基于风量优化和返矿分流工艺的高效烧结关键技术
来源： 中国金属学会 发布时间：2022-09-28
一、研究的背景与问题
国内年产烧结矿超过10亿吨。提高烧结机的效率是降低烧结工序成本甚至降低高炉炉料成本的关键。这些年，在烧结工艺不断完善的背景下，进一步提产的空间不大。如果烧结面积和风机大小不变，则提高烧结效率即提产的关键在于提高烧结料层的透气性和优化料层的风量分布。
对于料层透气性，提出了返矿分流工艺来进一步提高料层透气性。传统上烧结返矿均经过配料室、一混和二混的工艺流程。21世纪初，针对矿粉资源粒度的细化，日本东北大学葛西荣辉提出了镶嵌烧结的概念，以此提高料层的透气性，但是由于镶嵌物质强度等原因，该理念一直未能工业化。2008年后日本住友（现属于新日铁）开始逐步实施了返矿镶嵌工艺。项目组对该工艺跟踪和调研后，认为其在两方面可进一步优化，以进一步提高烧结效率和改善质量，一是其返矿镶嵌的粒度不易控制，二是镶嵌的返矿粒级偏细。
对于烧结风量分布，除了长期存在的烧结机漏风高的问题，前人对于烧结机长度方向，即前、中、后区域的适宜风量分布未有充分研究，关于烧结机宽度方向风量不匹配问题的研究也较少。烧结靠燃料与风的反应来进行，如何通过强化措施优化风量分布，对于烧结提产降耗有重要意义。
基于中天钢铁烧结自身，提高烧结矿产量、减少外购球团矿配比，从而降低高炉炉料成本一直是近几年工作的目标。在这个背景下，项目组围绕烧结返矿分流和风量优化开展了一系列攻关研究。在攻关前，北区180m2烧结的上料量（不含内返矿）在280t/h水平，折算系数在1.55水平，期望通过技术攻关，上料量能在325t/h，折算系数能提到1.8水平，提产15%以上；预计北区180m2双机通过技术创新实现烧结矿年增产57万吨，替代外购高价球团矿的效益显著。
二、解决问题的思路与技术方案
为了进一步提高烧结机的效率，中天钢铁项目组借鉴日本料层结构重构的理念，提出了返矿分流工艺：通过改变返矿在传统烧结工艺中的流程，来改善烧结制粒效果和提高料层透气性。优化烧结风量方面，项目组从优化烧结机长度、宽度方向风量，以及降低漏风率三方面开展了一系列工作。
从2015年开始，历时四年产学研合作研究，攻克了返矿分流工艺基础理论、工艺制度等关键技术，研发了国内首台套返矿分流工艺及装备。具体思路如下图所示。
图1 基于风量优化和返矿分流工艺的技术思路
图2 烧结返矿分流工艺示意图
三、主要创新性成果
1、开发了国内首台套返矿分流烧结工艺装备。改变了返矿全部参与制粒的传统烧结工艺，应用了基于粒级精准控制的烧结返矿定向投加技术，优化了制粒过程原料粒度和制粒水分的分布，改善了过湿带对烧结料层透气性的影响。
围绕返矿分流工艺开展了产学研合作，中南大学和重庆大学分别开展了返矿分流的基础试验，从仿真、冷态、热态等多角度研究了返矿分流的效果及适宜的工艺制度；中冶长天作为国内烧结设计的龙头企业，开展了返矿分流工艺的设计和实现分流的最佳实现方式。中天钢铁结合多方研究，汇集各方成果，最终在中天钢铁北区实现了国内首台套返矿分流工艺及装备。
图3 粘附粉比例与烧结料层压差的关系图
图4 中天钢铁国内首台套返矿分流工艺现场图
中天钢铁返矿分流工艺实施见图3、图4。分流后干的返矿与湿的物料分配均匀分配。分流的返矿从二混后到梭车布料经过三条皮带，再经过梭车以及辊式布料，由于干返矿分流量不到5%，因此，最终干返矿对烧结的偏析影响不大。
图5 中天钢铁干返矿与湿物料在皮带分布图
图5所示为中天分流返矿与烧结利用系数的关系，可见随着分流量的提高，整体上系数呈现升高趋势。在分流量25%和35%时，实际烧结机分别提产2.4%和3.6%。
图6 中天返矿分流比例与烧结利用系数的关系
返矿分流有助于降低烧结负压，在实际烧结操作中，当负压降低后，将适当提高烧结上料量以提产，最终实际烧结机降低负压的幅度已有所减轻。但从实际生产中返矿分流量与平均负压和平均废气温度的曲线可见，使用返矿分流工艺在提高烧结系数的同时，仍降低了烧结负压和提高了烧结废气温度，充分显示了返矿分流工艺的优势。
图7 中天钢铁返矿分流比例与烧结平均废气温度的关系
图8 中天钢铁返矿分流比例与烧结平均负压的关系
2、研发和集成了系列风量优化技术。通过实施风箱开度差异化调配、料面无动力打孔、高效侧密封等一系列风量优化的关键技术，实现了烧结机长度方向和宽度方向有效风量的合理分配。
（1）烧结机长度方向风量优化。对烧结料面风速进行测试。整体上看，在烧结机长度方向上，中部区域的风速相对头部和尾部而言较低。分析认为，烧结机从机头到中部区域，高温带红层不断加厚，烧结高温透气性成为限制料层透气性的最主要环节；如果能提高烧结中部区域的风速，让头部和尾部风量导向中部区域，则应有助于强化烧结过程反应，降低燃料和提高烧结产量。
图9 改造前烧结风量分布
优化烧结机长度方向风量分布的控制思路为：各烧结机风箱的隔板进行优化调整，适当关小前部风箱的隔板，让前部风尽量往中部导流。针对烧结机料面开展打孔改造，尤其对风速低的区域开孔，提高料层通过的风量。
烧结机料面裂纹的存在是烧结机普遍存在的现象，由于裂纹处风量远大于正常料面风量（可在2-10倍之多），若裂纹数量较多，则大量风从裂纹处通过，必然减少了在其余区域的通过量，最终使得烧结过程风量分布变差，影响了烧结成矿的质量。因此，减少料面裂纹，尤其是减少贯通料层的大裂纹，对提高料面风量的均匀性有利，同时可改善裂纹附近大风量造成该区域返矿增多的问题。
采用了一种简易的无动力料面打孔装置实现了烧结机的料面打孔。通过调整辊上锥的数量和长度等，逐步摸索出一套料面打孔工艺制度：3米宽度台车上打7-9个孔，台车两侧考虑边缘效应而有200-300mm区域不打孔。
整体上看，在投入使用后，两台烧结机的横向裂纹均明显减少，从之前整个料面上可见10个以上大裂纹的状态，减少到不到3个大裂纹。不仅烧结机长度方向料面风速得到改善，提高了通过料层的风量，同时通过适宜的打孔间距调整，也改善了台车中部料面风速相对边缘处较低的现象，使得台车宽度方向的风速得到优化。
就打孔影响料面裂纹的形成机理而言，分析认为，除了设备原因导致的裂纹，有一部分裂纹是由于点火后形成料面硬壳在抽风的作用力下形成的，即风的抽力、料层收缩、表面冷却等力的综合作用下而形成的。表面打孔后，在圆孔位置一定程度上会吸收应力，使应力弥散化，最终有助于减少烧结过程大裂纹的形成概率。
图10 烧结料面打孔后料面效果
（2）采用新型密封提高烧结料面有效风量技术。烧结机的漏风是烧结工序的瓶颈问题。传统烧结的漏风率基本在50%水平，有一半的风属于无效风，没有作用到烧结料层上。同时，传统滑道油脂密封带来的油脂消耗和污染也成为问题，未来必将引起重视。烧结台车油脂润滑密封投资维护量大，仅180㎡烧结机专用脂的年消耗量就达41.9万元，另在密封过程中大部油脂在动静密封间被抽入风箱进入大气，污染了环境。因此对台车动静滑道间密封成烧结领域攻克的难题。
烧结机上下层台车做封闭式、改用磁力密封等方式，均因难检查、密封被卡、出现故障难处理等原因而未成功实施。有公司提出橡胶密封的形式，又因橡胶耐温程度不够而效果不佳。通过调研分析，确定了中天180m2烧结的侧密封形式。改造前后示意如下所示。
a.原滑道结构：由固定滑道和弹性滑道组成。固定滑道在风箱大梁上，弹性滑道固定在烧结台车底部，滑道间靠油脂密封。
b.技改后滑道结构：由固定u板和密封橡胶组成。固定u板在烧结台车底部，密封橡胶固定在风箱大梁上，当风箱内产生负压时，橡胶吸附在固定u板，达到密封效果。
图11 传统烧结滑道密封
图12 改造后烧结侧密封
经过改造前后工业试验对比，改造后烧结负压由12kpa提高到16kpa，废气氧含量从16%降到14.7%。由于改造前后烧结用料结构接近，按氧平衡计算可知烧结漏风率下降26%；电流下降30a左右（供电电压6000v）。产质量得到明显提高。
表1 新型侧密封改造后效果分析
3、开发了基于调控烧结料层收缩的低负压低风量点火技术。提出了料面收缩与风箱位置的对应关系，揭示了烧结机点火段是料层收缩的关键区域，开发了低热值煤气的低风量低负压点火技术，显著降低了煤气消耗。
烧结点火的是目的是将表面料层点燃，借助抽风作用使料层自上而下燃烧，在点火过程中，表面料层的混匀料发生一系列的物理化学反应，随着点火温度的逐渐上升，表层混匀料水分开始蒸发、燃料燃烧并开始形成一定量的液相，在抽风作用下液相逐渐冷却形成一定强度的烧结矿。点火的好坏受到点火温度、点火废气氧含量、保温时间、煤气热值、空煤比、负压等的影响。当前面条件固定时，点火器下抽风负压对点火过程起着非常重要的影响。
目前国内一些烧结厂仍采用高负压、大风量的点火制度。高负压点火会使混匀料在通过点火炉后发生严重的收缩现象，使料层的透气性发生恶化，透气性降低，影响烧结机产量；另外，由于点火过程中炉膛内负压过高，会导致部分煤气未完全燃烧而被抽到大烟道内，致使煤气得不到完全利用造成煤气消耗增加。
图13 富氧对烧结初始料层透气性影响的示意图
一些烧结厂通过低负压点火改造，取得了降低煤气消耗、提产等综合效果。然而，大多低负压改造主要是针对自身用的焦炉煤气。中天两台180m2烧结机采用高炉煤气和转炉煤气混合气点火，未实施低负压点火时，混合煤气的消耗在25m3/t水平。低热值煤气具有废气量大的缺点，实施低负压点火能否将废气通过料层且不影响点火效果，是实施该工艺的关键。
可见，未采用低负压点火操作前料面经过点火炉后收缩现象严重，采取低负压点火后料面严重收缩现象应可得到缓解，料层透气性增加，各风箱负压有所下降，且煤气消耗进一步减少，烧结矿产量和质量都有所提升。
通过调节点火炉下方风箱翻板的开度，1#、2#、3#风箱负压和总管负压下降显著，各风箱负压变化情况如表2所示。
表2低负压点火实施前后各风箱负压变化情况，kpa
可见，改造后各个风箱负压和总管负压均有下降，这主要是由于点火炉下方三个风箱负压降低，使穿过料层的风速有所下降，整个料层所受到的吸力减小，在一定程度上缓解料层经过点火炉后被抽实的现象，使得料层的透气性得到改善。
低负压点火前后两台机点火煤气消耗和固体燃耗如表3所示。
表3 低负压点火前后点火煤气消耗和烧结指标情况
从表3中可以看出，改造后烧结机点火煤气单耗有所下降，1#低负压点火实施前后煤气单耗下降7.32m3/t，2#低负压点火实施前后煤气单耗下降6.89m3/t。这是由于低负压点火使点火炉炉膛内负压降低，煤气可以在炉膛内充分燃烧，缓解了因负压过高煤气还未充分燃烧就被抽至大烟道内的情况，从而利用较少的煤气就可以满足点火要求，达到降低点火煤气消耗的效果。后续随着产量的进一步提高，煤气消耗进一步降低。
四、应用情况与效果
1、点火煤气消耗变化
在实施低负压点火后，煤气消耗变化如下图13所示。可见，在改造后，煤气消耗显著降低，从之前25m3/t水平降到18m3/t水平；后续，随着烧结产量的发挥和料层透气性的改善，煤气消耗进一步降到12-13m3/t水平。
以热值计，中天烧结用混合气(高炉煤气和转炉煤气的混合)的热值在5200-5500kj/m3；通过不断攻关，中天烧结点火用煤耗达到0.06-0.07gj/t水平，在以高炉或转炉煤气点火的企业中属于领先水平。
图14 烧结点火煤气消耗变化
2、烧结固体燃耗的降低
在采取风量优化和返矿分流等工艺后，结合常规的提高料层厚度等操作，最终促进了中天烧结燃料消耗的降低。
表4 中天烧结燃耗的变化
3、烧结系数的变化
近几年随着技术创新的实施，在保证烧结矿质量基础上，中天烧结机的系数持续攀升，逐步从2017年的1.5t/（m2.h）水平提到2019年的1.8t/（m2.h）水平；上料量从280t/h持续攀升到325t/h水平，双机年增产可达57万吨烧结矿。其中，实施返矿分流工艺的180-2烧结机已达1.9 t/（m2.h）水平。
图15 烧结机系数的变化
信息来源：中天钢铁集团有限公司
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