我国铁矿造块回顾与展望

我国烧结球团生产与技术进步 回顾与展望 姜涛2012年5月 主要内容 1 我国铁矿造块工业发展回顾2 我国铁矿造块工业的现状与展望3 结语 引言 铁矿造块成为现代钢铁联合企业中物料处理量居于第二位 仅次于炼铁 能耗居于第三位 仅次于炼铁和轧钢 的重要生产工序 我国已是世界第一铁矿造块大国 但整体水平与国际先进水平相比仍存在差距 能耗和环境方面的差距尤为显著 新世纪第二个十年 我国造块生产面临新挑战 温故方能知新 推动我国烧结球团技术再上台阶 1 我国铁矿造块发展回顾 1 1烧结法1 2球团法 1 1烧结法 我国第一台烧结机于1926年在鞍钢建成投产 烧结面积为21 8m2 1949年以前全国共有烧结机10台 总面积330m2 烧结矿最高年产量达到24 7万吨 1943年 主要生产酸性热烧结矿入炉 新中国成立后 经过三年恢复时期 烧结矿产量增至138万吨 以产品特性 装备水平和工艺技术的发展为线索 可将近六十年来我国烧结工业的发展分为四个阶段 表1六十年来我国烧结工业的四个发展阶段 图1我国烧结矿产量变化趋势 图2我国烧结矿铁品位变化趋势 图3我国烧结矿碱度变化趋势 图4我国烧结料层高度变化趋势 图5我国烧结工序能耗变化趋势 1 2球团法 1955年 中南矿冶学院 北京钢铁学院等 铁精矿球团法试验研究 1959年 鞍钢 本钢等 隧道窑焙烧装置 80年代 球团竖炉 70年代后期 南京钢铁厂 链篦机 回转窑球团设备 21世纪后 我国球团矿生产突飞猛进 1972年 武钢 带式球团焙烧机 1968年 济钢 我国第一座球团矿竖炉 我国球团法的起步并不晚 但发展过程较为曲折 竖炉 初期用石灰作为添加剂 生产自熔性球团矿 炉内频繁结块 劳动条件差 生产不正常 炉内导风墙和烘干床的发明 膨润土代替石灰生产酸性球团矿 改善了竖炉球团生产 我国在竖炉方面创造出独特的炉型结构 带式焙烧机 由于高热值煤气和重油的供应受到限制 80年代在我国未能推广 京唐钢铁公司年产400万t带式焙烧机投产改写带式焙烧机发展停滞不前的状态 链篦机 回转窑 2000年首钢矿业公司年产120万吨链箅机 回转窑生产线改造投产 为链篦机 回转窑球团法的发展提供了示范 目前链篦机 回转窑法的生产能力已经占全国球团矿总产能的一半以上 2 我国铁矿造块工业的现状与展望 2 1我国铁矿造块工业现状2 2我国铁矿造块工业未来展望 3 1我国铁矿造块工业现状 2000年以来 我国的铁矿造块不仅在产量上增长迅猛 在技术装备水平上也有一个大的飞跃 我国大 中型烧结机所占的比重逐渐增加 约占整个烧结面积的2 3 已投产和在建单台面积180m2 660m2的大中型烧结机163台 其中300m2 660m2的大型烧结机80台 2011年我国烧结矿产量约为7 9亿吨 目前全国共有竖炉211座 生产能力8700万t 带式焙烧机3台 生产能力750万t 链箅机一回转窑91条 生产能力12200万t 球团矿总生产能力达到2 2亿吨 实际产量约1 4亿吨 表2我国重点企业大中型 大于300平米 烧结机统计情况 表3我国大中型企业烧结主要技术经济指标 注 2001 2008年数据来源于中国钢铁统计 2009 2010年数据来源于冶金之家网站 3 2我国铁矿造块工业未来展望 我国已是世界第一铁矿造块生产大国 但目前整体技术水平与国际先进水平相比仍存在差距 能耗和环境方面的差距尤为显著 挑战一 我国优质铁矿资源短缺 大量利用国内外各种劣质含铁资源是我国未来钢铁生产的必然趋势 挑战二 提高产品质量 降低工序能耗 循环经济 实现清洁生产 1 加快淘汰小型和落后设备 实现装备大型化 我国烧结机的平均面积偏小 不能满足提高质量和节能减排的要求 钢铁产业发展政策 规定 新建烧结机使用面积 180m2 太钢660m2烧结机建成投产 是目前世界上单台面积最大的烧结机 球团大型化趋势明显 继武钢后 湛江龙腾物流有限公司年产500万吨链篦机 回转窑生产线于2009年投产 京唐钢铁公司400万t a带式焙烧机2010投产 我国烧结球团装备以大代小 先进代替落后成必然趋势 节能减排是未来我国各行业工作的重点 烧结节能应以降低固体燃料消耗和回收烧结废烟气余热为主 2 积极推动节能减排 发展循环经济 厚料层烧结等各种低能耗烧结技术 用烧结矿冷却产生的余热发电技术 大型烧结机烟气循环富集和余热综合利用技术等 烧结过程SO2排放量约占钢铁企业总排放量的40 60 烧结烟气脱硫任务迫切 国外使用的脱硫技术 氨一硫酸铵法 循环流化床法 活性炭吸附法石灰 石膏法等 我国规划实施烧结烟气脱硫 结合我国实际情况 需开发设备简单 操作方便 投资少 脱硫率高 运行成本低且不产生二次污染的烧结烟气脱硫新技术 目前我国铁矿造块产品中 高碱度的烧结矿占主导地位 中低碱度炉料的不足 我国将自产精矿全部用于生产球团矿 其在炼铁炉料中的比例 50 而北美和欧洲一些高炉目前球团矿的比例已达到70 80 个别达到100 3 发展中低碱度造块产品 优化炼铁炉料结构 球团法具有产品含铁高 能耗低 污染小等优点 多生产1吨球团矿 可使炼铁系统能耗下降每吨20kg标煤以上 我国自产磁铁精矿原料最适合制备成球团 可能的情况下利用进口高品位铁矿生产球团矿 我国钢铁生产对含铁原料需求量大 每年需要消耗近9亿吨以上高品位含铁原料 我国优质资源短缺 自产精矿生产成本高 对外依存度已连续多年已超过50 4 开发劣质原料造块技术 扩大可利用的资源 低成本非传统资源 包括难造球 难焙烧矿 低品位和复杂共生矿以及二次资源造块技术的开发和利用 进口矿的品种日益繁杂 质量不断下降 进口赤铁矿品位较高 粒度较细 但在球团生产中成球难 焙烧难 成品球性能较差 需研究进口赤铁矿精矿球团生产的问题 现代钢铁生产可分为高炉 转炉为主体的长流程和以电炉为中心的短流程 长流程需要炼焦 造块 高炉炼铁等 能耗高 污染大 目前发达国家的电炉钢比已接近50 而我国电炉钢比不足20 基本沿用长流程生产 是我国钢铁产业能耗偏高 环境污染严重的结构性原因 5 改革现有造块和炼铁方法 推动我国向钢铁强国转变 短流程以废钢和直接还原铁为原料入电炉炼钢 省去了焦化 造块 高炉炼铁等生产环节 流程短 投资省 能耗低 污染小且易控制 是钢铁生产的发展趋势 我国目前废钢和直接还原铁短缺 大规模发展短流程的条件不完全成熟 但可针对我国资源和能源特点 开发大规模制备直接还原铁的工艺和技术 在满足目前电炉冶炼急需的同时 为未来我国短流程炼钢的快速发展提供技术储备 以长流程为主导的目前背景下 改革现有的造块和炼铁方法 自主创新 如复合造块法 金属化烧结法 新型粘结剂技术 含碳球团和预还原球团技术等 附 中南大学近期在难造块资源烧结球团方面开展的研究工作 1 难造球铁矿的膨润土改性和质量调控技术 问题和难点 国内膨润土质量差 且性能不稳定难以适应不同性质的劣质铁矿资源的成球配加量大 球团品位低 导致高炉生产效率低 能耗高 粘结剂是球团制备不可或缺的原料之一 目前国内外普遍采用膨润土作球团粘结剂 要求针对不同性质和类型的铁矿生产出与之相匹配的膨润土产品 1 粘结剂塑性粘度与其作用效果之间的关系 造球体系中颗粒间总粘结力FT FDLVO FC FV 由于一定原料条件下FDLVO和FC基本不变 桥液粘滞力FV是改变体系粘结强度的关键因素 进一步研究发现 FV与桥液塑性粘度 成正比 而桥液塑性粘度主要由粘结剂的性质决定 生球制备研究结果表明 膨润土塑性粘度与生球强度之间存在明显的正相关关系 研究发现 金属阳离子Na K 和含有羟基 OH 羧基 COOH 等活性基团的有机分子链均能明显提高膨润土的塑性粘度 本项目通过添加有机钠盐 利用Na 和活性有机分子链的协同作用 提高膨润土的塑性粘度 结合铁矿中金属阳离子的种类和数量 开发出基于有机钠盐的膨润土质量调控技术 制备出与铁矿性能相匹配的系列改性复合膨润土 研制出与新型膨润土特性相适应的配料皮带机和圆盘造球机 2 基于有机钠盐的膨润土改性和质量调控技术 添加物对膨润土塑性粘度的影响 离子浓度为0 02mol L 有机分子质量百分比5 2 难焙烧铁矿球团的强化固结技术与系列添加剂 问题和难点 钒钛磁铁矿和赤铁矿 镜铁矿 球团 所需焙烧温度高 时间长 温度区间窄 导致能耗高 生产操控困难 产品强度差含氟铁矿球团焙烧时熔融相过多 导致生产过程不顺 产量低 质量差 我国蕴藏储量丰富的难焙烧铁矿资源 钒钛磁铁矿 赤铁矿 镜铁矿 含氟铁矿等 要求开发出改善难焙烧铁矿球团固结强度和产品质量的系列关键技术 1 强化球团固结的机械预处理技术研究了原料中不同粒级 2 m 5 m 10 m 20 m 含量对颗粒连接颈长大速率和球团强度的影响 发现 5 m微细颗粒能显著提高连接颈长大速率 降低焙烧固结温度 提高预热及焙烧球团强度 见下表 由此开发出基于调控原料 5 m粒级含量的机械预处理强化球团固结技术 应用于难焙烧赤铁矿球团生产 当 5 m粒级含量达到20 以上时 焙烧温度降低30 50 焙烧时间缩短10 微细颗粒含量对赤铁矿球团焙烧固结的影响 2 改善难焙烧铁矿球团产品质量的系列添加剂研究发现 球团体系存在熔融液相或发生固相反应时 会显著增大铁矿晶格缺陷数量 并提供质点扩散通道 加快质点迁移速率 促进球团固结 适宜的液相量为5 7 基于此 开发了调控液相量和固相反应改善难焙烧铁矿球团焙烧性能的系列添加剂 1 针对钒钛磁铁矿 开发出硼基添加剂 使焙烧温度降低50 100 适宜温度区间扩大30 2 针对赤铁矿及镜铁矿球团 开发出钙基添加剂 使焙烧温度降低30 60 温度区间扩大30 3 针对含氟铁矿球团 开发出镁基添加剂 使焙烧温度区间扩大150 3 回转窑热 结圈 防治技术的研究与开发 链箅机 回转窑工艺存在回转窑 结圈 的固有问题 当用之于处理难造球 难焙烧铁矿资源时 结圈 问题尤为突出 严重影响了球团生产过程的顺行 问题和难点 研究并开发出有效防治回转窑 结圈 的技术 是保证我国球团工业稳定 健康发展的前提 新世纪以来 我国新建球团生产大部分是链篦机 回转窑工艺 1 回转窑 结圈 的粉末固相粘结机制 研究回转窑结圈物的形成机制发现 无论是以煤还是以煤气为燃料 回转窑 结圈 均为粉末固相粘结所致 粉末是回转窑 结圈 的物质基础 温度 气氛的波动是导致回转窑 结圈 的外部原因 碱金属能加快粉末间固相扩散 促进结圈物的发展与生长 4 多品种难造块铁矿的烧结优化配矿综合技术经济系统 问题和难点 铁矿烧结具有原料品种繁杂的特点 利用不同铁矿间烧结性能的互补性 实现多种原料的合理利用一直是钢铁生产的重要课题和难题现行的以试验为主要手段的配矿技术工作量大 外延性差 难以满足烧结原料频繁变化的要求 更无法实现难造块资源的优化利用 迫切需要开发出简单 快速 准确和外延性强的烧结优化配矿技术 1 含铁原料基本物化性能与制粒性能 成矿性能的关系 研究开发了快速 准确评价铁矿石成矿性能的铁酸钙生成曲线法 揭示了原料核颗粒 1mm 和粘附粉 0 5mm 含量 核颗粒分子水 粘附粉毛细水 粘附粉比表面积和矿物组成与制粒性能 Pe 和成矿性能 T10 的关系 铁矿石成矿性能评价方法示意图 Pe 0 395X 0 5 0 103X 1 W 1 X 0 5 0 074W 0 5 X 0 52 0 04 S 0 5 100 2 T10 115 1 0 84XFeO 18 71XCaO 9 42XMgO 4 91XSiO2 10 49XAl2O3 0 98XLOI 基于此 针对不同烧结原料的特点 建立了基于调控粘附粉含量 成分 比表面积和核颗粒矿物组成的配矿标准 2 建立了针对不同原料特点的烧结配矿调控标准 采用该系统 只需根据含铁原料的基本性质和入厂价格 即可快速获得技术经济指标最优的配矿方案 对于难造块含铁原料 该系统依据烧结互补性原理 自动匹配与其相适应的原料结构 给出优化的配矿方案和工艺参数 实现难造块含铁原料的高配比烧结 综合运用广义神经网络 支持向量机 遗传优化和专家系统等技术 分别建立了烧结矿产量质量预测模型 工艺参数优化模型 配矿技术和经济模型 开发出了烧结优化配矿综合技术经济系统 3 开发出优化配矿综合技术经济系统 综合技术经济系统界面 5 偏析布料技术的开发 与宝钢合作 问题和难点 随着劣质难造块铁矿资源用量的增加 烧结过程生产能耗上升 生产成本显著提高高效 合理利用烧结料层的 自动蓄热 以节约固体燃料消耗 一直是困扰国内外烧结工作者的技术难题 钢铁生产工序中 烧结是仅次于高炉炼铁的能耗大户 其中固体燃耗占烧结总能耗的80 节能降耗是现行烧结生产面临的主要挑战之一 开发烧结节能新技术对我国烧结工业的发展具有重要的现实意义 烧结料层气流及传热示意图 料层高度方向的蓄热量和燃料分布曲线 1 烧结料层蓄热和合理燃料分布规律基于烧结料层气体运动力学和质能传递规律的研究 揭示了烧结料层蓄热量的分配规律 确定了实现铁矿均热烧结的最佳燃料分布 研究发现 当料层高度为700mm时 下部的蓄热量占总热量的60 以上 而理论的燃料配比仅为上部的70 烧结混合料在气体流场中的运动行为气流场中混合料颗粒沿垂直方向和水平方向的阻力加速度 a1D