链箅机_回转窑球团生产工艺.pdf

第 1 页 共 8 页 世界金属导报 2010 年 8 月 31 日 第 010 版 原料炼铁 链箅机链箅机 回转窑球团生产工艺回转窑球团生产工艺 廖建国 自 1966 年神户制钢公司在神户炼铁厂内建设了链算机 回转窑球团生产设备以来 已有许多 采用相同生产工艺的球团生产设备建成投产 本文就球团生产设备的开发过程和各种球团生产 工艺的特征进行介绍 同时对链算机 回转窑球团生产工艺的优势和神户制钢公司的各工程项目的 最新状况进行了分析 1 前言 目前 世界主要的炼铁方法是采用高炉进行大规模生产的高炉炼铁法和采用电炉进行中小规 模生产的电炉炼铁法 高炉炼铁使用的原料为块矿石 烧结矿和球团矿 电炉炼铁法使用的原料 为废钢 还原球团矿和用还原球团矿生产的团矿等 烧结矿是钢铁原料 其粒度为 1 5mm 30mm 烧结矿以 1mm 3mm 左右的铁矿石粉为原料 采用粉焦作燃料 利用粉焦的燃烧热使矿石粉部 分熔融固结而成 而球团矿是采用比生产烧结矿更细的铁矿石粉通过造球机制成 12mmm 左右的 球状物 经焙烧而成 它不仅可以用作高炉炼铁原料 而且在盛产天然气的国家还被广泛用作气 基直接还原炼铁法的原料 目前 世界上的高品位块状铁矿石资源越来越少 人们正在考虑采用选矿工艺提高低品位矿 的品位后制成球团矿进行利用的方法 尤其是认为通过在高炉和直接还原炉增加球团矿的使用 量 可以使球团生产设备在未来发挥重要的作用 2 球团矿生产设备 球团矿生产设备一般由以下 4 个工序构成 原料装入工序 原料预处理工序 造球工序 焙烧工序 2 1 原料装入工序 由于球团生产设备的建设场地不同 因此作为原料的铁矿石 添加物 粘合剂等的加入方法 不同 以往 球团厂大部分是建在靠近矿山的地方 生产工序为选矿 精矿处理 原料是通过火 车或矿浆管线进行输送 另一方面 对远离矿山单独建设的球团厂来说 需要大量运送铁矿石 包括运送矿石的专用船 卸货码头 矿石的堆放场地 因此经济上不合算 2 2 原料预处理工序 铁矿石是造球用的原料 把铁矿石处理成细粉原料 可以满足造球要求的性能 其处理工序 包括了选矿 脱水 粉碎 干燥和调湿等工序 原料预处理工序一般是把低品位矿粉碎后 提高铁品位 然后去除硫 磷等杂质 再调整粒 度 为提高磁铁矿品位和去除杂质 进行了磁力选矿 对赤铁矿进行了重力选矿和浮游选矿或湿 式高磁力选矿 粉碎方式大致有如下几种 1 湿式粉碎 干式粉碎 2 开路粉碎 闭路粉碎 3 一段粉碎 多段粉碎 由于矿石的种类 性能和配比等不同 因此采用的粉碎方式不同 既要考虑经济性 又要进 第 2 页 共 8 页 行适当的相互组合 采用湿式粉碎时 要配置由浓缩机和过滤器构成的脱水设备 采用干式粉碎 时需要安装调湿设备 干燥工序通常是作为与干式粉碎配套的工序 调湿工序就是在干式粉碎的 原料中添加适当的水并进行均匀混合 使润湿的粉矿适合于造球 该工序可以调整粉矿原料的特 性 粉矿原料的特性会影响球团的质量 为生产高质量的生球团矿 作为铁矿石的粘合剂一般使 用膨润土或有机粘合剂 同时为使成品球团矿的化学成分达到目标值 添加了石灰石或白云石 因此调湿工序还是调整原料化学组成的工序 2 3 造球工序 造球工序就是用造球机把在原料预处理工序处理过的润湿粉原料加工成生球团矿的工序 生 球团矿可以用圆筒式造球机或圆盘式造球机造球 上述两种造球机都是利用离心力的作用 一面 使原料转动 一面造球 由于使用圆筒式造球机时从圆筒排出的球团粒度不均匀 有相当一部分 约占圆筒排出量 70 球团的粒度在规定以下 因此筛分后不得不作为返矿再装回圆筒 虽然原 料条件的变更会使造球的调整困难 但在原料的化学组成 粒度和水分一定的条件下 造球操作 稳定 圆盘式造球机由于离心力的作用 圆盘自身会使生球团在圆盘内形成分级 因此返矿量少 通过改变圆盘的旋转数 倾斜角度或深度 可以很容易因原料条件变更而调整造球操作 2 4 焙烧工序 球团的焙烧就是把作为粉矿的细颗粒氧化后 在 1250 1350 的温度下使赤铁矿颗粒完成 固结 此时 在原料中混有碱性脉石和配加石灰石的情况下 由于球团中会产生低熔点的渣 因 此也会变成赤铁矿固结和渣粘结的中间过渡组织 但是 由于粉矿石中没有混入会变为燃料的粉 焦 利用焦炭的燃烧热可以使粉矿石部分熔融 因此焙烧温度比球团化烧结法低 这是球团焙烧 工序的优点 球团的焙烧方式有 3 种 竖炉式 带式和链算机 回转窑式 竖炉方式是最早使用的球团焙烧 方式 设备的规模小 现在几乎不使用 带式球团焙烧方式的工业化使用比竖炉式略迟 它采用 简单的设备对球团进行干燥 预热 焙烧和冷却 因此设备的构成简单 操作也比较容易 由于 设备规模也能够大型化 因此目前仍有很多厂采用 链箅机 回转窑式球团焙烧方式由链箅机 回 转窑和冷却机构成 球团焙烧工序的干燥及预热 培烧 冷却分别采用相应的设备进行 因此 各工序容易控制 且生成的球团矿质量均匀 尤其是由于设备规模也能够大型化 因此与带式球 团焙烧方式一样被很多厂采用 表 1 示出链算机 回转窑球团生产设备和带式球团生产设备主要指标的对比 3 神户制钢公司的球团生产设备 为使神户制钢公司炼铁厂原料预处理的最佳化 即为了在烧结车间和球团车间分别根据原料 矿粉的性能对原料进行处理 扩大原料预处理的范围 同时为能够有效利用原料矿粉的性能 尤 其是为了通过使用球团矿来提高高炉生产能力 神户制钢公司炼铁厂于 1966 年 9 月建设了球团 生产设备 神户制钢公司的球团原料大部分是含有褐铁矿的各种赤铁矿粉 因此球团生产采用了干式粉 碎 预湿方法 以适应这种原料性能的要求 另外 在焙烧工序中 采用了 Allis Chalmers 公司的 链算机 回转窑式球团生产工艺 它能够做到高温且均匀焙烧 球团的生产能力为年产 100 万 t 在其之后 加古川炼铁厂也分别在 1970 年建设了第 1 球团车间 在 1973 年建设了第 2 球团 车间 两个车间的年产量都是 200 万 t 目前 本公司正在生产中的球团设备只有加古川炼铁厂 第 1 球团车间 为提高产量 减少操作人员和节能 该车间的球团生产设备进行了多次改造 目 前年产量约 400 万 t 神户制钢公司利用自己独有的优势管理球团的生产 通过把生产的球团矿用于神户制钢公司 的高炉 以及将自熔性球团矿应用于实际和白云石溶剂性球团矿的开发 因此在日本的大型高炉 使用球团矿方面处于领先地位 4 球团焙烧设备的特征 第 3 页 共 8 页 神户制钢公司在神户炼铁厂和加古川炼铁厂建设了采用链算机 回转窑方式的球团生产设备 其后 神户制钢公司进行了不断的独自改进 并以 KOBELCO 球团设备的形式 不仅在日本国内 而且在国外建设了许多球团厂并交付生产 这些球团厂的焙烧工艺都采用链算机 回转窑方式 4 1 竖炉式球团生产方式 竖炉式球团生产方式是最早使用的球团生产方式 它把设在炉外的燃烧室产生的热气体导入 炉内提供焙烧所需的热能 从炉体上部装入的生球团矿在下降过程中与热气体接触进行热交换并 被加热 被加热的球团矿通过冷却输送带被排出炉外 竖炉的特征是装入的球团矿与热气体充分 接触 热效率高 但另一方面 炉内的温度分布难以均匀 球团矿会被局部加热 造成球团之间 产生熔合 或粘附在炉壁上 有可能发生操作困难 这是其缺点 另外 为降低球团的生产成本 必须提高每台设备的生产量 但竖炉的最大生产量也就是 45 万 t a 左右 由于该技术古老 且设 备难以大型化 因此目前几乎不采用 4 2 带式球团生产方式 带式球团生产方式的工业化应用比竖炉球团生产方式略迟 其焙烧方式是将生球团装入被称 作 带式台车 的移动式链算上 依次进行干燥 预热 预热和冷却 与竖炉球团生产方式相比 带式球团生产方式的优点是球团的干燥 预热 焙烧和冷却等各工序的温度控制范围比较宽 但 是 如果改变带式台车的移动速度 各工序的条件会同时发生变化 这也是其缺点 生球团被装入带有拦板的带式台车上 布料厚度均匀约 300mmm 此时 为保护在焙烧带中 暴露在高温中的带式台车和台车拦板 以及防止与带式台车和台车拦板接触的球团发生不均匀烧 结 在带式台车上面装入焙烧球团作为铺底料 大约 100mm 在台车的两侧装入也装入焙烧球团 作为铺边料 装入带式台车的生球团按照干燥 预热 焙烧和冷却的顺序从炉内通过 炉内温度 保持在预先设置的温度 生球团矿在各工序过程中与空气及燃烧气体之间进行热交换后变为成品 球团矿 由于带式球团生产方式采用简单的设备生产球团 因此生产操作比较容易 但是 为保护带 式台车等机械部件和防止球团质量发生变化 在带式台车的底部和侧面循环填充了一部分成品球 团矿 但由于台车要从高温的焙烧工序通过 因此容易损坏 另外 如前所述 采用带式球团生 产设备时由于球团的布料层厚在 300mmm 左右 因此上下层之间会产生温差 它是造成成品球团 矿质量不均匀的原因 4 3 链箅机 回转窑球团生产方式 链算机 回转窑球团生产方式是由链算机 移动链算式预热机 回转窑 回转式焙烧炉 冷却 机 环形转动链算式冷却机 这 3 个主要设备构成 先在链算机上按照均匀厚度装入生球团 然后 依次进行干燥 脱水 预热 在预热硬化至能承受在回转窑内转动加热的强度后送入回转窑 球 团在回转窑内高温焙烧后送入冷却机冷却后成为成品球团矿 链算机 回转窑和冷却机的基本设计概念就是要使各自设备能有效地进行从常温到 1300 以 上的热传递 在机械方面不会有问题 链算机用隔墙将干燥室 脱水室和预热室分开 由于采用了高效的强制对流加热方式 因此 生球团的干燥和预热是在比较低的温度下进行热交换 球团的干燥 脱水和预热的热源不仅可以 使用由回转窑排出的废气 还可以使用冷却机排出的热气体 设备整体的热效率高 第 4 页 共 8 页 回转窑使用比较短的炉窑 入口侧与链算机相连 出口侧与冷却机相连 为使从链算机排出 的预热球团能在高温下进行焙烧 因此用耐火隔热材作窑衬 并采用辐射加热方式使球团的焙烧 能在高温下高效 均匀加热 回转窑采用低速运转 其出口侧比入口侧低 球团在回转窑内一面 被转动 一面被加热 在规定的温度下焙烧后被送入冷却机 由于这种转动的作用 因此回转窑 内的球团全部被均匀加热 能稳定生产出高质量球团矿 采用吹入空气进行强制对流的冷却方式 将装入环形水平旋转式冷却机的焙烧球团冷却至不 会影响装入下道工序的温度 此时 回收的热气体一部分可以用作回转窑内的燃料燃烧的二次空 气和链算机上球团干燥 预热用的气体 这是一种热效率高的生产工艺 链算机 回转窑式球团生产工艺具有如下优点 1 球团在回转窑内的焙烧过程中 由于回转窑的转动作用 因此球团的质量均匀 2 预热 焙烧和冷却等各工序不仅能关联控制 而且还能够根据需要分别单独控制 因此 能够将各工序的热气体和球团的热工制度控制在最佳条件下 使之能最佳适应原料和生产量的变 化 3 由于温度容易控制 因此即使焙烧温度带较低 也能生产出高质量的自熔性球团矿 4 燃料消耗低 电耗低 5 链算机 回转窑和冷却机分别按照各自的热负荷进行设计 制作 因此耐火材料和算条板 的更换频率低 设备的运转率高 5 成品球团矿的性能 成品球团矿的质量因球团生产工艺的不同而不同 采用带式球团生产工艺时 由一台设备对 作为移动式静态料层的球团进行干燥 预热 焙烧和冷却后变为成品球团矿 而且由于球团的料 层厚度为 300mm 因此存在着上下层的球团温度滞后差 结果 球团的质量发生了偏差 尤其是 抗压强度和转鼓强度的偏差明显 而采用链算机 回转窑生产工艺时 如前所述的那样 由于球团矿在回转窑内的焙烧过程中受 到转动的作用 因此所有的球团矿都被均匀加热 尤其是 通过调整回转窑烧嘴的燃料燃烧比例 第 5 页 共 8 页 容易准确调整焙烧温度 由此能生产出高质量的成品球团矿 6 应对各种原料的能力 采用链算机 回转窑球团生产工艺时 由于原料的干燥及预热 焙烧 冷却等工序分别采用不 同的装置进行 因此各工序能独立控制 另外 对于不同的原料 能分别控制在最佳的热滞后 这是链算机 回转窑球团生产工艺的强项 也就是说 从 100 磁铁矿到 100 赤铁矿 即使将它 们任意配比 也能够进行处理 另外 在原料矿含结晶水多的情况下 必须避免因结晶水的急剧 蒸发而导致球团发生爆裂 而链算机 回转窑球团生产工艺设置了低温带的脱水过程 能够避免球 团被急剧加热 7 试样试验和工艺设计 在设计球团生产设备时 必须在确定该设备处理铁矿石的最佳工艺条件后对设备进行适当的 调整 首先根据设备的生产能力 原料的性能 成品球团矿要求的性能等设计条件 采用神户制钢 公司拥有的工艺设计模拟程序对原料和气体的热平衡进行计算 确定链算机 回转窑和冷却机的 焙烧工序的最佳热工制度 然后 在工艺设计模拟程序中采用了根据神户制钢公司积累的丰富经 验计算的参数 并在试样试验中再现这种热工制度 确认它能确保预热球团和焙烧球团达到要求 的质量 接着 根据所得的热工制度 对链箅机 回转窑和冷却机 以及焙烧风机和除尘器等相关设 备进行最佳调整 并反映在设备设计中 最后 在试样试验时 使用实际处理铁矿石的试样进行模拟各工序的试验 确认能按照球团 所要求的质量进行生产 为按照上述顺序进行工艺设计 神户制钢公司安装了如下试验装置 1 间歇式球磨机 把铁矿石和添加物粉碎到规定粒度的设备 采用了 2 2 节所述的干式粉碎方 式 2 间歇式搅拌机 把铁矿石和粘合剂 添加物均匀混合 使原料的水分适合于造球的设备 3 连续式圆盘造球机 制造生球的设备 该设备还可以用来对采用实际设备生产的生球是否 具有所要求的特性进行确认 如果生球达不到所要求的特性 就要改变铁矿石的粒度 粘合剂的 种类和添加量 重复进行造球试验 找出最佳的造球条件 4 烧结杯 干燥 预热生球的装置 可以任意设定工艺气流的温度 流量和处理时间 在实 际生产设备中 球团通过一定高度的溜槽 由链算机送入回转窑 由于回转窑内转动的作用 因 此要求预热球团必须具有一定的强度 使用该装置可以对链箅机能否生产出这种预热球团进行确 认 为生产出满足要求的预热球团 采用最佳的热工制度并对链算机进行适当的调整 就能把握 工艺气流的温度 流量和处理时间 5 间歇式回转窑 对采用烧结杯制作的预热球团进行焙烧的装置 由于它能够任意设定焙烧 温度和处理时间 因此能确保作为最终成品的球团所要求的性能 使用间歇式回转窑的目的就是 要确定焙烧温度和处理时间 6 间歇式冷却机 对回转窑焙烧的球团进行冷却的装置 7 球团的质量试验装置 用于确认球团的物理特性值 还原性和化学组成等球团质量的测定 装置 神户制钢公司采用这些装置进行了试样试验 并对设备进行了最佳调整 改进设备设计 表 2 示出工艺设计和作为试样试验指标的球团质量的主要数据 第 6 页 共 8 页 8 最新的球团生产设备介绍 本章对神户制钢公司近年来承建和接受订货的球团生产设备的概况进行说明 另外 表 3 示 出各球团厂设备的主要技术条件 8 1 伊朗 Ardakan 球团厂 该厂建在伊朗内陆的 Yazudo 市的近郊 神户制钢公司承包了从铁路运送铁矿石设备到成品 球团矿的货车装入设备的整个球团制造设备的订货 原料的输送设备由西班牙的Taimu公司承包 电气设备由瑞士的 ABB 公司承包 神户制钢公司与上述两家公司一起进行了工艺设计 设备的 供给和工程建设管理 在距离该球团厂大约200km远的矿山所在地建有神户制钢公司承建的年产500万t的选矿厂 该选矿厂生产的精矿 磁铁矿和赤铁矿的混合 作为原料铁矿供给 Ardakan 球团厂 Ardakan 球团厂生产的球团矿作为炼铁原料用火车运送到 Mobarake 炼铁厂 神户制钢公司承 建的气基 MIDREX 直接还原炉已投产 等 Ardakan 球团厂的许多通用设备 小型风机和泵等 和锅炉由伊朗国内设计公司和设备制造公 司进行局部设计和制造 通过神户制钢公司严格的制作指导和管理 该厂的建设已完工 从 2008 年起开始顺利生产 8 2 巴林 GIIC 球团厂 2 号机 2 号机是继 1985 年神户制钢公司承建 1 号机之后接受订货的 这是一个包括从原料的卸货到 成品球团的出厂的整个设备的设计 设备供给 工程建设和试车的交钥匙工程项目 1 号机生产的球团作为原料供给巴林周边各国的气基 MIDREX 直接还原炉 2 号机的订货与 1 号机生产的球团质量高和神户制钢公司承建的卡塔尔气基直接还原炉的顺利投产有关 神户制钢公司至今接受订货承建的球团厂的生产能力为年产 400 万 t 但是 在接受出口巴 林的 GIIC2 号机订货时 为满足客户对设备能力大型化的要求 开发了培烧设备比以往大的年产 600 万 t 的球团生产设备 2 号机按照当初的计划 于 2009 年底开始生产 8 3 阿曼淡水河谷 Sohar 球团厂 世界第一大铁矿石生产商巴西淡水河谷公司在阿曼的 Sohar 地区建设了该公司的第一家海外 球团厂 作为向中东地区提供矿石和球团的踞点 神户制钢公司承包了包括原料的调质 混合 造球 焙烧和筛分机在内的各工序的工艺基本设计 淡水河谷公司和巴西的设计公司负责港湾设 备 原料堆放场地设备 矿石粉碎设备和实用设备的基本设计 整个设备规模为 一期工程年产 450 万 t 2 二期工程也是年产 450 万 t 2 年球团矿产量为 1800 万 t 预计作为铁矿石供给基 地的铁矿石库存量将达 4000 万 t 淡水河谷公司在巴西拥有的球团厂全部是采用带式球团生产方式 由于采用链算机 回转窑球 团生产方式生产的球团质量高 因此淡水河谷 Sohar 球团厂决定采用神户制钢公司的 KOBELCO 球团生产设备 从 2009 年开始现场施工 预计 2010 年开始投产 第 7 页 共 8 页 8 4 马来西亚淡水河谷公司球团厂 这是巴西淡水河谷公司的第 2 个海外球团厂的建设项目 它建在马来西亚的 Pera 州 作为供 给亚洲地区矿石和球团矿的据点 预计将建设年产 450 万 t 4 的球团厂 这是继阿曼之后采用神 户制钢公司的 KOBELCO 球团生产设备的厂 2009 年底开始进行设计 9 球团厂应对环境的措施 近年来 发展中国家也对球团厂的环境提出越来越严格的要求 要求球团厂对环境的影响要 小 要达到与日本相同的标准要求 与球团厂有关的主要环境标准及其对应措施介绍如下 1 粉尘 生产中产生的粉尘不能排放到大气中 设置电除尘器 布袋除尘器和洗涤塔等回收粉尘 并 将其作为原料进行再利用 近年来 发展中国家对原料堆放场地等的防尘措施越来越关心 开始 采取了向原料堆放场地洒水和设置大型风机防止粉尘飞到厂外的措施 2 硫氧化物 SOx 虽然硫的浓度不同 但在球团矿生产过程中使用的许多物质 如作为原料的铁矿石 石灰石 膨润土和白云石等 或作为燃料的某种天然气 重油和煤等所含的硫会被带入生产过程中 这些 硫在球团生产过程中会全部被氧化生成 SOx 其大部分是作为废气排出 与氮氧化物 NOx 不同 由于生产过程中没有抑制 SOx 的手段 因此作为抑制废气中 SOx 的 方法 可以