帶式焙燒機球團新技術研究與應用
2019-11-01
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
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名稱 |
鏈篦機-回轉窯藝 |
帶式焙燒機工藝 |
評價 |
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1) |
球團種類 |
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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 |
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b)磁鐵礦球團 |
適應 |
適應 |
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c)赤磁混合礦球團 |
適應 |
適應 |
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d)熔劑性球團 |
較難 |
適應 |
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2) |
單機產量 |
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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 |
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b)600~925萬t/a |
不滿足 |
滿足 |
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3) |
燃料類型 |
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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 |
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b)燃油/重油 |
適應 |
適應 |
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c)煤粉 |
適應 |
不適應 |
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d)內配煤 |
少量 |
適中量 |
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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% |
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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 |
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6) |
成品球質量 |
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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 |
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b)空隙率 |
稍小 |
稍大 |
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c)還原性 |
正常 |
稍好 |
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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 |
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8) |
設備維護量 |
大 |
小 |
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 |
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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
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項 目 |
指標 |
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平均抗壓強度 |
3100N/P |
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轉鼓指數（+6.3 mm） |
97.0% |
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抗磨指數 -0.5mm |
3.5% |
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低溫還原粉化 +6.3mm |
97.0% |
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低溫還原粉化 -0.5mm |
3.0% |
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焦爐煤氣 |
28Nm3/tp |
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電耗 |
24kwh/tp |
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工序能耗 |
20kgce/tp |
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