LibRar.Org.Ua — Бібліотека українських авторефератів

Загрузка...

Головна Технологія металів. Машинобуд. → Поліпшення металургійних властивостей залізорудних окускованих матеріалів для підвищення ефективності виплавки металу

обкотишів, кг/м3; - порізність шару, част. од.; Соб. – теплоємність обкотишів, Дж / (кгК); tок = tок (х, τ) – функція розподілу температури обкотишів по висоті шару, 0С; τ – час, с; αV – об'ємний коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м3 К); tг - температура газу по висоті шару, 0С; Q1 – теплота реакції окислення магнетиту, що виділяється в одиниці об'єму шару, Вт/м3; Q2 – теплота реакції розкладання вапняку, що поглинається в одиниці об'єму шару, Вт/м3; Q3 – теплота реакції окислювання вуглецю, що виділяється в одиниці об'єму шару, Вт/м3.

- диференційне рівняння, що описує видалення залишкової гігроскопічної вологи в шарі обкотишів:

(2)

де - схована теплота пароутворення води, Дж/кг Н2О; - функція розподілу масової частки вологи в обкотишах по висоті шару; tвип.=1000С – температура випару вологи.

Приймаємо, що при наявності вологи в обкотишах, (при >0), уся теплота, яка підводиться до ціх обкотишів, йде на випар Н2О. При цьому обкотиші знаходяться при температурі 1000С. Цей процес визначається рівнянням (2). Після видалення усієї вологи, коли , нагрів обкотишів описується рівнянням (1).

- модель окислювання магнетиту. Напрямок реакції визначається різницею концентрацій кисню біля поверхні обкотиша і рівноважною концентрацією, що обумовлюється пружністю дисоціації гематиту і залежить від температури. Для опису процесу окислювання обкотишів використовується математична модель (3). Відповідно до цієї моделі реакція окислювання протікає від поверхні обкотиша до його центру і визначається масообміном на поверхні обкотиша і швидкістю дифузії кисню з поверхні обкотиша до неокисленого ще ядру, а також швидкістю протікання реакції окислювання:


, (3)

де V - швидкість реакції окислювання магнетиту, моль Fe3O4/c; rм(t) – радіус ядра ще неокисленного магнетиту, м; rок = - радіус обкотиша, м; Р – загальний тиск газу, Па; - рівноважна об'ємна концентрація О2, моль/м3; - об'ємна концентрація О2 у поверхні обкотиша, моль/м3; Ro – універсальна газова постійна, Дж/(мольК); Тоб.=tоб.+273 – температура обкотиша, К; kr – швидкість хімічної реакції окислювання магнетиту, м/с; - коефіцієнт масовіддачі на поверхні обкотиша, м/с; p = 3,1416.

На практиці вміст О2 у газі, що проходить через шар обкотишів у зоні обпалу, складає 10-15%. Звідси витікає, що дисоціація гематиту реально буде відбуватися при температурах вище 13000С. Тому рух границі реакції визначається рівнянням

, (4)

де e1 – пористість обкотишів, част. од.; - молекулярна маса Fe3O4, моль;

Ступінь окислення обкотишів визначається в процесі розрахунку як

(5)

- модель дисоціації вапняку. Для застосування цієї моделі до розкладання вапняку в обкотиші використовується допущення, що процес дисоціації СаСО3 в обкотиші протікає так само, як і в шматку чистого вапняку, але з урахуванням його масової частки р2. Таким чином, швидкість реакції дисоциаціі вапняку в обкотишах визначається по рівнянню:

, (6)

де - швидкість реакції розкладання вапняку, моль/с; - рівноважна об'ємна концентрація СО2, моль/м3; - об'ємна концентрація СО2 на поверхні обкотиша, моль/м3; - коефіцієнт масопереносу СО2 на поверхні обкотиша, м/с; r1(t) – радіус ядра, що містить вапняк, який нерозклався, у момент t, м; К1 – константа реакції розкладання вапняку, с-1; k1 – швидкість хімічної реакції розкладання вапняку, м/с; - коефіцієнт дифузії СО2 у повітрі, м2/с.

- переміщення границі реакції визначається аналогічно (4):

, (7)

- ступінь дисоціації вапняку в обкотиші розраховується в процесі обпалу по формулі виду:

(8)

- модель окислювання вуглецю. Взаємодія твердого вуглецю з киснем, СО2, Н2О і їх сумішами відносяться до гетерогенних процесів типу газ-тверде і включають стадію масообміну між ядром газового потоку і реакційною зоною, а також стадію хімічної реакції. При термообробці рудовуглецевих обкотишів в окисному середовищі можливе протікання наступних реакцій: відновлення оксидів заліза твердим вуглецем; горіння вуглецю в поверхневому шарі; окислювання заліза і його оксидів; догорання в газовій фазі. У реальних умовах приведені реакції протікають неодночасно. Послідовність протікання цих реакцій, можна представити в кілька етапів. Перший етап - нагрів вуглецьмістячих обкотишів до температури початку запалення твердого палива. У цей період протікає реакція окислювання магнетиту. Другий етап (700-800С) – це запалення твердого палива і початок відновної дії вуглецю в умовах відсутності кисню (усередині обкотиша). У третьому етапі відбуваються основні процеси масообміну, в тому числі відновлення оксидів заліза до вюстита. При опису фізико-хімічних процесів в обкотиші передбачається, що реагування має об'ємний характер, причому частка обсягу, що приймає участь у процесі, прямо пропорційна константі швидкості реакції. У той же час в одиничній часточці палива реагування має фронтальний характер, тобто ступінь завершення процесу може бути виражена через радіус частини гранули, що прореагувала. Тоді швидкість виділення теплоти в одиниці об'єму обкотишів буде мати наступний вигляд:

(9)

де q3 – теплота реакції окислення вуглецю, Дж/кгС; N1 – кількість обкотишів в одиниці об'єму шару, м-3.

У реальних умовах обпалу обкотишів, отриманих з добавками твердого палива, горіння вуглецю відбувається при Т=700-800С, а середній розмір куска твердого палива складає менш 50мкм, що створює умови для реалізації кінетичного режиму процесу горіння вуглецю, яке відбувається у всьому об'ємі. Частку твердого палива приймаємо форми кулі і її поверхня буде описуватися рівнянням:

S=4π(3V/4π)2/3 (м2), (10)

де радіус частки виражений виходячи із рівняння її об'єму.

Приймаємо, що об'єм частки твердого палива є пропорційним масі ( через питому вагу) і уводячи коефіцієнт К1, який дорівнює (К1=4πρ), одержуємо вираження, що поєднує величину поверхні частки з ії масою: S=К1·m2/3

Тоді, швидкість горіння часточки вуглецю для прийнятих умов буде описуватися рівнянням: Vc=kc сО2 К1·mс2/3(τ) (11)

- оцінка якості спікання обпалених обкотишів. При обпалі обкотишів відбуваються процеси спікання багатокомпонентних систем дрібнодисперсних матеріалів. Вони в значній мірі визначають якість кінцевої продукції. Для оцінки ступені завершення процесу обпалу був використаний інтегральний температурно-часовий показник:

(12)

де t0 – температура початку твердофазного спікання.

Для рішення задачі тепломасообміну в шарі обкотишів застосован метод кінцевих різниць. Порівняння експериментальних і розрахункових даних щодо температури обкотишів, а також ступеню окислення і дисоціації наведені на рис. 1. Таким чином, ступінь окислення магнетиту і дисоціації вапняку, а також ступінь використання вуглецю є критеріямі, які визначають якість обкотишів. Їх комплексний вплив на показники якості знайшов рішення в