现代烧结点火保温炉的改造及发展

丁智清,周浩宇,李文辉

(中冶长天国际工程有限责任公司,湖南长沙 410007)

现代烧结点火保温炉的改造及发展

丁智清,周浩宇,李文辉

(中冶长天国际工程有限责任公司,湖南长沙 410007)

以双斜式点火保温炉为例,介绍了近几年来烧结点火保温炉技术方面的改造要点并逐一进行了阐述分析。最后对烧结点火保温炉未来的发展趋势作出了预测。

双斜式点火保温炉;改造;发展

在众多的冶金炉窑中,烧结机点火保温炉凭借其烧结核心设备的地位,在烧结工艺生产线上所起的作用是不容忽视的。点火炉点火质量的好坏,炉衬寿命的长短,往往能对烧结矿的产量及成品率造成极大影响,从而间接影响高炉的铁水质量与产量。在“铁器时代”的今天,钢铁行业把握着国民经济命脉,在GDP中占有极大比重,国家已决心加大整合力度,淘汰落后技术,向精品钢材产品发展,与世界发达国家接轨。而作为烧结核心设备的点火保温炉,其结构改造与技术发展也愈发显得重要。

1 点火炉技术改造的基本原则

一台性能良好的点火炉,应能满足点火工艺要求,其点火能耗低、投资少、运行安全、操作维护方便、使用寿命长。其中能耗低、寿命长是点火炉改造的核心目的。为此,在点火炉改造过程中,应遵循以下基本原则[1]:

1.采用带状火焰直接点火的先进技术。自80年代以来,世界各国对烧结点火技术进行了大量研究,尤其是日本,在川崎公司长缝式烧嘴点火炉和线式烧嘴点火炉问世后,彻底摒弃了沿用多年的“烟气”点火技术,接着又推出了住友公司的多缝式烧嘴点火炉和新日铁的面式烧嘴点火炉,其主要特征是采用了带状火焰对表层混合料实施直接点火,要求炉膛高度低,烧嘴火焰短,点火热量集中,沿台车宽度方向在混合料表面形成一带状火焰的高温区,使表面混合料在很短的时间内被点燃并进行烧结,因而点火效率高。

我国自推广带状火焰直接点火技术后,进入了节能型点火炉大开发时期。由长沙冶金设计研究院(现名中冶长天)开发的双斜式点火炉先后在国内各大钢铁厂投入使用,在节能方面取得广泛好评。

2.采用微负压控制技术。在节能型点火炉内,煤气燃烧产生的热烟气量很少,仅占正常抽风烧结风量的1/20～1/50,为了保证带状火焰与料面有充分的接触时间进行热交换,使带状火焰具有一定的铺展性,防止冷风由炉口及点火炉两侧不严密处吸入,必须对点火炉下部的风箱负压实施控制,保证点火炉炉膛压力处于-10～0 Pa范围内。

3.保持适度的点火供热强度。实验研究表明,在最低点火能耗的点火工艺制度下烧结,烧结饼表层有50～80 mm的松散料层,其中表面有30～40 mm深,根本没有液相生成,他们在烧结系统中循环,只起到碳的载体作用,采用这种制度点火,烧结矿的成品率、转鼓指数都偏低,工序能耗高。因此在设计和生产中要求采用适度的点火供热强度,使之能够弥补混合料上部料层热量不足的缺陷,这样可降低混合料配碳量,有利于低温烧结,利于降低烧结矿中FeO含量,即有利于烧结工序综合效益的提高。

4.利用热风助燃与设置热风保温炉。点火炉采用热风助燃与设置热风保温炉是利用烧结环冷机废气的有效手段,可降低点火燃料耗量,提高烟气氧含量,提高表层烧结矿质量,降低固体燃料消耗量,降低烧结矿FeO含量,有利于生成针状铁酸钙,因此,是实现低温烧结的一项重要措施。

5.采用无水冷结构及高级耐火材料提高点火炉寿命。延长点火炉的使用寿命一直是使用者的需要和设计、制造者孜孜以求的目标。多年前采用的带水冷圈梁的点火炉,需耗费大量冷却水,保护圈梁的钩子砖极易断裂脱落,圈梁焊口经常开裂,3～6个月就要停产检修,点火炉寿命仅1～2 a。近年来推广使用的节能型点火炉,基本上淘汰了水冷圈梁结构,其耐火内衬由耐火砖、保温砖砌筑结构改为带锚固吊挂砖的整体浇注的复合炉衬结构。这种结构大大提高了炉衬的整体强度,具有良好的隔热性能,为延长炉衬寿命减少散热损失打好了基础。随着新型耐火浇注料的不断推出,复合炉衬耐火浇注料的材质也在不断更新,过去广泛采用的粘土结合浇注料已被低水泥浇注料取代,目前,超低水泥浇注料(即微粉结合浇注料)正处于推广阶段。

2 现代烧结点火保温炉的技术改造

双斜式点火保温炉是我国应用最广泛的节能型点火炉之一,笔者以此为例,将现代新型点火炉的几个技术改进点归纳如下。

2.1 拉杆阀装置

在以往生产操作中,遇到紧急停产的状况,通常是由操作工在主控室远程关闭点火煤气主管道上的电动阀门,然后再到现场将烧嘴前球阀逐一关闭从而停止点火炉运作。由于点火煤气主管道上电动阀门距离烧嘴前阀门有较长距离,此操作方式易造成点火炉管道回火引发爆炸,且由于电动阀门反应较慢,全部关闭通常要10 s以上,如遇紧急事故反应灵活性不强,故此操作方式安全性能不高。

拉杆阀装置的加入从根本上有效弥补了原有操作方式的不足。其结构如图1所示。平时正常生产时,由充满压缩空气的气缸带动拉杆装置将阀门拉扯到全开位置。一旦需要紧急停产,操作工只需远程关闭与拉杆阀连接的压气开关,气缸失去压气支持,拉杆装置将快速被重锤向阀门关闭方向拉扯,从而关闭所有阀门。由操作工按下远程开关到点火炉烧嘴阀门关闭整个过程不超过3 s,且无需操作工现场操作。真正做到了快速、安全、灵活、方便。

图1 拉杆阀装置结构简图

2.2 三元燃烧技术

老式点火炉点火一般采用一种煤气(例如:焦炉煤气,转炉煤气,天然气)作为燃料,即使是两种煤气(如高炉煤气、焦炉煤气),一般也预先将其混合成一种热值的混合煤气(高炉-焦炉混合煤气),再送入点火炉烧嘴,因烧嘴只进行一种热值煤气及助燃空气的燃烧,习惯上称之为二元燃烧。在长期生产实践中,因为无法保证向烧嘴长期提供热值稳定的煤气,时而焦炉煤气流量大、时而高炉煤气流量大,且焦炉与高炉煤气自身压力随时间波动也较大。经常造成点火炉点火能耗高,耐火内衬损坏快,寿命短,混合料面易过熔,料层透气性差,点火效果不理想等不良工况。为解决问题,三元燃烧技术这一课题被提上台面。

所谓三元燃烧,是指两种不同热值的煤气进入烧嘴的不同通道与助燃风混合燃烧,习惯上称之为三元燃烧,而烧嘴本身,习惯上也称之为三元烧嘴。因为三元烧嘴对于高炉煤气、焦炉煤气和空气的流量调节是在烧嘴前进行的,所以此举有效避免了二元燃烧所存在的煤气流量不稳定导致烧嘴燃烧质量差的问题。在节能降耗,提高点火质量方面较以往上升了一个台阶。此外,除高炉、焦炉煤气燃烧之外,三元烧嘴还可应用于煤气和煤粉燃烧、煤气和天然气燃烧等多种复合燃料燃烧方式。

2.3 自动点火及火焰探测系统

老式点火炉采用的均为人工点火的方式,当点火炉需要点火生产时,由两名工人配合,其中一名打开燃气主阀,另一名将点火棒靠近烧嘴口将其点燃。这种点火方式有两点不足:(1)加大了工人的操作强度;(2)当炉内气氛不明时,危险系数大。

在设备智能化日益发展的今天,自动点火取代人工点火已成为必然的趋势。新型点火保温炉采用的,是一种由具有双延时器的自动点火装置,短、开路保护的点火变压器和耐高温的点火电极和火焰探测探头一体化的探头组成的自动点火及火焰探测装置,可在1 200℃以上的工作环境下,进行双延时自动点火、监测炉内的火焰燃烧状况,在发起点火未成功报警的同时可自动关闭燃气阀门,在减轻操作工工作强度与提高操作安全系数方面有显著进步。

2.4 适用于纯高炉煤气生产的双预热式点火保温炉

高炉煤气作为炼铁工艺的副产品,其热值低,有效利用率不高。据有关资料介绍每年我国各钢铁企业高炉煤气的放散率为13.72%,不但造成了大量的能源浪费,而且造成严重的环境污染。

本着节能降耗,防污减排的目的,越来越多的钢铁企业将高炉煤气引入了烧结点火系统,此举有效地变废为宝,但同时也带来了一个新的课题:高炉煤气热值普遍偏低,通常都在3 350 kJ/m3以下[2],若利用常温高炉煤气进行点火生产,除非通过损耗有效抽风面积、延长点火段长度的方法,否则根本达不到烧结料所需的温度。而损耗有效抽风面积从某种角度来说等价于降低烧结机产量,损害经济效益。如何通过改进技术,解决这一难题,使得高炉煤气能充分为我们所用,成为重中之重。

通过不断的摸索与研究,新型纯高炉煤气点火炉——双预热式点火保温炉已逐渐登上生产舞台,并日趋成熟。其简图如图2所示。此新型炉型通过对空气、煤气进行双预热,有效提高了点火保温炉的点火温度,在使用纯高炉煤气为燃料生产的前提下成功确保了烧结生产线的成品率与优品率。

图2 双预热式点火保温炉工艺流程简图

相关业内人士曾做过计算,如按360 m2烧结机的规格综合比较,双预热式点火炉每年能给钢铁厂带来1 700万元的经济效益,而双预热点火炉的一次性投资在280万元左右。技术改进带来的经济效益远远大于点火炉自身的一次性投资。

纯高炉煤气用双预热式点火保温炉因其节能、环保、投资低、经济效益高的优势,现已在国内普遍采用,并受到了广泛好评。

2.5 引入热风烧结技术

热风烧结技术主要是利用环冷机的高温废气,对烧结料层进行保温。在普通厚料层烧结工艺中,自动蓄热作用较强,料层下部热量过剩,上部热量先天不足。而热风烧结通过引入冷却机上部的热废气,使通过料层的气流温度升高,使上部料层的烧结温度升高,减少上、下层的温差。同时,还可以替代部分固体燃料的燃烧热,降低固体燃料用量,使固体燃料在烧结料层上、下部的分布更加均匀。可见,采用热风烧结技术对提高烧结矿产质量、降低能耗具有重要意义。

新型点火保温炉在原有炉体的后部,新增了一个热风罩,通过回热风管将环冷机与热风罩相连接,在生产中,环冷机产生的高温废气可通过回热风管,返回至热风罩内对烧结料面进行供热。其简图如图3所示。

图3 热风罩结构简图

据业内人士统计,在国内大部分钢铁厂的烧结生产工艺中,冷却机排出的废气显热约占烧结总热耗的30%～35%,除了一部分用于余热锅炉外,其余部分排入大气,造成了能源的浪费,同时污染了空气[3]。因此,循环利用烧结余热,实施热风烧结工艺技术,无疑是烧结节能的一个重要途径和发展方向。

2.6 研制新型点火炉耐火材料配方

耐火材料一般是指耐火度在1 580℃以上的无机非金属材料。它包括天然矿石及按照一定的目的要求,经过一定的工艺制成的各种产品,具有一定的高温力学性能、良好的体积稳定性[4],是点火保温炉安装所必需的材料,也是核心部件之一。

长久以来,人们致力于延长点火炉炉衬寿命,对于新型耐材配方的研究工作从未间断。点火炉用耐材浇注料种类繁多,耐材配方也是五花八门,总的来说,新开发研制的材料必须具备以下性能:(1)材料流动性能好,易于施工;(2)能长期在 1 200～1 300℃的温度下使用;(3)强度高,具有良好的抗冲刷性;(4)荷重软化温度高,热震稳定性好;(5)抗渣侵蚀性能好。

目前,点火炉运用最多的是莫来石浇注料,因为莫来石具有低膨胀性、低热传导性、极好的抗蠕变性和良好的化学稳定性以及耐高温性[5]。其主要成分如下:(1)选用优质的倒焰窑骨料和莫来石细粉作为主原料,保证1 200～1 300℃条件下材料的高温强度和抗冲刷性能;(2)选用优质纯铝酸钙水泥,配入多种微粉和特种添加剂,提高材料强度;(3)加入耐热钢钎维,采用超低水泥技术提高材料的抗剥落性,保证材料在操作条件变化而引起温度波动时,不因热震而受损;(4)掺加添加剂,调节材料的线变化,提高浇注料的荷重软化温度和热稳定性;(5)引入防爆剂,防止干燥烘烤中的爆裂。

此浇注料试验后,各项指标列于表1。

表1 浇注料试验指标

3 我国烧结点火保温炉未来发展趋势预测

当今市场是以知识技术取胜的市场,逆水行舟,不进则退。要想不被市场淘汰,唯有努力研发、开创新的技术。一般来说,烧结点火保温炉未来的发展道路,应具备以下三个趋势:

1.自动化与智能化:在未来的工厂生产线上,少人操作甚至无人操作已不是白日做梦,智能电脑将取代人脑实施连锁操作,统一控制。如何更进一步完善自动点火系统性能,如何根据不同的配料成分自动调节点火温度与炉内压力,如何在紧急停产时实现自动吹扫及自动引气复产等,这些都将成为今后研究的课题。

2.降低能耗:目前国内烧结点火保温炉使用纯焦炉煤气为燃料时的平均能耗为0.07 GJ/t,而某些发达国家如日本在点火炉能耗方面已可做到0.04 GJ/t甚至更低。低能耗意味着低成本,高利润。在市场经济的今天,通过科技研发努力降低能耗缩小生产成本必将继续成为烧结点火保温炉今后发展的重要方向。譬如研究日本烧结工艺的“偏析布料”技术,如研制成功,则可节省我国点火炉能耗约15%～20%。

3.延长寿命:如何延长点火保温炉的使用寿命,使之更耐久耐用是个永恒不变的话题。目前,国内点火保温炉最长寿命已可达10 a。新型耐材配方与点火炉衬结构仍在不断研制开发中,譬如对于纳米耐材技术的研究与多阶梯式复合点火炉衬结构的研制。相信随着对耐火材料、炉衬结构以及点火方式的不断研发与改进,未来将出现15 a、20 a甚至更长寿命的烧结点火保温炉。

4 结 论

通过以上分析不难看出,提高操作安全系数、降低能耗与减少污染物排放是近几年来现代烧结点火炉的改造研究重点。通过使用新型技术,点火炉在节能减排与安全操作性能上较以往大有提高。同时通过研制新型耐材配方从而提高炉衬寿命也是近几年点火炉技术研究的一个热门方向。

[1] 潘宝巨,张成吉.中国铁矿石造块适用技术[M].北京:冶金工业出版社,2000.130-133.

[2] 北京钢铁设计院.钢铁厂工业炉设计参考资料[M].北京:冶金工业出版社,1979.141.

[3] 吴志军.热风烧结技术在莱钢105 m2烧结机上的应用[J].山东冶金,2006,1(3):10-14.

[4] 韩行禄.不定形耐火材料[M].北京:冶金工业出版社,2004.

[5] 杨丁熬,张绍军,王晓阳.莫来石质耐火材料在熔融金属中的应用[J].国外耐火材料,2005,28(6):29-32.

The Analysis of Reformation and Development of Modern Ignition Furnace

DINGZhi-qing,ZHOU Hao-yu,LI Wen-hui
(Zhongye Changtian International Engineering Co.,Ltd,Changsha410007,China)

Taking the double-inclined ignition furnace for example,this thesis introduces and analyzes the development of modern ignition furnace.Moreover,the future tendency of ignition furnace is predicted.

double-inclined ingnition furnace;reformation;development

TF806

A

1003-5540(2011)01-0057-04

丁智清(1973-),男,高级工程师,主要从事炉窑工程设计工作。

2010-10-08