鉻鐵合金冶煉中余熱余能的綜合利用

楊緒平， 邵志超， 楊 泉

(江蘇省冶金設計院有限公司, 江蘇 南京 210007)

鉻鐵合金冶煉中余熱余能的綜合利用

楊緒平， 邵志超， 楊 泉

(江蘇省冶金設計院有限公司, 江蘇 南京 210007)

摘要：不同的鉻鐵合金冶煉生產工藝，在物料、產品、爐渣或煙氣排放的過程中，存在不同程度的熱能；對這些熱能進行有效整合，綜合回收利用，對降低產品能耗、提高經濟效益具有顯著的價值。

關鍵詞：鉻鐵合金； 熱能； 綜合利用

引 言

近20年來，隨著國民經濟的快速發展，中國的不銹鋼制品在制造、建筑及生活的各個方面展現出了巨大的需求，帶動了不銹鋼工業的蓬勃發展，同時推動了作為不銹鋼重要生產原料——鉻鐵生產的快速發展，中國已經成為了世界上最大的鉻鐵生產和消費國。鉻鐵產品需求的快速增長，一方面使得中國鉻鐵工業的冶煉和裝備技術水平取得了長足的進步；另一方面也存在一些問題，如同質競爭、低水平重復建設、生產能耗高等。粗放式的生產方式在目前日趨飽和的鉻鐵生產環境下，對企業競爭力帶來了嚴峻的挑戰。因此，在新的市場競爭形勢，以及國家對環保及能源消耗要求標準更高的情況下，鉻鐵作為高能耗產品，降低設備及工藝整體流程節能，對企業增強自身競爭力意義重大。

1 鉻鐵合金冶煉工藝

鉻鐵合金生產的原料為鉻塊礦和鉻粉礦，根據冶煉反應的要求，礦熱爐冶煉過程中，爐體內需要保持良好的透氣性，因此，鉻塊礦可以直接入爐冶煉，鉻粉礦需要制成一定粒度后才能冶煉鉻鐵。目前，世界鉻礦開采量中，塊礦占有量約20%，粉礦約80%；隨著鉻鐵合金需求量的大幅增長，對鉻礦資源的需求量加大，適合直接入爐的鉻塊礦越來越少，原礦品位降低，價格升高，同時，鉻礦開采量的加大，產生的鉻粉礦量也越來越多。由于鉻粉礦供應量巨大，在價格方面具有明顯的優勢，因此開發了鉻粉礦壓塊、燒結和球團等多種造塊工藝，解決了鉻粉礦直接冶煉產生的諸多問題。

1.1 冷壓塊法

津巴布韋合金廠具有多年的鉻礦粉壓塊生產實踐，開發了鉻粉礦冷壓塊工藝，該工藝是將鉻礦粉壓塊后養生固化[1]。首先將鉻粉礦干燥至水分小于2.5%，在球磨機上破碎，配糖漿和石灰后混料、壓塊，在倉庫中進行96 h的養生固化成型。冷壓塊法具有設備少，建設快，投資省，生產靈活，不需要與電弧爐同步等特點，但在鉻鐵冶煉渣中容易損失鉻，降低回收率，且產品中碳含量高。

1.2 燒結法

蔣仁全等[2]針對鉻礦粉的特點，進行了鉻礦粉燒結制粒工藝的研究，以水分11%～13%、焦粉5%～8%、膨潤土3%～6%進行配比制粒，能夠得到滿足工藝生產的鉻礦粉燒結球團。在45 m2帶式燒結機上進行了生產，生產流程為：鉻粉礦、焦粉、膨潤土經過配料后輸送到一次混料機，混合料在一次混料機混勻、初步加水后，進入二次混料機，完成補水、制粒任務，混合料送到燒結機燒結。燒結物料經過單輥破碎機破碎，進入一次熱振動篩，把粒度5 mm以下的篩出，進入皮帶系統燒結循環，粒度5 mm以上的物料，經過鏈板機輸送到二次熱振動篩過篩，粒度6～20 mm進入鋪底料倉(燒結鋪底料備用)，粒度20～100 mm進入燒結成品料倉，定期出燒結成品礦。實踐證明：帶式燒結機生產的燒結礦球團強度高、粒度均勻，氣孔率高，比表面積大，鉻鐵礦尖晶石礦物結構中Fe2+轉變為Fe3+，部分鐵離子脫離尖晶石，集中在晶粒表面，利于冶煉還原反應。采用該工藝后能夠降低冶煉電單耗5%～12%，提高產能10%以上，降低碳單耗5%～8%。

1.3 球團法

1.3.1 奧托昆普法

奧托昆普工藝是芬蘭Outokumpu公司在1968年首創，工藝技術成熟，近幾年在南非具有廣闊的應用市場[3]。奧托昆普鉻礦粉燒結球團是將鉻礦粉、除塵灰及約2%的焦粉配料，采用濕式球磨機混合磨細，至成品粒度范圍小于200目的占78%～82%，過濾后物料水分控制為8.5%～9%的濾餅，配上膨潤土造球，球團粒度18～22 mm，經鋼帶燒結機焙燒烘干，烘干后的球團可熱送到電弧爐冶煉，同時電弧爐煤氣回收利用，具有元素回收率和能效利用率高的特點。

1.3.2 SRC法

SRC法是日本昭和電工公司研制的一項鉻礦固態還原法，在球團內配入碳素還原劑，以使鉻礦得到預還原，也稱預熱球團法，最早在1970年前后的日本用于工業生產，在鉻粉礦的預處理上得到廣泛應用[4]。SRC法是將鉻粉礦和焦粉按比例混合后，經干燥機烘干后配膨潤土進行混合，混合物料加入到球磨機磨至200目，在圓盤造球機上制成粒度15～20 mm的生球，生球運輸到鏈篦機干燥預熱提高強度，熱送入回轉窯內，在爐內1300～1400 ℃溫度下預還原成球，熱態SRC預還原球團可冷卻后或熱裝料罐送電弧爐車間冶煉。使用SRC法球團冶煉可比塊礦直接冶煉節電30%，冶煉用焦減少45%，鉻回收率提高1%～2%，電弧爐煙氣量減少約20%。

1.3.3 DRC法

DRC法是加拿大國際金屬回收公司開發的一種預熱球團工藝[5]。鉻礦粉配碳及膨潤土后在圓盤造球機上造球，球團連續送入到轉底爐的旋轉床還原爐內，在爐內布料1～2層，厚度35 mm，在爐床旋轉過程中，球團被爐膛內的高溫氣流預熱還原。爐內根據溫度進行分區，在燃燒區溫度可達1400 ℃，產生約1100 ℃的煙氣，煙氣逆轉底爐旋轉方向流動至球團落料口附近的煙道，除塵后回收利用，提高了熱效率。DRC法具有較高的金屬還原率，能效利用高，高溫球團可熱送到礦熱爐冶煉。爐體的冶煉設計能夠有效解決鉻粉礦球團在低溫區700 ℃由Fe2O3向Fe3O4轉換的低溫還原膨脹性。

1.3.4 蒸汽養生球團(COBO法)

蒸汽養生球團工藝[6]是用消石灰和微硅粉作為粘結劑造球，在高溫蒸汽的作用下，由熱液反應產生凝膠物質將固態顆粒粘結在一起，使球團具有一定強度。經預濕和強力混合后，含水量為5%～6%的混合料進入圓盤造球機造球，成球時噴霧化水加濕，使生球水分達到10%～12%，生球篩除小于8 mm粉料后，進入帶式干燥機將水分降低到2.5%以下。干燥后的球團裝到高壓釜內進行蒸汽養生，高壓釜內蒸汽壓力約1.6 MPa，溫度150 ～250 ℃，球團固結時間2～4 h。

2 余熱余能的利用

鉻鐵合金生產過程中，一方面，在鉻粉礦造球后進行焙燒或預還原球團時，根據不同的球團生產工藝，存在大小不等的余熱；另一方面，礦熱爐冶煉鉻鐵合金后，鉻鐵水、鉻渣中含有大量的物理顯熱，礦熱爐爐頂排出的煙氣中不僅含有物理顯熱，還有豐富的高熱值煤氣。充分利用好這些能量，能夠顯著地降低鉻鐵合金冶煉綜合能耗。

2.1 預處理原料的余熱利用

李忠等[7]進行了年產20萬噸鉻礦球團預還原熱裝試驗，首先生球進入鏈篦機干燥、預熱，經過高溫表面生成燒結硬殼，使生球具有一定強度，從鏈篦機出來的球團溫度控制在800 ℃左右，直接進入回轉窯高溫焙燒預還原，回轉窯內保證燒結溫度為 1250～1350 ℃，預還原結束后球團礦還原度50%～70%，球團含碳量3.5%～4.5%，熱料溫度900～1000 ℃，從回轉窯出料口直接輸送到礦熱爐頂部的熱料倉，球團入爐溫度600～800 ℃，充分利用了熱能，降低礦熱爐冶煉電耗，提高了生產能力。實驗表明，采用預還原熱裝球團工藝，能夠明顯提高產能，冶煉電耗從3350 kW·h/t降低到2100 kW·h/t，回收率增加3%，渣中跑鉻減少2%。另外，奧托昆普、SRC、DRC工藝均能夠實現鉻礦球團800 ℃熱裝入爐[5]，熱裝不比預還原節電少，奧托昆普的技術在沒有經過預還原的情況下，僅球團熱裝工藝就降低了電耗約700 kW·h/t。

2.2 鉻鐵合金的余熱利用

國內不銹鋼的冶煉通常把鉻鐵合金、鎳鐵合金等金屬料加入電弧爐后熔煉成液態，再送到AOD爐或爐外精煉進行不銹鋼生產。考慮到高碳鉻鐵合金從礦熱爐出來后有1500 ℃以上的物理熱，鉻鐵水及冶煉需要的鎳鐵水不用在鐵水區域降溫冷卻為冷料，可直接供應給不銹鋼冶煉車間，省掉金屬熔化的過程[8]。熱裝鐵水采用頂底復吹轉爐或電弧爐，在爐內快速升溫和脫碳，并在出鋼前對渣中氧化鉻進行還原，這樣既可保證鉻的回收率在96%以上，又可將鐵水中的C，S，P，Si 控制在AOD精煉爐所需要的成分要求內，順利完成不銹鋼的冶煉；能夠明顯節約能源，降低冶煉成本，提高產能和產品質量，同時生產出超低碳不銹鋼，保持了較高的鉻回收率和金屬回收率。實際生產表明，鉻鐵水能夠熱裝、熱送進行不銹鋼冶煉，并且取得了顯著的經濟效益、能源效益和環境效益。

2.3 鉻渣的余熱利用

2.3.1 鉻渣熱送制礦棉

南京玻纖院[9]用鉻渣作為主要原料，配以輔助原料，進行了礦棉制備實驗研究，研究證明鉻渣完全可以制成礦棉，性能及用途與普通礦棉相同，且最高使用溫度和化學性能優于普通礦棉，鉻渣棉中，由于在1400 ℃的高溫下還原解毒，因此解毒徹底，礦渣棉水溶性六價鉻含量大大低于有關固體廢物污染控制標準。

義望鐵合金公司[10]開發了錳鐵爐渣熱裝生產粒狀棉工藝，液態錳鐵渣熱裝到渣包中，由轉運車熱送到礦棉車間，在調質電爐中加入調質料調整好酸堿度和熔點后注入保溫電爐生產礦棉產品，降低了礦渣棉冶煉能耗。爐渣的熱裝能夠廣泛應用到鉻渣、鎳渣、高爐渣等生產礦棉的工藝中。

2.3.2 沖渣水余熱利用

高碳鉻鐵的熔點高達1500 ℃以上，為保證電弧爐有高的反應速度并使生成的鉻鐵合金順利地從爐內排出和渣鐵分離，必須使電弧爐爐溫控制在1650～1700 ℃以上，高碳鉻鐵的爐渣每噸顯熱可達2000 MJ以上。國內高碳鉻鐵爐渣的冷卻通常采用沖渣水冷卻的方式，沖渣水余熱基本沒有被回收。呂韜等[11]結合電弧爐冶煉生產的工藝特點，設計了高碳鉻鐵沖渣水余熱回收方案，即在循環水池內，采暖循環水經過換熱器后，溫度由45 ℃升為60 ℃；采暖水通過室外管網進入各建筑物進行采暖，采暖后的采暖水溫度由60 ℃降為 45 ℃，再通過采暖室外管網重新回到熱力換熱站，用熱沖渣水重新加熱后循環使用。采暖循環水可以就近對廠區辦公樓及周邊小區進行供暖。在極寒天氣情況下及生產停產時，設置了備用蒸汽熱源，實現了鉻渣的余熱回收利用。

2.4 煙氣的余熱利用

鐵合金冶煉礦熱爐有高煙罩敞口型、矮煙罩半封閉型和全封閉型。目前，落后的高煙罩敞口型基本被淘汰，中國絕大多數大、中型礦熱爐已經采用矮煙罩半封閉型和全封閉型。半封閉礦熱爐煙氣波動較大，平均溫度約380 ℃，主要對其顯熱進行余熱利用，采用余熱鍋爐回收熱量發電；全封閉礦熱爐煙氣溫度高達850 ℃，煙氣中CO占比約60%～80%。

封閉式礦熱爐煤氣熱值高，凈化回收后可直接作為煤氣使用。封閉型礦熱爐煤氣凈化有濕法凈化和干法凈化[12]。濕法凈化是將荒煤氣首先通過集灰箱除去粗顆粒粉塵，經霧化冷卻器冷卻后，先進噴淋塔一級除塵，再連續通過文氏管(Ⅰ)、脫水(Ⅰ)、文氏管(Ⅱ)、脫水器(Ⅱ)二級除塵脫水完成煤氣凈化。干法凈化是通過集灰箱除去粗顆粒粉塵，經水冷煙道、風力列管式冷卻器降溫、旋風除塵器一級除塵后，通過主風機送入布袋除塵器二級除塵，然后經過外淋式空氣列管冷卻器降溫完成煤氣凈化。

國內一些鐵合金廠已經建設使用了先進的余熱發電系統[13]，礦熱爐煤氣可不經過除塵，直接接入燃氣鍋爐燃燒，鍋爐同時兼具除塵作用，產生的蒸汽通過汽輪發電機組發電，最高能夠達到60%的余熱回收利用，最終鍋爐排煙溫度158 ℃，還可做采暖使用，節能效果明顯，能夠為企業帶來明顯的經濟效益。

經余熱發電后，煙氣的溫度一般為80～130 ℃，由于煙氣量較大，排空造成大量熱量浪費。嵇曉滄等[14]利用煙氣直接烘干球團，實現煙氣余熱的多級回收利用。在某鐵合金廠25 MVA礦熱爐生產線上，通過技術改造，利用煙氣直接烘干球團，濕球團含水12%～15%，球團烘干后水分1%～3%，實現了球團烘干，同時煙氣余熱進行了多級回收利用，余熱回收效果良好，取得了較好的經濟效益。

礦熱爐煙氣中具有很高的物理顯熱和化學能，結合不同的鉻粉礦預處理技術，可以分級利用煙氣中的能源。高品質的礦熱爐煤氣不僅可以凈化后作為潔凈煤氣供廠區內使用，也可外供；煤氣還可以采用余熱發電的形式轉換成電能，分級后的低溫煙氣可以用來烘干鉻粉礦、球團等物料，低溫蒸汽可蒸壓養生球團，或作為生產生活上的采暖、食堂、浴室等用途。

3 結束語

生產實驗及實踐表明，鉻鐵合金冶煉中，采用球團等預處理原料熱裝，鉻鐵合金熱送，爐渣熱送及余熱利用，礦熱爐爐頂煤氣綜合回收利用等節能措施，能夠明顯降低鉻鐵合金冶煉的單位生產能耗，有效地促進了節能減排工作的穩步推進，為企業提高產品競爭力奠定了堅實的基礎。因此，在鉻鐵合金冶煉新建及改造項目中，推廣和應用這些技術具有重要的意義。

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收稿日期：2017-01-02

作者簡介：楊緒平(1985—)，男，工程師。電話：18205169992。E-mail: 18205169992@163.com

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