Особенности спекания агломерата у стенок спекательных агрегатов при введении в слой металлического железа Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

к.т.н. Русанов И. Ф., к.т.н. Куберский С. В., Лупанов Д. В.

(ДонГТУ, г. Алчевск, ЛНР, [email protected]),

Кумпан В. Н.

(Филиал № 12 ЗАО «ВНЕШТОРГСЕРВИС» АМК, г. Алчевск, ЛНР)

ОСОБЕННОСТИ СПЕКАНИЯ АГЛОМЕРАТА У СТЕНОК СПЕКАТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ ПРИ ВВЕДЕНИИ В СЛОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЖЕЛЕЗА

Экспериментально исследованы особенности спекания агломерата у стенок спекательных агрегатов при введении в шихту металлического железа (чугунной стружки). Установлено влияние количества вводимой стружки на температурные параметры процесса и качество агломерата.

Ключевые слова: чугунная стружка, агломерат, температура спекания, термограммы, максимальная температура в слое, качество, прочность.

Металлургия и материаловедение

УДК 669.162.262

Проблема и её связь с научными и практическими задачами. Во многих работах, в том числе и работах авторов [1, 2], отмечается, что в прибортовой зоне агломерационных машин условия протекания всех физико-химических и тепловых процессов далеки от оптимальных. В результате спечённый агломерат прибортовой зоны имеет низкое качество.

В связи с этим возникает проблема: изменить условия спекания агломерата в прибортовой зоне агломашины или же перейти на новую технологию, позволяющую в существующих условиях получить качественный агломерат. Для решения этой проблемы в работе [2] нами предложено в прибортовую зону вводить металлическое железо, например, мелкую чугунную стружку. При этом дополнительное тепло, выделяющееся при окислении металлического железа, позволит повысить температуру в прибортовом слое шихты и в результате получить качественный агломерат.

Вместе с тем для внедрения предложенной технологии необходимо установить влияние на процесс спекания агломерата количества вводимого в шихту металла. При этом необходимо оценить изменения в теплообмене процесса, а также опре-

делить максимальные температуры в слое по ходу спекания.

Постановка задачи. В работе поставлена следующая задача: на основании опытных данных оценить изменение тепловых условий спекания агломерата в пристеночной зоне агломерационной установки при введении в шихту этой зоны чугунной стружки. Установить влияние количества стружки на максимальную температуру в зоне спекания.

Изложение материала и его результаты. Опытные спекания агломерата проведены в агломерационной лаборатории кафедры металлургии чёрных металлов (МЧМ) Донбасского государственного технического университета (ДонГТУ).

Спекания проводились в металлической лабораторной чаше диаметром 150 мм и высотой 400 мм. Для уменьшения тепловых потерь в окружающую среду чаша была теплоизолирована слоем асбеста и огнеупорной глины толщиной 10 мм.

Для измерения температур по высоте слоя шихты в чаше, начиная от колосниковой решётки, через 75 мм были сделаны отверстия диаметром 10 мм, в которые устанавливались платино-платинородиевые термопары в керамических наконечниках.

Металлургия и материаловедение

Термопары вводились в слой шихты таким образом, чтобы срез наконечника находился на заданном расстоянии от стенки чаши. Температуру фиксировали многоканальным электронным потенциометром.

Составленная шихта окомковывалась в конусном окомкователе, конструкция которого разработана сотрудниками кафедры МЧМ ДонГТУ. Отличительной особенностью окомкования шихты в этом барабане является рециркуляционный режим данного процесса. При этом поток мелкой шихты движется навстречу потоку из более крупной шихты, гранулы которой являются центрами окомкования. В результате качество получаемой окомкованной шихты повышается.

При проведении исследований с введением металлического железа (чугунной стружки) в прибортовую зону спекание шихты проводилось в узком кольце толщиной около 20 мм. При этом вначале в агломерационную чашу вставлялся тонкостенный полый цилиндр диаметром 110 мм. В образовавшееся пространство между цилиндром и стенкой чаши загружалась опытная шихта, а в цилиндр — концентрат.

Загрузка в центральную часть концентрата позволяла, во-первых, оценивать ход спекания агломерата только в пристеночной зоне аглоустановки, а во-вторых, после спекания отделить полученный спёк от концентрата и оценить качество полученного агломерата.

Опытная шихта состояла из концентрата, аглоруды, известняка, топлива и возврата. Расходы материалов на одно спекание и их химический состав приведены в таблице 1.

Соотношение между концентратом и рудой в железорудной части шихты было 80:20 % при основности шихты, равной 1,3. Доля возврата в шихте составляла 20 %, а содержание углерода — 4 %.

Всего было проведено 5 серий по пять спеканий. В первой серии спекали шихту без ввода в неё чугунной стружки (базовая шихта). В последующих сериях в шихту вводили стружку в количестве от 2,5 до 10 % (с шагом 2,5 %) от массы загруженной шихты.

Таблица 1

Химический состав и расход материалов шихты

Материал Расход, кг Содержание, %

Feo6rn; СаО S1O2

Руда 0,70 61,43 0,47 6,50

Концентрат 2,82 65,10 0,20 1,60

Известняк 0,25 - 54,33 1,55

Топливо (зола) 0,23 12,00 3,30 52,80

Возврат 1,00 79,47 4,01 3,08

Всего 5,00 59,29 3,72 2,85

Чтобы исключить влияние колебаний ситового состава шихты и её химического состава на результаты спеканий, загрузку установки производили следующим образом.

Шихта в количестве, необходимом для 5-ти спеканий, окомковывалась в окомкователе одновременно. Окомкованная шихта рассеивалась на фракции < 5 мм, 5-10 мм, 10-15 мм и > 15 мм. Каждая из фракций делилась на 5 равных частей, из которых составлялась порция шихты для одного спекания. Для обеспечения равномерного распределения отдельных фракций в загруженном слое составление порции осуществлялось следующим образом. На лист плотной бумаги равномерно рассыпалась фракция, содержание которой в шихте было максимальным (фракция 5-10 мм). Затем на эту фракцию также равномерно укладывались следующие фракции в порядке убывания их содержания в шихте. В результате на листе образовывался равномерный по ситовому составу слой. Перед загрузкой в установку бумага с материалом сворачивалась в трубочку, и затем он равномерно загружался в установку.

Шихта загружалась в чашу слоем высотой 370 мм. Во время загрузки шихты в чашу по мере её наполнения в отверстия вставлялись чехлы для ввода термопар. После этого чаша ставилась на испытательный стенд и в чехлы устанавливались термопары, подключённые к потенциометру.

Зажигание шихты производилось газовой горелкой.

Металлургия и материаловедение

В первой серии экспериментов шихту спекали без ввода в неё чугунной стружки (базовая шихта). В последующих сериях в шихту вводили чугунную стружку в указанных выше количествах.

На рисунке 1 приведены термограммы изменения температуры в слое на исследовательских горизонтах при спекании исходной (базовой) шихты.

Спекание базовой шихты показало, что в слое температура на всех горизонтах на 200-250 °С ниже необходимой для спекания качественного агломерата. Как результат, выход годного агломерата крупностью более 10 мм составил менее 50 %.

На рисунке 2 приведены изменения температуры по высоте слоя при спекании агломерата с вводом в шихту чугунной стружки.

Рисунок 1 Изменение температуры слоя на исследованных горизонтах в базовых спеканиях

Рисунок 2 Изменение температуры по высоте слоя при спекании агломерата с вводом в пристеночную зону чугунной стружки в количестве: а — 2,5 %, б — 5 %, в — 7,5 %, г — 10 %

Металлургия и материаловедение

Введение в шихту чугунной стружки за счёт тепла, которое выделяется при окислении составляющих её элементов ^е, С, Si, Мп), позволяет увеличить температуру в слое на величину, пропорциональную количеству введённой стружки. Повышение максимальной температуры в проведённых экспериментах в расчёте на 1 % введённой в шихту чугунной стружки составило 40-50 °С.

Вместе с тем введение стружки приводит и к другим изменениям теплового режима процесса спекания.

Прежде всего, температура зажигания агломерационного топлива (около 800 °С) достигается в слое с небольшим запаздыванием по сравнению с базовым спеканием. Особенно это наблюдается на нижних горизонтах слоя. По-видимому, это вызвано тем, что в верхней ступени теплообмена на окисление металлического железа расходуется кислород воздуха, и в результате интенсивность горения топлива снижается.

Уравнение теплового баланса элементарного слоя в упрощённом виде при наличии в слое металлического железа имеет вид

+ От + &к = &с + Ол + Онс, (1)

где Овн — приход тепла от внешнего источника; От — тепло, выделенное при сгорании топлива, содержащегося во всех вышележащих слоях; Оок — тепло от окисления металлического железа, содержащегося во всех вышележащих слоях; Овс — тепло, задержанное в верхней ступени теплообмена; Осл — тепло, усвоенное материалом данного слоя; Онс — тепло, переданное нижележащим слоям.

Так как Осл = тс^шах, то значение максимальной температуры будет определяться зависимостью

L

qbh + qT + QaК ~ qBC ~ QHC

m ■ c

. (2)

Расчёт максимальной температуры по формуле (2) практически невозможен, так как при этом необходимо учесть нестацио-

нарность процессов, протекающих в трёх зонах во времени и по высоте слоя — зонах охлаждения агломерата, горения и нагрева шихты. Вместе с тем это уравнение позволяет провести качественную оценку влияния ввода в шихту металлического железа на максимальную температуру в слое.

Учитывая, что теплота внешнего нагрева (зажигания) расходуется в поверхностном слое, толщина которого равна примерно 50-60 мм, уже на первом исследовательском горизонте (70 мм) тепловой уровень процесса будет определяться главным образом величинами От и Оок, то есть двумя источниками тепла.

Как известно, при агломерации с проса-сыванием воздуха наблюдаются фронтальные перемещения тепловой волны (фронт теплопередачи) и зоны горения топлива (фронт пламени). Считается, что для нормального протекания процесса спекания фронт пламени должен следовать непосредственно за фронтом теплопередачи.

Введённое в шихту металлическое железо, как показано в работе [3], окисляется дважды. Первоначально оно окисляется в зоне интенсивного подогрева шихты до FeзO4, а затем, после восстановления в зоне горения до FeO, повторно окисляется в зоне охлаждения аглоспёка и подогрева воздуха до FeзO4 и Fe2Oз.

Очевидно, что если за время, прошедшее от начала спекания до достижения максимальной температуры на данном горизонте, металлическое железо в верхних слоях окислится полностью, значение Оок будет максимальным. Следовательно, на данном горизонте значение температуры достигнет максимально возможных значений. Такое возможно, когда фронтальные перемещения тепловой волны (сюда входит и тепло от окисления металлического железа) и зоны горения топлива одинаковы.

В действительности фронт пламени опережает фронт теплопередачи.

В результате элементарный слой получает меньше тепла, чем он получил бы при полном окислении железа. К тому же, как

Металлургия и материаловедение

сказано выше, соотношение скоростей перемещения тепловых волн от горения топлива и окисления железа определяет максимальную температуру слоя на горизонте.

В соответствии с принципом суперпозиции (наложения) тепловых волн итоговая температура определяется как сумма температур тепловых волн.

На рисунке 3 показано движение тепловых волн от двух тепловых источников.

Как видно из рисунка, первый максимум температуры от первого более мощного источника наблюдается при 30 с, а второй — при 90 с.

Из-за несовпадения скоростей первой и второй волн максимальная температура в первом случае достигнута на 5 с раньше, а во втором — на 5 с позже.

Показанные графики иллюстрируют принцип суперпозиции волн и хорошо объясняют распределение температур по высоте слоя, представленное на рисунке 2.

При увеличении количества металлического железа (стружки) в слое ход тепловой волны изменяется. Во-первых, повышается температура, во-вторых, волна расширяется. При этом соотношение между Qт и Qок изменяется, что приводит не только к росту максимальной температуры, но и к смещению её максимума во времени.

II ii- » v - t— '* \

/ i 1

г \ f \

i ■ А I t l • \

РА * i) *t i k i pt i

г, ri ¡1. jf ET i Ai 1 ö f— л —

0 ?0 -5 100 125

Время, сек

■ ■ ■ 1 я волна

.....е- • 2-я волна

—» - резульшрующоя волна

Рисунок 3 Движение тепловых волн от двух тепловых источников

В таблице 2 приведены данные о времени достижения максимальной температуры (ттах) на горизонтах снятия термограмм.

Анализ этих данных показывает, что на всех горизонтах максимальная температура при увеличении количества введённой в шихту стружки достигалась с разницей 0,4-0,6 мин в расчёте на 1 % роста расхода стружки в шихту.

Учитывая принцип суперпозиции тепловых волн, описанный выше, можно утверждать, что при вводе в шихту металлического железа температурный максимум не всегда совпадает с максимумом, получаемым от горения топлива. Известное определение скорости спекания как скорости перемещения тепловой волны от горения топлива в случае спекания шихты, в состав которой входит металлическое железо, является не совсем корректным.

Как показали результаты обработки термограмм, помимо описанных выше изменений теплового режима, ввод в слой металлического железа приводит к увеличению времени пребывания материалов в зоне высоких температур. Это увеличение связано с тем, что процесс окисления железа при агломерации растянут во времени и проходит в два этапа, описанных выше. В верхней ступени теплообмена с увеличением количества стружки в шихте рост температур начинается раньше, чем в слое из обычной шихты.

Время пребывания материалов в зоне высоких температур (ттах^ с увеличением количества вводимого в шихту металла увеличивается (табл. 3).

Таблица 2 Влияние содержания стружки на время достижения слоем максимальной температуры

Горизонт, мм XI тах (мин) при различном содержании стружки в шихте (%)

0 2,5 5,0 7,5 10

70 2,2 2,5 4,3 5,0 5,8

145 4,8 5,8 7,3 8,5 10,0

220 7,8 8,8 10,5 11,5 14,0

295 10,2 10,7 12,5 14,0 16,0

Металлургия и материаловедение

Таблица 3 Влияние содержания стружки на время пребывания материалов в зоне высоких температур

Горизонт, мм ттах ; (мин) при различном содержании стружки в шихте (%)

0 2,5 5,0 7,5 10

70 1,5 1,4 2,8 3,3 3,7

145 1,0 2,0 2,5 3,0 4,2

220 1,0 2,0 3,0 3,8 4,0

295 1,0 2,3 3,0 4,0 4,0

Приведённые выше изменения теплового уровня процесса спекания шихты при введении в её состав чугунной стружки положительно сказались на технико-экономических показателях процесса агломерации. Прежде всего, это касается выхода годного агломерата, который при введении в шихту стружки в количестве 2,5 % возрос почти на 20 %. При последующем увеличении содержания стружки в шихте на 1 % выход годного агломерата увеличивался практически на аналогичную величину.

Кроме того, полученный агломерат имел повышенную прочность. Этому способствовало увеличение времени пребывания аглос-пёка при высоких температурах. Спёк медленнее охлаждался, что приводило к завершению всех процессов кристаллизации расплава. В результате агломерат имел металлический блеск, его куски были хорошо оплавлены и имели повышенную пористость.

Библиографический список

Вместе с тем при введении в шихту пристеночной области металлического железа следует обратить внимание на тот факт, что время спекания агломерата увеличивается пропорционально количеству введённого металла. Поэтому количество вводимого металла должно быть таким, чтобы скорость спекания в пристеночной зоне и в остальной части спекательной машины совпадали.

Выводы и направление дальнейших исследований. При вводе в агломерационную шихту, располагающуюся у стен агломерационного агрегата, чугунной стружки условия спекания агломерата существенно изменяются, что обусловлено повышением температуры слоя и увеличением времени пребывания материалов в зоне высоких температур.

В результате изменений условий спекания шихты увеличивается выход годного агломерата из пристеночной зоны и повышается его прочность. Причём увеличение выхода годного агломерата непропорционально содержанию металлического железа в шихте.

Время спекания агломерата при введении металлического железа увеличивается, что необходимо учитывать при использовании его для улучшения условий спекания агломерата в прибортовой зоне спекатель-ных тележек агломерационных машин.

В ходе дальнейших исследований предполагается проведение опытных спеканий в условиях действующего производства для подтверждения результатов, полученных в лабораторных условиях.

1. Русанов, И. Ф. Оценка условий спекания агломерата у бортов спекательных тележек [Текст] / И. Ф. Русанов, С. В. Куберский, Д. В. Лупанов // Сборник науч. трудов ДонГТУ. — Алчевск : ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ», 2019. — № 13 (56). — С. 49-54.

2. Петрушов, С. Н. Спекание агломерата с вводом в прибортовой слой чугунной стружки [Текст] / С. Н. Петрушов, И. Ф. Русанов, С. В. Куберский, Д. В. Лупанов // Сборник науч. трудов ДонГТУ. — Алчевск : ДонГТУ, 2011. — Вып. 34. — С. 99-105.

© Русанов И. Ф. © Куберский С. В. © Лупанов Д. В. © Кумпан В. Н.

Металлургия и материаловедение

Рекомендована к печати к.т.н., доц. каф. МЧМДонГТУДолжиковым В. В., начальником ЦЛ филиала № 12 ЗАО «ВНЕШТОРГСЕРВИС» АМК Сбитневым С. А.

Статья поступила в редакцию 05.06.19.

к.т.н. Русанов I. Ф., к.т.н. Куберський С. В., Лупанов Д. В. (ДонДТУ, м. Алчевськ, ЛНР), Кумпан В. М. (Фы1я № 12 ЗАТ «ВНЕШТОРГСЕРВИС» АМК, м. Алчевськ, ЛНР) ОСОБЛИВОСТ1 СП1КАННЯ АГЛОМЕРАТУ Б1ЛЯ СТ1НОК СШКАЛЬНИХ АГРЕГАТ1В ПРИ ВВЕДЕНН1 В ШАР МЕТАЛЕВОГО ЗАЛ1ЗА

Експериментально до^джено особливост1 сткання агломерату бтя стток сткальних аг-регат1в при введенш в шихту металевого зал1за (чавунног стружки). Встановлено вплив ктько-ст1 стружки, що вводиться, на температурю параметри процесу i яюсть агломерату.

Ключовi слова: чавунна стружка, агломерат, температура сткання, термограми, максимальна температура шару, яюсть, мщтсть.

PhD in Engineering Rusanov I. F., PhD in Engineering Kuberskiy S. V., Lupanov D. V. (DonSTU, Alchevsk, LPR), Kumpan V. N. (Branch № 12 ZAO «VNESHTORGSERVIS» AISW (Closed Joint-Stock Company), Alchevsk, LPR )

FEATURES OF SINTERING AT THE WALLS OF SINTERING UNITS WHILE INTRODUCING INTO THE LAYER OF METALLIC IRON

Experimentally investigated the characteristics of sintering at the walls of sintering units while introducing into the burden the metallic iron (cast-iron shavings). There has been determined the influence of the amount of introduced shavings on the temperature process parameters and the quality of the sinter.

Key words: cast-iron shavings, sinter, sintering temperature, thermograms, maximum temperature in the layer, quality, strength.