現代燒結點火保溫爐的改造及發展

丁智清,周浩宇,李文輝

(中冶長天國際工程有限責任公司,湖南長沙 410007)

現代燒結點火保溫爐的改造及發展

丁智清,周浩宇,李文輝

(中冶長天國際工程有限責任公司,湖南長沙 410007)

以雙斜式點火保溫爐為例,介紹了近幾年來燒結點火保溫爐技術方面的改造要點并逐一進行了闡述分析。最后對燒結點火保溫爐未來的發展趨勢作出了預測。

雙斜式點火保溫爐;改造;發展

在眾多的冶金爐窯中,燒結機點火保溫爐憑借其燒結核心設備的地位,在燒結工藝生產線上所起的作用是不容忽視的。點火爐點火質量的好壞,爐襯壽命的長短,往往能對燒結礦的產量及成品率造成極大影響,從而間接影響高爐的鐵水質量與產量。在“鐵器時代”的今天,鋼鐵行業把握著國民經濟命脈,在GDP中占有極大比重,國家已決心加大整合力度,淘汰落后技術,向精品鋼材產品發展,與世界發達國家接軌。而作為燒結核心設備的點火保溫爐,其結構改造與技術發展也愈發顯得重要。

1 點火爐技術改造的基本原則

一臺性能良好的點火爐,應能滿足點火工藝要求,其點火能耗低、投資少、運行安全、操作維護方便、使用壽命長。其中能耗低、壽命長是點火爐改造的核心目的。為此,在點火爐改造過程中,應遵循以下基本原則[1]:

1.采用帶狀火焰直接點火的先進技術。自80年代以來,世界各國對燒結點火技術進行了大量研究,尤其是日本,在川崎公司長縫式燒嘴點火爐和線式燒嘴點火爐問世后,徹底摒棄了沿用多年的“煙氣”點火技術,接著又推出了住友公司的多縫式燒嘴點火爐和新日鐵的面式燒嘴點火爐,其主要特征是采用了帶狀火焰對表層混合料實施直接點火,要求爐膛高度低,燒嘴火焰短,點火熱量集中,沿臺車寬度方向在混合料表面形成一帶狀火焰的高溫區,使表面混合料在很短的時間內被點燃并進行燒結,因而點火效率高。

我國自推廣帶狀火焰直接點火技術后,進入了節能型點火爐大開發時期。由長沙冶金設計研究院(現名中冶長天)開發的雙斜式點火爐先后在國內各大鋼鐵廠投入使用,在節能方面取得廣泛好評。

2.采用微負壓控制技術。在節能型點火爐內,煤氣燃燒產生的熱煙氣量很少,僅占正常抽風燒結風量的1/20～1/50,為了保證帶狀火焰與料面有充分的接觸時間進行熱交換,使帶狀火焰具有一定的鋪展性,防止冷風由爐口及點火爐兩側不嚴密處吸入,必須對點火爐下部的風箱負壓實施控制,保證點火爐爐膛壓力處于-10～0 Pa范圍內。

3.保持適度的點火供熱強度。實驗研究表明,在最低點火能耗的點火工藝制度下燒結,燒結餅表層有50～80 mm的松散料層,其中表面有30～40 mm深,根本沒有液相生成,他們在燒結系統中循環,只起到碳的載體作用,采用這種制度點火,燒結礦的成品率、轉鼓指數都偏低,工序能耗高。因此在設計和生產中要求采用適度的點火供熱強度,使之能夠彌補混合料上部料層熱量不足的缺陷,這樣可降低混合料配碳量,有利于低溫燒結,利于降低燒結礦中FeO含量,即有利于燒結工序綜合效益的提高。

4.利用熱風助燃與設置熱風保溫爐。點火爐采用熱風助燃與設置熱風保溫爐是利用燒結環冷機廢氣的有效手段,可降低點火燃料耗量,提高煙氣氧含量,提高表層燒結礦質量,降低固體燃料消耗量,降低燒結礦FeO含量,有利于生成針狀鐵酸鈣,因此,是實現低溫燒結的一項重要措施。

5.采用無水冷結構及高級耐火材料提高點火爐壽命。延長點火爐的使用壽命一直是使用者的需要和設計、制造者孜孜以求的目標。多年前采用的帶水冷圈梁的點火爐,需耗費大量冷卻水,保護圈梁的鉤子磚極易斷裂脫落,圈梁焊口經常開裂,3～6個月就要停產檢修,點火爐壽命僅1～2 a。近年來推廣使用的節能型點火爐,基本上淘汰了水冷圈梁結構,其耐火內襯由耐火磚、保溫磚砌筑結構改為帶錨固吊掛磚的整體澆注的復合爐襯結構。這種結構大大提高了爐襯的整體強度,具有良好的隔熱性能,為延長爐襯壽命減少散熱損失打好了基礎。隨著新型耐火澆注料的不斷推出,復合爐襯耐火澆注料的材質也在不斷更新,過去廣泛采用的粘土結合澆注料已被低水泥澆注料取代,目前,超低水泥澆注料(即微粉結合澆注料)正處于推廣階段。

2 現代燒結點火保溫爐的技術改造

雙斜式點火保溫爐是我國應用最廣泛的節能型點火爐之一,筆者以此為例,將現代新型點火爐的幾個技術改進點歸納如下。

2.1 拉桿閥裝置

在以往生產操作中,遇到緊急停產的狀況,通常是由操作工在主控室遠程關閉點火煤氣主管道上的電動閥門,然后再到現場將燒嘴前球閥逐一關閉從而停止點火爐運作。由于點火煤氣主管道上電動閥門距離燒嘴前閥門有較長距離,此操作方式易造成點火爐管道回火引發爆炸,且由于電動閥門反應較慢,全部關閉通常要10 s以上,如遇緊急事故反應靈活性不強,故此操作方式安全性能不高。

拉桿閥裝置的加入從根本上有效彌補了原有操作方式的不足。其結構如圖1所示。平時正常生產時,由充滿壓縮空氣的氣缸帶動拉桿裝置將閥門拉扯到全開位置。一旦需要緊急停產,操作工只需遠程關閉與拉桿閥連接的壓氣開關,氣缸失去壓氣支持,拉桿裝置將快速被重錘向閥門關閉方向拉扯,從而關閉所有閥門。由操作工按下遠程開關到點火爐燒嘴閥門關閉整個過程不超過3 s,且無需操作工現場操作。真正做到了快速、安全、靈活、方便。

圖1 拉桿閥裝置結構簡圖

2.2 三元燃燒技術

老式點火爐點火一般采用一種煤氣(例如:焦爐煤氣,轉爐煤氣,天然氣)作為燃料,即使是兩種煤氣(如高爐煤氣、焦爐煤氣),一般也預先將其混合成一種熱值的混合煤氣(高爐-焦爐混合煤氣),再送入點火爐燒嘴,因燒嘴只進行一種熱值煤氣及助燃空氣的燃燒,習慣上稱之為二元燃燒。在長期生產實踐中,因為無法保證向燒嘴長期提供熱值穩定的煤氣,時而焦爐煤氣流量大、時而高爐煤氣流量大,且焦爐與高爐煤氣自身壓力隨時間波動也較大。經常造成點火爐點火能耗高,耐火內襯損壞快,壽命短,混合料面易過熔,料層透氣性差,點火效果不理想等不良工況。為解決問題,三元燃燒技術這一課題被提上臺面。

所謂三元燃燒,是指兩種不同熱值的煤氣進入燒嘴的不同通道與助燃風混合燃燒,習慣上稱之為三元燃燒,而燒嘴本身,習慣上也稱之為三元燒嘴。因為三元燒嘴對于高爐煤氣、焦爐煤氣和空氣的流量調節是在燒嘴前進行的,所以此舉有效避免了二元燃燒所存在的煤氣流量不穩定導致燒嘴燃燒質量差的問題。在節能降耗,提高點火質量方面較以往上升了一個臺階。此外,除高爐、焦爐煤氣燃燒之外,三元燒嘴還可應用于煤氣和煤粉燃燒、煤氣和天然氣燃燒等多種復合燃料燃燒方式。

2.3 自動點火及火焰探測系統

老式點火爐采用的均為人工點火的方式,當點火爐需要點火生產時,由兩名工人配合,其中一名打開燃氣主閥,另一名將點火棒靠近燒嘴口將其點燃。這種點火方式有兩點不足:(1)加大了工人的操作強度;(2)當爐內氣氛不明時,危險系數大。

在設備智能化日益發展的今天,自動點火取代人工點火已成為必然的趨勢。新型點火保溫爐采用的,是一種由具有雙延時器的自動點火裝置,短、開路保護的點火變壓器和耐高溫的點火電極和火焰探測探頭一體化的探頭組成的自動點火及火焰探測裝置,可在1 200℃以上的工作環境下,進行雙延時自動點火、監測爐內的火焰燃燒狀況,在發起點火未成功報警的同時可自動關閉燃氣閥門,在減輕操作工工作強度與提高操作安全系數方面有顯著進步。

2.4 適用于純高爐煤氣生產的雙預熱式點火保溫爐

高爐煤氣作為煉鐵工藝的副產品,其熱值低,有效利用率不高。據有關資料介紹每年我國各鋼鐵企業高爐煤氣的放散率為13.72%,不但造成了大量的能源浪費,而且造成嚴重的環境污染。

本著節能降耗,防污減排的目的,越來越多的鋼鐵企業將高爐煤氣引入了燒結點火系統,此舉有效地變廢為寶,但同時也帶來了一個新的課題:高爐煤氣熱值普遍偏低,通常都在3 350 kJ/m3以下[2],若利用常溫高爐煤氣進行點火生產,除非通過損耗有效抽風面積、延長點火段長度的方法,否則根本達不到燒結料所需的溫度。而損耗有效抽風面積從某種角度來說等價于降低燒結機產量,損害經濟效益。如何通過改進技術,解決這一難題,使得高爐煤氣能充分為我們所用,成為重中之重。

通過不斷的摸索與研究,新型純高爐煤氣點火爐——雙預熱式點火保溫爐已逐漸登上生產舞臺,并日趨成熟。其簡圖如圖2所示。此新型爐型通過對空氣、煤氣進行雙預熱,有效提高了點火保溫爐的點火溫度,在使用純高爐煤氣為燃料生產的前提下成功確保了燒結生產線的成品率與優品率。

圖2 雙預熱式點火保溫爐工藝流程簡圖

相關業內人士曾做過計算,如按360 m2燒結機的規格綜合比較,雙預熱式點火爐每年能給鋼鐵廠帶來1 700萬元的經濟效益,而雙預熱點火爐的一次性投資在280萬元左右。技術改進帶來的經濟效益遠遠大于點火爐自身的一次性投資。

純高爐煤氣用雙預熱式點火保溫爐因其節能、環保、投資低、經濟效益高的優勢,現已在國內普遍采用,并受到了廣泛好評。

2.5 引入熱風燒結技術

熱風燒結技術主要是利用環冷機的高溫廢氣,對燒結料層進行保溫。在普通厚料層燒結工藝中,自動蓄熱作用較強,料層下部熱量過剩,上部熱量先天不足。而熱風燒結通過引入冷卻機上部的熱廢氣,使通過料層的氣流溫度升高,使上部料層的燒結溫度升高,減少上、下層的溫差。同時,還可以替代部分固體燃料的燃燒熱,降低固體燃料用量,使固體燃料在燒結料層上、下部的分布更加均勻。可見,采用熱風燒結技術對提高燒結礦產質量、降低能耗具有重要意義。

新型點火保溫爐在原有爐體的后部,新增了一個熱風罩,通過回熱風管將環冷機與熱風罩相連接,在生產中,環冷機產生的高溫廢氣可通過回熱風管,返回至熱風罩內對燒結料面進行供熱。其簡圖如圖3所示。

圖3 熱風罩結構簡圖

據業內人士統計,在國內大部分鋼鐵廠的燒結生產工藝中,冷卻機排出的廢氣顯熱約占燒結總熱耗的30%～35%,除了一部分用于余熱鍋爐外,其余部分排入大氣,造成了能源的浪費,同時污染了空氣[3]。因此,循環利用燒結余熱,實施熱風燒結工藝技術,無疑是燒結節能的一個重要途徑和發展方向。

2.6 研制新型點火爐耐火材料配方

耐火材料一般是指耐火度在1 580℃以上的無機非金屬材料。它包括天然礦石及按照一定的目的要求,經過一定的工藝制成的各種產品,具有一定的高溫力學性能、良好的體積穩定性[4],是點火保溫爐安裝所必需的材料,也是核心部件之一。

長久以來,人們致力于延長點火爐爐襯壽命,對于新型耐材配方的研究工作從未間斷。點火爐用耐材澆注料種類繁多,耐材配方也是五花八門,總的來說,新開發研制的材料必須具備以下性能:(1)材料流動性能好,易于施工;(2)能長期在 1 200～1 300℃的溫度下使用;(3)強度高,具有良好的抗沖刷性;(4)荷重軟化溫度高,熱震穩定性好;(5)抗渣侵蝕性能好。

目前,點火爐運用最多的是莫來石澆注料,因為莫來石具有低膨脹性、低熱傳導性、極好的抗蠕變性和良好的化學穩定性以及耐高溫性[5]。其主要成分如下:(1)選用優質的倒焰窯骨料和莫來石細粉作為主原料,保證1 200～1 300℃條件下材料的高溫強度和抗沖刷性能;(2)選用優質純鋁酸鈣水泥,配入多種微粉和特種添加劑,提高材料強度;(3)加入耐熱鋼釬維,采用超低水泥技術提高材料的抗剝落性,保證材料在操作條件變化而引起溫度波動時,不因熱震而受損;(4)摻加添加劑,調節材料的線變化,提高澆注料的荷重軟化溫度和熱穩定性;(5)引入防爆劑,防止干燥烘烤中的爆裂。

此澆注料試驗后,各項指標列于表1。

表1 澆注料試驗指標

3 我國燒結點火保溫爐未來發展趨勢預測

當今市場是以知識技術取勝的市場,逆水行舟,不進則退。要想不被市場淘汰,唯有努力研發、開創新的技術。一般來說,燒結點火保溫爐未來的發展道路,應具備以下三個趨勢:

1.自動化與智能化:在未來的工廠生產線上,少人操作甚至無人操作已不是白日做夢,智能電腦將取代人腦實施連鎖操作,統一控制。如何更進一步完善自動點火系統性能,如何根據不同的配料成分自動調節點火溫度與爐內壓力,如何在緊急停產時實現自動吹掃及自動引氣復產等,這些都將成為今后研究的課題。

2.降低能耗:目前國內燒結點火保溫爐使用純焦爐煤氣為燃料時的平均能耗為0.07 GJ/t,而某些發達國家如日本在點火爐能耗方面已可做到0.04 GJ/t甚至更低。低能耗意味著低成本,高利潤。在市場經濟的今天,通過科技研發努力降低能耗縮小生產成本必將繼續成為燒結點火保溫爐今后發展的重要方向。譬如研究日本燒結工藝的“偏析布料”技術,如研制成功,則可節省我國點火爐能耗約15%～20%。

3.延長壽命:如何延長點火保溫爐的使用壽命,使之更耐久耐用是個永恒不變的話題。目前,國內點火保溫爐最長壽命已可達10 a。新型耐材配方與點火爐襯結構仍在不斷研制開發中,譬如對于納米耐材技術的研究與多階梯式復合點火爐襯結構的研制。相信隨著對耐火材料、爐襯結構以及點火方式的不斷研發與改進,未來將出現15 a、20 a甚至更長壽命的燒結點火保溫爐。

4 結 論

通過以上分析不難看出,提高操作安全系數、降低能耗與減少污染物排放是近幾年來現代燒結點火爐的改造研究重點。通過使用新型技術,點火爐在節能減排與安全操作性能上較以往大有提高。同時通過研制新型耐材配方從而提高爐襯壽命也是近幾年點火爐技術研究的一個熱門方向。

[1] 潘寶巨,張成吉.中國鐵礦石造塊適用技術[M].北京:冶金工業出版社,2000.130-133.

[2] 北京鋼鐵設計院.鋼鐵廠工業爐設計參考資料[M].北京:冶金工業出版社,1979.141.

[3] 吳志軍.熱風燒結技術在萊鋼105 m2燒結機上的應用[J].山東冶金,2006,1(3):10-14.

[4] 韓行祿.不定形耐火材料[M].北京:冶金工業出版社,2004.

[5] 楊丁熬,張紹軍,王曉陽.莫來石質耐火材料在熔融金屬中的應用[J].國外耐火材料,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,高級工程師,主要從事爐窯工程設計工作。

2010-10-08