автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование метода расчета окислительно-восстановительных процессов при агломерации железорудных материалов на основе экспериментального изучения горения твердого топлива в слое

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ - УПИ

РГб ОД

-5 ДПР 1093 На правах рукописи

АЛЕКСАНДРОВ Андрей Витальевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОЛА РАСЧЕТА ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ АГЛОМЕРАЦИИ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В СЛОЕ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных металлов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 1993

г »

Работа выполнена на кафедре "Рудно-термических технологий" Уральского государственного технического университета - УПИ.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Е И. Коротич .

Научный консультант - кандидат технических наук,

доцент Л И. Каплун.

Официальные оппонентьс доктор технических наук,

профессор С. Г. Ератчиков; кандидат технических наук Е С. Климова .

Ведущее предприятие - УралНИИЧЫ .

" У.9" а/у>е.гя' 1993 г.

Защита диссертации состоится в " " ч на заседании специализированного совета Д - 063.14.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук Уральского государственного технического университета - УПИ.

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, К-2, Уральский госу- . дарственный технический университет - УПИ, ученому секретарю совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "

^а/^сг 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, профессор, доктор технических наук

ЕС. Ермаков

• I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. До настоящего времени агломерат остается основным железорудным компонентом отечественных доменных шихт. Существенное влияние на механизм формирования конечной структуры • и текстуры железорудного агломерата, а следовательно, и на его металлургические свойства, оказывает протекание в ходе спекания реакций восстановления и окисления оксидов железа Однако последние, в силу ряда обстоятельств (трудоемкость экспериментов, сложность и длительность анализов и т. п.), исследованы недостаточно полно, особенно в области раздельной оценки глубины развития восстановительных и окислительных реакций. Использование для анализа ОВПр экспрессных аналитических методов, например, расчета А. А. Сигова и В. А. Порхала, сопряжено с рядом трудностей, обусловленных, главным образом, отсутствием однозначных данных по составу исходных продуктов собственно процесса горения твердого аглотопли-ва и их зависимости от основных технологических параметров процесса спекания. С точки же зрения экономии энергоресурсов и экологии дальнейшее изучение процесса горения твердого аглотоплива само по себе имеет важное значение.

Нелъ работы заключалась в уточнении закономерностей горения твердого топлива от основных параметров процесса агломерации: типа, крупности и содержания твердого топлива в шихте, крупности материала шихты, скорости фильтрации газа в слое, влажности воздуха; в совершенствовании и разработке на основе полученных данных метода аналитического определения глубины протекания отдельно восстановительных и'окислительных реакций при агломерации различных типов железорудных материалов.

Научная новизна Установлены закономерности, характеризующие влияние основных технологических параметров на состав продуктов горения, температурный уровень процесса, время пребывания материала в высокотемпературной зоне (Ь>1100°С), скорость распространения фронта воспламенения, время полного выгорания частиц топлива, размер зоны горения, удельный расход воздуха на процесс и удельный выход газа, вертикальную скорость спекания. Оценено влияние на состав продуктов горения влажности засасываемого в слой воздуха. Разработана методика расчета глубины протекания отдельно восстановительных и окислительных реакций при агломерации железорудных материалов. Аналитическим способом определено количество кислорода

воздуха, расходуемого на окисление двухвалентного железа при агломерации гематитовых и магнетитовых шихт. Установлен характер изменения содержания ГеО по высоте высокотемпературной части агломерируемого слоя для различных типов железорудных материалов. Оценено влияние содержания углерода топлива и флюса в шихте на развитие ОВПр.

Практическая значимость. Результаты работы могут быть использованы при выборе оптимальных условий горения топлива, при решении вопроса замены коксика другими видами-твердого топлива, при оценке и анализе тепловой работы агломашин, при решении задач оперативного управления тепловым режимом процесса спекания-и качестэом готового продукта (по уровню развития ОВПр).

Реализация Результатов работы. Основные результаты исследований использованы в комплексной математической модели тепло- и массообмена и газодинамики, разработанной ГОШГ (ВЮШГ), при анализе тепловой работы агломерационных машин ряда аглофабрик (ЧерМК, КарМК," НЛМК); вошли в лекционные курсы и методическую литературу.

Апробатгля работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы теории и технологии подготовки железорудного сырья для доменного процесра и бескоксовой металлургии" (г. Днепропетровск, 1990г.), на 2- й научно-технической конференции"Путк- улучшения газомеханики ¡етхт" (г.Караганда, 1990г.), на республиканской научно-технической конференции "Создание и совершенствование энергосберегающих технологий"в пирометаллургии" (г.Караганда, 1988г.), на областной научно-технической конференции "Совершенствование гидродинамики газовых потоков промышленных печей с интенсификацией тепловых и технологических процессов и улучшение экологической обстановки в районах' размещения металлургических предприятий" (г.Свердловск, 1990г.).

Публикации. Основные материалы диссертации изложены в 9 печатных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, общих выводов, списка литературы (135 наименований) и приложения; изложена на 183 страницах машинописного текста, включает 38 рисунков и 8 таблиц.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ .

2.1. Состояние вопроса и постановка задач исследований

До настоящего времени*ряд специалистов продолжает характеризовать агломерационный процесс в зависимости от типа спекаемого материала и технологических условий спекания либо как восстановительный, либо как окислительный, что,на наш взгляд,совершенно неверно.

Наиболее полно ОВЛр были исследованы в работах А.А.Сигова и 3. А. Щурхала. Ими были выполнены расчеты глубины протекания восстановительных процессов для различных условий агломерации. Однако серьезным недостатком разработанной авторами методики расчета является то, что в ней не учитывается протекание окислительных процессов в верхней части высокотемпературного слоя. В связи с этим результаты расчетов нельзя признать достоверными. Позднее методика расчетов А. А. Сигова и £ А. Щурхала была усовершенствована К И. Коро-тичем, который учел, что агломерационный процесс железорудных материалов в любых условиях язляется восстановительно-окислительным. Наиболее уязвимым местом з данных расчетах является определение глубины протекания окислительных процессоз, гагда при выборе исходных данных произвольно задается величиной д0" (количество кислорода воздуха, расходуемого на окисление материала в

слое вьсе зоны горения, 7. абс.) в сироком интервале - от 1 до 32.

Одним из способов определения достоверной величины л 0" явля- , ется подбор такого ее значения, при котором расчетное отношение С0/<Х>2 в продуктах горения будет соответствовать фактическому. Реальные яе значения данных, отношений мо.гно получить .только при - экспериментальном изучении горения топлива в слое инертного материала, не осложненного никакими другими химическими процессами.

Хотя изучением процесса горения углерода топлива в агломерируемом слое занимались многие исследователи (Г. Бендеборн.С. Г. Брат-чиков, Г. Г. Ефимеяко, С.И Ефимов, А.А. Арделян, Ю.С.Карабасов, ЕС. Валавин и др.), наибольшую ценность представляют работы;двух научных скол: уральской (ЕМ. БаЗусгаш, ЕЕ Тимофеев) и украинской (А. А. Сигов, ЕА-Цурхал, Е Г. Котов). К со калению, в рассмотренных работах имеются серьезные противоречия. Это относится, в част-^тдсгп, к зависимости откосе кия СО/СО£ от содержания углерода в аг-тИ^коьциснной шихте и от скорости фильтрации газа з слое. Пси атом

трудно судить о достоверности данных тех или других исследователей, т. к. в работах отсутствует полная информация о всех условиях экспериментов. В некоторых работах пытаются судить о процессе горения углерода в слое по составу отсасываемого из слоя агломерационного газа, что совершенно недопустимо.'

В связи с этим очевидна необходимость в проведении углубленных систематических исследований процесса горения твердого агломерационного топлива с целью определения, прежде всего, влияния на состав продуктов горения его типа, содержания в шихте и крупности, скорости фильтрации газа в слое, крупности материала шихты, влажности воздуха.

'¿. 2. Методика проведения исследований

Исследования проводили на агломерационной установке, основным элементом которой является агломерационная чаша диаметром 210 мм, укомплектованная всеми необходимыми средствами контроля и управления, с поморю которых измеряли и регистрировали следующие параметры: разрежение под колосниковой решеткой," перепады давления на горизонтах по высоте слоя, перепад давления на входной диафрагме (по которому измеряли расход воздуха), температуры в слое, температуру отходящего газа, равновесную температуру сушки шихты. На оптико- акустических, газоанализаторах ГИАМ14 и магнитном газоанализаторе ЫН 5130 осуществлялся непрерывный анализ газа на содержа-, ние СО, СО2 и 0-). Наряду с автоматическим проводили анализ газа на обьемно-химическом газоанализаторе ручного действия типа . ГХИ Система автоматического регулирования в зависимости от задач исследования позволяла вести процесс агломерации либо при .постоянном вакууме, либо, при постоянной скорости фильтрации воздуха.

С учетом требований используемой методики расчета газодинамических характеристик спекаемого слоя реальных шихт проводили до-' полнительные серии опытов по определению зависимостей дР (*0 ) для исходной, переувлажненной, высушенной шихты и пирога агломерата с целью использования их для расчета газодинамических коэффициентов и К£ соответствующих зон агломерируемого елок.

По экспериментальным данным рассчитывали следующие параметры процесса: скорости нагрева и охлаждения материала на различных горизонтах по высоте слоя, максимальные 'температуры, время пребывания материала в высокотемпературной зоне (Ь>1100°С), а также плсЦ|

шади под температурными кривыми над горизонтом 1100вС, характеризующие время ( ^>И00'С ,мин* и степень перегрева ( дЬ.град) материала выше данной температуры (¡^¿^¿лЬ .град-о), вертикальную скорость спекания (ис,мм/мин), скорость распространения фронта воспламенения (и(,мм/мин), время полного горения частиц топлива на горизонтах, высоту зоны горения и удельное газодинамическое сопротивление в ней, суммарное содержание кислорода в продуктах горения топлива (10, % ), удельный расход воздуха на агломерацию (в в , кг с. в. /кг с. ш.) и удельный выход агломерационного газа (6 г , кг с. г. /кг с. о.).

Для повышения надежности экспериментальных данных осуществляли дублирование опытов - для каждых условий проводили по 2-6 опытов. Расчетная погрешность основных контролируемых параметров и показателей процесса по четырем параллельным спеканиям не превышала соответственно 1,5 и 2,5 7. (отн.).

2.3. Экспериментальные исследования горения агломерационного топлива

В результате экспериментальных исследований установлены следующие зависимости показателей процесса горения углерода топлива в слое инертного материала от воздействующих факторов.

Влияние содержания топлива

С ростом концентрации углерода, как и следовало ожидать, увеличивается содержание СО и СО2 в продуктах горения и снижается концентрация 0% (см. рис. 1,а,б,в,г,д). Что касается отношения С0/С02, то характер зависимости его от содержания углерода топлива в шихте определяется другими- факторами. Так, влияние крупности топлива иллюстрируется рис. 1, а' ,б', в', г', д\- Взаимосвязь между отношением СО/СО2 в продуктах горения твердого агломерационного топлива, содержанием углерода в шихте (Си ,%) и крупностью топливных частиц (с!т,мм) удовлетворительно аппроксимируется следующим уравнением.регрессии:

С0/С02*0л08 + 0,133Ст-0,032Сш<1 т (1)

(коэффициент множественной корреляции И0,89, среднеквадрати-чеекое отклонение Г- 0,067).

Возрастание отношения С0/С02 в продуктах горения с увеличени-

16

М

а

№

5Г в

о е

г? 4

2

0

V

а

§ ОЛ

М

V

0

а <г 8 г д

— у, • А и С

— ... Г% л Л • л

■ со. I СО, ' л £ СОг) Кг Г с У

А У «

га1 /со 9 X

<0 \ СО 1 I Л~"' л с со л

в \ с

а' * 6' г'

•

А л »

а

« 1 •

03

Рис. 1.

Содержание углерода, %

Изменение состава продуктов горения и отношения СО/СО* в них в зависимости от содержания углерода при горении коксика различной крупности в слое дробленого хромомагнезита :

крупность хромомагнезита 1,0 - 3,0 мм; скорость фильтрации воздуха 0,3 м/с; крупность коксика, мм: а,а? - 0-0,5; б,б - 0,5-1,0; в,в' - 1,0-2,0; Г,г' - 2,0-3,0; д,д'- 3,0-4,0« - ПО»: в - О»: • - СО ..»«.«.,,

ем концентрации в шхте углерода топлива соответствует общенаучным представлениям, по которым при увеличении температуры в зоне горения (с ростом С u) увеличивается и равновесное отношение СО/СО^. Возможно также более интенсивное развитие реакции С + COj - 2С0 с ростом температуры. Исключение из общей закономерности представляют результаты опытов с использованием крупных фракций топлива

Исследования показали, что с повышением содержания углерода топлива в шихте, в результате выделения большего количества тепла . в слое, время пребывания материала при температурах вышеЛЮО'С и степень перегрева его выше этой температуры увеличиваются.

Установлено, что при увеличении содержания топлива в шихте возрастает скорости нагрева шихты и охлаждения "спека". Показано, что повышение концентрации топлива в слое инертного материала (при сохранении постоянной скорости фильтрации Еоздуха на входе в слой) приводит к росту вертикальной скорости "спекания" благодаря увеличению удельной тепло-мкости газа (в результате повышения концентрации в газе СО«) и снижению удельной теплоемкости шихты и ее насыпной массы.

Размер зоны горения твердого топлива в основном определяется временем горения частиц топлива, которое зависит от количества топлива и температурного уровня процесса Поскольку эти факторы дейстзуюг в противоположных направлениях, то характер зависимости НЗГ~Г будет определяться их соотношением. В исследованиях был установлен экстремальный вид данной зависимости (с.максимумом при среднем содержании углерода в шихте).

По балансу углерода определяли удельный выход агломерационного газа (Gr, кг с. в. /кг с. ш.) и удельный расход воздуха на агломерацию (Gj, кг с. в./кг с. ш..) по формулам;

Я _£*_а.

ьг~ ¿2 СО * COz ' { )

г - г -¿S-.MaL. ,r,s

Gs'Gr Рг л£Г ' (3)

где Cm - содержание углерода в пихте (включая углерод карбонатов), Z ; ^2r> N2e - соответственно содержанке Ng в агломерационном газе и в воздухе, Z ; СО и COg - содержание в агломерационном газе монооксида и диоксида углерода, Z.

Показано, что удельный расход воздуха на агломерацию (ц выход

агломерационного газа) практически не зависит от содержания углерода в шихте. Так. при изменении содержания углерода в шихте от 2,0 до 5,32 X при использовании коксика различной крупности и скорости фильтрации воздуха, равной 0,3 м/с, удельный расход воздуха колебался в пределах 0,55-0,65 кг с. в./кг с. ш.

Влияние крупности топлива

С ростом крупности топлива уменьшается отношение СО/СОо в продуктах горения при одновременном некотором снижении концентрации 0^ (см.рис. 1). Такая закономерность, по-видимому, определяется тем, что с увеличением крупности частиц топлива (при сохранении их - массового содержания) уменьшается количество очагов горения (вокруг которых образуется восстановительная атмосфера) и, следовательно, увеличивается объем слоя, где определяшей является окислительная атмосфера, способствующая более полному (до СО2) горению углерода топлива. Влияние крупности топлива на отношение СО/СО2 в продуктах горения учтено в уравнениях множественной регрессии (1) и (5).

При изменении крупности топлива высота зоны горения меняется под влиянием' нескольких факторов, оказывавших на нее разнообразное воздействие (рис.2). В условиях умеренного теплоотвода от горящих

с>>

СО

60 АО

20

О

а в 1 УЧ' ь

V / \

1

£ 3 0 <12 3 0 1 2 СрсВниирсзмер чпсгсии коксика, мм

Рис. 2. Зависимость высоты зоны горения от крупности

коксика при разных скоростях фильтрации воздуха..

«ракции коксика, мм: 0-0,5; 0,5-1,0; 1,0-2,0; 2,0-3,0; 3,0-4,0; крупность хромомагнезита 1,0-3,0 мм; содержание углерода 3,65 2; скорость фильтрации воздуха, м/с: а - 0,2; б - 0,3; В - 0,4

частиц топлива- (при *9- 0,2-0,4 м/с) зона горения наибольших размеров достигает при использовании'мелких классов (около 1 мм). При отклонении размера частиц от среднего значения в ту или другую сторону высота зоны горения уменьшается в результате соответствующего изменения соотношения скоростей горения топливных частиц и теплопередачи в слое, вызванного увеличением скорости горения. При крупном топливе (<1т > 1мм) скорость его выгорания возрастает в результате повышения температуры. В случае применения очень мелкого топлива скорость горения растет благодаря увеличению удельной поверхности, реагирования, когда горение "захватывает" весь объем частицы, которая "работает" как "сквозная пора". Естественно, этот критический размер частицы будет определяться структурой топлива, т. е. будет зависеть от его типа.

Расчеты показали, что удельный расход воздуха на процесс горения твердого топлива в агломерируемом слое не зависит от крупности его частиц.

Влияние крупности материала

В опытах в общем виде подтверждена тенденция уменьшения величины С0/С02 с возрастанием крупности сыпучего материала, установленная Е Г. Котовым и Е А. Шурхадом. Обработка экспериментальных данных показала, что полученная зависимость аппроксимируется следующим выражением (коэффициент парной корреляции Я - -0,999): С0/С02 ~ 1,6*9 . (4)

Однако существенное влияние на эту зависимость оказывают другие факторы, среди которых отношение крупности частиц топлива и частиц материала и их количество, определяющие характер взаимной укладки этих частиц в слое и соответственно условия горения, с увеличением крупности частиц инертного материала несколько увеличивается концентрация 02 в отходящем газе С соответствующим ростом его удельного выхода.

Корреляционной связи между отношением С0/С02 в продуктах горения топлива и температурным уровнем процесса при изменении крупности материала не наблюдалось так же, как и не было установлено зависимости между крупностью материала, скоростями его нагрева и охлаждения.

Влияние скорости фильтрации воздуха

Как показали исследования, повышение скорости фильтрации воздуха приводит к увеличению отношения СО/СО2 в продуктах горения. Так, например, с ростом скорости фильтрации воздуха от 0,2 до

0,4 м/с отношение СО/СОв продуктах горения увеличилось с 0,393 до 0.611 при использовании коксика фракции 0-0,5 мм и с 0,170 до 0,265 - для коксика фракции 2,0-3,0 мм.

В результате статистической обработки экспериментальных дачных получено следующее уравнение регрессии, характеризующее связь между отношением СО/СО2 в продуктах горения твердого агломерационного топлива, скоростью-фильтрации газа (*0,м/с) и крупностью топливных частиц (с!т,мм): „ , -

Шсог*ехрШ,Ш}-2№йт-М,07»£+0МЪ-2МЩЪ) , (5) при коэффициенте множественной корреляции - 0,99 исреднеквад-ратическом отклонении 6- 0,095.

При умеренных скоростях фильтрации воздуха на входе в слой рост *0 приводит, как правило, к незначительному увеличению уровня максимальных температур, развиваемых в слое. Наиболее заметно температуры в слое изменялись при использовании крупных фракций топлива

С ростом скорости просасывания воздуха возрастает концентрация Од в продуктах горения и соответственно увеличивается его удельный расход. Так, при содержании углерода в слое хромомагнезита крупностью 1,0-3,0 мм, равном 3,66 Т., и крупности коксика 1,0-2,0 мм с увеличением скорости фильтрации воздуха с 0,2 до 0,4 м/с концентрация 0^ увеличилась с 5,99 до 8,35>, а удельный расход воздуха возрос с 0,53 до 0,60 кг с. в./кг с. ш. - на 13

Влияние влажности воздуха ■

Опыты, проведенные при меньшей влажности воздуха ("зимние" -1-3 г пара/кг с.в.), подтвердили основные зависимости состава продуктов горения и отношения в них С0/С02 от различных технологических факторов (содержание углерода в шихте, крупность топлива и материала, скорость фильтрации воздуха), полученные для "летних" опытов, с одним отличием - абсолютные величины отношения СО/СО£ были другими. При обычных условиях агломерации (при малых и нор-' мальных расходах топлива, когда зона горения состоит из одной окислительной области) увеличение влагосодержания воздуха (летом -3-14 г пара/кг с.в.) вызывает снижение концентрации монооксида углерода и отношения СО/СО£ в продуктах горения твердого топлива. Так,например,' при увеличении' влажности воздуха с 2,55 до 7,99 г пара/м'с. в. отношение СО/СО« уменьшилось с 0,732 до 0,593.

В отличие от выводов В. Г. Котова к В. А. Шурхада, считающих, что при нормальных условиях агломерации разложения влаги воздуха не

происходит, результаты расчета состава продуктов горения и степени разложения паров воды воздуха, идущего на горение агломерационного топлива, выполненного нами по данным экспериментов по изучению горения коксика в слое дробленого хромомагнезита, показали, что, хотя восстановительной области в зоне горения нет (концентрация кислорода в газе более 3%), тем не менее происходит заметное разложение влаги воздуха монооксидом углерода По данным расчетов степень разложения может достигать 10У..

Влияние типа тонлира

Анализ результатов экспериментов показал, что во всем рассмотренном температурном интервале (400-1ООО°С) численное значение величины сС 0,SCO/(0,5CO+002)100%) для тощего угля Краснобродского месторождения больпе значения реакционной способности коксика Однако . при температурах выше 800»С различие практически исчезает.

При замене коксика тощим углем выход СО и отношение CO/CO« в продуктах горения в слое инертного материала остаются примерно на том га уровне. При этом обнаруженные зависимости изменения состава продуктов горения и отношения в них СО/СО« от различных технологических факторов при использовании тощего угля подтвердили аналогичные зависимости, полученные для коксика

¡1з разнообразных факторов, по которым оценивали горение топлива в слое инертного материала (отношение CO/COj в продуктах горения, максимальные тегаературы в зоне горения, время пребывания материала при температурах выше 1100°С и степень перегрева его вы. се данной температуры, скорости нагрева и охлаждения • материала, вертикальная скорость -"спекания" скорость распространения фронта воспламенения, время горения частиц топлива, высота зоны горения, удельный расход воздуха на процесс), наибольшую ценность для после. дующего использования для анализа ОВПр имеют данные по составу продуктов горения и особенно -"по отношению СО/СО«.

2.4. Анализ развития окислительно-восстановительных процессов в железорудных шихтах при различных газодинамических параметрах процесса агломерации

Используя полученное в опытах, проведенных на инертном материале, истинное отношение CO/CO« в продуктах горения, по разработанной на кафедре металлургии чугуна УПИ методике сделаны расчеты

содержания СО и С02в продуктах'горения углерода шихты по составу агломерационного газа, отобранного при спекании железорудных шихт аглофабрик КарЩ N2), НЛМК и ЗСМК при различных газодинамических параметрах (разрежении спекания и высоте слоя). На основании полученных результатов численно определяли глубину протекания восстановительных и окислительных процессов при агломерации железорудных материалов. При этом количество кислорода, отнятого от оксидов железа при непрямом восстановлении,' (в кг/кг с.ш.) и массу кислорода воздуха, расходуемого на окисление Ре*^ материала в слое выше зоны горения, (в кг/кг с.ш.) рассчитывали по формулам:

лОа*2М-$~Ц-Ст , ■ (6)

ст . (7)

Здесь Ст - концентрация углерода топлива в шихте, кг/кг с.ш.; л СО-разность концентраций СО в продуктах горения и в агломерационном газе, X; - суммарный объем продуктов горения при сжигании 1 грамм-атома углерода шихты, моль ; К - коэффициент, учитывающий отношение СО/СО^ в продуктах горения углерода шихты(не в отсасываемых агломерационных газах); у-коэффициент, представляющий отношение объемных количеств азота и кислорода в воздухе, поступающем в зону горения углерода шхты (в воздухе Ц - 79/21 - 3,762); ¿0" -количество кислорода воздуха, расходуемого на окисление Ре** материала в слое выте зоны горения (в верхней зоне окисления), Х(абс). .Количество кислорода, отнятого'в результате восстановления от шихты, и.количество кислорода, пошедшее на окисление двухвалентного яэдеэа в зоне окисления, пересчитывали^ на массы ГеО, образующегося в результате восстановления (Ре0ь) и исчезающего в воне окисления (РеО^ ).

С целью получения количественных данных о развитии . ОВПр для различных железорудных материалов были произведены расчеты глубины развития восстановительных и окислительных процессов при агломерации с использованием данных А. А. Сигова и В. А. Шурхада*. Результаты расчетов представлены в таблице. Как видно, наша методика расчета но дает однозначных результатов - при одном и том же содержании углерода топлива (Си,*) и составе.агломерационного газа в зависимости от принятой величины 40" изменяется абсолютная величина как

» Сигов А. А., Порхал Е А. Агломерационный процесс. Киев: Техн1ка,1869. 350 с.

Таблица

Результаты расчета ОВПр при агломерации »елезорудних китерналов

Материал шихты Сщ, Содержание в агломерационном газе,% ДО", Содержание в продуктах горения, 7. Гс04, РеО,дспл. ГеОёх. РеОАМ ,

X ч СО С02 Х( абс.) СО сог СО/СО2 7. 7. % X

БурыЯ железняк РеОш- 7,2Х 5,12 1,21 6,24 17,3 0,5 1,0 2,0 3,0 4,0 10,45 11,40 13,30 15,21 17,11 13,09 12,14 10,24 8,33 6,43 0,80 0,90 1,30 1,83 2,66 10,98 13,46 18,44 23,41 28,38 18,18 20.66 25,64 30,61 35,58 2,49 4,97 9,94 14,92 19,89 15,69 15,69 15,69 15,69 15,69

Красный железняк РеОщ- 8,11 4,86 1,93 4,50 19,12 0,5 1,0 2,0 3,0 4,0 12,46 13,40 15,29 17,17 19,06 11,16 10,22 8,33 6,45 4,56 1,12 1,31 1,84 2,66 4,18 19,62 21,94 26,58 31,23 35,87 27,72 30,04 34,68 39,33 43,97 2,32 4,64 9,29 13,93 18,58 25,40 25,40 25,40 25,40 25,40

Ыагиетитовый концентрат РоОш- 25, ОХ 4,02 1,64 3,61 17,32 0,5 1,0 2,0 3,0 4,0 14,95 5,93 7,90 9,86 11,82 15,98 15,00 13,03 11,07 9,11 0,31 0,40 0,61 0,89 1,30 3,10 5,36 9,88 14,39 18,91 28,10 30,36 34,88 39,39 43,91 2,26. 4,52 9,04 13,55 18,07 25,80 25,80 25,80 25,80 25,80

> Примечание. Удельные расходы воздуха изменялись незначительно в пределах 0,46-0,49 кг с. в./кг с. и.

о

восстановительной (FeOa), так и окислительной работы (FeO|,V ). При этом суммарный результат (FeOB - РеО^ ") остается постоянным -увеличение объема окислительной работы (при увеличении ДО") компенсируется таким же ростом восстановительной работы за счет автоматического увеличения в результате расчета отношения СО/СОо в проду» ах горения углерода шихты.

¿определенность в расчете была устранена следующм образом. Достоверным принимали такое значение дО", при котором отношение СО/СО« в продуктах горения углерода шихты соответствовало полученному экспериментально в опытах при горении углерода в слое инертного материала при сопоставимых условиях проведения опытов.

Для окисленных руд (бурый и красный железняки) разумные результаты были получены при значении ДО", равном 0,5-1,0 Z, а для магнетитовых материалов - при величине ДО", равной 3-4 Z. Трудно объяснить причину такого сильного различия в объеме окислительной работы (а следовательно, и скорости окисления) при агломерации окисленных и магнетитовых железорудных материалов. В качестве гипотезы, способной объяснить и разрешить указанное противоречие, использовали схему (впервые предложенную JL Я Каплуном), по которой значительная часть работы, по окислению магнетитового материала (FeOßK ) приходится на вторую зону окисления, расположенную под зоной восстановления. Количество кислорода,, расходуемого на

окисление магнетита шихты, (в кг/кг с. ш.) определяли по формуле

' (8)

где ДО' - количество кислорода, расходуемого на окисление магнетита .шихты (в нижней зоне окисления), Z(абс.); Jbr, Hjs " соответственно содержание Ng в агломерационном газе и в воздухе, Z.

Из рис. 3, где представлены результаты расчетов развития ОВПр, следует, дао окислительные процессы распределены медду верхней и нижней зонами окисления следующим образом; в верхней зоне исчезает примерно 2,5-4,5 Z FeO, в нижней - примерно 5-8 Z FeO.

Если относительно нижней зоны окисления результаты сомнений не вызывают, то найденным из расчетов величинам 40", равным 0,5 -1,0 X, соответствуют значения FeOe 10-25 Z и FeO^ 2,5-4,5 Z, несколько меньшие полученных в результате проведения исследований с "замораживанием" спекаемого слоя (в среднем соответственно 15-30% и 10-15Z). Причиной таких различий абсолютных величин восстановительной и окислительной работ в основном является протекание реакции термической диссоциации оксида железа (III), в результате ко-

I а ¡Т^г Оагл

/

ш ттяш&хш

г / 20 [ 30 40 ге0,% ЬгОя\ ! 5

/

да

/7 .• ■ А'/,^/////'/////////////,

/ I 20.ч1 1ГеО , 1 30 40 ГеО,% Маг» 6

! Шт

ш

У///7Х*///¿////////////Л

1 I 'VI лГеО | 1 30 401Ъ0,% ГеОси 1

/

ш

и

/ 20ы 1 30

Рис. 3. Изменение содержания монооксида железа по высоте высокотемпературной части агломерируемого слоя при спекании магнетитовой железорудной шихты.

Количество кислорода, расходуемого в нижней зоне окисления (до'), %(абс.): а-0,0; 6-0,5; в-1,0; г-1,5; ¡-охлажденный агломерат; Н-верхняя зона окисления; II1-зона восстановления;IV-нижняя зона окисления; У-исходная шихта; цифры у кривых обозначают величину 40",%

торой при максимальных температурах в слое 1350 -1450°С появляется от 4 до 77. РеО. Дополнительный кислород, образующийся при диссоциации Ре^0_у и поступающий в зону горения, вызывает соответствующее снижение ("маскирует") истинного значения количества кислорода, расходуемого в верхней зоне окисления. Причем, как показали расчеты, при появлении 5-6 1 РеО количество этого кислорода, перешедшего в газовую фазу, составляет 1 абс.) и более. Поэтому достоверными.считали результаты, полученные для величины 40",равной 2-3 2(абс.), при которой расчетные и экспериментальные данные практически становились одинаковыми. Объем яг окислительной работы в нижней зоне окисления (в шихте) от величины 40й не зависит (рис.3).

, С целью установления более точных количественных зависимостей, характеризующих влияние содержания углерода топлива и флюса на глубину развития ОБЩ) при агломерации железорудных материалов, по предложенной методике были проведены расчеты с использованием соответствующих экспериментальных данных А. А. Сигова и В. А. Щурха-

да. Влияние содержания углерода топлива в шихте на развитие ОБЩ) рассматривали для неофлюсованных шихт. Как и следовало ожидать, с ростом содержания-углерода в шихте для всех типов желе. зорудных материалов увеличивается объем восстановительной работы -увеличивается количество образовавшегося при восстановлении Ке*^ (ГеО| ) (рис.3) и соответственно количество ГеО в расплаве (РеО^дем). При этом установлено, что объем окислительной работы (РеО« ) практически не изменяется.

Введение в состав аглошихты флюса (известняка) приводит к обратному результату - уменьшению объема восстановительной работы (РеО>) (рис.Б); соответственно снижается и количество РеО в расплаве. При этом объем окислительной работы изменяется незначительно. Главной причиной, вызывающей снижение степени развития восстановительных процессов, является значительное уменьшение количества оксида углерода, образующегося при горении топлива шихты, несмотря на существенное возрастание удельного расхода воздуха на процесс и соответствующее, возрастание удельного выхода агломерационного газа Как следует из рис. 4 и 6, наблюдается строгая корреляция между указанными параметрами. Выделение в газ СО^ при диссоциации известняка вызывает дополнительное снижение скорости восстановления оксидов яедеза

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведения большого количества тщательно поставленных экспериментов установлены зависимости показателей процесса горения агломерационного топлива (отношение СО/СО<& в продуктах горения, максимальные температуры в зоне горения, время пребывания материала при температурах выше 1100»С, вертикальная скорость спекания, удельный расход воздуха на процесс и др.) от типа, содержания и крупности твердого топлива, крупности материала шихты и скорости фильтрации газа в слое.

Увеличение влагосодержания воздуха вызывает снижение концентрации СО и отношения СО/СО^ в продуктах горения твердого топлива Цри обычных условиях агломерации в зоне горения происходит заметное (до 10Х) разделение паров воды воздуха монооксидом углерода

Для наиболее типичных условий агломерации( содержание углерода 3-4Х, крупность топлива 0,5-2,0 мм, скорость фильтрации газа 0,2-0,4 м/с) отношение .СО/СО^ в продуктах горения составляет

ОМ

0,12

5

ч» 0,10

§ о,ог

•< №

Г1 о,И

0,02

0

а /

/

/ /

А р/

1/

»

3 4 5

"Ш>

6 7 %

3

Рис.4. Зависимость абсолютного количества СО в продуктах

горения топлива (а) и концентрации вновь образующегося ГеО в восстановительной зоне (б) от содержания углерода в агломерационной сихте : о - бурый железняк; • - магнитный железняк; ® - красный железняк

30 :о

Сэ

«г

1 1 1 I

■V

\

м гч

£0

4!

v,

с? л

£ 23

1!

i I

/ /

/\ / Г

л У

*

О 1й 20 30

Са2ерхани! ол-!Н,в/в кс. 5. Зависимость количества образу-щегося ГеО в восстановительной зоне т содержания флюса в агломерацион-ой пихте :

' - красный железняк; Са - 4,22; | - магнитный лжлезняк; Сщ - 5,72

• 0 0,02 0,09 0,10

кг СО/КГ С. ¡я. Рис. 6. Зависимость количества образующегося ГеО в восстановительной зоне от абсолютного количества СО в продуктах горения топлива. Неофлюсог-анная пихта: о-бурый яелезняк;®-красный железняк; ■-магнитный железняк; офлюсованная пихта: »-красный железняк;»-магнитный яелезняк

0,4-1,0 (с учетом расхода части образовавшегося СО на разложени< паров воды воздуха).

Усовершенствована методика расчета глубины протекания восстановительных и окислительных процессов, позволяющая получать достаточно надежные результаты. Установлено, что глубина протекания окислительных процессов при агломерации железорудных материалов сравнительно мало зависит от различных технологических факторов. Так, в зоне окисления расходуется (с учетом термической диссоциации Ре»^) 2-ЗХ(абс.) кислорода воздуха на окисление двухвалентного железа при агломерации окисленных железорудных материалов (бурый и красный железняки) и 3-42(абс.) кислорода воздуха (в верхней и нижней зонах окисления) при агломерации ма^нетитовых концентратов, что соответствует убыли примерно 9-15% РеО в зоне окисления спека и 5-81 РеО в зоне окисления магнетита шихта

Определяющее влияние на суммарный результат развития ОЗПр оказывают процессы восстановления'оксидов железа, глубина протекания которых зависит от количества СО, образующегося при горении углерода топлива Масса СО в продуктах горения, в свою очередь,зависит от содержания углерода топлива в шихте и отношения СО/СО2 в продуктах горения.

Результаты проведенной работы дата возможность определять расчетным путем количество двухвалентного железа в зоне плавления (оказывающего решающее влияние на механизм формирования железорудных агломератов) и тем самым, сознательно подойти к созданию научно обоснованной технологии производства высококачественного окускованного железорудного сырья.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Исследование газодинамических характеристик спекания лисз-ковских концентратов при повышенном разрежении / А. В. Александров,' Е. П. Каргаполов, М. О. Евтушенко и др. // Повышение эффективности способов получения металлов и сплавов,. создание новых материалов, технологий и машин, улучшение качества металлопродукции: Тез. докл. восьмой научно-технической конференции УПИ им. С. М. Кирова Свердловск, 1988. С. 29.

2. Автоматизированная лабораторная установка для исследования агломерации железных руд / А.Е Александров, Е. П. Каргаполов, К А-Ех

чегов и др. // Там же.^с. 30. _________________

'3. Александров А.В.,Тарасов В.Б. .Каргеполов Е.Я. Расчет газо-

< к

динамического сопротивления спекаемого слоя // Создание и совершенствование энергосберегающих технологий в пирометаллургии: Тез. докл. научно-технической конференции. Караганда, 1988. С.о.

4. Расчет газодинамических характеристик агломерируемого слоя: Методические указания / А.В.Александров, Л.И.Каплун, В.И.Коротич и др. Свердловск: УПИ,1989. Ü9 с.

ö. Александров A.B., Каплун Л.Я., Герасимов Л.К. Исследование газодинамики спекания шихт аглофабрик ЧерМК, Кар.',{К, ШШК, ЗСМК // Совершенствование гидродинамики газовых потоков промышленных печей с интенсификацией тепловых и технологических процессов и улучшение экологической обстановки э районах размещения металлургических предприятий : Тез. докл. научно-технической конференции. Свердловск, 1990. С.22-23.

6. Исследование влияние разрежения и высоты слоя шихты на показатели процесса и качества агломерата / А.В.Александров, Л.И.Каплун, Л.К.Герасимов и др.// Там же. С.24-25.

7. Каплун Л.Л., Александров A.B., Герасимов Л.К. Экспериментальное исследование процесса горения твердого агломерационного топлива. // Проблемы теории и технологии подготовки железорудного сырья для доменного процесса и бескоксовой металлургии: Тез. докл. Всесоюзной научно-технической конференции. Днепропетровск: ДМЕТИ, 1990. С.74.

8. Александров А.З., Каплун Л.И., Герасимов Л.К. Исследование газодинамики, тепломассообмена, показателей процесса и качества агломерата при спекании шихт ЧерМК, КарМК, FJIMK, ЗСМК в высоком слое при повышенном разрежении // Там же. С.93-94.

9. Александров А.З., Каплун Л.И. Влияние расхода, крупности твердого топлива и скорости фильтрации газа на показатели горения // Пути улучшения газомеханики пихт: Тез. докл. 2-й научно-технической конференции. Караганда, 1990. С.50.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

ОВПр - окислительно-восстановительные процессы; с.в. -сухой воздух; с,г. - сухой газ; с.ш. - сухая шихта; Нзг - высота зоны горения, им; реакционная способность тсллива, %; 2 - суммарный.

Индексы

агл - агломерат; г - газ; т - топливо;

в - воздух; м - материал; ш - шихта .

Подписано в печать ОЭ.03.93 Оормат 60x84 1/16

бумага "дасзая; Плоская печать Усл.п.л. 1,39

Уч.-изд.'л. 1,22 Тирад 100 Заказ 145 Бесплатно

Редавднонно-издательский овдел УГТУ-УПИ. 620002, Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 8-й.учебный корпус Ротапринт УГТУ-УПИ. 620002, Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 8-й уч.кори