Для упрочняющего обжига окатышей используется твердое, жидкое и газообразное топливо. Твердое топливо накатывается на поверхность окатышей или в небольшом количестве дается в шихту перед окомкованием. Нагрев, воспламенение и горение его осуществляются в слое материала. Обычно в качестве твердого топлива, накатываемого на поверхность окатышей, применяют уг­ли и продукты их термической обработки, содержащие незначи­тельное количество летучих веществ, так как последние выделя­ются до воспламенения топлива и для обжига окатышей не ис­пользуются. При выборе вида твердого топлива учитывается так­же его способность налипать на окатыши. В наибольшей степени этому требованию удовлетворяют антрацитовые углу.

В качестве жидкого топлива, которое сжигается вне слоя ока­тышей, используются обычно дешевые сорта мазутов.

Газообразное топливо может сжигаться над слоем и непосред­ственно в слое окатышей. Газы с высокой теплотворной способ­ностью можно сжигать с большим избытком воздуха и получать в слое более окислительную атмосферу, чем при сжигании низко­калорийных газов.

Применение твердого топлива вызывает усложнение техноло­гической схемы фабрики, так как его необходимо измельчать и накатывать на поверхность окатышей. Окатыши, обожженные с твердым топливом, более оплавлены, менее окислены и имеют меньшую восстановимость, чем при обжиге газом или жидким топ­ливом.

В настоящее время в промышленной практике широко исполь­зуются три принципиально различных способа высокотемператур­ного упрочнения окатышей: в шахтных печах, на конвейерных колосниковых маїііинах и в комбинированных установках — кон­вейерная машина — трубчатая вращающаяся печь. В шахтных и трубчатых печах обжиг происходит при нагреве в противотоке, а на конвейерных машинах — в перекрестном токе.

Удельная производительность различных агрегатов для об­жига окатышей зависит от интенсивности теплообмена между газовой фазой и слоем окатышей. При теплообмене в слое (шахт­ная печь, конвейерная машина) важное значение имеет скорость фильтрации газов через слой и, следовательно газопроницаемость слоя окатышей. Равномерный гранулометрический состав окаты­шей способствует более порозной укладке их в слое и повышению его газопроницаемости [зі].

Газодинамическое сопротивление слоя фильтрации газов опи­сывается уравнением [45]

h — сопротивление слоя, мм вод. ст.

I — коэффициент сопротивления, являющийся критерия Рейнольдса;

Re wo^b

/ — высота слоя, м; d — характерный размер слоя, м;

Wo — характерная скорость газа, м/сек; g — ускорение силы тяжести, м/сек2; у — удельный вес газа, кГ/нмъ;

U —температура газа, °С; v — кинематическая вязкость газа, м2/сек.

Принимая во внимание шарообразную форму окатышей, а так­же небольшие различия в их размерах, для упрощения расчетов сопротивления слоя можно пользоваться средним диаметром ока­тышей.

Газопроницаемость слоя окатышей для различных периодов термической обработки (сушка, обжиг) может быть определена экспериментально [5]. Для сырых и обожженных окатышей (табл. 16) опытным путем определена зависимость коэффициен­тов сопротивления холодного слоя от критерия Рейнольдса. Уравнением

(41)

описывающим усредненную зависимость, можно пользоваться в расчетах газодинамического сопротивления слоя окатышей.

Таблица 16 Характеристика окатышей Крупность Насыпной Кажущийся Порозность Эквивалент­ Состояние окатышей, вес, «г/л8 удельный слоя, мя/м3 ный диаметр, окатышей мм вес, Г/см3 мм 8—14 1980 2,9 0,317 12,0 Сырые 14—20 1986 2,9 0,315 16,6 То же 20—25 2050 3,4 0,395 22,5 Обожженные 25—35 2040 3,2 0,367 30,0 То же 12(10%) 12—20 (80%) 20—40(10%) | 1920 2,8 0,314 15,5 Промышленные обожженные

Формулы для определения сопротивления холодного слоя при­менимы для нагретого слоя, если структура его при нагреве не изменяется. Однако сопротивление слоя окатышей увеличивается не пропорционально нагреву, а в большей степени, вследствие изменения структуры слоя [63] при уменьшении объема, слипа­ния или сплавления отдельных окатышей. Уже в период сушки структура слоя окатышей изменяется вследствие перемещения
влаги и частиц топлива (при обжиге с твердым топливом, нака­танным на поверхность). Установлено, что при просасывании горячих продуктов горения (400—500° С) сверху вниз через слой сырых окатышей высотой 400 мм с условной скоростью фильтра­ции 0,7—0,8 нмъ! м2 • сек влажность окатышей, расположенных на уровне 100 мм от постели, повышается на 1,5—2% против исход­ной. При увеличении скорости фильтрации до 0,9—1 нм3/м2 • сек переувлажнение на 0,5—1% обнаруживается только в самом нижнем горизонте слоя, на уровне постели. При скорости фильт­рации 1,1 —1,3 нм3/м2 • сек переувлажнения не наблюдается. Пере­увлажнение нижних окатышей происходит в результате конденса­ции водяных паров, образующихся в верхней части слоя. Поэтому оно сопровождается также нагревом окатышей до температуры точки росы, что приводит к снижению прочности окатышей. Под действием веса вышележащего слоя и перепада давления проса­сываемого газа окатыши могут сминаться и слипаться. При ис­пользовании твердого топлива для обжига окатышей во время сушки прососом газов сверху вниз происходит перемещение твер­дого топлива по направлению газового потока. Так, например, при скорости фильтрации 0,9 нм3/м2 • сек содержание углерода в верхней части слоя после сушки составляло 90% (относительных), а в нижней — 107% (в середине слоя условно 100%). Среднее содержание углерода и влаги за время сушки снизилось соответ­ственно с 3,1—3,3% до 2,9% и с 8—8,5% до 4,7%. Более целесо­образно сушить окатыши при подаче газов снизу вверх. В этом случае не происходит разрушения и слипания окатышей, а при обжиге твердым топливом (благодаря перемещению углерода) со­держание его в верхних слоях будет больше среднего, что поло­жительно скажется на распределении температур по высоте обжи­гаемого слоя.

Газопроницаемость слоя окатышей неофлюсованных О, офлю­сованных до основности 0,5—0,7 I и до основности 1 —1,15 II, оп­ределенная при обжиге на колосниковой решетке сжиганием газа над слоем В, в слое Б твердым топливом А, приведена в табл. 17 [5].

По мере повышения температуры газов в слое критерий Рей­нольдса уменьшается, так как вязкость газов возрастает быстрее, чем их скорость (газопроницаемость слоя снижается). Поэтому в начале периодов сушки, подогрева и обжига наблюдаются более высокие значения критерия Рейнольдса, чем в конце тех же пе­риодов. Зависимость коэффициента сопротивления от критерия Рейнольдса во время сушки показана на рис. 42. В начале периода сушки (максимальное число Re) коэффициенты g близки между собой и к значению £ для холодного слоя, так как структура слоя изменилась еще незначительно. Офлюсованные окатыши имеют меньшую прочность и содержат больше летучих, поэтому газо­проницаемость их слоя снижается при нагреве быстрее, чем слоя неофлюсованных окатышей.

Параметры обжига окатышей на колосниковой решетке

Таблица 17 Показатели Сжигание газа над слоем В Сжигание газа в слое Б Твердое топливо А ° 1 і 1 II О I II 0 1 . 1 II Длительность приводов, мин: суп ки.................................... 5 5 6 5 5 5 4 6 5 подогрева и зажигания топ- лива................................... 5 7 8 5,5 6 9 6 10 7 обжига.................................. 15 23 21 12,5 16 11 13 7 6 охлаждения........................... 5 6 8 5 6 5 5 5 4 всего процесса..................... 30 41 43 28 33 30 28 28 22 Высота слоя, мм...................... 400 400 300 400 400 300 400 400 300 Удельная производительность, т м2-ч..................................... 1,43 0,826 0,540 1,52 1,075 0,738 1,61 1,13 1,315 Средняя скорость фильтрации в процессах газов, нм3/м2-сек: суп ки.................................... •З 0,8 0,69 0,9 0,7 0,57 0,9 0,81 0,88 обжига.................................. 1,2 0,84 0,62 0,85 0,7 0,64 0,48 0,50 0,70 охлаждения.......................... 1,0 0,95 0,55 1,35 1,28 1,13 0,8 1,26 0,95 Температура просасываемых в процессах газов, °С: сушки.................................... 500 350 300 600 450 350 600 400 300 подогрева............................. 900 700 650 900 700 600 900 800 600 обжига.................................. 1330 1250 1220 1120 1080 970 1080 1000 930 Максимальное сопротивление слоя, мм вод. cm. на 1 см высоты слоя (холодного) . . 23,8 17,3 23,0 19,3 15,0 15,0 10,0 10,7 16,7 Выход фракции крупнее 5 мм 92 73 после обжига, %...................... 77 82 80,3 76 92,4 84,2 87,3 Прочность окатышей: стандартная барабанная проба, % ........................... 17,3 21,3 21,7 22,6 14,5 12,6 13,3 15,4 12,1 на раздавливание, кГ/ока­ 140 130 тыш................................. 174 87 152 186 225 154 92 Содержание закиси железа в обожженных окатышах, % 4,2 3,4 2,8 5,25 3,5 3,18 31,6 23,2 20,2 Коэффициенты теплопередачи в слое в процессах: 1970* сушки.................................... 1430 і 1000 1480 і 920 670 1740 2930 3550 15,7 11,8 і 8,0 11,8 і 7,25 5,4 13,9 12,5 11,4 обжига................................... 2210 1340 і 750 2450 і 1500 960 5020 3650 і 2730 17,6 10,6 і 6,0 19,5 . 11,9 7,7 40 29,8 I 21,9 охлаждения........................... 4140 3930 » 1450 5770 1 3810 3140 3000 • 4500 і 4730 15,8 14,35 і 4,28 16,5 • 14,1 11,2 11,5 • 10,6 » 16,6 * Числитель — ккалJm3-ч-град. знаменатель — ккал/мг-ч-град.

В период обжига порозность слоя обычно уменьшается (табл. 18). Лишь при обжиге окатышей с основностью 0,5—0,7 твердым топливом порозность слоя несколько увеличивается. Это,

Рис. 42. Зависимость коэффициента сопротивления от критерия Рейнольдса при сушке окатышей: / — офлюсованных, основность 1 — 1,15; 2 — то же, основность 0,5—0,7; 3 — нсофлюсрванных; 4 — для холодного слоя

Таблица 18 Изменение структуры* слоя при обжиге окатышей Основность окатышей Состояние окатышей Неофлюсованные О 0,5—0, 7 (I) VK vH 5 v,< vH Сырые................................ 3,28—3,18 1,97—2,06 0/372—0,381 2,90—2,92 1,82-1,85 Обожженные: твердым топливом А 3,06 2,03 0,335 2,68 1,57 сжиганием газов в слое Б............................... 2,92 2,04 0,341 2,63 1,84 сжиганием газа над слоем В................... 2,96 1,94 0,344 2,63 1 1,83 1

		Основность окатышей
Состояние окатышей	0,5-0,7 (I)		1 —1,15 (II)
	*	VK	vH	5
Сырые.................	0,366—0,372	2,63-2,67	1,635—1,67	0,375—0,377
Обожженные:
твердым топливом А	0,414	2,55	1,84	0,283
сжиганием газов в слое Б.............................	0,307	2,43	1,62	0,332
сжиганием газа над слоем В...................	0,305	2,43	1,77	0,273

* YK, YH, Є - соответственно плотность окатышей (г/см*), насыпной вес в слое (т/м*) иг по - розность слоя (м*/м*).

по-видимому, связано с меньшей вязкостью, большим количеством расплава на поверхности окатышей и быстрым затвердеванием его в местах контакта. Коэффициент сопротивления слоя неофлю - сованных окатышей при обжиге сжиганием газа в слое ниже, чем при обжиге сжиганием газа над слоем (рис. 43). Это объясняется более низкими скоростями газов в слое (в первом случае) и меньшим разрушением окатышей. Особенно большое сопротивле­ние имеет слой окатышей основностью 1,0—1,15 при обжиге сжи­ганием газа над слоем, что связано с более длительным пребы­ванием окатышей при высоких температурах и большим их оплав­лением.

Получать окатыши основностью 1,0—1,15 с равномерной куско - ватостью и шарообразной формы при обжиге твердым топливом очень трудно, так как в момент воспламенения топлива на поверх­ности наблюдается сильное растрескивание их (процессы воспла­менения топлива и разложения известняка совпадают). В даль­нейшем, вследствие неравномерного распределения обломков ока­тышей, в слое образуются каналы и коэффициент сопротивления уменьшается. Обжиг окатышей при этом протекает неравномерно с оплавлением их и образованием спеков.

Газопроницаемость слоя зависит не только от его структуры, но и от температуры. Поскольку при обжиге твердым топливом и сжиганием газа в слое высокие температуры развиваются толь­ко в узкой (шириной около 100 мм) зоне горения, средняя тем­пература слоя получается более низкой, чем при обжиге сжига­нием газа над слоем В, когда в период обжига высокие темпера­туры распространяются на всю высоту слоя. Поэтому газопро-

ницаемость слоя при обжиге сжиганием газа над слоем оказыва­ется ниже, чем при обжиге твердым топливом или сжиганием газа в слое.

При охлаждении окатышей структура слоя существенно не изменяется, поэтому значения коэффициентов сопротивления при охлаждении близки к их значениям при обжиге.

Рис. 43. Зависимость коэффициента сопротивления от критерия Рейнольдса при обжиге окатышей, офлюсо­ванных до основности 0,5—0,7 (/, 2, 3) и 1—1,15 (/"), (2"), (3'") и неофлюсованных (Г, 2 3'): 1, Ґ и /" — обжиг твердым топливом, накатанным на поверхно­сти окатышей; 2, 2' и 2" — обжиг путем сжигания газа в слое; 3, 3' и 3" — обжиг путем сжигания газа над слоем; 4 — для хо­лодного слоя

Нагрев слоя окатышей осуществляется в результате теплопро­водности, излучения и конвекции. Доля тепла, переданного в на­правлении движения тепловой волны теплопроводностью и излу­чением, незначительна в общей теплопередаче в связи с низкой теплопроводностью слоя материала, неразвитым контактом между окатышами, экранированием ими потока лучистого тепла. Тепло­передача от газа-теплоносителя к окатышам осуществляется в основном конвекцией.

Ухудшение конвекционного теплообмена и снижение суммар­ного объемного коэффициента теплопередачи в слое окатышей по сравнению со слоем аглошихты, связанное с увеличением разме­ра кусков, приводит к расширению зоны обжига, повышению тем­пературы отходящих газов и длительности их воздействия на обжиговые тележки конвейерной машины. Поэтому для умень­шения общего расхода тепла на обжиг окатышей конструкцией обжиговых устройств предусматривается использование тепла от­ходящих из зоны обжига газов для сушки окатышей, а подогре­того в зоне охлаждения воздуха — для сжигания топлива.

При обжиге сжиганием газа или жидкого топлива над слоем нагрев окатышей осуществляется продуктами горения, а тепло­обмен характеризуется скоростью продвижения и шириной теп­лового фронта. Обжиг заканчивается, когда максимум теплового фронта достигнет постели. При этом слой нагрет до температуры, необходимой для получения прочных окатышей и близкой к тем­пературе просасываемых газов (рис. 44).

При обжиге твердым топливом нагрев окатышей можно пред­ставить протекающим в две стадии. Вначале они нагреваются до температуры воспламенения твердого топлива газами, образую­щимися в вышележащей зоне горения топлива. Затем происходит воспламенение топлива и окатыши нагреваются продуктами го­рения и непосредственно топливом, горящим на поверхности ока­тышей.

Аналогично происходит нагрев окатышей при обжиге сжига­нием газа в слое. В обоих случаях (в отличие от способа обжига сжиганием газа над слоем) процесс характеризуется наличием не только фронта нагрева, но и фронта охлаждения, которые состав­ляют тепловую волну [51], проходящую через слой окатышей. Процесс обжига заканчивается в то время, когда максимум теп­ловой волны пройдет весь слой (см. рис. 44).

Воспламенению твердого топлива, т. е. интенсивному росту скорости экзотермической реакции, предшествует так называемый индукционный период, в течение которого происходит медленное развитие процессов окисления углерода, подготавливающий ска­чок— резкое увеличение скорости реакции. Наличие 3—10% кис­лорода в газах, отходящих из зоны горения, создает возможность окисления углерода при температуре, меньшей температуры вос - лламенения, а недостаточная концентрация кислорода и охлаж­дение продуктов горения окатышами препятствуют горению топ­лива во всем объеме слоя. Поэтому топливо сгорает в относитель­но узкой зоне высотой 100—150 мм.

При обжиге сжиганием газа в слое горение начинается на фронте охлаждения. Холодная газовоздушная смесь, охлаждая обожженные окатыши, нагревается до температуры воспламе­нения.

Регенерация тепла (подогрев газовоздушной смеси окатыша-

Рис. 44. Изменение температур на различных го­ризонтах слоя окатышей при обжиге (высота слоя 400 мм): а — сжиганием топлива над слоем; б — твердым топли­вом, накатанным на поверхность окатышей; в — сжига­нием газа в слое; 1, 2, 3 — температура в слое на рас­стоянии соответственно 100, 200 и 300 мм от колоснико­вой решетки; 4 — температура отходящих газов

ми) позволяет держать количество горючего газа в смеси ниже минимального концентрационного предела воспламенения.

Беспламенное сжигание в слое окатышей газовоздушных сме­сей, близких к стехиометрическому составу, недопустимо вслед­ствие получения при этом высоких температур. Оно практически трудно осуществимо, так как сопровождается высокой скоростью распространения пламени, резко возрастающей с повы­шением температуры. По­этому применяют бедные газовоздушные смеси, содер жание горючего компонента в которых меньше нижнего концентрационного предела воспламенения [4, 37]. Такие смеси могут гореть только на раскаленной поверхности материала в слое. Темпера­тура подогрева газовоздуш­ной смеси, содержащей 4,5 % природного газа (нижний концентрационный предел его воспламенения 5,3%). должна быть 100° С, чтобы продукты ее горения имели температуру 1200° С, необхо­димую для обжига окаты* шей. При повышении тем­пературы подогрева содер­жание природного газа в смеси может быть уменьшено (рис. 45)* При данном способе обжига в слой можно подавать или предва­рительно приготовленную смесь газа с воздухом, или чистый газ через отверстия охлаждаемых труб, расположенных над обжи­говыми тележками поперек машины. Скорость истечения газа из отверстия должна превышать скорость распространения пламени. Газораспределительные трубы располагаются от поверхности слоя окатышей на расстоянии, достаточном для необходимого разбав­ления газа засасываемым в слой воздухом.

Зона горения при обжиге сжиганием газа в слое (рис. 44) ограничена со стороны фронта охлаждения температурой воспла­менения бедной газовоздушной смеси на поверхности материала, а со стороны фронта нагрева — наличием горючих компонентов в газовой фазе. Анализ отходящих газов показывает отсутствие недожога ниже зоны горения. Поэтому нагрев окатышей в нижних слоях происходит окислительными отходящими газами, а интен­сивность теплопередачи в зоне нагрева примерно такая же, как и при обжиге сжиганием газа над слоем (рис. 46).

Воспламенение газовоздушной смеси на фронте охлаждения
приводит к замедлению охлаждения окатышей и расширению теп­ловой зоны по сравнению с обжигом твердым топливом.

Интенсивность теплообмена в слое снижается с повышением основности окатышей (см. табл. 18 и рис. 47). Это связано с уменьшением скорости фильтрации газов вследствие растрескива-

Рис. 46. Изменение прихода, аккумуляции и уиоса тепла отходящими газами на 1 м2 слоя окатышей вы­сотой 400 мм при обжиге сжиганием газа над слоем (/, 2, 3) (сплошные кривые) и в слое (/', І', 3'): 1—Г —приход; 2—2'— теплосодержание окатышей; 3—3' — упос тепла отходящими газами

ния окатышей и необходимости увеличения времени выдержки их при высоких температурах для усвоения извести. Теплообмен в слое окатышей при обжиге газом удовлетворительно описывается уравнением

Nu = 2,82-10"4 ReU5, (42)

где Nu, Re — соответственно критерии Нуссельта и Рейнольдса.

Значительно отклоняются от этой зависимости в сторону уве­личения коэффициенты теплопередачи при обжиге твердым топ­ливом, что свидетельствует о влиянии на теплообмен горения частиц топлива на поверхности окатышей, особенно ощутимом на фронте нагрева тепловой волны.

Более низкая интенсивность теплопередачи в слое окатышей по сравнению с другими случаями теплообмена в слое и расчет­ными данными [74] связана с изменением структуры слоя в про­цессе нагрева: растрескиванием некоторой части окатышей от выделения летучих, слипанием от переувлажнения и сплавлением
их в местах контакта. Просасываемые газы распределяются не­равномерно по сечению слоя, так как мелочь располагается от­дельными гнездами, а полезная удельная поверхность нагрева сокращается, что ухудшает теплопередачу.

Повышение интенсив­ности теплообмена при сушке и обжиге увеличе­нием количества просасы­ваемых газов лимити­руется прочностью ока­тышей и скоростью усвое­ния извести. Поэтому применение упрочняющих добавок и также измель­чение флюсов необхо­димо не только для по­вышения качества окаты­шей, но и для интенси­фикации процесса об.- жига.

Первые два периода процесса обжига окаты­шей— сушка и нагрев (зажигание топлива) яв­ляются одинаковыми для всех способов обжига.

Для периода сушки ха­рактерно превышение ко­личества тепла в окаты­шах над количеством тепла, внесенного в слой.

Это связано с регенера­цией тепла, вследствие конденсации влаги в ниж­ней части слоя, как и при агломерации [50] (см. рис. 46). Доля регенери­руемого в слое тепла за­висит от высоты слоя,

количества внесенного тепла (скорости фильтрации газов) и из­меняется в пределах 10—30%.

Количество тепла, затрачиваемого па сушку, составляет 7—8% всего тепла, необходимого для окатышей. Поэтому увеличение степени регенерации вследствие повышения температуры и ско­рости фильтрации газа в зоне сушки незначительно отразится на его общем удельном расходе, но может отрицательно повлиять на газопроницаемость и длительность процесса обжига. Опытами установлено, что если температура просасываемых газов состав-

ляет 500—600° С, то при скорости их фильтрации 0,5, 0,7 и

0,9 нмг/м2 • сек высота слоя должна соответственно составлять не более 200, 300 и 400 мм, чтобы не происходило переувлажнение нижних окатышей.

Удельное количество тепла, вносимого в слой за периоды суш­ки и нагрева или зажигания топлива, не зависит от высоты слоя, так как тепло затрачивается на удаление влаги и нагрев лишь верхнего слоя окатышей. Оно обусловливается прочностью сырых окатышей и количеством в них летучих и равно 125—150 тыс. ккал/м2 слоя.

Преимущества тепловой волны над тепловым фронтом обна­руживаются в период обжига окатышей. При обжиге тепловым фронтом весь слой в конце процесса (перед охлаждением) должен быть нагрет до температуры обжига, что связано с увеличением потерь тепла с отходящими газами, так как теплосодержание слоя ограничено. Длительность обжига увеличивается вследствие низкого перепада температур между газами и материалом слоя и ухудшения теплообмена из-за оплавления верхней части слоя и каналообразования в нем. Согласно распределению тепла по вертикальному сечению слоя оптимальная высота его должна со­ставлять 200—250, 300—350 и 350—400 мм для окатышей с основ­ностью соответственно 1 —1,15; 0,5—0,7 и неофлюсованных.

При обжиге тепловой волной вначале происходит увеличение количества тепла, аккумулированного слоем, что объясняется рас­положением максимума тепловой волны в верхней части слоя. Количество тепла, вносимого в высокотемпературную часть слоя и унесенного отходящими газами, почти одинаково при обжиге тепловым фронтом и тепловой волной, но расход топлива на об­жиг тепловой волной в 1,5—1,7 раза меньше, так как на нагрев газов используется тепло верхней части слоя окатышей (см. рис. 46). Доля регенерированного тепла при агломерации состав­ляет 50—60% общего количества тепла, участвующего в процес­се, при высоте слоя шихты 200—250 мм.- При обжиге окатышей тепловой волной степень регенерации тепла уменьшается пример­но до 30% при такой же высоте слоя в связи с большей шириной тепловой волны и достигает 60% при высоте слоя более 400 мм.

Ширина тепловой волны, измеряемая расстоянием между всту­пающими в нагрев и охлажденными окатышами, при обжиге сжи­ганием газа в слое составляет 300—350 мм, при обжиге твердым топливом 250—300 мм. Высота слоя окатышей при обжиге твер­дым топливом не может значительно превышать ширину тепловой волны, так как количество топлива не регулируется по длине обжи­говой машины, а перенос топлива вниз и регенерация тепла при­водят к оплавлению нижней части слоя. При сжигании газа в слое расход его по длине обжиговой машины можно регулировать, по­этому высота слоя для данного способа обжига может быть зна­чительно больше, чем ширина тепловой волны, что позволяет увеличить степень регенерации тепла.

При обжиге окатышей комбинированным топливом (твердым, накатанным на поверхность и газом, сжиганием над слоем или в слое) принципиально новых явлений в теплообмене не происхо­дит. Облегчается управление процессом обжига, так как наличие некоторого количества твердого топлива на поверхности окатышей стабилизирует зону горения газа при сжигании его в слое. Посте­пенное уменьшение расхода газа к концу пр десса позволяет лег­ко избежать оплавления нижних окатышей. К моменту оконча­ния процесса обжига слой аккумулирует значительное количество тепла (особенно при обжиге сжиганием газа над слоем), возвра­щение которого в процесс позволяет уменьшить удельный расход топлива. Рекуперация, т. е. возвращение в процесс тепла на кон­вейерных машинах осуществляется двумя путями: горячие отходя­щие газы из зоны обжига, содержащие мало кислорода, использу­ются для сушки окатышей; воздух, нагретый при охлаждении скатышей, применяется для сжигания топлива и как разбавитель продуктов горения в зоне обжига.

Воздух для охлаждения окатышей можно или просасывать, или продувать через слой. В первом случае легче обеспечить тре­буемые санитарные условия возле обжиговой машины. Однако в связи с тем, что температура отсасываемого воздуха высока (700—800°С), а современные конструкции дымососов могут рабо­тать при температуре не выше 400° С, необходим подсос значи­тельного количества холодного воздуха-разбавителя для сниже­ния температуры воздуха перед дымососом. В результате коли­чество горячего воздуха увеличивается настолько, что он не мо­жет быть полностью использован в зоне обжига. Избыток горя­чего воздуха должен быть или утилизирован внешними потреби­телями, или сброшен в атмосферу, что ухудшает экономичность установки вследствие потерь тепла и перерасхода электроэнергии.

При охлаждении слоя продувкой нагретый воздух с темпера­турой до 1000° С имеет положительное давление и может быть направлен в зону обжига прямым перетоком без очистки от пыли. Это требует более тщательного уплотнения обжиговой машины для создания нормальных санитарных условий труда.

Обжиг окатышей в противотоке, т. е. в шахтных печах, отли­чается от обжига в перекрестном токе на конвейерных машинах тем, что в каждом горизонте печи устанавливаются постоянные температуры газов и материалов, которые в идеальном случае не зависят от времени.

Для определения температур поднимающихся с печи газов и опускающихся материалов необходимо знать водяные эквивален­ты их потоков, которые определяют по формуле

W = Gc, (43)

где W — водяной эквивалент, ккал/ч • град;

G—массовый или объемный расход потока, кг/ч (м3/ч); с — кажущаяся удельная теплоемкость вещества потока, ккал/кг • град (ккал/м3 • град).

Соотношение водяных эквивалентов газов и окатышей для различных зон по высоте шахтной печи (рис. 48) должно быть определенным. В зоне охлаждения водяной эквивалент, воздуха должен быть равным или большим водяного эквивалента окаты-

Рис. 48. Схема движения газов и материалов в шахтной печи для обжига окатышей: 1, II, III — соответственно зоны сушки, обжига и охлаж­дения

шей, чтобы температура их на выгрузке была достаточно низкой (ниже 300° С). Если WJWT>1 (отношение водяных эквивален­тов материала WM и газа Wr), то воздух в зоне охлаждения нагреется до температуры зоны обжига, однако недостаточно охладит окатыши. При слишком большом значении Wr воздух бу­дет снижать температуру в зоне обжига, выше устьев топочных каналов.

В зоне обжига водяной эквивалент газов резко увеличивается за счет продуктов горения, поступающих в рабочий объем печи из топочных камер. Количество и температура топочных газов ре­гулируются таким образом, чтобы обеспечить необходимую тем­пературу в зоне обжига и термическую подготовку сырых окаты­шей в относительно узких по высоте зонах сушки и нагрева.

В зоне обжига при изотермической выдержке происходят фи­зико-химические процессы упрочнения окатышей, которые могут протекать с выделением тепла (окисление магнетита и твердого топлива) и с его поглощением (диссоциации гидратов и карбо - зіатов). Поэтому температура газов может быть несколько ниже или выше температуры материала.

Рис. 49. Распределение температур в верхней части шахтной печи при обжиге окатышей основностью 0,7 и содержащих 1 % твердого топлива при различном расстоянии топочных каналов (ТК) от верха шахты: а — 920 мм; б — 1200 мм; 1 — по зондовой термопаре; 2,3 — но термопарам боковых стен шахты

Наиболее интенсивный теплообмен между газами и окатышами осуществляется в самой верхней зоне сушки и нагрева (рис. 49). Протяженность этой зоны (ее высота) ограничена допустимой ско­ростью сушки окатышей и их прочностью в сухом виде. При малой высоте зоны сушки или ее отсутствии, что возможно при WMiWT<\ отходящие газы будут иметь высокую температуру, вследствие чего сырые окатыши могут растрескиваться и работа загрузочного уст­ройства затрудняется. В случае Wyi/WT^-l зона сушки может быть чрезмерно большой и неупрочненные окатыши будут разрушаться от веса слоя.

По практическим данным высота зоны сушки и нагрева рав­няется 200—350 мм, что соответствует скорости нагрева окатышей 100—150 град! мин.

Математическое описание теплообмена в слое при противотоке применимо для описания процесса обжига окатышей в шахтной печи. Расчеты по теплообмену облегчаются тем, что в зонах сушки п охлаждения можно пренебречь тепловым сопротивлением кусков и считать теплообмен завершенным, так как температуры газов и

Таблица 19

Водяные эквиваленты (ккал/ч-град) газов и окатышей и их отношение Wr/WM

Зона сушки и подогрева до 1000°С
Водяные эквиваленты окатышей

1680 1 2350 I 3020 I 3690 I 4050 I 5060

0,36

0,48

0,60

0.72

Водяные эквиваленты окатышей

I 1390 I 1940 I 2490 I 3050 I 3600 I 4150

0,36

0,48

0,60

0,72

Водяные эквиваленты окатышей

I 1390 I 1940 I 2490 I 3050 3600 I 4150

0,12

0,24

0,36

материала примерно уравниваются в конце зон. Однако расчеты необходимо проверять отдельно для каждой зоны, так как тепло­физические свойства сырых и обожженных окатышей и водяные эквиваленты газовых потоков значительно различаются.

Величины водяных эквивалентов окатышей и газов при различ­ных скоростях фильтрации газов и удельной производительности печи приведены в табл. 19. Эти величины являются средними для различных горизонтов печи. В действительности скорость опуска­ния материала и фильтрации газов в слое неравномерна в горизон­тальном сечении. Это связано с тормозящим действием на окатыши с ген шахты и неравномерной их разгрузкой из печи. Различная скорость газов обусловлена периферийным подводом их в печь и разрыхлением слоя у стен.

Для обеспечения равномерного опускания окатышей печи обо­рудуются специальными загрузочными и разгрузочными устройст­вами. Загрузка печи осуществляется подвижными конвейерами: или равномерно по всему сечению, или по периферии, или по опре­деленной заданной программе с укладкой гребней материала в местах преимущественного выхода из печи топочных газов. Раз­грузочное устройство представляет собой дробилку с зубчатыми валками, расположенными в два яруса и вращающимися в проти­воположные стороны. Направление вращения зубчатых валков пе­риодически изменяется на обратное. Длительность работы валков в одном направлении определяется опытным путем.

Определено, что для достижения установившегося поля скоро­стей газа необходимая высота насыпного слоя равняется четырем диаметрам печи при подводе газа только по периферии и двум диа­метрам при подаче газа с низа шахты и с периферии [62]. Одна­ко на практике расстояние от уровня засыпки до топочных каналов обычно делают меньше двойной ширины печи, так как специаль­ный профиль поверхности загрузки и подобранное опытным путем соотношение газов из топок и охлаждающего воздуха позволяют достигнуть требуемой равномерности обжига окатышей по сечению шахты. На выравнивание температур материала по сечению шах­ты в зоне обжига основное влияние оказывает увеличение отно­шения объемного количества топочных газов к объему воздуха, поступающего на охлаждение, и добавка 1—2% твердого топлива в шихту для окомкования [49]. При добавке большего количества топлива окатыши спекаются в куски.