Сырые окатыши, поступающие в обжиговые агрегаты, представляют собой образцы шарообразной формы различного диаметра. По силе сцепления и плотности окатыши эквивалентны брикетам, полученным при давлении прессования 50-100 МПа. Обжиг окатышей следует вести таким образом, чтобы, с одной стороны, не нарушалась их сплошность, не происходило их разрушение по причине быстрого выделения газов, а с другой - не замедлять процесс, не снижать производительность установок.

Вода с поверхности пористых материалов может удаляться путем диффузии паров или передвижения жидкости в каппилярах. Оба способа удаления жидкости зависят от диффузионного сопротивления, которое уменьшает скорость движения воды в пространствах между зернами. В начале процесса сушки при удалении капиллярной воды из пространства между зернами удаляется та часть адсорбированной на поверхности материала воды, сила связи которой с твердыми частицами является слабой. В результате скорость сушки на этом этапе будет высокой. Через некоторое время при более высокой влажности материала создается, с точки зрения температурного режима, уравновешенное состояние.

Этапы процесса сушки приведены на рис. 8.2. Температура пористого материала повышается равномерно по всему сечению, но вода испаряется только с поверхности. Капиллярный подвод воды достаточен для того, чтобы на поверхности находилась готовая к испарению вода. Этим объясняется постоянная скорость сушки.

В первом периоде сушки изменяется только распределение воды в пористом веществе. Первый период сушки закончится, когда подвод воды к поверхности прекратиться и содержание воды на поверхности станет равным нулю.

Влажность, г/г

Рис. 8.2 Этапы сушки (I, II, III) гигроскопического материала

На кривой, отражающей процесс сушки, в этот момент появляется резкий изгиб, означающий начало удаления молекулярной воды. Сила связи этой воды с твёрдым веществом больше, чем капиллярной воды, и скорость сушки уменьшается.

Во втором периоде зона сушки находится в объеме окатыша и диффузионное сопротивление слоя материала преодолено. Влага в окатыше может перемещаться под влиянием градиента температуры. При поступлении окатыша в зону сушки температура воды в капиллярах на поверхности окатыша становится выше температуры воды в этих же капиллярах внутри окатыша. Коэффициент поверхностного натяжения воды на поверхности и в центре окатыша становится различным. Создается разность молекулярных сил, в результате которой вода может перемещаться к холодному концу, т. е. внутрь окатыша. Этот вид переноса влаги (в капиллярах диаметром 0,1-0,3 мм называется термокапиллярным).

При наличии градиента температуры вода под влиянием термо­осмотического скольжения вдоль стенки капилляра (увлекает за собой всю жидкость в капилляре) может перемещаться в сторону горячего конца капилляра. Этот способ движения влаги назван термоосмотическим.

Влага в окатыше может перемещаться под действием градиента влажности, вызывающего диффузию влаги из влажных участков окатышей в сухие. Когда поверхность испарения находится вблизи геометрической поверхности окатыша, её температура соответствует температуре мокрого термометра (65-70°С) в газовом потоке, омывающем окатыш. По мере перемещения поверхности испарения состав газа вблизи неё приближается к чистому пару и температура на испаряющей поверхности приближается к 100°С.

Скорость сушки окатышей зависит не только от температуры, но и от скорости движения газа теплоносителя. Когда окатыш покрыт «паровой рубашкой» для дальнейшего увеличения интенсивности сушки (теплообмена) нужно увеличивать степень турбулентности пограничного слоя газа, что достигается увеличением скорости движение газа-теплоносителя в слое. Однако практика показала, что нельзя беспредельно увеличивать температуру и скорость движения газа (интенсивность) сушки, особенно в период, когда в окатышах присутствует свободная вода.

В процессе сушки окатышей возможны два вида разрушения: трещинообразование на поверхности окатышей и высокотемпературное взрывообразное разрушение с образованием мелочи («шок»). Основной причиной разрушения является развитие объемно-напряженного состояния свыше предельно-допустимого, которое возникает за счёт градиентов влагосодержания и температуры.

По мере удаления влаги в зависимости от взаимодействия и соотношения фаз наблюдается три качественно различные области состояния тела: упруго­пластичное; упруго-пластично-хрупкое и упруго-хрупкое.

На данном этапе сушки окатыш представляет собой упруго-пластическое тело. При влажности, соответствующей граничной влажности между капиллярной и молекулярно связанной окатыш представляет собой упруго - пластично-хрупкое тело. При влажности соответствующей адсорбированной влажности окатыш переходит в упруго-хрупкое состояние.

Взрывообразное разрушение окатышей при сушке может произойти при критической скорости газа-теплоносителя за счёт резкого увеличения объема пара. Избыточное давление пара в окатышах в процессе сушки достигает 26660-33325 Па. Величина давления, при котором происходит разрушение окатышей зависит от минералогической природы и крупности концентрата,

357

плотности окатышей, вида флюса. В зоне сушки окатыш разрывает на поверхности слоя.

Температура ожига,°С

Рис.8.3 Зависимость прочности окатышей от температуры обжига:

I - с трещинами; 2 - без трещин

В промышленных условиях в начальный период сушки разупрочнение окатышей проявляется в виде трещин, образующихся в середине и внизу слоя окатышей (при движении газа-теплоносителя сверху вниз). Трещины резко снижают прочность готовых окатышей.

Другой вид разрушения - взрывообразный шок - наблюдается в конечный период сушки. Шоку подвержены верхние ряды окатышей. Производственные потери в этом случае могут достигать 7%.

На явления трещинообразования оказывают влияние ряд факторов:

Влажность. Окатыши становятся абсолютно устойчивыми против трещинообразования и шока лишь при определенных для каждой шихты значениях остаточной влажности. С увеличением дисперсности шихты это значение повышается. С повышением влажности температура начала разрушения снижается. Чем выше значение исходного количества влаги для окомкования, тем больше разница между температурами начала трещинообразования и шока. При определенном значении влажности может быть достигнуто совмещение эффектов трещинообразования и шока.

Переувлажнение. В процессе слоевой сушки железорудных окатышей происходит перераспределение влаги по высоте слоя. В первую очередь нагревается поверхность окатышей, контактирующих с газом-теплоносителем.

Перемещение влаги в жидком виде от одних окатышей к другим или в объеме одного окатыша от поверхности к центру ослабляет прочность связи между частицами, «размывает» контакты, что приводит к снижению прочности структуры и разрушению окатыша. Переувлажнение окатышей имеет место лишь в начале сушки.

Влияние связующих веществ. С увеличением содержания добавок бентонита к концентрату температура шока повышается.

Влияние защемлённого воздуха. Для шихты перед окомкованием характерно следующее соотношение фаз (объемное): 40-45% твердых частиц; 15-20% влаги; 35-45% воздуха. При окатывании объем газообразной фазы уменьшается, а при сушке наоборот.

Построение критериальных зависимостей. В соответствии с теоремой А. В. Лыкова основной показатель термостойкости капиллярно-пористых тел - коэффициент трещинообразования Кт выражается уравнением:

tn - температура поверхности окатыша, °С;

- температура центра окатыша, °С;

Тс - температура газовой среды, °К;

К, - критерий Кирпичева.

В области значений К, меньше 0,35, величина Кт практически не меняется. При К > 9 материалы склонны к трещинообразованию. Для реальных комкуемых систем К = 0,5 - 0,8, при этом Кт = 1,15 - 1,21 К.

Уменьшение влажности окатышей позволяет при сушке окатышей в слое прососом теплоносителя сверху вниз увеличить скорость подачи теплоты в слой путём увеличения скорости фильтрации теплоносителя и его температуры. При этом возможно постепенное повышение температуры теплоносителя над слоем в соответствии с уменьшением влажности окатышей. Однако в начале процесса происходит переувлажнение нижележащих окатышей и снижение их прочности на 30-40%, что ограничивает скорость фильтрации газа и высоту слоя соответственно 0,8-1,2 м3/(м2*с) и 350-400 мм.

С ростом интенсивности теплообмена при сушке окатышей наступает вскипание воды в порах окатышей, а это приводит к его взрывному разрушению. Этот процесс происходит при температуре теплоносителя 250- 300°С и его скорость 1,0-1,5 м3/(м2*с). При этом поверхностная плотность теплового потока составляет более 104 Вт/м2.

В процессе сушки особых требований к составу теплоносителя, в частности по содержанию в нём кислорода, нет. Поэтому для этих целей используют сухой воздух, отбираемый из зоны охлаждения, или разбавленные воздухом продукты сгорания.

После того, как исчезает опасность переувлажнения, процесс сушки окатышей может быть максимально интенсифицирован. С этой целью температуру теплоносителя перед подачей в слой можно увеличить до 700- 750°С. Функцию третьей зоны сушки обычно выполняет, переходная зона, находящаяся в составе зоны подогрева.

В общем случае процесс сушки сырых окатышей проводят в двух зонах обжиговой машины. В первой зоне слой продувается теплоносителем снизу вверх. Горячие газы, продуваемые через колосниковую решетку, вначале нагревают постель, а затем лежащие на ней сырые окатыши. Поскольку тепло - и влагонесущая способность потока газов невелика, они очень быстро охлаждаются и испаренная в нижней части слоя влага начинает конденсироваться выше, вызывая переувлажнение окатышей. Вследствие этого окатыши теряют механическую прочность, деформируются, из-за чего ухудшается газопроницаемость слоя и качество готовой продукции.

Во второй зоне сушки теплоноситель в слой поступает сверху, а процесс охлаждения теплоносителя и переноса влаги протекает также как и в зоне сушки 1, с той разницей, что в нижних горизонтах слоя окатыши подогреты. Это предотвращает вторичную конденсацию влаги на окатышах и на решетке. Подогрев нижних слоёв сырых окатышей в зоне сушки 1 позволяет избежать их разрушения от переувлажнения в зоне сушки 2.

При сушке окатышей дутьём снизу скорость фильтрации теплоносителя ограничивается псевдоожижением слоя.

Re = i/0,02/4r, (8.8)

где Re - число Рейнольдса;

Аг - число Архимеда.

V d <zd'

Re = -*-=■; Аг = -^-г(у„ - у,), (8.9)

Г, ^

где 1’т- скорость фильтрации теплоносителя, м/с;

^-диаметр окатышей, м;

и7 - кинематическая вязкость теплоносителя, м2/с;

Уъ Уо - плотность теплоносителя и окатышей, кг/м3;

g - ускорение свободного падения, м/с2.

Приняв ут= 1,27 кг/м3; у0 = 2800 кг/м3, после преобразования получим:

К7.=20,8 Jd. (8.10)

Сушка дутьём снизу имеет преимущество перед сушкой просасыванием в том, что обеспечивает на 14-15% большую газопроницаемость слоя в последующих зонах обжиговой машины.

Исследования этого процесса показывают, что даже при скоростях фильтрации до 2,5 м/с и температуры теплоносителя до 400-450°С видимого разрушения окатышей в процессе сушки не йроисходит. Увеличение скорости фильтрации позволяет существенно уменьшить продолжительность сушки. Интенсивность сушки увеличивается с ростом температуры теплоносителя. При скорости фильтрации 0,8-1,0 м/с и повышении температуры от 200 до 450°С продолжительность сушки уменьшается с 10,0 до 4,0 минут.

На продолжительность сушки влияет также направление движения теплоносителя. При прососе теплоносителя сушка заканчивается быстрее, чем при продуве или при изменении их направления.

Более интенсивное удаление влаги при режиме просасывания объясняется совпадением вектора силы массы капель с конденсированной воды и направлением движения теплоносителя. Просасывание теплоносителя позволяет сократить продолжительность сушки на 20-35%. Однако это может произойти только при отсутствии переувлажнения и разрушения окатышей внизу слоя, что возможно только при относительно низком слое (150-170 мм).

Наиболее целесообразной схемой зоны сушки является переменное направление движения теплоносителя, что позволяет исключить пере­увлажнение слоя.