книги из ГПНТБ / Кудрявцев, В. С. Металлизованные окатыши

способностью этого угля способствует ускорению восста­ новительных процессов и понижению его избытка, необ­ ходимого для защиты окатышей от окисления.

Замена в рудо-угольных окатышах кокса буроуголь­ ным полукоксом существенно повышает степень метал­ лизации окатышей (рис. 63) (время пребывания шихты в

до 21% увеличивает производительность трубчатой печи в 2,5 раза и уменьшает расход тепла в 2 раза при практи­ чески постоянном теплонапряженпи (рис. 64), соответ­ ственно этому температура отходящих газов снижается с 600—700 до 300—350°С.

Для обеспечения защиты от вторичного окисления и компенсации тепловых потерь при металлизации рудо­ угольных окатышей содержание углерода в них должно превышать стехиометрическое ка несколько процентов (для печи 6X1 м на 6%). Восполнение недостатка буро­ угольного полукокса в окатышах сырым бурым углем, добавляемым к ним, снижает производительность печи и повышает температуру отходящих газов, что объясняет­ ся ухудшением контакта топлива-восстановителя с окис­ лами железа и увеличением объема газа. Вдувание в трубчатую печь порошкообразного буроугольного полу­

91

кокса позволяет поднять температуру газа и шихты по длине печи, снизить количество дымовых газов и стаби­ лизировать процесс восстановления.

Производительность печи и степень металлизации, связанные между собой обратно пропорциональной зави­ симостью, увеличиваются с повышением конечной темпе­ ратуры окатышей (рис. 65, 66). Повышение температуры газа в печах 6X1 и 21X3,6 м с 800 до 1050°С увеличива­ ет их производительность более, чем в 1,6 раза на каж­ дые 100°С (рис. 66). Углы наклона кривых 1—4 и их от­ носительное расположение определяются свойствами и подготовленностью шихты. Наибольшая удельная произ­ водительность печи 21X3,6 м была достигнута на предва­ рительно нагретых рудных окатышах (кривая 1). На хо­ лодных рудных окатышах (кривая 2) производитель­ ность снизилась и рост ее с повышением температуры за­ медлился. Близко к кривой 1 располагается кривая 3 ру­ до-угольных окатышей из богатого (71% Fe) концентра­ та. Эти окатыши были металлизованы в печи 6X1 м. Замена в рудо-угольных окатышах богатого магнетитового концентрата относительно бедной гематитовой ру­ дой (54% Fe) существенно понизила производительность печи (кривая 4).

железу, т/сут

92

Удельная производительность растет пропорцнонально тепловому .напряжению до определенного максимума, причем ее величина и темп роста зависят от размера пе­ чи, состава и типа шихты, способа подачи воздуха и дру­ гих технологических факторов (рис. 67).

Расчеты показывают, что примерно половина общего количества тепла, воспринятого шихтой, передается луче­ испусканием при несущественной роли конвекции (не­ сколько процентов). По мнению авторов, другая полови-

лем. Разогреваясь наповерхности пересыпающегося слоя за счет окисления кислородом дутья, уголь перехо­ дит внутрь шихты и там отдает тепло. Это предположение вытекает из следующих наблюдений: температура шихты практически равна температуре газа, фиксируемой тер­ мопарой над слоем. Переход на отопление трубчатой печи полностью за счет факела приводит к снижению производительности и увеличению расхода тепла почти

серы, а нагрев до 1500°С — к ее полному разложению [38]. Извлеченная из разгрузочной части трубчатой печи зола имеет различное содержание серы (от 1,4 до 0,4%), но значительно меньшее, чем при окислении угля при 850°С, что указывает на ее перегрев, значительно превы­

93

шающий наблюдаемую по термопарам температуру газа в печи. Это косвенно подтверждает существование на­ грева шихты горящим углем за счет непосредственного контакта.

Удельная производительность печи определяется ко­ личеством тепла, переданного единице поверхности пере­ сыпающегося слоя, в единицу времени. В камерных ко­ тельных топках с сухим шлакоудалением и в нагрева­ тельных печах величина объемного теплового напряже­ ния равна 836 тыс. кДж /(м3-ч) [78]. Пересчет этой по­ стоянной величины на 1 м2 поверхности пересыпающего­ ся слоя дает переменные значения тепловых напряжений для трубчатых печей различного диаметра:

В печи с внутренним диаметром 0,75 м при работе на рудо-угольных окатышах максимальное тепловое напря­ жение было выше, чем в камерной топке такого же раз­ мера, и достигало 1172 тыс. кДж/ (м2-ч).

В печах 110X4,6 и 21X3,6 м на кусковой руде и безуглеродистых окатышах они достигали 1381 тыс. кДж /(м2-ч). Превышение этих величин приводит к пере­ греву шихты и образованию прочных настылей. Следо­ вательно, производительность крупных трубчатых печей (диаметром 3 м и больше) определяется не возможно­ стью объемного тепловыделения, а интенсивностью по­ глощения тепла слоем.

Исходя из геометрических соотношений объема ци­ линдра и площади секущей поверхности, параллельной его оси, нетрудно установить, что объемный показатель производительности печи с ростом ее диаметра изменя­ ется в большей мере, чем поверхностный.

В связи с этим промышленная печь, спроектирован­ ная по объемному показателю, определенному в опытах на лабораторной печи, будет иметь производительность, сильно заниженную против расчетной. Применение по­ верхностного показателя позволяет избежать такой ошибки. Фактическая производительность -промышлен­ ной печи будет несколько выше расчетной, так как этот показатель повышается при увеличении размеров печи

(рис. 68).

94

Для цементных печей подобные соображения выска­ заны Г. Гиги [79]. В работе [14] предлагается пользо­ ваться двумя показателями. Поверхностным показателем для зоны нагрева и объемным (по отношению к шихте) для зоны .восстановления, однако для расчета произво­ дительности печи и в этом случае нужно знать теплопоглощение поверхности слоя обеих зон. В связи с из­ ложенным, авторами применяются поверхностные пока­ затели теплообмена и производительности.

Площадь поверхности пересыпающегося слоя зависит

ему размер хорды — линии пересечения плоскостей по­ верхности шихты и вертикального сечения печи. Для коэффициента заполнения 12% эта хорда равна 0,7 Da. Произведение хорды и длины печи дает площадь по­ верхности пересыпающегося слоя.

Анализ поглощения тепла по длине іпечи, работаю­ щей на холодных материалах, показал, что потребление тепла шихтой на восстановление окислов железа начи­ нается примерно с половины печи и на расстоянии чет­

95

верти ее длины от разгрузочного конца имеет максимум, достигающий величины 924 М Дж /(м2-ч), одинаковой для печей 21X3,6 и 110X4,6 м (рис. 69). Увеличение производительности, по-видимому, можно достичь путем расширения участка интенсивной теплопередачи за счет ■подачи в трубчатую печь шихтовых материалов, нагретых до температуры реакции и подвода требуемого количе­ ства тепла в загрузочную часть печи.

Т а б л и ц а 14

РАСХОД ТЕПЛА, УДЕЛЬНАЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И КОЛИЧЕСТВО

ОБРАЗУЮЩИХСЯ ГАЗОВ НА 1 Т МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЖЕЛЕЗА ПРИ РАБОТЕ ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ

96

Расчеты показывают (табл. 14), что тепла от сжига­ ния выделяющейся в процессе «металлизации окиси угле­ рода достаточно для восстановления окислов железа и для нагрева железа, пустой породы и отходящих газов до 1000°С. Следовательно, управление тепловым режи­ мом печи можно производить путем регулирования по­ дачи .воздуха по ее длине. Однако даже в случае опти­ мального подвода тепла поддержание постоянного мак­ симального уровня теплопередачи по ее длине, по-види­ мому, будет невозможно без изменения времени пребы­ вания шихты в печи, так как с повышением степени металлизации окатышей снижается скорость восстанов­ ления, а следовательно, и интенсивность теплопотребления слоем.

Зависимость скорости металлизации от ее степени (см. рис. 50) определяет теплопотребление по длине трубчатой печи и показывает, что средний коэффициент теплопотребления составляет при работе на шихте, наг­ ретой до 1000°С (рис. 69, кривая 3), околев 70% от мак­ симального, что примерно в два раза больше, чем при восстановлении холодной шихты. Это подтверждается исследованиями авторов, которые показали, что нагрев только окатышей до 800°С повысил производительность печи примерно в 1,5 раза.

Производительность трубчатой печи может быть уве­ личена предварительной металлизацией рудо-угольной шихты (например, в конвейерной печи). Однако скорость восстановления такой шихты в несколько раз ниже ско­ рости восстановления окисленных окатышей, что пока­ зано как лабораторными [24], так и полупромышленны­ ми исследованиями. Чтобы сохранить количество тепла, передаваемого единице площади пересыпающегося слоя, на уровне, достигнутом при восстановлении горячих окисленных окатышей, т. е. чтобы сохранить производи­ тельность печи по восстановленному в ней железу при довосстановлении окатышей, металлизованных в кон­ вейерной печи, движение шихты по длине печи должно быть более медленным, а перемешивание шихты более интенсивным, чем в предыдущем случае. Этого можно

удельная производительность трубчатой печи в зависи­ мости от степени подготовки шихты (табл. 14), которая

97

менение таких окатышей позволило бы увеличить произ-

Рис. 70. Влияние удельной производительности трубчатой печи (по восстановленному железу) на удельный расход тепла:

т. е. примерно в 5 раз, однако расчетного увеличения производительности достигнуто не было из-за низкого коэффициента заполнения (10%) опытной печи.

С повышением удельной производительности расход тепла снижается (рис. 70), причем для восстановителей

98

■с большим и малым содержанием летучих точки Для разных печен удовлетворительно укладываются на две

летворительно укладываются на одну кривую, по кото­ рой при производительности больше 1 т/(м2-сут) расход тепла-составляет 17—21 млн. кДж/т Fe. При прямоточ­ ном теплообмене затраты тепла при прочих равных ус­ ловиях несколько выше по сравнению с противотокам в овязй с увеличением потерь тепла с отходящими газами.

.Как видно из табл. 14, при идеальном использовании

10 млн. кДж/т восстановленного железа, а к. п. д. был бы равен 70—80%• На практике расход тепла в лучших

по-видимому, связано с неудовлетворительной организацией сжигания реакционных газов и с необходимостью поддерживать избыток восстановителя для защиты ока­ тышей от окисления кислородом дутья в разгрузочном конце печи [34].

99

Следовательно, расчетная потребность тепла указы­ вает на существенные резервы снижения его расхода и повышения производительности трубчатой печи. Для проектирования в настоящее время можно принимать тепловой к. п. д. трубчатой печи равным 50% [80].

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ПЕЧИ

Расчетам .вращающихся печей, применяемых в це­ ментной промышленности и .в цветной металлургии, пос­ вящен целый ряд работ [70, 81, 82]. Расчеты Я. Маха [83] относятся « кричным печам. Н. Бернштейн [84] предлагает следующую формулу для определения про­ изводительности трубчатых печей, применяемых для восстановления железных руд:

где D и L — диаметр и длина печи, футы; К — коэффи­ циент, который имеет следующие значения:

нения (38) является отсутствие явно выраженной связи между производительностью печи и скоростью газа на выходе из нее. Максимальное значение скорости газа

•колеблется от 0,8 до 1,4 м/с, что при металлизации кус­ ковой руды соответствует уносу железа с пылью 0,5— 0,8% [34].

Количество газа, образующегося от сжигания реак­ ционной окиси углерода и дополнительного топлива, об­ щий расход тепла и удельная производительность печи определяются степенью восстановления исходных и гото­ вых окатышей, температурой предварительного нагрева шихты и теплопотреблением слоя. Средняя величина пос­ леднего (по длине печи), рассчитанная по эксперимен­ тальным данным, изменяется от 586 до 293 тыс. кДж/ /(м 2-ч) в зависимости от степени металлизации окатышей и нагрева шихты, т. е., как уже было отмечено, составля­ ет 70—35% от известной из практики максимальной ве­ личины.

100