1  前言

    国内目前球团矿生产的主要工艺方法有带式焙烧法、链箅机一回转窑法、竖炉法三种。以前由于带式焙烧机和链箅机一回转窑建设投资和制造要求相对较高，一般都适宜于生产规模较大的钢铁企业或矿山，而对于生产规模适中的中小型企业来讲，则采用竖炉法生产球团矿。但目前随着竖炉大型化技术的突破，竖炉法球团生产仍将会占有一席之地。

    竖炉是最早用来进行铁矿球团生产的工艺设备。竖炉法生产球团具有结构简单、制造材质无特殊要求、基建投资少、热效率高、操作维修方便等特点。尽管过去竖炉也有单炉生产能力小、对原料适应性差等缺点而使其在应用和发展上受到了一定限制，但在中国近30多年来的竖炉法球团生产过程中，通过持续改革和对生产]二艺、设备的完善，以及不断改进生产操作方法，业已形成具有典型中国特色的竖炉球团技术，并已超过国外同类竖炉的生产技术水平。正因为如此，国内竖炉法球团的生产近年来仍能得到较大的发展。这除了跟中国有为数较多的中小型钢铁企业和矿IlI这一现状外，还同国内竖炉近年来单炉年生产能力已超过70万t，竖炉向大型化方向发展并已逐步成熟这一原因有关。实际上出现100万t／a生产能力的竖炉已为期不远，竖炉使用高比例赤铁精粉甚至褐铁精粉生产球团矿都已有成功的经验。近年来建设的许多竖炉在生产工艺流程的完善程度上，工艺设备和自动化控制装备的先进程度上都已经达到了相当水平。在国内竖炉技术不断得到快速发展的同开寸，竖炉法球团生产的缺点也在不断克服，工艺不断地得到完善，有些方面已取得了关键性的进展。目前国内已建有100多座年生产能力35万t～70万t球团矿的各种球团竖炉，为高炉炼铁生产的节能降耗作出了巨大的贡献。初步估计2004年竖炉生产的球团矿将可达3 200万t，仍占国内总球团矿产量的80％以上。苏州北岛能源技术有限公司近年开发的具有自己知识产权的GZN型高效全自立内燃式氧化球团竖炉，更在竖炉技术上有了关键性的改进，为今后竖炉技术的进一步发展提供了更大的技术空间。该GZN型竖炉已确定在南美洲阿根廷的SIERRA GRANDE矿山2×60万t／a球团生产恢复项目中实施，另外也将在大冶灵成矿业有限公司的1 2 m。竖炉改造中采用。CZN型竖炉针对丁程的一次性投资、设备的大型化发展、能源消耗以及竖炉原料的适应度、产品质量、竖炉_[艺操作的简单稳定和手段灵活多变性等方面都实现了重要改进，使GZN型竖炉比以前任何一种竖炉具有更多而无法比拟的优势。GZN竖炉的设计发明人旨在通过该技术的推广使用，为我国的竖炉技术能够在今后的球团矿生产中发挥更大的作用作一积极尝试。

2  GZN型竖炉的结构特点

2．1全自立式的外部结构特征

    GZN型竖炉取消了原SP竖炉的钢筋混凝土框架结构厂房支撑方式，而采取南自身炉体钢结构直接支撑于地基基础上，大幅度降低了建筑结构造价。

2．2内置中心燃烧室结构

    GZN竖炉在燃烧系统的设计上取消了sP竖炉两只外置式燃烧室，而将燃烧室布置丁竖炉内部中心位置，燃烧室纵向墙体通过隔热水冷件直接坐落于炉体下部的中心结构上，在两垛纵向燃烧室墙体问根据炉体纵向长度大小设置了若干横向支撑墙，保证了燃烧室墙体的稳定。该种结构形式除可有效节约材料而降低造价外，也为能高效直接利用炉内热能提供了结构上的最佳形式。同原sP型竖炉导风墙极为类似的结构形式和位置，保持了原sP型竖炉的主要优点。内置中心燃烧室结构支撑改变了原SP型竖炉导风墙大水梁的简支结构支撑方式，而采取连续梁多点隔热水冷件支撑方式。该方式可有效解决原SP型竖炉导风墙大水梁存在的许多缺陷，具有结构简单可靠、热效率高、炉内热损失低、使用寿命长、两侧焙烧风温度均匀等一系列优点，更重要的是给竖炉大型化创造了结构基础。燃烧室顶部采用吊挂预制轻质耐火浇注料制作，其中上部有现场施丁的密封浇注料和高温密封板，吊挂梁为隔热水冷环管制作。   

    GZN型竖炉燃烧室属于高温助燃燃烧方式，火焰传播速度快，同时由于明显减少的燃料消耗也使其燃烧室空间比原SP型竖炉燃烧室空间容积为小。在燃烧系统中的烧嘴设计考虑了高温助燃的特殊性，结合HTAC技术，采用了简单的低氧分段式燃烧结构形式烧嘴，控制了局部过高火焰温度，避免了NOx的过量生成。另外，在中心燃烧室的设计中最重要的是避免过高温度而引起炉壁粘渣，以及必须保证燃烧室下部中心三角区的耐火砌体角度，防止高温气流带入的粉末在燃烧室堆积。燃烧室纵向二侧都设计有检查人孔。

    由于利用高温助燃空气助燃，可显著降低燃料用量，因此在同样的丁艺焙烧温度时炉内可得到很强的氰化性焙烧气氛，即使在利用低热值燃料(高炉煤气)时仍然可达到较高的焙烧温度和合适的焙烧气氛。这点对于大多数钢铁厂在利用二次能源高炉煤气作为竖炉燃料生产氧化球团时能得到较为理想的焙烧工艺条件是极为有利的。而目前很多钢铁企业为使用较高比例赤铁精粉生产球团不得不配加一定量的焦炉煤气。

    因此GZN型竖炉的中心燃烧室结构给焙烧工艺上带来的优势是极其明显的。

2．3悬臂柔性传动齿辊排料机

    CZN型竖炉在内置中心燃烧室以下炉腔体已分为独立的二部分，给下部齿辊松料、排料辊的小型简单化也创造了最好的结构条件。

    原SP型竖炉下部松料排料齿辊由于需通过整个竖炉的横向断面，齿辊很长而日．笨重，并且随着竖炉焙烧面积扩大而成倍增大。尽管炉体下部有一收缩角而减短了齿辊长度，但对于一座8～1 0 m2竖炉来说，单根齿辊部件仍有将近4 t。而且原SP型竖炉齿辊的传动和支撑都安装于厂房的结构平台上，传动和密封的相对结构位置无法精确保证，因此竖炉的热状态下变形以及因炉内物料荷载引起的竖向及横向变形都使齿辊及其密封很难长期可靠工作。GZN型竖炉采用了专有的悬臂柔性传动齿辊排料机，将其直接支撑安装于炉体钢结构上。该种形式的齿辊排料机具有结构重量轻工作可靠、维修方便、密封效果好等特点，完全克服了原SP型竖炉齿辊机的一系列缺点。悬臂柔性传动齿辊排料机结合GZN型竖炉特有的下部炉腔体结构，可使竖炉能真正长期可靠工作。而且GZN型竖炉齿辊榆修更换时将不再需要排空炉内物料，为缩短检修时间、提高竖炉作业率创造了条件.

2．4专有的密封排球机

    通常国内竖炉下部排料口对鼓入竖炉内的冷却风都没有有效的密封装置，仅通过加长下部排料管来增加漏风阻力、减少漏风量，致使从排料口漏掉的冷却风量高达40％～60％。该种排料形式既增加了竖炉总体高度而增加投资，也使下部排料口的粉尘量激增而恶化了工作环境。同时由于漏掉大量冷风，既浪费了电能，又降低了炉内高温球团矿的冷却效果。因此该种密封形式虽然简单，但得不偿失。GZN型竖炉在竖炉下部排料口配置了专门设计的密封排球机，可大大改善冷却风的密封效果。该密封排球机本质上是一种星形排料机，对进料和出料位置进行了调整，并且考虑了成品球团矿和粉末对设备磨损后的长期密封补偿措施，在结构上有了根本改进。驱动可使用专用的液压马达或减速电机，由控制室进行远程排料控制。

2．5可取消炉外冷却设备的炉内冷却方式

    GZN型竖炉设计中采用了将成品球团在炉内完全冷却的技术，因为在技术上这是最为合理的方式。只要保证有足够的炉内冷却风量、合理的冷却风分布形式、热交换时间，完全炉内冷却是完全可行的。值得一提的是GZN竖炉炉内冷却的原则是将成品球团尽可能冷却至≤150℃，而换热后的空气温度要尽可能高(≥900℃)，所以冷却风量和实时产量相关，对气固热交换的参数设计要求比较严格。众多的T程实践结果和蓄热式换热理论数椐给GZN型竖炉设计提供了可靠的依据。采用完全炉内冷却方式既可节约大量炉外冷却设备及配套设施的建设资金，又利用了本来就应加以利用的宝贵能源，而且更进一步减少了燃烧废气的排放。

2．6大面积可控温的生球烘干床

    由于GZN型竖炉将燃烧室置于炉体内部而加大了炉体的有效横向宽度，从而在结构上可方便地进一步扩大炉顶烘干床的面积，单层烘干床面积与焙烧面积之比可达3倍以上。实质上在烘干床下部炉体两侧的反射导球格栅板也起了部分烘干预热的作用。

    在GZN型竖炉下部炉体两边侧壁和燃烧室下部墙体间设计了两条自下而上的导风通道，可将炉内热交换后而升温的高温空气引入烘干床下面用于生球烘干。所以进入CZN型竖炉内的冷却风，经过同炉内炽热的成品球团充分热交换后，将分别用于加热助燃空气和烘干床烘干生球。内置中心燃烧室的下部结构很容易满足设置各自通道的要求。进入炉内的冷却风量既满足了成品球团炉内冷却所需，也满足了助燃空气和烘干空气的总需求量。因为燃烧室的工作压力要远大于烘干床下工作压力，所以在两条烘干导风通道中分别设置了水冷远控高温调节阀，用于平衡燃烧室的T作压力和间接调整助燃空气量。调节阀的执行机构安装于炉体外部，方便了检修安装。导风通道的设计中已考虑了由于大量高温粉尘而可能产生的堵塞问题。

    由于炉内换热后的高温空气温度较高，将其直接用于生球烘干温度明显偏高。GZN型竖炉在烘干床下另外还增加了可调节的低压常温空气混风管，既可直接控制烘干床下的空气温度，又加大了烘干风量，提高了生球烘干效果。如果烘干床面上的生球料层厚度比较均匀，实际上只要对混风管的气流出口进行合理设计，在整个烘干床面上可得到对生球烘干T艺过程较为理想的床面气流温度分布。

2．7有利于焙烧质量的焙烧风分布结构

    对竖炉来讲，获得均匀的成品球团产品质量很大程度上决定于炉内焙烧制度的合理性及是否能在整个焙烧横断面上有比较均匀的焙烧风分布。而对于通常SP型竖炉来讲，焙烧风喷口处的焙烧横断面尺寸通常受到焙烧风喷口速度的限制，另外沿均热段上升的部分冷却风也会对焙烧气流产生不利影响。因此在焙烧风喷口处的焙烧气流很难达到理想的均匀分布状态，而且随着SP型竖炉炉型及横断面的增大而越趋明显，这也是竖炉在大型化进程中遇到的工艺上的缺陷。GZN型竖炉对大型竖炉(≥70万t／a)的焙烧风分布结构进行了有效的改进。内置中心燃烧室的焙烧风将不是直接从燃烧室墙上的喷口进入炉内，而是通过一特殊设计的分布脊进入焙烧断面。在内置中心燃烧室的两侧各均匀设置了数个“∧”形的高温耐火气流分布脊，分布脊长度分别等于两侧焙烧横断面尺寸，“∧”形分布脊的足够空腔保证了焙烧气流在横断面上的均匀分布，  “∧”形分布脊在竖炉纵向的间距应考虑球团下料的通畅性和保证焙烧气流能够在整个间距内可以均匀分布上行，  “∧”形分布脊内设置有隔热水冷管以保证其有可靠的高温强度。内置中心燃烧室和分布脊的合理使用给焙烧气流的均匀分布提供了有效手段，也给竖炉大型化过程中改进焙烧风均匀分布，提高球团焙烧质量创造了有利条件。附带说明的是气流分布脊形式同样可用于保证在炉体下部的炉内冷却气流均匀分布，仅仅是在数量上、结构和材质上有所区别而已。

3  GZN型竖炉技术的应用前景

    CZN型竖炉技术的研究开发，目的是针对目前球团竖炉中的一系列技术问题提供一个比较完整的解决方案，其基础是考虑了目前竖炉球团生产过程中出现的许多缺陷，吸取了国内许多单位多年来在竖炉球团生产中所积累的宝贵经验，并结合了当前球团矿生产的具体客观条件。因此，可以认为GZN型竖炉不仅仅是对原SP型竖炉的简单替代，实质上GZN型竖炉技术除内置中心燃烧室外，其他各种技术都可有效地应用于原SP型类竖炉上。对原竖炉进行选择性的改造，让球团竖炉在节能、设备使用长寿化、操作简易性、维护方便性、原料的适应度方面都能有较大的推进。   

    竖炉作为球团生产最早的方法之一，发展到目前的技术水平，不能不说有了很大的进展。在国外，南于竖炉球团生产技术的发展远不如另两种方式，特别是在生产装备大型化的过程中，国外竖炉的许多缺陷限制了其进一步发展的可能，目前已趋于淘汰的境地。但GZN型竖炉的发明人认为，只要针对竖炉法球团生产的缺陷进行有效改进，新型竖炉在球团生产中仍会发挥作用。作为给高炉使用的原料来讲，球团矿仅仅是中间产品，我们并不提倡球团矿“质量过剩”。因为高炉的综合冶炼指标还决定于烧结矿和焦炭等质量的综合因素，保证球团矿的还原性指标和减少球团矿在高炉内的还原膨胀率，控制好球团矿生产中的质量均衡稳定，这是球团生产工作者的首要任务。在竖炉球团生产设备大型化和对原料适应性的问题能得到妥善解决的情况下，竖炉法球团生产仍是有一定生命力的，特别是在我国的国情条件下。笔者在此并不否认带式焙烧机和链箅机一回转窑在球团生产中所具有的一定优势。但是目前我国的分散矿产资源现状和贫矿资源采选的推进，不可能一刀切要求企业不顾国情按照国外那样的模式，全部肓目耗费巨大投资上带式焙烧机或链箅机一回转窑。竖炉的明显低投资、节能性和球团质量能满足生产要求的特点决定其在一定时期内仍有很大的发展潜力。大型化竖炉的出现和能满足生产要求的球团质量会给竖炉法球团生产提供进一步的发展天地。CZN型竖炉技术在这方面也仅仅是作一有益的尝试而已，国内许多球团生产单位在竖炉球团技术上的进步也证明了这一点。

4  结语

    随着高炉精料技术的发展，具有较好综合指标的球团矿将会得到更多的使用。作为一种多快好省的球团矿生产方法一一球团竖炉将仍有其应有的地位。如何扬长避短，吸取其他球团生产方法和工艺中的优点，将设备向大型化生产方向发展，不断提高球团矿质量的稳定性，总结好各种铁精粉原料使用的工艺改进经验，笔者深信球团竖炉会进一步发挥其独特的优点。GZN型竖炉技术能给各球团生产单位在采用竖炉法进行球团生产方面提供一较好的选择，笔者更希望从事球团生产的技术工作者一起来将GZN型竖炉技术不断地进行改进完善，为我国的球团生产技术发展作出不懈努力。