中國報告大廳網(wǎng)訊，石英石作為一種重要的工業(yè)礦物，在礦業(yè)、建材、化工等多個領域有著廣泛的應用。隨著對石英石破碎特性研究的深入，損傷累積理論在優(yōu)化碎磨工藝方面展現(xiàn)出巨大的潛力。本文將探討石英石的損傷累積-斷裂特性及其在球磨過程中的應用。
《2025-2030年中國石英石行業(yè)競爭格局及投資規(guī)劃深度研究分析報告》指出，石英石是地殼中含量最為豐富的造巖礦物之一，其損傷累積特性對碎磨工藝優(yōu)化具有重要意義。早期研究主要集中在單次高能級沖擊下的顆粒破壞機理，發(fā)現(xiàn)顆粒的破裂通常是由于應力集中引發(fā)裂縫擴展，最終導致斷裂。近年來，研究者逐漸關注低能級多次沖擊下顆粒的損傷累積對最終斷裂的重要作用。在低能級多次沖擊下，顆粒內(nèi)部微裂紋的發(fā)展和擴展是逐步發(fā)生的，每次沖擊都可能在已有裂紋的基礎上引發(fā)新的微裂紋或使舊裂紋擴大。然而，損傷特性在碎磨仿真中的應用研究起步較晚。Tavares提出的損傷累積-斷裂模型通過將損傷累積與材料剛度的逐漸降低相聯(lián)系，解釋了這種損傷累積最終導致顆粒斷裂的機理，并應用于離散元仿真軟件EDEM。
(一)單顆粒損傷-斷裂模型
Tavares等詳細描述了重復加載斷裂模型。在每次碰撞事件中，石英石材料都會受到一定程度的損傷，如微裂紋的萌生和擴展。雖然單次碰撞引起的損傷可能很小，但隨著碰撞次數(shù)的增加，這些損傷會不斷累積，導致材料的力學性能逐漸退化。宏觀上表現(xiàn)為材料強度和剛度的下降，載荷-變形曲線不會恢復到初始狀態(tài)。損傷力學和赫茲彈性接觸理論描述為： F=31Kdα23 其中，F(xiàn)表示加載過程中作用于球形顆粒的力，d表示顆粒的尺寸大小，α表示顆粒的形變，K為接觸剛度。接觸剛度在沖擊損傷后會下降，減少的比例為： Ki=(1?Di)Ki?1 當顆粒斷裂時，損傷變量 D 為1。主裂縫不斷發(fā)育使顆粒斷裂，認為低能級沖擊下?lián)p傷量 D 與形變量 α 的關系為： D=(αcα)?γ 其中，γ 為損傷累積系數(shù)，描述顆粒在每次受沖擊后的損傷累積程度。
(二)顆粒斷裂概率分布
損傷模型需要與顆粒斷裂概率分布聯(lián)合使用，后者可以通過不同能級沖擊下的大批量測試并統(tǒng)計得到。為了將分布連續(xù)化，用正態(tài)分布的誤差函數(shù)擬合分布，由最大比斷裂能 Emax、平均比斷裂能 E50 和分布的標準差 σ 來表征。
(三)損傷系數(shù)對斷裂能分布的影響
損傷系數(shù) γ 是描述材料損傷演化過程的關鍵參數(shù)。它表征了材料在受到外部載荷作用時損傷累積的快慢程度，一定程度上反映了內(nèi)部微觀缺陷的萌生、擴展和聚合的速率。假設 Emax=383 J/kg, E50=214 J/kg, σ=1.17，可以模擬出一條原始的比斷裂能累計分布曲線。隨著損傷累積系數(shù) γ 的增大，斷裂能的峰值向右側(cè)高斷裂能區(qū)域移動，表明更大的損傷系數(shù)會導致材料在更高的斷裂能水平下發(fā)生斷裂。
(一)礦石斷裂能分布測定裝置及其原理
本研究采用了自主研發(fā)的斷裂能裝置，能夠精準測量石英石等常見礦石的單顆粒斷裂能。選用質(zhì)量150 g的沖擊頭和粒徑5.6~6.7 mm的石英石顆粒，在沖頭距離顆粒2 cm高度下落進行碰撞。通過傳感器測量每次沖擊下的沖擊力，記錄顆粒的形貌變化，得到顆粒的斷裂能分布。
(二)損傷累積系數(shù) γ 反算
通過大量的碰撞試驗，整理出顆粒的斷裂能分布，并統(tǒng)計顆粒斷裂時的碰撞次數(shù)。利用Matlab軟件編寫程序，輸入試驗及擬合得到的參數(shù)，定義出 γ 所在的范圍并建立循環(huán)，通過計算并比較不同 γ 值下破碎概率之間的標準殘差 σ2，確定最優(yōu)解 γ。實驗結(jié)果表明，當 γ=5.7 時，標準殘差最小，為較優(yōu)值。
(一)原始比斷裂能分布
通過實驗測得5.6~6.7 mm粒徑的石英石顆粒的最大原始比斷裂能 Emax=382.99 J/kg，50%概率位置對應的原始比斷裂能 E50=213.90 J/kg，標準差 σ=1.17。這些參數(shù)反映了石英石顆粒在低能級沖擊下的破碎行為。
(二)單顆粒低能級沖擊下?lián)p傷斷裂過程
通過單顆粒沖擊試驗，觀察石英石顆粒在低能級沖擊下的損傷斷裂過程。實驗結(jié)果表明，隨著碰撞次數(shù)的增加，顆粒的損傷不斷累積，最終導致顆粒斷裂。在比沖擊能為73 J/kg時，單顆粒受到重復沖擊，模擬出不同沖擊次數(shù)下的損傷和比斷裂能變化。
(三)預測檢驗
通過建立的模型預測另一能級下石英石顆粒的破碎特性。實驗結(jié)果表明，隨著碰撞次數(shù)的增加，顆粒的斷裂概率整體呈現(xiàn)上升趨勢。在第一次碰撞時，顆粒大多集中在較高能量段，斷裂概率較低;在多次碰撞后，斷裂概率明顯提高，分布曲線整體向低能量部分移動。
(四)損傷累積在球磨中的應用
球磨過程中，研磨介質(zhì)對物料產(chǎn)生沖擊，導致物料破碎。通過EDEM軟件仿真分析，揭示了球磨機中礦石顆粒受到拋落沖擊的破碎主要由眾多低能量碰撞的累積效應導致，單次高能沖擊的貢獻相對較小。因此，優(yōu)化球磨工藝時，應充分考慮低能量碰撞的頻率和累積效應。
石英石行業(yè)現(xiàn)狀分析指出，通過單顆粒沖擊試驗和數(shù)值模擬，證實了損傷累積系數(shù) γ 是影響石英石顆粒破碎行為的關鍵參數(shù)。較小的 γ 值表明顆粒在沖擊下更容易累積損傷從而發(fā)生斷裂。
提出了簡易的模型參數(shù)反算方法，用落重試驗快速預估損傷累積系數(shù) γ。實驗結(jié)果表明，當 γ=5.7 時，粒度5.6~6.7 mm的石英石顆粒的破碎規(guī)律能夠被準確預測。
通過結(jié)合顆粒損傷累積的比斷裂能分布與球磨機中顆粒碰撞能量頻率分布的仿真分析，揭示了球磨機中礦石顆粒受到拋落沖擊的破碎主要由眾多低能量碰撞的累積效應導致，單次高能沖擊的貢獻相對較小。這一發(fā)現(xiàn)為優(yōu)化球磨工藝提供了新的視角。
綜上所述，石英石的損傷累積特性在碎磨工藝優(yōu)化中具有重要意義。通過深入研究損傷累積理論，可以更好地理解石英石的破碎本質(zhì)，為提高球磨機效率提供科學依據(jù)。
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