2.1. Особенности механизма образования гранул агломерационной шихты

При движении в поперечном сечении барабана окомкователя частички шихты описывают циклические траектории, состоящие из кругового, парабо­лического и линейного участков [5, 11]. Система подачи воды относительно горизонтальной оси барабана остается в процессе работы неподвижной. Не­смотря на непрерывную подачу воды на окомкование, увлажнение частиц шихты происходит периодически, так как поступление воды в пересыпаю­щийся слой осуществляется односторонне по отношению к траектории дви­жения материала в поперечном сечении барабана окомкователя. Это способ­ствует неравномерному увлажнению массы шихты. Следует также отметить, что неравномерность увлажнения аглосмеси связана с тем, что поверхность частиц, одновременно подвергаемых окомкованию, очень большая, а поверх­ность увлажнения весьма ограничена, то есть увлажнение материала осу­ществляется в слое значительной толщины.

Капля воды, попавшая в слой дисперсного материала, каким является комкуемая часть шихты, распространяется во все стороны, стягивая в один агрегат мелкие частички. Предельный размер образующегося комочка прямо пропорционален величине капли и обратно пропорционален порозности слоя материала [5, 11]. Порозность массы шихты, находящейся в динамическом состоянии, значительно выше, чем шихты, находящейся в статическом со­стоянии. Это является причиной быстрого увлажнения всей массы материала и образования рыхлых комочков, прочность которых мала и они разрушают­ся под действием динамических нагрузок. Вода, находящаяся в комочках, распределяется между элементарными твердыми частицами (например, ча­стицами мелкодисперсного концентрата) примерно пропорционально вели­чине их поверхности, образуя на зерне тонкую оболочку. При влажности комкуемой части шихты близкой к минимальной молекулярной влагоемко­сти силы взаимодействия между мелкодисперсными частицами малы, так как силы капиллярного взаимодействия еще не получили достаточного развития из-за малой влажности материала, а силы молекулярного взаимодействия не способствуют интенсивной агрегации частиц из-за того, что для проявления этих сил необходимо приблизить мелкодисперсные частицы на расстояния, соизмеримые с их размерами. Нужны большие нагрузки, чтобы преодолеть действие расклинивающих сил. Такие усилия в окомкователе не развиваются, это является причиной того, что при окомковании агломерационных шихт в барабанах большого диаметра (2,8 м и выше) комков без центров окомкова - ния почти не образуется. Разрушению гранул без центров окомкования спо­собствуют динамические нагрузки, возникающие при пересыпании твердых центров окомкования и комкуемой составляющей. Барабан в этот период ра­ботает как шаровая мельница, в которой роль шаров выполняют центры окомкования. Шихта переходит во вспушенное состояние и имеет ячеистую структуру. Капли воды попадают и на крупные частицы - твердые центры окомкования, состоящие в основном из кусочков руды, возврата и флюса. Сила взаимодействия молекул воды с поверхностью центров окомкования примерно такая же, как и у комкуемых фракций. По мере удаления от по­верхности частиц резко падает энергия молекулярного силового поля и вода удерживается в основном за счет капиллярных сил, возникновение которых обеспечивается неровностью микрорельефа поверхности центров окомкова - ния и неравномерностью увлажнения аглосмеси. Микронеровности и ло­кальные очаги переувлажнения вызывают образование трехфазной системы (газ, жидкость и твердая фаза), в которой проявляется действие капиллярных сил. Это приводит к образованию на поверхности центров окомкования вод­ных оболочек, значительно превосходящих по толщине оболочки комкуемых фракций. Для комкуемой части шихты действие капиллярных сил, способ­ствующих агрегации мелкодисперсных материалов, имеет место при повы­шении влажности, как всей массы материала, так и отдельных её участков. Образовавшиеся гранулы без центров окомкования на стадии грануляции, когда влажность шихты незначительно выше ММВ, не выходят за пределы крупности комкуемой составляющей (менее 1,6 мм) [34].

При выходе из зоны увлажнения, то есть при движении материала по круговому участку циклической траектории, в котором шихта движется вверх, крупные частицы соприкасаются с мелкими. Водные пленки на по­верхности комкуемых фракций легко размываются водой, содержащейся на поверхности твердых центров окомкования, происходит слияние водных пленок и агрегация частиц. При повторении движения материала по цикли­ческим траекториям в поперечном сечении барабанного окомкователя проис­ходит периодическое поверхностное переувлажнение, присоединение новых частиц и под действием динамических нагрузок уплотнение комков. Таким образом, для агрегации частиц в пересыпающемся слое мелкодисперсного материала решающую роль имеют капиллярные силы, интенсивное действие которых обеспечивается поверхностным переувлажнением частиц.

Образование гранул, обладающих новыми свойствами и, в частности, крупностью и влажностью, происходит и после полного расходования ком - куемой и промежуточных составляющих шихты - частиц крупностью менее 1,6 мм. Это связано с тем, что при полном расходовании указанных фракций происходит дальнейшее поверхностное переувлажнение образовавшихся гранул, дальнейшее развитие капиллярных сил, слипание комков и образова­ние полицентрических гранул. При этом проявляется селективный характер взаимодействия: вначале взаимодействуют между собой и с крупными гра­нулами наиболее мелкие гранулы, а затем крупность гранул, выступающих в роли комкуемых, повышается. Об этом свидетельствует характер структур­ных преобразований гранул в процессе их взаимодействия при непрерывном повышении влажности материала (рис. 2.1).

С повышением содержания в шихте тонкозернистого концентрата уменьшается доля фракций, способных служить зародышевыми центрами гранул. Такое изменение соотношения комкуемых и комкующих фракций шихты способствует увеличению размера накатываемых оболочек, а также к появлению гранул без твердых зародышевых центров. [35, 159-162]

С целью расширения представлений о механизме образования гранул аглошихты, автором были выполнены исследования процесса гранулообра­зования при мелкодисперсном разбрызгивании воды и продолжительном нахождении шихты в зоне увлажнения. Для исследования механизма образо­вания гранул шихту, состоящую из 100 % концентрата, подвергали грануля­ции в глухом барабане, т. е. в барабане с подпорным кольцом. При этом пор­ция шихты из барабана не выходила и длительно подвергалась увлажнению. На начальной стадии грануляции в качестве центров окомкования выступали
локальные участки переувлажненного концентрата, т. е. имело место локаль­ное переувлажнение концентрата, развитие капиллярных сил взаимодействия частиц и образование гранул размерами в пределах 1 - 3 мм.

а) О

б) Ф

г)

Дальнейшая подача воды в мелкодисперсном состоянии и малым расхо­дом способствовала уплотнению гранул и одовременному их поверхностно­му переувлажнению. При определенной достаточно высокой поверхностной влажности (более 8,5%) наиболее крупные гранулы выступают в качестве центров окомкования и на них накатываются другие гранулы меньших раз­меров. Этот процесс продолжается до тех пор пока из всей массы шихты, за­груженной в барабан не образуются 2-3 суппергранулы. Размер этих гранул для данных условий зависит от массы загружаемого концентрата, динамиче­ских нагрузок и сил капиллярного и молекулярного взаимодействия между частицами концентрата.

Аналогом глухого барабана может выступать барабанный окомкователь большой длины, зона увлажнения которого простирается по всей длине бара­бана, при обеспечении мелкодисперсного разбрызгивания воды.

Альтернативой удлиненному цилиндрическому барабану предложен ко­нусный окомкователь с углом наклона оси вращения в сторону загрузки [152]. Угол раскрытия конуса и угол наклона оси вращения обеспечивают движение кондиционной фракции в сторону разгрузки. Размер кондиционной фракции также зависит от угла раскрытия конуса (этот конструктивный па­раметр в процессе работы остается неизменным), от угла наклона оси враще­ния и нагрузки по шихте.

Комкуемая составляющая (частицы менее 1 мм) и некондиционная фракция например, гранулы менее 3 мм, не имеют возможности двигаться в сторону разгрузки, так как имеют высокий угол подъема в поперечном сече­нии барабана. Движению мелкого материала к загрузочному окну препят­ствует поток исходной шихты, поступающей в барабан.

Таким образом, комкующая составляющая и некондиционные фракции находятся в зоне увлажнения до тех пор, пока не приобретут размер гранул кондиционной фракции. При этом, механизм образования гранул приобрета­ет свою особенность состоящую в том, что на начальном этапе увлажнения шихты свое развитие (увеличение размера за счет накатывания комкуемой соствляющей) имеют моноцентрические гранулы (рис. 2.1-а), т. е. агрегиро­ванные соединение с одним центром окомкования крупностью 1 - 1,5 мм. С дальнейшим повышением влажности и длительности окомкования эти мел­кие, моноцентрические гранулы соединяются между собой и с более круп­ными гранулами (более 3 мм). За счет того, что мелкие гранулы, а не отдель­ные мелкие центры окомкования взаимодействуют между собой и с более крупными гранулами, количество гранул узкого класса крупности непрерыв­но увеличивается. Причем, при достижении “критического” размера крупные гранулы покидают зону увлажнения за счет резкого увеличения скорости движения вдоль горизонтальной оси барабана. Такой механизм образования гранул повышает скорость окомкования агломерационной шихты и способ­ствует образованию окомкованного материала узкого класса крупности.

Диапазон крупности гранул агломерационной шихты определяется сле­дующими условиями. Наиболее крупные гранулы должны иметь размер не более 8 - 10 мм. Меньший размер в основном соответствует гранулам с твер­дыми центрами окомкования, больший - без твердых центров. Наличие в шихте гранул размером более 10 мм приводит к росту тепловой инерционно­сти прогрева шихты и торможению скорости спекания, так как ухудшаются кинетические условия горения топливных частиц, закатанных в гранулы.

Диапазон некондиционной фракции определяется из соображений за­полнения межкусковых промежутков мелкими фракциями. Для диапазона кондиционных фракций размером 8 - 10 мм соответственно 3 - 4 мм. Запол­нение межкусковых промежутков ухудшает общую газопроницаемость слоя и затрудняет диффузию окислителя и эвакуацию продуктов горения топлив­ных частиц.

С увеличением высоты агломерируемого слоя максимальный размер кондиционной фракции необходимо увеличивать. Однако, соотношение диа­метров между наиболее крупными и мелкими гранулами остается примерно постоянным.

Следует отметить, что конусный барабанный окомкователь с наклоном оси вращения в сторону загрузки позволяет получить окомкованную шихту узкого диапазона крупности гранул, что будет рассмотрено в главе 4.

Некоторую особенность образования и роста имеют гранулы с центрами окомкования одинаковой крупности и различными поверхностными свой­ствами. При окомковании агломерационных шихт с такими твердыми цен­трами окомкования на частицах, хорошо смачиваемых водой, быстро образу­ется пленка поверхностного переувлажнения, на частицах слабо смачивае­мых водой, медленнее. Поэтому твердые центры окомкования с гидрофиль­ными свойствами быстрее вступают в агрегацию с мелкодисперсными части­цами, чем твердые центры окомкования с гидрофобными свойствами по­верхности. После того, как на твердые центры окомкования с различными поверхностными свойствами накатывается монослой комкуемой составляю­щей, условия их грануляции выравниваются, и процесс роста гранул идет с одинаковой скоростью.