李 斌

(重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術(shù)有限公司,重慶 401122)

隨著我國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展,燒結(jié)、煉鐵、煉鋼生產(chǎn)的原料來源越來越廣泛,特別最近幾年來,在鐵礦石嚴(yán)重依賴進(jìn)口、優(yōu)質(zhì)廢鋼日益短缺、進(jìn)口鐵礦石價(jià)格日益攀升、國際國內(nèi)市場競爭日趨激烈等等殘酷的現(xiàn)實(shí)面前,許多企業(yè)為了生存,往往采用大量含鋅量相對較高的礦石和廢鋼,這樣就直接導(dǎo)致鋼鐵廠產(chǎn)生的含鋅量很高粉塵和污泥,如果這些高鋅的粉塵再作為原料返回?zé)Y(jié),并再次進(jìn)入高爐,將會(huì)使鋅產(chǎn)生富集,進(jìn)而影響高爐運(yùn)行,甚至影響高爐壽命。轉(zhuǎn)底爐技術(shù)可實(shí)現(xiàn)冶金含鐵塵泥固廢的有效循環(huán)利用,在美日韓等發(fā)達(dá)國家經(jīng)過多年發(fā)展后被引入國內(nèi),逐漸得到認(rèn)可。轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)出來的產(chǎn)品可供高爐、轉(zhuǎn)爐使用,綜合回收其中的鋅等元素,實(shí)現(xiàn)資源的再生利用,目前已在國內(nèi)外多家鋼廠應(yīng)用[1-3]。

轉(zhuǎn)底爐是當(dāng)前冶金行業(yè)處理高鋅含鐵塵泥生產(chǎn)還原性球團(tuán)的直接還原工藝生產(chǎn)線,轉(zhuǎn)底爐工藝將鋼鐵主工序產(chǎn)生的難處置高鋅塵泥、碳(CDQ粉)、粘結(jié)劑按照一定的比例配合,再經(jīng)過混合、成球、烘干,然后將生球送入轉(zhuǎn)底爐,在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)經(jīng)過1 260 ℃左右的高溫產(chǎn)生還原反應(yīng),生球中的鐵被碳還原,生產(chǎn)出金屬化球團(tuán),其中氧化鋅還原為單質(zhì)鋅,鋅揮發(fā)進(jìn)入煙氣中,在煙氣中再被氧化成氧化鋅粉末,在煙氣系統(tǒng)中進(jìn)行回收。轉(zhuǎn)底爐作為該粉塵處理生產(chǎn)線的核心設(shè)備,需要滿足球團(tuán)升溫和進(jìn)行直接還原的溫度和還原氣氛條件,因此其設(shè)計(jì)要求非常高,特別是之配套的裝出料設(shè)備,設(shè)計(jì)是否合理直接關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)。本文結(jié)合工程實(shí)際,對裝出料設(shè)備作了分析研究,提出了幾點(diǎn)設(shè)計(jì)要求。

1 轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)工藝

物料在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)的工藝過程為：裝料→加熱還原→出料。從原料配料混合均勻后的物料進(jìn)入成球緩沖倉,再經(jīng)壓球機(jī)壓制成球,成型的生球團(tuán)經(jīng)膠帶機(jī)輸送進(jìn)入生球烘干機(jī)脫水干燥,干燥后生球通過裝料機(jī)向爐內(nèi)連續(xù)供料,將烘干生球均勻布到轉(zhuǎn)底爐環(huán)形爐床上。生球在爐底上鋪 1～2 層,隨著轉(zhuǎn)底爐的爐底機(jī)械勻速轉(zhuǎn)動(dòng),載著均勻分布在爐底上的球團(tuán)依次經(jīng)過轉(zhuǎn)底爐各還原段。通過調(diào)節(jié)爐底機(jī)械電機(jī)的頻率,可以改變球團(tuán)在轉(zhuǎn)底爐爐內(nèi)還原的時(shí)間。球團(tuán)在爐內(nèi)的還原時(shí)間一般設(shè)置為 20～30 min。轉(zhuǎn)底爐的爐膛一般劃分為裝料區(qū)、加熱區(qū)、還原一區(qū)、還原二區(qū)、還原三區(qū)和出料區(qū),每段根據(jù)供熱需求合理設(shè)置轉(zhuǎn)底爐專用煤氣燒嘴,加熱段單獨(dú)設(shè)置空氣供風(fēng)燒嘴,使還原產(chǎn)生的 CO 在爐內(nèi)充分燃燒,因此球團(tuán)隨爐底機(jī)械旋轉(zhuǎn),經(jīng)歷上述各還原區(qū)完成還原反應(yīng)。煤氣燒嘴用的助燃空氣通過熱風(fēng)爐從出爐煙氣中回收余熱,再使用換熱器將空氣預(yù)熱至 420～460 ℃。通過補(bǔ)充煤氣和剩余CO二次燃燒,可使?fàn)t內(nèi)溫度達(dá)到 950～1 260 ℃。

在物料中,碳和氧化鐵、氧化鋅等的緊密接觸,為產(chǎn)生還原反應(yīng)創(chuàng)造了良好的環(huán)境。物料在旋轉(zhuǎn)的過程中,各還原區(qū)溫度越來越高,還原反應(yīng)越來越快。在還原性氣氛下,物料中的大量碳與氧結(jié)合生成CO分離出來,一部分與鐵元素進(jìn)行還原反應(yīng),生球中的鐵氧化物被還原為單質(zhì)鐵,另一部分參與燃燒,釋放出大量熱量,滿足轉(zhuǎn)底爐大部分熱量需求。同時(shí)物料中的鋅氧化物被還原為單質(zhì)鋅,高溫下成為蒸汽態(tài)進(jìn)入煙氣中,在煙氣中被氧化成氧化鋅粉末,在煙氣系統(tǒng)中進(jìn)行回收。

2 轉(zhuǎn)底爐裝料機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 裝料機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝料機(jī)的作用是將膠帶機(jī)輸送過來的生球均勻地鋪在轉(zhuǎn)底爐的爐盤上。為提高轉(zhuǎn)底爐的生產(chǎn)效率,一般將轉(zhuǎn)底爐本體設(shè)計(jì)為寬度5 m的環(huán)形結(jié)構(gòu),由于裝料機(jī)振動(dòng)的特點(diǎn),只能將裝料機(jī)的支架跨在爐盤兩側(cè),不能放在爐頂。要使物料均勻地布置在爐盤寬度上,裝料機(jī)的下料口不能與來料方向垂直,而是要偏移一個(gè)角度,裝料機(jī)料槽寬度一定的前提下,偏移角越大,布料寬度越大,更能適應(yīng)物料的均勻性布料,但是具體偏移寬度受料槽寬度限制,同時(shí)要滿足的布料寬度和設(shè)備的安裝尺寸,此角度取值不能太大,一般取值在15°～20°。

由于轉(zhuǎn)底爐直接還原的特點(diǎn)是以碳(CDQ粉)為主要還原劑,還原溫度較高,還原速度快,這對裝料機(jī)提出了更高要求。轉(zhuǎn)底爐裝料機(jī)必須滿足連續(xù)均勻布料,在環(huán)形爐床上鋪料要薄而均勻。沿爐頂徑向開設(shè)長條形口,生球經(jīng)開口落到爐床。從開口的長條方向落下量是不能相同的,因?yàn)閺膬?nèi)環(huán)到外環(huán)直徑越來越大,布料面積也越來越大,所以單位時(shí)間下料必須越來越多,這樣才能使?fàn)t床布料厚度一致。針對轉(zhuǎn)底爐的布料條件設(shè)計(jì)采用振動(dòng)給料機(jī),它由給料槽體、振動(dòng)電機(jī)、激振器、彈簧、彈簧支座、篩板、支架等組成,皮帶運(yùn)輸送來的生球落到給料槽體底上,給料槽體持續(xù)振動(dòng)使物料連續(xù)向前運(yùn)動(dòng),給料槽底設(shè)置有棒條篩,使小于5 mm的生球和碎粉被篩下,給料槽體設(shè)有多條分料槽,通過調(diào)節(jié)給料槽流量控制閥,可以調(diào)節(jié)各條料槽之間的料量,進(jìn)而滿足布料要求。振動(dòng)電機(jī)采用變頻電機(jī),可通過調(diào)節(jié)電機(jī)頻率調(diào)整裝料機(jī)振動(dòng)頻率,從而改變給料速度。

2.2 裝料機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的選取

根據(jù)文中描述的裝料機(jī)的特點(diǎn),推薦轉(zhuǎn)底爐給料機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)采用拋擲運(yùn)動(dòng)原理。要使物料出現(xiàn)良好拋擲運(yùn)動(dòng)和獲得較大的輸送速度,必須使物料拋離工作槽體,使物料最大振動(dòng)加速度(在垂直工作面方向的)大于重力加速度分量,即

gcosa0<ω2λsinδ

(1)

式中：g為重力加速度;a0為振動(dòng)布機(jī)槽體安裝傾角;ω為槽體振動(dòng)的圓周頻率;λ為槽體振幅;δ為振動(dòng)方向角,即槽體振動(dòng)方向與槽體底面的夾角。

(2)

式中：n為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。

由式(1) 可得

(3)

3 轉(zhuǎn)底爐出料機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 螺旋出料機(jī)功率的選取

螺旋出料機(jī)工作時(shí)的功率消耗,主要由幾個(gè)部分組成：

(1) 螺旋軸支承軸承處摩擦消耗的功率。

(2) 物料與螺旋葉片間摩擦消耗的功率。

(3) 爐底耐材與螺旋葉片間摩擦消耗的功率。

這三個(gè)部分功率都可以用式(4)計(jì)算[4]：

(4)

式中：N為消耗的功率,kW;m為螺旋軸轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量(其中物料與螺旋葉片間摩擦消耗的功率計(jì)算時(shí)m為出料量),kg/min;w為摩擦阻力系數(shù);r為旋轉(zhuǎn)半徑,m;n1為螺旋軸轉(zhuǎn)速,r/min 。

根據(jù)以上公式,這三個(gè)部分功率相加就可以得出螺旋出料機(jī)的功率,但是摩擦阻力系數(shù)w,在物料與螺旋葉片間摩擦消耗的功率時(shí)和爐底耐材與螺旋葉片間摩擦消耗的功率時(shí),要考慮螺旋葉片磨損量,螺旋軸中間磨損量大,兩邊磨損量小,擦阻力系數(shù)要適當(dāng)?shù)胤糯?.2,功率儲(chǔ)備系數(shù)K=2,機(jī)械傳動(dòng)效率η=0.8,就可計(jì)算出螺旋出料的機(jī)的最大功率。

3.2 螺旋出料機(jī)材質(zhì)的選取

根據(jù)還原球團(tuán)產(chǎn)品流動(dòng)性較好的特性,設(shè)計(jì)采用全葉片式螺旋。由于螺旋出料機(jī)工作在高溫、高塵的爐膛環(huán)境中,同時(shí)物料及煙塵具有一定的黏性、腐蝕性。螺旋出料機(jī)在此工況下長期工作,其失效形式表現(xiàn)為高溫狀態(tài)下的磨蝕失效[5-6]。

針對上述工況,要求螺旋的材質(zhì)具有極好的高溫抗氧化性能及高溫耐磨性能,同時(shí)還必須具有一定的抗腐蝕能力。目前在低溫下使用的耐磨材料種類很多,但滿足此高溫狀態(tài)的材料極少,采用了鈷、鉻、鎳、鉬、鎢系鈷基高溫合金,其中鈷含量要高,在保持高溫強(qiáng)度的同時(shí),提高其耐磨和抗氧化性能。鈷(Co)元素主要提高其高溫強(qiáng)度,配以鎳(Ni)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、鎢(W)。鎳(Ni)元素的主要作用是提高該合金在高溫下的強(qiáng)度同時(shí)保證塑性,鎳對酸堿也有較高的耐腐蝕能力,在高溫下有防銹和耐熱能力;鉻(Cr)元素對該合金有二次硬化,提高合金在高溫下的硬度和耐磨性而不使合金變脆,使得合金具有良好的高溫抗氧化、耐腐蝕,增加合金的熱硬性等,還可以保證鈷基合金部件在燃?xì)猸h(huán)境中形成致密而牢固的Cr2O3保護(hù)膜,阻止腐蝕介質(zhì)基體的直接接觸,提高合金的抗氧化腐蝕性能,使得合金具有良好的耐高溫、耐腐蝕、抗氧化性能;鉬(Mo)能提高淬透性和熱強(qiáng)性,還能在滲碳層中降低碳化物在晶界上形成連續(xù)網(wǎng)狀的傾向,減少滲碳層中殘留的奧氏體,相對地增加了表面層的耐磨性。鎢(W)為主要固溶強(qiáng)化元素在鋼中除形成碳化物外,部分作為難熔金屬溶入合金中形成固溶體,增加紅硬性、熱強(qiáng)性以及由于形成碳化物而增加耐磨性。

為了方便葉片易更換維修,葉片采用與基座用螺栓連接的結(jié)構(gòu)形式,同時(shí)螺栓采用防松結(jié)構(gòu),不然葉片在高溫下會(huì)掉下來,基座和工作葉片每圈分成幾段拼接組裝。當(dāng)工作葉片磨損后,只需卸下磨損壞了的葉片段,換上新的葉片即可。

3.3 螺旋出料機(jī)水冷方式的設(shè)計(jì)

由于螺旋出料機(jī)置于轉(zhuǎn)底爐內(nèi)高溫的環(huán)境中,而且直接接觸1 100 ℃左右高溫爐料,并不斷旋轉(zhuǎn)摩擦爐料,甚至有時(shí)可能會(huì)刮蹭爐底,工作條件十分惡劣,因此出料機(jī)采用水冷方式,軸采用空心的,從一端進(jìn)水,另一端出水,防止軸受熱變形。采用這種方式冷卻時(shí),設(shè)計(jì)時(shí)特別注意螺旋軸與冷卻管之間的密封問題,這個(gè)可采用旋轉(zhuǎn)接頭來實(shí)現(xiàn)。對于工作段較長、螺旋軸直徑大的出料機(jī),應(yīng)注意軸頭內(nèi)徑與螺旋軸內(nèi)徑比過大,很容易造成冷卻水在螺旋軸內(nèi)流速突然降低,進(jìn)而在軸內(nèi)停留時(shí)間過長,嚴(yán)重影響冷卻效果,進(jìn)而影響螺旋出料機(jī)的使用壽命。為了避免這樣的問題,在螺旋軸內(nèi)設(shè)置內(nèi)膽,內(nèi)膽兩端封閉,冷卻水從螺旋軸內(nèi)壁和內(nèi)膽之間的間隙流過,且在內(nèi)膽外壁設(shè)計(jì)有導(dǎo)流片,可加快冷卻水流速,進(jìn)而提高冷卻效果。

3.4 螺旋出料機(jī)驅(qū)動(dòng)和升降裝置的設(shè)計(jì)

由于螺旋出料機(jī)兩端有水冷系統(tǒng),螺旋軸的驅(qū)動(dòng)方式也將發(fā)生變化,減速機(jī)與螺旋軸之間的傳動(dòng)連接可通過鏈條連接,從動(dòng)鏈輪布置在出料機(jī)支撐軸承的外側(cè),這樣方便安裝和維修,同時(shí)要增加斷鏈保護(hù)裝置,當(dāng)鏈條損壞時(shí),及時(shí)處理,防止事故的發(fā)生,驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用變頻電機(jī),這樣螺旋出料機(jī)轉(zhuǎn)速可以變化,適應(yīng)調(diào)節(jié)出料量大小。

出料軸兩端配升降裝置,采用電液驅(qū)動(dòng)的模式,可降低故障率。根據(jù)需要調(diào)整螺旋出料軸的高度,以適應(yīng)爐底高度的變化,同時(shí)兩端配置位移傳感器,這樣能保證兩端升降同步,又能在線調(diào)整螺旋軸位置、升降速度,螺旋出料機(jī)兩側(cè)均設(shè)置升降到位檢測,這樣就可根據(jù)實(shí)際檢測情況來調(diào)整螺旋出料軸位置。為了防止螺旋出料機(jī)刮蹭爐底邊框磚,設(shè)計(jì)要留出20 mm余量,同時(shí)設(shè)計(jì)也要考慮增加機(jī)械死檔,防止到位檢測失效,螺旋出料軸的高度過低而刮蹭爐底邊框磚引發(fā)事故。

4 轉(zhuǎn)底爐自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為滿足轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)工藝要求,轉(zhuǎn)底爐配置先進(jìn)的控制系統(tǒng),能夠?qū)D(zhuǎn)底爐運(yùn)行進(jìn)行快速響應(yīng)[7]。高溫金屬化球團(tuán)由螺旋出料機(jī)排出,經(jīng)過圓筒冷卻機(jī)冷卻,便得到成品金屬化球團(tuán),再通過成品鏈斗機(jī)運(yùn)送到成品倉,但是一旦后面某一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)問題,整個(gè)成品系統(tǒng)就會(huì)中斷,所以自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就必須和進(jìn)料機(jī)、螺旋出料機(jī)做成連鎖控制,當(dāng)螺旋出料機(jī)后面某個(gè)設(shè)備出現(xiàn)問題時(shí),圓筒冷卻機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn),螺旋出料機(jī)的升降裝置抬起,這樣就停止出料。當(dāng)轉(zhuǎn)底爐進(jìn)料機(jī)開始進(jìn)料的時(shí)候,螺旋出料機(jī)必須在正常工作的位置,能正常出料,否則不能進(jìn)料。防止轉(zhuǎn)底爐進(jìn)料機(jī)一直在進(jìn)料,而螺旋出料機(jī)不能出料,從而造成轉(zhuǎn)底爐整個(gè)爐底板結(jié),導(dǎo)致轉(zhuǎn)底爐停產(chǎn)。

5 結(jié) 語

本文根據(jù)現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)結(jié)合理論知識論證了進(jìn)料機(jī)和螺旋出料機(jī)在設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮的重要因素,按上述設(shè)計(jì)制造的進(jìn)料機(jī)和螺旋出料機(jī)已在某鋼廠轉(zhuǎn)底爐基地上使用,目前運(yùn)行正常,各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)能力,能滿足生產(chǎn)要求。