10.1 Физико-химическая модель обжига железорудных окатышей из шихт с добавкой твердого топлива

Твердое топливо в составе окатышей выполняет две функции: энергоноситель для выделения теплоты и создание необходимых температурных условий для термической обработки окатышей (внутренний источник теплоты) и как компонент шихты, необходимый для протекания физико-химических процессов в отдельном окатыше и обрабатываемом слое. Поэтому выбор топлива определяется совокупностью многих факторов.

Основным видом твердого топлива, применяемым в шихтах для окускования железорудных материалов являются ископаемые угли (каменные и антрацит) и кокс. Выход летучих у этих углей колеблется от 9,0 до 45%, а в антраците менее 9%.

Общепринятая модель, объясняющая экономию природного газа при обжиге рудоугольных окатышей, включает теплоту, выделяющуюся при горении твердого топлива в слое шихты. Однако наряду с этим процессом при обжиге рудоугольных окатышей в слое происходят окислительно­восстановительные процессы. Для окатышей из магнетитового и гематитового концентратов они получают различную степень развития, которая зависит также от положения окатышей в слое и реакционной способности топлива. Развитие этих реакций существенно разнится на поверхности в центре окатыша

При горении твердого топлива в слое окатышей происходящие процессы располагаются в такой последовательности (рис. 10.1): а) транспорт

реакционного газа (О2) через турбулентный поток к ламинарной границе слоя; диффузия кислорода через ламинарную границу слоя к наружной поверхности твердого материала; химические превращения между газом и оксидами железа и углерода твердого топлива на их поверхности; удаление газообразных продуктов восстановления с поверхности оксидов через ламинарную границу слоя; удаление продуктов реакции через турбулентную зону. На поверхности коксика углерод окисляется до С02 (С + 02 —► С02 + 393,77 кДж) (рис. 10.1).

При этом слой коксика нагревается до температур выше 1300°С, а образовавшийся диоксид углерода реагирует при этих высоких температурах с углеродом и образуется монооксид углерода (С02 + С = 2С0 - 172,58 кДж.). В результате устанавливается равновесие, известное как равновесие Будуара. При 1300°С образуется полностью монооксид углерода. Монооксид углерода, дифундируя через ламинарную границу слоя, встречает кислород, диффундирующий в противоположном направлении (рис. 10.1); образуется фронт горения (СО + 0,5 02 = С02 + 238,19 кДж). Часть образовавшегося при этом С02 служит для дальнейшей газификации твердого углерода, а часть диффункцирует через ламинарную границу и турбулентную область в отходящий газ. На рис. 10.2 показано изменение концентраций (СО; С02; 02) и изменение температур в ламинарной области.

Монооксид углерода, находящийся вокруг тонкодисперсных частичек твердого топлива, которые расположены внутри окатыша, восстанавливает зерна гематита до магнетита. Этот процесс представлен на рис. 10.3, где различные виды твердого топлива в смеси с гематитовым концентратом нагревались в нейтральной атмосфере (C/Fe = 0,018, расход азота - 50 л/ч). Из приведенных данных следует, что образование магнетита при указанных выше условиях начинается при 750°С.

Скорость образования магнетита выше при использовании угля с высоким содержанием летучих веществ. Максимальное количество магнетита (60%) образуется при температуре 1050°С. Для окатышей с коксом максимальное количество магнетита (55%) достигается при 1100°С. Выдержка окатышей с коксиком при температуре 1100°С в течение одного часа способствовала увеличению содержания магнетита до 70%, а в окатышах с углем с высоким содержанием летучих содержание магнетита не изменилось. При обжиге в окислительной атмосфере происходят процессы повторного окисления.

Процессы, происходящие в рудоугольных окатышах из гематитового и магнетитового концентратов при термической обработке. их последовательность в слое на конвейерной обжиговой машине может быть описана физико-химическими моделями, приведенными в табл. 10.1, 10.2.

Из приведенных моделей следует, что при добавках твердого топлива в шихту как для гематитовых, так и магнетитовых окатышей развиваются окислительно-восстановительные процессы. Степень их развития зависит от содержания углерода в шихте, положения окатыша по высоте слоя и расстояния по сечению окатыша. На поверхности окатыша на всей высоте слоя происходит горение углерода в токе окислительного теплоносителя как в гематитовых, так и магнетитовых окатышах. В магнетитовых окатышах кроме горения топлива на поверхности окисляется магнетит. Поскольку концентрация СО внутри окатыша невелика, восстановление Fe304 не происходит.

Для гематитовых окатышей достаточно незначительной концентрации СО для восстановления Fe203 до Fe304. В центре окатыша эти процессы развиваются в большей степени.

Таким образом, за счет горения углерода твердого топлива выделяется теплота только на поверхности окатыша. Основное же количество теплоты при обжиге гематитовых и магнетитовых окатышей выделяется в результате окисления магнетита в зонах обжига и охлаждения. Из зоны охлаждения теплота передается в зоны обжига нагретым воздухом. Вследствие более интенсивного развития восстановительных процессов при термической обработке гематитовых рудоугольных окатышей использование твердого топлива более эффективно для гематитовых окатышей.

Анализ изменения содержания монооксида железа в обожженных окатышах показал, что в окислительных условиях обжига наименьшее содержание монооксида железа наблюдается на поверхности образца. В этом случае топливо в большей степени используется как источник теплоты. В центре окатыша, куда затруднен доступ кислорода, находится более высокая концентрация монооксида железа, образующегося в результате интенсивных процессов восстановления. При увеличении содержания углерода в шихте от О до 1,3% концентрация закиси железа вырастает до 10-15% (аналогично агломерату), а количество шлаковой связки до 40-55%. Оптимальное содержание расплава в окатышах находится в интервале 15-25%.