丁智清,周浩宇,李文輝
(中冶長(zhǎng)天國(guó)際工程有限責(zé)任公司,湖南長(zhǎng)沙 410007)
現(xiàn)代燒結(jié)點(diǎn)火保溫爐的改造及發(fā)展
丁智清,周浩宇,李文輝
(中冶長(zhǎng)天國(guó)際工程有限責(zé)任公司,湖南長(zhǎng)沙 410007)
以雙斜式點(diǎn)火保溫爐為例,介紹了近幾年來燒結(jié)點(diǎn)火保溫爐技術(shù)方面的改造要點(diǎn)并逐一進(jìn)行了闡述分析。最后對(duì)燒結(jié)點(diǎn)火保溫爐未來的發(fā)展趨勢(shì)作出了預(yù)測(cè)。
雙斜式點(diǎn)火保溫爐;改造;發(fā)展
在眾多的冶金爐窯中,燒結(jié)機(jī)點(diǎn)火保溫爐憑借其燒結(jié)核心設(shè)備的地位,在燒結(jié)工藝生產(chǎn)線上所起的作用是不容忽視的。點(diǎn)火爐點(diǎn)火質(zhì)量的好壞,爐襯壽命的長(zhǎng)短,往往能對(duì)燒結(jié)礦的產(chǎn)量及成品率造成極大影響,從而間接影響高爐的鐵水質(zhì)量與產(chǎn)量。在“鐵器時(shí)代”的今天,鋼鐵行業(yè)把握著國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈,在GDP中占有極大比重,國(guó)家已決心加大整合力度,淘汰落后技術(shù),向精品鋼材產(chǎn)品發(fā)展,與世界發(fā)達(dá)國(guó)家接軌。而作為燒結(jié)核心設(shè)備的點(diǎn)火保溫爐,其結(jié)構(gòu)改造與技術(shù)發(fā)展也愈發(fā)顯得重要。
一臺(tái)性能良好的點(diǎn)火爐,應(yīng)能滿足點(diǎn)火工藝要求,其點(diǎn)火能耗低、投資少、運(yùn)行安全、操作維護(hù)方便、使用壽命長(zhǎng)。其中能耗低、壽命長(zhǎng)是點(diǎn)火爐改造的核心目的。為此,在點(diǎn)火爐改造過程中,應(yīng)遵循以下基本原則[1]:
1.采用帶狀火焰直接點(diǎn)火的先進(jìn)技術(shù)。自80年代以來,世界各國(guó)對(duì)燒結(jié)點(diǎn)火技術(shù)進(jìn)行了大量研究,尤其是日本,在川崎公司長(zhǎng)縫式燒嘴點(diǎn)火爐和線式燒嘴點(diǎn)火爐問世后,徹底摒棄了沿用多年的“煙氣”點(diǎn)火技術(shù),接著又推出了住友公司的多縫式燒嘴點(diǎn)火爐和新日鐵的面式燒嘴點(diǎn)火爐,其主要特征是采用了帶狀火焰對(duì)表層混合料實(shí)施直接點(diǎn)火,要求爐膛高度低,燒嘴火焰短,點(diǎn)火熱量集中,沿臺(tái)車寬度方向在混合料表面形成一帶狀火焰的高溫區(qū),使表面混合料在很短的時(shí)間內(nèi)被點(diǎn)燃并進(jìn)行燒結(jié),因而點(diǎn)火效率高。
我國(guó)自推廣帶狀火焰直接點(diǎn)火技術(shù)后,進(jìn)入了節(jié)能型點(diǎn)火爐大開發(fā)時(shí)期。由長(zhǎng)沙冶金設(shè)計(jì)研究院(現(xiàn)名中冶長(zhǎng)天)開發(fā)的雙斜式點(diǎn)火爐先后在國(guó)內(nèi)各大鋼鐵廠投入使用,在節(jié)能方面取得廣泛好評(píng)。
2.采用微負(fù)壓控制技術(shù)。在節(jié)能型點(diǎn)火爐內(nèi),煤氣燃燒產(chǎn)生的熱煙氣量很少,僅占正常抽風(fēng)燒結(jié)風(fēng)量的1/20~1/50,為了保證帶狀火焰與料面有充分的接觸時(shí)間進(jìn)行熱交換,使帶狀火焰具有一定的鋪展性,防止冷風(fēng)由爐口及點(diǎn)火爐兩側(cè)不嚴(yán)密處吸入,必須對(duì)點(diǎn)火爐下部的風(fēng)箱負(fù)壓實(shí)施控制,保證點(diǎn)火爐爐膛壓力處于-10~0 Pa范圍內(nèi)。
3.保持適度的點(diǎn)火供熱強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)研究表明,在最低點(diǎn)火能耗的點(diǎn)火工藝制度下燒結(jié),燒結(jié)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?cè)跓Y(jié)系統(tǒng)中循環(huán),只起到碳的載體作用,采用這種制度點(diǎn)火,燒結(jié)礦的成品率、轉(zhuǎn)鼓指數(shù)都偏低,工序能耗高。因此在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中要求采用適度的點(diǎn)火供熱強(qiáng)度,使之能夠彌補(bǔ)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?zé)Y(jié),利于降低燒結(jié)礦中FeO含量,即有利于燒結(jié)工序綜合效益的提高。
4.利用熱風(fēng)助燃與設(shè)置熱風(fēng)保溫爐。點(diǎn)火爐采用熱風(fēng)助燃與設(shè)置熱風(fēng)保溫爐是利用燒結(jié)環(huán)冷機(jī)廢氣的有效手段,可降低點(diǎn)火燃料耗量,提高煙氣氧含量,提高表層燒結(jié)礦質(zhì)量,降低固體燃料消耗量,降低燒結(jié)礦FeO含量,有利于生成針狀鐵酸鈣,因此,是實(shí)現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)的一項(xiàng)重要措施。
5.采用無水冷結(jié)構(gòu)及高級(jí)耐火材料提高點(diǎn)火爐壽命。延長(zhǎng)點(diǎn)火爐的使用壽命一直是使用者的需要和設(shè)計(jì)、制造者孜孜以求的目標(biāo)。多年前采用的帶水冷圈梁的點(diǎn)火爐,需耗費(fèi)大量冷卻水,保護(hù)圈梁的鉤子磚極易斷裂脫落,圈梁焊口經(jīng)常開裂,3~6個(gè)月就要停產(chǎn)檢修,點(diǎn)火爐壽命僅1~2 a。近年來推廣使用的節(jié)能型點(diǎn)火爐,基本上淘汰了水冷圈梁結(jié)構(gòu),其耐火內(nèi)襯由耐火磚、保溫磚砌筑結(jié)構(gòu)改為帶錨固吊掛磚的整體澆注的復(fù)合爐襯結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)大大提高了爐襯的整體強(qiáng)度,具有良好的隔熱性能,為延長(zhǎng)爐襯壽命減少散熱損失打好了基礎(chǔ)。隨著新型耐火澆注料的不斷推出,復(fù)合爐襯耐火澆注料的材質(zhì)也在不斷更新,過去廣泛采用的粘土結(jié)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(jié)合澆注料)正處于推廣階段。
雙斜式點(diǎn)火保溫爐是我國(guó)應(yīng)用最廣泛的節(jié)能型點(diǎn)火爐之一,筆者以此為例,將現(xiàn)代新型點(diǎn)火爐的幾個(gè)技術(shù)改進(jìn)點(diǎn)歸納如下。
2.1 拉桿閥裝置
在以往生產(chǎn)操作中,遇到緊急停產(chǎn)的狀況,通常是由操作工在主控室遠(yuǎn)程關(guān)閉點(diǎn)火煤氣主管道上的電動(dòng)閥門,然后再到現(xiàn)場(chǎng)將燒嘴前球閥逐一關(guān)閉從而停止點(diǎn)火爐運(yùn)作。由于點(diǎn)火煤氣主管道上電動(dòng)閥門距離燒嘴前閥門有較長(zhǎng)距離,此操作方式易造成點(diǎn)火爐管道回火引發(fā)爆炸,且由于電動(dòng)閥門反應(yīng)較慢,全部關(guān)閉通常要10 s以上,如遇緊急事故反應(yīng)靈活性不強(qiáng),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(bǔ)了原有操作方式的不足。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。平時(shí)正常生產(chǎn)時(shí),由充滿壓縮空氣的氣缸帶動(dòng)拉桿裝置將閥門拉扯到全開位置。一旦需要緊急停產(chǎn),操作工只需遠(yuǎn)程關(guān)閉與拉桿閥連接的壓氣開關(guān),氣缸失去壓氣支持,拉桿裝置將快速被重錘向閥門關(guān)閉方向拉扯,從而關(guān)閉所有閥門。由操作工按下遠(yuǎn)程開關(guān)到點(diǎn)火爐燒嘴閥門關(guān)閉整個(gè)過程不超過3 s,且無需操作工現(xiàn)場(chǎng)操作。真正做到了快速、安全、靈活、方便。
圖1 拉桿閥裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
2.2 三元燃燒技術(shù)
老式點(diǎn)火爐點(diǎn)火一般采用一種煤氣(例如:焦?fàn)t煤氣,轉(zhuǎn)爐煤氣,天然氣)作為燃料,即使是兩種煤氣(如高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣),一般也預(yù)先將其混合成一種熱值的混合煤氣(高爐-焦?fàn)t混合煤氣),再送入點(diǎn)火爐燒嘴,因燒嘴只進(jìn)行一種熱值煤氣及助燃空氣的燃燒,習(xí)慣上稱之為二元燃燒。在長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐中,因?yàn)闊o法保證向燒嘴長(zhǎng)期提供熱值穩(wěn)定的煤氣,時(shí)而焦?fàn)t煤氣流量大、時(shí)而高爐煤氣流量大,且焦?fàn)t與高爐煤氣自身壓力隨時(shí)間波動(dòng)也較大。經(jīng)常造成點(diǎn)火爐點(diǎn)火能耗高,耐火內(nèi)襯損壞快,壽命短,混合料面易過熔,料層透氣性差,點(diǎn)火效果不理想等不良工況。為解決問題,三元燃燒技術(shù)這一課題被提上臺(tái)面。
所謂三元燃燒,是指兩種不同熱值的煤氣進(jìn)入燒嘴的不同通道與助燃風(fēng)混合燃燒,習(xí)慣上稱之為三元燃燒,而燒嘴本身,習(xí)慣上也稱之為三元燒嘴。因?yàn)槿獰鞂?duì)于高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣和空氣的流量調(diào)節(jié)是在燒嘴前進(jìn)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(wěn)定導(dǎo)致燒嘴燃燒質(zhì)量差的問題。在節(jié)能降耗,提高點(diǎn)火質(zhì)量方面較以往上升了一個(gè)臺(tái)階。此外,除高爐、焦?fàn)t煤氣燃燒之外,三元燒嘴還可應(yīng)用于煤氣和煤粉燃燒、煤氣和天然氣燃燒等多種復(fù)合燃料燃燒方式。
2.3 自動(dòng)點(diǎn)火及火焰探測(cè)系統(tǒng)
老式點(diǎn)火爐采用的均為人工點(diǎn)火的方式,當(dāng)點(diǎn)火爐需要點(diǎn)火生產(chǎn)時(shí),由兩名工人配合,其中一名打開燃?xì)庵鏖y,另一名將點(diǎn)火棒靠近燒嘴口將其點(diǎn)燃。這種點(diǎn)火方式有兩點(diǎn)不足:(1)加大了工人的操作強(qiáng)度;(2)當(dāng)爐內(nèi)氣氛不明時(shí),危險(xiǎn)系數(shù)大。
在設(shè)備智能化日益發(fā)展的今天,自動(dòng)點(diǎn)火取代人工點(diǎn)火已成為必然的趨勢(shì)。新型點(diǎn)火保溫爐采用的,是一種由具有雙延時(shí)器的自動(dòng)點(diǎn)火裝置,短、開路保護(hù)的點(diǎn)火變壓器和耐高溫的點(diǎn)火電極和火焰探測(cè)探頭一體化的探頭組成的自動(dòng)點(diǎn)火及火焰探測(cè)裝置,可在1 200℃以上的工作環(huán)境下,進(jìn)行雙延時(shí)自動(dòng)點(diǎn)火、監(jiān)測(cè)爐內(nèi)的火焰燃燒狀況,在發(fā)起點(diǎn)火未成功報(bào)警的同時(shí)可自動(dòng)關(guān)閉燃?xì)忾y門,在減輕操作工工作強(qiáng)度與提高操作安全系數(shù)方面有顯著進(jìn)步。
2.4 適用于純高爐煤氣生產(chǎn)的雙預(yù)熱式點(diǎn)火保溫爐
高爐煤氣作為煉鐵工藝的副產(chǎn)品,其熱值低,有效利用率不高。據(jù)有關(guān)資料介紹每年我國(guó)各鋼鐵企業(yè)高爐煤氣的放散率為13.72%,不但造成了大量的能源浪費(fèi),而且造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。
本著節(jié)能降耗,防污減排的目的,越來越多的鋼鐵企業(yè)將高爐煤氣引入了燒結(jié)點(diǎn)火系統(tǒng),此舉有效地變廢為寶,但同時(shí)也帶來了一個(gè)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(jìn)行點(diǎn)火生產(chǎn),除非通過損耗有效抽風(fēng)面積、延長(zhǎng)點(diǎn)火段長(zhǎng)度的方法,否則根本達(dá)不到燒結(jié)料所需的溫度。而損耗有效抽風(fēng)面積從某種角度來說等價(jià)于降低燒結(jié)機(jī)產(chǎn)量,損害經(jīng)濟(jì)效益。如何通過改進(jìn)技術(shù),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(diǎn)火爐——雙預(yù)熱式點(diǎn)火保溫爐已逐漸登上生產(chǎn)舞臺(tái),并日趨成熟。其簡(jiǎn)圖如圖2所示。此新型爐型通過對(duì)空氣、煤氣進(jìn)行雙預(yù)熱,有效提高了點(diǎn)火保溫爐的點(diǎn)火溫度,在使用純高爐煤氣為燃料生產(chǎn)的前提下成功確保了燒結(jié)生產(chǎn)線的成品率與優(yōu)品率。
圖2 雙預(yù)熱式點(diǎn)火保溫爐工藝流程簡(jiǎn)圖
相關(guān)業(yè)內(nèi)人士曾做過計(jì)算,如按360 m2燒結(jié)機(jī)的規(guī)格綜合比較,雙預(yù)熱式點(diǎn)火爐每年能給鋼鐵廠帶來1 700萬元的經(jīng)濟(jì)效益,而雙預(yù)熱點(diǎn)火爐的一次性投資在280萬元左右。技術(shù)改進(jìn)帶來的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于點(diǎn)火爐自身的一次性投資。
純高爐煤氣用雙預(yù)熱式點(diǎn)火保溫爐因其節(jié)能、環(huán)保、投資低、經(jīng)濟(jì)效益高的優(yōu)勢(shì),現(xiàn)已在國(guó)內(nèi)普遍采用,并受到了廣泛好評(píng)。
2.5 引入熱風(fēng)燒結(jié)技術(shù)
熱風(fēng)燒結(jié)技術(shù)主要是利用環(huán)冷機(jī)的高溫廢氣,對(duì)燒結(jié)料層進(jìn)行保溫。在普通厚料層燒結(jié)工藝中,自動(dòng)蓄熱作用較強(qiáng),料層下部熱量過剩,上部熱量先天不足。而熱風(fēng)燒結(jié)通過引入冷卻機(jī)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(jié)溫度升高,減少上、下層的溫差。同時(shí),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(jié)料層上、下部的分布更加均勻??梢?采用熱風(fēng)燒結(jié)技術(shù)對(duì)提高燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量、降低能耗具有重要意義。
新型點(diǎn)火保溫爐在原有爐體的后部,新增了一個(gè)熱風(fēng)罩,通過回?zé)犸L(fēng)管將環(huán)冷機(jī)與熱風(fēng)罩相連接,在生產(chǎn)中,環(huán)冷機(jī)產(chǎn)生的高溫廢氣可通過回?zé)犸L(fēng)管,返回至熱風(fēng)罩內(nèi)對(duì)燒結(jié)料面進(jìn)行供熱。其簡(jiǎn)圖如圖3所示。
圖3 熱風(fēng)罩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
據(jù)業(yè)內(nèi)人士統(tǒng)計(jì),在國(guó)內(nèi)大部分鋼鐵廠的燒結(jié)生產(chǎn)工藝中,冷卻機(jī)排出的廢氣顯熱約占燒結(jié)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(fèi),同時(shí)污染了空氣[3]。因此,循環(huán)利用燒結(jié)余熱,實(shí)施熱風(fēng)燒結(jié)工藝技術(shù),無疑是燒結(jié)節(jié)能的一個(gè)重要途徑和發(fā)展方向。
2.6 研制新型點(diǎn)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(jī)非金屬材料。它包括天然礦石及按照一定的目的要求,經(jīng)過一定的工藝制成的各種產(chǎn)品,具有一定的高溫力學(xué)性能、良好的體積穩(wěn)定性[4],是點(diǎn)火保溫爐安裝所必需的材料,也是核心部件之一。
長(zhǎng)久以來,人們致力于延長(zhǎng)點(diǎn)火爐爐襯壽命,對(duì)于新型耐材配方的研究工作從未間斷。點(diǎn)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(fā)研制的材料必須具備以下性能:(1)材料流動(dòng)性能好,易于施工;(2)能長(zhǎng)期在 1 200~1 300℃的溫度下使用;(3)強(qiáng)度高,具有良好的抗沖刷性;(4)荷重軟化溫度高,熱震穩(wěn)定性好;(5)抗渣侵蝕性能好。
目前,點(diǎn)火爐運(yùn)用最多的是莫來石澆注料,因?yàn)槟獊硎哂械团蛎浶浴⒌蜔醾鲗?dǎo)性、極好的抗蠕變性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及耐高溫性[5]。其主要成分如下:(1)選用優(yōu)質(zhì)的倒焰窯骨料和莫來石細(xì)粉作為主原料,保證1 200~1 300℃條件下材料的高溫強(qiáng)度和抗沖刷性能;(2)選用優(yōu)質(zhì)純鋁酸鈣水泥,配入多種微粉和特種添加劑,提高材料強(qiáng)度;(3)加入耐熱鋼釬維,采用超低水泥技術(shù)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(dòng)時(shí),不因熱震而受損;(4)摻加添加劑,調(diào)節(jié)材料的線變化,提高澆注料的荷重軟化溫度和熱穩(wěn)定性;(5)引入防爆劑,防止干燥烘烤中的爆裂。
此澆注料試驗(yàn)后,各項(xiàng)指標(biāo)列于表1。
表1 澆注料試驗(yàn)指標(biāo)
當(dāng)今市場(chǎng)是以知識(shí)技術(shù)取勝的市場(chǎng),逆水行舟,不進(jìn)則退。要想不被市場(chǎng)淘汰,唯有努力研發(fā)、開創(chuàng)新的技術(shù)。一般來說,燒結(jié)點(diǎn)火保溫爐未來的發(fā)展道路,應(yīng)具備以下三個(gè)趨勢(shì):
1.自動(dòng)化與智能化:在未來的工廠生產(chǎn)線上,少人操作甚至無人操作已不是白日做夢(mèng),智能電腦將取代人腦實(shí)施連鎖操作,統(tǒng)一控制。如何更進(jìn)一步完善自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)性能,如何根據(jù)不同的配料成分自動(dòng)調(diào)節(jié)點(diǎn)火溫度與爐內(nèi)壓力,如何在緊急停產(chǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)吹掃及自動(dòng)引氣復(fù)產(chǎn)等,這些都將成為今后研究的課題。
2.降低能耗:目前國(guó)內(nèi)燒結(jié)點(diǎn)火保溫爐使用純焦?fàn)t煤氣為燃料時(shí)的平均能耗為0.07 GJ/t,而某些發(fā)達(dá)國(guó)家如日本在點(diǎn)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(rùn)。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的今天,通過科技研發(fā)努力降低能耗縮小生產(chǎn)成本必將繼續(xù)成為燒結(jié)點(diǎn)火保溫爐今后發(fā)展的重要方向。譬如研究日本燒結(jié)工藝的“偏析布料”技術(shù),如研制成功,則可節(jié)省我國(guó)點(diǎn)火爐能耗約15%~20%。
3.延長(zhǎng)壽命:如何延長(zhǎng)點(diǎn)火保溫爐的使用壽命,使之更耐久耐用是個(gè)永恒不變的話題。目前,國(guó)內(nèi)點(diǎn)火保溫爐最長(zhǎng)壽命已可達(dá)10 a。新型耐材配方與點(diǎn)火爐襯結(jié)構(gòu)仍在不斷研制開發(fā)中,譬如對(duì)于納米耐材技術(shù)的研究與多階梯式復(fù)合點(diǎn)火爐襯結(jié)構(gòu)的研制。相信隨著對(duì)耐火材料、爐襯結(jié)構(gòu)以及點(diǎn)火方式的不斷研發(fā)與改進(jìn),未來將出現(xiàn)15 a、20 a甚至更長(zhǎng)壽命的燒結(jié)點(diǎn)火保溫爐。
通過以上分析不難看出,提高操作安全系數(shù)、降低能耗與減少污染物排放是近幾年來現(xiàn)代燒結(jié)點(diǎn)火爐的改造研究重點(diǎn)。通過使用新型技術(shù),點(diǎn)火爐在節(jié)能減排與安全操作性能上較以往大有提高。同時(shí)通過研制新型耐材配方從而提高爐襯壽命也是近幾年點(diǎn)火爐技術(shù)研究的一個(gè)熱門方向。
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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(jí)工程師,主要從事爐窯工程設(shè)計(jì)工作。
2010-10-08