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

ванию в виде стекла. Количество стекла уменьшается также вследствие того, что, подавая горячий воздух в слой, снижают разность температур расплава и воздуха и уменьшают скорость охлаждения расплава. Наконец, количество стекла в агломерате уменьшается из-за раскристаллизации стекловидной связки в тонкой корке го­ тового продукта, через которую проходит нагретый воз­ дух, направляемый візону горения твердого топлива.

При проходе горячего воздуха через корку агломера­ та частично снимаются также внутренние напряжения, связанные с быстрой массовой кристаллизацией рас­ плава.

В качестве примера рассмотрим влияние дополни­ тельного обогрева спекаемого слоя для случая агломе­ рации руд курской магнитной аномалии на аглофабрике НТМЗ. При обычном спекании (под холодным воздухом по всей длине машины) около 70% силикатной связки верхней половины пирога агломерата состоит из хрупко­ го стекла. Дополнительный обогрев спекаемого слоя (температуры 950—620° С) повысил степень кристалли­ зации связки до 49%, уменьшил количество остатков шихты в структуре готового агломерата. Выход мелочи уменьшился по абсолютной величине на 3—5% [202]. Расход коксика оказалось возможным снизить с 92 до 80 кг/т агломерата (т.е. на 13%).

Температура дополнительного обогрева чрезвычайно сильно влияет на качество агломерата. Наилучшие усло­ вия для снятия напряжения в корке готового агломерата и для раскристаллизации связки создаются при 1000— 1100° С, как это было показано Е.Ф.Вегманом после большой серии опытов по определению оптимального ре­ жима термообработки [203]. На аглофабрике НТМЗ температура дополнительного обогрева спекаемого слоя была в 1966 г. повышена с 950—620° С до 1050° С при со­ хранении расхода газа на группу горелок на постоянном

в струях сжатого воздуха [204]. Степень кристаллизации связки в верхних слоях пирога при этом повысилась с 49 до 66,5%, а количество первичных шихтных составляю­ щих снизилось с 4,5 до 2,5%. Производительность машин возросла на 2%, а удельный расход коксовой мелочи до­ полнительно снизился на 3,8%. Суммарный расход тепла на спекание был сокращен с 628900 ккал/т агломерата

214

(обычное спекание) до 579500 ккал/т (низкотемператур­ ный дополнительный обогрев при 950—620° С) и до 554000 ккал/т агломерата (дополнительный обогрев при 1000— 1100°С). Таким образом, дополнительный обогрев спекаемого слоя дает наивысший эффект при температу­ ре воздуха (или продуктов горения газа, содержащих ки­ слород), близких к 1000— 1100°С. Установка горнов с меньшей рабочей температурой снижает эффективность обогрева. Ссылки на тепловой удар, который претерпева­ ет агломерат после выхода паллеты с агломератом изпод горна, нельзя считать обоснованными, так как такой удар имеет место по любому варианту дополнительного обогрева, когда холодный воздух входит в зону только что закристаллизовавшегося агломерата. Улучшение прочности продукта на НТМЗ после перехода на высо­ котемпературный график дополнительного обогрева луч­ шее доказательство в пользу этого режима обогрева. Надо также иметь в виду, что при применении высоко­ температурного дополнительного обогрева спекаемого слоя агломерат содержит меньше стекла и меньше разру­ шается под действием теплового удара.

Дополнительный обогрев спекаемого слоя может быть

дополнительный обогрев ведется воздухом. Так как улуч­ шается прочность продукта и увеличивается выход год­ ного, а также вследствие повышения вертикальной ско­ рости спекания, вызванной понижением расхода твердо­ го топлива, производительность лент растет в этом случае, несмотря на некоторое ухудшение газопроницаемо­ сти шихты из-за увеличения количества жидких масс. Показателем в этом отношении — опыт работы аглолен­ ты в Фольклингене (ФРГ), где воздух подается к голов­ ной части машины от специальных кауперов с темпера­ турой до 1000° С. При сокращении расхода твердого топ­

215

На рис. 106 показаны также способы термической об­ работки агломерата пламенем газовых горелок, установ­ ленных над хвостовой частью ленты (вариант 5), метод раздельного дополнительного обогрева и термической об­ работки двумя группами газовых горелок (вариант 6) и, наконец, дополнительный обогрев и термообработка пламенем газовых горелок по всей длине машины (вари­ ант 8). Особенности технологии термообработки агло­ мерата будут рассмотрены подробно в следующей главе. Здесь уместно лишь подчеркнуть различие между допол­ нительным обогревом спекаемого слоя и термической об­ работкой агломерата. Дополнительный обогрев—есть метод изготовления агломерата, метод воздействия на свойстве расплава, на скорость его кристаллизации, на формирование кристаллической структуры агломерата из жидкой фазы. Термообработка является способом улучшения свойств готового агломерата путем снятия внутренних напряжений и раскристаллизации стекла. Дополнительный обогрев может осуществляться только на ленте, где идет процесс агломерации, термообработ­ ка— также и вне ленты, в бункерах. Стремление уберечь агломерат от термического удара привело к тому, что оказалось необходимым закрыть всю аглоленту горелка­ ми, пламя которых последовательно осуществляет допол­ нительный обогрев и термообработку (см. рис. 106 вари­ ант 8). При подаче кислорода или сжатого воздуха под горелки такой вариант вполне реален. Казалось бы тру­ дно провести четкую границу между зонами обогрева и термообработки. На самом деле это легко сделать, исхо­ дя из особенностей теплового баланса этих зон машины. Напомним, что дополнительный обогрев спекаемого слоя всегда дает экономию тепла и не приводит к повышению температуры готового пирога агломерата. Другими сло­ вами, после окончания обогрева все дополнительное теп­ ло, воспринятое агломератом, полностью используется воздухом; регенерация тепла усиливается, энтальпия го­ тового пирога агломерата поддерживается на прежнем уровне. Термообработка, наоборот, всегда связана с пе­ рерасходом тепла (обычно на 7—8%), с перегревом пи­ рога агломерата, что создает трудности и на охладителях агломерата. Перерасход топлива является в данном слу­ чае платой за значительное улучшение качества продук­ та. С учетом сказанного, граница между зонами обогре­ ва и термообработки лежит по длине машины (вариант

218

5) там, где регенерация тепла уже не в состоянии удер­ жать энтальпию пирога агломерата на обычном уровне. Ясно, что при определенной толщине слоя готового агло­ мерата он в состоянии подогреть воздух перед входом в зону горения. Нагрев воздуха в воздухонагревателях ка­ упера или под горелками и подача его на вторую полови­ ну ленты с этой точки зрения является бессмысленным, так как ведет к перерасходу топлива. Однако это позво­ ляет существенно улучшить качество агломерата и оку­ пается экономически за счет улучшения хода доменных печей.

Рис. 107. Термограммы прогрева пламенем газовых горелок слоя, не

<? — направление движения зоны вы­ соких температур (цифры на кри­ вых — время от начала процес­ са, [206]

Уровень от поверхности огон,мм

Дополнительный обогрев спекаемого слоя и термо­

ант дополнительного обогрева спекаемого слоя не был связан с уменьшением расхода твердого топлива и сум­ марного расхода тепла. Очень скоро, однако, выясни­ лось, что, сохраняя высокое качество продукта, можно заменить часть дефицитной коксовой мелочи газом, сжигаемым над слоем. Многочисленные опыты показа­ ли, что обычно легко заменить до 20—25% коксика на газ, в отдельных случаях эту цифру удавалось довести до 35 и даже 40%. Попытки перейти через это предель­ ное значение неизменно кончались неудачей. Рис. Ц)7 поясняет причину неудач этих опытов. Как видим, пла­

219

ствить за достаточно короткий срок агломерацию исключительно с помощью пламени газовых горелок, втягиваемого в спекаемый слой нормальной высоты.

Существует, однако, совершенно иной метод исполь­ зования газа для прогрева слоя шихты, не содержащей или содержащей мало углерода. Этот метод сжигания газа внутри слоя спекаемой шихты, частички которой, возможно, оказывают каталитическое действие на про­ цесс окисления горючих компонентов газа. Горение газа над слоем шихты в этом случае не допускается. Опыт показывает, что таким путем горения оказывается воз­ можным быстро прогреть высокий слой шихты на всю высоту до температур 1300— 1500° С и получить агломе­ рат хорошего качества. Этот метод, названный газовой агломерацией, был изобретен в 1911 г. Адольфом Кро­ лем (германский патент, кл. 18а, 1/08, № 271986, 10 де­ кабря 1911 г.), опиравшимся, как это указано в тексте патента, на выполненные ранее в области беспламен­ ного горения работы Хэмфри Дэви — изобретателя взрывобезопасной шахтерской лампы. Способ А. Кроля неоднократно проверялся в лабораторных и промыш­ ленных условиях.

На рис. 106 (вариант 9) показана схема установки беспламенных горелок на всей длине аглоленты метал­ лургического завода в Днепродзержинске (площадь спекания 50 м2). Спекаемый слой руды (шихта не со­ держала твердого топлива) сначала разогревали пла­ менем горна на небольшую глубину, после чего верх­ нюю часть раскаленной корки тушили тонкораспылен­ ной в форсунках водой. Смесь газа с воздухом из сме­ сителей и горелок направляли через воздушный зазор между горелками и поверхностью шихты и далее через холодную часть корки внутрь спекаемого слоя, где смесь соприкасалась с раскаленным слоем шихты, вспыхивала и горела затем без пламени по всей высоте спекаемого слоя. Горение газа над слоем по технологии газовой аг­ ломерации недопустимо, так как пламя газовых горе­ лок, установленных над слоем, в состоянии за длитель­ ный срок прогреть до температуры 1300— 1400° С лишь тонкий слой шихты ( ~ 10 см ).

В 1955 г. на ленте были проведены промышленные

220

опыты газовой агломерации [207], результаты которых оказались крайне неудачными. Значительные трудности возникли при отладке работы тушилки, установленной за зажигательным горном. Малый расход воды недо­ статочно охлаждал корку. Газо-воздушная смесь, каса­ ясь горячих участков поверхности, вспыхивала над сло­

раскаленная корка охлаждалась в некоторых местах на всю глубину. Газо-воздушная смесь на этих участках проходила спекаемый слой без беспламенного горения, что приводило к массовому гнездовому недопеку. Про­ изводительность ленты была на 35% ниже обычной, себестоимость агломерата возросла. Содержание фрак­ ции — 5 мм в агломерате после барабанного испытания

Ca-оливином и большим количеством стекла. Агломерат газового спекания имеет равномерную, однородную тек­ стуру, свободную от блоков (в шихте отсутствует коксо­ вая мелочь, являющаяся центром формирования блоков агломерата), обладает весьма низкой горячей проч­ ностью.

Крупнейшим недостатком газовой агломерации, по­ мимо взрывоопасности, является полное отсутствие ре­

газовоздушной смеси под паллетами в вакуум-камерах, что резко ухудшает условия службы конструкций агло­ машины. По предложению Р. Ф. Кузнецова (авторское свидетельство СССР, кл. 18а, 1/10, № 194121, 4 декабря 1965 г.), с этим явлением следует бороться методом пульсирующей подачи газа в слой.

Промышленная проверка предложения А. Кроля неоднократно проводилась и за рубежом. По опытам К- Диксона [208], газовая агломерация взрывоопасна и связана, кроме того, с опасностью отравления людей на рабочей площадке у аглоленты. Большая серия, опы­ тов, проведенная Британской научно-исследовательской Ассоциацией железа и стали, позволила охарактеризо­ вать метод газовой агломерации как термически убы­ точный и приводящий к большому перерасходу топлива способ, склонный к частым взрывам [209].

221

Резюмируя сказанное, можно рекомендовать к ис­ пользованию в промышленных условиях метод дополни­ тельного обогрева спекаемого слоя, позволяющий сни­ зить общий расход тепла в средних условиях на 10— 15% и заменить газом до 20—25% твердого топлива при полной взрывоопасности установки. В то же вре­ мя следует предостеречь агломерационые фабрики от использования взрывоопасной, малопроизводительной и термически убыточной технологии газовой агломера­ ции.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОЗДУХА, ОБОГАЩЕННОГО КИСЛОРОДОМ

Обогащение воздуха, подаваемого в спекаемый слой, кислородом ускоряет при нормальном и повышен­ ном расходе топлива горение коксовой мелочи, повыша­ ет производительность установок, улучшает качество агломерата. В наиболее простом случае кислород пода­ ется под зажигательный горн, под горелки дополнитель­ ного обогрева спекаемого слоя, т. е. в те зоны ленты, где ощущается особенно острое кислородное голодание. По Л. Киршфельду [210], скорость горения прямо про­ порциональна квадратному корню из парциального дав­ ления кислорода в газовой фазе. Подробное исследова­ ние оптимальных условий ввода кислорода в зону до­ полнительного обогрева спекаемого слоя [211] показа­ ло, что целесообразно с помощью добавок кислорода доводить его содержание в продуктах горения (1000°С), всасываемых в слой, до 21% (дополнительный обогрев на 7з длины машины). Расход кислорода в этих услови­ ях составляет 16—20 м3/т агломерата. Производитель­ ность аглоленты повышается на 20%, а барабанное число агломерата снижается до 17%. Улучшение каче­ ства агломерата здесь следует отнести за счет повыше­ ния температуры в зоне горения твердого топлива и уменьшения удельного объема газов в расчете на тонну агломерата, что уменьшает скорость охлаждения рас­ плава, уменьшает количество стекла в готовом продук­ те, снижает уровень внутренних напряжений в нем.

Достаточно подробно изучен к настоящему времени и вариант обогащения кислородом холодного воздуха, всасываемого в спекаемый слой. В 1968— 1971 гг. серии лабораторных опытов были проведены Гугисом Н. Н., Клочко А. К-, Пикулиным С. А., Вегманом Е. Ф, на

222

Коммунарском металлургическом заводе в чаше при высоте спекаемого слоя в 270 мм. Рудная часть шихты состояла из криворожской гематитовой руды и концент­ рата ингулецкого ГОКа (30:70). Содержание возврата составляло 27%. Основность шихты была равна 1,25. В этих условиях содержание кислорода в воздухе, вса­ сываемой в слой, меняли от 21 до 95%• Табл. 26 содер­ жит данные о результатах этих опытов.

Т а б л и ц а 26

Результаты спекания криворожской руды и концентрата (30 :70)

Из данных таблицы видно, что обогащение воздуха кислородом резко ускоряет спекание, но степень исполь­

нормальных расходах топлива неизбежно, к сожалению, проскакивание части кислорода через зону горения без соприкосновения с частицами топлива. По мере обога­ щения воздуха кислородом растет тепловой к.п.д. угле­ рода, который все больше горит в С 02. Качество агло­ мерата улучшается, так как сокращается удельное ко­

223

В. Н. Кривошеева [211] спеканию под воздухом, обо­ гащенном кислородом до 30 и 42% подвергалась шихта из 50% концентрата Ингулецкого ГОКа, 15% криво­ рожской аглоруды и 35% Лебединской руды. Было уста­ новлено, что каждый дополнительный процент кислоро­

в неполном использовании кислорода при агломера­ ции. От этого недостатка свободен, однако, способ спе­ кания, предложенный в свое время А. П. Николае­ вым, по которому нижняя зона горения утилизирует большую часть кислорода, не использованного верхней зоной горения. Если подать к спекаемому слою воздух,

для нижней зоны горения топлива, из которой отсасыва­ ются продукты горения, содержащие 2—3% 0 2. Таким образом, способ А. П. Николаева в новых условиях позволяет не только увеличить производительность уста­ новки, но решает проблему полноты использования кис­ лорода при агломерации.

224