По величине температурного уровня внешний нагрев можно условно разделить на низкотемпературный - до температуры воспламенения твердого топлива, и высокотемпературный - выше температуры воспламенения твер­дого топлива. Внешний нагрев оказывает большое влияние на процесс кон­денсации влаги и её испарение. Низкотемпературный нагрев аглосмеси мож­но осуществлять до укладки её на колосниковую решетку и после. Высоко­температурный - только после укладки шихты на спекательные тележки, что связано с уменьшением прочности гранул при нагреве и интенсивном разру­шении при перегрузках. Для уменьшения отрицательного влияния пере­увлажнения в агломерируемом слое предлагается использовать тепло возвра­та, пара, газа [97 - 100, 119, 120, 127, 155, 156, 157]. Использование пара при нагреве сопровождается дополнительным увлажнением шихты. Использова­ние газа - подсушкой. Для сохранения механической прочности гранул и га­зопроницаемости слоя ни подсушивание, ни переувлажнение нежелательны.

До зажигания шихты одновременно с включением эксгаустера и нача­лом движения газов изменяется давление по высоте агломерируемого слоя. Перепад давления по высоте влияет на изменение температуры в зоне пере­увлажнения на различных уровнях слоя. В установившемся режиме движе­ния газа через слой агломерационной шихты его объем в межкусковых про­межутках можно принять остающимся неизменным, ограниченным стенками чаши. При этом изменяется давление по высоте слоя. С другой стороны, по­сле зажигания при использовании сухой засыпки у стенок аглочаши для устранения потерь тепла и бортового эффекта, можно принять, что при обра­зовании зоны переувлажнения процесс протекает без теплообмена с окружа­ющей средой.

Для создания условий спекания на начальной стадии аглопроцесса таких же, как и на основной, необходимо исследовать процесс образования зоны переувлажнения в зависимости от режима внешнего нагрева. С этой целью производили нагрев аглошихты до её укладки на колосниковую решетку и после. Методика исследований состояла в следующем. Агломерационную смесь, необходимую для пяти спеканий загружали в лабораторный окомкова - тель, смешивали, окомковывали и спекали в чаше диаметром 150 мм. Внеш­ний высокотемпературный нагрев слоя осуществли продуктами горения про - пан-бутановой смеси. Высота слоя равнялась 300 мм. При выполнении ис­следований анализировали изменения во времени усадки слоя, скорости фильтрации газа через слой, температуру в зоне переувлажнения и сопротив­ление шихты электрическому току.

При фильтрации газа через слой сухой шихты с начальной температурой tH = 20°C изменения температуры по высоте слоя незначительны (2 - 3°С) и заметно понижаются при фильтрации газа через слой влажной шихты (на 5 - 6°С). Это объясняется тем, что кроме изменения давления по высоте слоя, на охлаждение материала оказывает влияние испарение влаги с поверхности гранул. При подаче продуктов горения пропан-бутановой смеси с температу­рой t = 1000°C шихта, состоящая из концентрата и топлива, нагретая до tH = 67°C, на нижних горизонтах охлаждалась до tP = 50°C со скоростью 23 град/мин. (рис. 3.6). Таким образом, чем выше температура шихты и раз­режение в слое, тем большее влияние оказывает процесс испарения влаги на скорость охлаждения материала.

1, 2, 3 - tH = 20,40,67°С соответственно

Рис. 3.6 - Термограммы зоны переувлажнения

Влияние низкотемпературного внешнего нагрева шихты перед укладкой её на колосниковую решетку автор исследовали при начальной температуре равной 20, 30, 40, 50, 60°С (рис. 3.7).

При прохождении фронта конденсации влаги через рассматриваемый горизонт температура в слое увеличивалась при начальной температуре ших­ты равной tH = 20, 30,40°С (рис. 3.7). Механизм сушки и конденсации влаги

в слое шихты, нагретой до этих температур, подробно рассмотрен в работах [69, 72, 119]. Однако здесь не учитывается уменьшение температуры в слое под действием вакуума при включении эксгаустера (участок а-в рис.3.3).

При низких начальных температурах шихты 20 - 40°С это уменьшение составляет 2 - 7°С при вакууме под слоем 7 - 10 кПа. Более существенные изменения температуры и вид термограмм при нагреве шихты выше 50° С (рис.3.7). При включении эксгаустера шихта, нагретая до 50, 60°С, охлажда­ется на 10 - 20°С на всех горизонтах слоя.

1, 2, 3, 4, 5 - tH = 20, 30,40,50, 60°С соответственно Рис. 3.7 - Параметры зоны переувлажнения нагретой шихты

После выхода температуры в зоне переувлажнения на установившееся значение скачкообразного изменения температуры не наблюдалось. Анализ термограмм (рис. 3.1-6) показывает, что с увеличением начальной темпера­туры шихты температурный скачок в результате действия фронта конденса­ции уменьшается и практически исчезает при нагреве шихты до 50°С. Следо­вательно, для устранения отрицательного влияния зоны переувлажнения на начальную газопроницаемость слоя шихты её достаточно нагревать до 50 - 60°С, а не 70 - 80°С, как рекомендует авторы работы [72]. Об этом свиде­тельствует и характер деформации агломерируемого слоя (рис. 3.7-а).

Усадка слоя агломерационной шихты (рис. 3.7-а) при увеличении тем­пературы материала претерпевает существенные изменения. При нагреве окомкованной смеси до 40°С скорость деформации слоя равна 30 - 35 мм/мин, а при нагреве свыше 50°С скорость деформации, начиная с треть­ей минуты после зажигания, равна примерно 3 мм/мин. Это свидетельствует о том, что градиент усадки от воздействия влаги при нагреве шихты до 40° С выше, а при нагреве до 50°С - значительно меньший. Обращает на себя вни­мание тот факт, что после второй минуты спекания шихты при tH = 60°С по­является деформация слоя, хотя температура при этом в зоне ожидаемой конденсации не увеличивается. Усадка слоя здесь, видимо, не связана с кон­денсацией, а с действием вакуума и механическим переносом влаги.

В результате образования зон формирования агломерата между высоко­температурной зоной (зоной горения твердого топлива) и влажной шихтой возникает прослойка сухой шихты (зона сушки и интенсивного нагрева), ко­торая способствует снижению температуры пара поступающего в нижеле­жащие горизонты слоя. Поэтому при спекании холодной шихты наибольше­му разрушению подвержена верхняя часть слоя, где толщина прослойки су­хой шихты незначительна, а в момент начала зажигания равна нулю. Для уменьшения усадки слоя под действием влаги конденсации шихту нагревали вне колосниковой решетки и укладывали на поверхность холодного слоя шихты. Толщина верхней нагретой части слоя была равна 100, 75, 50 и 0 мм при общей высоте слоя 300 мм. Результаты исследований параметров зоны переувлажнения представлены на рис. 3.8.

Исследования показали, что в базовых опытах, когда на поверхности слоя не было нагретой шихты, имеет место наибольшая усадка слоя и наибольшее снижение газопроницаемости слоя. При использовании подогре­той шихты усадка слоя была во всех опытах примерно одинаковой (рис.3.7- а). Однако газопроницаемость наибольшей была при укладке слоя нагретой шихты толщиной 50 мм, что видимо, связано с увеличением толщины высо­котемпературной зоны.

Многие аглофабрики металлургических заводов используют однослой­ную укладку шихты на спекательные тележки и без больших капитальных
затрат на них невзможно организовать укладку второго слоя шихты. Для та­ких металлургических заводов целесообразно осуществлять нагрев поверх­ности слоя шихты, уложенной на колосниковую решетку.

Рис. 3.8 - Параметры зоны переувлажнения при загрузке на поверхность слоя подогретой шихты

Нагрев поверхности слоя шихты перед зажиганием следует рассматри­вать и как фактор, влияющий на формирование зоны переувлажнения, и как фактор, влияющий на горение твердого топлива. Решая задачу уменьшения отрицательного влияния зоны переувлажнения на газопроницаемость слоя, путем снижения температурного уровня на начальной стадии зажигания, по­верхность нагревали воздухом с температурой 200°С в течение 0, 60, 90, 120, 150 секунд. Результаты исследований представлены на рис. 3.9. При филь­трации газа с температурой 200° С через слой холодной шихты в зоне конден­сации устанавливается равновесная температура в пределах 25 - 28°С. С началом высокотемпературного нагрева и фильтрации через слой газов с

температурой 1100°С значение равновесной температуры увеличивается и достигает 35 - 40°С.

1, 2, 3, 4, 5 - время нагрева соответственно 0, 60, 90, 120, 150 с Рис. 3.9 - Параметры зоны переувлажнения при нагреве поверхности воздухом с температурой 200°С

В начальный период агломерации структура слоя, и соответственно, начальная газопроницаемость, более длительное время сохраняется с увели­чением времени низкотемпературного (до 200°С) нагрева, а в основном пе­риоде агломерации газопроницаемость предварительно нагретого слоя не­сколько выше, чем в базовом опыте с зажиганием холодной (15°С) поверхно­сти слоя шихты (рис.3.9). Разность температур до 10°С в зоне переувлажне­ния между базовым и опытным спеканием с нагревом поверхности слоя в те­чение 150 с и незначительная разность скоростей фильтрации газа через слой свидетельствует о том, что, несмотря на снижение деформации слоя в опыт­ном спекании, газопроницаемость не имеет существенного изменения. Одна­ко при этом увеличивается зона интенсивного нагрева, о чем свидетельствует ранний подъем температуры в этих зонах (рис.3.9) и уменьшение длительно-

1, 2, 3, 4 - температура теплоносителя соответственно 0, 150, 200, 300°С

Рис. 3.10 - Параметры зоны переувлажнения при предварительном нагреве поверхности слоя теплоносителем различной температуры

В следующей серии спеканий время нагрева поверхности спека остава­лось постоянным и равным 40 с, а температура нагрева была равной 150, 200, 300°С. Результаты исследований представлены на рис. 3.10. Температурный уровень в зоне переувлажнения во всех опытных спеканиях незначительно отличался от базовых, имея тенденцию к снижению. Однако характер изме­нения температуры во времени имеет существенные различия. Предвари­тельный нагрев поверхности слоя до температуры 150, 200, 300°С вызывает установление температуры в зоне переувлажнения соответственно на 4, 8, 12°С меньше начальной. Крутизна термограммы базового спекания на участ - ке от tH до tp выше, чем в опытных спеканиях, что свидетельствует о более интенсивной конденсации влаги в слое. Скорость фильтрации газа в устано­вившемся режиме спекания в базовых спеканиях была несколько ниже (рис. 3.10), чем в опытных, что согласуется с температурным уровнем зон пере­увлажнения.

Исследования показали, что при нагреве шихты в течении 40 с газом с температурой ниже температуры воспламенения твердого топлива - темпе­ратура нагрева соответствующая наибольшей газопроницаемости - равна 200°С. Реализация такой технологии зажигания шихты с предварительным нагревом не встречает технических затруднений.

Сохранению прочности гранул в агломерируемом слое способствует также подсушивание шихты верхних горизонтов вне колосниковой решетки. В этом случае обнаруживается действие как положительных, так и отрица­тельных факторов. С одной стороны, подсушивание способствует разруше­нию гранул. С другой, при подсушивании удаляется влага, требующая тепла на испарение, а также нагреваемая шихта в меньшей степени разрушается при воздействии на нее переувлажнения.

На рис. 3.11 представлены результаты исследований параметров зоны переувлажнения при укладке на слой влажной шихты слоя подсушеной ших­ты высотой 0, 17, 35, 52, 70 мм. Аглосмесь состояла из концентрата, возврата и топлива и не содержала связующих добавок и извести. При подсушивании гранулы частично разрушались. Несмотря на это при выходе зоны пере­увлажнения на колосниковую решетку скорость фильтрации газа через слой в опытах без сухой шихты была наименьшей (рис. 3.11). Это связано с мак­симальной деформацией гранул под действием переувлажнения, о чем свиде­тельствует изменение усадки слоя.

Температура в зоне переувлажнения с увеличением слоя сухой шихты уменьшается. Это объясняется тем, что проходя через слой сухой шихты, фронт теплопередачи нижней ступени теплообмена растягивается. При этом снижается температура газа на входе в зону сушки, уменьшается температура пара и его влагосодержание. На начальной стадии парообразования в слое тепла конденсации в нижних горизонтах слоя достаточно только для того, чтобы нагреть поверхность гранул шихты (участок термограммы а - б). В ре­зультате передачи тепла в гранулах от поверхности к центру температура в зоне переувлажнения снижается (участок б - в). При повышении температу­ры на входе в зону сушки при переходе высокотемпературной зоны в слой влажной шихты, температура пара повышается, что способствует увеличе­нию температуры в зоне переувлажнения.

При решении задачи уменьшения отрицательного влияния зоны пере­увлажнения необходимо использовать применительно к существующим про­изводственным условиям наиболее простые в техническом осуществлении и наиболее экономичные методы.

3.2. Выводы

1. Механизм переувлажнения гранул шихты включает два различных процесса: поверхностного и объемного насыщения гранул водой, отличаю­щихся длительностью и динамикой протекания. Установление равновесной температуры в зоне переувлажнения соответствует началу поверхностного переувлажнения. Объемное насыщение гранул водой длится более половины времени спекания слоя.

3. С увеличением средней крупности гранул деформация слоя снижает­ся. Спекания шихты фракций 5 - 7 мм и выше показали, что усадка слоя практически стабилизируется.

4. С уменьшением влажности окомкованой шихты уменьшается величи­на усадки агломерируемого слоя от влияния процесса переувлажнения.

5. Процесс уплотнения и стабилизации гранулометрического состава требует затрат работы внешних сил в два - три раза меньше, чем процесс гранулообразования.

6. Простым в осуществлении и эффективным в уменьшении переувлаж­нения шихты является предварительный низкотемпературный нагрев верх­ней части слоя до температуры 50 - 60°С.