РАСЧЕТ НАГРЕВА БРИКЕТОВ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ С ЦЕЛЬЮ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ШИХТЕ ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ
Источник: Сборник научных трудов студентов физико-металлургического факультета ДонНТУ — Донецк, ДонНТУ — 2009.
Производство металлизованного сырья из техногенных отходов – наиболее динамично развивающаяся часть мирового рынка металлошихты для нужд черной металлургии. Наиболее перспективны процессы на основе печи с вращающимся подом RHF (“Fastmet”, “Fastmelt”, “ITMK3”), но для их реализации требуются значительные инвестиционные затраты. Поэтому актуальна менее затратная технология углетермического восстановления брикетов, полученных из техногенных отходов (окалина, пыли и шламы сталеплавильного производства) с использованием нагревательной печи, доступная металлургическим предприятиям Украины.
В настоящей работе выполнен расчет нагрева брикета в камерной печи, который является составной частью разрабатываемой технологии. Принято граничное условие 2-го рода (постоянство температуры в печи) и выполнено решение при заданных теплофизических параметрах брикета (теплопроводность=1,74 Вт/(м.К), плотность=2,6 т/м3, С=850 Дж/(кгК ), tпечь=1250 градусов Цельсия, размеры брикета 70х70х70мм).
Решение для середины (оси) брикета (х=0), половины толщины (х=0,5S) и поверхности брикета (х=S), выполненное в среде программирования Mathcad, приведено на рисунке.
Рисунок – Динамика нагрева брикета в печи. Зависимость температуры, t оси (х=0), половины толщины (x=0,5S) и поверхности брикета (x=S) от времени (тау), с.
Согласно полученному решению, температура на оси брикета достигает значения, при котором возможно начало процесса углетермического восстановления оксидов железа (700-750 градусов Цельсия) примерно за 8-10 минут. Температура, соответствующая эффективной газификации угля (1000 градусов Цельсия), которая обеспечивает процесс восстановительным газом, достигается на оси брикета за 15-20 мин. При этом условия в слоях брикета, расположенных ближе к его поверхности, будут более благоприятными для процесса восстановления. Температура поверхности брикета, ввиду его невысокой теплопроводности, достаточно быстро (за 5-7 минут) достигает температуры рабочего пространства печи, что позволяет при дальнейшем анализе процесса нагрева использовать граничное условие 1-го рода (постоянная температура поверхности брикета) вместо граничного условия 2-го рода (постоянная температура печи).
Анализ, выполненный выше по методике расчета нагрева изделий без внутренних источников тепла, не в полной мере отражает процесс углетермического восстановления рудо-угольных брикетов. Для приближения его к реальности необходимо принять во внимание выделение тепла слабо экзотермических реакций восстановления оксидов железа Fe2O3+3CО=2Fe+3CO2 и FeO + CО=Fe+CO2 , а также существенное поглощение тепла при протекании эндотермического процесса газификации угля СO2 + C=2CO. Общий тепловой эффект этих реакций в зависимости от конкретных условий составит –(1-2) МДж/кг брикетов.
Дальнейший анализ процесса нагрева брикетов с учетом внутреннего источника тепла выполнен для граничного условия 1-го рода (постоянная температура поверхности брикета). Для грани брикета, лежащей на огнеупорном поддоне, задавали условия адиабатности.
Учет теплоты физико-химических процессов в брикете существенно корректирует полученные результаты и требует корректировки продолжительности процесса металлизации брикета до 90-100 мин для брикета размерами 70х70х70мм.
Максимальный тепловой поток имеет место в первые 2-3 минуты нагрева (100-330 кВт/м2) и затухает как во времени, так и от поверхности брикета к его центральной области. Информация о величине теплового потока полезна для расчета термических напряжений в брикете, которые могут привести к его разрушению при нагреве.
В результате углетермического восстановления обеспечиваются показатели, приемлемые для использования брикетов в качестве частичного заменителя металлолома в ДСП: степень металлизации не менее 80% при содержании металлического железа в брикете не менее 70-75% и прочность на раздавливание не ниже 6 МПа. Для покрытия энергозатрат на процесс удельный расход природного газа составит, по предварительной оценке, 190-200м3/т брикетов и может быть снижен на 15-20% при использовании рекуператора для подогрева воздуха теплом продуктов горения.