При агломерации железных руд процессы нагрева шихты, горения топлива, разложения гидратов и карбонатов, окисления и восстановления оксидов, образования агломерата протекают в небольшой по высоте части слоя активной зоне.

При спекании методом просасывания активная зона непрерывно перемещается в направлении колосниковой решетки. В каждом элементарном слое нагрев шихты происходит как за счет теплопередачи от вышележащих слоев (главным образом конвекцией, но с участием излучения и теплопроводности), так и за счет теплоты, выделяющейся при горении частиц твердого топлива данного элементарного слоя. Теплота, аккумулированная в данном слое, расходуется на нагрев и оплавление частичек шихты, а также на протекание эндотермических реакций (разложение гидратов и карбонатов, восстановление окислов и др.).

По окончании горения топлива и образования агломерата начинается охлаждение последнего. При этом тепло передается проходящему воздуху, а также частично (излучением и теплопроводностью) шихте нижележащего элементарного слоя. При агломерации четко различимы две основные ступени теплообмена: верхняя - между горячим агломератом и воздухом и нижняя - между газовой фазой и шихтой.

Обе ступени теплообмена связаны активной зоной - зоной горения твердого топлива. Температура газа, входящего в зону горения, зависит от теплообмена в верхней ступени. Температура выходящего из зоны горения газа зависит не только от теплообмена в верхней ступени, но также от теплоты сгорания топлива и является величиной переменной. На рис. 4.18 показано распределение температуры материала в слое кусочков хромомагнезита крупностью 3-5 мм без топлива (а) и с топливом (б) при содержании углерода 2,5% и расходе воздуха 1,33 м3/(м2 • с), построенное по термограммам (рис. 4.19).

Рис. 4.18 Распределение температур в слое хромомагнезита (цифрами у кривых обозначено время от конца периода зажигания, мин-с)

Рис. 4.19 Термограммы процессов нагрева и охлаждения сухого хромомагнезита; термопары были установлены от поверхности засыпки на расстоянии: 1 - 28 мм; 2-63 мм; 3-97 мм; 4-164 мм; 5 - 194 мм

Пунктирная кривая соответствует распределению температур по окончании нагрева слоя горячим газом из горна. В пределах слоя толщиной 200 мм к концу нагрева теплообмен завершен, так как температура газа, выходящего из нижних горизонтов слоя, равна начальной температуре материала. При перемещении теплоты через слой в результате просасывания воздуха в последующие промежутки времени максимальная температура в варианте (а) не может оставаться на начальном уровне, так как на каждом этапе часть теплоты удерживается материалом, а часть уносится газом. При добавке твердого углерода к инертному материалу могут быть сохранены мак­симальные температуры на начальном уровне вследствие добавления теплоты сгорания углерода. Таким образом, в нагреве каждого элемента слоя всегда
участвует не только теплота сгорания углерода, но и значительная часть теплоты, усвоенной материалом в начальный период нагрева (при зажигании), и теплоты, выделившейся при горении углерода в предыдущих элементах слоя.

Если слой шихты условно разбить на элементы толщиной Ah, то для каждого из них можно выразить общую энтальпию следующим равенством:

Q, = ]ргтш + см 0 - тш ■ (4.31)

Через каждый данный элемент слоя шихты площадью спекания со в единицу времени просасывается Егаза (движущегося со скоростью w0):

Vr = cow0, (4.32)

приносящего из предыдущего элемента слоя количество теплоты

Q' = crt^cm0. (4.33)

За данный промежуток времени часть теплоты из рассматриваемого элемента уносится газом в следующий элемент. Результирующий приход теплоты в данный элемент равен разности между количеством теплоты, принесенным газом из предыдущего элемента, и теплотой, унесенной из него газом, уходящим в следующий элемент:

(4.34) А г

Изменение температуры рассматриваемого элемента за отрезок времени Ат определим из уравнения

Iсгтш + 0 - т, и )^ЛоД/ = crcow„(t„_t -1.)Ат,

или, сократив со и переписав уравнение (4.35) в ином виде, получим

сгтш +с_и(1 - тш) At ^ - tn

crw0 Аг М

Правая часть выражения (4.36) представляет собой градиент температуры в направлении потока (град • мм'1); второй множитель левой части выражает скорость нагрева элемента (град • мин'1), а первый — обратную величину скорости движения политермической поверхности (мин • мм'1). Таким образом, выражение

г 11 , /і ’

c, rnm+c.4V-mui)

представляет скорость движения фронта теплопередачи нижней ступени теплообмена.

Для верхней ступени теплообмена, по аналогии с выражением (4.37), получим

с*®.+с. О-»».)'

В реальных условиях агломерационного процесса должно соблюдаться неравенство

итн > итв5

или

сгтш + си (1-тш) свта + с„(1 - /».)

Неравенство (4.40) обусловлено следующими причинами:

1) теплоемкость газов, покидающих зону горения, больше тепло­емкости воздуха в связи с появлением трехатомного газа С02 вместо двухатомного 02;

2) количество просасываемых через шихту газов больше по сравнению с количеством просасываемого через агломерат воздуха в связи выделением (в зоне высоких температур) летучих, появлением продукта неполного сгорания углерода (СО) и протеканием реакций восстановления оксидов железа.

На основе выражений (4.37) и (4.38) можно предполагать, что, например, добавка 2,5% твердого топлива (по углероду) к шихтовым материалам, увеличивающая при прочих равных условиях порозность шихты, должна благоприятствовать повышению скорости движения фронта теплопередачи нижней ступени теплообмена. Экспериментальная проверка этого пред­положения на инертных материалах, выполненная Г. М. Майзелем, дает положительные результаты, что видно из табл. 4.1.

Особенно заметное повышение скорости перемещения максимума температур наблюдали при расходе воздуха 0,757 м3/(м2 • с).

При других более высоких расходах воздуха зависимость скорости движения максимума температур от расхода топлива менее ощутима, но в общем носит тот же характер. Отмеченное явление связано также с изменением соотношения теплоемкостей шихты и газов, так как объемные теплоемкости слоя и газа изменяются с расходом топлива.

Таблица 4.1 Влияние расхода топлива, расхода воздуха и крупности инертных материалов (зерен хромомагнезита) на скорость перемещения максимума температур в направлении потока газа (по Г. М. Майзелю) Расход углерода, % Скорость перемещения максимума температур в направлении потока газа (мм/мин) при размерах зерен, мм Расход углерода, % Скорость перемещения максимума температур в направлении потока газа (мм/мин) при размерах зерен, мм Расход углерода, % Скорость перемещения максимума температур в направлении потока газа (мм/мин) при размерах зерен, мм 1,68- 0,84 5-3 8-5 1,68- 0,84 5-3 8-5 1,68- 0,84 5-3 8-5 Расход воздуха 0,757 м3/(м2*с) Расход воздуха 1,08 м3/(м2 с) Расход воздуха 1,32 м3/(м2 с) 0,0 18,5 27,2 34,0 0,0 27,0 38,8 43,0 0,0 - 44,5 52,6 0,5 18,8 27,2 35,0 0,5 29,0 41,8 45,0 0,5 - 49,5 54,5 1,1 24,0 34,0 38,0 U 30,2 45,3 51,0 1,1 - 49,5 54,5 1,5 28,0 34,8 38,2 1,5 30,4 43,7 - 1,5 - 49,5 59,0 2,5 - 41,0 45,3 2,5 30,8 46,0 - 2,5 - 59,0 -

В частности увеличение содержания горючего до 2,5% (по углероду) в шихте (в сравнении с бестопливным слоем материала) приводит к снижению средней объемной теплоемкости шихты при 1200°С с 2010 до 1870 кДж/(м* • град), т. е. примерно на 6,5%. При тех же условиях объемная теплоемкость газа (в сравнении с воздухом) увеличивается примерно на 8% вследствие замены части кислорода воздуха углекислым газом. Если рассматривать скорость спекания ис как скорость движения максимума

температур, зависящую от Сг, Сш и тщ в соответствии с выражением, представляющим полусумму иун и итв, т. е.

и(' = Уг{итн + иТв ' (4.41)

то окажется, что ее увеличение при указанной добавке к инертному материалу (хромомагнезиту) будет составлять около 7,8%.

Таким образом, причины возрастания скорости движения максимума температур, наблюдаемого не только с увеличением размера зерен материалов, но и с повышением расхода горючего для шихт, крупность которых остается постоянной, одинаковые и связаны с теплофизической характеристикой системы. Так как в опытах с переходом на большую крупность и больший расход горючего насыпная масса материалов уменьшалась, то скорость перемещения максимума температур должна была возрастать, что и наблюдали в действительности (см. табл. 4.1). Увеличение вертикальной скорости спекания в результате понижения объемной теплоемкости шихты при прочих равных условиях не должно приводить к повышению производительности агломерационных установок, так как количество агломерата, получаемого в единицу времени, остается постоянным. Отмеченное явление оказывает благоприятное влияние на глубину прогрева шихты в период зажигания, что в какой-то степени может быть использовано для управления процессом.

Если скорость перемещения фронта теплопередачи, а вместе с ним и нижней границы зоны горения, определяется условиями теплообмена, на которые технолог влиять практически не в состоянии, то верхняя граница зоны горения определяется скоростью выгорания частиц топлива. А этот процесс поддается регулированию. В том случае, когда зона горения имеет слишком большую высоту, нужно уменьшить крупность топливных частичек и использовать топливо с большей реакционной способностью. Наоборот, если принять высокотемпературное топливо, необходимо увеличить его размер зерен.

Для большинства агломерационных фабрик хорошие результаты получаются при введении в шихту коксика крупностью 0-3 мм. Причем подготовку топлива к спеканию требуется организовать таким образом, чтобы свести к минимуму содержание фракции 0-0,5 мм, которая используется малоэффективно, не допуская в тоже время получения частиц размером более 3 мм.

Важной технологической характеристикой аглопроцесса является время горения топливной частицы. Его можно вычислить из отношения толщины зоны горения (h3.r) к скорости её перемещения по слою (и3 г)

При установившемся режиме агломерации озг равна та называемой «вертикальной скорости спекания» Осп - скорости перемещения по слою зоны максимальных температур. С достаточной для инженерных расчетов точностью можно считать, что і)сп прямо пропорциональна скорости фильтрации газа в

слое W0 и обратно пропорциональна удельному выходу агломерационного газа

Vr:

W 1

^гЛ=ТГ------- • (4.43)

К Р„«

где рнас - насыпная масса агломерационной шихты.

После подстановки (4.43) в (4.42)

г = !hjLy р. (4.44)

W

,Г О

Поскольку в практических условиях агломерации Vr и рнас изменяются в узких пределах, то на время горения частиц топлива кроме их размера (через h3.r) оказывает влияние скорость фильтрации газового потока в слое.

Для типичных условий агломерации железорудных материалов

h3r = 25 мм; W0 = 0,30 м/с; Vr = 0,41 м3/кг с. ш.; р„ас = 1800 кг/м3, среднее время горения частичек кокса

т = 0^025 о і і goo =61с.

0, 30

Наилучшие показатели агломерационного процесса, а именно, максимальная производительность, минимальный расход твердого топлива при высоком качестве агломерата, могут быть получены, когда скорость пере­мещения по слою тепловой волны (фронт теплопередачи) и зоны горения («фронта горения») будут равны (принцип Войса). В этом случае основное количество топлива в данном элементарном слое сгорает именно тогда, когда на горизонте находится пик тепловой волны, что обеспечивается получение максимальных температур при минимальном расходе твердого топлива.

При агломерации с просасыванием воздуха наблюдаются фронтальные перемещения тепловой волны (фронт теплопередачи) и зоны горения топлива (фронт пламени). Для нормального протекания процесса спекания необходимо чтобы фронт пламени следовал непосредственно за фронтом теплопередачи. В случае если скорость перемещения фронта теплопередачи значительно превышает скорость перемещения фронта пламени, неизбежно значительное расширение высокотемпературной зоны, при этом происходит прежде­временное высушивание шихты по всей высоте слоя. В результате расширения высокотемпературной зоны увеличивается гидравлическое сопротивление слоя и наблюдается значительное снижение производительности агломерационной машины.

Отставание перемещения фронта пламени от фронта теплопередачи возможно, например, в случае, когда в атмосфере зажигательного горна практически отсутствует свободный кислород. Это имеет место при применении зажигательных горнов большой длины, оборудованных инжекционными горелками, работающими с коэффициентом расхода воздуха, близким к единице.

В таком случае при прохождении шихты под горном происходит лишь ее нагрев от теплоты зажигания. Тепловая волна за это время успевает уйти на значительное расстояние в глубь слоя. Горение же топлива начинается лишь по выходе шихты из-под зажигательного горна. В результате возникает существенная дифференциация процессов теплопередачи и горения топлива шихты.

Анализ результатов многочисленных опытов показал, что обычно точка б (окончание горения основного количества топлива в данном слое) располагается на термограммах между точкой t/ (см. схему рис. 4.20), когда начинается замедление подъема температуры, и точкой Не располагая данными изменения состава газа, приближенно период времени горения топлива тг в данном слое можно определять как

ГГ = (*,, - *700) +1 - г,) • (4.45)

Рис. 4.20 Изменение температуры в слое (восходящая ветвь температурной кривой)

По известной величине вертикальной скорости спекания определяется приближенное значение высоты зоны горения. Пределы колебаний hr составляют 8-35 мм. Время подъема температуры от tp до tuaKC в зависимости от условий процесса колеблется в пределах от 0,8 до 2,5 мин, а высота зоны теплообмена - 20-70 мм.