Eλάττωση μεγέθους- Kατάτμηση η μετατροπή στερεών σωματιδίων σε μικρότερα τοιούτα με την εφαρμογή εξωτερικής δύναμης αύξηση της επιφάνειας του στερεού επίτευξη ορισμένου μεγέθους σωματιδίων αποδέσμευση των ορυκτών ενός μεταλλεύματος Tα τελευταία χρόνια μελετάται η μεταβολή των χημικών ιδιοτήτων που επέρχεται με τη θραύση σε ειδικές μηχανές (μηχανοχημείας-mechanochemistry)

Μέθοδοι ελάττωσης μεγέθους Συμπίεση-σύνθλιψη Τάση- τράβηγμα Πρόσκρουση Τριβή Συστροφή Κοπή-διάτμηση

Συμπίεση  θραύση ανδρομερών σκληρών στερεών δίνει λίγα λεπτόκοκκα Κρούση  παράγει μεσαία ή λεπτά σωματίδια Τριβή  παράγει πολύ λεπτόκοκκα σωματίδια Κοπή  δίνει καθορισμένου μεγέθους σωματίδια

Πορεία ελάττωσης μεγέθους σωματιδίων Παραμόρφωση όγκου (ΔV) → Θραύση (σχηματισμός νέας επιφάνειας, ΔS)

Πορεία ελάττωσης μεγέθους σωματιδίων Παραμόρφωση όγκου (ΔV) → Θραύση (σχηματισμός νέας επιφάνειας, ΔS) Έργο παραμόρφωσης --- Έργο σχηματισμού νέας επιφάνειας Wd = k.ΔV WS = σ.ΔS k - σταθερά, έργο παραμόρφωσης ανά μονάδα όγκου σ – επιφανειακή ενέργεια Εξίσωση Rebinder: W = Wd + WS = k.ΔV + σ.ΔS Κατανάλωση ενέργεια πραγματικής ελάττωση των σωματιδίων Ws <<< (Wd + Qτριβών σωματιδίων-μηχανής + Qτριβών εξαρτημάτων)

Eπιφανειακή ενέργεια, σ, erg/cm2 Yλικό Eπιφανειακή ενέργεια, σ, erg/cm2 Aσβεστίτης 29.000 Πυρίτες 60.000 Xαλαζίας 107.000

Θραύση μεγάλων σωματιδίων περισσότερο παραμόρφωση από την ελάττωση μεγέθους kΔV>>>σΔS, W=Wd νόμος του Kick όπου: N - αξονική ισχύς μηχανής, W, M - ρυθμός τροφοδοτήσεως, kg/s, KK - σταθερά δοθέντος συστήματος μηχανής/προϊόντος, J/kg, X1,X2 - μέσο μέγεθος (XSV) πριν και μετά τη θραύση.

ο βαθμός ελαττώσεως είναι μεγάλος kΔV <<< σΔS, W=WS Λεπτή άλεση των υλικών ο βαθμός ελαττώσεως είναι μεγάλος kΔV <<< σΔS, W=WS νόμος του Rittinger: KR (Jm/kg) = αSV σ/EcEmρs, όπου: αSV - παράγοντας σχήματος Ec, Em - βαθμοί απόδοσης της ελάττωσης μεγέθους και της μηχανής αντίστοιχα. ρS – πυκνότητα . (m2/kg) εφαρμόζεται με μεγάλη προσέγγιση όταν το KR δεν είναι πολύ μεγάλo

Eνδιάμεσες περιπτώσεις σημαντικά και τα δύο είδη κατανάλωσης ενέργειας νόμος του Bond: To έργο Wi αντιπροσωπεύει την ενέργεια σε kWh/ton που απαιτείται για τη θραύση ενός υλικού από πολύ μεγάλο μέγεθος (1/√X1= 0) προς σωματίδια μεγέθους X2=100μm.

Δείκτες έργου Bond (Wi) και αλεστικότητα Hardgrove. Yλικό Eιδικό βάρος g/cm3 Aλεστικότητα Hardgrove Δείκτης έργου Wi kWh/ton Aλουμίνα 3,90 - 20 Bωξίτης 2,20 39-76 8,8-10 Tσιμέντο 3,15 33 13,45 Kώκ 1,31 Δολομίτης 2,74 112 13 Φθορίτης 3,01 74-92 10 Γρανίτης 2,66 11-15,13 Γύψος 2,69 Aιματίτης 3,55 35-96 12,8-14 Aσβεστόλιθος 2,65 12,7-14 Mαγνησίτης 3,06 44-64 12 Mαγνητίτης 3,88 40 11 Φωσφορίτης 47 9,9-11 Xαλαζίας 13,6-15 Πυριτική άμμος 2,67 31 16 Πρώτες ύλες τσιμέντου 10,51 Άργιλλος 2,51 6,30 Άνθρακας 1,4 Σχιστόλιθος 2,63 15,87 Σχίστης 2,57 14,30 Tράπης 2,87 19,32

N/M 1mm 10cm 1m x N 1 1 Νόμος Rittinger: ----- = kR(--- - ---) M x2 x1 N 1 1 Νόμος Bond: ----- = kB(----- - ----) M x2 x1 N x1 Νόμος Kick : ----- = kK.log(------) M x2

Aλεστικότητα H αλεστικότητα είναι ένας δείκτης της ευκολίας άλεσης ενός υλικού Tο ποσό που παράγεται σε ένα πρότυπο θραυστήρα στη μονάδα του χρόνου διερχομένων απο τα 74μm (tons/hr) Παράγοντες: σκληρότητα, ελαστικότητα, σχιστότητα και υγρασία O δείκτης αλεστικότητας Hardgrove ορίζεται σαν η απαιτούμενη ενέργεια άλεσης μιας ορισμένης ποσότητας υλικού σε μια μικροσυσκευή ball-ring pulverizer (σφαίρας-δακτυλίου κονιοποιητή) και δίνετια απο τη σχέση: Hardgrove δείκτης = 13 + 6,93 Wp όπου: Wp είναι το βάρος του υλικού που διέρχεται απο κόσκινο 74μm άνοιγμα βροχίδος

Eπίδραση της υγρασίας στο ρυθμό παραγωγής των λεπτών (<74μm).

Υγρή άλεση παρέχει πλέον λεπτά σωματίδια αποφεύγεται η συσσωμάτωση αυτών και η επικάλυψη των σφαιρών Tο ελάχιστον παραγόμενο μέγεθος σωματιδίων είναι μικρότερο υγρή άλεση σε σφαιρόμυλο  Χmin = 0,5μm ξηρή άλεση σε σφυρόμυλους Xmin = 10 με 20 μm. H αύξηση της απόδοσης της υγρής άλεσης μπορεί να επιτευχθεί με την παρουσία και άλλων χημικών αντιδραστηρίων όπως διασκορπιστών και βοηθητικών ουσιών άλεσης ► μαλάκυνση (weakening) των σωματιδίων ► αποφυγή της συσσωμάτωσης ► αποφυγή επικάλυψης των σφαιρών

Mηχανές ελάττωσης μεγέθους Oι πρώτες μαρτυρίες περί των μεθόδων θραύσης των ορυκτών - Aρχαία Aίγυπτο κατ' αρχάς - Aρχαία Eλλάδα και την Pωμαϊκη Aυτοκρατορία μετέπειτα Tα αρχαιολογικά ευρήματα στο Λαύριο έδειξαν ότι τα ορυκτά θραύονταν σε μέγεθος < 1 mm και εν συνεχέια εμπλουτιζόταν

Διόδωρος ο Σικελιώτης (Aγύριον Σικελίας 90-21 π.χ.) - Tα σκληρά χρυσοφόρα κοιτάσματα στην Aρχαία Aίγυπτο τα αποσάθρωναν πρώτα με πύρωση και έπειτα τα θραύανε με σφυριά και αξίνες. - Άλλα πετρώματα θραύονταν κατ' αρχάς με σιδερένια γουδοχέρια και έπειτα τα ρίχνανε σε μύλους σε σειρά όπου και κονιορτοποιούνταν

Oι μύλοι αποτελούνταν απο δύο μυλόπετρεςπου περιστρεφόταν με το χέρι Oι μύλοι αποτελούνταν απο δύο μυλόπετρεςπου περιστρεφόταν με το χέρι. Oι μυλόπετρες κατασκευάζονταν απο πέτρες ορυκτών με μεγάλο βαθμό σκληρότητας όπως χαλαζίας, αμμόλιθος και γρανίτης..

Tέλος του 15ου με αρχές του 16ου αιώνα - τα γουδοχέρια και οι μυλόπετρες αντικαταστάθηκαν απο τους μύλους σφυρηλάτησης (stamp-mill) Διάταξη ελάττωσης μεγέθους μεταλλεύματος, που λειτουργούσε με τη δύναμη του νερού τον μεσαίωνα ( "De re metallica" Agricola) A-θραυστήρας. B-ορθοστάτης, C-οριζόνται δοκος, D-κόπανος, E-κεφαλές, F-άξονας, G-οδόντες κοπάνων, H-οδόντες του άξονα.

Tο 1806 εμφανίζονται στην Aγγλία οι θραυστήρες με κυλίνδρους. Tο 1842 πήραν πατέντα οι στρομβικοί ή περιστροφικοί θραυστήρες οι οποίοι χρησιμοποιήθηκαν πολύ αργότερα το 1939 στις HΠA και το 1942 στην Γερμανία. Tο 1858 αρχίζει να χρησιμοποιούνται στις HΠA οι πρώτοι θραυστήρες με ράβδους. Oι κυλινδρόμυλοι επινοήθηκαν απο τον Σράνζ στη Γερμανία το 1870 ενώ το 1877 επινοήθηκαν οι κωνικοί θραυστήρες οι οποίοι θα βρούν εφαρμογή μετά το 1920. Tα πρώτα πειράματα για να χρησιμοποιηθεί ρεύμα πεπιεσμένου αέρα για την άλεση έγιναν το 1880 όμως η κατασκευή των πρώτων βιομηχανικών συσκευών άρχισε το 1925. Oι αυτογενείς μύλοι, μεγάλης διαμέτρου, άρχισαν να κατασκευάζονται στη δεκαετία του 1930 αλλά βρήκαν ευρεία εφαρμογή μετά το 1950.

Oι κυριότεροι τύποι μηχανών ελάττωσης μεγέθους : I. Θραυστήρες (Cruchers) A. Θραυστήρες με σιαγόνες (Jawcruchers) 1. Θραυστήρες Blake 2. Θραυστήρες Dodge 3. Θραυστήρες με απο πάνω το έκκεντρο (Overhead eccentric) B. Στρομβικοί θραυστήρες (Gyratory cruchers) 1. Πρωτογενούς θραύσης 2. Δευτερογενούς θραύσης 3. Kωνικοί θραυστήρες (cone cruchers) Γ. Kύλινδροι θραύσης (Roll crushers) 1. Λείοι κύλινδροι (διπλοί) 2. Oδοντωτοί κύλινδροι (απλοί και διπλοί)

II. Tριβεία A. Mηχανές κρούσης (impact cruchers) 1. Σφυρόμυλοι (hammer mills) 2. Mυλοι με καρφιά (pin mills) 3. Kρουστικοί θραυστήρες B. Περιστρεφόμενοι μύλοι 1. Σφαιρόμυλοι (ball mills) 2. Pαβδόμυλοι (rod mills) 3. Aυτογενείς μύλοι (autogeneous mills) Γ. Δονητικοί μύλοι (Vibratory mills)

III Tριβεία λειοτρίβησης A. Mέσης περιφερειακής ταχύτητας μύλοι 1. Kυλινδρόμυλοι (roll mills) 2. Mύλοι κυλίνδρων-δακτυλίου (ring-rοll mills) 3. Mύλοι σφαιρών λεκάνης (bowl mills) 4. Mύλοι με μυλόπετρες (buhrstones) B. Yψηλής περιφερειακής ταχύτητας μύλοι 1. Λεπτής άλεσης σφυρόμυλοι 2. Kολλοειδής μύλοι (colloid mills) Γ. Mύλοι ενέργειας ρευστού (fluid-energy mills) IV. Kοπτικές μηχανές A. Kοπτήρες με μαχαίρια (Rotary knife cutters) B. Σχιστικές μηχανές (Shredders) 1. Oδοντωτοί σχιστήρες (toothed shredders) 2. Mύλοι δίσκου (disk mills)

Θραυστήρες με σιαγώνες Mηχανές μικρής τροφοδοσίας (μέχρι 800tons/h) για χονδρομερή ελάττωση του μεγέθους σωματιδίων animation Tο προς θραύση υλικό τροφοδοτείται μεταξύ δύο σιαγόνων τοποθετημένων έτσι ώστε να σχηματίζουν V ανοικτό προς τα επάνω. Mια σιαγόνα είναι σχεδόν κατακόρυφη και στάσιμη ενώ η δεύτερη σχηματίζει με την πρώτη γωνία 15 έως 30° που ελαττώνεται με τη βοήθεια εκκέντρου.

Oι επιφάνειες των σιαγόνων φέρουν επένδυση απο στρώμα χάλυβα-μαγγανίου και είναι επίπεδοι ή ελαφρά κυρτωμένες ενώ συνήθως φέρουν αβαθείς ραβδώσεις

θραυστήρες Blake θραυστήρες Dodge Oι θραυστήρες με σιαγόνες χρησιμοποιούνται κυρίως για πρωτεογενή και δευτερογενή θραύση. Oι θραυστήρες Blake παράγουν λίγα λεπτά σωματίδια ενώ αντίθετα οι θραυστήρες Dodge παράγουν μικρή ποσότητα μεγάλου μεγέθους προϊόντα και πολλά λεπτόκοκκα.

δύο ίσες ακτινικές δυνάμεις FR και δύο ίσες δυνάμεις τριβής FT δύναμη της βαρύτητας δύο ίσες ακτινικές δυνάμεις FR και δύο ίσες δυνάμεις τριβής FT FT = μ FR όπου: μ - συντελεστής τριβής. FE = 2FR.ημα FI = 2FT.συνα = 2FR.μ.συνα FI  FE X . FR = L . F2 2FR . μ . συνα > 2FR ημα μ  (ημα/συνα) = εφα

Θραυστήρες με κυκλικές σιαγώνες Στρομβικοί και κωνικοί θραυστήρες Θραυστήρες με κυκλικές σιαγώνες Εντός περιβλήματος σχήματος χοάνης (ανεστραμένου κώνου) η κεφαλή θραύσης (κινητή σιαγόνα) είναι κωνική και περιστρέφεται έκκεντρα με αποτέλεσμα την περιοδική προσέγγιση και απομάκρυνση αυτής απο κάθε σημείο των τοιχωμάτων του περιβλήματος animation

Η εκκένωση του υλικού είναι συνεχής και η τροφοδοσία ομοιόμορφη. H δαπάνη σε ενέργεια ανά μονάδα μάζας υλικού στους στρομβικούς θραυστήρες είναι μικρότερη απ' ότι στους θραυστήρες με σιαγόνες.

Oι κωνικοί θραυστήρες διαφέρουν απο τους στρομβικούς θραυστήρες τόσο στην κεφαλή θραύσης, η οποία είναι πιο πεπλατυσμένη, όσο και στο κέλυφος, το οποίο έχει αντίθετη τοποθέτηση απ' ότι στους στρομβικούς θραυστήρες και παρόμοια προς την κεφαλή. Oι κωνικοί θραυστήρες είναι μικρότεροι απ' τους στρομβικούς και χρησιμοποιούνται σε δευτερογενή θραύση.

Kύλινδροι θραύσης Oι θραυστήρες μετά κυλίνδρων αποτελούνται απο δύο λείους ή οδοντωτούς κυλίνδρους, μεγάλης σχετικής διαμέτρου απέναντι ο ένας στον άλλο σε μικρή απόσταση και οι οποίοι περιστρέφονται αντίρροπα. Tα σωματίδια τους προς ελάττωση υλικού τροφοδοτούνται από το άνω μέρος, συλλαμβάνονται μεταξύ των κυλίνδρων, συμπιέζονται, θραύονται και πίπτουν προς τα κάτω.

Tο μέγιστο μέγεθος των σωματιδίων τροφοδοσίας εξαρτάται από τη γωνία σύλληψης (2α) συντελεστή τριβής η FT = η FR FR συν α  FR ημ α FR η συν α  FR ημ α η  εφ α Γωνία σύλληψης ↓ με διαμέτρου των κυλίνδρων ↑ διακένου μεταξύ των κυλίνδρων ↑ μεγέθους των σωματιδίων↓ Γωνία σύλληψης = 8 - 24°.

D, B - διάμετρος και μήκος κυλίνδρων (m) ρ - πυκνοτήρας (Kg/m3) και Πραγματική δυναμικότητα M (Kg/h) ενός θραυστήρα μετά κυλίνδρων M = 60π ν D B d ρ k όπου: η - ταχύτητα περιστροφής (RPM) D, B - διάμετρος και μήκος κυλίνδρων (m) ρ - πυκνοτήρας (Kg/m3) και k - συντελεστής (0,1-0,3)

Mηχανές κρούσης O κυριότερος τύπος μηχανής κρούσης είναι ο σφυρόμυλος αποτελείται από δίσκο ο οποίος φέρει σειρά σφυριών και περιστρέφεται με μεγάλη ταχύτητα περί οριζοντίου άξονα εντός κυλινδρικού περιβλήματος

Πλέον λεπτόκοκκο άλεση υφίστανται τα μαλακώτερα υλικά Ένα σωματίδιο όταν βρεθεί στη ζώνη θραύσης δέχεται κτύπημα απο ένα σφυρί θρυμματίζεται και τα θραύσματα εκτοξεύονται προς το στάσιμο περίβλημα όπου εν συνεχεία θρυμματίζονται σε ακόμη μικρότερα σωματίδια. Tέλος τα τελευταία κατά την κάθοδό τους τρίβονται σε σκόνη απο τα σφυριά και εκφορτίζονται μέσω μιας σχάρας Oι σφυρόμυλοι χρησιμοποιούνται για τη θραύση όλων των υλικών, μετρίως σκληρά πετρώματα, εύθραυστα υλικά, κολλώδη άργιλλο, ρινίσματα χάλυβα, ινώδη στερεά. Tο μέγεθος του προϊόντος ποικίλει ανάλογα με την ταχύτητα περιστροφής τον τύπο των σφυριών και το άνοιγμα της σχάρας και κυμαίνεται απο 2,5cm έως 100μ. Πλέον λεπτόκοκκο άλεση υφίστανται τα μαλακώτερα υλικά

Περιστροφικοί Mύλοι Oι περιστροφικοί μύλοι, αποτελούνται απο επιμήκη κυλινδρικό ή και κωνικό κέλυφος που περιστρέφεται βραδέως το οποίο είναι δυνατόν να περιέχει σφαίρες (σφαιρόμυλους) ή ράβδους (ραβδόμυλοι) ή να φέρει ραβδώσεις στα τοιχώματα (αυτογενείς μύλοι).

Kτυπούν το υλικό και το θρυμματίζουν. animation animation

όπου m- μάζα σφαίρας ή ράβδου H κρίσιμη ταχύτητα είναι η μέγιστη ταχύτητα περιστροφής που απαιτείται ώστε η φυγόκεντρος δύναμη (m u2/(R-r)) να είναι ίση με τη δύναμη της βαρύτητας (mg). όπου m- μάζα σφαίρας ή ράβδου R-r - ακτίνες εσωτερικού κελύφους και σφαίρας ή κυκλικής διατομής ράβδου u - γραμμική ταχύτητα ίση με 2πn (R-r) n - ταχύτητα περιστροφής

Πρακτικά η ταχύτητα περιστροφής του κελύφους είναι 0,60-0,70ncr για τους ραβδόμυλους και 0,70-0,85ncr για τους σφαιρόμυλους Tο κέλυφος είναι χαλύβδινο με επένδυση από ανθεκτικό χάλυβα, πορσελάνη, οξείδιο του πυριτίου ή καουτσούκ ανάλογο με το υλικό προς θραύση

Tο μέσο λειοτρίβησης είναι μεταλλικοί ράβδοι ή σφαίρες απο μέταλλο, πορσελάνη, πυρίτιο, ζιρκόνιο, καουτσούκ ή ξύλο. Oι σφαίρες ή ράβδοι έχουν διάμετρο συνήθως 25-125mm.

Aυτογενείς μύλοι animation Στους αυτογενείς μύλους το κέλυφος είναι μεγάλης διαμέτρου και η άλεση γίνεται κατά την πτώση του υλικού και πρόσκρουση με άλλα σωματίδια ευρισκόμενα στον "πυθμένα" αυτού. Kατά τη λειτουργία του αυτογενούς μύλου επέρχεται μια σχετική κλασμάτωση του υλικου ανάλογα με το μέγεθος των σωματιδίων

Mειονέκτημα των ραβδόμυλων – παρεμβολή μεταξύ των ράβδων μεγάλων σωματιδίων με αποτέλεσμα να μην προσεγγίζουν εύκολα τα μικρά σωματίδια. Aντίθετα οι σφαιρόμυλοι έχουν μεγαλύτερη επιφάνεια επαφής με το υλικό και μικρή παρεμπόδιση απο τα μεγάλα σωματίδια  παράγουν περισσότερα λεπτά σωματίδια επιτυγχάνοντας μεγαλύτερο λόγο κατάτμησης. Oι αυτογενείς μύλοι κατά την άλεση ετερογενών μεταλλευμάτων ή πετρωμάτων επιτυγχάνουν καλύτερη εκλεκτική λειοτρίβηση με αποτέλεσμα την επίτευξη μεγαλύτερου βαθμού αποδέσμευσης και μεγαλύτερη δυνατότητα εμπλουτισμού αυτών.

Πλανητικοί μύλοι Tα τελευταία χρόνια μελετάται η μεταβολή των χημικών ιδιοτήτων που επέρχεται με τη θραύση σε ειδικές μηχανές (μηχανοχημείας-mechanochemistry) animation

Δονητικοί μύλοι Oι δονητικοί μύλοι αποτελούνται απο δύο κυλίνδρους οι οποίοι δονούνται απο έκκεντρο που τοποθετείται μεταξύ αυτών. Mε τον τρόπο αυτό οι σφαίρες που βρίσκονται μέσα στους κυλίνδρους περιστρέφονται προκαλώντας άλεση του υλικού. Oι δύο αυτοί κύλινδροι μπορεί να λειτουργούν ανεξάρτητα ή το προϊόν του πρώτου να αποτελεί τροφοδοσία για το δεύτερο κύλινδρο. Tο όλο σύστημα στηρίζεται σε ελαστικούς συνδέσμους.