新(余)鋼球團(tuán)廠減少預(yù)熱段結(jié)瘤的實(shí)踐

萬(wàn)文余 楊 凌 倪 祿

(新余鋼鐵股份有限公司球團(tuán)廠，江西 新余 338013)

0 引言

新鋼球團(tuán)廠采用鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)法，主要燃料為煤粉，投產(chǎn)后鏈箅機(jī)未整體更換或升級(jí)改造過(guò)，檢修多以更換或修補(bǔ)損壞零部件為主，各部位老化變形程度不一，干燥預(yù)熱效果不斷變差，2012年以后臺(tái)時(shí)產(chǎn)量和設(shè)備作業(yè)率逐年下降。為克服區(qū)位劣勢(shì)，2015年以來(lái)原燃料采購(gòu)以經(jīng)濟(jì)性為主，干燥預(yù)熱效果進(jìn)一步變差，粉塵增多，鏈箅機(jī)預(yù)熱二段拱頂、側(cè)墻和大溜體等靜態(tài)位置開(kāi)始結(jié)瘤。結(jié)瘤產(chǎn)生后，生產(chǎn)工藝惡化，斗提機(jī)揚(yáng)塵增多，結(jié)瘤長(zhǎng)到一定規(guī)模后必須停產(chǎn)清理，每月至少需要停產(chǎn)1～2次，嚴(yán)重影響臺(tái)時(shí)產(chǎn)量及設(shè)備作業(yè)率，產(chǎn)線規(guī)模效益低。

1 結(jié)瘤形成機(jī)理

1.1 結(jié)瘤區(qū)域簡(jiǎn)介

結(jié)瘤區(qū)域主要為鏈箅機(jī)預(yù)熱二段區(qū)域，見(jiàn)圖1，圖中虛線箭頭方向?yàn)榍驁F(tuán)料流方向。

圖1 結(jié)瘤區(qū)域簡(jiǎn)圖

從圖1中可以看出，結(jié)瘤在鏈箅機(jī)預(yù)熱二段拱頂、南北兩側(cè)側(cè)墻和大溜體上下部分均有出現(xiàn)。拱頂結(jié)瘤懸掛在鏈箅機(jī)拱頂上，分布較廣，厚度300～1 000 mm；側(cè)墻結(jié)瘤附在側(cè)墻上，上部多與拱頂結(jié)瘤相連，最下部距離球團(tuán)料流上方300 mm左右，厚度200～1 500 mm，形狀多樣。大溜體下部結(jié)瘤附在耐材上，上部結(jié)瘤受球團(tuán)料流沖刷影響，呈條狀分布，比其他區(qū)域略少。結(jié)瘤對(duì)生產(chǎn)工藝影響極大，主要影響有降低臺(tái)時(shí)產(chǎn)量、斗提機(jī)區(qū)域揚(yáng)塵增加，需要長(zhǎng)時(shí)間降溫清理等。

1.2 結(jié)瘤產(chǎn)生和長(zhǎng)大的形式

為減輕結(jié)瘤的影響，首先對(duì)結(jié)瘤產(chǎn)生和長(zhǎng)大的形式進(jìn)行分析?，F(xiàn)場(chǎng)觀察結(jié)瘤顏色和形狀各不相同，拱頂結(jié)瘤表面多為紅色，側(cè)墻和大溜體結(jié)瘤多以黑色為主，且硬度較高(抗壓強(qiáng)度5 000 N以上)，不同部位結(jié)瘤成分見(jiàn)表1。

表1 結(jié)瘤成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

從表1中可以看出，結(jié)瘤的SiO2含量偏高，F(xiàn)eO含量變化較大，TFe、CaO、Al2O3含量較為穩(wěn)定，另外還有少量的C和大量的MFe，結(jié)合結(jié)瘤的外表顏色、結(jié)構(gòu)形式、強(qiáng)度、球團(tuán)原燃料特性和固結(jié)形式，結(jié)瘤產(chǎn)生和長(zhǎng)大的形式主要有以下3種：

1)粉塵固結(jié)。鏈箅機(jī)預(yù)熱二段球團(tuán)干燥預(yù)熱產(chǎn)生的粉塵顆粒直徑較小，液化蒸氣壓低，在較低的溫度下(1 000～1 200 ℃)就可以產(chǎn)生軟融，根據(jù)物質(zhì)自由能降低原理，軟融后的顆粒相互吸引減少比表面積，互相粘結(jié)成片，形成固結(jié)[3]。此時(shí)的固結(jié)物多為紅色，顆粒中磁鐵礦剛開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)槌噼F礦，多為晶格的轉(zhuǎn)變，未開(kāi)始結(jié)晶和再結(jié)晶。這種固結(jié)方式產(chǎn)生的結(jié)瘤結(jié)構(gòu)較為松散，規(guī)模小，強(qiáng)度低。

2)煤粉不完全燃燒后的還原固結(jié)。從表1中可以看出，結(jié)瘤中的MFe含量普遍偏高，C含量較低，主要是煤粉不完全燃燒后，與粉塵、結(jié)瘤接觸后，繼續(xù)燃燒放出大量熱量將Fe2O3和FeO還原成金屬鐵并形成固相固結(jié)。這種固結(jié)方式結(jié)構(gòu)較為致密，強(qiáng)度高，清理難度大，其表面及周邊多伴有粉塵固結(jié)。

3)硅酸鹽體系(FeO-SiO2)熔融。大瘤體結(jié)瘤成分中FeO和SiO2含量較高，說(shuō)明存在硅酸鹽體系熔融。FeO和SiO2發(fā)生固相反應(yīng)的溫度是990 ℃，該體系化合物的熔點(diǎn)很低，多在還原氣氛時(shí)產(chǎn)生，鐵橄欖石(2FeO·SiO2)的熔點(diǎn)為1 205 ℃，并且很容易和FeO及SiO2再生成熔點(diǎn)更低的化學(xué)物。此外，干球在機(jī)頭處還未氧化完全，F(xiàn)eO含量約7%，硅酸鹽體系與Fe3O4形成的共熔物2FeO·SiO2-Fe3O4熔點(diǎn)僅1 142 ℃[2]。這種固結(jié)方式強(qiáng)度非常高，需要高溫狀態(tài)下用水急冷降低強(qiáng)度才能清理，用水急冷對(duì)耐材影響大。

根據(jù)上述分析，正常生產(chǎn)時(shí)各部位結(jié)瘤模式大致如下：鏈箅機(jī)兩側(cè)和拱頂溫度偏低，結(jié)瘤一般以粉塵固結(jié)和煤粉不完全燃燒后還原固結(jié)為主；大溜體部位球團(tuán)滾動(dòng)至上下部交界處會(huì)停留1～2秒緩沖(為避免球團(tuán)進(jìn)窯速度過(guò)快碰撞碎裂)，因此，在下部區(qū)域和交接處球團(tuán)、碎球和粉塵堆積較多，噴煤時(shí)如結(jié)團(tuán)煤粉爆燃后溫度急劇升高至1 200 ℃以上，形成局部還原氣氛，粉塵和碎球以FeO-SiO2熔融固結(jié)，并在固結(jié)硬化后繼續(xù)熔融結(jié)瘤周邊死角處?kù)o止球團(tuán)，持續(xù)向上長(zhǎng)大到大溜體上部。此外，故障停機(jī)時(shí)窯速下降，球團(tuán)料流前進(jìn)速度過(guò)慢，在鏟料板和大溜體上粘結(jié)也是造成大溜體區(qū)域結(jié)瘤的重要原因。

1.3 結(jié)瘤產(chǎn)生和長(zhǎng)大條件的來(lái)源

混合料指標(biāo)見(jiàn)表2、原煤指標(biāo)見(jiàn)表3。

表2 混合料指標(biāo)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表3 原煤指標(biāo)

混合料指標(biāo)中SiO2含量高、硫高、水分高、粒度差，成球后生球水分高，干燥效果不好，易粉化，為結(jié)瘤產(chǎn)生和長(zhǎng)大提供了粉塵、SiO2、FeO等條件。

原煤水分高，揮發(fā)分低，此外，原煤可磨性差，制成煤粉后粒度粗，水分高，不完全燃燒現(xiàn)象多，易爆燃，為結(jié)瘤產(chǎn)生和長(zhǎng)大提供了高溫和還原氣氛[1]。

鏈箅機(jī)老化，漏風(fēng)漏球嚴(yán)重，造成風(fēng)流紊亂，并缺少鼓風(fēng)干燥段，生球干燥預(yù)熱效果差，生球易爆裂、易粉化，為結(jié)瘤產(chǎn)生和長(zhǎng)大提供了粉塵。

大溜體下部區(qū)域上表面角度接近水平，球團(tuán)會(huì)停留1～2秒釋放大部分動(dòng)能后在后續(xù)球團(tuán)的碰撞下才會(huì)繼續(xù)前進(jìn)下落至回轉(zhuǎn)窯。當(dāng)下部區(qū)域上表面有碎球、粉塵或結(jié)瘤后球團(tuán)前進(jìn)阻力大幅增加，極易造成粉塵和碎球的堆積，為該部位結(jié)瘤的產(chǎn)生提供了條件。

1.4 工藝條件對(duì)結(jié)瘤的影響

工藝條件的影響主要包括原料結(jié)構(gòu)、原煤指標(biāo)和預(yù)熱二段溫度。各精粉指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 精粉指標(biāo)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

根據(jù)結(jié)瘤產(chǎn)生和長(zhǎng)大形式分析，要改善機(jī)頭區(qū)域結(jié)瘤情況，原料結(jié)構(gòu)調(diào)整后，應(yīng)具備生球焙燒效果好、皂土配比下降等優(yōu)點(diǎn)，此外，為減少FeO-SiO2體系的產(chǎn)生，結(jié)合混合料FeO含量21%～25%，混合料SiO2含量應(yīng)低于7.0%，通過(guò)跟蹤6種原料結(jié)構(gòu)下的生產(chǎn)情況，發(fā)現(xiàn)只有增加進(jìn)口精粉配比才能改善結(jié)瘤情況，臺(tái)時(shí)產(chǎn)量也有較大幅度上升，但進(jìn)口精粉采購(gòu)價(jià)格更高。

通過(guò)不同煤種的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)提高原煤揮發(fā)份和灰熔點(diǎn)能改善結(jié)瘤情況，但揮發(fā)分和灰熔點(diǎn)高同時(shí)發(fā)熱值達(dá)標(biāo)的原煤采購(gòu)價(jià)格也更高。

機(jī)頭區(qū)域風(fēng)熱參數(shù)主要包括鏈箅機(jī)煙罩段最高溫度和壓力，球團(tuán)工藝一般要求鏈箅機(jī)煙罩段溫度在1 100 ℃左右，跟蹤鏈箅機(jī)煙罩段最高溫度分別為950 ℃、1 000 ℃、1 050℃、1 100 ℃時(shí)的結(jié)瘤情況，發(fā)現(xiàn)最高溫度越高，風(fēng)流越紊亂，結(jié)瘤長(zhǎng)大速度越快，規(guī)模也越大，說(shuō)明提高鏈箅機(jī)煙罩段溫度對(duì)結(jié)瘤的產(chǎn)生和長(zhǎng)大有促進(jìn)作用。

2 減少結(jié)瘤的措施

為控制球團(tuán)礦制造成本，不采用調(diào)整原料指標(biāo)和對(duì)鏈箅機(jī)進(jìn)行整體更換等費(fèi)用過(guò)高的措施，主要通過(guò)減少高溫、粉塵、還原性氣氛和風(fēng)流紊亂的影響，從而控制結(jié)瘤規(guī)模。

1)改進(jìn)大溜體結(jié)構(gòu)：通過(guò)縮短球團(tuán)在大溜體下部區(qū)域停留時(shí)間，減少粉塵和碎球的堆積，見(jiàn)圖2。

圖2 大溜體下部改進(jìn)示意圖

結(jié)構(gòu)改進(jìn)后球團(tuán)在大溜體上滾動(dòng)情況應(yīng)滿足兩個(gè)條件，一是進(jìn)入下部后速度有所下降，但沒(méi)有明顯的停留，二是入窯后碰撞碎裂減少。根據(jù)表5中預(yù)熱后干球的抗壓強(qiáng)度、大溜各部位的具體結(jié)構(gòu)和干球滾動(dòng)情況，改造后大溜體下部耐材澆筑角度提升至45°左右，進(jìn)入窯內(nèi)的落料點(diǎn)下降0.5 m。

表5 預(yù)熱后干球強(qiáng)度(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

大溜體改造后，球團(tuán)料流從鏈箅機(jī)至回轉(zhuǎn)窯非常順暢，無(wú)明顯停留時(shí)間，大溜體中下部無(wú)積料，同時(shí)降低了進(jìn)窯的落差，碎球量下降，少量干燥預(yù)熱差的球團(tuán)在滾動(dòng)過(guò)程中碎裂后被系統(tǒng)風(fēng)帶走。

2)開(kāi)發(fā)新的風(fēng)量和溫度平衡模式：開(kāi)發(fā)新的風(fēng)量和溫度平衡模式主要包括盡可能降低結(jié)瘤區(qū)域溫度，避免出現(xiàn)超高溫等不良情況；加大預(yù)熱段風(fēng)流量和負(fù)壓，減少粉塵和燃燒不完全的煤粉在結(jié)瘤區(qū)域的含量，減少風(fēng)流紊亂。根據(jù)原生產(chǎn)工藝，鏈箅機(jī)預(yù)熱二段煙罩溫度應(yīng)控制在1 000 ℃以下，并盡量避免出現(xiàn)1 100 ℃以上的高溫，但結(jié)瘤仍嚴(yán)重，增加溫度結(jié)瘤規(guī)模更大，且主抽風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速已到最大，總風(fēng)量不能提高。預(yù)熱段熱風(fēng)的作用是加熱球團(tuán)，提高強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)預(yù)熱效果，經(jīng)過(guò)分析論證，提高預(yù)熱段風(fēng)流穿透能力減少滯流可以改善預(yù)熱效果，即需要加大機(jī)頭區(qū)域負(fù)壓數(shù)值。在實(shí)行新的風(fēng)量和溫度平衡模式之前，將回?zé)犸L(fēng)管耐材厚度由200 mm降至100 mm，在風(fēng)管外面增加外保溫，在確保保溫效果的基礎(chǔ)下，提高了管道通風(fēng)能力。通過(guò)不斷嘗試優(yōu)化，新的風(fēng)量和溫度平衡模式耐熱風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由1 050轉(zhuǎn)提升至1 150轉(zhuǎn)以上，增加了高溫氣流對(duì)鏈箅機(jī)球?qū)哟┩改芰?，提高了傳熱系?shù)；預(yù)熱段最高溫度由1 050 ℃降低至950 ℃，大煤量爆燃時(shí)溫度不超過(guò)1 150 ℃，爆燃產(chǎn)生的正壓大部分轉(zhuǎn)移至干燥段。新模式實(shí)施后，負(fù)壓穩(wěn)定，側(cè)墻上部和拱頂區(qū)域高溫?zé)煔鉁p少，手持測(cè)溫儀所測(cè)溫度多在800 ℃左右，粉塵和未完全燃燒的煤粉大部分被吸至鏈箅機(jī)下部，少部分附在球團(tuán)上進(jìn)入了回轉(zhuǎn)窯，風(fēng)流夾雜粉塵沖刷拱頂和側(cè)墻的情況基本消失，靜態(tài)部位結(jié)瘤明顯減少，球團(tuán)干燥預(yù)熱效果增強(qiáng)，臺(tái)時(shí)產(chǎn)量上升。

3)增設(shè)壓縮空氣在線吹掃平臺(tái)：在鏈箅機(jī)與回轉(zhuǎn)窯交接處增設(shè)壓縮空氣在線吹掃平臺(tái)，在大溜體兩邊側(cè)墻上各增設(shè)一個(gè)吹掃孔，配備4 m的壓縮空氣管，緊急停機(jī)鏟料板、大溜體上有積球或少量松散結(jié)瘤時(shí)，可使用壓縮空氣進(jìn)行吹掃，防止其熔融后硬化。

措施實(shí)施后，預(yù)熱段結(jié)瘤大幅度減少，連續(xù)生產(chǎn)8個(gè)月后仍不需要清理，兩側(cè)和拱頂結(jié)瘤多呈針狀，最長(zhǎng)的不到200 mm，未連接成片，對(duì)生產(chǎn)工藝基本無(wú)影響，臺(tái)時(shí)產(chǎn)量和設(shè)備作業(yè)率上升。

3 結(jié)語(yǔ)

鏈箅機(jī)預(yù)熱段結(jié)瘤產(chǎn)生和長(zhǎng)大的形式主要包括高溫條件下粉塵固結(jié)，煤粉不完全燃燒還原固結(jié)和硅酸鹽體系(FeO-SiO2)熔融。生球干燥預(yù)熱效果不好，煤粉燃燒不完全，球團(tuán)SiO2含量高為結(jié)瘤的產(chǎn)生和長(zhǎng)大提供了條件，大溜體下部耐材澆筑得過(guò)于平坦，容易堆積粉塵和碎球，也是造成結(jié)瘤的產(chǎn)生和長(zhǎng)大的重要原因。

改善原燃料指標(biāo)可以有效減少預(yù)熱段結(jié)瘤，同時(shí)提高球團(tuán)礦產(chǎn)量，制造成本允許的情況下，可優(yōu)先考慮提高原燃料質(zhì)量指標(biāo)來(lái)消除結(jié)瘤的影響。鏈箅機(jī)預(yù)熱二段溫度越高，結(jié)瘤產(chǎn)生和長(zhǎng)大的速度越快，其規(guī)模也越大，如生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生結(jié)瘤，日常操作時(shí)應(yīng)盡量降低煙罩溫度；控制預(yù)熱Ⅱ段上罩煙氣流速和負(fù)壓能改善生球干燥預(yù)熱效果，對(duì)減少結(jié)瘤效果明顯。

在原燃料結(jié)構(gòu)等情況不變的條件下通過(guò)以下措施可有效減少預(yù)熱段結(jié)瘤：將大溜體下部耐材澆筑角度提升至45°左右，縮短球團(tuán)料流在大溜體上的停留時(shí)間，降低球團(tuán)入窯碰撞碎裂率；適當(dāng)增加耐熱風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，降低煙罩溫度，在確保預(yù)熱效果的基礎(chǔ)上提高氣流對(duì)球?qū)拥拇┩改芰?，結(jié)瘤區(qū)域粉塵和煤粉總量大幅度下降，靜態(tài)部位結(jié)瘤明顯減少；在大溜體兩側(cè)增設(shè)吹掃平臺(tái)，可使用壓縮空氣清理緊急停機(jī)時(shí)鏟料板和大溜體等部位的積料或松散結(jié)瘤，防止其熔融后硬化。預(yù)熱段結(jié)瘤減少后，臺(tái)時(shí)產(chǎn)量上升，設(shè)備作業(yè)率提高，柴油消耗下降，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益；拱頂和斗提機(jī)區(qū)域不再揚(yáng)塵，改善了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，同時(shí)減輕了員工高溫清理和吹掃的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。