3.1. Исследование особенностей механизма образования зоны переувлажнения

При агломерации железорудных материалов по высоте слоя образуется несколько чередующихся друг за другом зон: готового агломерата, расплава, высокотемпературного нагрева, сушки, переувлажнения. Условия формиро­вания и движения каждой зоны оказывают влияние на показатели аглопро­цесса. Так, вырождение зоны сушки свидетельствует о нарушении соответ­ствия скорости движения фронта горения твердого топлива и условий тепло­передачи.

Зажигание твердого топлива в шихте продуктами горения жидкого или газообразного топлива начинается с нагрева влажного материала поверхно­сти слоя, когда ни зона сушки, ни зона переувлажнения еще не сформирова­лись. Таким образом, начальная стадия агломерации имеет отклонения от нормальных условий спекания, создающихся в основной стадии аглопроцес­са. При укладке шихты на спекательные тележки в верхние горизонты слоя ложится наиболее мелкая часть окомкованной аглосмеси, имеющая наибольшую удельную поверхность и содержащая наибольшее количество влаги. В результате этого при прямом контакте высокотемпературных (1200- 1300°С) газов и холодной (20-30°С) шихты происходит быстрое испарение влаги в верхних горизонтах слоя. Образуется парогазовая смесь с высоким влагосодержанием и температурой, которая уносится в нижележащие гори­зонты слоя и подогревает шихту. Механизм конденсации влаги в агломера­ции изучен в работах [71 - 73, 117, 166], но требует некоторого углубления и уточнения. В особенности это касается тепло и массообменных процессов в слое, нагретом до температуры 40 - 80оС.

В настоящее время принято считать, что начальная стадия, агломерации длится от начала зажигания твердого топлива в шихте до завершения форми­рования основных зон в агломерируемом слое [73]. При этом изучаются про­цессы в низкотемпературных зонах не в течение всего времени агломерации, а лишь за период спекания верхней части слоя, считая, что после того, как в спекаемом слое сформированы основные зоны, процесс теплообмена в этих зонах и в зоне сушки стабилизируется. Признаком окончания начального пе­риода спекания принято считать прекращение падения температуры отсасы­ваемого из слоя газа [71]. Такая методика не позволяет рассмотреть некото­рые особенности механизма образования и развития зон сушки, конденсации и переувлажнения, имеющие свое развитие в середине и даже в конце агло­процесса. Кроме того, не изучено влияние свойств аглосмеси и условий спе­кания на параметры зон сушки, переувлажнения и конденсации.

Большое значение для формирования низкотемпературных зон имеет содержание топлива в шихте. Автором были проведены исследования низко­температурного нагрева шихты без топлива и обычной шихты. Эксперимен­ты проводили при высоте слоя 300 мм, термопары устанавливали на четырех уровнях: первый уровень 50 мм от поверхности, два с шагом 70 мм и нижний 50 мм выше колосниковой решетки (рис.3.1) [150].

Сравнение термограмм низкотемпературного нагрева инертной шихты и шихты, содержащей твердое топливо, показывает, что они имеют существен­ное различие. Термограммы первых шихт имеют явно выраженный экстре­мум с последующим снижением температуры по экспоненциальному закону. Причем, максимальная температура на нижнем горизонте не превышает тем­пературу вышележащего слоя в рассматриваемый момент времени.

Термограммы слоя шихты, содержащей твердое топливо, имеют следу­ющую особенность (рис. 3.2). В начальный период агломерации (через 1,5 минуты после начала зажигания) термограммы имеют такой же вид, как и для слоя инертного материала. Затем на всех уровнях наблюдается возраста­ние температуры, максимальное значение которой приближается к первой точке экстремума в верхних горизонтах и превышает это значение в нижних горизонтах (рис.3.2).

Нагрев гранул шихты в слое от tH до максимального значения на участ­ке а - г (рис. 3.2) характеризуется высокой скоростью изменения температу­ры. Это объясняется насыщенностью газа парами воды и большой разностью температуры газа и поверхности гранул. При достижении температурного равновесия между поверхностью гранул и отходящим газом процесс конден­сации прекращается.

1 - верхняя термопара ; 2, 3 - средние ; 4 - нижняя термопара

Рис. 3.1 Термограммы низкотемпературного нагрева инертной ших­ты

Образование на поверхности гранул слоя переувлажненного материала за счет сконденсировавшейся влаги способствует повышению теплоемкости и теплопроводности материала периферии комков.

Тепло поверхности гранул передается к их центрам, что приводит к снижению температуры в слое, а на участке термограмм д-е происходит объ­емное насыщение гранул влагой (рис. 3.2), наблюдается фильтрация насы­щенного пара и испарение влаги с поверхности гранул практически отсут­ствует. На участке в-г происходит интенсивный поверхностный нагрев гра­нул паром. Beличина снижения температурного уровня гранул (участок г-д) зависит от начальной влажности шихты, её крупности, теплофизических свойств гранул и скорости фильтрации газа. При изучении механизма обра­зования зон конденсации и переувлажнения особое внимание автор уделил установлению в этих зонах равновесной температуры, то есть такой, при ко­торой температура отходящих газов, насыщенных парами воды, будет равна температуре шихты.

1 - верх слоя; 2 - середина; 3 - низ слоя

Рис. 3.2 Термограммы низкотемпературного нагрева шихты в слое

При определении момента установления температурного равновесия между шихтой и отходящими газами учли, что конденсация влаги в слое но­сит поверхностный характер и постоянство температуры газов еще не свиде­тельствует об установлении равновесия.

Температуру газа и поверхности гранул измеряли на одном уровне тер­мопарами типа ХА градуировки 0 - 150°С, подключенными к одному потен­циометру. Спай одной термопары помещали в межкусковых промежутках слоя в сквозной трубке, а другой касался поверхности гранулы шихты.

Исследования показали, что длительное время температура газа превы­шает температуру шихты на 2~3°С. Причем разность остается постоянной при изменении величины температуры отходящих газов и поверхности ших­ты.

Различие в температурах отходящих газов и поверхности окомкованной шихты в слое объясняется тем, что прогрев гранул теплом конденсации про­исходит не мгновенно, а занимает длительный промежуток времени. Причем, чем крупнее гранулы шихты, тем медленнее происходит нагрев за счет объ­емной инерционности процесса. Об этом свидетельствует изменение сопро­тивления шихты электрическому току, проходящему между двумя электро­дами и помещенными в слой на одном горизонте (рис. 3.3).

1 - низ слоя; 2 - середина; 3 - верх слоя

Рис. 3.3 - Электрограммы в зоне переувлажнения

Окомкованную шихту загружали в чашу, установив по высоте слоя на трех уровнях электроды для измерения электрического сопротивления ших­ты в процессе ее нагрева. Участок а-б соответствует изменению сопротивле­ния, возникающему в результате уплотнения шихты под действием вакуума. Участок б-в соответствует времени движения зоны конденсации от поверх­ности слоя до рассматриваемого горизонта. Участок в-г резкого снижения электрического сопротивления соответствует поверхностному насыщению гранул шихты сконденсировавшейся влагой [150].

Участок г-д, на котором наблюдается плавное снижение электрического сопротивления, соответствует объемному насыщению гранул шихты влагой. Выполненные таким образом косвенные измерения позволили предполо­жить, что постоянная разность температур между отходящими газами и гра­нулами окомкованной шихты создает условия для конденсации влаги. При­чем, время конденсации намного превышает начальный период агломерации.

Для получения данных методом прямых измерений были проведены следующие исследования. Агломерационную шихту постоянного состава смешали, увлажнили, окомковали, а затем разделили на 8 частей для восьми спеканий в аглочаше. Условия зажигания и вакуумный режим были постоян­ными во всех опытах, начальная влажность равнялась 7,0 %.

После зажигания шихты через разные промежутки времени процесс прерывали, чашу закрывали, опрокидывали, вынимали колосниковую решет­ку и отбирали пробу шихты на влагу. Нулевой точкой отсчета времени было не начало зажигания шихты, а появления скачка температур от tH до tp в са­мом нижнем горизонте слоя (20 мм от колосниковой решетки) [150].

Прямые измерения влажности шихты на нижнем горизонте слоя (рис. 3.4) показали, что процесс конденсации влаги в агломерируемом слое не заканчивается на начальной стадии агломерации до формирования всех зон, а распространяется и на основную стадию. Причем, многократного чере­дования процессов сушки и конденсации как указывает В. Коротич [5] не наблюдалось.

Нагрев сухого холодного возврата в слое h = 300 мм продуктами горе­ния пропан-бутановой смеси вызывает изменение температуры от ґя до tp.

Это объясняется тем, что при сгорании такого газа образуется углекислый газ и вода, которая имеет высокую температуру в зоне горения и конденсируется на поверхности кусочков холодного возврата в нижних горизонтах слоя с выделением тепла. Подъем температуры от tH до tp не наблюдается только при зажигании сухой шихты продуктами горения, не содержащими воду. Например, зажигание твердого топлива в шихте возвратом, нагретым до тем­пературы воспламенения при фильтрации воздуха через слой.

Таким образом, экспериментально автором подтверждено, что процесс переувлажнения осуществляется от периферии гранулы к ее центру и про­должается в течение длительного времени.