Диссертация является законченной научно-исследовательской работой, в которой дано новое решение актуальной научной задачи повышения эффек­тивности процессов окускования путем применения рециркуляционного окомкования агломерационной шихты.

Научной основой решения этих задач являются установленные физико - химические закономерности образования гранул агломерационной шихты, процессов переувлажнения и устранения их негативного влияния на газопро­ницаемость слоя.

Важнейшими научными и практическими результатами работы являет­ся:

1. Теоретически и экспериментально выполнены исследования и допол­нительно изучены механизм образования гранул агломерационной шихты. Обоснован механизм образования гранул при окомковании агломерационной шихты в рециркуляционном режиме. При низкой интенсивности увлажнения шихты состоящей из тонкодисперсного материала во взаимодействие всту­пают гранулы возрастающей крупности без образования промежуточной фракции. С изменением условий окомкования и в частности конечной влаж­ности шихты.

2. Дополнительно исследован и уточнен механизм переувлажнения в аг­ломерируемом слое и предложены методы устранения его влияния на газо­динамику агломерируемого слоя. Разработан метод расчета интенсивности увлажнения агломерационной шихты с учетом конструктивных особенностей окомкователя и режима движения сыпучего материала. Качество окомкова­ния шихты зависит не только от геометрических параметров, но и от степени диспергирования воды, что в значительной мере сказывается на кинетике грануляции шихты.

3. Исследования по спеканию монофракционной шихты показали, что определенному диапазону крупности гранул соответствует определенное значение скорости фильтрации газовой фазы, обеспечивающая максималь­ную производительность аглоустановки. Фракции 5-3 мм - 0,4 м/с; 7 - 5 мм - 0,3 м/с; 10 - 7 мм - 0,2 м/с.

4. Для достижения высоких показателей спекания железорудного агло­мерата при увеличении доли мелкодисперсных фракций в рудной части, нео­бходимо стремиться получить однородный состав гранул с преобладанием в шихте фракций 3 - 8 мм (80 - 90 %) для слоя высотой 300 мм. При этом с во­зрастанием высоты агломерируемого слоя верхняя граница крупности гранул может увеличиваться.

5. 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. С увеличением средней крупности гранул деформа­ция слоя снижается.

6. С уменьшением влажности окомкованой шихты уменьшается величи­на усадки агломерируемого слоя от влияния процесса переувлажнения. Заме­тное снижение усадки слоя наблюдается при влажности шихты 4,4 % и ме­нее. Процесс уплотнения и стабилизации гранулометрического состава тре­бует затрат работы внешних сил в два - три раза меньше, чем процесс грану­лообразования.

7. Экспериментально доказано, что в рециркуляционном режиме оком - кования в имеется возможность получать аглошихту более однородного гра­нулометрического состава с содержанием фракции 3 - 8 мм 90%

8. Спекания агломерационной шихты подсушенной в слое показали, что интенсивность горения твердого топлива увеличивается, а при обычной вла­жности (7 - 8 %) уменьшается, что соответственным образом изменяет прои­зводительность аглоустановки. При спекании шихты узких классов крупнос­ти показали, что наибольшая интенсивность горения топлива в слое наблю­дается для фракции 5 - 3 мм.

9. Получила экспериментальное подтверждение гипотеза, что оптималь­ная влажность шихты для процесса окомкования не соответствует оптималь­ной влажности при ее спекании. В ходе исследования процесса спекания ши­хты переменной влажности и крупности доказано, что оптимальная влаж­ность шихты с точки зрения окомкования составляет 7,2 - 7,5 % и превышает оптимальную влажность шихты с точки зрения процесса спекания составля­ющую 4 - 4,5 %.

Новая технология зажигания шихты впервые была испытана и внедрена на аглофабрике Алчевского металлургического комбината. Внешний высоко­температурный нагрев поверхности слоя здесь осуществляется 10-ти горе­лочным горном конструкции ВНИИМТ с боковым расположением горелок (рис. 5.10). Горелки установлены неравномерно по длине горна. Так, рассто­яние между осями IV и V ряда горелок составляет 1620 мм, а между осями I, II, III ряда 1040 мм. Щели сопел горелок имеют разные размеры, горелки II и III ряда имеют щели шириной 16 мм, а горелки I, IV и V ряда шириной 10 мм. Такая конструкция горна обеспечивает развитие температур в преде­лах 1200 - 1300°С.

Максимум температуры под горном обусловливается стойкостью кладки горна. Согласно технологической инструкции, внешний нагрев состоит из трех следующих последовательных операций:

- предварительный нагрев слоя шихты (подготовка топлива к зажига­нию);

- зажигание (воспламенение топлива и формирование активной зоны в слое шихты);

- дополнительный нагрев слоя (выравнивание максимальных темпера­тур по высоте слоя шихты).

Рис. 5.10 - Схема расположения горелок в горне агломашины

Нагрев шихты производится продуктами сгорания коксо-доменной сме­си (40 - 50 % коксового и 50 - 60 % доменного газа) с теплотворной способ-

л

ностью 9,2 - 10,5 мДж/м. Температура продуктов сгорания над слоем рас­пределяется равномерно по ширине горна и должна обеспечивать среднюю интенсивность зажигания около 41,9 - 50,3 мДж/м2. Для обеспечения требу­емой интенсивности зажигания кроме коксо-доменной смеси в горн подается вентиляторный воздух с расходом 8000 - 10000 м3 / час.

Все перечисленные выше условия позволяют распределить газ в следу­ющих соотношениях по рядам горелок. Так на II и III ряд приходится около 60 % расхода газа, а на горелки I, IV, V ряда - 40 % от всего расхода.

В производственных условиях встречаются следующие характерные тепловые режимы внешнего нагрева [71, 119]:

- нормальная или высокая интенсивность нагрева, но недостаточная продолжительность, а следовательно, и недостаточный удельный расход теп­ла внешнего источника. В этом случае на поверхности слоя образуется корка нормального спека, под которой находится слой слабоспеченного материала. При сходе с тележек аглоспек верхней части пирога практически полностью переходит в возврат. Для устранения этого недостатка необходимо умень­шить скорость фильтрации газа через слой за зажигательным горном. Уменьшение скорости фильтрации газа способствует концентрации тепла в узкой зоне, что при непродолжительном зажигании позволяет получить прочный агломерат;

- продолжительность внешнего нагрева больше оптимальной, но тепло подводится недостаточно интенсивно. В начальном периоде агломерации ко­личество подведенного тепла меньше оптимальной потребности. Агломерат верхней части пирога, как и в предыдущем случае, получается непрочным. При этом часть тепла внешнего источника затрачивается непроизводительно, так как появляется избыток тепла по сравнению с оптимальной потребно­стью. Уменьшение скорости фильтрации газа в начальный период является причиной повышения температуры в горне, способствует концентрации теп­ла в узкой зоне, и, как следствие, увеличению прочности верха аглоспека;

- при малой продолжительности внешнего нагрева недостаток тепла можно восполнить за счет увеличения расхода топлива в шихту. Такой прием нецелесообразен как с точки зрения экономичности процесса, так и однород­ности свойств агломерата по высоте слоя. Расход тепла, близкий к оптималь­ному может быть обеспечен только в начальной стадии процесса. Причем внешний нагрев необходимо рассматривать только во взаимосвязи со скоро­стью фильтрации газа через слой. Это обеспечит избежание перерасхода топ­лива посредством рационального использования химического тепла верхних горизонтов слоя.

На работающих горнах аглофабрики Алчевского металлургического комбината продолжительность внешнего нагрева была больше оптимальной. В первой четверти горна, начиная от загрузочного устройства, поверхность слоя нагревалась чрезмерно интенсивно: за 30 секунд температура поверхно­сти слоя изменялась от 10 - 20°С до 1150 - 1200°С. Это приводило к пере­увлажнению слоя, а также к совмещению на одном горизонте процессов дис­социации карбонатов и горения твердого топлива. Сжигание газа, подаваемо­го через горелки 1, 2, 9, 10 приводит к нецелесообразному использованию тепла по следующим причинам. Наличие в горновых газах CO2 при допол­нительном нагреве способствует развитию реакции восстановления двуокиси углерода углеродом твердого топлива. Восстановительная атмосфера способ­ствует разрушению верхних горизонтов аглопирога от полиморфного пре­вращения двукальциевого силиката при спекании агломерата с модулем ос­новности равным 1,3 - 1,7. Кроме того, сжигание газа, подаваемого в полном объеме через горелки 1, 2, 9, 10 нецелесообразно в связи с близким их распо­ложением к выходу из-под горна.

Такое расположение горелок ведет к потерям тепла излучением с повер­хности слоя. Потери тепла были рассчитаны при температуре поверхности пирога на выходе из-под горна равной 1200°С, они составили 8,56 %. Такие условия создаются при использовании короткого горна, в котором последняя горелка установлена у его торца.

Таблица 5.10

Показатели работы агломашин при рециркуляционном окомковании и предварительным нагревом поверхности слоя

В отличие от применяемого в настоящее время комбинированного нагрева слоя, новая технология не предусматривает дополнительного сжига­ния газообразного топлива за зоной зажигания. Здесь применен более эффек­тивный метод снижения скорости охлаждения верхних горизонтов агломери­руемого слоя. Используя отражательную способность свода горна, имеется возможность возвратить значительную часть тепла излучения поверхности аглопирога в слой и снизить расход газа на дополнительный нагрев.

При выполнении промышленных исследований на 10-ти горелочном горне горелки 1, 2, 9, 10 (рис.5.10) были закрыты. Горелки 5, 6 были прикры­ты на 50 .

Режим внешнего нагрева поверхности слоя шихты по типовой техноло­гии трехзонный. В первой зоне на длине горна равной 1 м от загрузки осу­ществляется нагрев поверхности слоя до температуры 900°С. На входе в горн температура газа была равна 300 - 400°С. Основной период внешнего нагре­ва характеризуется длительной выдержкой при температуре 1100° С, что зна­чительно выше температуры воспламенения твердого топлива (750°С). Для получения такой высокой температуры необходимо, чтобы коэффициент из­бытка воздуха был близок к единице. То есть при движении тележек от 5 - 6 горелок к 2 - 9 в слой поступают горновые газы, содержащие в основном CO2 и азот воздуха. В течение 2,5 - 3 минут при температуре 1100°С и ско­рости ленты 1,5 м/мин в верхних горизонтах слоя протекает эндотермическая реакция восстановления двуокиси углерода до окиси углерода. Экзотермиче­ская реакция взаимодействия углерода с кислородом воздуха получает свое развитие после того, как слой шихты проходит 2 - 9 горелки. Об этом свиде­тельствует постоянство температуры несмотря на то, что расход газа через горелки 2 - 9 и 1 - 10 заметно уменьшен. Здесь существенную роль играет и тепло излучения свода горна. Однако его величина не превышает 10 %, Ско­рость охлаждения поверхности агломерата при типовой технологии зажига­ния равна 150°С/мин.

Режим внешнего нагрева поверхности слоя шихты по новой технологии двухзонный. В первой зоне осуществляется предварительный нагрев поверх­ности слоя. При наличии в горновых газах 5 - 10 % свободного кислорода воспламенение твердого топлива верхних горизонтов слоя произойдет при температуре более 750°С, то есть до начала горения твердого топлива при скорости спекания агломерата равной 25 мм/мин слой будет прогрет на глу­бину 30 - 40 мм. При этом необходимо учитывать, что на первых вакуум - камерах скорость фильтрации газов выше, чем на остальных, что гарантирует среднетемпературный нагрев слоя (до 750°С) на требуемую глубину.

Расход коксодоменной смеси через 5 - 6 горелки в опытном режиме со­ставляет 50 % от расхода при работе в базовом режиме. Длительность пред­варительного нагрева примерно вдвое увеличивается и составляет 40 % от всего времени внешнего нагрева.

Период зажигания, когда температура горновых газов достигает 1200° С, примерно на эту же величину уменьшен. То есть, возможность протекания эндотермических реакций в верхних горизонтах аглопирога во времени уменьшилась на 40 %, уменьшение длительности времени зажигания и свя­занной с ним высокотемпературной обработкой поверхности слоя незначи­тельно повлияло на измерение скорости охлаждения поверхности аглопиро­га. Это связано с тем, что начиная от 2-9 горелок состав газовой фазы над слоем характеризуется высоким содержанием кислорода на 8 - 20%, что спо­собствует развитию экзотермических реакций взаимодействия углерода твердого топлива верхних горизонтов агломерируемого слоя.

Агломерационный процесс на фабрике Алчевского металлургического комбината характеризуется колебаниями компонентного состава аглошихты. Это связано с несовершенством дозировки извести и возврата, вносящих ос­новные колебания химического и компонентного составов. В этой связи при определении эффективности тепловой обработки поверхности слоя для срав­нения были взяты две рядом стоящие агломашины, работающие длительное время на шихте одинакового состава. Поэтому анализ показателей режима работы агломашин А и В производился по разности параметров в нормаль­ном и экспериментальном режимах работы. Базовой, то есть работающей по типовой технологии, была агломашина В, опытной - агломашина А. Резуль­таты исследований представлены в табл. 5.10.

В номинальном режиме работы разность скоростей движения аглолент машин А и В составляла 0,1 м/мин.

Скорость аглоленты В была выше, чем аглоленты А. Разность разреже­ний в коллекторах машин была равной 1,5 кПа и выше на агломашине В.

Температура в коллекторе агломашины В была на 30°С выше, чем агло­машины А. Расход газа, отнесенный к скорости ленты на машине А был рав-

0 нм3/час

ный 1572, а на машине В - 1533 -------- .

м • час

Изменение режима внешнего нагрева на агломашине А повлекло за со­бой и изменение показателей ее работы. Скорость аглоленты по сравнению с машиной В увеличилась на 0,1 м/мин разность скоростей стала равной нулю, разрежение в коллекторе уменьшилось, а температура незначительно, но увеличилась. Существенное влияние технология зажигания твердого топлива в шихте с предварительным нагревом поверхности слоя оказывает на расход газа. Несмотря на увеличение скорости аглоленты А, расход газа на зажига­ние уменьшился. Длительная работа агломашин с использованием новой технологии зажигания способствовала снижению расхода твердого топлива на 0,4 - 0,6 кг/т агломерата.

5.2. Выводы

1. Расширены представления по вопросам модели горения твердого топ­лива и диссоциации карбонатов в пористом слое сыпучих материалов.

2. Получила экспериментальное подтверждение гипотеза, что оптималь­ная влажность шихты для процесса окомкования не соответствует оптималь­ной влажности при ее спекании.

3. Исследования по спеканию монофракционной шихты показали, что определенному диапазону крупности гранул соответствует определенное значение скорости фильтрации газовой фазы, обеспечивающая максималь­ную производительность аглоустановки.

4. Исследование спеканий агломерационной шихты показали целесооб­разность увеличения количества возврата за счет увеличения его верхнего предела крупности с одновременным увеличением высоты агломерируемого слоя.

5. Исследования процесса окомкования агломерационной шихты в ко­нусном грануляторе с осью вращения наклоненной в сторону загрузки под­твердили возможность грануляции шихты в рециркуляционном режиме в од­ном агрегате.