回转窑结圈的机理和防治措施.doc

回转窑结圈的机理和防治措施太原理工大学现代科技学院冶金 摘 要 ：随着科学技术的发展，回转窑直接还原技术也有了很大的提高，特别是缺乏焦煤和天然气的地区，回转窑直接还原技术无疑对国家的建设提供了很大的帮助。因此，如何更好、更快的生产，是当前所要面临的首要任务。然而，由于工艺上的缺陷，结圈问题一直是回转窑使用上的一个常见障碍，它不仅影响设备的使用，更降低了生产效益。因此，针对回转窑生产出现的结圈现象，将从使用的煤种、原料、回转窑的工作参数、热工制度等方面对结圈产生的原因进行分析与探讨，从而找出结圈产生的原因，并提出预防和处理结圈的措施及方法，提高设备的运转率，降低生产成本，提高经济效益。 关键词 ：回转窑；结圈；分析；处理方法l 引言 随着钢铁企业的迅猛发展以及市场对钢铁质量的要求，国内许多大型企业为了提高冶金的质量及活性度，都上了不同规格的回转窑，以此满足企业冶炼高品质钢材的需求。但是在使用燃煤式回转窑时，经常出现结圈，直接破坏正常的热工制度，影响回转窑的产量、质量和长期安全运行。结圈现象已经成为当今钢铁企业一个重大问题，如果回转窑结圈问题得到有效控制，不仅能提高设备的运转率，而且能降低生产成本，提高产品质量，使综合经济水平有较大幅度的提高。我通过自己查相关资料，找出了回转窑结圈的原因，来和大家分享。2 现状 结圈实际上是烧成带与吸热带反应交界处挂上一层窑皮，当窑皮达到一定厚度时，就形成结圈，结圈使窑内的物料填充系数增大，回转窑主电机电流增大，有时会出现跳闸现象，给窑炉的安全运行带来了隐患。为了保证窑炉的正常运行，不得不停窑处理结圈，导致无法连续生产。3 原因分析 回转窑结圈是物理、化学、工艺诸因素综合作用的结果。众所周知，回转窑的料层内部充满还原气氛，而窑气空间处于氧化状况。这样窑衬经受着两种气氛不断交替的作用。在回转窑旋转过程中，窑壁被料层理盖的时间约占旋转一周所需时间的四分之一，其余时间与热窑气（氧化气氛）接触。还原性回转窑结圈的主要原因在于上述窑气气氛的变换以及与此同时发生的反应。从外观上看，结圈象坚硬的岩石类物体，不同的生成条件，其孔隙率差别也很大。从微观上看，结圈成层状结构，而且每一层形状独特。结圈不是匀质结构，而是由许多单独颗粒组成，由于熔结和生成熔融物使微粒相互粘结而成。结圈应具备两个条件：一是出现一定的粘度的液相量；二是烟气、物料和衬料之间有一定的温差。结圈断面中夹杂许多煤粉，色泽发黑，圈体的成分有时与部分石灰相似。 1、结圈原因较为复杂，下面将从物理和化学方面详细阐述结圈现象的原因：（一）物理机理在回转窑旋转过程中，料层与窑衬虽然直接接触，窑料中各种组分粘附在窑衬上往往是不可避免的，但在开始阶段由于“干净”的窑内壁表面缺乏附着基础，只有比重轻的细顺粒和烟气中的粉尘，首先附在窑壁的耐火衬上，这种极细颗粒的粘附主要是经过机械沉积，少量是经化学粘结桥而形成的。粘附在窑壁上的这种颗粒，承受颗粒自重的机械分力、烟气流动的机械分力以及窑的轴向和切线负荷的机械分力，还有料层压紧力，当粘附强度不够时，较大的和较重的颗粒会从窑壁上自动脱落或被擦落。因而窑料在窑衬的粘附只有在粘附严重的后期层中才包有较小的球团或破碎球团等较大颗粒，如果使用粉矿还原工艺，则窑壁结圈主要由细顺粒矿石组成，也夹有细煤颗粒。总之，窑料与窑衬直接接触极细粒级的机械粘附及料层上部窑气气流中的粉尘沉积，都是窑衬结圈的主要物理演变过程。（二）化学机理产生大粘附强度结圈更重要的原因是各种组分之间的化学反应和键组合。当达到一定的温度条件时，该区存在的窑料在合适的条件下形成低熔点共晶物，特别是酸性煤灰或矿石中的脉石与FeO生成的铁橄榄石起很重要的作用，在还原性气氛下，FeO的存在使煤灰分熔点降低，产生液相，还原煤灰分熔点越低，产生的液相越多，粘附也越严重，粘附力也越大。这便是还原性回转窑更易结圈的原因。因而还原煤灰分的熔点的高低是防止和控制结圈至关重要的因素之一。粘附物之间的粘结桥有两种不同的形成机理，一种是马上形成粘结桥，例如固体微粒之间通过分子力，静电力或磁力，粘结剂中的粘附力和聚合力，液体表面的界面力和毛细管压力形成粘结桥；另一种是需经一段时间之后形成粘结桥，如焙烧、再结晶、晶桥连接或有化学反应和无化学反应的熔融粘结。若细粒物料已经有足够的粘附力并很快粘附在窑衬上，则其他机理所起的作用可能会更加活跃，促使其它细粒物料更加容易粘结，污损耐火窑衬的表面，开始形成结圈。焙烧固结和熔融联结形成固体粘结桥的缓慢过程，熔融相也可能参与这种形成过程。该过程的开始温度大约是煤灰分熔点的0.8倍左右，这时晶格键会松散，甚至出现表面熔化，并把附近颖粒粘结起来。当出现化学反应时，则会出现超相界的物质迁移。上述各种机理是都参与了结圈的形成，并通过温度的升高使结圈速度加快，结圈长大。2、引起结圈的几个重要因素分析根据上面回转窑结圈的过程和机理的分析，可以把影响结圈的因素归结为下面的几个主要方面。1）FeO的产生和存在。引起结圈的FeO主要指的是粉末状铁原料在还原过程中产生的FeO。作为还原性回转窑，在对铁矿还原过程中产生FeO也是必然的，问题是它的存在状态和存在时间的长短，即结圈和铁矿石的还原性，特别是在FeO阶段和从FeO还原成Fe的性状有很大关系。2）还原煤灰分中的酸性脉石及其Al2O3和FeO的含量。从各种易熔混合物的熔化温度，FeOSiO2CaO体系和FeOSiO2CaOAl2O3的反应生成物钙铁橄榄石和铁钙铝硅酸盐，其熔化温度都偏低。特别是后者对回转窑直接还原要求的温度控制是一个严重的威胁，时都有可能产生熔融物。再把这两种体系和其它体系比较,可以发现FeO和Al2O3对降低熔化温度的作用是十分明显的，特别是Al2O3。一旦有SiO2、CaO存在，加入FeO和Al2O3就很容易生成熔化温度偏低的反应生成物。Al2O3的作用更大更明显，因而在影响结圈的因素中，Al2O3。、FeO的存在和数量的多少是一个重要的方面。Al2O3、FeO除矿石本身存在的外，还原煤灰分的量的多少有很大的关系，与灰分的熔融温度有关。由此可看出，为了防止和避免结圈，还原煤种的灰分熔点温度的选择是十分重要的。窑头使用燃煤的回转窑，煤的灰分熔点也是影响结圈的重要因素。因而，煤种选择是否得当是工艺是否成功的先决条件。3）温度过高窑壁温度和窑衬的性能和窑内操作温度有关，一定的窑衬及外部条件下，操作温度是一个最活跃、最有效的因素。而操作温度又和煤的性能和用量以及二次风量的调控有关。除了选择合适的煤种外，煤的用量以及煤的性能的稳定也是十分重要的因素。加煤量是否合适决定于给料设备和操作是否得当，煤的性能的稳定性，主要决定于煤的加工准备。如煤粒是否均匀，粒是否符合要求，分是否稳定均衡等。因而，对回转窑直接还原用煤必须进行严格的加工和混匀。4）窑衬的影响。窑衬的影响有两个方面，一是为了使窑壁温度不至过高，使用较薄的窑衬，热性能较好的耐火材料和适当采用外部冷却来降低窑衬温度。较低的窑衬温度也可抑制渗透和渣化作用。其二是由于结圈首先是从窑衬的粘附开始的。一般讲窑衬表面的渣化和结瘤组分对窑衬的浸透是形成高粘附的根本原因，因此，必须选择表面不易渣化和被料内组分浸透的耐火窑衬，实践证明焦油浸渍的镁砖和高氧化铝的耐火材料对抗结圈具有良好的性能。 5）粉末的加入。随着低熔点共晶物的产生和粉末的不断加入使结圈不断长大。粉末的来源主要来自以下几个方面：（1）由于矿石和煤本身不合格，带入了较多的粉末和细粒。(2) 矿石在加热过程中爆裂, 在物料运动中破裂，以及在还原过程中粉化。(3) 回转窑本身固有的运行原理；给入料有一定的落差，使煤和矿石破碎（对一步法直接还原，这种现象的影响很明显）;回转窑不断的转动使物料受机械研磨而产生粉末。另外窑料本身负荷在窑中的轴向分力和切线分力作用于料层，进一步使窑料受压，加强研磨和使窑壁更易粘附结瘤。6)操作制度的影响 理论上回转窑用煤量与空气量的平衡可通过控制窑头过剩空气系数来实现煤粉的完全燃烧。若空气量不足或喷量过多，煤粉细度偏高，会导致煤粉的不完全燃烧，窑内形成还原气氛，大量的CO使物料中的Fe2O3还原成FeO，FeO与其它氧化物形成低共熔物，使液相过量形成，加快了结圈的形成速度。 一、二次风配合比例不当时也易形成结圈。一次风的作用是向窑内喷送煤粉和供挥发份燃烧之用。二次风主要用于供煤的焦炭粒子燃烧之用。一次风一般是总空气量2530(单分道烧嘴)。一次风量过低，会使火焰过长，液相出现早；一次风量过大，会使火焰过短，物料预烧不好，破坏了热工制度的稳定，也形成结圈。 喂料的影响物料少在窑内也易结圈，因为物料在窑内运动的比较慢，物料与窑衬之间的温差小，窑皮被移动的物料磨损了，这样一来，也增加了结圈的可能性。此外，喂料的波动必然会引起窑内火焰的变化，从而破坏了热工制度，造成结圈。 喷煤系统和煤粉的影响 由于一些钢铁厂采用单通道喷煤枪，煤粉混合不好，煤粉的燃烧、火焰形状及长度难以控制，这也是导致结圈的原因之一；煤粉较粗，200目筛余7一9，煤粉水份含量约为 l2.5，这就造成了煤粉的不完全燃烧，形成还原气氛，导致结圈的产生。 4 处理方法 ( a )对原料进行有效的筛分，入窑石灰石全部通过水洗。保证人窑石灰石的清洁度，减少形成液相物质的含量。 ( b )选择合适煤种：选用灰份熔点高、灰份低、热值高、挥发份高的煤种，大大提高生产效率。保证煤粉燃烧效率，煤源尽量稳定。稳定的煤粉燃烧效率是防止结圈发生的前提， 如果窑内存在未燃煤粉，即使使用灰熔点很高的煤粉，也不能避免液相产生。 ( c )规范工作操作参数，稳定热工制度，控制煤粉的细度，减少因用煤量过多或空气量不足产生的不完全燃烧，避免还原气氛的形成。（d )控制煤粉的细度和水份，延长结圈时间，对煤粉进行有效的烘干，使煤粉中的水份降低至l以下，煤粉细度控制在200目筛余3以下，有效的延长了结圈的时间。 ( e)喂料量的影响 在生产中要求看火工严格执行工艺操作参数，杜绝因加料量与窑的转速不匹配的问题，也杜绝了因喂料不均匀引起的结圈问题的发生。 ( f )发现回转窑产生结圈应及早处理，在结圈厚度超过300mm时，就应采取冷烧法烧圈。冷烧步骤：将煤管退回并适当关小一、二次风，保持火焰顺畅，减少喂料量，冷烧以移动煤枪位置和快速转窑达到降温的要求，使结网产生热应力而开裂，直到烧掉为止。若圈口有增大的趋势，就将冷烧的力度