磨機簡體內(nèi)加入lkg水，使礦漿固體體積濃度達(dá)到30%。因濕磨效率較干磨高，測、得的功指數(shù)須乘以1.3的效率修正系數(shù)。
2、破碎
破碎領(lǐng)域近年來的發(fā)展特點歸納為如下幾點。
(1)在多碎少磨原則指導(dǎo)下，我國礦山選廠最終破碎產(chǎn)品粒度不斷減小。破碎階段是實現(xiàn)多碎少磨的關(guān)鍵，主要有兩個途徑：引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)裝備和對現(xiàn)有流程及設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造；
(2)料層粉碎原理對設(shè)備研制產(chǎn)生了極大影響，產(chǎn)生了以料層粉碎原理工作的輥壓機，其他設(shè)備也盡可能利用這一原理；
多碎少磨原則和料層粉碎原理在破碎領(lǐng)域工藝和設(shè)備的發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。多碎少磨從宏觀上即破碎和粉磨兩個階段的關(guān)系上發(fā)揮著指導(dǎo)作用；而料層粉碎則從微觀上即設(shè)備性能優(yōu)化上發(fā)揮著指導(dǎo)作用；
(3)國外不同行業(yè)都有相應(yīng)的大型先進(jìn)破碎設(shè)備在持續(xù)發(fā)展，如旋回破碎機、顎式破碎機和圓錐破碎機（礦物加工、石料破碎），輥壓機（建材、礦物加工），反擊式破碎機（建材、石料破碎），齒輥破碎機（煤炭、礦物加工），立式?jīng)_擊破碎機（石料破碎）；
(4)國內(nèi)不同行業(yè)對中小型破碎機進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)，特點是品種、結(jié)構(gòu)形式多樣化，目標(biāo)是滿足不同的用途、獲得更細(xì)的產(chǎn)品和達(dá)到更高的破碎比。例如慣性圓錐破碎機、細(xì)碎型顎式破碎機、立軸錘式破碎機等。少數(shù)先進(jìn)的顎式破碎機也向大型化方向發(fā)展，如外動顎顎式破碎機；
(5)現(xiàn)代先進(jìn)設(shè)備普遍采用計算機優(yōu)化設(shè)計、有限元設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法，采用現(xiàn)代液壓技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)和計算機自動控制等現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)和新材料；
(6)新型高效破碎設(shè)備使粉碎流程得到簡化，或者使閉路破碎簡化為開路，或者減少破碎段數(shù)。
2.1旋回破碎機
目前世界上最大規(guī)格的旋回破碎機是德國Krupp公司制造的63~114英寸(1600~ 2896 mm)旋回破碎機，1997年用于印尼Iriana Jaya的Freeport公司之Grasberg銅礦。
在具有國際先進(jìn)水平的初碎旋回破碎機中，最有代表性的是芬蘭Metso集團(tuán)的新一代Superior MK-Ⅱ旋回破碎機（原屬瑞典Svedala集團(tuán)）。其主要特點有：(1)采用底部單缸液壓調(diào)整排料口系統(tǒng)，能良好地控制產(chǎn)品粒度和補償襯板磨損造成的排料口變化。還可以用于清掃破碎腔，例如在負(fù)荷下突然斷電時，可使主軸下降以清除破碎腔內(nèi)的物料；(2)破碎腔深，生產(chǎn)能力強，襯板壽命長。利用計算機設(shè)計的破碎腔形狀使破碎過程達(dá)到最佳化，提高了能量利用率，使產(chǎn)品粒度均勻和襯板磨損均勻，襯板表面形狀隨時間的變化��；(3)可通過調(diào)整偏心套改變偏心距，從而調(diào)整生產(chǎn)能力；(4)采用特重型機架、高強度主軸部件和高性能的支承系統(tǒng)，保證了運轉(zhuǎn)可靠和整機壽命長；(5)偏心套上部和大齒輪下部裝有平衡配重，用以平衡旋回運動的慣性力，使設(shè)備可用于移動式裝備上；(6)小齒輪軸系統(tǒng)為一獨立單元，齒輪齒隙易調(diào)整，安裝、維修方便；(7)為便于控制操作，可安裝主軸位置傳感器。為便于維修，可選用上橫梁液壓分離裝置、上橫梁自動潤滑裝置和頂部外殼旋轉(zhuǎn)裝置；(8)可安裝平衡缸，當(dāng)主軸偶然向上運動時，使軸瓦和活塞緊密接觸而得到保護(hù)。
2.2圓錐破碎機
近年來，在結(jié)構(gòu)形式上最具代表性的圓錐破碎機仍是瑞典Sandvik集團(tuán)的液壓圓錐破碎機（原屬瑞典Svedala集團(tuán)）和芬蘭Metso集團(tuán)的Symons體系之圓錐破碎機。發(fā)展特點是高能化，即達(dá)到更高的輸入能量／質(zhì)量比，目標(biāo)是獲得更高的破碎比和更細(xì)的產(chǎn)品粒度。
破碎腔形的作用及其研究設(shè)計受到重視，普遍在其設(shè)計中貫徹恒定破碎特性思想、料層粉碎原理和一機多種腔型的設(shè)計，并不斷有新的發(fā)展。
慣性圓錐破碎機原理獨樹一幟，仍處于應(yīng)用、改進(jìn)和發(fā)展中。滾動軸承支承的圓錐破碎機從分立軸承支承發(fā)展到INA集中滾動支承，規(guī)格不斷大型化。
現(xiàn)代自動控制技術(shù)起著越來越重要的作用。
2.2.1 液壓圓錐破碎機
瑞典Sandvik集團(tuán)的第三代H和S1800系列液壓圓錐破碎機（原屬瑞典Svedala集團(tuán)）具有國際領(lǐng)先水平[18]，其系列規(guī)格為S2800、S3800、S4800、S6800和H2800、H3800、H4800、H6800、H8800。H1800系列液壓圓錐破碎機結(jié)構(gòu)見圖l。它們的傳統(tǒng)特點是陡錐、高擺頻、小偏心距、主軸簡支梁支承形式、底部單缸液壓支承和頂部星型架結(jié)構(gòu)。近年來的發(fā)展包括：(1)高能化，大幅度提高了功率／體積（質(zhì)量）比；(2)采用先進(jìn)的自動控制系統(tǒng)；(3)S系列有特粗和粗兩種、H系列有特粗到超細(xì)7種腔型襯板，使同一臺設(shè)備可用于不同給料和產(chǎn)品粒度要求。超細(xì)腔形利用了料層粉碎原理；(4)可以簡單地通過轉(zhuǎn)動偏心套改變偏心距；(5)采用恒定襯板特性( CLP)破碎腔形；(6)采用特殊合金襯板，延長襯板壽命；(7)小齒輪軸系為一整體部件，調(diào)整、安裝、維修方便；(8)采用重型主軸，結(jié)構(gòu)堅固；(9)所有檢查和維護(hù)都可以從設(shè)備上部完成，操作簡捷方便；(10)主軸上端用襯套保護(hù)，延長了軸的使用壽命。最新進(jìn)展是自動控制系統(tǒng)由ASR Plus發(fā)展為ASRi。后者的基礎(chǔ)是新的平均峰值壓力運算系統(tǒng)，可以隨著負(fù)荷波動造成的破碎力、液壓力和功率之變化，隨時將排料口自動調(diào)整到設(shè)定值。S系列液壓圓錐破碎機原名為Superior第二段旋回破碎機，與H系列圓錐破碎機的主要區(qū)別是給料口較大。H6800液壓圓錐破碎機能力與傳統(tǒng)的7口尺圓錐破碎機相同，而質(zhì)量僅為后者的1/3左右。H8800液壓圓錐破碎機可以安裝在傳統(tǒng)的7口尺圓錐破碎機的基礎(chǔ)上，但處理能力和輸入功率是后者的約兩倍。該設(shè)備在國外用于世界最大的地下銅礦——智利Codelco公司的El Teniente銅礦等礦山。
近年來，我國各地己應(yīng)用了數(shù)十臺H1800系列液壓圓錐破碎機。江西銅業(yè)公司德興銅礦1999年使用了2臺改型前的H8000型產(chǎn)品，2004年增加了2臺H8800型產(chǎn)品。鞍鋼集團(tuán)公司所屬的齊大山、弓長嶺、大孤山和胡家廟等鐵礦選礦廠自2002年起先后使用了20臺，其中H8800的17臺，H6800的3臺。在齊大山選礦廠，H8800的生產(chǎn)能力是原∮2200 mm圓錐破碎機的2倍，而襯板壽命基本相同，并且顯著節(jié)能。太鋼尖山鐵礦、馬鞍山和攀枝花也各使用了1臺H8800液壓圓錐破碎機。
最新推出的H7800型液壓圓錐破碎機是為取代廣泛應(yīng)用的老式7口尺Symons圓錐破碎機而開發(fā)的，填補了H6800和H8800型設(shè)備之間的空缺。其新的特點有：大部分質(zhì)量在堅實的下殼體上；動負(fù)荷很小，不需龐大的基礎(chǔ)；更長的活塞以有效地處理漂流金屬；新的襯板設(shè)計使襯板與殼體之間形成多點接觸，而不需使用環(huán)氧樹脂或鋅填充縫隙，使襯板更便于拆裝；并采用新的ASRi自動控制系統(tǒng)。第一臺H7800型液壓圓錐破碎機于2004年4月用于智利Mantos Blancos銅礦山。
芬蘭Metso集團(tuán)最新推出了GP550型NordbergGP系列底部單缸液壓圓錐破碎機。其最大功率為351 kW，質(zhì)量為24 t。特點有：(1)特粗型破碎腔最大給料口尺寸為300 mm，可用于第二段破碎；(2)新的優(yōu)化破碎腔型可具有更高的破碎性能；(3)排料口有較寬的調(diào)整范圍，閉邊最大可達(dá)50 mm，具有更高的處理能力；(4)專利活塞設(shè)計使設(shè)備安裝高度只有2.796 m; (5)用于細(xì)碎時壓力和功率之間的更好平衡；(6)新型潤滑系統(tǒng)、更大的油泵和新的頂部支承結(jié)構(gòu)提高了工作可靠性；(7)每個襯套具有兩個偏心距，提高了對不同工況的適應(yīng)能力。
