Новые процессы получения металла (металлургия железа)

агрегатах (конвейерная машина, вращающаяся печь) возни­ кают условия, позволяющие в значительной степени снизить содержание серы в металлизованном продукте. К ним следует прежде всего отнести более высокие температуры процесса, возможность создания в отдельных зонах окислительной атмосферы, а также использование флюса для поглощения се­ ры.

В этих агрегатах, как правило, применяется твердый восстановитель, который является основным поставщиком се­ ры. В различных твердых топливах содержится 0,5—2,0 % S. При металлизации рудоугольных окатышей удаление серы сос­ тавляет 10—60%. Удаление серы при высоком и низком ее содержании в рудоугольных окатышах происходит неодинако­ во. Так, с повышением температуры восстановительного иижига степень удаления серы из высокосернистых окатышей снижается, а из низкосернистых возрастает. Из высокосер­ нистых (0,6 % S) рудоугольных окатышей по сравнению с низкосернистыми (0,12 % S) удаляется меньшее относитель­ ное и большее абсолютное количество серы. Эю объясняют

Рост размера окатыша в любом случае приводит к замед­ лению газификации серы и снижению конечной степени ее удаления.

§ 8. ОСОБЕННОСТИ ГАЗОДИНАМИКИ ПРИ МЕТАЛЛИЗАЦИИ

Большое значение для эффективного хода процесса вос­ становления в агрегатах шахтного типа имеют показатели движения газового потока сквозь слой шихтовых материалов, так как технико-экономические характеристики восстановле­ ния во многом зависят от скорости и полноты протекания химических реакций, а также теплообмена. Равномерное омывание кусков шихты газом-восстановителем создает лучшие возможности для достижения более высоких показателей.

Количество газа, подаваемого в шахтный агрегат, не мо­ жет бесконечно расти, так как сначала резко увеличиваются потери напора и, следовательно, совершаемая работа уплот­ нения, а затем слой шихты перестает быть стабильным и 131

превращается в кипящий. При еще более высокой скорости слой может быть частично выдут из агрегата.

Движение газа в слое кусков равного размера

При восстановлении железорудных окатышей слой шихтовых материалов состоит из шаров близкого размера. Допущение о том, что куски шихты представляют собой шары равного диа­ метра, позволяет существенно упростить математические зависимости. При небольших скоростях газа в слое между кусками шихты устанавливается ламинарное движение газа. При более высоких скоростях происходит постепенный пере­ ход в область турбулентного движения.

На основе многочисленных экспериментальных работ полу­ чена математическая формула, устанавливающая универсаль­ ную связь сопротивления газовому потоку и свойств газа и шихты для ламинарного и турбулентного режимов. Для полу­ чения этой зависимости использованы критерии сопротивле­ ния (ф) и Рейнольдса (Re):

формулы (53): в него введены величины Ф и (1—е), так как

ф = 160Re-1 + З Д е ^ , 132

тально или по формуле (204). Принимаем е =*0,37; коэффи­

Максимальным расходом газа для шахтной печи будет тот, при котором движение шихты вниз прекратится и она подвиснет. Это произойдет в том случае, когда растущая по квадратичному закону потеря давления газа в слое станет равной массе столба материалов, отнесенной к единице се­ чения, т.е.

стабильность и при дальнейшем небольшом повышении скорос­

Уравнение (189) позволяет также оценить влияние повы­ шения давления на количество газа, фильтрующего слой. Из входящих в уравнение (189) величин с изменением давления

при прочих равных условиях увеличить на 44% количество проходящего газа.

В приведенных формулах для потери давления особое мес­ то занимает порозность слоя. В уравнение (185) этот пока­ затель входит в третьей степени. Даже небольшие изменения порозности приводят к значительному колебанию комплекса (1—е)/е3 и отражаются на общих результатах расчета потери давления.

Величина порозности слоя, составленного из шаров рав­ ного диаметра, зависит от взаимного расположения частиц. Поскольку диаметр всех шаров одинаков, то расстояние меж­ ду центрами двух соприкасающихся шаров равно сумме их ра­ диусов, т.е. диаметру. Расположение шаров в слое колеб­ лется между двумя крайними положениями, из которых одно соответствует теснейшему расположению шаров (ромбическая

второе крайнее значение порозности, отвечающее наиболее плотной укладке шаров, равное 0,259.

Таким образом, теоретическая порозность слоя из шаров

Известно, что слои с различными размерами кусков нель­ зя характеризовать средним арифметическим диаметром кус­ ка. В многокомпонентном слое промежутки между крупными кусками могут быть заполнены более мелкими. В этом случае порозность может оказаться ниже ее значения для самой плотной укладки в условиях однокомпонентной фракции, что сильно снижает газопроницаемость слоя. Результаты замера сопротивления проходу газа выполнены Р.Ешаром и приведены в табл. 8 и на рис. 36.

Эквивалентный диаметр куска рассчитывали по формуле:

шения количества крупных кусков мелочь сначала заполняет объемы межкусковых промежутков. При этом порозность слоя

объеме межкусковых промежутков будут исчерпаны, мелкие частицы заменяют крупные куски. При этом часть объема, занятого сплошным материалом, замещается материалом более мелким, но имеющим промежутки между кусками, поэтому порозность должна снова возрастать. Если исходный материал представлен мелкими частицами и в него добавляют крупные куски, то ход рассуждений идет в обратном порядке.

Таким образом, только в первый момент добавления как более мелкого, так и более крупного материала к слою ухудшается его структура, снижается порозность и растет сопротивление газовому потоку.

Порозность слоя значительно зависит от соотношения оазмеров кусков (см. рис. 36). Уже при небольших долях мелких частиц потеря напора Lp заметно увеличивается. При содержании 10% мелких частиц, по расчету Ешара, наблю­ дается 3—S-кратное увеличение потери напора при том же количестве газа. В действительности же при загрузке в восстановительный агрегат мелкие частицы никогда не расп­ ределяются равномерно; они скапливаются в определенных участках и снижают газопроницаемость иногда в десятки раз. Другие участки, более или менее свободные от мелочи (каналы), имеют более высокую газопроницаемость. Это вы­ зывает большую неравномерность распределения газа.

Приведенные рассуждения объясняют требования по воз­ можности более полно освобождать шихту в шахтных печах от мелочи.

По Ешару, для многокомпонентного слоя выражение (186) превращается в

слоям из шаров двух размеров. На практике часто исполь­ зуют смесь кусков неправильной формы. Полагают, что при

частицы которой резко отличаются по размеру (например, доменная печь), показала, что действительная зависимость порозности слоя намного сложнее и отличается от приведен­ ной на рис. 36. Так, для кокса и агломерата увеличение размера кусков вызывает рост порозности слоя. Можно пред­ положить, что в большей мере сказывается неправильная форма кусков шихты. Эта неправильная форма присуща агло­ мерату, порозность которого в насыпном слое с увеличением размера куска растет быстрее, чем порозность кокса.

Объем межкусковых промежутков кокса (Кк, м3/т кокса)

Общие вопросы теплообмена в слое

Распределение температур в слое материалов, подвер­ гающихся восстановлению, является важнейшим фактором, определяющим развитие и скорость процессов восстановле­ ния. В свою очередь температурное поле в неподвижном или движущемся слое материалов зависит от теплообмена между газом-теплоносителем и шихтовыми материалами. Несмотря на то, что в восстановительных агрегатах можно использовать различные виды топлива (твердое, жидкое, газообразное), носителем тепла является образующийся при сжигании топли­ ва газ, а поглотителем теплатвердые или жидкие мате­ риалы. Теплоноситель подается, как правило, в выходную зону восстановительного агрегата, но тепло не может быть использовано полностью только материалами, находящимися в этой последней стадии обработки. Значительная часть тепла переносится в зоны, соответствующие протеканию начальных

явление. Нагрев твердых тел осуществляется, главным обра­ зом, конвекцией и теплопроводностью. При получении твер­ дых продуктов восстановления излучение, видимо, не играет какой-либо заметной роли. Основным типом теплопередачи от газа к материалам является конвекция. Теплопроводностью передается тепло при прогреве кусков от поверхности к центру, поэтому чем меньше размер куска шихты, тем мень­ шее значение имеет теплопроводность в процессе теплообме­ на, и наоборот.

Теплопередача в слое кусковых материалов характери­ зуется следующими тремя особенностями:

температура на поверхности кускового материала, сос­ тавляющего слой, определяется не только передачей тепла от газа к слою (внешний теплообмен), но и отводом тепла внутрь куска (внутренний теплообмен);