1. Температурно-тепловой режим спекания шихты: термограммы по высоте слоя и их характеристики.

Спекание – это самопроизвольное уплотнение пористого тела, обусловленное уменьшением свободной поверхностной энергии за счет сокращения или ликвидации пор путем их заполнения или вытеснения на поверхность.

Тепловая работа любой печи характеризуется рядом показателей, важнейшими из которых являются тепловой и температурный режимы, производительность печи, удельный расход топлива и коэффициент полезного действия. Тепловой режим характеризует изменение во времени тепловой нагрузки, т.е. количества теплоты, подаваемой в печь в каждый момент времени, а температурный режим представляет собой изменение температуры печи во времени или по длине печи.

Температурный режим работы вращающихся печей не изменяется во времени, индивидуален для каждого вида технологического процесса и в значительной мере определяется химическим и фракционным составом перерабатываемых материалов. Обычно его устанавливают опытным путем и организуют таким образом, чтобы в печи строго соблюдался график нагрева шихты, соответствующий технологии данного процесса.

Термограмма горения - это зависимость температуры в фиксированной точке шихты от времени при набегании волны горения. Простейшая термограммасостоит из восходящего участка, точки с максимумом температуры (температура горения) и нисходящего участка (остывание). На более сложных термограммах имеются изломы, перегибы, плато (изотермические площадки). В неустойчивых режимах горения на термограммах фиксируются колебания температуры на восходящем участке.

Распространение горения и прогрев нижележащих слоев происходит одновременно и непосредственно связаны между собой. Интенсивный процесс химического превращения не может проникнуть в предварительно не прогретую зону слоя, так как переходит в кинетическую область и практически прекращается вследствие температурного торможения. С другой стороны, тепловая волна зоны сушки не может “оторваться” от поддерживающего ее теплового источника, каковым является зона экзотермической реакции. В целом скорость спекания определяется совокупностью физико-химических характеристик реагентов.

В спекаемом слое существуют две явно выраженные зоны теплообмена: над зоной горения твердого топлива, где тепло готового агломерата передается просасываемому холодному воздуху, и под зоной горения, где теплом горячих газов нагревается не спеченная шихта. Движение газового потока через спекаемый слой, таким образом, определяет перемещение зоны горения и теплообмен в слое. Фильтрация стимулируется не только градиентом давления, но и воздействием со стороны протекающих в слое реакций, активно потребляющих окислитель и выделяющих газообразные продукты реакции.

Известно, что высота спекаемого слоя существенно влияет на качество получаемого агломерата и в целом на технико-экономические показатели аглоустановки. Но с увеличением высоты слоя возникает проблема обеспечения требуемой газопроницаемости и сохранности структуры гранул. Особенно в начальный период спекания, пока не сформировались условия основного периода спекания. Здесь проявляется отрицательное влияние на газопроницаемость процесса переувлажнения и усадки слоя.

При укладке шихты на спекательные тележки в верхние горизонты слоя ложится наиболее мелкая часть окомкованной аглосмеси, имеющая наибольшую удельную поверхность и содержащая наибольшее количество влаги. В результате этого при прямом контракте высокотемпературных (1100-1200°С) газов и холодной (20-30°С) шихты происходит быстрое испарение влаги в верхних горизонтах слоя. Образуется парогазовая смесь с высоким влагосодержанием и температурой, которая уносится в нижележащие горизонты слоя и подогревает шихту. После охлаждения парогазовой смеси излишняя влага конденсируется на холодных гранулах, что приводит к негативным последствиям. Образуется переувлажненный слой, что приводит к частичному разрушению структуры гранул и снижению газопроницаемости. Механизм конденсации влаги при агломерации изучали многие ученые.

Принято считать, что начальная стадия, агломерации длится от начала зажигания твердого топлива в шихте до завершения формирования основных зон в агломерируемом слое. При этом процессы изучаются в низкотемпературных зонах не в течение всего времени агломерации, а лишь за период спекания верхней части слоя, считая, что после того, как в спекаемом слое сформированы основные зоны, процесс теплообмена в этих зонах и в зоне сушки стабилизируется. Признаком окончания начального периода спекания принято считать прекращение падения температуры отходящих из слоя газов. Такая методика не позволяет рассмотреть некоторые особенности механизма образования и развития зон сушки, конденсации и переувлажнения, имеющие свое развитие в середине и даже в конце аглопроцесса. Кроме того, не изучено влияние свойств аглосмеси и условий спекания на параметры зон сушки, переувлажнения и конденсации. Большое значение для формирования низкотемпературных зон имеет наличие топлива в шихте.

Сравнение термограмм низкотемпературного нагрева инертной шихты и шихты, содержащей твердое топливо, показывает, что они имеют существенное различие. Термограммы первых шихт имеют явно выраженный экстремум с последующим снижением температуры по экспоненциальному закону. Причем, максимальная температура на нижнем горизонте не превышает температуру вышележащего слоя в рассматриваемый момент времени.

Термограммы слоя шихты, содержащей твердое топливо, имеют следующую особенность. В начальный период агломерации (через 1,5 минуты после начала зажигания) термограммы имеют такой же вид, как и для слоя инертного материала. Затем на всех уровнях наблюдается возрастание температуры, максимальное значение которой приближается к первой точке экстремума в верхних горизонтах и превышает это значение в нижних горизонтах.

При изучении механизма образования зон конденсации и переувлажнения особое внимание было обращено на установление в этих зонах равновесной температуры, то есть такой, при которой температура отходящих газов, насыщенных парами воды, будет равна температуре шихты. При определении момента установления температурного равновесия между шихтой и отходящими газами учли, что конденсация влаги в слое носит поверхностный характер и постоянство температуры газов еще не свидетельствует об установлении равновесия. Прямые измерения влажности шихты в нижних горизонтах слоя показали, что процесс конденсации влаги в агломерируемом слое не заканчивается на начальной стадии агломерации до сформирования всех зон, а распространяется и на основную стадию. Причем, многократного чередования процессов сушки и конденсации не наблюдается.

Исследования показали, что для устранения отрицательного влияния зоны переувлажнения на начальную газопроницаемость слоя шихты её достаточно нагревать до 50 – 60°С, а не 70 – 80°С, как рекомендует ряд исследователей. Об этом свидетельствует и характер усадки агломерируемого слоя.