Фізико-хімічні властивості субстрату

Гранулометричний склад. Значення гранулометричного складу визначається впливом сумарної поверхні зіткнення зерен, числом і величиною порожнеч у структурному каркасі брикетів, вмістом гострокутних зерен, рельєфом твердої поверхні та наявністю пилоподібних частинок.

Теоретичний принцип підбору суміші частинок різної крупності полягає в створенні структурної композиції, що відповідає найбільш щільному впакуванню рис. 4.1). У такій структурі масове і об'ємне співвідношення зерен досить повно може характеризуватися емпіричним рівнянням:

де Р - частка зерен (% по масі), що проходять через сито з діаметром отворів d; d - діаметр будь-якого зерна суміші від 0 до D; D - максимальний діаметр зерна в суміші. Максимальна щільність суміші досягається при співвідношенні d/D = l/20.

Щільність упакування тісно пов'язана з розміром зерен. Дрібні зерна більш ребристі, чим великі і теплота їх змочування приблизно в 4 рази вище, ніж в останніх. Великий вміст крупних зерен (більше 6 мм) негативно позначається на міцності брикетів. При пресуванні такі частинки легко розтріскуються. З'являються нові поверхні, непокриті зв’язуючим. Наявність пилоподібних частинок приводить до підвищення питомої поверхні, а, отже, і зростання витрат зв’язуючого, що сприяє ущільненню брикетів у результаті активного заповнення порожнеч.

На щільність упакування брикетів істотно впливає пористість структури. Як би ретельно не були впаковані тверді зерна в брикети, між ними завжди є пори. Число і величина порожнеч впливають на міцність брикетів. У брикетів з тонкозернистих частинок пори дрібні і вони в основному заповнені зв’язуючим. Дефектів у вигляді порожнеч мало, міцність брикетів велика. Брикети з перевагою крупних зерен мають велику кількість дефектів. Об'ємного шару з’вязуючого для заповнення в них порожнеч не вистачає. Тому ці брикети мають низьку міцність. Для підвищення міцності впакування рекомендується вводити в брикетну суміш пилоподібні частинки, що легко проникають у порожнечі.

Нерівності і шорсткість матеріалу позитивно впливають на механічне закріплення на ньому зв’язуючого, підвищуючи міцність брикетів.

Міцність брикетів тим нижче, чим більше однорідність ситового складу. Однорідна суміш не дозволяє забезпечити належну щільність упакування. Зерна укладаються зі значним числом порожнеч у каркасі. Тиск пресування нерівномірно розподіляється в об’ємі системи. Брикети легко деформуються.

Температура субстрату. Температурні впливи сприятливо позначаються на адсорбційній активності поверхні твердих частинок. Підсилюється коливальний процес поверхневих молекул, що приводить до відщіплення деякої їх частини. Утворяться реакційно-здатні вільні радикали, що активно взаємодіють між собою та зв’язуючим. У результаті нагрівання досягається тонко шарове розтікання зв’язуючого по твердій поверхні nf підсилюються зв'язки в їх адсорбційних шарах. Недостатнє нагрівання частинок корисної копалини приводить до того, що змочування зв’язуючим твердої поверхні майже не відбувається. Адгезійні зв'язки в цьому випадку утворяться лише за рахунок незначних крапкових контактів крапель зв’язуючого.

Вологість і природа субстрату. Волога, що перебуває на поверхні мінеральних зерен, створює гідратну плівку, товщина якої визначає міцність зв'язку субстрату зі зв’язуючим. Надлишок вологи не дозволяє зв’язуючому міцно прилипнути до субстрату. Змочувальна здатність зменшується. Адгезія падає. Механічна міцність брикетів знижується. волога, що перебуває на поверхні, при зіткненні з гарячим зв’язуючим інтенсивно випаровується. Це викликає охолодження зв’язуючого та погіршення змочування. Так, наприклад, збільшення вмісту вологи в брикетній суміші з 2,5 до 7,5% знижує ступінь покриття зерен вугілля нафтозв’язуючим (відносну адгезію) з 75 до 34%.

Для зменшення негативного впливу поверхневої вологи звичайно застосовують термічне сушіння. Іноді використовують хімічну модифікацію поверхні частинок дією поверхнево-активних (ПАР) добавок. ПАР хімічно взаємодіють із твердою поверхнею. На ній утворюються нерозчинні з'єднання, що сприяють міцному зчепленню субстрату зі зв’язуючим. Наявність поверхнево-активних угруповань та активних “центрів” на твердій поверхні підсилює адгезійні взаємодії. Пориста структура субстрату обумовлює протікання дифузійних процесів, доповнюючи тим самим загальну адгезію між субстратом та адгезивом.

Властивості зв’язуючого

Природа зв’язуючого. Провідна роль у формуванні структури брикетів належить зв’язуючому. Основними технологічними властивостями зв’язуючих слід вважати клейову здатність і когезію.

Клейова здатність зв’язуючих насамперед залежить від їх поверхневої активності. Наявність активних функціональних груп - надійне джерело виникнення міцних адгезійних зв'язків. Особливо ефективна їх роль, коли їх частка в зв’язуючому досягає 2-3%. Такі угруповання індивідуальних ПАВ сприяють активному змочуванню та адсорбції зв’язуючих. Тип хімічних компонентів і наявність індивідуальних ПАР впливають на інтенсивність внутрішньомолекулярних зв'язків, що визначають когезію зв’язуючих.

Температура зв’язуючих. Температура зв’язуючих також впливає на процес структуроутворення. Насамперед вона позначається на дисперсності, змочуваємості, пластичності суміші та механічній міцності брикетів.

Тонкошарове розтікання зв’язуючих тісно пов'язане з їх дисперсністю, що обумовлює якісне покриття зв’язуючим поверхні твердих зерен. Розпилення зв’язуючого залежить від його температури. Остання визначає в'язкість, що впливає на час розпаду та розмір крапель, що утворюються. Підвищення в'язкості веде до утворення великих крапель.

Розмір крапель має важливе значення. Великі краплі хоча і створюють більш товсті клейові плівки, але мають у момент контакту більшу температуру. Вони краще розтікаються по твердій поверхні. Дуже дрібні краплі швидко охолоджуються та погано розтікаються по поверхні.

Найкращий ефект розпилення досягається тоді, коли в'язкість відповідає в'язкості ньютоновської рідини. Цьому стану відповідає температура гранично зруйнованої структури. Зв’язуюче в такому стані під дією аеродинамічних зусиль, створюваних у соплі форсунки-розпилювача, розпадається на дрібні краплі.

Температура зв’язуючих сприяє поліпшенню пластичності брикетної суміші в процесі пресування. Чим вона пластичніше, тим рівномірніше розподіляється тиск у повному обсязі, ефективніше відбувається заповнення порожнеч структурного каркаса брикетів об'ємним шаром зв’язуючого.

Температура зв’язуючих впливає на охолодження готових брикетів. Максимальна механічна міцність брикетів досягається при температурі, коли зв’язуючі перебувають у склоподібному стані.

Вологість зв’язуючих. Волога в зв’язуючому негативно впливає на структуроутворення. Нагріте зв’язуюче енергійно поглинає воду, особливо якщо в ньому втримується хоча б незначна кількість водорозчинних речовин. Вода розчиняє солі і утворює всередині сферичні крапельки. Обводнене зв’язуюче здатно прилипати до твердих зерен. При цьому первинні контакти можуть бути дуже міцними, тому що поверхня плівки звичайно безводна. Поступово вода дифундує із глибиних шарів до границі розподілу фаз. Досягнувши твердої поверхні, вона витісняє плівку зв’язуючого. Склеєна система руйнується.

Товщина плівки зв’язуючого. Дуже важливу роль у забезпеченні ефективного структуроутворення брикетів грає товщина клейової плівки. Зменшення товщини плівки зв’язуючих збільшує когезію і адгезію. У тонких клейових плівках досягається максимальний орієнтаційний ефект, мінімальні післяусадочні тангенціальні напруги, мало дефектів і тріщин. Товщина плівки залежить від хімічної природи зв’язуючих, характеру розпилення, температури і інтенсивності перемішування з корисними копалинами. Наявність у зв’язуючих індивідуальних ПАР створює хороші умови для тонко шарового розтікання по твердій поверхні.

Збільшення питомої поверхні зерен та їх числа сприяє тоншанню клейової плівки. Цьому також сприяє мілкодисперсний склад зв’язуючого.

Товщина клейової плівки багато в чому залежить від в'язкості зв’язуючих вмомент контакту із брикетуємим матеріалом. Максимальний ефект досягається, коли вона близька до в'язкості ньютоновскої рідини. Перемішування створює посилене тертя між клейовими плівками і твердими зернами, підвищуючи плинність зв’язуючих. Сполученням енергійного тертя та високих температур при змішанні можна забезпечити додаткове тоншання плівки. Товщина плівки залежить також від витрат зв’язуючого.

Тиск пресування

У процесах структуроутворення брикетів велика роль тиску пресування. З додатком тиску пресування пухка брикетна суміш перетворюється в міцний грудковий продукт - брикет. Деформуємість брикетної суміші під час пресування є функцією пластичності.

Під пластичністю розуміють здатність брикетної суміші змінювати свою форму під впливом зовнішніх сил без утворення тріщин і зберігати отриману форму після припинення дії цих сил. Зі збільшенням температури суміші пластичність зростає. Забезпечується висока брикетна здатність суміші при пресуванні.

Оцінюючи процес ущільнення брикетної суміші аналогічно струшуванню, його можна представити в такий спосіб. Спочатку відбувається швидка усадка. Потім вона сповільнюється і в міру ущільнення суміші наближається до граничної величини. Першими ущільнюються верхні шари, що перебувають ближче до місця тиску. Далі починають ущільнюватися наступні шари. Тиск пресування поширюється хвилеподібно, зменшуючись у глибину брикету. Ущільнення припиняється внаслідок погашення тиску від місця порушення. Це відбувається винятково через посилення тертя між частинками в результаті наростання зусиль.

Фізична сутність процесу пресування полягає в пластичній деформації матеріалу, що піддається обробці. Деформація в загальному випадку полягає в зсуві однієї частки матеріалу щодо іншої. Пластична деформація протікає, коли деформуюче зусилля змушує матеріал текти, подібно рідини. Для розрахунку пластичної деформації найбільше прийнятно наступне рівняння:

де F - деформуюча сила, Н; S - поверхня зрушення, на яку вона діє, м²; N - гранична напруга зрушення, Па; h- в'язкість, Па×с; dv/dh - градієнт швидкості руху частинок.

Якщо швидкість росту напруги велика в порівнянні зі швидкістю залишкової деформації, то деформація відстає від напруги. Це пов'язане з тим, що між напругою і внутрішнім тертям не встигає встановитися рівновага. У брикетній масі деформація помітно відстає від напруги. З'являються пружні сили, які компенсують різницю між напругою й тертям. Ці сили, названі внутрішнім напруженням, після зняття зовнішніх зусиль викликають пружний наслідок або релаксацію.

Після зняття тиску відбувається нерівномірне розширення брикету. Різнорідні матеріали - субстрат і зв’язуюче - по різному сприймають пружні деформації та неоднаково відновлюються. Виниклі розтяжні зусилля протилежні за знаком зусиллям, що здавлюють. Тому брикет перетерплює деяке розширення. Розтяжні зусилля діють поступово, проявляючись у міру виходу брикету із преса. Спочатку вони спрямовуються тільки в одному напрямку, вирівнюючись у процесі видавлювання брикету з матриці. Такий розподіл зусиль негативно впливає на міцність. Особливо, коли пресування іде при високих тисках. Негативна дія пружних деформацій приводить до виникнення в клейових плівках додаткових внутрішніх напружень, що послабляють міцність брикетів.

Охолодження брикетів

Структурна міцність брикетів остаточно здобувається в процесі охолодження. Вихідний із преса брикет має температуру, близьку до температури розм'якшення зв’язуючого. Зниження температури досягається перебуванням брикетів в атмосфері подаваного примусово або природно повітря. В цей період зв’язуючі відновлюють свою структуру до значень максимальної когезії. Інтенсивність охолодження брикетів пропорційна відношенню об’єму до поверхні охолоджуваних брикетів. Чим вище це відношення, тим повільніше відбувається охолодження. Розміри брикетів та їх число, що доводиться на одиницю площі охолоджувального пристрою, визначають кінцевий результат охолодження.

На охолодження впливають вологість і витрати зв’язуючого. При високій вологості в процесі охолодження відбувається інтенсивний випар. Виникаючі в брикетах тріщини викликають падіння їх міцності. Залежно від місця зосередження вологи тріщини можуть бути поверхневі або внутрішні. Останні дуже згубно позначаються на міцності брикетів.

Швидкість охолодження перебуває в прямої залежності від витрат зв’язуючого. Якщо зв’язуючого в брикеті мало, то охолодження іде швидко. Температура падає майже з однаковою швидкістю в усьому об’ємі брикету. Якщо ж вміст зв’язуючого високий, то температура знижується повільно і нерівномірно. Поверхневі шари брикету охолоджуються порівняно швидко, а внутрішні - тривалий час.

Контрольні питання.

1. Вплив на процес брикетування гранулометричного складу субстрату.

2. Вплив на процес брикетування температури, вологості та природи субстрату.

3. Вплив на процес брикетування властивостей зв’язуючого.

4. Вплив на процес брикетування тиску пресування та охолодження брикетів.

 

 

ТЕМА № 5