轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝的發(fā)展

轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝的發(fā)展

30年來，直接還原煤炭基的煤炭基是發(fā)展起來的一種新鐵路運輸技術(shù)。主體設(shè)備采用環(huán)形加熱爐，最初用于處理鐵粉礦垃圾，然后通過美國、德國、日本等國的開發(fā)和應用，在礦石中進行直接還原，并先后建立了工業(yè)化廠。主體處理方法基本相同。通過在12001400c下的短時間內(nèi)對含碳量碳球團進行快速加熱和還原，并通過提取zn和pb來分離燃燒殘渣中的固體殘渣。由于這一工藝無需燃料的制備和原料的深加工,對合理利用自然資源、保護環(huán)境有積極的作用,因而受到了冶金界的普遍關(guān)注。我國自20世紀90年代起對轉(zhuǎn)底爐技術(shù)進行跟蹤研究,先后在山西舞陽、翼城,河南鞏義,遼寧鞍山等地建立試驗裝置,并進行了初步的實驗,獲得了經(jīng)驗與技術(shù)的積累。近幾年在消化吸收國外轉(zhuǎn)底爐發(fā)展技術(shù)的基礎(chǔ)上,先后有多家企業(yè)投資建設(shè)轉(zhuǎn)底爐裝置,轉(zhuǎn)底爐工藝逐漸成為直接還原鐵領(lǐng)域的1個建設(shè)熱點。目前,國內(nèi)工業(yè)規(guī)模轉(zhuǎn)底爐建設(shè)情況如表1所示。雖然轉(zhuǎn)底爐工藝發(fā)展較快,但就目前來看,該工藝在我國的發(fā)展仍處在起步階段。在工藝技術(shù)、裝備水平、能耗等方面都存在未完全解決的問題,需要繼續(xù)深入開展研發(fā)工作,解決影響轉(zhuǎn)底爐工藝發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問題,達到規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)。1煤粉混合壓球含碳球團造塊技術(shù)也稱冷壓球團技術(shù),是在一定壓力下,使粉狀物料在模型中受壓成為具有一定形狀、尺寸、密度和強度的塊狀物料。主體設(shè)備一般為高壓對輥壓球機。轉(zhuǎn)底爐還原劑用煤一般為無煙煤,要求固定碳大于75%,低硫,低灰分。物料(固體廢棄物、鐵精礦等)與煤粉、粘結(jié)劑、水等按照一定比例配料,混合均勻后給入壓球機進行壓球。若壓球效果不好,球團成球率低、球團落下強度低,則物料利用率下降,若篩分不利則大量粉料進入轉(zhuǎn)底爐,引起爐底板結(jié)上漲,直接影響工藝生產(chǎn)順行。因此,壓球成為轉(zhuǎn)底爐直接還原首當其沖的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。影響成球效果及球團強度的因素主要包括:水分、壓力、粘結(jié)劑、物料粒度、混料時間等。1.1在合成纖維中的應用在壓球過程中,物料顆粒間發(fā)生緊密作用,此時毛細管中的、內(nèi)部裂縫中的一部分水分被壓制到顆粒表面,減少顆粒表面的摩擦而起到潤滑劑的作用,使物料顆粒能在一定的壓力下達到更大的密集。壓球時水分與壓力是相對應的,圖1為壓制磁鐵礦時,水分與壓力對球團強度的影響。壓制不同物料時,需摸索壓力及其對應的水分條件,以得到較高的成球率和球團強度。1.2粘結(jié)劑的使用粘結(jié)劑是影響球團成球效果及強度的關(guān)鍵因素,目前各轉(zhuǎn)底爐使用廠家大都研制出適合自身生產(chǎn)條件的粘結(jié)劑品種,如萊鋼使用有機粘結(jié)劑、攀鋼使用混合粘結(jié)劑等。各相關(guān)院校也在積極開展實驗研究,探尋高效價廉的粘結(jié)劑,如北科大相關(guān)科研人員深入研究了糖漿、膨潤土、玉米面等粘結(jié)劑用于普通礦及釩鈦磁鐵礦壓球時的成球效果及球團強度,并得到了階段性成果。攀鋼轉(zhuǎn)底爐直接還原中試線對多種有機、無機粘結(jié)劑進行了嘗試,目前已確定了3種較為優(yōu)化的粘結(jié)劑配比,鑒于后續(xù)對釩、鈦資源的回收利用,傾向于深入開展有機粘結(jié)劑的試驗研究,以減少粘結(jié)劑對鈦渣的污染。1.3粒為主摻混合物料粒度對壓球過程也有較大影響,粒度太細的物料,松裝密度小,球團強度將降低;粒度太大的物料,單個顆粒體積大,壓制時移動和變形困難,不易壓制;具有一定粒度組成的物料成球性能較好,即以細粒為主摻以一定量粗粒,粗粒起骨料作用,細粒起基料作用,顆粒大小不一,有利于小顆粒填充到大顆粒之間的孔隙中去,以達到緊密排列,球團的密度和強度增加。因此,除保持物料具有一定的粒度組成外,可將生球或干球在篩分過程中產(chǎn)生的返料與新料混合共同壓球,返料經(jīng)過一次壓制,顆粒較粗,可作為骨架,實踐證明,混合物料中配入5%～7%左右的返料,可提高成球率和生球強度?；炝蠒r間短,物料之間未能混合均勻,加之粘結(jié)劑與物料接觸時間短,不能充分浸潤,使得成球效果欠佳。因此,一般需保證混料時間為6～10min甚至更長,保證物料混合均勻,粘結(jié)劑、水分等充分浸潤,提高粘結(jié)劑使用效果。1.4他造球工藝東北大學在研究壓球工藝的同時也在積極開發(fā)適用于轉(zhuǎn)底爐直接還原的其他造球工藝,目前其研發(fā)的物料擠壓成型及配套粘結(jié)劑開發(fā)已取得良好的實驗室效果,擠壓的球團具有一定的彈性,生球落下強度及抗壓強度值均較高,計劃下步開展工業(yè)試驗,若效果良好且產(chǎn)量滿足要求則推廣前景廣闊。2均勻面料設(shè)計含碳球團在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)的升溫、反應所需熱量主要來源于煤氣燃燒的輻射傳熱,因此球團料層不宜過厚,一般為1～3層球團。轉(zhuǎn)底爐的承料面為圓環(huán)面,內(nèi)外徑相差較大,因此內(nèi)、外環(huán)線速度相差較大,所以將球團均勻布置在圓環(huán)面上難度較大,而轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝要求球團均勻受熱,產(chǎn)品金屬化率一致,即要求布料均勻,因此,轉(zhuǎn)底爐裝料機成為影響轉(zhuǎn)底爐直接還原效果的關(guān)鍵裝備技術(shù)。目前直接還原轉(zhuǎn)底爐用的供料裝置多采用吊掛共振式給料機、多臺并列式電磁振動給料機、振動電機給料機、膠帶機多刮板式給料機等等,以期實現(xiàn)向轉(zhuǎn)底爐爐底橫向、徑向都均勻布料。上述布料裝置在使用過程中均存在不足之處,例如,吊掛共振給料機組件多、振幅大,球團易碎,且電動機置于高溫區(qū),易燒毀;多臺并列式電磁振動給料機設(shè)備繁雜,布料量不易控制;振動電極給料機噪音大,電機處于高溫區(qū)易損壞;膠帶機多刮板式給料機結(jié)構(gòu)簡單,但多點式刮料不能形成均勻的完整料流,且膠帶不耐高溫,易燒壞。針對上述實際問題,結(jié)合轉(zhuǎn)底爐使用功能,各廠家及科研院所對轉(zhuǎn)底爐裝料系統(tǒng)進行了深入研究,對現(xiàn)有設(shè)備進行了優(yōu)化改造,并提出一些新的設(shè)計思路,在均勻布料、保護設(shè)備、方便操作等方面取得了進步。萬天驥、劉克儉等針對均勻布料分別設(shè)計了轉(zhuǎn)底爐裝料機,主要是將出料槽下料口設(shè)計成弧線形式,弧線具體尺寸通過公式計算,劉克儉等設(shè)計的裝料機簡圖如圖2所示。此外,在出料槽內(nèi)還設(shè)置篩網(wǎng),濾掉壓塊中的粉料,減少入爐粉料量。秦廷許等針對振動給料機電機處于高溫區(qū),易被燒損,以及布料不準確等對其進行了改進,改進后的布料裝置借助于布料槽偏心配置的雙電機傳動,使雙激振器產(chǎn)生振動,從而使給料機高頻低振幅運轉(zhuǎn),確保復合料球團呈單層平鋪向前直線運動,完成均勻布料,因電機偏離布料機中心,遠離高溫區(qū),又不參與振動,所以電機壽命顯著延長。趙先覺、齊淵洪等對旋轉(zhuǎn)布料機進行了改進,在圓柱形布料輥表面設(shè)置一定高度的溝槽,溝槽斷面為梯形、高度為1個球團的厚度(可根據(jù)料層厚度要求進行調(diào)整)。隨著布料輥的轉(zhuǎn)動,料倉中的球團進入布料輥表面的溝槽中,由于溝槽只有1個球團的厚度,所以只有1層球團被布料輥帶出料倉并隨著輥子轉(zhuǎn)動布入爐底。圖3為趙先覺設(shè)計的旋轉(zhuǎn)布料結(jié)構(gòu)簡圖。其他專家學者也提出了很多較為完善的裝料設(shè)備,并接受著實際生產(chǎn)的考驗,隨著對轉(zhuǎn)底爐設(shè)備及直接還原工藝的深入研究,裝料系統(tǒng)必將得到逐步完善,實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定均勻布料。3出料螺旋葉片的還原工藝技術(shù)改進較出料機是轉(zhuǎn)底爐工藝的核心技術(shù)之一,其作用是將鋪設(shè)在爐底的金屬化球團卸出爐外,目前常用的為螺旋出料機。因處理的金屬化球團溫度為1000℃左右,所以出料螺旋必須耐熱耐磨,螺旋一般采用水冷,以保證軸和葉片的強度,葉片與螺旋軸之間通過焊接或螺栓連接,葉片上或堆焊硬質(zhì)合金。由于高溫作業(yè),螺旋葉片壽命較短,需要及時更換,而更換葉片及類似工作需要轉(zhuǎn)底爐停止工作且將爐溫降低到適宜作業(yè)的低溫,此舉影響正常的工作生產(chǎn),因此各廠家及科研單位均在深入研究,盡量延長葉片使用壽命,降低其更換頻率。另一方面,若出料螺旋葉片磨損較快,則轉(zhuǎn)底爐內(nèi)物料不能被及時刮出爐外,在爐底堆積板結(jié)使爐床不斷抬高,并造成螺旋卡死停轉(zhuǎn),需要停爐清理爐底才能繼續(xù)生產(chǎn)。因此轉(zhuǎn)底爐出料機成為轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝的核心裝備,并需要在技術(shù)上進一步突破。針對出料螺旋日本株式會社神戶制鋼所占部好浩等人發(fā)明了1種轉(zhuǎn)底爐還原鐵的排放螺桿,還原鐵排放螺桿在螺旋軸的外周具有螺旋葉片,其內(nèi)部通冷卻水冷卻,并在螺旋軸的外周上設(shè)置耐火層,防止腐蝕性氣體對葉片的侵蝕。此外,螺旋葉片的前段延長槽被填充表面硬化層,螺旋葉片在排放端口側(cè)具有更多的螺紋以減小轉(zhuǎn)數(shù),使還原鐵可以朝排放端口移動而不離開螺旋葉片,還原鐵排放螺桿可以以較低的速度轉(zhuǎn)動以減少螺旋葉片的磨損。劉克儉等針對水冷螺旋作業(yè)溫度高、磨損較快問題設(shè)計了1種水冷螺旋結(jié)構(gòu),主要是對螺旋軸進行全方位冷卻,延長其使用壽命。山東威海三盾公司與國內(nèi)某研究所聯(lián)合研發(fā)了1種新型表面堆焊材料,采用特殊材質(zhì)和焊接方式,在刀片母材表面焊接一定厚度的高溫耐磨材料,提高螺旋葉片使用壽命,由該公司制作的1套年處理7萬t直接還原鐵的出料螺旋成套設(shè)備目前在山東一家鋼鐵公司使用狀況良好。出料機是轉(zhuǎn)底爐的關(guān)鍵設(shè)備,目前普遍使用的出料螺旋具有使用壽命短、出料不能完全出凈的特點,各研究院所在進一步研究葉片材質(zhì)及螺旋水冷形式的同時,也在著眼其他形式的出料裝置,如刮板形式,隨著轉(zhuǎn)底爐設(shè)備的廣泛應用,工藝日趨成熟,出料裝置也必然得到進一步改進。4爐內(nèi)氣氛控制適宜的爐溫是保證金屬化球團還原效果的基本條件,爐溫低,還原溫度低,熱力學條件差,球團金屬化率低;爐溫過高,對耐火材料不利,且加速爐底板結(jié)上漲。爐壓是轉(zhuǎn)底爐正常運行的關(guān)鍵因素,一般控制在微負壓或微正壓,爐壓升高,輕則裝料區(qū)火焰外冒,燒損設(shè)備,重則造成爆炸,破壞轉(zhuǎn)底爐鋼結(jié)構(gòu)。因此,要控制爐壓在一定范圍內(nèi),并設(shè)有應急保護措施,防止意外事件發(fā)生。爐內(nèi)氣氛也是影響球團金屬化率的重要因素,若爐內(nèi)空煤比設(shè)置不合理,或者水封槽處密封不嚴的話,則爐內(nèi)O2量升高,還原性氣氛被破壞,造成球團金屬化率降低。爐溫、爐壓和爐內(nèi)氣氛并不是單獨控制的,而是相互影響、互相制約。要保證爐溫則必須補充足夠的風量,而風量增大則爐壓升高,爐內(nèi)還原性氣氛變?nèi)?因此,要根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗尋找三者的平衡點,需要長時間的生產(chǎn)實踐摸索來確定較優(yōu)化的工藝參數(shù)。攀鋼于2009年建成資源綜合利用中試線,采用轉(zhuǎn)底爐直接還原與熔分深還原電爐聯(lián)合使用工藝處理攀西特色資源釩鈦磁鐵礦。針對原料-轉(zhuǎn)底爐系統(tǒng),為了合理利用資源,降低工序能耗,有效控制爐溫、爐壓及爐內(nèi)氣氛,攀鋼自主研發(fā)了轉(zhuǎn)底爐廢氣余熱回收利用系統(tǒng)(亦稱干燥除塵系統(tǒng)),即采用與助燃空氣換熱后的轉(zhuǎn)底爐廢氣干燥精礦和生球,氣體最終經(jīng)凈化除塵后達標排放,如圖4所示。采用此系統(tǒng)不但可以利用煙氣余熱,還能及時將爐內(nèi)煙氣抽出,保證爐壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。意外情況下,可打開事故煙囪閥門釋放煙氣,保護轉(zhuǎn)底爐系統(tǒng)。截至目前,經(jīng)過多輪試驗生產(chǎn),原料-轉(zhuǎn)底爐干燥除塵系統(tǒng)運行穩(wěn)定,物料干燥效果良好,轉(zhuǎn)底爐爐溫、爐壓及爐內(nèi)氣氛都處在逐步優(yōu)化過程中,轉(zhuǎn)底爐高溫煙氣余熱得到充分的利用。5回轉(zhuǎn)筒區(qū)域冷卻技術(shù)轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)的金屬化球團溫度為800～1000℃,高溫、高孔隙率的金屬化球團若不采取任何保護措施直接與空氣接觸,則球團會發(fā)生嚴重的二次氧化,金屬化率損失嚴重,若球團裝罐還會發(fā)生球團互相粘結(jié)成大塊的情形,為金屬化球團的后續(xù)處理造成不便。迅速降溫冷卻是防止金屬化球團二次氧化的有效措施,傳統(tǒng)的冷卻方法是用煤氣冷卻;或?qū)⒏邷亟饘倩驁F置于密閉的回轉(zhuǎn)筒中,從外部噴淋,間接冷卻;或是對剛出爐的金屬化球團打水冷卻。用煤氣冷卻,煤氣消耗量大且冷卻時間較長;用回轉(zhuǎn)筒間接冷卻可通過調(diào)節(jié)噴淋水量控制冷卻速率,但冷卻筒占地面積較大,且需要設(shè)置噴水裝置,設(shè)備較為復雜;直接打水水量不好控制,打水量小不能迅速冷卻,大量打水球團水分含量高,影響后續(xù)使用。降溫冷卻方法可有效防止高溫金屬化球團氧化,但損失了球團顯熱,能源利用率降低。攀鋼資源綜合利用中試線,采用轉(zhuǎn)底爐直接還原與熔分深還原電爐聯(lián)合使用工藝,設(shè)計為金屬化球團熱裝進入熔分電爐。但在最初生產(chǎn)試驗過程中,出現(xiàn)高溫紅熱的金屬化球團在料罐及料倉中氧化粘結(jié)的現(xiàn)象,嚴重影響工藝順行,遂采用打水冷卻方式,氧化問題雖得以解決,但球團顯熱未能利用,能源消耗大,此外,球團中水分含量高對熔分爐加料制度及供電制度均造成不利影響。根據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況,中試線開展了大量探索性試驗,最終自主研發(fā)了防止高溫金屬化