張 晨，楊木易
（中鋼國際工程技術有限公司，北京 100000）
摘 要：研究和開發用于氣基直接還原的帶式焙燒球團工藝，不僅可以推動我國帶式焙燒球團的快速發展，對節能減排也有著極大的意義。要滿足 Midrex 氣基直接還原的生產要求，氧化球團必須具有較高的強度，均勻的粒度，適宜的還原強度。本文模擬帶式焙燒機工藝進行焙燒實驗，考察不同的熱工制度對抗壓強度的影響，在保證球團礦產量和質量的前提下提供適宜 Midrex 工藝的氧化球團熱工參數，為帶式焙燒機的設計提供理論基礎。
關鍵詞：氣基還原；節能減排；帶式焙燒球團；抗壓強度
1 引言
綠色低碳發展是全球鋼鐵工業共同面臨的一個重大挑戰。現代鋼鐵冶金是以煤炭為基礎發展至今，尤其在我國，鋼鐵工藝流程以碳排放量高的高爐—轉爐工藝為主，占比約 88%，而排放量占比較低的電爐工藝僅占 12%，電爐工藝占比提高困難，行業碳排放總量很難降低。盡管在節能減排上付出很大努力，碳排放強度逐年下降，但由于體量大和工藝流程的特殊性，碳排放總量控制壓力仍十分巨大，迫切需要通過加速低碳轉型，確保國家碳達峰與碳中和目標順利實現。
不論是對現階段的長流程還是新一代的氫冶金而言，帶式焙燒球團工藝無疑是一項切實可行的解決方案。在傳統工藝流程中，提升入爐球團比例，可以提高礦石品位，降低高爐焦比；使用球團礦代替燒結礦，降低工序能耗，并且減少固體燃料的消耗[1~3]。以福建三鋼為例，球團工序綜合能耗為 18.1kgce/t，遠低于燒結的工序能耗；為了顯著減少鋼鐵工業的碳排放，全球范圍內興起氫冶煉工藝，采用天然氣、同時配以電爐的 Midrex 工藝已經得到了商業化應用，并被證實為二氧化碳排放量最低的煉鐵路線。典型的 Midrex 工廠所使用的還原氣體中包含約 55%的氫氣和 36%的一氧化碳，而高爐使用的還原氣體幾乎全部是一氧化碳。因此，短流程噸鋼 CO2排放量約為長流程的一半[4]。包括已投產的包鋼、首鋼京唐、河鋼樂亭、柳鋼防城港，正在建設中的馬鋼、昆鋼、中鋼濱海、安塞樂米塔爾項目，帶式焙燒球團已成為綠色發展和技術升級的主流工藝。
2 氣基還原對原料的要求
Midrex 工藝自身對鐵礦石品種有很廣的適應性，以球團礦或塊礦作為原料，生產高度金屬化的直接還原鐵，以熱態或冷態形式產出，產品質量均勻。雖然原料的可選性很靈活，但在工業生產和實際應用中，絕大多數的企業都會將人造球團礦作為生產原料。表 1 是 Midrex 推薦的入爐球團礦的質量要求，主要從化學和物理特性以及還原特性加以考慮。隨著多年的發展和進步，化學成分對工藝而言已經不再重要，更多的是下游煉鋼工序的要求，原料中的所有雜質和脈石都存留在 DRI 中，因此所用原料品位應盡可能提高；球團礦中過高的硫含量會導致爐頂氣中的硫含量較高，從而引起重整爐中催化劑中毒，此時必須設爐頂煤氣脫硫系統，會增加投資和運行成本。
球團礦的物理性能和還原性能相比化學成分更為重要。其中入爐粒度、抗壓強度、還原強度極其重要。
在氧化球團生產過程中，粒度取決于生球制備和篩分布料系統；熱工制度、堿度決定了抗壓強度和還原強度。
要滿足后續氣基直接還原的生產要求，氧化球團必須具有較高的強度，均勻的粒度，適宜的還原強度。通過模擬帶式焙燒機工藝進行焙燒實驗，考察不同的熱工制度對抗壓強度的影響，在保證球團礦產量和質量的前提下提供適宜 Midrex 工藝的氧化球團熱工參數，為帶式焙燒機的設計提供理論基礎，并指導工業生產。
3 實驗方法與結果
實驗所用原料均由客戶提供，鐵精礦成分見表 2。先經過配料、混勻后，再進行造球，每次配料以 3.5kg含鐵原料為基準，配入膨潤土后在圓盤造球機中進行造球，實驗室適宜的造球水分在 8.0%~8.5%左右。而考慮實際生產中 7.5m 圓盤，有刮刀清理盤面，造球水分會比實驗室水分略高，所以實際生產時水分可維持在8.5%~9.5%之間。選取 9~16mm 作為合格生球，成分見表 3。先對生球進行充分干燥，將生球在烘箱中 105℃溫度下干燥 4h，為預熱焙燒試驗做好準備。生球強度源于物料的毛細力作用，由于單一毛細力很弱，加入粘結劑強化毛細力；經干燥后，生球水分蒸發，毛細力降低，化學吸附和粘結力成為主導[5]，此階段對于氧化球團抗壓強度影響不大。
球團焙燒試驗是在臥式管爐內進行，包括預熱、焙燒和均熱環節。鐵鉻鋁絲電阻爐作預熱用，硅炭管電阻爐作焙燒用。重點考察預熱溫度、預熱時間、焙燒溫度和焙燒時間對氧化球團的影響。預熱和燒制的模擬溫度曲線如圖 1 所示，為了模擬帶式焙燒的過程，整個過程分為五個階段，包括加熱、預熱、焙燒、均熱和冷卻。加熱速率根據移動速度控制在 95～110℃/min 的范圍內。在每個測試中，將八個小球裝入坩堝中，并進行預熱和焙燒測試。冷卻至室溫后，將煅燒的球團用于抗壓強度測量。
3.1 預熱段溫度和時間的影響
固定預熱時間為 10min；焙燒溫度為 1200℃，焙燒時間為 12.5min；均熱溫度為 950℃，均熱時間為 5min；預熱溫度對焙燒球強度的影響如圖 2 左所示。當預熱溫度由 700℃提高至 750℃時，焙燒球強度由 2668N/個增至 3283N/個；繼續升高溫度，焙燒球強度變化較小。因此，適宜的預熱溫度范圍為 700~800℃。固定預熱溫度為 800℃；焙燒溫度為 1200℃，焙燒時間為 12.5min；均熱溫度為 950℃，均熱時間為 5min，預熱時間對焙燒球強度的影響如圖 2 右所示。當預熱時間由 6min 延長至 12min 時，焙燒球強度由 2432N/個增至 3729N/個，考慮到后續還原對氧化球團強度的要求和帶式焙燒機自身生產率的要求，適宜預熱時間為 8~10min 左右。
3.2 焙燒段溫度和時間的影響
固定預熱時間為 10min，預熱溫度為 750℃，焙燒時間為 12.5min，均熱溫度為 950℃，均熱時間為 5min，焙燒溫度對焙燒球強度的影響如圖 3 左所示。當焙燒溫度從 1100℃提高到 1175℃時，焙燒球強度由 1651N/圖 1 預熱和焙燒及均熱的模擬溫度曲線個增至 3680N/個；繼續升高溫度，焙燒強度有所降低。因此，適宜焙燒溫度區間為 1150～1200℃。同時也反映出該磁鐵礦具有良好的焙燒性能。固定預熱時間為 10min，預熱溫度為 750℃，焙燒溫度 1150℃，均熱溫度為 950℃，均熱時間為 5min，焙燒時間對焙燒球強度的影響如圖 3 右所示。當焙燒時間由 7.5min 延長至 12.5min 時，焙燒球強度由 2414N/個提高到 2944N/個；繼續延長時間，焙燒球強度變化不大，10~12.5min 為適宜焙燒時間。
3.3 均熱段溫度和時間的影響
固定預熱時間為 10min，預熱溫度為 750℃，焙燒溫度 1150℃，焙燒時間為 12.5min，均熱時間為 5min，均熱溫度對焙燒球強度的影響如圖 4 左所示。當均熱溫度由 800℃升高至 1000℃時，焙燒球強度變化不大。在預熱制度和焙燒制度合理的前提下，均熱溫度對焙燒球團的強度影響要遠比預熱和焙燒溫度對球團氧化和固結的影響小，綜合考慮能耗，選擇 800～900℃為適宜均熱溫度范圍。固定預熱時間為 10min，預熱溫度為 750℃，焙燒溫度 1150℃，焙燒時間為 12.5min，均熱溫度 800℃，均熱時間對焙燒球強度的影響如圖 4 右所示。均熱時間由 3min 延長至 7min 時，焙燒球強度由 2710N/個增大至 3268N/個，都滿足 Midrex 工藝要求的＞2700N/個。
4 工程設計與應用
中鋼國際總承包的 M 公司 Midrex 直接還原工廠項目，運用了自主研發的帶式焙燒機綠色低碳球團技術及裝備，該技術處于國際領先水平，打破了歐美公司的壟斷。設備有效面積 552m²，作業天數 320 天，正常能力 581t/h，設計能力 650t/h。根據工程經驗并結合實驗數據，針對氣基還原球團的要求，通過自主研發的核心裝備及物質流、能量流循環工藝技術，優化工藝分段和熱工參數，調整布料設備結構，為客戶打造綜合能耗低、低碳和綠色高質量球團產品。
4.1 熱風系統劃分
確定焙燒機各工藝分段的熱工制度后，根據各分區熱平衡來分配熱量和風量，風流圖見圖 5。生球首先在鼓干段用 280~320℃的熱風進行干燥，避免下部生球過濕。干燥用熱風來自 II 冷段，在管道上設冷風閥，防止風溫過高，干燥后的煙氣由除塵器凈化后排入大氣。為防止換熱后的煙氣溫度低于露點溫度，在鼓干風機出口管路上接一個支管與干燥后的熱風管道連接，當煙氣溫度低于露點時通過調節閥兌入高溫熱風；來自焙燒段的后部及均熱段風箱內 350~370℃的熱廢氣，由高溫回熱風機送入抽干段爐罩，對生球進行充分干燥，使其能夠承受預熱段 600℃以上溫度。
預熱段主要的作用是對球團加熱和升溫，結晶水和碳酸鹽分解以及氧化反應，主要熱量來源三個方面（1）I 冷段的熱氣流；（2）預熱段前半段來自回熱風機的煙氣；（3）預熱段所安裝的燃燒器供熱。使球團得到預熱并具備一定強度，能夠承受焙燒段>1000℃的溫度。預熱段廢煙氣匯合抽干段廢氣經除塵，脫硫脫硝處理后排入大氣；預熱后的球團進入焙燒段，由燃燒器提供~1200℃的高溫，使磁鐵礦焙燒并硬化固結。燃燒所需的空氣主要由 I 冷段的熱風提供。焙燒后的球團達到要求強度，隨后進入均熱段，來自 I 冷段爐罩內>1000℃的熱風在抽力作用下穿過球團料層，使料層內不同高度的球團溫度保持一致，并進入冷卻段；I 冷段采用冷卻風機將大氣引入風箱穿透料層，對高溫球團進行冷卻，換熱后~1000℃的熱風分別送往均熱段、焙燒段、預熱段；II冷段對料層繼續冷卻，最終將球團冷卻至低于120℃后運往篩分區域。空氣經過換熱后溫度~300℃，引入鼓風干燥段對生球干燥。
4.2 布料篩分系統
氧化球團的粒度取決于造球質量和篩分布料的效率。布料篩分系統由生球皮帶-往復式布料器-寬膠帶機-雙層輥式布料機-返料轉運組成。布料器接受由造球室皮帶提供的生球，均勻的布置到寬膠帶機上，再由寬膠帶機將生球運送到雙層輥式布料器，上層輥式布料器的作用是將粒徑＞16mm 的不合格生球篩分出來，經過大球破碎機處理后，運送到運轉皮帶上；粒徑≤16mm 的生球掉落在下層輥篩上，下層輥篩篩除掉少量≤9mm的物料，返回造球室。篩選出的合格生球將被均勻布置到焙燒機臺車上。
篩分系統的目的是保證生球粒度的一致性和球床的均勻性，盡可能多的控制粒度接近同一規格，粒度差異較大的生球會出現的料層混合，小粒徑的生球填充到大粒徑的空隙當中，惡化球床的透氣性；此外由于大粒徑球團預熱、焙燒所需的時間更久一些，布料過程中將大小粒徑生球進行有計劃的分布，在預熱、焙燒過程中下降的熱空氣會首先將其最大的熱量傳給大粒徑球團，剩余的可用能量用于處理小粒徑球團。圖 6 所示典型的料層分布。布料系統的偏析也會加重篩分的難度，傳統工藝采用的擺式布料器和梭式布料器，既增加生球跌落次數，還產生布料偏析。因為運動方向疊加，在寬皮帶上形成之字形料流和高低起伏的斷面，料面還未完全鋪開就已經通過輥式布料器，因此很難完全剔除掉小粒徑的生球。并且在布料器的兩個端點存在零速，造成兩側布料厚度大于中間厚度。改進后的布料裝置，采用頭部可伸縮的往復式布料器，如圖 7 所示，布料階段由于V1 和 V3 的速度差，從上向下形成平行四邊形料面，布料時間為 t1；回程階段 V2 為變速運動，回程時間 t2-t1，起始位置與上一周期軌跡重合，完成一個布料周期，最終得到平整的料面。
5 結語
采用帶式焙燒球團工藝，可以生產堿性球團礦替代燒結礦入高爐，又可以生產高質量的氧化球團供氣基豎爐冶煉，對節能減排有著極大的意義。實驗標明：預熱溫度為 700~800℃，預熱時間為 7~12min；焙燒溫度為1150~1200℃，焙燒時間為10~12.5min；均熱溫度為800~900℃，均熱時間為3~5min，抗壓強度均＞2700N/個，能夠很好的滿足 Midrex 氣基直接還原工藝入爐要求。通過對設備的不斷改進，更好的滿足工藝要求，達到安全、穩定、高產的運行效果，這是在總結帶式焙燒技術發展過程中大量成功經驗與失敗教訓的基礎上，進行的符合現代發展趨勢的設計和改進，也正在大量的帶式球團工程設計中被廣泛應用。
參考文獻
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