В настоящее время разработан ряд методов подготовки агломерацион­ной шихты к спеканию, позволяющих изменять как структуру и свойства гранул окомкованной шихты, так и свойства агломерируемого слоя [107 - 112]. Выполненные В. П. Романенко [106] показали, что при двухстадийном окомковании имеется возможность при постоянной влажности изменять крупность окомкованной шихты в широком диапазоне. В этой связи актуаль­ной задачей является исследование поведения слоя шихты при различной технологии её подготовки с тем, чтобы получать окомкованную агломераци­онную смесь, сохраняющую механические свойства в зоне переувлажнения. Автором были выполнены исследования процесса переувлажнения в агломе­рируемом слое шихты различной влажности, крупности, различной механи­ческой прочности гранул.

Методика исследований образования зоны переувлажнения аглосмеси при постоянной крупности и переменной влажности состояла в следующем. Разделив всю окомкованную шихту на части, равные по массе количеству материала, необходимого для одного спекания, одну пробу спекали сразу же после грануляции, а остальные - с различной выдержкой времени на воздухе, в течение которой шихта подсыхала. В процессе спекания контролировали усадку слоя и температуру в зоне переувлажнения. С уменьшением влажно­сти шихты уменьшается и усадка агломерируемого слоя (рис. 3.5). Это связа­но с тем, что в высокотемпературной зоне меньшее количество влаги перехо­дит в парообразное состояние, а затем конденсируется на гранулах в нижних горизонтах слоя.

С другой стороны, подсушенная шихта может поглотить большое коли­чество влаги без разрушения гранул. Особый интерес представляет спекание сухой холодной шихты. Если горновые газы в результате взаимодействия с кислородом воздуха образуют воду и углекислый газ, то в нижележащих го­ризонтах эта влага будет конденсироваться на поверхности сухих холодных гранул. Об этом свидетельствует изменение температуры в нижележащих го­ризонтах. Однако этого количества влаги недостаточно для разрушения гра­нул и величина усадки шихты близка к нулю.

Представляют интерес результаты исследования изменения влажности, усадки и температуры шихты. Усадка слоя начинается одновременно с нача­лом зажигания шихты. Установившегося значения первой достигает усадка слоя, затем температура, а затем влажность нижних горизонтов. Это связано с тем, что после поверхностного переувлажнения крупной шихты (более 5 мм) и частичного разрушения мелкой (менее 3 мм) в слое образуются кана­лы и усадка слоя не имеет развития с одновременным ростом влажности и температуры шихты. Особенно это характерно для слоя сегрегированной аг­лосмеси так как нижние слои состоят из фракций крупнее 5 мм.

Для исследований поведения гранул различных классов крупности в зоне переувлажнения выполнены спекания монофракционной шихты в чаше высотой слоя 300 мм, то есть шихты, состоящей из гранул узкого класса крупности. Зажигание осуществляли пропан-бутановой смесью с использо­ванием "зажигательного" слоя, представляющего собой слой мелкой 3 - 0 мм влажной шихты высотой 50 мм. Такое зажигание создает в слое монофрак­ционной шихты условия, характерные для зоны переувлажнения обычной шихты. Скорость фильтрации газа через слой во всех опытах поддерживали постоянной и равной 0,5 м/с, которую измеряли расходомерной шайбой, а ре­гулировали изменением разрежения в процессе спекания. Усадку измеряли щупом индуктивного датчика, пропущенным через "зажигательный" слой. То есть, измеряли усадку только слоя монофракционной шихты.

Исследования показали, что наименьшее значение разрушения гранул под действием влаги конденсации имеет место при крупности гранул более 5 мм. Это связано с уменьшением поверхности конденсации, увеличением прочности комков, с более высокой плотностью укладки частиц комкуемой составляющей в поверхностном слое гранул (рис. 3.5).

Кроме влажности и крупности гранул важным показателем качества окомкованной, шихты является длительность укатывания смеси после пол­ной подачи влаги. Более точным показателем, характеризующим этот про­цесс, является работа внешних сил грануляции [104], которая показывает, ка­кое количество энергии затрачено на перемешивание шихты в единицу вре­мени на единицу массы после подачи влаги на гранулообразование.

В окомкователях различной конструкции процесс грануляции можно условно разделить на две стадии - гранулообразования и стабилизации гра­нулометрического состава шихты. Во второй стадии преобладает массообмен и под действием динамических нагрузок уплотнение гранул [5].

Уменьшение диаметров капиллярных каналов между частичками в гра­нулах уменьшает скорость перемещения влаги от периферии к центру комков в зоне переувлажнения и уменьшает их разрушение.

а) изменение высоты слоя; б) крупности; в) влажности; г) время окомкования; 1, 2, 3 - высота слоя 200, 300, 400 мм; 4, 5, 6, 7, 8 - крупность гранул шихты 3 - 0, 5 - 3, 7 - 5, 10 - 7, +10 мм; 9, 10, 11, 12, 13 - влажность шихты 7.0, 6.2, 4.4, 3.2, 0%; 14, 15, 16, 17, 18 - время окомкования 0, 3, 7, 10, 14 мин соответственно.

Рис. 3.5 - Характер усадки в зависимости от различных факторов

С увеличением работы внешних сил грануляции стойкость шихты по­вышается за счет того, что с увеличением плотности укладки частиц в грану­ле влага перемещается от её центра к периферии. Выступившая на поверх­ность влага быстро превращается в пар при соприкосновении с тепловой волной зоны сушки и уносится в коллектор. Удаление части влаги из грану­лы способствует сближению частиц до расстояний, когда начинают действо­вать молекулярные силы, повышается прочность сцепления между частица­ми, уменьшаются разрушение гранул и усадка слоя (рис.3.5).

После подачи воды на гранулообразование, длительность окомкования существенного влияния на усадку слоя от действия переувлажнения не ока­зывает, т. к. на начальной стадии окомкования совмещаются процессы грану­лообразования и уплотнения образованых комков. Следовательно, деформа­цию агломерируемого слоя от переувлажнения рационально уменьшать не увеличением длины барабанных окомкователей, а технологическими мето­дами, позволяющими уменьшать влажность и увеличивать крупность оком- кованной шихты [113 - 115].