Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Хотя технология получения окатышей требуемых размеров и прочности разработана достаточно полно, изучение физико-химического характера связи частиц в окатыше только начинается.
И.П. Семик обратил внимание на то, что окатывание идет успешно только в том случае, когда в исходной массе, наряду с почти сухой рудой, имеются переувлажненные участки. Равномерно увлажненная масса даже при оптимальной влажности не дает высокого выхода окатышей.
И.П. Семик предложил следующее объяснение механизма окатывания. Переувлажненные участки представляют собой вначале бесформенные комья «грязи» и являются центрами окатывания. Обкатываясь в барабане в массе сухой руды, они постепенно вырастают за счет последней, приобретая правильную форму шара и равномерную влажность. Избыточная (сверх оптимума) влага первоначальных комков по мере вращения барабана выступает на поверхность катышков. Наружные слои окатышей имеют поэтому постоянную тенденцию к переувлажнению, а присутствие в барабане сухой руды непрерывно «осушает» их, не позволяя слипаться в сплошной ком. Сухая руда, прилипающая к окатышу, утрамбовывается перекатыванием и, переувлажняясь за счет внутренней влаги, удерживает новые порции сухой руды и т. д. Когда вся избыточная влага исходного комка исчерпана, окатыш перестает расти; он имеет совершенно равномерную оптимальную влажность по всей толще и довольно плотно утрамбован. Чем крупнее участки исходного местного переувлажнения и чем сильнее это переувлажнение, тем крупнее получатся конечные окатыши.
При подаче воды непосредственно в барабан с помощью брызгала величина участков местного переувлажнения зависит от тонкости разбрызгивания воды и скорости подачи ее. Поверхностное переувлажнение образовавшихся окатышей может происходить не только за счет избыточной влаги первоначального комка, но и за счет дополнительных брызг, но после подачи всей воды рост окатышей идет исключительно за счет избыточной внутренней влаги образовавшихся шариков.
Получение примерно одинаковых по размеру окатышей при периодическом окатывании в барабане является признаком конца операции. Если нет избыточной влаги, то дальнейшее вращение почти не влияет на размеры окатышей; для дополнительного укрупнения их нужно ввести воду, переувлажняющую поверхность окатышей, и добавить мелкую сухую руду.
Руководствуясь изложенным представлением о механизме окатывания и регулируя подачу влаги, И.П. Семик получал в барабане окатыши из железных руд и медно-никелевых концентратов диаметром от 2 до 50 мм.
М. Тигершельд и П.А. Ильмони полагают, что решающую роль в образовании окатышей играет капиллярное давление, проявляющееся между отдельными зернами материала. Ими выведены уравнения, связывающие влияние некоторых факторов на процесс окатывания.
А.М. Парфенов также указал, что окатывание происходит за счет капиллярных сил, вызываемых поверхностным натяжением воды. Прочность связывания частиц увлажненной руды капиллярными силами возрастает с уменьшением диаметра зерен руды. Действие увлажнения проявляется в большей степени при достижении полной капиллярной влагоемкости руды, С.С. Воюцкии, А.Д. Зайончковский и С.И. Рубина, изучая процесс окатывания сажи в отсутствие влаги, установили, что образование окатышей происходит лишь при введении в пылевидную сажу зародышей; плотных комков сажи, мелких инородных тел, кристаллов сахара и других. Чем больше введено зародышей, тем быстрее идет окатывание, но при этом получаются более мелкие окатыши. Налипание сажи на зародыши не связано со снятием при обкатывании одноименных зарядов с поверхности зерен и не является механическим зацеплением дендритоподобных и цепочечных частиц. Причинами, обусловливающими повышенную прочную связь между частицами, по мнению авторов, может явиться либо случайный контакт частиц по особо активным участкам, либо соприкосновение зерен плоскими гранями, в результате чего межмолекулярные силы могут действовать на сравнительно большой площади.
Если перемешивание или пересыпание порошка ведется с не слишком большой скоростью, ведущей к разрушению образующихся комочков, то постепенно в материале накапливаются агрегаты частиц. Благодаря меньшей кривизне поверхности этих агрегатов, сталкивающиеся с ними отдельные частицы прилипают к ним прочнее, чем к другим мелким частицам, и в конце концов весь порошок превращается в окатыши. Положительная роль зародышей объясняется большей массой и меньшей кривизной поверхности последних, а также тем, что зародыш катится между частицами и вызывает известную их ориентацию, способствующую налипанию.
Как полагают авторы, для образования прочной связи может оказаться необходимым преодоление энергетического барьера, например газовой адсорбционной оболочки. В этом случае, очевидно, к образованию агрегатов приведут только такие столкновения, при которых частицы обладают кинетической энергией, достаточной для преодоления этого барьера, а потеря газовой адсорбционной оболочки должна облегчать сцепление частиц. Действительно, опытами было показано, что подогрев материала и десорбция газа вакуумированием ускоряют процесс окатывания.
Параллельно с процессов налипания частиц происходит уплотнение окатышей вследствие механических ударов при перекатывании в барабане. Возникающие при этом усилия направлены тангенциально к поверхности шарика и делают его более плотным; одновременно эти усилия могут приводить к сдвигу поверхностного слоя по отношению к нижележащим слоям, что вызывает слоистую структуру окатыша и его анизотропию.
Приведенные данные показывают, что для образования окатышей необходимо присутствие зародышей; в сухом материале зародышами являются искусственно уплотненные агрегаты, во влажном — переувлажненные участки. Присутствие влаги способствует образованию окатышей, по-видимому, благодаря стягивающему действию капиллярных сил. Обкатывание материала уплотняет окатыши. Из перечисленных и аналогичных исследований видно, что природа и характер связи между частицами до сих пор еще мало изучены.