Интенсификация производства черных металлов требует повышения объема производства агломерата и окатышей, необходимых для получения чугуна и стали. Несмотря на то, что агломерация железных руд является хорошо изученным процессом, увеличение выпуска продукции, повышение удельной производительности установок, вовлечение в производство руд различного генезиса и другие факторы способствуют выпуску агломерата невысокого качества [1-2, 5, 7]. Вклад в снижение качества агломерата вносит и агломерационное топливо, которым традиционно является коксовая мелочь.

В связи с ростом производительности, проблема дефицита коксовой мелочи приобретает все большую актуальность, вместе с тем возникает необходимость поиска новых видов агломерационного топлива. Изучение поведения новых топлив при агломерации является первоочередной задачей. Эксперименты с введением в шихту альтернативных видов твердых топлив выявили как их преимущества, так и недостатки [2, 4]. Наибольшую распространенность получил уголь антрацит, отличающийся от других натуральных видов топлива низким содержанием летучих компонентов (в среднем около 5 %) и высоким содержанием углерода. Антрацитовый штыб не требует дополнительной термической обработки, его стоимость ниже стоимости коксовой мелочи.

Однако, замена коксовой мелочи антрацитовым штыбом не равноценна. В условиях слоевого процесса большая теплотворная способность антрацита не вносит значительного вклада в приходную часть теплового баланса процесса агломерации по причине его меньшей горючести. Было установлено, что количество тепла, выделяемое сжигаемым топливом в единицу времени, в большей степени зависит от времени нахождения частиц топлива в движущейся зоне горения и его химической активности и в меньшей от калорийности топлива. Целью работы является нахождение констант скорости реакций горения углерода кокса и антрацита, расчет тепловыделения смеси антрацитового штыба и коксовой мелочи на основе данных констант. При расчете принято следующее: количество углерода в шихте 6 кг/100 кг агломерата; горение углерода происходит до диоксида углерода, реакции неполного горения и газификации не учитываются при расчете тепловыделения.

Исследовался кокс производства ОАО «Уральская Сталь» и антрацит ПАО «Южный Кузбасс». Технический анализ топлив приведен в таблице 1.

Таблица 1 Технический анализ кокса и антрацита (сухая масса)

 

	Кокс	Антрацит
Снел	82,74 %	74,86 %
Aс	15,80 %	20,80 %
Sc	0,56 %	0,24 %
Vc	0,90 %	4,10 %

 

Углеродистое вещество антрацита более аморфно, углерод кокса частично графитизирован. В результате, теплотворная способность антрацита выше. Реакции полного горения имеют вид:

Кокс

С + О2 = СО2 + 12632 кДж/кг О2                                                                                                                                         (1.1)

Антрацит

С + О2 = СО2 + 12719 кДж/кг О2                                                                                                                                         (1.2)

При расчетах использована температура 1350 оС (1623 K) – нижняя граница температуры, достигаемая в процессе при работе на коксовой мелочи. Получены следующие величины констант скорости реакций (1.1) и (1.2):

Таблица 2 Результаты расчета тепловыделения, кДж/100 кг агломерата

 

Доля углерода антрацита	Доля углерода кокса	Тепловыделение
0	1	159764
0,05	0,95	155361
0,20	0,80	142149
0,50	0,50	115727
1	0	71689

 

Результаты расчета показывают, что повышение доли антрацита в смеси от 0 до 1 влечет снижение тепловыделения в 2,23 раза. Можно сделать вывод, что в условиях агломерации большая теплотворная способность антрацита не реализуется по причине меньшей химической активности антрацита по отношению к кислороду. Проведенные лабораторные исследования по определению горючести кокса и антрацита подтверждают расчетные данные.

Эксперимент проводился в трубчатой печи при температуре 1100 оС (температура рекомендована ГОСТ Р 50921-2006). Методика эксперимента заключается в непрерывном взвешивании образца с топливом при продувке воздухом в количестве 3 л/мин. Предварительно навеска выдерживалась при рабочей температуре в атмосфере азота до достижения постоянной массы. После начала подачи воздуха, продувка велась до момента прекращения изменения массы образца. На рисунке 1 приведены построенные по результатам эксперимента кинетические кривые сжигания кокса и антрацита.

Несмотря на меньшее содержание в антраците углерода, его выгорание занимает существенно большее время – 138 минут против 116 минут для коксовой мелочи. Углерод антрацита имеет меньшую химическую активность в сравнении с углеродом кокса. Таким образом, расчет, показавший меньшую скорость взаимодействия антрацита с кислородом, подтверждается экспериментально. Антрацит не может являться полноценной заменой коксовой мелочи при агломерации железорудного сырья.

 

Список литературы

 

1.      Агломерация рудных материалов. Научное издание/Коротич В.И., Фролов Ю.А., Бездежский Г.Н. Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», 2003. 400 с

2.      Использование топлива в агломерации. Ю.С. Карабасов, В.С. Валавин. «Металлургия», 1976. 264 с

3.      Калинчак В.В., Черненко А.С. Влияние реакции взаимодействия углекислого газа с углеродом на характеристики высокотемпературного тепломассообмена пористой углеродной частицы//Физика аэродисперсных систем. 2012 г. Вып. 49. с. 54-67

4.      Куренков Д.С. Использование топлива при агломерации железных руд// Вестник МНЭПУ. 2013. Т. 6. с. 110-114

5.      Металлургия чугуна: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп./Под редакцией Ю.С. Юсфина. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. 774 с

6.      Основы практической теории горения: Учебное пособие для вузов // В.В. Померанцев. 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отд-ние, 1986. 312 с

7.      Писарев С.А., Куренков Д.С., Малышева Т.Я. Особенности поведения магнетитовых руд ковдорского месторождения в аглопроцессе//Изв. вуз. Черная металлургия. 2016. Т. 59. № 5. с. 354- 356