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

Как видно из приведенных выше данных, все, без ис­ ключения, гидраты, входящие в состав агломерационной шихты, интенсивно диссоциируют в зоне сушки и подо­ грева при температурах ниже 700° С, но некоторая часть

ный момент спекание, с последующей послойной разбор­ кой и химическим анализом пирога агломерата, начиная с верхней его части и кончая слоем сырой неспеченной шихты, Р. Берлингейм, Г. Битсианес и Т. Джозеф [10] впервые количественно оценили степень дегидратации и декарбонизации шихты перед попаданием в зону горе­ ния твердого топлива (рис. 13). Как оказалось, не более 80—90% гидратной влаги может быть в средних услови­ ях спекания удалено из шихты под зоной горения — вся остальная масса гидратов диссоциирует в зоне наивыс­ ших температур. Так как разложение гидратов требу­ ет значительных затрат тепла, то при прочих равных ус­ ловиях спекание бурых железняков и руд с хлоритовой пустой породой (КМА) обычно идет холоднее, чем спека­

20

Рис. 13. Химический состав пирога агломерата и шихты из руд Нью-Фаундленда по зонам при прекращении агломера­ ции в произвольный момент при различном содержании угле­ рода в шихте:

а — 3,2% углерода; б — 6,3%

21

Рис. 14. Оолиты бурого железняка в коричневой керченской руде перед аг­ ломерацией. Отраженный свет, Х45. Не травлено. Серо-белое — гётит, ли­ монит, темное —пустая порода (шамозит, каолинит, керченит, кварц и др.)

вать расход твердого топлива, который при спекании бу­ рых железняков достигает 9— 12%• При неблагоприят­ ных условиях, например, при спекании бурого железня­ ка повышенной крупности с недостаточным расходом топлива, некоторая часть гидратов и продуктов их раз­ ложения, не усвоенных расплавом в зоне горения, по­ падает в текстуру готового агломерата, как это показа­ но на рис. 14 и 15. Если микроскопический контроль аг­ ломерата обнаруживает такие включения в шлифах,

включения являются затем центрами разрушения куска агломерата.

Медленная дегидратация тюрингитовой, шамозитовой пустой породы, помимо понижения температурного уровня спекания, ведет также к замедлению важнейших реакций минералообразования в твердой фазе и, как

22

Рис. 15. Микрофотография участка аншлифа неофлюсованного агломе­ рата из керченского бурого железняка. Отраженный свет, Х128. Не трав­ лено. Видны остатки оолита, первоначальное вещество которого до спе­ кания состояло из гётита и лимонита. Серо-белое — магнетит, серое — гётит (в центре оолита), темная силикатная связка между кристаллами

магнетита — фаялит и стекло

следствие этого, к уменьшению количества расплава в зоне горения топлива и количества связки в структуре готового агломерата. Плохая спекаемость руд курской магнитной аномалии объясняется поэтому не только присутствием в ней бурого железняка и сидерита, но также особенностями хлоритовой пустой породы, почти не содержащей кварца.

2. ИСПАРЕНИЕ ГИГРОСКОПИЧЕСКОЙ ВЛАГИ. ПЕРЕУВЛАЖНЕНИЕ.

ПОДОГРЕВ ШИХТЫ ПЕРЕД СПЕКАНИЕМ

В зависимости от крупности и минералогического со­ става спекаемых руд и концентратов оптимальная влаж­ ность шихты меняется в широком интервале значений

23

от 5 до 12%. Спекать лучше не сухую пылеватую руду или концентрат, а влажную, так как в барабанных окомкователях перед агломерационной лентой вода способ­ ствует укрупнению шихты, образованию в ней комков, что резко повышает газопроницаемость шихты, а следо­ вательно, и производительность установок. Из этого не следует, конечно, что спекание абсолютно сухой шихты принципиально не осуществимо. Разработаны методы приготовления сухих комков шихты. Однако нельзя за­ бывать, что горение твердого топлива в совершенно су­ хой шихте замедляется, так как цепной механизм горе­ ния СО и С требует определенного содержания радика­ лов Н и ОН в пламени. Небольшой уровень увлажнения сухой шихты необходим, очевидно, во всех случаях.

Гигроскопическая влага в аглошихте может запол­ нять крупные и мелкие поры (так называемая гравита­ ционная и капиллярная вода), наполнять их водяным паром или при вылеживании компонентов шихты зимой на рудном дворе находиться в них в виде льда. На по­ верхности рудных частиц и частиц глины установлено наличие ^ пленок адсорбированной воды толщиной до

[10], при спекании руд Нью-Фаундленда толщина зоны сушки составляет 25—26 мм; В. Я. Миллер и Д. Г. Хох­ лов [12] определили высоту зоны сушки в 12— 15 мм; В. И. Коротич и В. П. 'Пузанов [13] считают, что она может существенно меняться в зависимости от крупно­ сти комков шихты (рис. 16). Ход процесса сушки влаж­

ных материалов при небольшой крупности частиц опи­ сывается уравнением [5]:

24

с — коэффициент, связывающий интенсивность испарения со скоростью движения газа у поверхности частиц [при скорости<2 м/с =

с ее ростом. При агломерации наиболее высокие темпе­ ратуры газа в зоне сушки имеют место при зажигании (1200— 1350° С); в дальнейшем температуры газов на вхо­ де в зону сушки снижаются до 200—300° С, так как теп­

сколько минут выделяется около 125 ма водяных паров. При спекании лимонита (2Fe20 3-3H20 ) в ходе диссоци­ ации тонны бурого железняка дополнительно выделяет­ ся 145 м3 водяных паров. Некоторое количество водяных паров вносит также всасываемый в слой воздух (9 г во­ дяного пара на 1 м3 воздуха при влажности в 1%).

В средних условиях спекания точка росы для агло­ мерационного газа близка к 52—53° С. Это означает, что при соприкосновении газов в зоне сырой шихты с части­ цами, температура которых < 5 2 ° С, начинается интен­ сивная вторичная конденсация воды, что приводит к пе­

В. А. Шурхала [14] максимальная степень переувлаж­ нения достигала 135%, в опытах В. И. Левченко [15] она составляла 120%,• При повышении исходной влаж­ ности шихты и воздуха переувлажнение усиливается.

25

Зимой, когда температура шихты низка, переувлаж­ нение сказывается сильнее, чем летом. В ряде случаев это явление развито в такой степени, что конденсирую­ щаяся влага в большом количестве стекает через пос­ тель и колосниковую решетку в вакуум-камеры аглолен­ ты. Явление переувлажнения шихты снижает газопро­ ницаемость спекаемого слоя, нижняя часть которого быстро переходит от рыхлой комковатой структуры к структуре плотной грязи, препятствующей проходу га­

зов.

Длительное время считалось, что переувлажнение шихты идет практически от начала и почти до конца спекания. Реальная картина испарения гигроскопиче­ ской влаги, перемещения водяных паров и переувлаж­ нения шихты была выявлена А. А. Сиговым [16] в се­ рии опытов с весьма совершенной оригинальной методи­ кой прерванных спеканий; в ходе опытов с помощью ртутных термометров измерялась температура на раз­ личных горизонтах под зоной горения. Изучая получен­ ные термограммы (рис. 17), А. А. Сигов впервые обра­ тил внимание на внезапный скачок температур с 15— 25° С до 50—55° С, наблюдаемый на любом горизонте шихты под зоной горения в течение первых 2—4 мин [17]. При этом, чем ближе слой шихты к колосниковой решетке, тем позже (в пределах 2—4 мин) имеет место этот скачок на термограмме (при спекании сухой шихты такого скачка не наблюдается). Объяснение этого эф­ фекта сводится к следующему. С началом спекания влажные продукты горения касаются холодной шихты в самых верхних горизонтах слоя сырой шихты под зо­ ной сушки и подогрева. Происходит переувлажнение этого слоя, но при этом выделяется теплота конденса­ ции, воспринимаемая раньше всего газом, а затем и ших­ той. В короткое время температура на рассматривае­ мом горизонте повышается до 52—53° С, т. е. до точки росы. Очевидно, что перегрев выше этой температуры был бы невозможным, так как он связан с испарением сконденсировавшейся воды, с затратой тепла и охлаж­ дением до точки росы. Температура, равная точке росы, устанавливается, таким образом, автоматически и в дальнейшем поддерживается на этом уровне до конца спекания. Это означает, что влажные продукты горения, выходя из зоны подогрева и сушки, в дальнейшем про­ ходят рассматриваемый слой без конденсации. Конден­

26

сация и переувлажнение переносятся в следующий слой шихты в направлении колосниковой решетки, который за очень короткий промежуток времени также нагре­ вается до точки росы теплотой конденсации. За 2—4 мин вся масса сырой шихты последовательно (сверху вниз) переувлажняется и нагревается до точ­ ки росы, после чего конденсация водя­ ных паров полно­ стью прекращается

Время от начала спекания, мин

Рис. 18. Кинетика удаления водяных паров из агломерационной чаши в ходе спекания [19])

Начальная температура шихти°С

и влажные продукты горения проходят через слои пол­ ностью переувлажненной и подогретой шихты, не изменяя своей влажности. Как видим, переувлажнение идет только первые 2—4 мин, а не все время спекания. Сле­ довательно, фронт переувлажнения движется быстрее зоны горения, сушки и подогрева шихты.

Схема А. А. Сигова была в дальнейшем подтвержде­ на опытами В. И. Коротича и В. П. Пузанова [13, 18],

27

исследованиями В. И. Левченко, К- А. Мусиенко [19]. После окончания переувлажнения шихты вся испаряю­ щаяся в зоне сушки вода (рис. 18) уносится отходящи­ ми газами (горизонтальный участок кривой).

Остановимся теперь на мерах борьбы с переувлаж­ нением шихты в ходе спекания. Переувлажнение может быть полностью устранено предварительным подогре­ вом аглошихты перед спеканием по способу В. В. Вино­ градова [20] (авторское свидетельство СССР, кл. 18 а, 1/10, № 405939, 20 октября 1949 г.). Отметим, что изо­ бретателем был предложен прежде всего принцип под­ готовки шихты к спеканию и, кроме того, один из воз­ можных вариантов практического решения проблемы подогрева шихты горячим возвратом, обеспечивающим устранение переувлажнения шихты без каких-либо до­ полнительных затрат. Использование горячего возврата (600° С) сначала вызвало ряд практических затрудне­ ний: необходимо было отработать конструкции пластин­ чатых конвейеров и вибрационных трубчатых конвейе­ ров для транспортировки горячего возврата; усилить систему приточно-вытяжной вентиляции; создать микро­ климат, подогревая воздух в галлереях с транспортера­ ми нагретой шихты. Эти меры позволяют создать нор­ мальные условия труда на аглофабрике при использо­ вании горячего возврата и вследствие этого обеспечить рост производительности (рис. 19) аглоустановки на 20—30%■ Так как переувлажнение нижних слоев ших­ ты требует некоторого повышения расхода коксовой ме­ лочи, то при спекании подогретой шихты можно полу­

греть шихту перед спеканием до 60—80° С, дали в неко­ торых случаях повод для неоправданной критики само­ го принципа подогрева шихты. Были сделаны попытки заменить подогрев шихты вводом в нее извести, хотя этот способ не исключает, а дополняет способ исполь­ зования горячего возврата и оба способа Должны при­ меняться совместно. Ошибочным было также строи­ тельство агломерационных машин с охлаждением агло­ мерата прососом воздуха на хвостовой части ленты, что снижало температуру возврата, ограничивая возможно­

сти его применения для подогрева агломерационной шихты.

28

Со времени изобретения технологии подогрева ших­ ты В. В. Виноградовым прошло более 20 лет. В настоя­ щее время этот способ нашел широкое применение во многих странах мира. Вопреки пессимистическим про­ гнозам, его значение для производства растет с каждым годом. Наибольший эффект от подогрева шихты может быть получен при спекании тонких концентратов, коли­ чество которых в шихте неуклонно возрастает.

Разработаны и новые способы подогрева шихты, не связанные с использованием горячего возврата:

1) подогрев шихты пламенем газовых горелок в сме­ сительном барабане (авторское свидетельство СССР, кл. 18а, 1/10, № 116628, 16 декабря 1957 г.), однако этот способ малоэффективен, так как сопровождается суш­ кой шихты и большой затратой тепла;

2)подогрев путем просасывания или продува через шихту горячего воздуха или газов (патент США, кл. 75— 5, № 3257195, 28 июля 1964.);

3)нагрев токами высокой частоты (авторское сви­ детельство СССР, кл. 18а, 1/10, № 126124, 19 сентября 1959 г.);

шихты за счет конденсации пара составляет всего око­ ло 1% [22]).

При отсутствии подогрева шихты некоторый эффект дает снижение ее влажности против оптимальной на 1 — 1,5%, позволяющее несколько компенсировать пере­ увлажнение, или снижение содержания воды только в нижнем слое.

Отметим, что чрезмерный перегрев шихты активи­ зирует процессы испарения влаги, разрушения комков и может привести к снижению эффекта от подогрева, как это видно из рис. 19.

3. ГАЗОДИНАМИКА СПЕКАЕМОГО СЛОЯ

При нормальном и повышенном расходах коксовой мелочи общая скорость спекания определяется ско­ ростью горения твердого топлива, а при небольших рас­ ходах топлива — условиями теплопередачи под зоной

29