4.1 Зажигание агломерационной шихты

Зажигание шихты оказывает существенное влияние на весь ход процесса спекания. При обычном способе агломерации с просасыванием воздуха высокие температуры в зоне горения достигаются в результате горения твердого топлива шихты и регенерации теплоты раскаленного агломерата, передающейся воздухом, который засасывается в слой.

Зажигание удовлетворяет требованиям технологии, если оно обеспечивает устойчивое горение твердого топлива. Это условие является необходимым, но не достаточным. Если к началу устойчивого горения окажется, что шихта аккумулировала нужное количество теплоты, то с точки зрения температурно-теплового режима процесс пройдет нормально. Если теплоты окажется недостаточно (хотя и установилось устойчивое горение твердого топлива), то зажигание нельзя считать удовлетворительным. Поэтому от зажигания требуется не только воспламенение твердого топлива, но и обеспечение теплотой реакций декарбонизации, дегидратации.

В начальной стадии процесса слой раскаленного агломерата отсутствует, что исключает поступление регенерированной теплоты в зону горения. Поэтому в верхних элементарных слоях спекаемого слоя имеется значительный дефицит теплоты (~ 60% от общей теплопотребности). Покрываться этот дефицит должен за счет теплоты зажигания.

Для нормального протекания процесса спекания требуется при зажигании затрата от 145 • 103 до 170 • 103 кДж теплоты на 1 тонну полученного агломерата. Эта величина называется интенсивностью зажигания (I)

Р ’

где Q - количество теплоты на зажигание, кДж; Р - производительность агломашины, т/час;

Р = 60• В • Н и - уш-тг,

где В - ширина палет, м; о - скорость движения палет, м/мин; Н - высота слоя, м; уш - насыпная масса шихты, т/м3; тг - выход годного агломерата из шихты, т/т.

При одном и том же значении Q3UM одинаковую величину / можно получить либо при высокой скорости движения палет о, малых значениях уш и тг (например, при спекании офлюсованной шихты), либо при больших зна­чениях уш и тг, но малом значении v (спекание богатых магнетитовых концентратов). В обоих случаях знаменатель уравнения (4.3), а значит и величина / могут быть одинаковыми, тогда как тепловое воздействие зажигания на шихту будет различным из-за неодинакового времени пребывания шихты под зажигательным горном ТзаЖ.

Поясним сказанное на примере. Пусть зажигательный горн поставляет за 1 ч 20,8 • 106 кДж. На машине с площадью спекания 50 м2 (В = 2 м) спекаются две разных шихты:

а) концентрат магнитного обогащения при уш = 2,1 т/м3, тг = 0,9; Н = 0,2 м; v = 2,8 м/мин; Р = 130 т/ч (включая возврат); б) офлюсованная шихта из криворожской руды при уш ~ 1,7 т/м3; т, = 0,8; Н = 0,25 м; и = 3,2 м/мин; Р - 130 т/ч (включая возврат).

Для обоих случаев 1- 160 • 103 кДж/m, однако воздействие зажигания на шихту для них будет различным, т. е. единица поверхности шихты получит при прохождении под горном разное количество теплоты. В первом случае

^ Q„ = 20,8-10* Ч' 60 Ви 60-2-2,8

Таким образом, для офлюсованной шихты, несмотря на нормальное значение /, тепловое воздействие зажигательного горна будет в 1,15 раза меньшим по сравнению со случаем спекания неофлюсованной шихты из концентрата магнитного обогащения.

Результаты зажигания зависят от удельного расхода теплоты q. который прямо пропорционален длительности зажигания г и его интенсивности /

q = / г, кДж/м2. (4.4)

Под интенсивностью зажигания следует понимать количество теплоты, выделяемое в единицу времени единицей площади зеркала зажигания горна, другими словами, - это количество теплоты, которое может получить 1 м2 площади шихты от зажигательного горна в единицу времени.

Вычисляется I по уравнению

Q™с = ЧОПУ, кДж/ч, (4.6)

где V - расход топлива зажигания, м3/ч (кг/ч); Q*- низшая теплотворная способность топлива, кДж/м3 (кДж/кг); rj - тепловой коэффициент полезного действия теплоты.

Учитывая то, что длительность зажигания т равна частному от деления длины зеркала зажигания горна Lr на скорость движения палет х> (м/мин), из

(4.4) находим

, Я Я

I = — = — и.

г Lr

Приравнивая правые части уравнений (4.5) и (4.7), определяем часовой расход тепла зажигания

Q

™ Lr

Подставляя S = Bp Lp, получим

= 60Вгдо.

Таким образом, количество теплоты, требуемое на зажигание шихты в единицу времени, пропорционально удельному его расходу q и скорости движения палет и.

Зажигательное устройство должно сообщить шихте такое количество теплоты, которого хватило бы не только на покрытие тепловых затрат, связанных с испарением гигроскопической влаги, подогревом шихты и воздуха до температуры воспламенения твердого топлива, но и для поддержания устойчивого процесса в верхней части слоя. Для этого необходимо некоторое количество теплоты затрачивать на протекание эндотермических процессов. Приход теплоты от зажигательного устройства в значительной мере определяется также физико-химическими свойствами шихты.

При производстве офлюсованного агломерата, вследствие увеличения потребности в теплоте единицы поверхности шихты, зажигательный горн должен в единицу времени развивать больше теплоты, чем при производстве неофлюсованного агломерата. Кроме того, спекание офлюсованных шихт протекает с большей вертикальной скоростью, т. е. при сокращенной длительности зажигания г. Из уравнения (4.4) видно, что при сокращении г сохранить одинаковое значение q можно только путем соответствующего увеличения /.

Удовлетворительное зажигание при спекании рудных агломерационных шихт происходит при расходе теплоты - 58000-75000 кДж/м2 для неофлюсованной и 75000-92000 кДж/м2 для офлюсованной шихты.

Качество агломерата поверхностного слоя в значительной степени определяется уровнем достигаемой при этом температуры. От температуры поверхностного слоя зависит скорость горения углерода и скорость продвижения фронта пламени. Высокие температуры в зоне горения топлива поверхностного слоя могут быть достигнуты лишь при определенной интенсивности зажигания, которая в значительной степени зависит от температуры зажигания. При недостаточной интенсивности зажигания температура в поверхностном слое будет ниже нормальной температуры образования агломерата.

Для достижения требуемых температур в поверхностном слое необходимо с самого начала процесса создать условия для горения топлива шихты. Последнее возможно в том случае, когда в атмосфере зажигательного горна содержится свободный кислород. Минимальное содержание кислорода, необходимое для горения твердого топлива, не должно быть ниже 5%.

Однако, допустимая величина коэффициента расхода воздуха при сжигании топлива зажигания в значительной степени зависит от теплотворной способности последнего. При использовании доменного газа температура свыше 1100-1150°С не может быть достигнута даже при а = 1,0. Для достижения температуры зажигания не ниже 1250-1300°С, при наличии в продуктах горения свыше 5% свободного кислорода необходимо применять в качестве топлива зажигания коксодоменную смесь теплотворной способностью около 13 000 кДж/м3.

При сжигании топлива с коэффициентом расхода воздуха, близким к единице, в продуктах горения свободный кислород практически отсутствует.

Углерод топлива шихты взаимодействует с двуокисью углерода и водяными парами, содержащимися в продуктах горения газа, по реакциям

С + С02 = 2СО; С + НгОгаз = СО + Н2. (4.10)

При этом теряется не только часть углерода шихты, но вследствие эндотермичности реакций и некоторое количество теплоты, полученной поверхностным слоем от зажигательного горна. Интенсивное горение твердого топлива начинается лишь по выходе шихты из-под горна.

Кроме того, при низком содержании свободного кислорода в атмосфере горна в результате медленного сгорания частичек топлива продвижение зоны горения в глубь слоя может значительно отстать от продвижения тепловой волны. Дифференциация процессов горения и теплопередачи приводит к тому, что высокотемпературная зона сильно растягивается по высоте слоя, при этом ухудшается его газопроницаемость и снижается производительность агломерационной машины.

Из рисунка 4.1 видно, что некоторое количество свободного кислорода появилось только на пятом метре от оси горелок.

Рис. 4.1 Изменение температуры и состава продуктов горения по длине горна

Для достижения хороших показателей процесса длительность зажигания не должна быть менее одной минуты (рис. 4.2).

В практике агломерационного производства довольно часто встречаются примеры, когда зажигание ведется при пониженном на 35-40% разрежении в вакуум-камерах, расположенных под зажигательным горном. Делается это для того, чтобы уменьшить приток свежего воздуха в горн и избежать резкого снижения температуры зажигания.

Рис. 4.2 Влияние продолжительности зажигания на вертикальную скорость
спекания (цифры у кривых - интенсивность зажигания, 103 • кдж/м2 • мин;
буквой В обозначены данные для спекания на агломерационной машине

Кроме того, необходимо учитывать и то, что высокий вакуум, связанный с повышенной скоростью просасываемых газов, препятствует концентрации теплоты в верхних элементарных слоях и неизбежно приводит к распределению теплоты зажигания на большую глубину, что отрицательно сказывается на процессе спекания, особенно при низкой интенсивности зажигания (рис. 4.3).

Рис. 4.3 Зависимость температуры поверхности шихты от разрежения в первой

вакуум-камере:

а-21% К + 79% Д; б -26% К + 74% Д; в - 45% К+ 55% Д

Выбор разрежения в вакуум-камерах под зажигательным горном должен производиться в соответствии с газопроницаемостью шихты, скоростью перемещения фронта теплопередачи и количеством продуктов горения. Оно должно быть достаточным для вывода всего объема продуктов горения и некоторого количества избыточного воздуха, если сжигание газа осуществляется с коэффициентом расхода воздуха несколько большим единицы.

Условия зажигания оказывают значительное влияние не только на спекание, но и на качество агломерата (рис. 4.4, 4.5). На рис. 4.4 показано влияние интенсивности зажигания / на прочность агломерата при удельном расходе теплоты 45440 кДж/м2 и различных значениях а. В случае применения в качестве топлива зажигания коксового газа с теплотворной способностью 17400 кДж/мJ максимальная прочность агломерата достигалась при оптимальной интенсивности зажигания 1= 45 400-51 000 кДж/м2 • мин.

Аяительность мпппвницак

Рис. 4.4 Влияние интенсивности зажигания на прочность агломерата: ° - коксовый газ, Q* = 17400 кДж/м3; • - коксодоменная смесь, Q1’ = 5590 кДж/м3

Рис. 4.5 Влияние интенсивности зажигания на скорость спекания и прочность

агломерата

Оптимальная интенсивность зажигания несколько возрастала при увеличении а от 1,0 до 1,2, оставаясь в дальнейшем практически постоянной. При использовании для зажигания шихты коксодоменной смеси, теплотворная способность которой 5590 кДж/м3 максимальная прочность агломерата была достигнута при интенсивности зажигания G = ЗЗООО кДж/м2 • мин.