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帶式焙燒機球團新技術研究與應用

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1 前言

近些年,由于我國鐵礦資源的劣、貧、雜、難選化,為提高鐵礦利用效率必須進行細磨,導致國產鐵精礦細粒度居多,有一半鐵精粉適合生產球團礦。另外隨著國家持續推動鋼鐵行業實施清潔生產、超低排放,球團工藝相比燒結工藝更加清潔環保。所以,在高爐爐料中增加球團礦用量,已被各大鋼鐵企業列入發展規劃中。

北京首鋼國際工程技術有限公司多年來一直從事球團技術的研究。2000年研發的中國國內第一條鏈篦機-回轉窯球團生產線成功投產,2010年研發的中國第一條大型帶式焙燒機球團生產線成功投產,2015年研發的包鋼新體系統500萬t/a帶式焙燒機球團生產線成功投產。在2條大型帶式焙燒機技術的基礎上,北京首鋼國際工程技術有限公司持續創新,在總承包的首鋼京唐2#、3#帶式焙燒機球團生產線上設計采用了多項新技術。

2 高爐大比例配加熔劑性球團礦的必要性和發展

2017年中鋼協會員單位的高爐爐料結構大致為燒結礦78%、球團礦13%、塊礦9%。適宜的爐料結構是高爐生產最優化和低成本化的保證。提高高爐爐料球團礦配比,可提高入爐礦含鐵品位、降低噸鐵用礦量、降低燃料比、增加產量,還可降低污染物排放、促進煉鐵系統節能減排、降低造塊工藝煙氣治理的費用。

高爐爐渣來自燒結礦、球團礦、塊礦、焦炭和煤粉,爐渣堿度一般要求在1.0-1.2。燒結礦堿度一般為1.8-2.2,當球團礦配比在50%左右,球團礦堿度需要在1.0左右,才能達到爐渣堿度要求。因此,高爐采用大比例球團礦爐料結構,需要采用熔劑性球團礦。

2015年12月-2017年9月,首鋼京唐多次進行高爐大比例球團(最高55%)+石灰石/鋼渣的工業試驗,驗證了京唐高爐大球團比冶煉的可行性;2018年10月-2019年1月,采用堿性球團+酸性球團+燒結礦+生礦的爐料結構進行了2次工業試驗,確定了高爐的爐料結構,找到了堿性球團質量控制的關鍵;2019年4月26日3號高爐投產以來,球團礦配比逐步提升,最高達59.1%,在此過程中高爐壓量關系穩定、爐況持續穩定。目前,首鋼京唐3座高爐均采用~53%球團礦的爐料結構,3號高爐利用系數為2.34 t/(m3·d),燃料比為481kg/t,綜合入爐礦品位為61.3%,渣量降低至225kg/t。實踐證明,球團礦配比提高10%,噸鐵約能降低5kg燃料比。

3 帶式焙燒機球團工藝技術特點

球團礦的生產工藝主要有三種:鏈篦機-回轉窯工藝、豎爐工藝、帶式焙燒機工藝。我國球團產量鏈篦機-回轉窯工藝約占58.6%,豎爐工藝約占36.0%,帶式焙燒機工藝約占5.4%。由于設計及設備制造能力的限制,帶式焙燒機工藝在我國的發展相對緩慢。帶式焙燒機工藝與鏈篦機-回轉窯工藝的比較,見表1。

表1  帶式焙燒機工藝與鏈篦機-回轉窯工藝比較

名稱

鏈篦機-回轉窯藝

帶式焙燒機工藝

評價

1)

球團種類

     

a)赤鐵礦球團

較難

適應

鏈篦機-回轉窯工藝中預熱球的轉運和回轉窯結圈問題,較難適應赤鐵礦球團和熔劑性球團;帶式焙燒機工藝預熱、焙燒段燒嘴的可控性,適用于各種類型的球團

b)磁鐵礦球團

適應

適應

c)赤磁混合礦球團

適應

適應

d)熔劑性球團

較難

適應

2)

單機產量

     
 

a)200~600萬t/a

滿足

滿足

世界上已投產球團單機最大產量,帶式焙燒機為925萬t/a,鏈篦機-回轉窯為600萬t/a

 

b)600~925萬t/a

不滿足

滿足

3)

燃料類型

     
 

a)天然氣/煤氣/混合煤氣

適應

適應

鏈篦機-回轉窯工藝適用于所有的燃料條件;帶式焙燒機工藝無法采用煤粉,但內配煤量比鏈篦機-回轉窯工藝略高

 

b)燃油/重油

適應

適應

 

c)煤粉

適應

不適應

 

d)內配煤

少量

適中量

4)

燃料消耗

略高

略低

帶式焙燒機流程短,臺車回溫低,無冷卻水和冷卻風,熱利用率更高,燃耗降低5-10%

5)

電力消耗

相當

相當

帶式焙燒機料層厚壓差大,鏈篦機-回轉窯設備交接處多,漏風較多

6)

成品球質量

     
 

a)抗壓強度

滿足

滿足

帶式焙燒機料層厚,上下層球強度有差別,鏈篦機-回轉窯球滾動均勻性強,但球團過于緊實,還原性略差

 

b)空隙率

稍小

稍大

 

c)還原性

正常

稍好

7)

粉塵產生量

偏多

偏少

鏈篦機-回轉窯轉接點多,球在窯內滾動

8)

設備維護量

帶式焙燒機設備簡單,臺車在線更換,耐火材料不與球團接觸,使用壽命長

9)

作業率

正常

偏高

帶式焙燒機作業率能達到95%以上

 

4 帶式焙燒機球團工藝新技術

4.1 熔劑球團技術

1)采用石灰石或消石灰作為熔劑,滿足高爐對球團礦堿度的要求。2)采用消石灰作熔劑時,可減少粘結劑用量。3)適宜的焙燒溫度比酸性球團礦有所降低,降低NOx的生成量。

4.2 鎂質球團技術

1)采用白云石、菱鎂石、橄欖石、氧化鎂粉等作為鎂質熔劑,滿足高爐對球團礦MgO含量的要求。2)球團礦內添加MgO,能有效提高球團礦的冶金性能、降低還原膨脹指數、改善低溫還原粉化指數;還能降低燒結礦MgO含量,提高燒結機利用系數和燒結礦強度。

4.3 含鈦球團技術

1)添加含TiO2的原料,滿足高爐對球團礦TiO2含量的要求。2)含鈦球團礦會使高爐爐缸和側壁上形成TiN(TiC)層,由于TiN(TiC)的熔點高達2950(3140),從而達到護爐效果,提高高爐爐齡。

4.4 先進的自動造球技術

利用專用圖像分析軟件對攝像儀攝取的生球團圖像進行實時分析,自動調整造球相關參數,實現自動造球,保證生球質量,減少勞動定員。

4.5 先進的往復式布料器

1)頭部伸縮采用移動小車,采用液壓油缸驅動;2)移動小車速度與輸送帶的帶速相匹配,實現單向下料,保證料面平整;3)減少生球轉運次數和落差,避免對生球的破壞,提高生球合格率。

4.6 先進的分級布料系統

分級布料輥篩(見圖1)技術特點為:

圖1分級布料輥篩

1)4m臺車僅采用φ85mm的輥子,輥間凹槽淺,篩分效果好;2)輥子采用離心鑄造,撓度小、不易變形,生球合格率高;3)輥子表面設置涂層,不易粘料、使用壽命長;4)采用新型側擋板,不會在輥子表面產生拉溝,輥子使用壽命長。

分級布料(見圖2)的優點:1)分級篩分及更大的篩分面積提高粉料的篩分效率;2)提高料層透氣性;3)提高單位面積焙燒機的風量;4)縮短反應時間;5)降低燃料消耗;6)提高焙燒機生產能力;7)改善球團礦的物理性能。

圖2 分級布料料層示意圖

4.7 先進的厚料層焙燒技術

1)降低料層底部強度低的球團礦比例;2)降低帶式焙燒機速度;3)更好地干燥、預熱、焙燒和冷卻;4)增加產量。

4.8 先進的燃燒系統

1)自動點火,實現在線燒嘴在線啟停;2)火焰監測,實現熄火自動識別、自動吹掃,保證生產安全;3)空氣過剩系數低至15%以下,降低NOx的產生;4)先進閥組及控制系統,實現單個或單組燒嘴溫度自動控制。

4.9 先進的內配燃料技術

采用內配燃料工藝,增加成品球團礦的孔隙率和還原性,降低總燃料消耗、臺車篦條的溫度和風機的電耗,提高系統的生產能力。這種高氣孔率、高還原性的球團礦用于高爐生產,能提高生產率和降低熱耗。

4.10 先進的臺車、星輪及彎軌技術

選用性價比高的材質,適應焙燒機高溫、熱交變等工況要求,設計出合理的臺車結構,有效提高臺車的使用壽命,僅需備用幾塊臺車用作在線換篦條使用,大量節省臺車備件費用,大幅提高帶式焙燒機作業率。臺車壽命問題的解決掀起了中國球團行業的帶式焙燒機球團熱。

頭輪部星輪及彎軌采用符合帶式焙燒機運行特點的結構,運行平穩,無碰撞異響,齒面采用可更換設計,方便生產檢修。

4.11 先進的非水冷結構梁和隔墻

側密封梁采用先進的非水冷梁技術,隔墻取消支撐水冷梁采用吊掛結構,實現帶式焙燒機零冷卻水用量,避免水梁因腐蝕泄漏對設備及耐火材料的破壞。

4.12 先進的密封技術

先進風箱端部及隔斷密封技術,結構簡單、適應熱狀態、運行穩定、維修方便,有效解決密封裝置在橫向和縱向的隨動問題,能夠有效消除積灰現象。

新型爐罩與臺車間的密封技術:密封板靠自重與臺車摩擦板形成密封,密封性能好;優化結構、使用壽命長;檢修維護方便。

4.13 先進的自動控制技術

帶式焙燒機自動調速;工藝風機自動調整轉速;風系統閥門自動調整開度;鋪底料篩自動調整給料量;整個帶式焙燒機實現計算機自動控制。

5首鋼京唐2#、3#球團生產線應用情況

北京首鋼國際工程技術有限公司總承包的首鋼京唐2#、3#兩條504m2帶式焙燒機球團生產線于2019年5月、6月先后投產,各系統運行穩定,7天達到設計指標,球團礦堿度實現1.0-1.2,熱耗、電耗、工序能耗等各項技術指標都達到了國內領先,國際先進的水平,為首鋼京唐特大型高爐“穩產順行、安全高效、經濟長壽”的生產提供了優質原料。隨著首鋼京唐2#、3#帶式焙燒機球團生產線的順利投產以及首鋼京唐3座高爐大比例球團的穩定運行,國內已經興起高爐大比例球團冶煉的熱潮。

表2  京唐2#、3#帶式球團焙燒機球團生產線主要技術指標

 項     目

指標

平均抗壓強度

3100N/P

轉鼓指數(+6.3 mm)

97.0%

抗磨指數 -0.5mm

3.5%

低溫還原粉化 +6.3mm

97.0%

低溫還原粉化 -0.5mm

3.0%

焦爐煤氣

28Nm3/tp

電耗

24kwh/tp

工序能耗

20kgce/tp

 

2019年11月1日
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