Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние технологии агломерации железных руд
2 Исследованние свойств гематитовых руд
3 Особенности процесса спекания гематитовых руд
4 Определение рациональных условий агломерации гематитовых руд
5 Разработка технологии агломерации гематитовых руд
Выводы
Заключение
Список литературы
- Современное состояние технологии агломерации железных руд
- Исследованние свойств гематитовых руд
- Особенности процесса спекания гематитовых руд
- Определение рациональных условий агломерации гематитовых руд
Введение к работе
Рост производства, расширение сортамента металлопродукции и существенное повышение ее качества являются приоритетными направлениями развития металлургической отрасли России и служат улучшению ее конкурентоспособности в рыночных условиях. Достижение указанных целей связано с модернизацией существующих мощностей и введением в эксплуатацию новых, более эффективных технологических линий. Современные металлургические предприятия ориентированы на получение стали по двум преобладающим технологическим схемам: 1) доменная печь - кислородный конвртер - непрерывная разливка стали; 2) металлошихта (металлизованный продукт + железный лом) - электропечь - непрерывная разливка стали[1]. В настоящее время наблюдается тенденция изменения структуры мирового баланса производства стали за счет некоторого снижения доли продукции, полученной по трехстадийной схеме «окускование - доменная печь -кислородно-конвертерный процесс». Однако, в обозримом будущем (по меньшей мере, до 2050 года), именно доменная печь будет оставаться основным поставщиком железа для сталеплавильного комплекса России.
Чтобы преимущества доменной печи как металлургического агрегата проявились в наилучшей степени, необходимо обеспечить наиболее эффективные условия для протекания физико-химических процессов при восстановительно-тепловой обработке за счет повышения качества железорудного сырья и кокса, а также внедрения прогрессивных методов ведения доменного процесса. К настоящему моменту технологические резервы интенсификации доменной плавки (вдувание углеводородов, нагрев дутья, обогащение дутья кислородом и др.) либо исчерпаны, либо близки к этому. Поэтому все большее значение приобретает проблема повышения качества доменного сырья [2].
Для предприятий России характерным является высокая (до 80%) доля железорудного агломерата в доменной шихте, что позволяет считать улучшение его металлургических свойств значительным резервом повышения эффективности доменной плавки. В то же время, ряд месторождений, служащих рудной базой агломерационных фабрик, близки к истощению. Например, запасы для карьерной отработки Оленегорского ГОКа будут истощены в течение 6-9 лет, запасы мелких шахт Златоустовского, Высокогорского, Бакальского, Гороблагодатского рудоуправлений и Магнитогорского комбината будут отработаны к 2012 году [3]. Сложившаяся ситуация выдвигает в качестве одной из наиболее актуальных научно-технических задач поиск и вовлечение в металлургических оборот новых видов железорудного сырья.
Перспективным направлением развития рудной базы черной металлургии является использование гематитовых руд, запасы которых в России оцениваются величиной более 7 млрд.т (12,6% общероссийских запасов) [4]. В то же время, объем добычи этого типа сырья непропорционально мал - не более 0,8% от общей добычи железорудных материалов. Среди подготовленных к освоению месторождений гематитовых руд выделяется Болыпетроицкое, расположенное в Шебекинском районе Белгородской области, с запасами по категориям А+В+С1 более 1,5 млрд.т и средним содержанием железа 64%. Это месторождение располагает мартитовыми и железо-слюдко-мартитовыми рудами, залегающими на глубине 400—600 м. Рудные тела, обладая мощностью до 400 м, состоят главным образом из слабосвязанных и рыхлых составляющих, поэтому при эксплуатации этого месторождения используется метод скважинной гидродобычи - способ подземной разработки, при котором руда на месте своего залегания переводится в гидросмесь и транспортируется по скважине на поверхность. Таким образом, рудный материал этого месторождения представлен мелкодисперсным порошком и для его применения в доменной плавке необходимо окускование. Наличие значительных мощностей в агломерационном производстве ряда предприятий при истощении закрепленных за ними ранее рудных баз предопределяет перспективность агломерации р уд Болыпетроицкого месторождения.
Отличие гематитовых руд от традиционных для России магнетитовых материалов составляет более высокая окисленность железа (в форме БегОз), а также минералогический состав рудных зерен. Поэтому использование гематитовых руд и концентратов в условиях аглофабрик требует исследования особенностей физико-химических превращений при спекании и разработки?^ технологии агломерации, обеспечивающей высокое качество доменного сырья. Промышленное освоение залежей этого месторождения предусмотрено Стратегией развития металлургической промышленности России до 2020 года [5] и является важной задачей, решение которой будет способствовать снижению дефицита рудного сырья и повышению эффективности металлургической отрасли России.
Актуальность задачи по вовлечению в металлургическое производство руд новых месторождений позволило сформулировать цель диссертационного исследования - разработка технологии агломерации гематитовых руд Болыпетроицкого месторождения на основе изучения особенностей развития тепло-массообменных процессов при их спекании.
В выполнении лабораторных исследований, промышленных испытаний, а также анализе и обсуждении полученных результатов оказали существенную помощь и поддержку сотрудники ООО «НПВП ТОРЭКС» (г.Екатеринбург) и кафедры «Теплофизика и информатика в металлургии» УрФУ, которым автор выражает искреннюю благодарность. Особо автор благодарит за советы, замечания и помощь в формировании структуры исследований и обработке результатов научного руководителя, Заслуженного деятеля науки и техники, профессора, доктора технических наук Ярошенко Юрия Гавриловича, а также кандидата технических наук В.И.Клейна и доцента, кандидата технических наук В.И.Матюхина.
Современное состояние технологии агломерации железных руд
В современных условиях возможности повышения эффективности металлургического передела железных руд связаны с улучшением качества окускованного сырья, что влечет за собой снижение затрат материальных и энергетических ресурсов в технологиях доменного производства. Использование любых резервов в этом направлении осложняется неудовлетворительным состоянием рудной базы ряда предприятий, истощением запасов существующих месторождений и увеличением транспортного плеча перемещения сырья от мест добычи и, как следствие - ростом транспортной составляющей себестоимости металлопродукции [3]. Одним из перспективных путей развития металлургической отрасли России является вовлечение в оборот новых типов руд, в частности, гематитовых. Для выбора наиболее рациональных способов использования этого вида сырья необходимо проанализировать существующие теоретические и практические достижения в области агломерации железных руд и определить задачи дальнейшей работы.
Прогресс и повышение технико-экономических показателей работы доменных печей неразрывно связан с улучшением металлургических свойств окускованного сырья, что обеспечивает стабильность режимов работы печей, связанную с условиями протекания тепловых и физико-химических процессов. Окускованное сырье с минимальной разрушаемостью позволяет сформировать в шахте доменной печи слой с высокой газопроницаемостью и необходимым распределением газового потока по сечению для оптимального использования его восстановительного и теплового потенциалов, приводящего, в конечном итоге, к экономии кокса, самого дорогостоящего компонента шихты. Именно поэтому вопросам улучшения металлургических свойств рудных составляющих в индустриально развитых странах уделяется большое внимание, а величина инвестиций в проекты, связанные с повышением качества железорудных материалов, превышают все другие затраты на увеличение эффективности доменной плавки.
Современный этап развития металлургии характеризуется широкомасштабным освоением месторождений бедных руд, при обогащении которых формируется мелкодисперсный концентрат. В настоящее время подготовка таких концентратов к доменной плавке осуществляется окускованием с получением агломерата или окатышей. Однозначного вывода о превосходстве одного способа окускования над другим не может быть, поскольку они оба обладают преимуществами и недостатками. Выбор той или иной технологии окускования базируется на учете свойств железорудного сырья, таких как содержание в них железа и шлаковых составляющих, на учете гранулометрического состава компонентов сырья после обогащения и пр. В последнее время наблюдается тенденция роста доли доменного сырья, представленного окатышами, полученными окомкованием мелкодисперсных концентратов [8]. На российских предприятиях доля агломерата редко составляет менее 60% и именно он является основным компонентом шихты[3]. Поэтому одним из наиболее эффективных направлений повышения технико-экономических показателей доменной плавки является улучшение металлургических свойств агломерата.
Исходными компонентами для получения агломерата служат руды и концентраты, от свойств которых во многом зависит качество окускованного сырья [6, 7]. По типу основной железосодержащей составляющей руды делятся на гематитовые, магнетит-гематитовые, сидеритовые, а также руды, минералы которых представлены преимущественно гидрооксидами железа. Подавляющее большинство мировых запасов (до 78%) и добычи (66...69%) железных руд представлено гематитовыми и магнетитовыми материалами, полученными при переработке железистых кварцитов и богатых руд, образованных в коре их выветривания [2]. Значительные запасы подобного сырья сосредоточены в России (Курская магнитная аномалия), в Украине (Кривой Рог), в Бразилии (месторождения Итабири и Итабирита) и некоторых других регионах.
Запасы магнетитовых руд и их хорошая обогатимость методами магнитной сепарации обусловили то, что сырьем большинства металлургических предприятий России служат продукты переработки магнитных железняков[4]. В то же время, при исчерпании запасов магнетитов повышается конкурентоспособность практически неиспользуемых руд, к числу которых относятся гематитовые. Перспективы вовлечения гематитовых руд в производство чугуна во многом определяются их свойствами: химическим и минералогическим составом, способностью к окомкованию и др.
Основным железосодержащим соединением гематитовых руд является безводный оксид железа Q20 [10]. Гематитовое сырье, используемое металлургическими предприятиями, характеризуется высоким содержанием железа — 60...68% (85...97% БегОз), а также низкой массовой долей серы и фосфора, что обусловлено их осадочным происхождением [11-14]. Указанное свидетельствует о высокой их металлургической ценности. Такие свойства, как пористость, восстановимость, гранулометрический состав самих руд для металлургов практически потеряли значение, поскольку подавляющее большинство руд подвергается окускованию [2]. Высокопроизводительная работа агломерационных машин для минимизации энергозатрат требует хорошей газопроницаемости слоя шихты, для чего сырьевые компоненты подвергаются окомкованию.
Прочность гранул и скорость формирования их структуры определяется поверхностными свойствами рудных частиц и гранулометрическим составом исходного сырья, при этом природа рудного материала (гематитовый или магнетитовый) влияет на особенности процесса грануляции именно за счет величины удельной поверхности компонентов шихт - чем выше значение этого показателя, тем больше скорость образования комочков шихты и лучше их сопротивляемость нагрузкам [15,16]. Главным отличием природных гематитовых руд от магнетитовых концентратов является наличие в них коллоидных частиц, которые образуют при взаимодействии с водой гели, способствующие росту прочности межчастичных связей в гранулах аглошихты [6, 17, 18]. Например, добавка 25% алюмогематитовой руды к обжиг-магнитному концентрату Лисаковского ГОКа позволила увеличить вертикальную скорость спекания с 13 до 20 мм/мин [19]. Причиной положительного эффекта использования гематитовой руды послужило наличие в ней глинистых частиц, которые при взаимодействии с водой формируют гель А1(ОН)з с высоким (до 2000 см /г и более) значением удельной поверхности.
Как показывают исследования [12], при грануляции гематитовых материалов комочки характеризуются меньшим значением оптимальной влажности (6...8%) по сравнению с магнетитовыми концентратами (8... 10%), что связано с более низкой гигроскопичностью гематита относительно кристаллического магнетита. Согласно другой точке зрения [13, 15], величина оптимальной влажности при окомковании тонкоизмельченных магнетитовых и гематитовых материалов составляет 9...9,5%, а тип рудного материала не влияет на конечную влажность материалов. Гигроскопичность же шихты является функцией только величины удельной поверхности концентрата.
Исследованние свойств гематитовых руд
Для исследований были отобраны представительные пробы руды из трех скважин Шемраевской залежи Болыиетрицкого месторождения.
Исследованные образцы содержали (по массе) железа общего - 68,8%; FeO - 1,35%; Fe203 - 95,72%; CaO - 0,52%; MgO - 0,82%; Si02 - 0,97%; P - 0,03%; S -0,03%; А120з - 0,56%. Доля оксидов пустой породы в исследованных пробах составила менее 3,0% при основности (CaO+MgO)/(SiO2+Al2C 3)=0,87. Важной особенностью пустой породы исследованной руды являлось высокое значение глиноземного модуля 8і02/АІ20з=1,72, что служит предпосылкой формирования в доменной плавке вязких шлаков с содержанием оксида алюминия более 15% и снижения производительности агрегата [6]. Тем не менее, согласно данным об элементном составе, руда обладает высокой металлургической ценностью за счет содержания железа и низкой массовой доли вредных примесей и пустой породы.
Для определения основных фазовых составляющих железной руды Болыпетроицкого месторождения, использовали рентгенографический фазовый анализ. Съемка образцов проводилась на рентгеновском дифрактометре "ДРОН-3.0" с автоматическим программным управлением в отфильтрованном монохроматизированном СиКа - излучении. В проведении анализа принимали участие сотрудники Института Металлургии УрО РАН под руководством Т.В.Сапожниковой и Ю.А.Чеснокова [122]. Диагностика концентрата исходной руды показала основное присутствие в пробе гематита - РегОз, магнитная составляющая представлена в меньшем количестве магнетитом - Fe O (рис.2.1). Кроме того, слабо проявлялись на дифрактограмме фазы в виде кварца (a-SiC 2) и сидерита - БеСОз.
Руда состояла из свободных зёрен оксидов железа и сростков их с кварцем. Отдельные зёрна первичного магнетита плотные с включением зёрен однородного гематита и мартитизированного магнетита. Видна октаэдрическая спайность, по которой интенсивно проходило окисление. В руде содержались тонкокристаллический кальцит и в небольшом количестве серицит. Отмечались одиночные включения сульфидов железа. Состав минералов руды указывает на ее осадочное происхождение, при этом однородной по составу рудной части (гематит) соответствует полиминеральная пустая порода. Такое строение рудных зерен значительно отличает исследованные образцы от типичных для российских аглофабрик магнетитовых руд, что создает предпосылки для различия их металлургических свойств.
Ситовый анализ проб руды, проведенный автором перед началом исследований, выявил содержание класса +2мм - 3,2%; фракции 2,0-1,5мм -1,25%; фракции 1,5-1,0мм - 1,82%; фракции 1,0-0,5мм - 5,58%; фракции 0,5-0,25мм - 1,78%; фракции 0,25-0,1мм - 24,96%; содержание класса -0,1мм -61,4%. Удельная поверхность проб руды в среднем составила 400...500 см/г. Столь высокая неоднородность гранулометрического состава руды с преимущественным содержанием мелких классов создает предпосылки к получению аглошихт с низкой газопроницаемостью. Для улучшения газопроницаемости слоя необходима грануляция исходных компонентов шихты.
Таким образом, гематитовая руда Большетроицкого месторождения является ценным металлургическим сырьем, при этом ее состав и морфология значительно отличаются от типичных для российских предприятий магнетитовых материалов. Вследствие наличия мелкодисперсных компонентов в руде, высокие технико-экономические показатели работы агломерационных машин могут быть обеспечены только при ее грануляции перед спеканием.
Условие хорошей газопроницаемости — высокая порозность слоя - при использовании мелкодисперсных компонентов может быть достигнуто за счет окомкования шихты, в ходе которого происходит снижение доли мелких фракций за счет их агрегации между собой. Укрупнение шихты в ходе грануляции обусловлено слипанием частиц ее компонентов под действием капиллярных сил. На российских предприятиях окомкование аглошихт осуществляется в наклонных вращающихся барабанах, конструкция которых предусматривает возможность увлажнения исходного сырья [6]. Движение шихты в барабанах происходит в режиме переката, что обеспечивает наилучшие условия для ее грануляции. Исследования В.И.Коротича [17] показали, что гранулометрический состав окомкованных шихт при обеспечении движения шихты в режиме переката и оптимальной влажности определяется только крупностью исходных материалов, что позволяет произвести оценку особенностей формирования ситового состава шихт из гематитовой руды аналитически [107]. Анализ процесса окомкования гематитовой руды Большетроицкого месторождения был выполнен применительно к условиям Лебяжинского аглоцеха ОАО «Высокогорский ГОК». Такой выбор условий исследования обусловлен тем, что:
1. Рудная база ОАО «ВГОК» в составе нескольких шахт Высокогорского рудоуправления практически исчерпана, что обуславливает актуальность поискА новых источников сырья для данного предприятия.
2. Технологическая схема агломерации ОАО «ВГОК» является типичной для большинства аглофабрик России, поэтому результаты анализа технологических параметров окомкования и качества шихты при замене магнетитовых материалов гематитовыми могут быть использованы и на других предприятиях [6].
В настоящее время агломерационная шихта Лебяжинского аглоцеха состояла из возврата (21,5%); известняка (5,5%); колошниковой пыли (3,6%); концентрата мокрого магнитного обогащения Высокогорского обогатительного цеха - ММС ВОЦ (36%); концентрата обожженного сидерита - КОС (8,2%); смеси шламов мокрой газоочистки доменного цеха и концентрата мокрого магнитного обогащения - ШКС (7,5%); шлама металлургического (4,6%); рудной смеси Богословского рудоуправления (10%). В качестве топлива использовался мелкий кокс производства НТМК (3%). Анализ состава шихты показал, что аглофабрика является не только производителем железорудного агломерата, но и служит для утилизации отходов металлургического производства, как текущих, так и заскладированных.
Химический и гранулометрический составы материалов, использованных при производстве агломерата, приведены в таблице 2.1
Анализ свойств исходных компонентов показал, что в составе отдельных железорудных составляющих шихты может присутствовать до 17-20% фракции +5 мм, что затрудняет равномерное развитие тепло- и массообменных процессов в объеме слоя [6]. В то же время, в аглошихте содержится значительная (до 50%) доля мелкодисперсных концентратов, что снижает технико-экономические показатели агломерации в связи с заполнением межкускового пространства пылевидными фракциям шихты и ростом газодинамического сопротивления слоя. Результаты исследования гранулометрического состава известняка, использованного при проведении экспериментов, показали незначительное (до 1%) содержание фракции +3 мм. Это обеспечивает возможность полной диссоциации карбоната кальция и усвоения СаО расплавом при спекании офлюсованного агломерата.
Возврат при грануляции аглошихт играет роль центров окомкования, на которые накатываются более мелкие классы руды, при этом зародышами гранул могут быть только частицы более 1,6 мм. Наличие в шихте возврата крупнее 5 мм приводит к снижению выхода годного агломерата за счет перехода его в возврат, а также уменьшает суммарную поверхность зародышей гранул шихты, что ухудшает гранулометрический состав окомкованной шихты. В соответствии с указанными требованиями, в исследованиях был использован возврат фракции 1,6...5,0 мм.
Анализ гранулометрического состава кокса показал наличие до 6,5% і фракции +3 мм, высокое содержание которой создаёт условия для развития очагового режима горения топлива с образованием крупных пор. Это снижает прочность агломерата и повышает выход мелочи из спека. Содержание фракции О...Змм составляет более 92%, что удовлетворяет требованиям получения качественного агломерата [6].
Особенности процесса спекания гематитовых руд
Показатели качества агломерата, как критерии металлургических свойств этого вида железорудного сырья - прочность и восстановимость, в значительной степени зависят от его характеристик - структуры и минералогического состава. Эти характеристики, в свою очередь, напрямую определяются содержанием химических элементов и их соединений в агломерационной шихте. Подобные качественные связи отмечаются многими исследователями при экспериментальном изучении процессов спекания [26, 27].
Метод исследования, основанный на экспериментальном определении фазового состава отдельных элементов спека, не может дать объективной информации о качестве готового агломерата, т.к. при спекании отдельные микрообъемы слоя характеризуются различным химическим и фазовым составом, что даже в условиях реализации одинаковых режимов их тепловой обработки приводит к различным показателям прочности и восстановимости. Поэтому экспериментально (по отдельным пробам), установить достоверную связь между фазовым с оставом отдельных проб агломерата с качественными показателями спека не представляется возможным. Многочисленные исследования, результаты которых обобщены в работах [18, 55, 108, ПО], содержат попытки установления зависимостей между химическим составом исходной шихты, фазовым составом получаемого агломерата и его свойствами. Следует, однако, отметить, что в указанных работах получены результаты лишь на качественном уровне. Между тем, при использовании некоторых допущений появляется возможность перехода от качественного описания фазообразования при спекании железорудных материалов к количественному.
Допущения, принятые при разработке методики расчета минералогического состава железорудного агломерата, сводятся к следующим: 1. Химический состав агломерата определяется шестью главными компонентами - оксидами FeO, Fe203, CaO, SiC 2, MgO и А120з. Среди них только четыре первых относятся к минералообразующим. Оксиды магния и алюминия, влияющие, главным образом, на морфологию фаз, следует рассматривать как дополнительные. Из-за незначительного содержания этих оксидов в железных рудах Болыпетроицкого месторождения (от 0,3 до 2,3%) принятое допущение оправданно. 2. Ферриты кальция в составе агломерата присутствуют только в форме двухкальциевого феррита - 2-СаО-РегОз; железокальциевые оливины представлены в агломерате в основном CaOFeOSiC ; силикаты кальция -2-CaOSiC 2. Именно эти фазы являются статистически преобладающими при формировании минералов, содержащих СаО. 3. Спекание основных масс (зерен) магнетита и гематита, учитывая их высокую температуру плавления (более 1500С), осуществляется только в твердом состоянии в соответствии с механизмом твердофазного спекания. 4. Степень восстановления оксидов железа зависит от удельного расхода твердого топлива, который определяется особенностями теплового режима спекания. Более высокий расход топлива способствует формированию спека с повышенным содержанием FeO, о чем убедительно свидетельствуют данные на рис.3.1.
С учетом этих допущений формирование структуры спека может быть представлено как спекание рудных частиц в твердой фазе и кристаллизация из расплава шлаковых составляющих, под которыми понимаются сложные соединения оксидов, содержащие Si02 и СаО. Влияние оксидов кальция и кремния на состав агломерата проявляется через количество и соотношение образуемых фаз: силикатов кальция, оливинов, феррита кальция, фаялита и др.
Дальнейшее формирование минералогического состава агломерата происходит путем кристаллизации из расплава остальных шлаковых составляющих, при этом избыток Si02, не связанный 2CaOSi( 2, вступает во взаимодействие с FeO и СаО, образуя оливин CaO-FeO-Si02, а затем, после израсходования СаО, формируется фаялит 2-Fe0-Si02. Избыток оксида кальция СаО переходит в двухкальциевый феррит 2-CaO-Fe203. Остальные оксиды переходят в спек в твердой фазе.
Описанный механизм формирования минералогической структуры агломерата позволяет установить его средний фазовый состав, используя данные химического анализа исходной шихты по основным оксидам FeO, РегОз, СаО, S1O2. Именно минеральные соединения в составе спека следует рассматривать как основные компоненты, определяющие прочность агломерата [108].
Ранние попытки использования этой информации для прогнозирования прочности агломерата были неудачными, поскольку рассматривалось влияние отдельных минералов на качество спека [29]. В дальнейшем, исследования минералогического состава агломерата [55, 108 и др.] ограничивалось определением качественных закономерностей формирования спека или оптимизацией структуры применительно к конкретным производственным условиям. Вопросы количественной оценки качества спека на основании данных о фазовом составе к настоящему времени требуют развития, что послужило стимулом для исследования комплексного влияния всех фаз, входящих в состав агломерата, на его прочность.
Это подтверждается данными табл.3.2, анализ которых показывает, что, несмотря на увеличение количества связки до 25-30% (основности до 1,2), доля прочных ферритов кальция в ней увеличивается незначительно. Постепенное возрастание количества СаО в исходных материалах способствует изменению фазового состава шлаковых компонентов с переходом от оливинов и фаялита к более прочному ферриту кальция.
Последовательное увеличение количества этой фазы обеспечивает формирование более прочной конечной структуры аглоспека. Эти соображения, по нашему мнению, более убедительно объясняют зависимость изменения прочности агломерата от его состава.
Полученная информация представляет значительный практический интерес, в отношении, например, выбора состава исходного сырья для агломерации. В частности, с ее использованием возможно проследить эволюцию минерального состава спека при изменении содержания в его составе шлакообразующих оксидов (Si02 и СаО), что позволяет выработать обоснованные рекомендации по определению рационального компонентного состава шихты.
Определение рациональных условий агломерации гематитовых руд
Основным источником тепла при агломерации служит мелкий кокс, поэтому создание условий наиболее рационального его использования является мощным резервом повышения эффективности процесса. В то же время, горение твердого топлива при агломерации железных руд характеризуется значительной нестационарностью и сопровождается химическим и механическим недожогом, достигающими соответственно 14... 17 и 5...7% от низшей теплоты его сгорания[6]. Обеспечение минимальной величины недожога позволяет в наибольшей степени использовать химический потенциал топлива и улучшить экономичность процесса агломерации.
Химическую полноту сжигания углерода в практических условиях удобно характеризовать с использованием коэффициента пст (выражение (3.13). Повышение величины этого стехиометрического коэффициента отражает более полное горение твердого топлива и, как следствие, указывает на возможность уменьшения его расхода, а также на снижение экологической нагрузки на окружающую аглофабрику территорию. Поэтому определение условий, обеспечивающих горение топлива с высоким значением пст, является актуальной задачей.
Твердое топливо, используемое при агломерации, представлено в основном коксовой мелочью и некоторыми видами каменных углей. Горючие составляющие в них на 75...85% представлены углеродом. Кроме того, в агломерационном топливе присутствует зола в количестве до 15%, а также летучие и сера. В силу незначительных массовых долей последних, их содержанием можно пренебречь, и принять допущение, что состав кокса описывается в основном содержанием углерода и золы. В этом случае физическая картина процесса горения кокса может быть представлена как горение чистого углерода в потоке окислителя. Подобная формулировка задачи горения твердого топлива в слое, как показывают результаты расчетов [21], позволяют значительно упростить решение практически без снижения точности результатов.
Особенностью агломерации железорудных материалов является то, что взаимодействие продуктов горения углерода, содержащих СО, с рудными компонентами приводит к частичному восстановлению РегОз исходной шихты и увеличению содержания закиси железа в шихте до величины FeOmax. При последующем прососе воздуха через охлаждаемый спек происходит доокисление закиси железа в РегОз. Этот процесс сопровождается соответствующим снижением содержания кислорода в аглогазе на величину ЛО2. Изменение ЛО2 пропорционально разности между максимальным количеством закиси железа в слое (FeOmax) и конечным содержанию FeO в готовом агломерате. Согласно исследованиям [6], при спекании гематитовых руд конечное содержание FeO в спеке больше, чем начальное содержание в исходной шихте, т.е. процессы восстановления преобладают над процессами окисления. Как показывает практика, значение АОг изменяется в пределах 1.. .6% от объема поступившего в слой воздуха [7].
Выражение (4.4) позволяет связать газодинамический режим спекания с условиями горения твердого топлива, и, в частности, с расходом воздуха на горение. Поскольку все величины в правой части этого выражения могут быть легко определены на практике, то значение La также может быть выражено на основании информации о процессе спекания.
Однако, при этом полученные результаты не раскрывают связь между фильтрационным режимом и стехиометрическим коэффициентом. Поэтому воспользуемся эмпирическими данными о работе ряда аглофабрик России [7]. Графическая интерпретация зависимости «пст - VJGcy (рис.3.7) показывает, что экспериментальные точки с удовлетворительной точностью укладываются на прямую, описываемую выражением (3.11).
Полученные данные позволяют отметить важные особенности горения твердого топлива при агломерации. Во-первых, величина VJGC изменяется в пределах 12,5... 15,5 м /кг. Такая особенность процесса агломерации отмечалась неоднократно многими исследователями и связывалась с особенностями теплообмена в слое. В частности, В.И.Коротичем [6] было установлено, что потребность в воздухе на аглопроцесс определяется условиями теплообмена между газом и шихтой. Величина удельного расхода воздуха на агломерацию находится в пределах 0,35...0,45 м на кг сухой шихты или, в пересчете на горючие составляющие, 12,5... 15,5 м /кг углерода твердого топлива. При этом, содержание углерода в шихте - Сш, не влияет на эти колебания (в пределах до 5% углерода).
Вторая особенность связана с характерным повышением полноты горения углерода шихты по мере увеличения расхода воздуха. В условиях реального процесса агломерации по мере роста VJGC происходит увеличение значения пст от 1,0 до 3,0 и, соответственно, снижаются потери тепла вследствие химического недожога с 11,0 до 5,6 МДж на кг горючего углерода шихты.
Таким образом, зависимость (3.11) дополняет существующие представления о горении твердого топлива, поскольку позволяет определить соотношение СО и СО2 в продуктах горения твердого топлива при агломерации. Исходными данными для этого служат легко оцениваемые на производстве величины. Кроме того, выражение (4.6) позволяет рассчитывать удельный расход твердого топлива в зависимости от технологического режима спекания, и, в частности, от величины скорости фильтрации, обеспечивающее наиболее эффективный режим его сжигания при агломерации. Такой подход, однако, может быть использован при наличии информации о скорости фильтрации и газодинамических свойствах слоя уже на стадии подготовки шихты, т.е. данных об ее исходном гранулометрическом составе. 4.2 Совершенствование методики оценки газодинамических параметров агломерационного слоя
Одной из важнейших характеристик процесса спекания является количество воздуха, поступающего в слой - скорость фильтрации. Величина этого показателя определяет вертикальную скорость спекания и тепловые условия в зоне горения. Она зависит от газодинамического сопротивления слоя шихты и состояния тракта агломерационной машины. В свою очередь, газодинамическое сопротивление определяется порозностью слоя, гранулометрическим составом и насыпной массой шихты. Процесс спекания аглошихты характеризуется непрерывным изменением структуры слоя во времени и по высоте слоя. Вследствие последовательного протекания явлений переувлажнения и оплавления шихты, развития процессов тепло- и массообмена между газом и шихтой происходит усадка слоя шихты, меняется его порозность, а также состав фильтруемого газа. Указанные особенности в реальных условиях аглопроцесса для исследования газодинамики спекаемого слоя [6, 7] требуют проведения трудоемких теплотехнических измерений на агломашине.
