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    中国氧化球团竖炉发展历程回顾与总结—暨矩形球团竖炉大型化技术研究

    2013-03-27 16:38:31
                  中国氧化球团竖炉发展历程回顾与总结
                                                        ——暨矩形球团竖炉大型化技术研究
                                                                                                 北方炉窑协会 搜集整理
    一、概  述
        中国*.*/*座8m2球团矩形竖炉于1968年在济南钢铁厂建成投产。至20世纪70年代初期,又有承德、杭州、安阳,莱芜、唐山等钢铁厂的多座8m2矩形竖炉相继投产。当时,竖炉球团是一门新兴的技术,在工艺流程确定、设备设计选型、技术操作管理等方面都存在着许多经验不足的地方,炉子日产量仅维持在250~300t水平。为了进一步提高竖炉产量,各厂提出了多种改进方案。通过一边生产、一边改造、一边总结,济钢提出的“炉内短路”方案取得了成功。“炉内短路”的实质也就是初期的“风帽—导风墙”,由子它消除了炉子中心的生料层,气流分布趋于合理,炉内过程得以均匀和加快,炉子日产量迅速提高到400~500t水平。经过不断改进,“炉内短路”演变成现代的“干燥床—导风墙”。当时,竖炉球团都采用消石灰作粘结剂,制省的生球强度差,爆裂温度低,在干燥床上粉碎现象严重,成为限制竖炉产量进一步提高的主要因素。70年代末期,杭钢首先使用钠基膨润土代替消石灰作为球团粘结剂,使生球强度及爆裂温度大大提高,干燥效果明显改善,加快了排料速度,使竖炉日产量翻了一番达到800~1000t水平。自20世纪80年代起,中国的竖炉球团矿生产走上了稳定发展的道路。
    2000年,唐山金泉冶金能源新技术开发北京赛车在唐山建设了唐山地区*。*/*座标准化10㎡矩形竖炉,原设计年产量为45万吨,产量当年年产量就突破了50万吨,最高产量可达到年产55万吨水平,平均日产量在1500吨以上。该公司设计承建的矩形竖炉已从8㎡发展到10㎡、12㎡、14㎡、16㎡等标准化矩形竖炉,年产量从已40万吨提高到到80万吨,2012年该公司20㎡矩形竖炉也全面设计成功。
           近二十多年来,中国竖炉球团矿生产取得了巨大发展,工艺和设备已基本定型,操作和管理也日趋完善。总结这几方面的经验,对进一步提高竖炉球团的生产技术水平有很大意义。
        二、中国竖炉球团生产的经验
       (一)加强对原料的准备处理
        1.提高精矿粉的细度
        中国竖炉球团使用的含铁原料主要为磁铁精矿粉。由于绝大多数的磁铁精矿粉粒度较粗(粒度小于0.074mm的含量一般只占50%~70%),造球性能较差。提高精矿粉的细度,多年来在球团厂一直不易解决。例如,南钢球团车间把原氧化球团焙烧设备(链箅机一回转窑)改为竖炉,焙烧酸性球团矿,利用原有的润磨机处理铁精矿粉(混合料)取得了良好效果。南钢使用的精矿粉粒度较粗,品种也较杂;粒度小于0.074mm的平均含量只占41%,尽管在生产中膨润土配入量高达5%,成球性能仍然很差。经过润磨机处理后,粒度小于0.074mm的含量达到68%,大大改善了混合料的造球性能,在膨润土用量降到2%以下的情况下,ф5.5m造球机的产量达50t/h以上,生球质量也大幅度提高:平均抗压在2N/单球以上,落下强度平均超过10次/单球。1998年8m2竖炉的产量达40.9万t,居全国先进水平,成品球的质量也达到国家一级品要求。精矿粉经过润磨机处理后,不仅提高了细度。而且还改变了颗粒形状,增加了表面积及表面活性,有利于造球作业,更重要的是减少了膨润土的用量,提高了球团矿品位。必须指出,使用润磨机后,电能消耗有所增加,但随着产量的提高,实际电耗并没增加多少。南钢1998年电耗为41.34kw·h/t,居全国中游水平。如果算上因膨润土用量减少而引起的球团矿铁品位提高给炼铁生产带来的好处,则经济效益就更显著了。因此,对粒度小于0.074mm含量小于60%的精矿粉,都应该使用润磨机(或类似的研磨设备)进行处理。
        2.增加精矿粉(或混合料)干燥设施
        由于受选矿厂脱水设备能力的限制,入厂的精矿粉含水量一般都高出造球时需要的适宜水分量的1%~3%。水分过大的精矿粉在造球时虽然成球速度较快但强度较差,在运输及生产过程中易产生粉末。因此,必须控制精矿粉(或混合料)的水分,使其稍低于造球时适宜水分的0.5%~1.0%,然后再加水造球。对于控制精矿水分问题,各厂已有了足够的重视。早在20世纪70年代初,杭钢竖炉为了克服因精矿水分过大,无法造球的困难,采用一台ф2.2m×12m的转筒式干燥机干燥混合料,效果明显。在以后的新建竖炉或旧竖炉改造过程中,一般都增设了精矿(或混合料)干燥设施,均取得了良好效果。常用的干燥设备为转筒式干燥机。目前制造厂虽有定型设备系列,但多为水泥行业设计,因被处理的物料密度不同,球团厂在选用时必须注意验算其传动功率。
        3.增加膨润土计量设备
        目前球团厂配料操作中,精矿已实现了自动计量,而膨润土因其用量少,计量操作困难,仍用人工配料,往往因操作失误而影响到球团矿品位的波动。为了控制膨润土用量,增加配料的准确性,必须增加小流量计量设备。实践证明:冲极流量计是一种合适的膨润土计量设备,其优点是体积小、精度高,价格低于同规格的胶带秤。
        4.采用高效混合设备
        混合是球团生产工艺中重要的一环,是决定球团矿质量的关键措施之一。目前,多数竖炉厂家采用圆筒混合(或干燥)机进行(或代替)混合,效果不很理想。新建竖炉采用国外引进或仿制的强力混合机,混合效果有所提高。根据本钢16m2竖炉使用情况测定:一段强力混合机的效果相当于二段圆筒混合机的混合效果;该混合料造成球后,入炉的粉末量由3.84%降到2.51%,竖炉的各项指标均有较大提高。但是强力混合机在使用过程中也存在一些问题:一是耗电较高;二是耙齿磨损大,检修频繁,需增加一台备用。建议在旧厂改造中,可在圆筒混合(或干燥)机后增加一段多轮式胶带混合机。这样,一方面可提高混合效果,另一方面还可以粉碎在前段混合过程中产生的小球。润磨机及其他研磨机兼有混匀作用,若采用此类设备处理混合料,可以代替混合设备使用。
       (二)强化造球过程,减少入炉生球粉末
        1.选择大型造球机
        ф5.0m、ф5.5m、ф6.0m圆盘造球机结构先进、功能齐全、单位面积产量高,是各种规格竖炉在新设计时的首选设备,同时考虑一定的备用系数。
        2.提高料流的松散度
        为了提高料流在布料时的松散度,混合料在给入造球机前应用松料装置打散。
        3.提高混合料温度
        在没有混合料干燥措施时,可以用热水造球提高生球的产量和质量。本钢竖炉生产经验证明:当热水温度为70~80℃时,ф5.5m造球盘产量提高了5~7t/(台·h),达到30~35t/(·h);生球落下强度平均提高3次/单球,达到7~8次/单球;生球中粒度为10~15mm者含量由80%提高到93%.
        4.筛除生球中的粉末
        为了保证炉子的透气性,不因粉末入炉而引起结块现象,必须筛除生球中6~8mm的粉末。由于在实际生产中大于20mm的超粒球所占比例不大,为简化工艺流程,生球筛分机可不设筛粒功能。常用的生球筛分设备为辊式筛分机,辊皮材质为陶瓷,耐磨损,但易在制造或生产过程中碎裂,现逐渐改为聚氨酯橡胶辊皮。
        生球返料通常经破碎后再返回到造球机前矿槽。
       (三)布料设备改进
        竖炉布料设备实质上是一条在炉顶做往复直线运动的胶带机。8~10m2竖炉布料机,炉内没有轨道,该部分为悬臂结构。大多数布料机的胶带传动装置固定在车体架上,随车体一起移动。实践证明,这种布料机易产生布料偏析。当车体前进或后退时,给到布料车胶带上的生球量是变化的,车体越往后退,胶带上的生料量就越多。这样布到炉内的料面不是水平而是倾斜的,影响了炉子的正常操作。为了纠正这个偏析,布料机不得不间断操作:在料层薄的区域多停留一会。其结果也加大了布料工的劳动强度。为了彻底克服布料偏析,提高自动化水平,新设计的布料机应把胶带传动装置固定在地面上。
        按布料机行走机构传动方式分类,布料机有钢绳传动及齿轮传动两种。不管采用何种传动方式,都要求布料机车体部分重量轻,换向时产生的惯性小,便于控制及操作。
        当布料机行程超过6.4m(即12m2竖炉的炉口长度)时,因布料机前部悬臂过长而引起拉杆高度增加,导致生球落差加大,生球破碎率也增加。在这种情况下,不再采用悬臂结构,可在炉内铺设轨道。为了不影响操作及检修,炉内轨道可沿着布料机防尘罩两侧壁板架设.
       (四)排料设备改进
        1.齿辊破碎机组
        齿辊破碎机组由7~11根独立工作的齿辊组成,辊间距为80~100mm,因此齿辊机组不能控制排料,其作用主要有两个:一是活动料柱;二是破碎大块。齿辊在炉内承受整个炉内料柱的重量,同时还承受高温含尘气流的冲刷,工作条件恶劣。除了在辊体表面堆焊硬质合金以外,轴中间还需通水冷却。鉴于齿辊转矩大、转速低的工作特点,宜采用液压传动。按其传动油缸形式又分为两种:一种是活塞油缸(又分单缸及双缸两种)。由于活塞油缸结构简单、维修方便、备件容易解决,得到了广泛的应用;另一种为摆动油缸,其优点是结构先进,操作方便,缺点是油缸加工精度高,成本高,备件不易解决,在多尘环境中使用易磨损。经过多年实践,齿辊轴端密封形式以油脂盘根密封为最好。在使用过程中应定期加注高温润滑脂。
        2.电振给料机
        竖炉排矿漏斗下面的电振给料机是控制竖炉排料的惟一设备。电振给料机的给料量可调,其操作开关由炉顶布料工掌握,在严格遵循“干球入炉”原则下,根据干燥床工作情况而开停。由于电振给料机所处的环境为高温、多尘场合,设计该设备需要特殊考虑。
       (五)冷却设备选择
        球团矿在炉内虽然得到了部分冷却,但是不充分,受炉子工艺条件限制,球团矿单位冷却风量仅为600~1000m3/t,此时球团矿温度尚有400~600℃左右。若用胶带机运输,必须增加炉外冷却。目前,各厂使用的炉外冷却设备大致有以下几种:
        (1)用链板机或箕斗卷扬机拉出后,卸在地上,让其自然冷却;
        (2)用链板机拉出后,接钢网带运输机,在运输过程中自然冷却;
        (3)用竖式冷却器冷却;
        (4)用轻型鼓风带冷却机冷却。
        上述几种冷却方式,各厂可因地制宜地采用。
       (六)竖炉炉顶除尘改进
        由于竖炉是正压操作,大量含尘废气从炉口冒出不仅污染了环境,而且对操作人员也很不安全,必须将炉口封闭,对废气进行除尘处理。电除尘器是理想的除尘设备,其排放废气中的粉尘浓度低于100mg/m3,符合国家排放标准。一些早期投产的竖炉目前仍采用旋风除尘器,排放废气中的粉尘浓度远未达标,应尽快改为电除尘器。
        试验结果表明,电除尘灰物理性能接近精矿粉,可以配入混合料重新使用。但必须注意运输前要加水润湿,防止二次扬尘。
       (七)上熟球设施
        竖炉开炉前必须要用熟球装满炉子,平时调节炉况(如处理塌料事故)也需用部分熟球,把熟球运到炉顶的设施称为“上熟球设施”。常见的上熟球设施有下面几种:
        (1)利用铲车或倾斜式轻便胶带机把熟球直接给到上竖炉的生球胶带机上,经布料机进入炉内;
        (2)设专门的运熟球胶带机系统,从成品矿槽运到炉顶,经布料机进入炉内;
        (3)设上熟球卷扬机,把熟球运到炉顶,经布料机进入炉内。
        注意事项:熟球不能通过生球筛分机,以免磨损筛子辊皮。
       (八)竖炉炉体改进
        1.中国球团竖炉的基本特点
        中国球团竖炉有以下几个特点:
        (1)正压操作,要求炉子各部气密性好,
        (2)多用冶金厂提供的低质高炉煤气为燃料,能源利用合理;
        (3)采用“干燥床一导风墙”技术,气流分布合理,风机压力低于国外同类型竖炉的一半以上。
        2.燃烧室
        从理论上讲,竖炉燃烧室是产生热废气的空间。只要所产生的热废气满足竖炉焙烧要求(如温度、压力、氧含量等)即可,与燃烧室的形状、位置无关。当然,最经济、最合理的配置形式是燃烧室紧贴在炉膛两侧。其形状可以是矩形,也可以是圆形(又可分卧式、立式两种;而卧式圆形燃烧室又分为与炉膛平行的及与炉膛垂直的两种)。关键是结构合理,满足正压操作要求。燃烧室形状决定了烧嘴数目,矩形燃烧室一侧的烧嘴数量不宜太少,以3~5个为宜,太多则操作不方便,太少则影响气氛的均匀性。而卧式圆形燃烧室一侧的烧嘴数量为2~4个。
        3.干燥带
        干燥作业是竖炉焙烧的关键。“干球入炉”是竖炉操作的一条重要原则,是保证炉子顺行,不结块、高产优质的前提。影响干燥过程的因素主要有气流温度及气流速度。目前,多数竖炉炉顶干燥温度偏低,气流速度偏小,影响了炉子能力的发挥。在保证有一定的焙烧时间条件下,缩短预热焙烧带的高度有利于提高干燥气流温度,适当加大冷却风流量有利于提高干燥气流速度。在新设计竖炉时,可以适当加大干燥床面积,降低干燥床料层厚度,也有利于加快干燥过程。干燥床总面积与焙烧带截面积之比在1.8~2.0左右。生球在干燥床上停留时间约10~12min.
        干燥床倾角不宜太大,一般在41°~42°左右。在操作中可以根据具体生产情况随时调整干燥床倾角。干燥床水梁一般选用无缝钢管,冷却方式可以是水冷,也可以是汽化冷却。由于汽化冷却管道占空间较大,会增加炉子上部高度,从国内生产实践来看,选水冷较合适。
        干燥箅子有单排的,也有多排组合型的,材质均为铸钢。箅子缝有直排的,也有横排的,以不堵塞箅孔为宜。为了提高箅子的抗氧化能力,材质最好选用低合金铸钢。
        4.预热焙烧带
        从干燥床下沿水梁中心线到火道口出口中心线之间的距离称预热焙烧带。其高度应满足球团在该带的最低焙烧时间要求,一般停留时间在50~60min。焙烧带的最窄处直线段的截面积等手该竖炉的公称面积的1/2。我国8~16m2竖炉焙烧带单侧宽度为1.5~2.1m.
        5.火道口形状
        模型演示表明:从燃烧室火道口喷出的热废气在炉膛内的流向是呈向上抛物线形状。这样在火道出口处的同一水平面上,气流的温度及气氛是不均匀的,会影响焙烧质量。若喷火口向下倾斜一个角度(为防止球团堵塞火道,倾斜的水平夹角要大于30°),气体流向轨迹——抛物线也向下倾斜一个角度,同一水平面上气流的均匀性就大大改善。
        喷火口呈格孔状,喷出速度在10~15m/s范围内。
        6.导风墙及均热带
        导风墙是架在竖炉上部中心的一堵格状空心墙,其作用是保证有足够的冷却风(又称墙外风)通过焙烧带,补充燃烧室废气中氧量的不足,从而使竖炉用高炉煤气焙烧成为可能;其余上升的冷却风通过导风墙直接引导到炉口干燥床下,参与干燥,不对焙烧带产生干扰。由于导风墙的存在,使炉内的各工艺过程(干燥、预热焙烧、均热、冷却)更为明显、更趋于平衡,为竖炉的高产优质提供了条件。不同的原料(含FeO量不同),不同的燃料(燃烧室废气中含氧量不同)要求有不同数量的墙外风通过焙烧带,导风墙的参数(高度及宽度)也不相同。
        从火道口中心线至导风墙下沿之间的距离称均热带,其作用是使球团矿氧化更充分,质量更均匀。为防止卡大块物料,均热带靠炉膛一侧的炉墙应保持垂直。
        导风墙及其水梁(由两排无缝钢管组合梁构成)寿命低(一般只有1a左右)是目前竖炉存在的一个主要问题。分析其原因,主要是结构不合理:
        (1)导风墙壁较薄,只有半块砖厚(116mm).这是当初老式的8m2竖炉改造。既要增加导风墙而又不过多减少焙烧带截面积,不得已而为之。新设计竖炉的导风墙壁应适当加厚,至少保持一块砖厚(232mm);
        (2)水梁截面刚度不够。导风墙水梁为平行两排,中间的连接构件的强度很关键。在1000℃左右的高温下,如果不通水冷却,任何耐热钢构件都将被烧坏,失去了联系的两排水梁在两侧炉料的侧压力下,很快失去稳定性。建议把连接板改为通水冷却的钢管,水梁的整体刚度就大大增加,水梁寿命提高了,导风墙整体寿命也随之提高。这种结构的导风墙寿命可以保持3~4年。
        7.冷却带
        从冷却风进口到导风墙水梁下沿的距离称为冷却带。从炉内各带的平衡角度考虑,鼓入炉内的冷风量是有限的,一般在800m3/t左右,排矿温度为500℃左右,冷却带计算高度为3~3.5m,停留时间2~3h。冷风口也同样应向下倾斜一个角度,两侧的冷风口最好错开布置。
       (九)竖炉操作的主要原则
        1.干球入炉,炉底消除结块事故所谓“干球入炉”,就是布料工仔细观察干燥床上生球干燥情况。当干燥床下半部(至少是至1/3处)生球已充分干燥(这时生球呈灰白色)时,方可启动排料电振的开关,开始排料。由于干燥过程的限制,在实际生产中排料操作是不连续的。贯彻“干球入炉”原则后,竖炉操作中的顽症———“炉内结块”现象,被彻底消除。随着生产管理水平的提高,过去所谓的“矿粉焙烧温度区间大于200℃才能建竖炉”的禁区不复存在。
        2.控制焙烧带温度,实现高产优质
        由手磁铁矿球团在氧化焙烧过程中放出大量的热量,因此燃烧室温度通常要低于焙烧带气氛温度。根据原料种类不同,这个差值在150~250℃左右,这个温度在原料、燃料条件不变时,几乎是恒定的。由于焙烧带中心温度无法用热电偶测得,大多数竖炉操作者把燃烧室温度作为竖炉操作的一个重要参数来进行控制。但是生产实践证明,单纯根据燃烧室温度高低来进行操作,容易造成球团质量波动。这里引入一个“ 焙烧带温度”(又称侧墙火道口温度)的概念,它更能准确地反映炉子的焙烧情况。这是因为燃烧室温度是煤气燃烧后在燃烧室这个空间内的温度体现,它只与燃料种类、空煤气流量比例及燃烧室的结构有关;而焙烧带温度除了上述因素以外还与球团矿原料种类、料流变化、气流在料层内的分布等因素有关,必须指出,在实际生产中,由于受热电偶插入深度的限制,焙烧带温度显示的不是真正的料层中的气体温度,而是边缘料层中的气体温度,两者有一定误差。往往有这样情况:在一段时间内焙烧带温度高于燃烧室温度,而在另一段时间内,焙烧带温度低于燃烧室温度;若前者焙烧出来的球团矿质量合格,那么后者的情况就明显欠烧,质量有所下降。以上事实说明:单纯由燃烧室温度来控制竖炉操作是不全面,而控制焙烧带温度并结合控制燃烧室温度是竖炉操作的正确措施。
        三、中国竖炉球团矿生产存在的问题及发展方向
       (一)存在问题
        (1)随着竖炉生产技术的发展,操作管理水平的提高,球团竖炉的产量达到了新的水平,一座8m2竖炉年产40万t球团矿已不是一件难事;
        (2)球团矿质量良好,基本满足本厂高炉的冶炼要求;
        (3)各厂竖炉主要指标相差很大,除原料原因外,在操作管理方面还存在不少薄弱环节。
        1.膨润土用量大大超标
        按照惯例,生产酸性球团矿时,膨润土添加量在2%以下,也就是每吨球团矿膨润土的最大消耗量为20kg左右,而1998年全国竖炉的膨润土平均消耗量高达40kg/t,这是一个很大的浪费!由于膨润土配入量的增加,直接导致铁品位下降,引起高炉“减铁增焦”的严重后果。膨润土超标的原因为:(1)精矿质量差(粒度粗、水分高),为了提高生球的产量和质量,大量加入膨润土;(2)膨润土质量差;(3)膨润土配料设备不精确、误差大;
        (4)混合设备效果差。多数竖炉厂家采用圆筒混合(或干燥)机进行混合,膨润土用量都较高;而南钢采用润磨机处理混合料,除了有良好的研磨作用外,混合料得到了充分的混合,从而降低了膨润土的用量(年平均耗量仅为17.7kg/t).此外寻找高效且廉价的有机粘结剂或复合粘结剂也是今后努力的方向。
        2.少数竖炉球团矿中FeO含量超标
        全国大部分竖炉球团矿中FeO含量小于2%,而个别竖炉产品中FeO含量却高达2%~4%,这是不应该的。分析其原因大致有两种情况:一种是焙烧温度不够,氧化不充分,球团矿强度不高;另一种是燃烧室废气中含氧量过低,或逋过焙烧带的墙外冷却风偏少也造成氧化不充分。
       3.竖炉球团矿的铁品位偏低
       进口球团矿的铁品位一般都在65%以上,而我国竖炉球团的铁品位大多在60%左右,最高也不过64.30%,最低值在56.16%,差距很大。分析其原因归根结底在于精矿粉性能太差、铁品位低、SiO2含量高、粒度粗、水分大,导致膨润土配比高,也是造成球团矿铁品位低的原因。
       (二)发展方向
        经过三十多年的努力,中国的竖炉球团矿生产技术已达到了世界先进水平,但从发展的眼光来看,仍有许多工作要做:
       (1)大力发展大型球团竖炉。经过多年来的不断努力,中国最大的16m2球团竖炉的年产量已经超过了原设计水平,预计可达70万t以上,产品质量及消耗指标也保持在国内先进水平,当年国家下达的大型竖炉的科研攻关任务已圆满完成。今后有条件的企业在建设中可以优先选择16m2竖炉。在建设规模相同条件下,建设一座16m2竖炉比建设两座8m2竖炉基建投资节省30%左右;
       (2)研究开发新型高效、廉价的粘结剂,取代或部分取代膨润土,力求把各厂竖炉的粘结剂用量降到20kg/t以下;
       (3)研究开发用煤作燃料的球团竖炉,为在矿山建设竖炉创造条件;
       (4)改善原料条件,提高精矿粉铁品位,降低SiO2含量。开发研制润(研)磨机系列,解决普遍存在的竖炉原料粒度偏粗的问题,提高竖炉的产、质量;
       (5)研制导风墙及其水梁的新材质,新结构,保证其使用寿命在’ 年以上;
       (6)加强数学模型研究,建立导风墙有关参数与其各影响因素间的定量经验公式,更好地为设计、生产服务。
    四、近年国内外炼铁球团矿发展现状及趋势
    (一) 增加球团矿用量是国内外炼铁高炉炉料结构发展趋势
    1、国外高炉炉料结构现状及发展趋势
    从世界先进的高炉炼铁炉料结构看,球团矿的比例不断增加,一般已增加到30-50%。
    当今世界最先进的高炉炼铁在西欧,西欧高炉炼铁球团矿用量已发展到30-70%。最典型的阿姆斯特丹、霍戈文公司艾莫依登厂的炉料结构是50%球团矿+50%烧结矿。高炉冶炼焦比为234kg/t,喷煤212kg/t,利用系数平均为2.8t/m3.d,最高达3.1t/m3.d。
    日本高炉传统上采用烧结矿为主、不用或较少使用球团矿的炉料结构。据最新报道,日本钢铁工业巨头神户制钢3#高炉采用“全球团矿”原料方案。该公司原来高炉炉料的组成为80%烧结矿和20%的块矿。1999年6月关闭了烧结厂后,神户制钢发现,使用烧结矿的成本是高的。2000年上半年炉料结构演变成49%烧结矿、25%块矿和26%的球团矿。现在,已不用烧结矿,高炉的炉料结构为73%球团和27%的块矿。日本其它钢铁厂的球团矿用量也有所增加。韩国(浦项为主)为了增加球团矿的用量和保证供应,在巴西合资兴建了400万t/a的球团厂。
    2、近年国内炼铁球团矿发展现状及趋势
    精料和合理的炉料结构一直是国内炼铁界努力探索的课题。球团矿作为良好的高炉炉料,不仅有品位高、强度好、易还原、粒度均匀等优点,而且酸性球团矿与高碱度烧结矿搭配,可以构成高炉合理的炉料结构,使得高炉达到增产节焦、提高经济效益的目的,因而近年来国内炼铁球团矿产量和用量大幅增加,不仅中小型高炉普遍使用,大型高炉如马钢2500M3高炉、昆钢2000 M3高炉、宝钢、攀钢等也加大了球团矿的配料比例。大力发展球团矿已成为有关权威机构、学术会议及生产厂家关注的焦点和共识,国内目前已形成一股球团矿“热”。
    2、1、近年来我国球团矿生产及使用情况
    2、1.1近几年我国球团矿生产量增加迅速
    1999年1197万t/a;2001年1769万t/a,1999~2001年增长24%。目前国内球团矿的年产能大约在2500万吨左右,预计“十五”末将可达到5000万t/a。
    2、1、2.2001年部分钢铁企业球团矿配比
    宝钢8%、首钢9.13%、鞍钢27%、马钢20.13% 、济钢20%以上、宣钢20.21%。
    2、1、3.马钢使用情况:马钢球团矿配比,从1998年的0增加到2001年的20%,炉料结构从85%烧结矿+15%块矿,调整到74~77%烧结矿+20~24%球团矿(竖炉)+2~3%块矿,马钢认为:配用球团矿起到了改善高炉冶炼过程、提高高炉利用系数、降低冶炼消耗的作用,随着球团矿用量增加,入炉品位的逐步提高,2500m3高炉利用系数由1.87t/m3.d提高到2.400t/m3.d; 入炉焦比由431kg/t降低到353kg/t,煤比由87kg/t升到128.6kg/t;渣量由363 kg/t降低到328kg/t。
    2、1、4.武钢使用情况:武钢炼铁厂5#高炉在本年7月份为了进一步改善技术经济指标,满足公司对生铁产量、质量的更高要求,进行了加大球团矿用量的冶炼探索,当球团矿的配比由19%增加至23%时生产实践表明,技术经济指标提高明显。高炉利用系数由2.245t/m3.d提高到2.437t/m3.d; 焦比由379.6kg/t降低到368kg/t, 均刷新了历史记录,生铁成本下降了13.944元/t 。8月初球团矿使用量已增加到25%以上,其它高炉使用量也有不同程度的增加。
    2、2、国内钢铁企业正在兴建的球团厂
    2、2、1.首钢球团矿情况,首钢现有一条100万t/a回转窑生产线,实际生产能力可达120万t/a,一条30万t/a竖炉球团矿生产线, 首钢目前已开始了迁安球团厂二期(200万t/a)的建设。到时首钢矿业公司将形成350万t/a以上的球团矿生产能力,球团矿将占高炉炉料用量的35%以上。
    2、2、2.鞍钢球团矿情况,鞍钢现有一条引进200万t/a带式焙烧机生产线, 鞍钢弓长岭矿正在建设240万t/a(实际规模25万t/a)的链篦机-回转窑球团矿生产厂,第二条240万吨/年生产线明年底投产,到时鞍钢将具备700万t/a以上球团矿的生产能力,在高炉炼铁中球团矿的用量也将达到30%以上。鞍钢1990年高碱度烧结矿配加酸性球团矿的工业试验表明,大型高炉采用75%-70%的碱度为1.85左右的烧结矿与25%-30%的酸性球团矿是合理的炉料结构。
    2、2、3.武钢程潮铁矿正在新建120万t/a球团厂,建成后武钢将有200万t/a的球团矿生产能力,自产球团矿占高炉炉料量的12.5%。
    2、2、4.柳钢120万t/a链篦机生产线已开始建设。
    2、3、国内钢铁企业拟建及规划建设球团厂情况
    2、3、1.拟建的有:
    昆钢200万t/a球团厂;邯邢矿山局120万t/a球团厂;邯钢200万t/a球团厂,广西北海市500万t/a商品球团厂。
    2、3、2.规划建设的有:
    马钢100~120万t/a球团厂;南京钢厂200万t/a球团厂;山东石臼所港400万t/a球团厂;本溪200万t/a球团厂;张家港200万t/a球团厂;沙钢200万t/a球团厂;宝钢正在进行烧结改造还是新建球团厂的比较。
    2、4、国内权威机构知名专家和学术会议关于发展球团矿的评述
    2、4、1.国内权威机构的要求
    2、4、1、1 由原冶金部规划发展司、中国金属学会和冶金科技发展中心共同编制了《2010-2015年冶金科技发展指南》。《指南》指出“要从选矿、烧结、球团、炼焦各方面采取措施,提高高炉精料水平,特别是要进一步提高入炉矿品位。在大量喷煤,降低焦比的情况下,高炉料柱透气性恶化,为了保持炉况顺行,必须大幅度提高入炉品位,降低渣量。要大力发展球团生产,建立商品球团生产基地,提高熟料中球团的配比。球团矿配比要从目前不足20%提高到30~40%。
    2、4、1、2国家计委和经贸委2000年9月1日公布的《当前国家重点鼓励发展的产业和技术》7号令中指出的“要发展氧化球团的生产,提高球团矿的使用比例,以改善高炉炉料结构”。
    2、4、2.发展球团矿,成为近几年全国炼铁生产技术工作会议、钢铁原料持续发展会议的讨论热点,实践已经证明增加高炉球团矿使用量,对实现精料方针,优化高炉用料结构,提高经济效益是十分有益的。
    2、4、2、1球团矿具有规则的形状、均匀的粒度、高的强度(抗压和抗磨),能进一步改善高炉的透气性和炉内煤气的均匀分布;球团矿FeO含量低,有较好的还原性(充分焙烧后,有发达的微孔)更有利于高炉内还原反应的进行。因此,球团矿在我国高炉操作者的心目中称之为“顺气丸”,其冶金性能好,非其它熟料所能比。
    2、4、2、2国内大量的理论研究和生产实践表明,高碱度烧结矿与酸性炉料搭配有一个合适的配比。大型高炉采用75% ~70%碱度为1.85左右的烧结矿与25% ~ 30%的酸性球团矿是合理的炉料结构。当酸性球团配入比例为25% ~ 30%时,其在炉内软熔区间的最大压差值最小,也就是按此比例搭配效果最佳。
    2、4、2、3在上述合适的范围内,在高炉正常运行情况下,球团矿入炉配比的高低是由其质量决定的。高质量的球团矿应具有的指标为:TFe≥65%;  FeO≤1.0%;  SiO2≤3.0%;  S≤0.04%;  球团矿粒度8—16mm占95%以上;转鼓指数(ISO)≥96%,抗压强度≥2500N/个球。目前,我国冶金企业生产的球团矿,特别是竖炉球团矿与高质量球团矿及进口球团矿相比,普遍存在着相当的差距。
    2、4、3.发展球团矿具有显著的经济和社会效应。
    2、4、3、1发展球团矿是我国今后炼铁系统节能降耗的重要途径。增加球团矿使用量不仅是满足高炉炉料结构合理化的需要,也是节能和环境保护的重要措施。生产每吨球团矿的能耗大约只是烧结矿的一半,对炼铁系统节能降耗是十分必要的。
    2、4、3、2发展球团矿是减少大中城市污染的有郊途径。一些发达国家的钢铁企业从六十年代逐步将高污染工序迁往偏远地区,首钢正将烧结厂、焦化厂迁移至所属的矿山所在地。我国钢铁企业基本建在大、中城市,球团矿可以远距离运输,在矿山、港口发展球团矿,可以避免污染城市,而且节省运输力。
    有关专家预测,近几年我国炼铁球团矿必将有较大的发展,从而必将促进炼铁的技术进步。
    总之,增加球团矿用量是世界高炉炉料技术的发展趋势。我国大型高炉的合理炉料结构是高碱度烧结矿加25-30%的酸性球团。目前,我国许多高炉的炉料结构与合理炉料结构有很大差距,因此,我国《冶金发展指南(2002-2005年)》以及国家计委和经贸委公布的“当前国家重点鼓励发展的产业和技术” 7号令中指出:“要发展氧化球团的生产,提高球团矿的使用比例,以改善高炉炉料结构”。近几年来,象首钢、鞍钢、马钢等许多钢铁公司充分认识到这一点,加大了球团使用比例和球团厂的建设力度。
    纵观国内外先进高炉炼铁经验,在原料供应可能的情况下,合理的炉料结构发展趋势是:
    a)高炉少吃或不吃生料;   b)增加高炉球团矿的用量;
    c)减少烧结矿的用量(即提高烧结矿的品位,应当相应提高烧结矿的碱度,否则烧结矿的强度、冶金性能将会有较大的下降。而碱度提高后为了满足高炉渣碱度的平衡,必将减少烧结矿的用量)、
    (二)、我国球团矿生产发展的现状和建议
    球团矿具有强度好、粒度均匀、形状规则、含铁品位高、还原性好等优点,在高炉冶炼中可起到增产节焦、改善炼铁技术经济指标、降低生铁成本、提高经济效益的作用。为适应钢铁工业快速发展、高炉精料技术和合理炉料结构的要求,近年来,球团矿作为优质原料得到青睐和高度重视,一些钢铁厂正在积极筹建或扩大球团矿产能。
    球团矿是含铁炉料发展最快的原料。据统计,在世界炉料的新增产能中,球团矿产能明显提高。目前,我国年产球团矿5000万吨左右,占高炉炉料比例13%左右,球团矿使用比例未达到高炉综合炉料优化的比例。我国有37家企业63座竖炉生产球团矿(绝大多数为8m2竖炉,最小4m2,最大16m2),总容积566.5 m2,产量3170万吨左右。
      目前,我国竖炉球团工艺占65%左右,为中小型企业球团矿生产的主体工艺,这符合我国资源和企业规模偏小特点。中小企业及地方骨干企业规模多为100~300万吨,建2~3座竖炉即可满足高炉合理炉料结构的要求,此外建竖炉具有投资省、周期短、见效快等特点,还可充分利用自产富余的高炉煤气。
        目前,我国球团矿生产能力及产量尚未达到满足市场需求的水平,为满足高炉生产合理炉料结构的原料要求,不得不从国外进口球团矿。近年来,尽管进口球团矿价格上扬,但进口球团矿量呈快速增长的态势,2002年进口1103万吨,2003年进口1635万吨,2004年进口2029万吨,2005年进口2355万吨。
      合理球团矿比例是高炉节能降耗的有效办法。据有关资料表明,生产球团矿工序能耗比烧结工序能耗指标低得多,烧结工序能耗60kg标准煤/t左右为较先进的技术指标,球团工序能耗仅为30kg标准煤/t左右,还有降低的可能。球团工序能耗约为烧结工序能耗的1/2~2/3,降低钢铁吨钢工序能耗作用非常显著。这对我国倡导的钢铁工业科学发展观有着非常重要的现实意义。
    对我国球团生产发展的几点建议:
      (1)生产球团矿的原料主要为自产或进口铁精矿,进口铁精矿经济上是否合理需要考虑国际市场上球团矿价格的变化等风险,球团矿价格受运输费用和国际油价的影响,应落实好铁精矿的产地、质量、价格、供应量、运输可靠性等,以保证原料供应的稳定性。
      (2)生产球团矿对原料和工艺都有特定的要求,对球团厂的建设必须进行慎重的研究。球团焙烧有竖炉、带式焙烧机和链箅机—回转窑三种工艺,各有优缺点,应根据原燃料条件、产品质量、生产规模、装备水平和投资等因素综合考虑,并充分考虑到球团大型化的要求。
      (3)进口铁精矿品位要求TFe≥68%,细磨精粉粒度-200目≥85%,精矿水分应控制在8.0%~8.5%有利于造球。在工艺设备方面,应增加润磨设备,新建球团厂应设原料混匀料场,保证精矿成分稳定;设置强力混合机,使铁精矿与膨润土充分混合,有利于造球。加强对粘合剂的研究,使用优质膨润土。目前,国外球团矿膨润土的添加量≤l%。按照每增加1%的膨润土,球团矿品位降低O.6%的经验数据,如果球团矿膨润土的使用量降到1.5%~2.0%,则将对高炉产生巨大的经济效益。改善膨润土质量,研究开发、选用优质膨润土是降低其用量的重要途径之一。
      (4)进行球团余热回收利用,有利于节能降耗,提高球团矿质量。
      (5)加强熔剂性球团矿、冷固结含碳球团矿、含钛护炉球团矿、直接还原和熔融还原等预还原球团矿品种的研究开发工作。
      (6)重视球团环境保护问题和提高自动控制水平。近年来,国家对粉尘污染、SO2和CO2排放等提出了更为严格的环保要求。
    五、近年国内大型氧化球团竖炉与还原焙烧竖炉的技术创新与发展
    目前球团矿生产的主要工艺方法主要有有带式焙烧法、链箅机一回转窑法、竖炉法三种。以前由于带式焙烧机和链箅机一回转窑建设投资和制造要求相对较高,一般都适宜于生产规模较大的钢铁企业或矿山,而对于生产规模适中的中小型企业来讲,则采用竖炉法生产球团矿。
    但目前随着竖炉大型化技术的突破,竖炉法球团生产将会是主要的球团生产方式,国内大型钢铁厂已经逐步认识到大型竖炉技术应用与普及的时代已经来临。随着高炉精料技术的发展,具有较好综合指标的球团矿将会得到更多的使用。作为一种多快好省的球团矿生产方法一球团竖炉将仍有其应有的地位。如何扬长避短,吸取其他球团生产方法和工艺中的优点,将设备向大型化生产方向发展,不断提高球团矿质量的稳定性,总结好各种铁精粉原料使用的工艺改进经验,球团竖炉会进一步发挥其独特的优点。竖炉的明显低投资、节能性和球团质量能满足生产要求的特点决定其在一定时期内仍有很大的发展潜力。大型化竖炉的出现和能满足生产要求的球团质量会给竖炉法球团生产提供进一步的发展天地。
    随着济钢、南钢等大型钢铁公司14㎡、16㎡矩形球团竖炉的成功应用,唐山金泉冶金能源新技术开发北京赛车吸取了国内许多单位多年来在竖炉球团生产中所积累的宝贵经验,并结合了当前球团矿生产的具体客观条件,始终致力于该领域的技术研发与应用,该公司在此技术基础上又继续研发应用了一系列新技术,并对炉型结构进行了再创新,在氧化球团矩形竖炉大型化基础上成功设计应用了多项还原焙烧技术,使该项技术具有氧化和还原两种功能,在镍铁还原焙烧技术上取得了一些具有自主知产权的新技术、新发明。实践表明,该类竖炉在氧化球团焙烧生产上利用系数已达到9.0 t/(m2.h),球团矿产、质量大幅度提高,已成为国内球团矿单炉产量最大的氧化球团竖炉。大型多功能矩形球团竖炉的设计成功,为适合中国国情的竖炉向大型化、多功能化、高效化发展做出了贡献,为“十二五’’期间全面普及单炉年产球团矿100万t的竖炉设计奠定了基础。
    竖炉是最早用来进行铁矿球团生产的工艺设备,目前国内已建有近200座年生产能力35万t~70万t球团矿的各种球团竖炉,竖炉生产的球团矿仍占国内总球团矿产量的80%以上。为高炉炼铁生产的节能降耗作出了巨大的贡献。
    竖炉法生产球团具有结构简单、制造材质无特殊要求、基建投资少、热效率高、操作维修方便等特点。尽管过去竖炉也有单炉生产能力小、对原料适应性差等缺点而使其在应用和发展上受到了一定限制,但在中国近30多年来的竖炉法球团生产过程中,通过持续改革和对生产工艺、设备的完善,以及不断改进生产操作方法,业已形成具有典型中国特色的竖炉球团技术,并已超过国外同类竖炉的生产技术水平。正因为如此,国内竖炉法球团的生产近年来仍能得到较大的发展。这除了跟中国有为数较多的中小型钢铁企业和矿山这一现状外,还同国内竖炉近年来单炉年生产能力已超过70万t,竖炉向大型化方向发展并已逐步成熟这一原因有关。实际上出现100万t/a生产能力的竖炉已为期不远,竖炉使用高比例赤铁精粉甚至褐铁精粉生产球团矿都已有成功的经验。近年来建设的许多竖炉在生产工艺流程的完善程度上,工艺设备和自动化控制装备的先进程度上都已经达到了相当水平。在国内竖炉技术不断得到快速发展的同时,竖炉法球团生产的缺点也在不断克服,工艺不断地得到完善,有些方面已取得了关键性的进展。
    唐山金泉冶金能源新技术开发北京赛车近年开发的具有自己知识产权的GDL-3型高效复合内燃式氧化球团竖炉,更在竖炉技术上有了关键性的改进,为今后竖炉技术的进一步发展提供了更大的技术空间。 GDL-3型竖炉针对工程的一次性投资、设备的大型化发展、能源消耗以及竖炉原料的适应度、产品质量、竖炉工艺操作的简单稳定和手段灵活多变性等方面都实现了重要改进,使GDL-3型竖炉比以前任何一种竖炉具有更多而无法比拟的优势。GDL-3型竖炉的设计发明人旨在通过该技术的推广使用,使竖炉技术不断地进行改进完善,为我国的竖炉技术能够在今后的球团矿生产中发挥更大的作用作一积极尝试,同时也为适应中国国情的竖炉向更大型化、高效化发展奠定基础。
    新型GDL-3型高效复合内燃式氧化球团竖炉工艺设计介绍:
    1、工艺流程介绍
    (1)配料系统
    设计应用了适用各种铁精矿原料和二次资源(包括除尘灰、氧化铁皮和污泥等)的预混合配料技术,通过新型结构的圆盘给料机和配套的电子皮带秤在配料室进行预配料并完成添加膨润土的精配料操作,膨润土配加应用了由真空输送装置新技术,整个配料系统采用计算机来自动控制配料量,配料系统设计精度±0.5%。
    (2)混料烘干润磨系统
    铁精矿原料、二次资源和膨润土配料后的混合料用新型强力多级圆筒烘干机进行混匀、烘干,采用红外水分仪对烘干后混合料水分的在线检测结果来判断和控制烘干效果,从而完成对混合料的混匀、烘干和提高料温的任务。设计应用的大型新型润磨机润磨、混匀、加热,使物料颗粒变细、比表面积和表面活性能增加,为下一工艺环节提供粒度和水分合适、物化性能均匀的物料,以保证造球过程中物料的成球性好、生球强度高、膨润土用量低及成品率高。
    (3)造球、筛分系统
    根据大型竖炉对生球质量的要求,新设计的Ø7.5 m圆盘造球机采用了新型回转支承结构,同时设计采用了入炉生球多级再造筛分工艺,增加生球颗粒间的密实度,可使生球中含粉物料全部筛下,达到入炉料粒度更均匀的目的,同时生球在圆辊筛上作多级滚动运动中也进一步提高了生球强度,保证了生球粒度洁净、均匀、稳定。
    (5)布料及烘干床的技术革新:
    设计应用梭式有轨匀量电动布料车均匀布料,消除了竖炉布料“跳、摆、推料”现象,使布料更均匀,保证了大型竖炉布料均匀,炉内的透气性好及热交换效率高。传统布料车只有单方向直线运行,烘干床两侧布料不均时使生球的烘干效果、烘干时间、预热时间产生差异,使导风墙水梁两侧煅烧带温度出现煅烧不均现象,新型布料车具有左右调整布料量的新功能,有效解决了传统竖炉布料车布料时不可以调整烘干床两侧布料量的缺陷。
    传统矩形竖炉由于炉内换热后的高温空气温度较高,将其直接用于生球烘干温度明显偏高。生球在布到干燥床的上部时,由于干燥床下部的热废气温度较高,热交换非常剧烈,生球在脱除物理水的过程中极易产生爆裂现象,导致炉内粉末增加,降低炉内透气性,最终影响焙烧的均匀性,产生部分未烧透、抗压强度低的球团矿。另外,受到干燥床面积及热气流流量的限制,竖炉的生产能力也受到了限制。
    新型竖炉在烘干床下设计增加了可调节的低压常温空气混风管,既可直接控制烘干床下的空气温度,又加大了烘干风量,提高了生球烘干效果,使整个烘干床面上可得到对生球烘干工艺过程较为理想的床面气流温度分布。
    (6)新型竖炉炉体结构技术的应用
    新型竖炉在炉型设计上改变传统的准矩形结构,设计改变了竖炉内部形状,将竖炉内部形状由四周直角形改为四周圆弧形过渡,以消除矩形竖炉炉内挂料及死角处气流分配不合理的现象;增加了竖炉内部有效高度高,改变了传统竖炉的干燥带、预热带、均热带的结构,有效容积同时增大,能满足竖炉大型化后各带物化反应所需时间;
    (7)新型焙烧方式的技术应用
    焙烧方式采用了高氧位低压焙烧技术,新设计的燃烧室和气流分配室,燃烧介质可为为高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气、高温风等,燃烧室采用正压操作,可以采用混合煤气,通过提高热值,配加富氧空气,增加分配室氧气浓度,营造强氧化气氛,保证球团矿在强氧化性气氛中进行低压焙烧,使燃烧废气含氧达到8%以上,达到了高效生产的目的。
    煅烧带设计开发竖炉双层火道焙烧新技术,该技术能增加球团矿焙烧的均匀性和提高焙烧效率;采用了多级可调式新型配风冷却方式,增加了二次冷却技术及余热利用技术,能实现高效的气固热交换;排料方式设计为双层双流卧式排料技术,由四个排料点组成,该技术能保证竖炉炉料均匀下降,排料设置密封阀,有利于气流的合理分布,同时又能有效抑制下行风、炉下漏风现象。
    新型竖炉生产技术经济指标相对传统竖炉有了突破性进展:利用系数达到了9.0 t/(m2•h);成品球团矿TFe≥64.2%,Fe0<0.8%,抗压强度达到3050N/个,转鼓指数( 6.3 mm)达到91.75%。
    该技术的成功应用,为单炉实现100万t/a的球团厂设计创造了有利条件。
     
                                                         北方炉窑协会                                
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