Главной задачей изучения процесса окомкования является установление минимально необходимого времени обработки шихты в грануляторе, при котором получается хорошо окомкованный материал. Это время зависит как от свойств комкуемого материала, так и от технологических факторов и рабочих параметров окомкователей: диаметра, длины, угла наклона, скорости вращения, степени заполнения и др. В связи с этим для разработки наиболее совершенной технологии окомкования требуется найти оптимальные параметры работы гранулятора.

Многофракционная крупная аглошихта включает по отношению к процессу окомкования из двух частей: комкующая и комкуемая. На зерна окомкованной части шихты размером менее 0,2-0,4 мм. Зерна размером 0,2-2 мм принимают ограниченное участие в окомковании шихты, так как они велики, чтобы налипать, но и малы, чтобы быть зародышевыми центрами.

Количество крупных зерен в шихте влияет не столько на конечный результат окомкования, сколько на скорость грануляции. Чем больше зародышей в шихте, тем выше скорость окомкования. Способность шихты
окомковываться характеризуется коэффициентом грануляции - отношением суммарной поверхности окомкованных фракций к объему комкующих:

(2.70)

По физическому смыслу это отношение является величиной обратно пропорциональной средней толщине накатанного на зародыши слоя мелких частиц. Чем больше Ксг (т. е. чем меньше толщина слоя, которая накатана на зародыши), тем с большей скоростью будет протекать грануляция аглошихты.

После преобразования получим:

(2.71)

где М„ рк п, d, - соответственно масса, кажущаяся плотность, средний диаметр частиц;

М0к - масса окомкованной шихты;

Рнас - плотность накатанного слоя шихты.

В отличие от грануляции шихты, где роль зародышей выполняют крупные куски возврата или руды, при производстве окатышей зародыши образуются в процессе окомкования.

Вследствие многоразовых ударов о неподвижный слой шихты и гарнисаж, один об другой окатыши уплотняются. При этом мелкие частички располагаются между крупными и избыточная влага выдавливается на поверхность окатышей, вследствие чего происходит налипание мелких частиц. По мере сближения зерен толщина пленки воды уменьшается и прочность сцепления увеличивается. При определенном режиме работы окомкователя существует минимальная пленка, соответствующая величине динамичных усилий. При достижении этой границы окатыш прекращает расти, а его прочность достигает максимального значения.

Величина динамических усилий в тарельчатых грануляторах больше, чем в барабанных, так как при меньшей длине пути окомкования сила ударов окатышей в них больше. Это позволяет в барабанных OKOMKOBafe^ax перерабатывать шихту с большей начальной влажностью, при которой процесс окомкования в чашевых окомкователях невозможен.

При режиме переката, который наиболее благоприятен для окомкования, толщина слоя материала в барабанном окомкователе уменьшается по мере его приближения к разгрузочному концу. Угол наклона поверхности материала к горизонтали а включает угол наклона барабана е и угол между поверхностью материала и образующей барабана (р. Движение материала от загрузочного торца до разгрузочного происходит вследствие его движения как единого целого по наклонной площади и вследствие вращения вокруг оси - «почки». Величина шага материала без учета его вращения около этой оси за один оборот барабана равна 2nR • tga.

При вращении материала по восходящей ветви частички шихты двигаются в площади, перпендикулярной образующей барабана и в нисходящей ветви - в вертикальной площади. Поэтому средний шаг частичек до выхода за один оборот материала равен

S = Rsin—tga

где R - радиус барабана, м;

Я - центральный угол, соответствующий сегменту, занятому материалом, градус;

от-угол наклона поверхности материала к горизонтали, градус. Условное передаточное число пары «барабан - материал» можно выразить через степень заполнения

Суммарный шаг материала за один оборот барабана

Обозначим выражение в скобках через N. Тогда время пребывания материала (тпр) длиной / и частотой вращения N будет:

/

w • tga • N ’

где w - угловая скорость внутренней поверхности барабана, м/мин.

Длина пути частичек в барабане (путь окомкования)

tga • N ’

Время пребывания, рассчитанное по приведенной формуле, больше времени пребывания определенного замером объема материала в барабане и его объемной производительностью, вследствие вспушивания шихты при окомковании (приблизительно на 10%).

Поэтому:

' .ід

w • N • tga у ’

где V- объем материала в барабане, м3;

V - объемная производительность барабана, м3/мин.

Так как функция М = N р близка к прямой линии, то можно записать:

0,211

w-R2 • tga ’

Увеличение степени заполнения барабана до 0,15 за счет уменьшения диаметра барабана при постоянной производительность или вследствие повышения производительности при неизменном диаметре способствует быстрому увеличению пути окомкования и увеличению прочности окатышей.

Однако равномерность гранулометрического состава при этом ухудшается. При увеличении степени заполнения более 0,15 длина пути окомкования увеличивается незначительно. Оптимальная степень заполнения барабана окомкователя составляет 0,03-0,05 и максимально допустима при производстве окатышей 0,1-0,15, т. е. существует определенная допустимая нагрузка на поверхность окомкования, которая равна 0,02-0,06 м3/м2, а граничная - 0,1 м3/м2.

В чашевом грануляторе на частичку, находящуюся возле борта действуют те же силы, что и во вращающемся барабане. До момента отрыва частички от борта чаши все силы уравновешиваются. Частичка отрывается от борта и катится по поверхности дна чаши в тот момент, когда реакция борта равна нулю. т. е. проекция силы массы частички уравновешивается суммой центробежной силы и проекции силы трения на направление радиуса чаши:

G2 = F„ + Fmp ■ cosp,

где F, f - центробежная сила, H;

Fmp - проекция силы трения, Н;

Р - угол отрыва частички от борта, градус.

Траекторию окатышей в чашевом окомкователе можно представить как неправильную спираль, в которой витки удаляются от дна и длина витков постепенно уменьшается. Вершина этой спирали, которая сужается, находится около борта в четвертом или в первом квадранте при вращении чаши соответственно по часовой стрелке или против.

Материал, который вращается в чаше, ограничивается поверхностями борта и дна, по форме он подобен цилиндрической подкове, сечение которой вогнуто в сторону дна в соответствии с изменением коэффициента трения материала от шихты до готовых окатышей. В нисходящей ветви траектории материал прижимается к борту и дну чаши и поэтому движется по кругу с такой же угловой скоростью, как и окомкователь.

Время пребывания материала на обеих ветвях должно быть равным на основании неразрывности потока

W

mg • sin б: • cos Р = т— + mg • coss • sin P, (2.80)

R

или после преобразований

R • n1

------ = (sinє -/ cos/?) cos/?, (2.81)

900 7

где m - масса окатыша, кг;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

е, р - углы наклона чаши и отрыва окатыша от борта чаши, град.;

w - угловая скорость, м/с;

R - радиус чаши, м;

п - частота вращения чаши, об/мин;

/- коэффициент трения материала о поверхность гарнисажа дна чаши.

Чем крупнее окатыши, тем больше угол их отрыва от борта чаши, тем меньше они поднимаются вверх, а нисходящая ветвь траектории приближается к борту и месту разгрузки.

Разное положение на дне чаши нисходящих потоков гранул с разной
крупностью, вызывает определенное положение их по высоте слоя. Первыми к борту и на дно поступают самые мелкие частицы окомкованной шихты, на них укладываются покрупнее и наверху размещаются гранулы макси­мального размера. В дальнейшем цикл повторяется на предельной высоте, соответствующей критическому значению угла отрыва окатыша от борта, скатываются наиболее крупные, потом выше средних и последними наиболее мелкие гранулы. Траектория пути окатыша по мере увеличения его размера представляет неправильную спираль, в которой каждый последующий виток происходит в площади, удаляющейся от дна окомкователя, а нисходящая ветвь витка приближается к борту.

Очевидно, что угол наклона чаши не может быть значительно меньше угла естественного откоса материала, так как при этом происходит интенсивное налипание шихты на дно окомкователя. Если угол наклона чаши больше угла естественного откоса материала, то гарнисаж плохо удерживается на дне и необходима его футеровка. Поэтому угол наклона чаши равен углу естественного откоса материала.

В зависимости от угла наклона чаши е объем материала в ней равен:

или

(2.83)

где R - радиус чаши, м;

А - центральный угол сегмента, занятого материалом, градус;

є - угол наклона дна к горизонту, градус;

а - угол естественного откоса материала, градус;

h - высота борта, м;

b - высота сегмента, м;

а - половина хорды этого же сегмента, м.

Зависимость объема материала в чашевом окомкователе при заданном угле наклона от высоты борта прямо пропорциональна, однако высота борта не может превышать максимального значения, при котором площадь сегмента, занятого материалом, будет больше половины площади дна, так
как вовремя вращения в нисходящей ветви траектории будет ухудшаться классификация материала по крупности.

Очевидно, эффективность работы чашевого окомкователя будет тем больше, чем лучше используется его поверхность окомкования, т. е. когда неокомкованные мелкие фракции шихты отрываются от борта в его наивысшей точке. Так как рабочей фазой процесса окомкования является период скатывания материала по поверхности дна вниз. Чем больше число раз за единицу времени он проходит через эту фазу, тем быстрее происходит рост окатышей.

Таким образом, производительность окомкователя прямо пропор­циональна скорости его вращения. Граничные значения угловой скорости окомкователя для всех видов шихт находится в интервале 2-3 м/с.

В среднем зависимость угловой скорости чашевых и барабанных окомкователей от их диаметра описывается уравнением

w = -0,889 + 0,744 • 103 D - 0,56 • 10^ D2, (2.84)

где w - угловая скорость, м/с;

D - диаметр окомкователя, м.