МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА – Часть 140

Протяженность зоны размягченных материалов может быть определена аналитически, если принять, что плавление происходит при постоянной температуре и расплав сразу же стекает с поверхности плавящегося куска железорудного ма­териала. В этом случае можно считать, что процесс плавле­ния идет при постоянном тепловом потоке на поверхности. Тепло, подведенное к поверхности, будет расходоваться частично на плавление поверхностных слоев, частично на нагрев нерасплавившегося материала. Таким образом, плав­ление может рассматриваться как процесс нагрева двухслой­ного тепла, состоящего из плавящегося и нерасплавленного слоев (рис. 70). В куске железорудного материала часть нерасплавленного слоя находится в размягченном состоянии. 304

Если S— толщина расплавленного слоя, a q2 — удельный тепловой поток на границе плавящегося и нерасплавленного слоев, то на плавление элементарного слоя толщиной AS пойдет удельный тепловой поток qlt а на нагрев нераспла-

Вившегося слоя толщиной 5 — удельной тепловой поток Яг+ Чу Разность температур на поверхности плавящегося и нерасплавленного слоев г, и температуры начала размягче­ния куска железорудного материала t2 можно определить из уравнения:

Откуда толщина размягченного слоя, м:

6 = 2A(fj – t2)/q2, (252)

Где А — коэффициент теплопроводности, ДЖ/(м • с • К).

Как следует из уравнения (252), толщина размягченного слоя при постоянных теплофизических свойствах материала и при постоянных температурах на поверхности плавящегося и нерасплавленного слоев определяется только величиной удельного теплового потока, подведенного к нагреваемому слою: чем больше величина удельного теплового потока, тем меньше толщина размягченного слоя (при постоянном потреб­лении тепла на плавление).

Величина удельного теплового потока на границе плавя­щегося и размягченного слоев зависит от параметров нагре­ва и плавления, а также от толщины слоя плавления, т. е.

305

Or скорости перемещения фронта пяавления. Скорость нагре­ва элементарного плавящегося слоя

V1 = ^1- qjCycn?dS, 1 (253)

Где Cycn — условная теплоемкость плавящегося слоя с уче­том открытой теплоты плавления Сусл = С + [р/^-^)]; К— плотность материала, т/м3; fcp— средняя температура плавящегося слоя; р — скрытая теплота плавления, Дж/кг; С – теплоемкость, Дж/(кг • К). Скорость нагрева оставше­гося нерасплавленного слоя толщиной г

V2 = (2Ф + 2)qj[r – (5 + S)]yC, (254)

Где Ф — коэффициент формы куска (для шара Ф = – у-).

Величина удельного теплового потока, подведенного к нагревающемуся слою (q), обеспечивающая минимальную тол­щину размягченного слоя, достигается при v, = v2. Продол­жительность нагрева куска от начальной O0) до конечной температуры (fK)

T = nC(tK – f0)/(2Ф + 2)q. (255)

С увеличением начальной температуры кусков железоруд­ного материала по приходе его в зону плавления время нагрева сокращается, что приводит к увеличению скорости нагрева. В частности, для железорудных окатышей при темпе­ратуре до 1173 К скорость нагрева нерасплавившегося слоя, т. е. скорость распространения тепла в слое, меньше ско­рости плавления. При 1173 К V1 = V2, а при > 1173 К

V1 > V2.

Таким образом, для того чтобы толщина слоя размягчен­ного материала была минимальной, необходимы большая ско­рость плавления и интенсивный теплообмен между газом и плавящимися кусками железорудного материала. Выполнение этих условий возможно при больших величинах удельного теплового потока и коэффициента теплоотдачи. При q = 100+450 кДж/(м2 • с) толщина размягченного слоя сос­тавляет несколько миллиметров (см. рис. 69). Такой удель­ный тепловой поток и коэффициент теплоотдачи возможен при 306 нагреве восстановительного газа в плазменном генераторе. Относительно небольшое количество газа (в газе отсутст­вует азот) и высокая его температура позволяют при небольшой удельной мощности плазматрона вносить в шахтный реактор большое количество тепла (до 8000кДж/м3 газа).