摘要 对磁铁矿石球团进行了单球干燥实验，结果表明：球团的干燥过程包括很短的恒速段与较长的降速段。把屋脊形斜面上球团的干燥按物料移动型穿流式干燥处理，对球团的干燥过程解析得到：影响球团干燥过程的主要因素有干燥床面积、球团料层厚度、球团初始含水量、干燥气的温度、流量等。

关键词 磁铁矿石球团 干燥

1  前  言

      研究表明：球团干燥不仅是球团竖炉的第一个加工单元过程而且是最重要的处理过程之一。但是对干燥床上球团的干燥过程的研究大多是定性分析，而且结合球团竖炉工艺全过程的研究还未见报道。本文结合球团竖炉全过程，以某钢厂球团厂实际生产状况下的干燥数据进行干燥过程的解析，找出影响球团干燥的主要因素，为球团干燥提供可靠的理论依据。

2  干燥过程解析

2．1实验

2．1．1实验装置

    实验装置如图1所示。样品球团放人铂丝吊篮内，用铂丝吊至电炉内恒温区，铂丝上部与天平相连，电子天平的读数反映的是吊篮和样品球团的总重量。电炉温度的控制通过WT一85型温度程序控制仪和ZK一0型可控硅调整器来实现的。氮气作为干燥介质，考虑到通常使用的氮气纯度不高，水分较大，在氮气入炉前，先经过一气流干燥装置以满足干燥要求。

2．1．2实验方法

    实验所用球团取自球团厂球团样品。在不同温度、不同氮气流速条件下分别记录球团试样质量随着干燥时间的变化而变化的情况，并进行球团质量测定。考虑到铂丝吊篮体积相对于球团较大，测定时以三个球为一组同时放入吊篮。

2．2干燥曲线

2．2．1球团干燥曲线

    将干燥数据整理得到如图2所示的干燥速率曲线。由图2可知，在球团爆裂温度以及允许的流速范围内球团干燥过程由较短的恒速段和较长的降速段组成。

2．2．2干燥床球团干燥

  球团在干燥床上有秩序地依次移动前进，与来自导风墙出口与焙烧、预热带出口的混合气体作错流流动接触，属物料移动型劳旋式于燥。

  2．3干燥过程解析

2．3．1恒速干燥

  穿流床恒速干燥简图示于图3。

  对图3所示的床层总的干燥速率应为：

  Rc=Gg·(H₂一H₁)

    =Gg·G_H1(T_g,in一T_g,out)／△H    (1)

  对床层作热量与质量衡算可得：

    Gg·Gg·(一dT_g)=h·a·(T_g一T_w)。dL

    Gg·dH=Ka·(H_w一H)=ρ_s·(一dC/dτ)·dL  (2)

式中：

   C一球团料层局部湿含量，kg水／kg绝干料；

    C_g—气体的比热，kJ／kg·℃

    G_g一气体的质量流速，kg／m²s

    h_a一体积对流给热系数，W／m³ K

    H_l、H₂、H_W一初始、终了、湿球温

    度下气体湿含量，kg水／kg绝干气

    Ka一干燥过程阻力系数

    L一干燥床层厚度，m

    T_g、T_g,in、T_g,out、T_w一床层中、进口、出口、湿球温度，℃

    ρ_s一球团堆积密度，kg／m³；

    ΔH一水的汽化潜热，kJ／kg如果令Cg=Cg,in，对上两式积分得：

由(3)式得到床层中干燥气体温度：

对式(2)积分可得：

   Ρ_s(C₀-C)=ha(Tg－Tw)τ/ΔH

当对应热气体温度T_g,in时，床层底部水含量为C_l时：

  床层平均临界水含量ω_c应为C₁=C_C时的平均湿含量。当ω=ω_c时，床层进入降速干燥段。则：恒速干燥所需时间为：

    τ_c=ρ_s·L·(ω_l一ω_c)／Rc       (9)

2．3．2降速干燥

  根据对穿流式干燥研究，通过降速干燥时间图解积分图，只要已知物料的临界湿含量ω_c、恒速干燥速率Rc及传递单元数N_T，即可由图中查到当物料水含量为ω时的降速干燥速率R_D，而由不同的ω可求得不同的R_D，由此而可获得不同的一dτ/dω。将不同的一dτ/dω与相对应的ω作图解积分，即可求得降速干燥所需的时间。

     dω/dτ =－R_D /ρsL             (10)

2．3．3穿流干燥中的体积给热系数

    穿流干燥中的给热系数可以从下式中求得：

h/(G₀·C_H)=2.41·Re^-0.51,Re＜350

h/(G₀·C_H)=1.31·Re^-0.41,Re＞350

Re=d_p·G₀/μ_g

α=6(1-ε)/d_p

这里，d_p一球团直径，m；

    Re—雷诺数

    μg一气体粘度，Pa·s

    ε一床层空隙率

2．3．4穿流干燥的干燥面积

   W·τ=S·L·ρ_s        (12)

式中：

  S一干燥床面积，m²；

  W一干球流量，kg／s

2．3．5降速干燥阶段的球团料层温度

    降速阶段的干燥曲线可以近似于直线式的降速干燥曲线。则降速干燥速率应为：

 RD=W/A·〔-dw/dτ〕=Rc·F/Fc

这里，A一气固接触面积，m²；

    F=ω一ω_c；

    Fc=ω_c一ω_e

    —dω=－dF

  假设料层内部无温度梯度存在，则降速干燥阶段的球团料层温度可计算如下：

 h·a·A·(Tg,in－Ts)dτ=W·(－dω)·ΔHs+W(Cs+Cω·W)dTs    (14)

这里，Cs一球团的比热，kJ／kg·℃

    Cω一水的比热，kJ／kg·℃

    △Hs—平均汽化潜热，kJ／kg

联立方程(13)与(14)可得：

    当料层的临界湿含量不太大且近似地小于0．1时，则可取C_s+C_ω·ω≈C_s，对许多物料来说其值一般接近0．3。同时，几乎在所有情况下，可以取△Hs≈△H，引入这些近似关系后，则可得解析式：

 2．3．6  穿流床层压降

    气流穿过固定床层，其压降为：    ．

  式中：ΔP—床层压降，kg／m²；

    ρ_g一气体密度，kg／m³；

    μ_g一气体粘度，kg／m·s；

    G_o一气体质量流速，kg／m²·s

 3    结果与讨论

3．1生产条件下干燥过程模拟

  根据式(16)，对生产条件下(95 t／h)实测数据进行模拟，并对同等条件下球团流量增加(120 t／h)进行了预测，得到如图4所示关系。由图4可知：模型计算值与测量值拟合较好，说明上述对干燥床上球团干燥过程的解析是可靠的。模拟结果表明：球团流量增加后，随着干燥气温度增加，虽然离开干燥床的球团的温度和含水量的变化趋势与前者相似，但是球团的温度下降了很多，而含水量又升高较大，这对下步工序的操作显然是不利的。

3．2影响干燥过程的主要因素

  根据上述对干燥床上球团的干燥过程的分析可知：球团流量一定的条件下，影响球团干燥的主要因素为：进人干燥床的干燥气的流量、温度，干燥床的面积，干燥床上料层的厚度，球团的初始含水量等。目前由于磁铁矿粉成球工艺的限制，球团初始含水量一般在8％左右，而干燥床上料层的厚度一般要求在200 mm左右。由此可知：影响球团干燥的主要因素为：进入干燥床的干燥气的流量、温度，干燥床的面积。

3．3干燥气体温度的影响

    在其它条件不变的情况下，改变进入干燥床的干燥气体温度，得到干燥气温度对球团温度与含水量的影响关系如图4所示。随着干燥气体温度增加，离开干燥床的球团的温度升高，含水量下降。但是由于球团爆裂温度的限制，干燥气体温度不应太高(一般低于600℃)。

3．4干燥气体流量的影响

    在其它条件不变情况下，改变进入干燥床的干燥气体流量，得到干燥气流量对球团温度的影响关系如图5所示。随着干燥气流量增加，离开干燥床的球团的温度增加。由于进入干燥床的干燥气体流量取决于焙烧气与冷却气两股气体流量之和，干燥气流量的增加势必影响到两股气体的操作压力，一般应在床层允许的操作压力范围内提高鼓风压力，或更换风机以增加干燥气体流量。

3．5干燥床面积的影响

    在其它条件不变情况下，改变干燥床的干燥面积，得到干燥面积对球团温度的影响关系如图6所示。随着干燥床面积的增加，离开干燥床的球团的温度增加。干燥床面积增加，实际上是球团在干燥床上的停留时间增加，球团含水下降，温度上升。但是由于干燥床结构的影响，增加干燥床的面积是有限的。此时可考虑双层或多层干燥床。

3．6其  它

    对干燥床上球团料层的厚度均匀性进行了研究。由于布料机采用往复式直线布料，且竖炉两侧炉膛内的球团料流不同步，经常出现干燥床上球团料层短时间内“秃料”或料层厚度不均匀情况，如图7所示。

    由式(17)可知，料层厚度的厚薄不均造成气体在该处料层的床层压降不同，床层薄处气体穿过阻力小，流量大，就会产生气流“短路”现象，这也是为什么部分球团经历干燥床后含水量不变或略有减少的缘故。

4  结  论

    1)结合对导风墙．干燥床式球团竖炉干燥床上球团料层干燥过程的解析，同时考虑到工艺条件的限制，得到影响球团干燥过程的主要因素为进入干燥床的干燥气体温度、流量以及干燥床面积。

    2)在生产条件允许的情况下，应尽可能提高进入干燥床的干燥气体温度、流量以及干燥面积。

    3)干燥床上料层分布的均匀性非常重要，均匀干燥能保证球团矿人炉后不发生爆裂，从而减少床层的流动阻力，保障炉况顺行。

                                                                                         (1．沈阳化工学院化学工程学院2．东北大学材料冶金学院)