книги из ГПНТБ / Вегман, Е. Ф. Теория и технология агломерации

ра газов равна точке росы, так как все их тепло погло­ щается сырой шихтой. Только перед концом спекания, когда под зоной горения не остается шихты, температу­ ра отходящих газов резко возрастает. Максимум на тем­ пературной кривой (точки А на рис. 107) соответствует моменту окончания горения углерода.

При агломерации следует различать скорости движе­ ния фронта горения углерода и тепловой волны, которые в общем случае не сов­ падают по величине. В случае спекания с нор­ мальным и повышен­ ным расходом топлива, когда скорость горения углерода определяет общую скорость агло­ мерации, фронт горе­ ния топлива отстает от фронта тепловой вол­ ны. Из-за нехватки кислорода на этом ре­ жиме спекания многие

частицы топлива, уже нагретые до температуры воспла­ менения, не горят. При спекании с низким расходом топ­ лива избыток кислорода велик и кислородное голодание в слое сводится к минимуму. В этих условиях интенсив­ но горят все без исключения частицы топлива, нагретые до температуры воспламенения. Таким образом, общая скорость агломерации зависит на этом режиме от ско­ рости движения тепловой волны [190, 191], которая мо­ жет быть вычислена [175] по следующей формуле:

205

ратов, карбонатов и т. п.) и с учетом выде­ ления тепла по экзотермическим реакциям (реакции между твердыми фазами и т. д.), ккал/(м3-град);

w0— скорость фильтрации газов в спекаемом слое, м/мин.

Из формулы видно, что скорость перемещения тепло­ вой волны обратно пропорциональна кажущейся тепло­ емкости шихты и прямо пропорциональна теплоемкости газа. Более крупная шихта и материалы с пониженной те­ плопроводностью относительно медленнее отбирают теп­ ло у газового потока, что сохраняет больше тепла в газо­ вой фазе и способствует, таким образом, ускорению дви­ жения тепловой волны. Повышенное содержание СО2 и Н2О в газовой фазе увеличивает теплоемкость газа и ус­

коряет движение тепловой волны. Увеличение количест­ ва просасываемых газов при постоянной пористости

тепловой волны. Если скорость движения фронта горения превышает возможности теплопередачи под зоной горе­ ния, то, как это бывает при обогащении воздуха, всасы­ ваемого в слой, кислородом, в зону горения может попа­ дать сырая шихта, что резко снижает температуру в ней. Интересный вариант работы в таких условиях предло­ жен Г. А. Фатеевым, И. Т. Эльпериным (авторское сви­

слоя азотом. Во время такой продувки горении углерода прекращается и тепловая волна уходит вперед за счет переноса тепла азотом, после чего возобновляется просасывание воздуха.

Особенности движения фронта горения твердого топ­ лива были рассмотрены нами выше. Отметим здесь лишь, что нагрев частиц топлива осуществляется в слое

охлаждая одновременно готовый продукт. Явление реге­ нерации тепла при агломерации было изучено и нашло

206

себе объяснение впервые в работах Г. Вендеборна

[192— 194].

сываемому в спекаемый слой.

Лижние слои пирога агломерата участвуют в теплопере­ даче всего несколько минут перед окончанием спекания.

агломерата, которые к концу спекания сильно охлажда­ ются. На рис. 103 эта зависимость находит свое отраже­ ние в различном темпе прироста регенерированного теп­ ла по мере движения зоны горения к колосниковой ре­ шетке. Доля регенерированного тепла в общем приходе тепла в зоне горения быстро увеличивается лишь на пер­ вых 180—220 мм перемещения зоны. В дальнейшем темп роста замедляется и количество тепла, поступающего с воздухом сверху в зону горения, стабилизируется на приблизительно постоянном весьма высоком уровне. На­

207

именее обеспечен регенерированным теплом слой аг­ ломерата высотой около 200 мм, считая от верха спекае­ мого слоя. Все последующие слои характеризуются по­ вышенным приходом тепла. Таким образом, с точки зре­ ния экономичности спекания и экономии твердого топли­ ва, выгодно спекать шихту по возможности высоким слоем, что обеспечит и высокое качество продукта.

По мнению А. А. Сигова, в понятие «регенерирован­ ное тепло» следует, помимо теплоты подогретого агломе­ ратом воздуха, включать также теплоту подогретой от­ ходящими газами шихты, поступающей в зону горения снизу. Такой метод расчетов [17] представляется логич­ ным и в большей мере соответствует физической сущно­ сти происходящих процессов. Использование этого мето­ да дает, конечно, более высокие значения для количест­ ва регенерированного тепла, в сравнении с традицион­ ным методом расчета.

Г. Вендеборн [192] ввел термин «интенсивность про­ цесса спекания»,.определив его как отношение общего расхода тепла на нагрев материалов к количеству тепла, выделяющегося при сгорании углерода в СОг и СО и в ходе экзотермических реакций, за вычетом тепла на дис­ социацию окислов и испарение воды. Величина этого по­ казателя близка к 1,9—2,1.

Теплообмен в верхней ступени (выше зоны горения твердого топлива) к концу процесса остается незавер­ шенным. Другими словами, воздух успевает достаточно полно охладить агломерат лишь в верхних и средних го­

составляет 524° С, что соответствует энтальпии пирога в 12700— 13200 ккал/кг. Средняя температура готового пи­ рога офлюсованного агломерата и его энтальпия всегда несколько ниже, так как процесс спекания идет хо­ лоднее.

В проектных расчетах рекомендуется принимать эн­ тальпию пирога офлюсованного агломерата в пределах от 8000 до 12000 ккал/100кг. Меньшие значения соответст­ вуют условиям спекания магнетитовых руд и концентра­ тов, большие значения — условиям спекания бурого же­ лезняка, сидерита. Что касается возврата, то его тем­ пература обычно несколько ниже средней температуры пирога, так как значительная часть массы возврата

208

формируется из верхних, наиболее слабых по прочности, слоев агломерационного пирога. Например, в Англии при расчете охладителей агломерата с необходимым коэффициентом запаса температура годного агломерата перед аппаратом принимается равной 750 °С [197].

Эффективная теплопередача в верхней и нижней сту­ пенях теплообмена, а также собственно в зоне горения твердого топлива, обеспечивает достижение высоких коэффициентов полезного действия тепла при агломера­ ции (до 75—85%). Коэффициент использования углеро­ да при агломерации (отношение количества тепла реаль­ но выделенного углеродом при горении в СО и СОг к теплу, которое могло бы быть выделено при полном сго­ рании в СОг) составляет обычно 80—86%.

Температурный уровень агломерации зависит от раз­ личных факторов, влияние многих из которых было рас­ смотрено выше. К понижению температуры в зоне горе­ ния твердого топлива приводит офлюсование шихты (см. рис. 47), попадание в зону горения гидратов и кар­ бонатов, увеличение скорости фильтрации воздуха через спекаемый слой. Обрат­ ный эффект дает повыше­ ние расхода твердого топ­ лива на спекание (табл.

25).

Температура в зоне горения твердого топлива сильно зависит и от поло­ жения зоны в спекаемом слое. Так как в началь­ ный период спекания от­ сутствует или слабо раз­ вита регенерация тепла, температура в зоне горе­ ния твердого топлива не превышает 1000—1100° С.

При дальнейшем движе­ нии зоны горения к ко­ лосниковой решетке реге­

нерация тепла усиливается и температуры в зоне горения постепенно возрастают (рис. 104).

На рис. 105 показано изменение максимальных тем­ ператур в зоне горения по мере ее перемещения сверху вниз к колосниковой решетке (линия АВС). Из-за от-

сутствия или слабого развития регенерации тепла в на­ чальный период спекания температуры в зоне горения

Рис. 104. Температуры различных слоев шихты на аглоленте с площадью спекания 50 м2. Глубина слоев от поверхности шихты:

210

массы шихты оказываются в этих условиях заторможен­ ным. Готовый агломерат из этих зон, содержащий мало связки и много включений шихтных минералов, харак­ теризуется пониженной прочностью. Значительная часть верхней зоны пирога после первичного дробления и гро­ хочения агломерата переходит в возврат. Обратная кар­ тина наблюдается в нижней части спекаемого слоя, где существует значительный избыток тепла и где темпера­ туры намного превышают оптимальный уровень (АBDC). Это приводит к излишнему переоплавлению агломерата, перерасходу топлива, снижению восстановимости про­ дукта. Доказано, что перегретый до высоких температур двукальциевый силикат особенно склонен к полиморф­ ному превращению, что резко ухудшает качество агло­ мерата, несмотря на обилие связки.

Таким образом, традиционная технология спекания не в состоянии обеспечить оптимальный режим агломе­ рации по всей высоте агломерируемого слоя. Эта зада­ ча может быть решена при применении технологии двух­ слойного спекания и дополнительного обогрева спекае­ мого слоя.

ДВУХСЛОЙНОЕ И МНОГОСЛОЙНОЕ СПЕКАНИЕ

Метод многослойного спекания изобретен шведским инженером X. Г. Торульфом в 1911 г. (немецкий патент, кл. 18а 1/08, № 384372, 2 июня 1911 г.), которому был, вероятно, известен характерный вид кривой распределе­ ния максимальных температур по высоте спекаемого слоя. Учитывая ее особенности, X. Г. Торульф предло­ жил загружать в аглочашу три слоя шихты, отличающи­ еся друг от друга содержанием твердого топлива. При переходе от обычной однослойной агломерации шихты, содержащей 6% коксовой мелочи на трехслойное спека­ ние, в самый верхний слой шихты толщиной 50 мм реко­ мендуется добавить 7% коксовой мелочи вместо 6%, что позволит, хотя бы отчасти, компенсировать нехватку тепла в верхних зонах. Затем содержание коксовой мело­ чи снижается против обычных 6% сначала до 5% (на высоте в 150 мм), а затем и до 1,5% (на высоте 100 мм), чем снижается температурный уровень процес­ са в середине и нижней части спекаемого слоя и эконо­ мится большое количество топлива (в примере, взятом из патента, экономия коксовой мелочи достигает 33%).

С современных позиций верна только идея этого изобре­ тения; распределение углерода по высоте не представ­ ляется удачным. Слишком велико различие между со­ держаниями коксовой мелочи в среднем и нижнем слоях шихты (3,5%). Это и обусловливает преувеличенную экономию коксовой мелочи на спекание.

В послевоенный период технология двухслойного спекания получила распространение на многих агло­ фабриках мира. Несмотря на разнообразие сырьевых условий, конструкций аглолент и чаш, в большинстве случаев экономия топлива при применении методики двухслойного спекания обычно близка к 10— 15%. Уменьшение содержания углерода в нижней части спе­ каемого слоя позволяет несколько увеличить производи­ тельность установок.

При спекании Коршуновского концентрата оптималь­ ные содержания углерода в верхнем и нижнем слоях шихты составляют соответственно 3,8 и 3,2% [198]. Аб­ солютная разница составляет 0,6%, относительная 16%. Экономия коксовой мелочи близка к 8%.

Агломерация руд КМА по технологии двухслойного спекания [199] позволяет снизить расход топлива в нижнем слое на 1,2% С, получая экономию в 10% топ­ лива.

Г. Вендеборн [200] сообщает о результатах двух­ слойного спекания смеси руд з ФРГ. Экономия коксо­ вой мелочи при небольшом выигрыше в производитель­ ности составила 15%• На одном из заводов Японии эко­ номия от двухслойного спекания составила 10% [201], прирост производительности был равен 2%.

В последние годы предложены несколько новых раз­

К. Майер предусматривают подачу в нижний слой отно­ сительно большего количества трудноспекающихся руд. Способ Ефименко Г. Г., Каракаша А. Н., Ковалева Д. А., Ефимова С. П. и Васильева Г. С. (авторское свидетель­ ство СССР, кл. 18, 1/20, № 242195, 22 августа 1967 г.) позволяет спекать в верхнем слое неофлюсованный или слабоофлюсованный агломерат, а в нижнем слое — железофлюс. Смесь этих прочных агломератов загружа­ ется затем в доменную печь. Гранулометрический состав смеси лучше, чем у агломерата с основностью 1,2— 1,4. Возможна также подача различных количеств воды

212

(больше в верхний слой) к возврата (больше в нижний слой) в верхний и нижний слои. Увеличенное количест­ во возврата в нижнем слое шихты придает слою боль­ шую устойчивость и повышенную газопроницемость при переувлажнении, (авторское свидетельство СССР, кл. 18а, 1/10, № 265134, 15 января 1968 г.). Было предло­ жено также давать в нижний слой шихты больше твер­ дого топлива крупностью —0,5 мм (авторское свидетель­ ство СССР, кл. С21в, 1/10,№290039, 28 октября 1969 г.).

Разница в содержании углерода по слоям аглоших­ ты подбирается опытным путем. В ходе экспериментов понижают содержание топлива в нижнем слое до тех пор, пока прочность агломерата в этой зоне остается удовлетворительной. Разница содержаний углерода в верхнем и нижнем слоях шихты может быть также вы­ числена путем предварительных расчетов, основанных на предлагаемой методике составления зональных ба­ лансов.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ОБОГРЕВ СПЕКАЕМОГО СЛОЯ

Изобретателем метода дополнительного обогрева яв­ ляется В. Шумахер (германский патент, кл. 18а, 1/10, № 303799, 4 ноября 1916 г.), предложивший продув или просос горячего воздуха через спекаемый слой с целью повышения температуры в зоне горения твердого топли­ ва. Горячий воздух компенсирует нехватку регенериро­ ванного тепла в верхних слоях шихты, улучшая качество агломерата.

Современный взгляд на возможности дополнитель­ ного обогрева значительно шире, так как одновременно с проблемой повышения качества верхней части пирога решается и задача частичной замены твердого топлива газовым (технология спекания на комбинированном топ­ ливе) .

Дополнительный обогрев спекаемого слоя позволяет прежде всего увеличить приход тепла в зону горения и повысить температуру в ней. Это устраняет остатки ших­ ты из структуры агломерата, увеличивает количество ра­ сплава в зоне горения и связки в готовом агломерате, повышая выход годного и прочность продукта. Повыше­ ние температуры в зоне горения снижает вязкость рас­ плава, а следовательно и, склонность расплава к засты­

213