CC BY
20
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА ИМ.С.М.КИРОВА
Том 257 1973
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МАЛЫХ ДОБАВОК ГИДРОФШШНЫХ КОЛЛОИДОВ НА ПРОЦЕСС ГРАНУЛИРОВАНИЯ ГРУБОДИСПЕРС-НЫХ МАТЕРИАЛОВ
В.М.Витюгин, И.Н.Ланцман ( Представлена научным семинаром кафедры ОХТ)
В настоящее время в мировой и отечественной практике освоен и весьма прогрессивно развивается способ подготовки офлюсованного металлургического сырья, который в зарубежной практике получил название пелетирование, а у нас - окомкование. Этот способ заключается в окатывании влажных смесей железорудных концентратов и плюсов крупностью менее 100/* в механических барабанных или тарельчатых грануляторах в сферические гранулы.размером 10-20 мм и последующими операциями сушки и обжига с получением весьма прочных капиллярно-пористых тел. Практикой установлено, что эффективное осуществление процесса гранулирования таких сравнительно грубодасперсных материалов в тарельчатых и барабанных окомкователях возможно лишь в присутствии небольших добавок (0,2 - 1,0$) гидрофильных коллоидов, таких, например, как бентонитовые глины. Однако механизм действия этих небольших по количеству, но шекхцих решающее значение добавок в настоящее время изучен недостаточно, что, естеотвенно, затрудняет оптимизацию технологического режима процесса.
В значительной мере эта недоработка обусловлена недостаточной ясностью механизма гранулообразования в таких сложных системах.
Подавляющее большинство отечественных и зарубежных исследователей, рассматривая основные факторы, определяющие процесс, ограничивались анализом структуры и механизма связи в сформированных сырых гранулах и'игнорировали существенное значение динамики
самого процесса формирования гранулы. В то же время совершенно очевидно, что на протяжении этого процесса от исходной рыхлой массы, представляющей собой трехфазную систему со значительной долей газовой фазы, до компактного конечного состояния с преобладанием твердой и жидкой фаз, механизм связи непрерывно меняется. Именно на стадии формирования гранулы и проявляется наиболее четко влияние небольших добавок гидрофильных коллоидов. Действительно, упоминавшийся ранее факт эффективного гранулирования грубодис-персных материалов только в присутствии небольших количеств этих добавок подтверждает это положение. В самом деле, прочность готовых гранул при введении добавок изменяется незначительно, а эффективность процесса в целом определяется, главным образом налкт:яем этих добавок.
Как правило, основной компонент гранулируемой шихты - магне-титовьш концентрат - представляет собой влажный сравнительно грубо-диспероныл материал, практически лишенный в процессе мокрого обогащения к;л "оидной фракции (крупность 0,1 - 0, содержание иловой фракции от I до 3%)9 Кроме магнетита в концентрате присутствуют породные минералы типа пироксенов, амфиболов, граната, кальцита, сульфидов и другие. Вторичные шихтовые компоненты смеси флюсы и гидрофильные коллоиды обычно представлены измельченным до 100/* известняком или доломитом в количестве 5-15^ и бентонитовыми глинами (0,5-1,5$). Таким образом, в начальном состоянии кошдемш: смесь представляет собой рахлую полиминеральную, полидисперсную, гетерофильную полиагрегатную трехфазную систему с примерным объемным соотношением Т:Ж:Г = 40:20:40. Содержание фракции менее 10// в основных компонентах, как правило, не'превышает 1-3%. В бентонитовых глинах коллоидная фракция составляет 80-90$. Последующее превращение этой системы вплоть до сформирования влажных гранул в значительной мере определяется спецификой процесса агрегирования в тарельчатых и барабанных окомкователях. Основная особенность заключается в том, что формирование гранулы, осуществляющееся в центробежно-гравитационном поле, происходит при большой степени свободы объемных деформаций, растущих уплотняющихся первичных агрегатов. Естественно, что при этом эффективность процесса грану-лообразования будет обусловлена преобладанием пластических деформаций . В грубодисперсной комкуемой системе такие пластические деформации могут развиваться лишь при наличии в рабочем объеме тик-сотропных коагуляционных структур. Образование таких структур и
происходит в поровом пространстве уплотняющихся агрегатов.
Смачивающая влага., сконцентрированная в начальный момент агрегации на поверхности частиц твердой фазы и в немногочисленных точках контакта их, по мере уплотнения системы под действием внешних сил выжимается в поровое простарнство, увлекая за собой взвешенные частицы иловой фракции основных компонентов и бентонит. По мере уплотнения объемная концентрация твердой фазы по-ровой суспензии растет, приводя ее во все более структурированное состояние. Содержание газовой фазы в системе при этом сокращается ч до минимума, обусловленного явлениями механического защемления. В сформированных гранулах объемное соотношение фаз составляет в среднем Т:Ж:Г = 64:32:4. Таким образом, в процессе гранулообразо-вания объемное содержание твердой и жидкой фаз возрастает в полтора раза, а объем газовой фазы сокращается на порядок. Изменение соотношения фаз и перестройка структуры дисперсной системы в процессе гранулообразования существенно сказывается на свойствах и характере взаимодейтсивя фаз.
Основная масса частиц твердой фазы, представляющая собой грубодисперсную фракцию, в процессе уплотнения системы формирует жесткий каркас. Одновременно первоначальная вода смачивания разделяется на конечной стадии процесса на воду, адсорбированную каркасными зернами, и воду поровой суспензии. Таким образом, в процессе гранулообразования система разделяется на две основные части. При этом поровая суспензия играет решающую роль в эффективности уплотнения, обеспечивая в той или иной мере пластические деформации. А.поэтому количество и реологические свойства поровых суспензий, образующихся в комкуемом материале, определяют эффективность процесса гранулообразования в целом. Роль каркасной части сводится в основном лишь к обеспечению максимального уплотнения за счет рационального гранулометрического состава и достаточной адгезионной способностью к структурированной поровой суспензии.
Исходя из этой рабочей гипотезы гранулообразования грубодис-персных материалов с небольшими добавками коллоидов, проведено экспериментальное исследование некоторых коллоидно-физических явлений и структурно-механических свойств производственных дисперсий.
Известно, что одним из показателей коллоидно-химических свойств и агрегатного состояния дисперсных систем является электрокинетический потенциал, который определялся электроомостическим методом
с поправкой на поверхностную проводимость. Исследованиями установлено, что эффективность процесса гранулирования дисперсных материалов тем выше, чем меньше значения % - потенциала.
Сравнение значений £ - потенциалов диафрагм, сформированных из совокупной дисперсной системы ( каркас и поровая суспензия ), показали, что введение в систему различных по качеству бентонитовых глин незначительно сказывается на величине % - потенциала системы. В то же время значения электрокинетического потенциала для различных бентонитов существенно различны. Так, например, введение азкамарского бентонита ( VI = -17,1 мв) и саригюхского ( = -13,7 мв) дает соответственно значения £ - потенциалов смесей - 4,8 и 3,2 мв.
Аналогично мало заметно влияние ионного состава дисперсионной среды (при смене дистиллированной воды на техническую) на величину электрокинетического потенциала душ диафрагм концентрата с бентонитами, V? - потенциал магнетита с добавкой азкамарского бентонита изменился с 4,8 мв (для дистиллированной воды) до 4 мв (для технической воды). Наоборот, это влияние ионного состава дисперсионной среды на электрокинетический потенциал для самих бентонитов весьма существенно (-17,1 и 10,2 мв соответственно для дистиллированной и технической воды). Изменение % - потенциала магнетитового концентрата от концентрации вводимых катионов Са,-Л/а и А1 показано на рис. I, из которого видно, что с повышением концентрации катионов в воде - потенциал снижается, причем с увеличением валентности, коагулирующее действие катиона увеличивается соответственно правилу Щульце-Гарди.
Интересно проследить изменение электрокинетического потенциала магнетитового концентрата при добавлении углещелочного реагента (УЩР), представленного в основном натриевыми гуматами. Первоначальное повышение ^ *- потенциала вызывается обменом двухвалентных катионов на ионы N а+. При увеличении концентрации УЩР (0,1-0,3$) происходит снижение £ - потенциала вследствие адсорбции гуматов, приводящей к экранированию двойного электрического слоя.
Дальнейшее возрастание - потенциала свидетельствует о построении слоя молекул гуматов с обратной ориентацией. Этот механизм связи действия УЩР подтверждают и изотермы сорбции. Данные по изменению прочности готовых влажных и сухих гранул свидетельствуют о максимальном значении прочности их при добавке
0,3% УЩР, что соответствует минимальному значению ¿Г - потенциала дая этой системы.
Значение величины электрокинетического потенциала для различных систем хотя и дает возможность оценить относительный вклад поровой суспензии в механизме связи частиц в агрегатах, но не позволяет проследить влияние этой активной части системы на процесс формирования гранулы, т.е. определение £ - потенциала привязано к стабильной во время опыта диафрагме. С этой позиции гораздо более продуктивно использование реологических показателей поровых суспензий, находящихся в зависимости от свойств и концентрации твердой фазы, изменяющейся в процессе формирования гранулы.
8
•ч
I
•ч
5 А
к
X
го 1,2 о/ о;а у \г
Концентрация мг-эк^/л
а-А/а; 2-ЛГ; 3 - Ге"".
Рис. I. Влияние концентрации катионов на % - потенциал магнетита
Исследование зависимостей предельного напряжения сдвига и пластической вязкости от концентрации суспензий бентонитов и расчеты соответствующей пластичности показали, что последняя является экстремальной функцией. При этом величина и положение эсктре-мума определяется качеством твердой фазы и ионным составом порово-го раствора. Полученные зависимости позволяют обосновать методику оценки эффективности малых добавок гидрофильных коллоидов, в частности бентонитов, в которых остро нуждается производство.
Сущность этой методики является следствием экстремальной зависимости V - С. Положение максимума на кривых Ф - С, очевидно, может служить качественно-количественной характеристикой бентонита, добавляемого к гранулируемому материалу.
Как показывает практика окомковнния магнетитовых концентратов на Соволовско-Сарбайском обогатительном комбинате, оптимальное
«
количество бентонита в шихте соответствует максимуму пластичности поровой суспензии. Так, например, наилучшие результаты гранулирования концентрата с огланлинским бентонитом получаются при добавке последнего 0,7$. Концентрация поровой суспензии при этом составляет 22% и совпадает с концентрацией максимума пластичности поровой суспензии сырых гранул.
Для выбора типа бентонита и расхода его можно использовать показатель удельной максимальной пластичности, который представляет собой отношение максимальной пластичности водной суспензии бентонита к концентрации бентонита соответствующей максимуму пластичности. В соответствии со значениями этого показателя бентониты можно расположить в следующий ряд: саригюхский у огланлия-ский > таганский розовый > махарадзенский > таганский серый.
Вполне естественно, что в процессе структурообразования будет принимать участие и оказывать влияние иловая фракция основных компонентов шихты. Как правило, в случае гранулирования железорудных концентратов с флюсами иловая фракцая представлена гидрофильными породными минералами типа пироксенов, хлорита, кальцита и т.д. Эти компоненты поровой суспензии, не дающие сами по себе структурирующего эффекта, в значительной мере влияют на реологию бентонитовых глин (повышая, как правило, предельное напряжение сдвига). Это указывает на необходимость учета качества и количества основных компонентов при выборе оптимального количества гидрофильных коллоидных добавок к комкуемой шихте.
Экстремальная- зависимость пластичности поровых суспензий от качества и количества твердой фазы поровой суспензии позволяет определять один из важнейших параметров процесса гранулирования - оптимальную влажность смеси перед грануляцией. Для этого, очевидно, нужна только корректировка на воду, адсорбированную поверхностью каркаснкх зерен. Оптимальную влагу окомкования
г*------------------------х--------------— -— ------ 1 -ты ,
X. - содержание каркасной части, %;
Ц/Пс- влажность поровой суспензии, отвечающая максимуму пластичности.
Таким образом, исследования коллоидно-химических, структурно-механических свойств дисперсщсс материалов, используемых в
процессах мокрого гранулирования, позволяют раскрыть механизм действия малых добавок гидрофильных коллоидов и разработать научно-обоснованные методики оценки качества и количества этих добавок, а также прогнозировать основные показатели технологического режима процесса.
