張 晨，楊木易
（中鋼國(guó)際工程技術(shù)有限公司，北京 100000）
摘 要：研究和開(kāi)發(fā)用于氣基直接還原的帶式焙燒球團(tuán)工藝，不僅可以推動(dòng)我國(guó)帶式焙燒球團(tuán)的快速發(fā)展，對(duì)節(jié)能減排也有著極大的意義。要滿(mǎn)足 Midrex 氣基直接還原的生產(chǎn)要求，氧化球團(tuán)必須具有較高的強(qiáng)度，均勻的粒度，適宜的還原強(qiáng)度。本文模擬帶式焙燒機(jī)工藝進(jìn)行焙燒實(shí)驗(yàn)，考察不同的熱工制度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，在保證球團(tuán)礦產(chǎn)量和質(zhì)量的前提下提供適宜 Midrex 工藝的氧化球團(tuán)熱工參數(shù)，為帶式焙燒機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：氣基還原；節(jié)能減排；帶式焙燒球團(tuán)；抗壓強(qiáng)度
1 引言
綠色低碳發(fā)展是全球鋼鐵工業(yè)共同面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代鋼鐵冶金是以煤炭為基礎(chǔ)發(fā)展至今，尤其在我國(guó)，鋼鐵工藝流程以碳排放量高的高爐—轉(zhuǎn)爐工藝為主，占比約 88%，而排放量占比較低的電爐工藝僅占 12%，電爐工藝占比提高困難，行業(yè)碳排放總量很難降低。盡管在節(jié)能減排上付出很大努力，碳排放強(qiáng)度逐年下降，但由于體量大和工藝流程的特殊性，碳排放總量控制壓力仍十分巨大，迫切需要通過(guò)加速低碳轉(zhuǎn)型，確保國(guó)家碳達(dá)峰與碳中和目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)。
不論是對(duì)現(xiàn)階段的長(zhǎng)流程還是新一代的氫冶金而言，帶式焙燒球團(tuán)工藝無(wú)疑是一項(xiàng)切實(shí)可行的解決方案。在傳統(tǒng)工藝流程中，提升入爐球團(tuán)比例，可以提高礦石品位，降低高爐焦比；使用球團(tuán)礦代替燒結(jié)礦，降低工序能耗，并且減少固體燃料的消耗[1~3]。以福建三鋼為例，球團(tuán)工序綜合能耗為 18.1kgce/t，遠(yuǎn)低于燒結(jié)的工序能耗；為了顯著減少鋼鐵工業(yè)的碳排放，全球范圍內(nèi)興起氫冶煉工藝，采用天然氣、同時(shí)配以電爐的 Midrex 工藝已經(jīng)得到了商業(yè)化應(yīng)用，并被證實(shí)為二氧化碳排放量最低的煉鐵路線(xiàn)。典型的 Midrex 工廠(chǎng)所使用的還原氣體中包含約 55%的氫氣和 36%的一氧化碳，而高爐使用的還原氣體幾乎全部是一氧化碳。因此，短流程噸鋼 CO2排放量約為長(zhǎng)流程的一半[4]。包括已投產(chǎn)的包鋼、首鋼京唐、河鋼樂(lè)亭、柳鋼防城港，正在建設(shè)中的馬鋼、昆鋼、中鋼濱海、安塞樂(lè)米塔爾項(xiàng)目，帶式焙燒球團(tuán)已成為綠色發(fā)展和技術(shù)升級(jí)的主流工藝。
2 氣基還原對(duì)原料的要求
Midrex 工藝自身對(duì)鐵礦石品種有很廣的適應(yīng)性，以球團(tuán)礦或塊礦作為原料，生產(chǎn)高度金屬化的直接還原鐵，以熱態(tài)或冷態(tài)形式產(chǎn)出，產(chǎn)品質(zhì)量均勻。雖然原料的可選性很靈活，但在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用中，絕大多數(shù)的企業(yè)都會(huì)將人造球團(tuán)礦作為生產(chǎn)原料。表 1 是 Midrex 推薦的入爐球團(tuán)礦的質(zhì)量要求，主要從化學(xué)和物理特性以及還原特性加以考慮。隨著多年的發(fā)展和進(jìn)步，化學(xué)成分對(duì)工藝而言已經(jīng)不再重要，更多的是下游煉鋼工序的要求，原料中的所有雜質(zhì)和脈石都存留在 DRI 中，因此所用原料品位應(yīng)盡可能提高；球團(tuán)礦中過(guò)高的硫含量會(huì)導(dǎo)致?tīng)t頂氣中的硫含量較高，從而引起重整爐中催化劑中毒，此時(shí)必須設(shè)爐頂煤氣脫硫系統(tǒng)，會(huì)增加投資和運(yùn)行成本。
球團(tuán)礦的物理性能和還原性能相比化學(xué)成分更為重要。其中入爐粒度、抗壓強(qiáng)度、還原強(qiáng)度極其重要。
在氧化球團(tuán)生產(chǎn)過(guò)程中，粒度取決于生球制備和篩分布料系統(tǒng)；熱工制度、堿度決定了抗壓強(qiáng)度和還原強(qiáng)度。
要滿(mǎn)足后續(xù)氣基直接還原的生產(chǎn)要求，氧化球團(tuán)必須具有較高的強(qiáng)度，均勻的粒度，適宜的還原強(qiáng)度。通過(guò)模擬帶式焙燒機(jī)工藝進(jìn)行焙燒實(shí)驗(yàn)，考察不同的熱工制度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，在保證球團(tuán)礦產(chǎn)量和質(zhì)量的前提下提供適宜 Midrex 工藝的氧化球團(tuán)熱工參數(shù)，為帶式焙燒機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，并指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)。
3 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果
實(shí)驗(yàn)所用原料均由客戶(hù)提供，鐵精礦成分見(jiàn)表 2。先經(jīng)過(guò)配料、混勻后，再進(jìn)行造球，每次配料以 3.5kg含鐵原料為基準(zhǔn)，配入膨潤(rùn)土后在圓盤(pán)造球機(jī)中進(jìn)行造球，實(shí)驗(yàn)室適宜的造球水分在 8.0%~8.5%左右。而考慮實(shí)際生產(chǎn)中 7.5m 圓盤(pán)，有刮刀清理盤(pán)面，造球水分會(huì)比實(shí)驗(yàn)室水分略高，所以實(shí)際生產(chǎn)時(shí)水分可維持在8.5%~9.5%之間。選取 9~16mm 作為合格生球，成分見(jiàn)表 3。先對(duì)生球進(jìn)行充分干燥，將生球在烘箱中 105℃溫度下干燥 4h，為預(yù)熱焙燒試驗(yàn)做好準(zhǔn)備。生球強(qiáng)度源于物料的毛細(xì)力作用，由于單一毛細(xì)力很弱，加入粘結(jié)劑強(qiáng)化毛細(xì)力；經(jīng)干燥后，生球水分蒸發(fā)，毛細(xì)力降低，化學(xué)吸附和粘結(jié)力成為主導(dǎo)[5]，此階段對(duì)于氧化球團(tuán)抗壓強(qiáng)度影響不大。
球團(tuán)焙燒試驗(yàn)是在臥式管爐內(nèi)進(jìn)行，包括預(yù)熱、焙燒和均熱環(huán)節(jié)。鐵鉻鋁絲電阻爐作預(yù)熱用，硅炭管電阻爐作焙燒用。重點(diǎn)考察預(yù)熱溫度、預(yù)熱時(shí)間、焙燒溫度和焙燒時(shí)間對(duì)氧化球團(tuán)的影響。預(yù)熱和燒制的模擬溫度曲線(xiàn)如圖 1 所示，為了模擬帶式焙燒的過(guò)程，整個(gè)過(guò)程分為五個(gè)階段，包括加熱、預(yù)熱、焙燒、均熱和冷卻。加熱速率根據(jù)移動(dòng)速度控制在 95～110℃/min 的范圍內(nèi)。在每個(gè)測(cè)試中，將八個(gè)小球裝入坩堝中，并進(jìn)行預(yù)熱和焙燒測(cè)試。冷卻至室溫后，將煅燒的球團(tuán)用于抗壓強(qiáng)度測(cè)量。
3.1 預(yù)熱段溫度和時(shí)間的影響
固定預(yù)熱時(shí)間為 10min；焙燒溫度為 1200℃，焙燒時(shí)間為 12.5min；均熱溫度為 950℃，均熱時(shí)間為 5min；預(yù)熱溫度對(duì)焙燒球強(qiáng)度的影響如圖 2 左所示。當(dāng)預(yù)熱溫度由 700℃提高至 750℃時(shí)，焙燒球強(qiáng)度由 2668N/個(gè)增至 3283N/個(gè)；繼續(xù)升高溫度，焙燒球強(qiáng)度變化較小。因此，適宜的預(yù)熱溫度范圍為 700~800℃。固定預(yù)熱溫度為 800℃；焙燒溫度為 1200℃，焙燒時(shí)間為 12.5min；均熱溫度為 950℃，均熱時(shí)間為 5min，預(yù)熱時(shí)間對(duì)焙燒球強(qiáng)度的影響如圖 2 右所示。當(dāng)預(yù)熱時(shí)間由 6min 延長(zhǎng)至 12min 時(shí)，焙燒球強(qiáng)度由 2432N/個(gè)增至 3729N/個(gè)，考慮到后續(xù)還原對(duì)氧化球團(tuán)強(qiáng)度的要求和帶式焙燒機(jī)自身生產(chǎn)率的要求，適宜預(yù)熱時(shí)間為 8~10min 左右。
3.2 焙燒段溫度和時(shí)間的影響
固定預(yù)熱時(shí)間為 10min，預(yù)熱溫度為 750℃，焙燒時(shí)間為 12.5min，均熱溫度為 950℃，均熱時(shí)間為 5min，焙燒溫度對(duì)焙燒球強(qiáng)度的影響如圖 3 左所示。當(dāng)焙燒溫度從 1100℃提高到 1175℃時(shí)，焙燒球強(qiáng)度由 1651N/圖 1 預(yù)熱和焙燒及均熱的模擬溫度曲線(xiàn)個(gè)增至 3680N/個(gè)；繼續(xù)升高溫度，焙燒強(qiáng)度有所降低。因此，適宜焙燒溫度區(qū)間為 1150～1200℃。同時(shí)也反映出該磁鐵礦具有良好的焙燒性能。固定預(yù)熱時(shí)間為 10min，預(yù)熱溫度為 750℃，焙燒溫度 1150℃，均熱溫度為 950℃，均熱時(shí)間為 5min，焙燒時(shí)間對(duì)焙燒球強(qiáng)度的影響如圖 3 右所示。當(dāng)焙燒時(shí)間由 7.5min 延長(zhǎng)至 12.5min 時(shí)，焙燒球強(qiáng)度由 2414N/個(gè)提高到 2944N/個(gè)；繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間，焙燒球強(qiáng)度變化不大，10~12.5min 為適宜焙燒時(shí)間。
3.3 均熱段溫度和時(shí)間的影響
固定預(yù)熱時(shí)間為 10min，預(yù)熱溫度為 750℃，焙燒溫度 1150℃，焙燒時(shí)間為 12.5min，均熱時(shí)間為 5min，均熱溫度對(duì)焙燒球強(qiáng)度的影響如圖 4 左所示。當(dāng)均熱溫度由 800℃升高至 1000℃時(shí)，焙燒球強(qiáng)度變化不大。在預(yù)熱制度和焙燒制度合理的前提下，均熱溫度對(duì)焙燒球團(tuán)的強(qiáng)度影響要遠(yuǎn)比預(yù)熱和焙燒溫度對(duì)球團(tuán)氧化和固結(jié)的影響小，綜合考慮能耗，選擇 800～900℃為適宜均熱溫度范圍。固定預(yù)熱時(shí)間為 10min，預(yù)熱溫度為 750℃，焙燒溫度 1150℃，焙燒時(shí)間為 12.5min，均熱溫度 800℃，均熱時(shí)間對(duì)焙燒球強(qiáng)度的影響如圖 4 右所示。均熱時(shí)間由 3min 延長(zhǎng)至 7min 時(shí)，焙燒球強(qiáng)度由 2710N/個(gè)增大至 3268N/個(gè)，都滿(mǎn)足 Midrex 工藝要求的＞2700N/個(gè)。
4 工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用
中鋼國(guó)際總承包的 M 公司 Midrex 直接還原工廠(chǎng)項(xiàng)目，運(yùn)用了自主研發(fā)的帶式焙燒機(jī)綠色低碳球團(tuán)技術(shù)及裝備，該技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平，打破了歐美公司的壟斷。設(shè)備有效面積 552m²，作業(yè)天數(shù) 320 天，正常能力 581t/h，設(shè)計(jì)能力 650t/h。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對(duì)氣基還原球團(tuán)的要求，通過(guò)自主研發(fā)的核心裝備及物質(zhì)流、能量流循環(huán)工藝技術(shù)，優(yōu)化工藝分段和熱工參數(shù)，調(diào)整布料設(shè)備結(jié)構(gòu)，為客戶(hù)打造綜合能耗低、低碳和綠色高質(zhì)量球團(tuán)產(chǎn)品。
4.1 熱風(fēng)系統(tǒng)劃分
確定焙燒機(jī)各工藝分段的熱工制度后，根據(jù)各分區(qū)熱平衡來(lái)分配熱量和風(fēng)量，風(fēng)流圖見(jiàn)圖 5。生球首先在鼓干段用 280~320℃的熱風(fēng)進(jìn)行干燥，避免下部生球過(guò)濕。干燥用熱風(fēng)來(lái)自 II 冷段，在管道上設(shè)冷風(fēng)閥，防止風(fēng)溫過(guò)高，干燥后的煙氣由除塵器凈化后排入大氣。為防止換熱后的煙氣溫度低于露點(diǎn)溫度，在鼓干風(fēng)機(jī)出口管路上接一個(gè)支管與干燥后的熱風(fēng)管道連接，當(dāng)煙氣溫度低于露點(diǎn)時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)閥兌入高溫?zé)犸L(fēng)；來(lái)自焙燒段的后部及均熱段風(fēng)箱內(nèi) 350~370℃的熱廢氣，由高溫回?zé)犸L(fēng)機(jī)送入抽干段爐罩，對(duì)生球進(jìn)行充分干燥，使其能夠承受預(yù)熱段 600℃以上溫度。
預(yù)熱段主要的作用是對(duì)球團(tuán)加熱和升溫，結(jié)晶水和碳酸鹽分解以及氧化反應(yīng)，主要熱量來(lái)源三個(gè)方面（1）I 冷段的熱氣流；（2）預(yù)熱段前半段來(lái)自回?zé)犸L(fēng)機(jī)的煙氣；（3）預(yù)熱段所安裝的燃燒器供熱。使球團(tuán)得到預(yù)熱并具備一定強(qiáng)度，能夠承受焙燒段>1000℃的溫度。預(yù)熱段廢煙氣匯合抽干段廢氣經(jīng)除塵，脫硫脫硝處理后排入大氣；預(yù)熱后的球團(tuán)進(jìn)入焙燒段，由燃燒器提供~1200℃的高溫，使磁鐵礦焙燒并硬化固結(jié)。燃燒所需的空氣主要由 I 冷段的熱風(fēng)提供。焙燒后的球團(tuán)達(dá)到要求強(qiáng)度，隨后進(jìn)入均熱段，來(lái)自 I 冷段爐罩內(nèi)>1000℃的熱風(fēng)在抽力作用下穿過(guò)球團(tuán)料層，使料層內(nèi)不同高度的球團(tuán)溫度保持一致，并進(jìn)入冷卻段；I 冷段采用冷卻風(fēng)機(jī)將大氣引入風(fēng)箱穿透料層，對(duì)高溫球團(tuán)進(jìn)行冷卻，換熱后~1000℃的熱風(fēng)分別送往均熱段、焙燒段、預(yù)熱段；II冷段對(duì)料層繼續(xù)冷卻，最終將球團(tuán)冷卻至低于120℃后運(yùn)往篩分區(qū)域?？諝饨?jīng)過(guò)換熱后溫度~300℃，引入鼓風(fēng)干燥段對(duì)生球干燥。
4.2 布料篩分系統(tǒng)
氧化球團(tuán)的粒度取決于造球質(zhì)量和篩分布料的效率。布料篩分系統(tǒng)由生球皮帶-往復(fù)式布料器-寬膠帶機(jī)-雙層輥式布料機(jī)-返料轉(zhuǎn)運(yùn)組成。布料器接受由造球室皮帶提供的生球，均勻的布置到寬膠帶機(jī)上，再由寬膠帶機(jī)將生球運(yùn)送到雙層輥式布料器，上層輥式布料器的作用是將粒徑＞16mm 的不合格生球篩分出來(lái)，經(jīng)過(guò)大球破碎機(jī)處理后，運(yùn)送到運(yùn)轉(zhuǎn)皮帶上；粒徑≤16mm 的生球掉落在下層輥篩上，下層輥篩篩除掉少量≤9mm的物料，返回造球室。篩選出的合格生球?qū)⒈痪鶆虿贾玫奖簾龣C(jī)臺(tái)車(chē)上。
篩分系統(tǒng)的目的是保證生球粒度的一致性和球床的均勻性，盡可能多的控制粒度接近同一規(guī)格，粒度差異較大的生球會(huì)出現(xiàn)的料層混合，小粒徑的生球填充到大粒徑的空隙當(dāng)中，惡化球床的透氣性；此外由于大粒徑球團(tuán)預(yù)熱、焙燒所需的時(shí)間更久一些，布料過(guò)程中將大小粒徑生球進(jìn)行有計(jì)劃的分布，在預(yù)熱、焙燒過(guò)程中下降的熱空氣會(huì)首先將其最大的熱量傳給大粒徑球團(tuán)，剩余的可用能量用于處理小粒徑球團(tuán)。圖 6 所示典型的料層分布。布料系統(tǒng)的偏析也會(huì)加重篩分的難度，傳統(tǒng)工藝采用的擺式布料器和梭式布料器，既增加生球跌落次數(shù)，還產(chǎn)生布料偏析。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)方向疊加，在寬皮帶上形成之字形料流和高低起伏的斷面，料面還未完全鋪開(kāi)就已經(jīng)通過(guò)輥式布料器，因此很難完全剔除掉小粒徑的生球。并且在布料器的兩個(gè)端點(diǎn)存在零速，造成兩側(cè)布料厚度大于中間厚度。改進(jìn)后的布料裝置，采用頭部可伸縮的往復(fù)式布料器，如圖 7 所示，布料階段由于V1 和 V3 的速度差，從上向下形成平行四邊形料面，布料時(shí)間為 t1；回程階段 V2 為變速運(yùn)動(dòng)，回程時(shí)間 t2-t1，起始位置與上一周期軌跡重合，完成一個(gè)布料周期，最終得到平整的料面。
5 結(jié)語(yǔ)
采用帶式焙燒球團(tuán)工藝，可以生產(chǎn)堿性球團(tuán)礦替代燒結(jié)礦入高爐，又可以生產(chǎn)高質(zhì)量的氧化球團(tuán)供氣基豎爐冶煉，對(duì)節(jié)能減排有著極大的意義。實(shí)驗(yàn)標(biāo)明：預(yù)熱溫度為 700~800℃，預(yù)熱時(shí)間為 7~12min；焙燒溫度為1150~1200℃，焙燒時(shí)間為10~12.5min；均熱溫度為800~900℃，均熱時(shí)間為3~5min，抗壓強(qiáng)度均＞2700N/個(gè)，能夠很好的滿(mǎn)足 Midrex 氣基直接還原工藝入爐要求。通過(guò)對(duì)設(shè)備的不斷改進(jìn)，更好的滿(mǎn)足工藝要求，達(dá)到安全、穩(wěn)定、高產(chǎn)的運(yùn)行效果，這是在總結(jié)帶式焙燒技術(shù)發(fā)展過(guò)程中大量成功經(jīng)驗(yàn)與失敗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行的符合現(xiàn)代發(fā)展趨勢(shì)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，也正在大量的帶式球團(tuán)工程設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
[1] 沙永志, 馬丁?戈德斯, 宋陽(yáng)升. 我國(guó)高爐使用高比例球團(tuán)生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[R]. 第十二屆中國(guó)鋼鐵年會(huì), 2019.
[2] 馬曉勇, 張寶付, 李亮, 姜鑫, 沈峰滿(mǎn). 凌鋼 5 號(hào)高爐高比例球團(tuán)礦強(qiáng)化冶煉實(shí)踐[J]. 煉鐵, 2020. 3: 18-21.
[3] 唐順兵, 李夯為, 梁建華, 等. 太鋼 5 號(hào)高爐高比例球團(tuán)礦生產(chǎn)實(shí)踐[C]. 第十五屆全國(guó)大高爐煉鐵學(xué)術(shù)年會(huì), 2014: 826-830.
[4] Midrex 氫氣煉鐵技術(shù)的進(jìn)展[N]. 世界金屬導(dǎo)報(bào), 2018 年第 23 期 B01.
[5] 張晨. 利用粉塵生產(chǎn)適合高爐冶煉的爐料[R]. 2020 年全國(guó)冶金能源環(huán)保技術(shù)交流會(huì), 2020.