转底炉直接还原工艺的发展

转底炉直接还原工艺的发展

30年来，直接还原煤炭基的煤炭基是发展起来的一种新铁路运输技术。主体设备采用环形加热炉，最初用于处理铁粉矿垃圾，然后通过美国、德国、日本等国的开发和应用，在矿石中进行直接还原，并先后建立了工业化厂。主体处理方法基本相同。通过在12001400c下的短时间内对含碳量碳球团进行快速加热和还原，并通过提取zn和pb来分离燃烧残渣中的固体残渣。由于这一工艺无需燃料的制备和原料的深加工,对合理利用自然资源、保护环境有积极的作用,因而受到了冶金界的普遍关注。我国自20世纪90年代起对转底炉技术进行跟踪研究,先后在山西舞阳、翼城,河南巩义,辽宁鞍山等地建立试验装置,并进行了初步的实验,获得了经验与技术的积累。近几年在消化吸收国外转底炉发展技术的基础上,先后有多家企业投资建设转底炉装置,转底炉工艺逐渐成为直接还原铁领域的1个建设热点。目前,国内工业规模转底炉建设情况如表1所示。虽然转底炉工艺发展较快,但就目前来看,该工艺在我国的发展仍处在起步阶段。在工艺技术、装备水平、能耗等方面都存在未完全解决的问题,需要继续深入开展研发工作,解决影响转底炉工艺发展的关键技术问题,达到规模化工业生产。1煤粉混合压球含碳球团造块技术也称冷压球团技术,是在一定压力下,使粉状物料在模型中受压成为具有一定形状、尺寸、密度和强度的块状物料。主体设备一般为高压对辊压球机。转底炉还原剂用煤一般为无烟煤,要求固定碳大于75%,低硫,低灰分。物料(固体废弃物、铁精矿等)与煤粉、粘结剂、水等按照一定比例配料,混合均匀后给入压球机进行压球。若压球效果不好,球团成球率低、球团落下强度低,则物料利用率下降,若筛分不利则大量粉料进入转底炉,引起炉底板结上涨,直接影响工艺生产顺行。因此,压球成为转底炉直接还原首当其冲的关键环节。影响成球效果及球团强度的因素主要包括:水分、压力、粘结剂、物料粒度、混料时间等。1.1在合成纤维中的应用在压球过程中,物料颗粒间发生紧密作用,此时毛细管中的、内部裂缝中的一部分水分被压制到颗粒表面,减少颗粒表面的摩擦而起到润滑剂的作用,使物料颗粒能在一定的压力下达到更大的密集。压球时水分与压力是相对应的,图1为压制磁铁矿时,水分与压力对球团强度的影响。压制不同物料时,需摸索压力及其对应的水分条件,以得到较高的成球率和球团强度。1.2粘结剂的使用粘结剂是影响球团成球效果及强度的关键因素,目前各转底炉使用厂家大都研制出适合自身生产条件的粘结剂品种,如莱钢使用有机粘结剂、攀钢使用混合粘结剂等。各相关院校也在积极开展实验研究,探寻高效价廉的粘结剂,如北科大相关科研人员深入研究了糖浆、膨润土、玉米面等粘结剂用于普通矿及钒钛磁铁矿压球时的成球效果及球团强度,并得到了阶段性成果。攀钢转底炉直接还原中试线对多种有机、无机粘结剂进行了尝试,目前已确定了3种较为优化的粘结剂配比,鉴于后续对钒、钛资源的回收利用,倾向于深入开展有机粘结剂的试验研究,以减少粘结剂对钛渣的污染。1.3粒为主掺混合物料粒度对压球过程也有较大影响,粒度太细的物料,松装密度小,球团强度将降低;粒度太大的物料,单个颗粒体积大,压制时移动和变形困难,不易压制;具有一定粒度组成的物料成球性能较好,即以细粒为主掺以一定量粗粒,粗粒起骨料作用,细粒起基料作用,颗粒大小不一,有利于小颗粒填充到大颗粒之间的孔隙中去,以达到紧密排列,球团的密度和强度增加。因此,除保持物料具有一定的粒度组成外,可将生球或干球在筛分过程中产生的返料与新料混合共同压球,返料经过一次压制,颗粒较粗,可作为骨架,实践证明,混合物料中配入5%～7%左右的返料,可提高成球率和生球强度。混料时间短,物料之间未能混合均匀,加之粘结剂与物料接触时间短,不能充分浸润,使得成球效果欠佳。因此,一般需保证混料时间为6～10min甚至更长,保证物料混合均匀,粘结剂、水分等充分浸润,提高粘结剂使用效果。1.4他造球工艺东北大学在研究压球工艺的同时也在积极开发适用于转底炉直接还原的其他造球工艺,目前其研发的物料挤压成型及配套粘结剂开发已取得良好的实验室效果,挤压的球团具有一定的弹性,生球落下强度及抗压强度值均较高,计划下步开展工业试验,若效果良好且产量满足要求则推广前景广阔。2均匀面料设计含碳球团在转底炉内的升温、反应所需热量主要来源于煤气燃烧的辐射传热,因此球团料层不宜过厚,一般为1～3层球团。转底炉的承料面为圆环面,内外径相差较大,因此内、外环线速度相差较大,所以将球团均匀布置在圆环面上难度较大,而转底炉直接还原工艺要求球团均匀受热,产品金属化率一致,即要求布料均匀,因此,转底炉装料机成为影响转底炉直接还原效果的关键装备技术。目前直接还原转底炉用的供料装置多采用吊挂共振式给料机、多台并列式电磁振动给料机、振动电机给料机、胶带机多刮板式给料机等等,以期实现向转底炉炉底横向、径向都均匀布料。上述布料装置在使用过程中均存在不足之处,例如,吊挂共振给料机组件多、振幅大,球团易碎,且电动机置于高温区,易烧毁;多台并列式电磁振动给料机设备繁杂,布料量不易控制;振动电极给料机噪音大,电机处于高温区易损坏;胶带机多刮板式给料机结构简单,但多点式刮料不能形成均匀的完整料流,且胶带不耐高温,易烧坏。针对上述实际问题,结合转底炉使用功能,各厂家及科研院所对转底炉装料系统进行了深入研究,对现有设备进行了优化改造,并提出一些新的设计思路,在均匀布料、保护设备、方便操作等方面取得了进步。万天骥、刘克俭等针对均匀布料分别设计了转底炉装料机,主要是将出料槽下料口设计成弧线形式,弧线具体尺寸通过公式计算,刘克俭等设计的装料机简图如图2所示。此外,在出料槽内还设置筛网,滤掉压块中的粉料,减少入炉粉料量。秦廷许等针对振动给料机电机处于高温区,易被烧损,以及布料不准确等对其进行了改进,改进后的布料装置借助于布料槽偏心配置的双电机传动,使双激振器产生振动,从而使给料机高频低振幅运转,确保复合料球团呈单层平铺向前直线运动,完成均匀布料,因电机偏离布料机中心,远离高温区,又不参与振动,所以电机寿命显著延长。赵先觉、齐渊洪等对旋转布料机进行了改进,在圆柱形布料辊表面设置一定高度的沟槽,沟槽断面为梯形、高度为1个球团的厚度(可根据料层厚度要求进行调整)。随着布料辊的转动,料仓中的球团进入布料辊表面的沟槽中,由于沟槽只有1个球团的厚度,所以只有1层球团被布料辊带出料仓并随着辊子转动布入炉底。图3为赵先觉设计的旋转布料结构简图。其他专家学者也提出了很多较为完善的装料设备,并接受着实际生产的考验,随着对转底炉设备及直接还原工艺的深入研究,装料系统必将得到逐步完善,实现连续稳定均匀布料。3出料螺旋叶片的还原工艺技术改进较出料机是转底炉工艺的核心技术之一,其作用是将铺设在炉底的金属化球团卸出炉外,目前常用的为螺旋出料机。因处理的金属化球团温度为1000℃左右,所以出料螺旋必须耐热耐磨,螺旋一般采用水冷,以保证轴和叶片的强度,叶片与螺旋轴之间通过焊接或螺栓连接,叶片上或堆焊硬质合金。由于高温作业,螺旋叶片寿命较短,需要及时更换,而更换叶片及类似工作需要转底炉停止工作且将炉温降低到适宜作业的低温,此举影响正常的工作生产,因此各厂家及科研单位均在深入研究,尽量延长叶片使用寿命,降低其更换频率。另一方面,若出料螺旋叶片磨损较快,则转底炉内物料不能被及时刮出炉外,在炉底堆积板结使炉床不断抬高,并造成螺旋卡死停转,需要停炉清理炉底才能继续生产。因此转底炉出料机成为转底炉直接还原工艺的核心装备,并需要在技术上进一步突破。针对出料螺旋日本株式会社神户制钢所占部好浩等人发明了1种转底炉还原铁的排放螺杆,还原铁排放螺杆在螺旋轴的外周具有螺旋叶片,其内部通冷却水冷却,并在螺旋轴的外周上设置耐火层,防止腐蚀性气体对叶片的侵蚀。此外,螺旋叶片的前段延长槽被填充表面硬化层,螺旋叶片在排放端口侧具有更多的螺纹以减小转数,使还原铁可以朝排放端口移动而不离开螺旋叶片,还原铁排放螺杆可以以较低的速度转动以减少螺旋叶片的磨损。刘克俭等针对水冷螺旋作业温度高、磨损较快问题设计了1种水冷螺旋结构,主要是对螺旋轴进行全方位冷却,延长其使用寿命。山东威海三盾公司与国内某研究所联合研发了1种新型表面堆焊材料,采用特殊材质和焊接方式,在刀片母材表面焊接一定厚度的高温耐磨材料,提高螺旋叶片使用寿命,由该公司制作的1套年处理7万t直接还原铁的出料螺旋成套设备目前在山东一家钢铁公司使用状况良好。出料机是转底炉的关键设备,目前普遍使用的出料螺旋具有使用寿命短、出料不能完全出净的特点,各研究院所在进一步研究叶片材质及螺旋水冷形式的同时,也在着眼其他形式的出料装置,如刮板形式,随着转底炉设备的广泛应用,工艺日趋成熟,出料装置也必然得到进一步改进。4炉内气氛控制适宜的炉温是保证金属化球团还原效果的基本条件,炉温低,还原温度低,热力学条件差,球团金属化率低;炉温过高,对耐火材料不利,且加速炉底板结上涨。炉压是转底炉正常运行的关键因素,一般控制在微负压或微正压,炉压升高,轻则装料区火焰外冒,烧损设备,重则造成爆炸,破坏转底炉钢结构。因此,要控制炉压在一定范围内,并设有应急保护措施,防止意外事件发生。炉内气氛也是影响球团金属化率的重要因素,若炉内空煤比设置不合理,或者水封槽处密封不严的话,则炉内O2量升高,还原性气氛被破坏,造成球团金属化率降低。炉温、炉压和炉内气氛并不是单独控制的,而是相互影响、互相制约。要保证炉温则必须补充足够的风量,而风量增大则炉压升高,炉内还原性气氛变弱,因此,要根据生产经验寻找三者的平衡点,需要长时间的生产实践摸索来确定较优化的工艺参数。攀钢于2009年建成资源综合利用中试线,采用转底炉直接还原与熔分深还原电炉联合使用工艺处理攀西特色资源钒钛磁铁矿。针对原料-转底炉系统,为了合理利用资源,降低工序能耗,有效控制炉温、炉压及炉内气氛,攀钢自主研发了转底炉废气余热回收利用系统(亦称干燥除尘系统),即采用与助燃空气换热后的转底炉废气干燥精矿和生球,气体最终经净化除尘后达标排放,如图4所示。采用此系统不但可以利用烟气余热,还能及时将炉内烟气抽出,保证炉压稳定在一定范围内。意外情况下,可打开事故烟囱阀门释放烟气,保护转底炉系统。截至目前,经过多轮试验生产,原料-转底炉干燥除尘系统运行稳定,物料干燥效果良好,转底炉炉温、炉压及炉内气氛都处在逐步优化过程中,转底炉高温烟气余热得到充分的利用。5回转筒区域冷却技术转底炉生产的金属化球团温度为800～1000℃,高温、高孔隙率的金属化球团若不采取任何保护措施直接与空气接触,则球团会发生严重的二次氧化,金属化率损失严重,若球团装罐还会发生球团互相粘结成大块的情形,为金属化球团的后续处理造成不便。迅速降温冷却是防止金属化球团二次氧化的有效措施,传统的冷却方法是用煤气冷却;或将高温金属化球团置于密闭的回转筒中,从外部喷淋,间接冷却;或是对刚出炉的金属化球团打水冷却。用煤气冷却,煤气消耗量大且冷却时间较长;用回转筒间接冷却可通过调节喷淋水量控制冷却速率,但冷却筒占地面积较大,且需要设置喷水装置,设备较为复杂;直接打水水量不好控制,打水量小不能迅速冷却,大量打水球团水分含量高,影响后续使用。降温冷却方法可有效防止高温金属化球团氧化,但损失了球团显热,能源利用率降低。攀钢资源综合利用中试线,采用转底炉直接还原与熔分深还原电炉联合使用工艺,设计为金属化球团热装进入熔分电炉。但在最初生产试验过程中,出现高温红热的金属化球团在料罐及料仓中氧化粘结的现象,严重影响工艺顺行,遂采用打水冷却方式,氧化问题虽得以解决,但球团显热未能利用,能源消耗大,此外,球团中水分含量高对熔分炉加料制度及供电制度均造成不利影响。根据现场实际生产情况,中试线开展了大量探索性试验,最终自主研发了防止高温金属化