Теория прочности сырых окатышей базируется на закономерностях поверхностного взаимодействия между твердыми, жидкими и газообразными фазами. Экспериментально установлено, что сила сцепления про­порциональна первой степени линейных размеров частиц; разъединяющей силе веса инерции, удару - их массам, т. е. линейным размерам в третьей степени. Поэтому сцепление за счет молекулярных сил является достаточно эффективным только для частиц весьма малых размеров. При заполнении жидкостью объемов между твердыми частичками молекулярное силовое поле концентрируется на границе фаз, вследствие чего уменьшается радиус действия молекулярных сил. Для обеспечения сцепления зерен жидкость должна обладать свойствами, которые компенсировали бы уменьшение толщины поверхностного поля и увеличивали бы эффект взаимодействия между частичками. Такой жидкостью является вода, которая имеет полярные молекулы.

Для условий окомкования тонкоизмельченных концентратов наиболее важна адсорбционная и капиллярно связанная вода, которая непосредственно влияет на прочность сырых окатышей. Молекулярные силы твердого тела образуют высокое давление на пленку адсорбированной воды вследствие чего ее свойства отличаются от свойств обычной воды: плотность - 1,20-2,42 г/см3; модуль сдвига пленки толщиной 0,09 мкм равен 196 кг/см2; диэлектри­ческая постоянная в 40 раз меньше. Эта вода не растворяет электролиты и поэтому обладает низкой электропроводностью, температура кипения ее выше, а темпераіура замерзания ниже, теплоемкость изменяется в интервале 2,1-3,58 кДж/(кг • град.).

При повышении температуры воды вязкость и поверхностное натяжение на границе с воздухом уменьшается. Поэтому прочность

140

окатышей в интервале температур 24-80°С уменьшается в соответствии с закономерностью

Р, =1,7-1,2 • 10-2 •/, (2.64)

где Р, - прочность окатышей, кг/окатыш; t - температура сырых окатышей, °С.

Возникновение капиллярных сил сцепления во влажном сыпучем материале связано с образованием в точках контакта отдельных зерен и прослоек воды кольцевой формы с поверхностью двойной кривизны.

В соответствии с капиллярной теорией прочности поры в окатышах рассматриваются как система капилляров, концы которых выходят на поверхность окатыша.

Для расчета капиллярных сил используют формулу М. Тигершольда и П. Ильмони:

Z = 0,0755 • ys -—— s П

где Z - величина капиллярных сил, г/см;

S-удельная поверхность концентрата, см2/г;

Ys - истинная плотность концентрата, г/см3;

Я - абсолютная пористость окатыша, доли ед.

Экспериментально установлена прямая зависимость между величиной удельной поверхности шихты в окатыше и его сопротивлением сжатию, а также величиной капиллярной силы и сопротивлением окатыша сжатию.

По формулам, предложенным немецким ученым X. Румпфом, можно определить прочность окатышей, обусловленную водяными манжетами и капиллярным давлением:

Р. = 2,5 а К-(2.66) nd

d П ’

где К - среднее число контактов, или координационное число упаковки зерен, которое изменяется в интервале 4-12;

Я - пористость окатышей, доли ед.;

d-диаметр частиц окатышей, см;

сг- поверхностное натяжение жидкости, г/см.

Объединив эти формулы отношением и принимая во внимание экспериментальные данные по определению произведения К П - 3,1, получаем Рвм » 0,35 Ркд. Это показывает, что прочность окатышей в большей степени обусловливается капиллярным давлением.

При увеличении удельной поверхности прочность сырых и сухих окатышей повышается. Принимая, что пористость сырых окатышей при этом изменяется мало, можно считать, что прочность сырых окатышей в основном определяется количеством контактов зерен и размерами пор. С повышением поверхности при постоянной пористости размер пор уменьшается. При повышении пористости прочность сырых окатышей уменьшается.

При плотности адсорбированной воды 1,2-2,42 г/см3, толщина пленки воды находится в пределах 0,05-0,2 мкм, поэтому не остается места для капиллярной влаги. Поэтому величина максимальной молекулярной влагоемкости (ММВ), равная 7-12%, включает молекулярную гидратную (МГ) и наименьшую капиллярную влагоемкости (НКВ). Величина влажности (МГ) составляет 0,5-2,6%. Объемное содержание МГ и НКВ равно пористости сырых окатышей и представляет собой нижнюю границу оптимальной влажности шихты, что обеспечивает при окомковании максимальную прочность сырых окатышей по сопротивлению сжатию и минимальную - на удар. При этом структура окатыша является упругой и хрупкой, так как зерна находятся в контакте один с одним, а количество воды в окатышах не обеспечивает возможности их движения и скольжения друг относительно друга. Верхняя граница оптимальной влажности окатышей должна обеспечивать достаточную их прочность, как на сжатие, так и на удар, т. е. они должны быть упруго­пластичными. Пластичность окатышам обеспечивает капиллярная вода. Влажность, при которой все капилляры пористого тела заполнены водой, называются максимальной капиллярной влагоемкостью (МКВ). Это содержание влаги соответствует полному заполнению пор водой при пористости 32%. Поэтому логично допустить, что прочность сырых окатышей на сжатие и на удар соответственно, обратно и прямо пропорциональна степени заполнения пор водой.

В границах изменения содержания в шихте фракций -50 мкм (f) 20-90% и ее удельной поверхности (s) 125-300 м2/кг, оптимальная влажность (Wonni) и допустимые ее колебания (А1¥оппг) по условиям получения достаточно прочных и пластичных окатышей описываются уравнениями, %:

Wonm = 6,055 - 0,072-f + 0,055 'S, при R = 0,846; (2.68)

AWonm = 0,33 - 0t01 f+ 0,004 • 5 + 0,092 Wonm, при R = 0,9, (2.69)

На прочность и размер окатышей влияет продолжительность процесса окомкования. Окатыши размером 10-15 мм образуются за 2-3 минуты, еще за 1-1,5 мин. они достигают пористости 30-35%. Уменьшение пористости до 27-29% происходит за 10-15 мин окомкования, а дальнейшее уплотнение происходит медленно.

Абсолютное значение прочности сырых окатышей на сжатие при уменьшении их размера снижается, а на удар - увеличивается. Поэтому для определения прочности на сжатие необходимо брать окатыши, соответствующие по размеру нижней границы заданной крупности, а на удар - окатыши, размер которых равен верхней границе крупности.