Теплопередача имеет решающее значение для процессов окускования, определяя удельные расходы топлива, степень законченности химико­минеральных превращений, физических явлений уплотнения концентратов и в конечном результате производительность агрегатов и прочность окатышей. Обжиг окатышей, являясь слоевым процессом, в котором материал нагревается вследствие фильтрации через него горячего газа, определяющим является конвекция. Конвективный нагрев материала может осуществляться двумя принципиально разными способами - тепловым фронтом или тепловой волной. Первый способ нагрева характеризуется скоростью движения и шириной теплового фронта: горячий газ входит в слой и нагревает его поверхность до собственной температуры. Пока поверхность слоя нагревается до температуры газа, нижние горизонты слоя нагреваются на столько, насколько разрешает им наличие теплоты в газе, пока он не охладится до температуры исходной шихты.

Физико-химическая модель обжиг офлюсованных окатышей из гематитового концентрата с добавкой твердого топлива

Расстояние в слое от точки максимальной температуры горячего газа до точки минимальной температуры исходной шихты является шириной теплового фронта. Процесс считается законченным, когда максимальная температура достигает нижнего горизонта.

Скорость движения теплового фронта в слое определяется, как скорость перемещения максимума температур в направлении движения горячего газа. Этот способ нагрева характеризуется высокими затратами теплоты и газодинамическим сопротивлением слоя, так как он весь нагревается до максимальной температуры, аккумулируя 150-250 ккал/кг.

При нагревании слоя кускового материала тепловой волной следом за тепловым фронтом движется фронт охлаждения готовых окатышей, в котором холодный атмосферный воздух подогревается до температуры, которую может обеспечить запас теплоты в материале и условия теплопередачи (степень завершения теплообмена). Ширина фронта охлаждения от минимальной температуры холодного воздуха до максимальной температуры, от которой начинается охлаждение окатышей.

Тепловая волна в слое может образовываться в двух случаях: когда слой содержит горючие компоненты - внутренние источники теплоты (твердое топливо, соединения серы, магнетит), или когда теплоноситель содержит горючие компоненты (внешний источник теплоты), которые сгорают на разогретой поверхности кусков.

Выгорание горючих компонентов создает условия для возникновения фронта охлаждения, но внутренние источники теплоты зажигаются на тепловом фронте, и исчезают на фронте охлаждения. Внешние источники теплоты зажигаются на фронте охлаждения и догорают на фронте нагрева. Последнее способствует расширению тепловой волны по ходу процесса нагрева за счет замедления движения фронта охлаждения. Очевидно, что затраты теплоты и газодинамическое сопротивление слоя при нагревании его тепловой волной меньше, чем при нагревании тепловым фронтом, так как тепло из зоны охлаждения используется в зоне нагревания материала и средняя температура слоя при этом значительно меньше.

Существенным недостатком этих двух способов нагрева есть неравномерность тепловой обработки материала по высоте слоя. При нагревании тепловым фронтом материал нижних горизонтов нагревается до меньших температур, чем материал верхних горизонтов, так как при

451

повышении температуры внизу слоя значительно уменьшается производительность процесса и повышаются затраты теплоты с отходящими газами. Время пребывания материала нижних слоев при высоких температурах значительно уменьшается по сравнению с верхними слоями. Вследствие недостаточной тепловой обработки прочность готовых окатышей нижних слоев может быть в два и больше раз меньше, чем вверху слоя.

При нагревании слоя тепловой волной по ходу процесса величина рекуперированной теплоты постепенно увеличивается. При равномерном распределении твердого топлива в слое нижние горизонты слоя получают значительно больше теплоты, чем верхние.

Наиболее равномерно слой окатышей по высоте обрабатывается при комбинировании описанных способов нагрева путем использования комбинированного топлива - твердого, которое добавляется в шихту и газообразного или жидкого, которое сжигается над слоем.

При обжиге окатышей сжиганием газа или жидкого топлива над слоем теплообмен характеризуется скоростью движения и шириной теплового фронта. Под тепловым фронтом подразумевается объем слоя, ограниченный горизонтальными плоскостями, в которых окатыши имеют минимальную (2050°С ) и максимальную (1200-1300°С ) температуру. Расстояние между этими плоскостями называется шириной теплового фронта, которая зависит от диаметра окатыша. Скорость перемещения теплового фронта по слою в направлении движения теплоносителя определяется преимущественно скоростью фильтрации газа. Обжиг заканчивается, когда максимум температуры теплового фронта достигает постели. При этом слой по всей высоте нагрет до температуры, необходимой для получения прочных окатышей, близкой до температуры газов.

При обжиге окатышей твердым топливом процесс теплообмена характеризуется не только наличием фронта нагрева, но и фронта охлаждения, которые образуют тепловую волну. Процесс обжига заканчивается, когда максимум температуры тепловой волны проходит весь слой до постели.

Вместе с тем, только часть теплоты от горения углерода твердого топлива в токе газа-теплоносителя непосредственно используется в зоне обжига окатышей. Основная же часть теплоты выделяется в зоне охлаждения при окислении магнетита, образовавшегося в результате процессов восстановления при обжиге. Выделившаяся теплота возвращается в зоны термообработки

452

окатышей с нагретым в зоне охлаждения возд>хом. Доля теплоты, внесенная за счет повышения теплосодержания нагретого воздуха при окислении магнетита, составляет 55,4-65,2% от теплоты сэкономленного природного газа.