Закономерные изменения температур в элементарных объемах шихты вызывают чередование химических реакций и физических процессов. Это приводит к существенным изменениям в структуре слоя и величин коэффициентов газодинамического сопротивления.

159

Слой исходной агломерационной шихты - смешанной, увлажненной и окомкованной, загруженной на колосниковую решетку можно рас­сматривать, как однородный изотермический.

Рис. 3.3 Характер изменения параметров газа и шихты в зоне конденсации. Условные обозначения на рисунке: tHU1 - начальная температура исходной шихты; tKllJ - температура отсасываемого газа; tu, - температура шихты; tr - температура газа; вп - влагосодержание шихты в зоне переувлажнения; вк - количество сконденсированной влаги; хк Нас, х„ „ас - влагосодержание насыщенного газа на входе и выходе из зоны конденсации

Потери напора газа (Др) в слое холодной агломерационной шихты различны по высоте. Причина этого заключается в том, что элементарные слои шихты расположенные на различных горизонтах испытывают неодинаковую нагрузку. Нижние слои оказывают большее сопротивление так как, большая масса шихты (т) вышележащего материала уплотняет его. Другим фактором ухудшающим газодинамические свойства слоя агломерационной шихты является воздействие газового потока (перепад давления).

Прочность комочков аглошихты недостаточна, чтобы противостоять этим нагрузкам. В результате газопроницаемость слоя уменьшается за счет разрушения комочков шихты и уменьшения их d3Ke и порозности слоя. На рисунке 3.4 приведено распределение вакуума по высоте слоя для различных материалов.

Слой дробленного магнезита обладает значительно более «жесткой» и прочной структурой, чем слой шихты из железорудного концентрата. Вследствие этого газодинамические свойства слоя магнезита остаются одинаковыми.

Начальная газопроницаемость аглошихты всегда выше, чем газопроницаемость спекаемого слоя, так как большинство процессов, развивающихся в слое (горение топлива, образование зоны переувлажнения, образование расплава) увеличивают его газодинамическое сопротивление. Как правило, чем выше начальная газопроницаемость шихты, тем выше газопроницаемость и при спекании. Из рисунка 3.5 следует, что величина скорости просасывания воздуха через исходную шихту после пере­увлажнения и средняя за период спекания согласуются между собой.

Газопроницаемость окомкованной агломерационной шихты опреде­ляется тремя факторами: гранулометрическим составом исходной шихты (dcp), содержанием влаги и режимом окомкования. Чем больше в шихте содержание комкуемой фракции (d > 2 мм), выполняющей роль зароды­шевых центров и содержание тонких частиц (d < 0,05 мм) тем лучшей ком- куемостью обладает шихта, тем большей газопроницаемостью будет обладать слой такой окомкованной шихты.

Отрицательное влияние на окомкование оказывает фракция 0,2-1,5 мм, которая не участвует в окомковании. В гранулированной шихте зерна этой фракции распределяются в промежутке между комочками, уменьшая порозность слоя и эквивалентный диаметр каналов. В качестве показателя, характеризующего качественную связь между исходным составом агломерационной шихты и её газопроницаемостью после окомкования используют коэффициент скорости грануляции:

(3.25)

где: р, и d, - масса и средний диаметр отдельных фракций комкующейся части агломерационной шихты; рт - масса комкуемой части шихты.

Влияние содержания влаги на газопроницаемость слоя окомкованной шихты происходит за счет изменения её свойств: насыпной массы, прочности комочков, структуры слоя и его газопроницаемости. Типичный характер зависимости этих параметров от влажности шихты приведен на рисунке 3.6. При постепенном увеличении влажности шихты уменьшается её насыпная масса (увеличивается порозность слоя) растет газопроницаемость. С дальнейшим увеличением влажности порозность слоя начинает уменьшатся. По достижении определенной влажности насыпная масса достигает минимума, а газопроницаемость продолжает расти. Характер этой зависимости обусловлен изменением режима окомкования и структуры шихты.

До влажности, соответствующей минимуму насыпной массы шихты, при её движении в окомкователе, происходит образование ячеистой структуры, представляющей собой совокупность агрегатов, сложенных из нескольких частиц и скреплены капиллярными силами. Такая структура

характеризуется высокой пористостью, но низкой прочностью обра­зующихся агрегатов. При дальнейшем увеличении влажности появляются условия, способствующие получению комочков и образуется грану­лированная структура. При этом насыпная масса комочков увеличивается, увеличивается и dc/h газопроницаемость растет. При определенной влажности шихта достигает максимальной газопроницаемости. Причем комочки в гранулированной шихте обладают повышенной прочностью. При определенном значении влажности шихта обладает максимальной газопроницаемостью. Однако максимальная вертикальная скорость спекания наблюдается при влажности примерно на 1% ниже максимальной.

Рис. 3.6 Влияние влажности агломерационной шихты на газопроницаемость (со), насыпную массу (унас), усадку слоя (Ah) и скорость перемещения зоны сушки (в условных единицах)

В процессе спекания газ из зоны интенсивного нагрева с высокой температурой и низким влагосодержанием (х0) поступает в зону сушки. Двигаясь через влажную шихту он сушит её. В результате теплообмена между газом и шихтой температура газа снижается, а влагосодержание газа увеличивается. Так происходит в течение времени существования влажной шихты. На входе в зону сушки газ имеет начальное влагосодержание (х0) и температуру на выходе газа (хКМцСМщ) и tK. При tK - происходит прекращение испарения влаги.

Теплота, необходимая для испарения влаги, отнимается от газа в связи, с чем непрерывное повышение влагосодержания его при движении в зоне сушки сопровождается соответствующим снижением температуры. Газ насыщается парами воды. В течение почти всего времени существования влажной шихты отсасываемый из слоя газ является насыщенным.

Зона сушки в агломерируемом слое имеет определенные размеры. Теоретически верхняя граница зоны сушки представляет горизонт, на котором влажность при температуре t„ (в условиях агломерации железорудных материалов эта влажность равна 0). А нижняя граница представляет горизонт, на котором влажность шихты достигает величины, соответствующей влажности в зоне переувлажнения.

Различны и параметры газа на границах зоны сушки. На входе в неё газ имеет переходное влагосодержание х0 и температуру tH. На выходе влагосодержание составляет хкиаСыщ, а температура tK. Эту температуру называют «температурой предела охлаждения». Так как при достижении температуры tK происходит прекращение испарения влаги. Содержание влаги в материале достигает состояния равновесия.

Основными факторами, определяющими кинетические параметры сушки, являются удельная поверхность слоя и скорость движения газа в слое.

Для практических расчетов высоты зоны сушки можно пользоваться эмпирическим уравнением:

hQ =(,%-4a> d id, (3.26)

где hc - высота зоны сушки, м; со - скорость газа, м/с; d - размер гранул, м.

На рисунке 3.7 приведена зависимость высоты зоны сушки от скорости газа и размера комочков шихты. Видно, что при увеличении значений этих параметров толщина зоны сушки увеличивается.

Рис. 3.7 Зависимость толщины зоны сушки от скорости газа. (Цифры на кривых - диаметр комочков шихты, мм)

Основным фактором, определяющим процесс образования зоны переувлажнения, является начальная температура шихты. Поэтому агломерация предварительно подогретой шихты до «80°С позволяет предотвратить конденсацию влаги, переувлажнение шихты и разрушение комочков, а следовательно, сохранить структуру слоя с начальной газо­проницаемостью.

Более высокое газодинамическое сопротивление переувлажненной шихты по сравнению с исходной обусловлено тремя факторами: уменьшением межкусковой порозности слоя за счет заполнения каналов сконденсированной влагой, уменьшением межкусковой порозности за счет усадки слоя и уменьшением эквивалентного диаметра комочков шихты в результате их частичного разрушения.

Решающим условием сохранения газопроницаемости исходного слоя после образования в нем зоны переувлажнения является предупреждение усадки шихты. Большое значение для осуществления этого требования имеет режим окомкования и структура окомкованной шихты. Одно и тоже количество сконденсированной влаги будет действовать на структуру слоя по разному в зависимости от исходных свойств этого слоя.

Если агломерационная шихта имеет ячеистую структуру, то конденсирующаяся влага, накапливаясь в точках контакта зерен, значительно ослабляет стягивающие капиллярные силы, что приводит к разрушению агрегата и значительному уплотнению слоя.

Если же агломерационная шихта сложена из хорошо окомкованных мелких гранул, сцепление между частичками в которых в значительной степени обусловлено молекулярными силами, то такое же количество сконденсировавшейся влаги будет разрушать слой в меньшей степени. Поэтому введение в состав шихты каких либо связующих веществ, повышающих прочность комочков шихты, должно способствовать сохранению исходной газопроницаемости спекаемого слоя агломерационной шихты.

В зоне сушки протекает ряд процессов, которые также оказывают влияние на изменение структуры слоя агломерационной шихты. Так интенсивное испарение влаги сопровождается выделением значительного количества пара. Учитывая высокую скорость повышения температуры
сушки, возможно разрушение комочков в результате повышения давления пара внутри комочков шихты. Кроме этого при удалении влаги из гранул шихты исчезают капиллярные и молекулярные силы, связывающие частицы шихтовых материалов, в результате чего прочность гранул снижается. Это приводит к снижению газопроницаемости слоя шихты.

Кроме капиллярных и молекулярных сил, возникающих при увлаж­нении шихты, появляются соединения, обладающие вяжущими свойствами. Это коллоидные частицы на поверхности окисленных руд и раствор извести «известковое молоко». В процессе сушки шихты эти вещества выпадают из раствора. Они осаждаются на поверхности комочков и в местах контакта образовывают своеобразную армирующую сетку, которая сообщает комочкам прочность необходимую для противостояния разрушающим нагрузкам.

В зоне интенсивного нагрева изменение газопроницаемости связано с выгоранием твердого топлива, увеличением порозности слоя, увеличением объема газа за счет повышения температуры и частичного плавления шихты.

Рис. 3.8 Влияние содержания топлива в агломерационной шихте на
газодинамическое сопротивление пирога агломерата (а) и его усадку (б).
1 - усадка шихты в результате образования зоны переувлажнения;

2 - усадка пирога агломерата за счет плавления

Структура зоны Формирования агломерата определяется характером протекающих в ней физико-химических процессов. Агломерационная шихта, как дисперсная система с развитой удельной поверхностью и высокой поверхностной энергией обладает термодинамической склонностью уменьшать величину этой поверхности за счет агрегирования частиц шихты в результате их спекания.

Кусочки топлива, а также известняка в объеме слоя шихты располагаются точечно. Поэтому процессы плавления в зоне формирования агломерата локализованы в небольших объемах слоя, чередующихся с участками нерасплавленной шихты. Эта твердая часть шихты является поддерживающей насадкой, которая препятствует усадке слоя шихтовых материалов и его уплотнению.

Таким образом, в процессе агломерации общая порозность слоя уменьшается сравнительно мало. Но при этом происходит уплотнение материала в отдельных объемах.

Рис. 3.9 Влияние крупности топлива в агломерационной шихте на газодинамические свойства пирога агломерата. Числа на кривых обозначают фракции коксовой мелочи, мм (а) и скорость движения воздуха в слое, м/с (б)

Конечным результатом такого слоистого характера процесса является увеличение эквивалентного диаметра каналов слоя в зоне формирования агломерата и улучшение его газодинамической структуры. Для примера приведено влияние расхода топлива и крупности его кусочков на газодинамическую структуру слоя в зоне формирования агломерата (рис 3.8 и 3.9). Из рисунков видно, что минимальной потери напора в слое

167

соответствует определенный расход твердого топлива в шихту, его крупность и скорость фильтрации газового потока.

Структура слоя агломерата определяется характером процессов, протекающих в зоне формирования агломерата. В результате перестройки, происходящей в зоне формирования агломерата, газодинамическая структура агломерата значительно отличается от структуры исходной шихты. Слой агломерата можно считать однородным. Однако неоднородность исходной шихты и различные температурно-тепловые условия процесса по высоте слоя является причиной в различии газодинамической структуры по высоте слоя агломерата (рис. 3.10). Из рисунка видно, что потери напора в зоне готового агломерата зависят от крупности твердого топлива и скорости фильтрации воздуха.

Рис. 3.10 Распределение вакуума по высоте пирога охлажденного агломерата при крупности топлива 0-3 мм (а) и 0-0,4 мм (б). Числа на кривых означает скорость движения воздуха в слое (м/с)

Относительные сопротивления отдельных зон наиболее целесообразно оценивать следующим образом. Используя результаты измерений температур и вакуума на отдельных горизонтах, совмещенных во времени, строятся изотермы и изобары по ходу процесса спекания (рис. 3.11 а и б). С их помощью может быть получено распределение температур и вакуума по высоте слоя в любой момент времени (рис. 3.11 в). Градиент давлений, характеризующий удельное сопротивление, соответствующих горизонтов для наглядности представлен кривой III (рис. 3.11).

На рисунках 3.12-3.14 приведены данные, характеризующие удельное газодинамическое сопротивление отдельных зон. Из этих данных следует, что в различных условиях максимальным удельным сопротивлением могут обладать все зоны за исключением зоны агломерата.

Рис. 3.11 Газодинамические и температурные характеристики процесса «спекания» магнезита (по В. И. Коротичу и В. П. Пузанову):

а - изменение температуры и вакуума на отдельных горизонтах и скорость просасывания воздуха в ходе опыта; цифры на кривых обозначают номера горизонтов сверху вниз; пунктирной линией показано изменение скорости просасываемого воздуха в процессе спекания; б - температурное поле и поле давления; в - изменение температуры (1), вакуума (II) и градиента давлений (III) по высоте слоя на 5-й минуте опыта

Рис. 3.12 Изменение температур (сплошные линии) и градиента давлений (пунктирные линии) по высоте слоя (по данным В. Я. Миллера): а, б - магнетитовый концентрат тонкий; в - то же, крупный; г - бакальский чернотал

Газодинамическое сопротивление каждой зоны прямо пропор­ционально его высоте. Если принять, что высота и удельное сопротивление зон сушки, интенсивного нагрева и плавления остаются постоянными по ходу спекания, то есть происходит только перемещение их по высоте, суммарное газодинамическое сопротивление слоя будет зависеть от относительного изменения высоты зоны переувлажнения и зоны агломерата.

В первый период спекания, когда слой представлен в основном зоной переувлажнения общее сопротивление слоя будет определятся сопро­тивлением этой зоны. По ходу процесса будет возрастать относительное влияние зон интенсивного нагрева и плавления и в конце спекания определяющей зоной становится охлаждающийся агломерат.

В связи с этим для более точного анализа газодинамики процесса агломерации всю продолжительность спекания необходимо разбить на три периода: начальный, основной и заключительный.

Характерной особенностью начального периода продолжительностью тн является неустановившийся тепловой режим различных процессов в связи
с возникновением и формированием основных зон агломерируемого слоя, главным образом процессов испарения и конденсации влаги.

В начальный момент спекания в слой влажной шихты поступает горновой газ с температурой 1200-1250°С, по мере испарения влаги из самых верхних горизонтов слоя зона сушки перемешается вниз. На поверхности слоя образуется зона интенсивного нагрева. Температура газа на входе в зону сушки непрерывно падает, так с увеличением толщины зоны интенсивного нагрева все большая часть теплоты будет идти на нагрев материалов в этой зоне. В соответствии с закономерностями процесса испарения влаги при просасывании газа через слой пористого влажного материала по мере уменьшения начальной температуры газа (на входе в зону сушки) падает равновесная температура испарения. Это продолжается до тех пор, пока в спекаемом слое не будет сформированы основные зоны (плавления, интенсивного нагрева) и процесс теплообмена в этих зонах и зоне сушки стабилизируется. Признаком окончания начального периода спекания служит прекращение падения температуры газа, отсасываемого из слоя. При изменении температуры газа на входе в зону сушки от 1300°С до 250°С равновесная температура испарения падает от 82°С до 60°С (рис. 3.14).

Неустановившийся характер процессов испарения влаги в зоне сушки неизбежно создает переменные условия конденсации влаги на отдельных горизонтах слоя. В первые мгновения процесса агломерации выходящий из зоны сушки газ с температурой около 80°С образует в непосредственно прилегающих слоях шихты зону переувлажнения с этой температурой. Однако с течением времени происходит не только перемещение зоны конденсации по высоте (увеличение размеров зоны переувлажнения), но и непрерывное снижение в ней температуры в соответствии с изменением равновесной температуры испарения. Это наглядно видно на рисунке 3.15.

Рис. 3.14 Связь между температурой газа на входе и выходе из зоны сушки

На рисунке 3.16 приведены экспериментальные данные, которые фиксируют момент образования зоны переувлажнения на каждом горизонте (подъем температуры на соответствующем горизонте) совпадает по времени с моментом резкого увеличения газодинамического сопротивления данного участка.

Увеличение толщины зоны переувлажнения сопровождается непре­рывным снижением количества засасываемого в слой воздуха.

Так как большей температуре tK (или разнице tK - tH) соответствует более высокое количество сконденсированной влаги, то количество конденсирующейся влаги по высоте слоя агломерационной шихты оказывается неодинаковым, уменьшаясь по мере перемещения зоны конденсации вниз (рис. 3.17).

Рис. 3.17 Количество конденсирующейся влаги по высоте слоя шихты (по В. И. Коротичу): а - при исходной температуре шихты t„=20°C; б - при t„=60°C

3.5 Особенности газодинамики процесса агломерации при повышении

высоты слоя

Необходимо отметить перспективную технологию агломерации под давлением. Анализ газодинамики этого процесса выполнен профессором С. Н. Петрушовым. В этом случае лента с зажигательным горном и питателями шихты заключена в герметичный кожух, в который с помощью воздуходувной машины нагнетается воздух. Загрузка шихты и выгрузка готового агломерата осуществляется непрерывно через систему шлюзовых каналов и промежуточных бункеров.

Обычно при вакуумном спекании перепад давления в слое не превышает 9,8-11,8 кПа. При давлении над слоем до 98 кПа давление под слоем составляет 9,8-19,8 кПа (перепад давления 88,2-78,2 кПа), то есть газы через пылеуловитель в дымовую трубу отходят без эксгаустера. Много­кратное увеличение перепада давления в слое позволяет резко увеличить объем воздуха, продуваемого через 1 м2 поверхности спекания за 1 минуту, вертикальную скорость спекания и производительность агломерационной машины. При спекании с давлением под слоем 98-490 кПа произ­водительность установки увеличивается соответственно в 2-10 раз. Становится возможным спекание шихты в слоях высотой до 1500 мм, что позволяет значительно улучшить качество агломерата и снизить расход коксовой мелочи.

В то же время при значительном увеличении высоты слоя до 0,8-1,3 м изменяется структура исходного слоя при укладке на колосниковую решетку и длительном пребывании материалов в зоне переувлажнения могут быть значительными и существенно влиять на ход процесса спекания и газо­динамику отдельных зон спекаемого слоя шихты. Уже отмечались более высокое газодинамическое сопротивление переувлажненной шихты по сравнению с исходной. Изменением потерь напора в зоне переувлажнения происходит в основном за счет разрушения исходной структуры агло­мерационной шихты под действием конденсирующейся влаги и последующей усадки слоя с переуплотнением.

Анализ зависимости коэффициентов газодинамического сопротивления ki и кг при изменении эквивалентного диаметра гранул от 5 до 10 мм и постоянной порозности в пределах 0,1-0,4 показывает, что при постоянной порозности коэффициенты ki и к2 изменяются в 25 и 5 раз соответственно, а уменьшение порозности от 0,4 до 0,1 увеличивает значение коэффициенты kj - в 144 раза и к2 - в 321,4 раза.

Для определения газодинамических характеристик слоя использованы результаты непосредственных измерений структуры слоя, перепада давления и скорости фильтрации газа в слоях из шихт различного состава и высоты. Повышение содержания концентрата в шихте до 20-60% приводит к резкому снижению прочности гранул шихты и предельной высоты спекаемого слоя 0,25-0,28 м. В то же время грубозернистые шихты, содержащие до 20% концентрата в железорудной смеси, можно спекать в слое 1 м и более. Полученные экспериментальные данные позволили к «низким» слоям до 0,25 м отнести шихты с содержанием концентрата более 60%, а высоту более 0,28 м - повышенными, а к высоким - 0,4 м и более.

Непрерывное испарение и движение влаги по слою, непрерывная конденсация паров воды поддерживает постоянную температуру (52-58°С) и влажность шихты в зоне переувлажнения. Но способствует интенсивному разрушению гранул. При спекании шихты в повышенных слоях значение этого фактора усиливается, что приводит к непропорциональному росту усадки по высоте слоя и газодинамического сопротивления по высоте слоя.