Увлажненный мелкий сыпучий материал приобретает некоторые свойства твердого тела: кроме сопротивления сжатию, он обладает заметной прочностью при растяжении, изгибе, срезе, способностью сохранять придаваемую форму и т. д. Все это свидетельствует о наличии внутри слоя определенных связующих сил, величина которых зависит от свойств материала, влажности, типа структуры слоя.

В объеме увлажненного сыпучего материала возможны, по крайней мере, четыре типа сил:

1) коллоидного сцепления;

2) механического сцепления;

3) молекулярного взаимодействия;

4) капиллярного взаимодействия.

В обычных железных рудах и концентратах коллоидных веществ содержится сравнительно мало.

Добавка к тонкоизмельченным рудам и концентратам в качестве связующего коллоидных веществ, таких как бентонит, незначительно увеличивает прочность сырых гранул. Положительная роль этих добавок проявляется в процессе формирования зародышей гранул, а также при сушке.

Силы механического сцепления (зацепления) являются по существу силами трения, возникающими при движении одного слоя сыпучего материала по другому. Механическое сцепление по своей природе не является силой, способной стягивать отдельные зерна друг другу. Оно оказывает сопротивление разрушению некоторого объема сыпучего тела лишь при наличии связующих сил.

В отличие от активных сил (капиллярных или молекулярных), силы механического сцепления зависят от величины внешнего давления. Они увеличиваются по мере роста последнего и, наоборот, при снятии

116

нормальных нагрузок силы механического сцепления падают до нуля. Таким образом, механическое сцепление в слое сыпучего материала не имеет самостоятельного значения и возникает вследствие проявления других сил. При окомковании железорудных материалов основными силами являются молекулярные и капиллярные силы. Абсолютная величина и относительное значение каждой и них определяется свойствами сыпучего материала, количеством влаги и структуры слоя.

Широкое распространение среди агломератчиков для объяснения прочности влажных окатышей получила теория «капиллярного взаимодействия», основные положения которой были высказаны в 1948 г. М. А. Нечепоренко. В наиболее полном виде теория представлена в работах Тигершельда и Ильмони. По этой теории поры в комке рассматривались как система капилляров, концы которых выходят на его поверхность. Считается, что благодаря наличию менисков на двух противоположных концах каждого такого «капилляра» обеспечивается стягивание частичек, представляющих «стенки» капилляра. Тигершельд и Ильмони дают следующее аналитическое выражение для расчета капиллярных сил:

г = 0,075ЯР, Ц^, (2.38)

Е

где z - величина капиллярных сил;

S - удельная поверхность концентрата;

Ps - истинная плотность концентрата;

Е - абсолютная пористость комка.

Экспериментально была подтверждена прямая зависимость между величиной удельной поверхности комка и сопротивлением его при сжатии, а также между величиной капиллярной силы и пределом прочности комка при сжатии.

Одним из факторов, влияющих на величину сил сцепления частичек железорудных материалов, является содержание воды. В соответствии с изложенными положениями зависимость прочности от влажности имеет экстремальный характер. Содержание воды, соответствующее максимуму прочности, в каждом конкретном случае зависит от свойств твердой фазы (гранулометрического состава, физико-химического состояния поверхности частичек) и динамики окомкования, определяющей тип структуры комка.

При изучении прочности сцепления увлажненных мелких кристаллических материалов (магнетитовых концентратов, кварца) отмечено появление двух максимумов, первый из которых наблюдается при влажности, соответствующей примерно ММВ, а второй - МКВ. Наиболее вероятным представляется следующий механизм действия влаги в слое агло­мерационной шихты.

При капельно-структурном увлажнении сухого сыпучего материала вода распределяется неравномерно и в общем объеме, и по поверхности каждой частички; причем второй тип неравномерности остается даже после тщательного механического перемешивания аглошихты - вода стягивается к точкам контакта частичек, т. е. находится в капиллярно разобщенном состоянии в виде отдельных, не сообщающихся друг с другом манжет. Повышение прочности сцепления частичек материала при последующем постепенном увлажнении происходит либо за счет увеличения числа таких манжет (при недостаточно совершенном перемешивании, когда вода была собрана не у каждого контакта), либо за счет увеличения воды в манжетах.

Влажность, при которой наблюдается первый максимум прочности, характеризуется наличием манжет во всех точках контакта и максимально возможным объемом воды в них. С увеличением влажности сверх предельного значения вода переходит в канатное состояние и, наконец, полностью заполняет пору. При этом происходит уменьшение, а затем полное исчезновение стягивающих капиллярных менисков, что и вызывает постепенное падение сил сцепления.

Опыты показали, что с увеличением влажности (от нуля) происходит увеличение пористости минерального скелета образца (увеличение объема пор, заполненных водой и воздухом). Адсорбированные на поверхности частиц водные пленки, обладающие высокой плотностью и прочностью, как бы увеличивают размеры зерен материала, отдаляя их при укладке друг от друга. Этот факт служит еще одним подтверждением существования молекулярного взаимодействия в объеме увлажненного материала. Однако в этом диапазоне влажности (вблизи ММВ) значительная часть пор остается заполненной воздухом - система является трехфазной. Следовательно, сцепление между частичками при влажности, соответствующей первому максимуму прочности, обусловлено в первую очередь капиллярными силами.

Совершенно иной механизм взаимодействия воды с минеральными частичками при высокой влажности материала. При полном заполнении всех пор водой (состояние МКВ) капиллярные силы исчезают; частички материала получают большую свободу взаимного перемещения, в результате чего облегчается получение более плотной структуры образца. В этом случае прочность сцепления обусловлена только молекулярными силами, схема действия которых представлена на рис. 2.17.

Рис. 2.17 Структурная схема взаимодействия двух гидрофильных частичек с помощью адсорбированных водных пленок: 1 - поверхность твердых частичек; 2 - «водородные мостики» (водородная связь); 3 - слой адсорбированной воды

Сцепление между отдельными мелкими частичками обусловлено своеобразным «клеевым мостом», образующимся благодаря наличию между поверхностями частичек адсорбированных водных пленок. Адгезия молекул воды и их ориентировка в пространстве возникают за счет силового поверхностного поля частички, а когезия (сцепление между молекулами воды) - за счет водородных связей, обладающих сравнительно высокой энергией.

Таким образом, первый максимум прочности, соответствующий величине максимальной молекулярной влагоемкости (максимальной пористости образца), в значительной степени объясняется капиллярными силами, а второй, возникающий при капиллярном насыщении водой образца (минимальной пористости), - молекулярными силами.

Вторым фактором, от которого в сильной степени зависит прочность сцепления железорудных материалов, является их гранулометрический состав. При исследовании фракций однородных по крупности зерен с увеличением размера частиц происходит закономерное падение прочности сцепления. В то же время для многофракционных смесей зависимость между

максимальным размером частичек и прочностью проявляется не так четко. Кроме того, такие смеси обладают повышенной прочностью по сравнению с однородными фракциями. Так, для кварца, например, получены следующие данные прочности, Н/см2:

Фракция, мм:
0,063-0,10	1,4
0,250-0,315	0,5-0,7
0-0,10	2,8
0-0,315	2,0

О сильном влиянии ситового состава на величину сил сцепления свидетельствуют результаты опыта, проведенного со смесью двух фракций кварца: -0,05 и 0,250-0,315 мм в отношении 3 : 7, обладающей наиболее высокой плотностью упаковки частиц. Пористость смеси составила 43% (против 50% для фракций - 0,05 мм и 53% для фракций 0,25-0,315 мм). Прочность на раздавливание такой двухкомпонентной смеси составила 2,2 Н/см2. что почти в четыре раза выше, чем прочность фракций 0,25-0,315 мм. Характерно также, что фракция -0,315 мм вследствие большей пористости (45%) имела меньшую прочность, чем исследовавшаяся смесь.

С ростом содержания крупных фракций происходит не только уменьшение абсолютного значения прочности сцепления, но и постепенное закономерное снижение оптимальной влажности, соответствующей первому максимуму прочности.

Так, для различных фракций кварца (мм) оптимальная влажность составила:

-0,05 -0,063 -0,10 -0,16 -0,25 -0,315

7-8% 7-8% 6-7% ~5% 4% 4%

Уменьшение величины оптимальной влажности связано с умень­шением удельной поверхности материала в результате ввода более крупных классов.

Влияние гранулометрического состава на прочность влажных образцов проявляется через изменение среднего расстояния между частичками. Чем ближе друг к другу находятся их поверхности, тем более упорядоченно ориентированы молекулы воды адсорбированных пленок, тем сильнее
проявляется действие водородной связи (выше сила сцепления во влажном материале). В первом приближении среднеэффективное расстояние между частичками может быть оценено величиной радиуса капилляров, определенного по скорости капиллярного всасывания. Для всех исследовавшихся материалов меньшему значению радиуса капилляров соответствовала большая прочность сцепления.

Расстояние между твердыми поверхностями может быть выражено через величину удельной поверхности материала и пористость образца (окатыша). Как известно:

d = 4>d,—

1-е

где d - среднее расстояние между частичками;

Ф - коэффициент формы частичек (для шара Ф = 2/3); d3 - средний размер зерен материала; є - пористость слоя.

Если принять, что материал представлен шарообразными частичками со средним диаметром d3i то количество их в единице объема слоя составит:

1

nd

~6~

Поверхность каждой частички:

5,

=ж/3 (2.41)

' rfte Унос - насыпная масса материала. После соответствующих подстановок

d_ 4є

^оУ нас

Величина радиусов капилляров, найденная из формулы после подстановки в нее числовых значений S'0, у„ас и например, для концентрата

ЮГОКа, составила 9 • 10‘5 см. Учитывая допущения, принятые при выводе формулы, а также заниженную величину удельной поверхности, определяемую по скорости фильтрации воздуха через слой, такая величина радиусов капилляров удовлетворительно соответствует найденному ранее значению по скорости капиллярного всасывания бензола и четырех­хлористого углерода.

Если предположить, что прочность молекулярной связи обратно пропорциональна расстоянию между твердыми поверхностями, то формула, отражающая эту зависимость, получает вид (для сферических частичек, по В. И. Коротичу)

<г = *4^шД (2.45)

4 є

Для общего случая

(2.46)

Структура формулы получилась аналогичной формуле Тигершельда и Ильмони, хотя в основу была положена схема молекулярного взаимо­действия между частичками.

Анализ полученного выражения показывает, что прочность сцепления прямо пропорциональна величине удельной поверхности материала и находится в сильной зависимости от пористости образца. Так, например, уменьшение пористости слоя от 0,5 до 0,45 и 0,4, т. е. на 10 и 20% (отн.), увеличивает прочность на 22 и 50%.

Известно также, что невозможно получить достаточно прочный образец во влажном состоянии из очень тонкого гидрофильного материала - образуется типично коагуляционная структура. Из-за отсутствия более крупных зерен (размером в десятые и сотые доли миллиметра) даже под воздействием динамических нагрузок не удается прорвать сольватные оболочки, окружающие каждую частичку, и сблизить их. Поэтому, несмотря на громадную удельную поверхность таких материалов, пористость образца получается довольно высокой - частички оказываются на значительном удалении друг от друга, что и ослабляет силу молекулярного сцепления.

Общая схема взаимодействия воды с железорудными материалами
различного гранулометрического состава может быть представлена следующим образом.

При небольшом содержании в сыпучем материале мелких фракций зазоры между крупными зернами остаются практически свободными (рис.

2.18, а). В связи с этим сравнительно высокое среднеэффективное

расстояние между частичками обусловливает пониженную прочность сцепления. Дополнительное введение в систему небольшого количества тонкодисперсного материала (например, бентонита) не меняет

принципиальной картины - мельчайшие частички находятся в виде отдельных разобщенных точек в объеме свободной воды, заполняющей поры, и почти не увеличивает взаимную связь крупных зерен.

При большом содержании мелких фракций структура материала становится более плотной (рис. 2.18, б). Положительная роль крупных фракций заключается в том, что они создают своеобразный «скелет» образца, обладающий значительным сопротивлением воздействию

статических и динамических нагрузок, а определенное количество мелких частичек «уменьшает» среднее расстояние между крупными зернами, благодаря чему возникают силы, обеспечивающие сцепление последних и препятствующие изменению жесткой структуры слоя. Только при определенном соотношении крупных и мелких частичек получается наиболее плотная упаковка зерен и наиболее высокая сила сцепления увлажненного материала.

В том случае, когда содержание мелочи превышает оптимальную величину, структура слоя резко меняется. Очень высокое количество мелких фракций не только полностью заполняет поры между крупными зернами, но и раздвигает их, нарушая жесткость скелета образца. В этом случае крупные зерна располагаются изолированно друг от друга и практически не оказывают влияния на свойства сыпучего материала (рис.

2.18, в). В результате этого материал в увлажненном состоянии образует коагуляционную структуру, обладающую пониженной прочностью.

Таким образом, для получения достаточно высокой прочности сцепления во влажном состоянии комкуемый материал должен содержать разнообразные по крупности фракции с определенным количеством тонких (коллоидных) классов.

Безусловное влияние на величину сил сцепления во влажном сыпучем материале оказывает природа твердых частичек, а именно: прочность минеральных зерен, форма частичек, физическое состояние их поверхности и химико-минералогический состав твердой фазы.

Рис. 2.18 Структура уплотненного материала при различном соотношении крупных и тонких фракций

Поверхность твердых веществ, обладающих малопрочными кристаллическими решетками, легко разрушается под воздействием различных динамических нагрузок, а также под влиянием адсорбционных сил (расклинивающего эффекта тонких пленок воды), в результате чего образуются тонкодисперсные фракции, оказывающие определенное влияние на характер взаимодействия твердой фазы с водой. Косвенную оценку материалов в этом отношении дают результаты седиментационного анализа фракции -0,05 мм. По-нашему мнению, содержание класса -0,03 мм может характеризовать прочность зерен материала, обусловленную его природой. По способности образовывать дисперсные фракции железные руды располагаются в следующем порядке: магнитные железняки, мартиты, полумартиты, красные железняки, бурые железняки.

Существенное воздействие на структуру слоя оказывает форма твердых частичек. Так, остроугольные, неправильной формы зерна образуют рыхлую пористую структуру слоя, обладающую пониженной прочностью сцепления. Наоборот, частички округлой формы укладываются более плотно с меньшим расстоянием между поверхностями и с соответственно более высокой прочностью сцепления.

Большая величина сил сцепления наблюдается у материалов, частички которых обладают шероховатой поверхностью. Рельеф поверхности способствует возникновению в образце значительной величины сил механического сцепления, благодаря чему влажный материал приобретает большую стойкость сопротивлению динамическим воздействиям.

Химический и минералогический составы материала оказывают значительное влияние на силы сцепления через изменение величины смачиваемости твердой поверхности. Различные минералы, слагающие тот или иной материал, характеризуются своим типом структуры кристаллической решетки, своим типом атомной и молекулярной связи, вследствие чего обладают неодинаковой энергией взаимодействия с молекулами воды - неодинаковой степенью гидратируемости. Мине­ралогические типы железных руд можно расположить в порядке усиления их гидрофильных свойств следующим образом:

гематиты магнетиты -» гидраты оксидов железа.

Как правило, указанные выше три параметра, характеризующие способность сыпучего материала взаимодействовать с водой, изменяются однозначно. Так, например, плотнокристаллические магнетитовые концентраты (оленегорские, Лебединские, ЮГОКа), обладающие сравнительно высокой прочностью зерен, содержат небольшое количество тонкодисперсных классов; частички имеют гладкие поверхности, что облегчает взаимное проскальзывание их и препятствует сохранению жесткого минерального скелета образца. Так как раскалывание зерен магнетита происходит в большинстве случаев по плоскостям отдельности, то поверхность частичек имеет мало электрических зарядов — такой материал гидратируется недостаточно хорошо.

Окисленные железные руды и особенно бурые железняки благодаря дефектной структуре кристаллических решеток при дроблении и окомковании дают повышенное количество тонких фракций; частички имеют неправильную форму с сильно нарушенной поверхностью, обладающей высокой степенью шероховатости. Химико-минералогический состав минералов, входящих в эти руды, обеспечивает хорошую гидратируемость поверхности вплоть до химического взаимодействия твердой фазы с водой.

Одной из особенностей взаимодействия сыпучих материалов с водой является необратимость процессов увлажнения и удаления влаги из материала. Если слой сухого сыпучего материала насыщается водой путем капиллярного всасывания, то увлажнение этого материала происходит сразу до состояния максимальной капиллярной влагоемкости - водой заполняются все поры.

При удалении жидкости из пористого тела (например, при сушке) собственно капиллярное состояние последовательно проходит через канатное и стыковое, т. е. вода удаляется вначале из наиболее крупных пор и остается в них в виде отдельных не сообщающихся друг с другом манжет. В одном из таких промежуточных состояний капиллярные (стягивающие) силы получают максимальное значение. Эта же закономерность - повышение прочности сцепления при частичном удалении воды из сыпучего материала - сохраняется и в том случае, когда вода в нем находится в состоянии молекулярной влагоемкости (в связанном состоянии). При этом в процессе сушки увеличение прочности сцепления происходит с момента потери слабосвязанной воды, в результате чего отдельные частички материала сближаются с соответствующим увеличением силы взаимной связи.

Факт повышения прочности сцепления сыпучего материала, после некоторой подсушки, отмечался рядом исследователей. Естественно, что на характер изменения влажности и его прочности определенное влияние оказывает скорость сушки: чем она ниже, тем выше сила связи частично подсушенного образца.