摘要         介绍了带孔回转窑空气喷射系统在链篦机－回转窑工艺中的应用实践及效果。

关键词   空气喷射系统  回转室 链篦机

1   概述

2001年，美国钢铁公司Minntac分公司改装了其链篦机一回转窑铁矿石球团化生产线之一，使用了带孔回转窑空气喷射系统(PKAIS)，该系统首次应用于氧化球团矿。带孔回转窑系统从回转窑的球团层下方注入空气，使得磁铁矿球团快速氧化。这种快速氧化允许窑炉具有更低的温度，降低了燃料需求量，使得环形冷却机上的热负荷更小，提高了球团矿的质量。工艺流程和设备均由美卓矿机研制，并拥有专利权。本论文讨论了该工艺、关键设备及其为球团厂和后续的高炉操作所带来的好处。

2    历  史

铁矿石球团用链篦机一回转窑系统由Allis—Chalmers(美卓矿机的前身)研制并于1960年首次安装在密歇根州的Humbolt矿山。在基本的工艺流程图(图1)中，生球团首先在链篦机中干燥和预热，然后在回转窑中焙烧，最后在环形冷却机中冷却。1960年至2000年期间，在废热回收、工程材料以及工艺流程控制等方面的改进已经有效地改善了燃料和功率消耗，提高了产品质量和产量。但是，美卓矿机并没有停止研究的步伐，仍在研究着更多的改进措施。

美卓矿机和其他公司在20世纪90年代初经过测试一致同意在回转窑中完全氧化磁铁矿球团比在环形冷却机中氧化具有更好的工艺效益。热量和质量平衡模型连同现场测试和取样分析都指示在降低燃料消耗量的同时提高了产量。使用篦式焙烧罐和间歇式回转窑进行的实验室试验表明球团质量得以提高。

    为什么会得到这么多的效益呢?对磁铁矿进行球团化时，在放热反应中，Fe₃O₄被氧化成为Fe₂O₃。通常，在链篦机中的氧化率占完全氧化的。70％，回转窑中占5％，最后的25％在环形冷却机中完成。如果在回转窑出口氧化率高达98％，就可以预期达到下列益处：

    1)由于球团矿不再在冷却机中氧化，从而降低了环形冷却机的热负荷。因此，环形冷却机可冷却更多的球团矿，同时使冷却产品的温度更低。

    2)可降低回转窑的温度。由于氧化放热反应在回转窑的球团层中进行，这样可以更为均匀有效地将球团层加热至硬化温度。较低的窑炉温度使得球团矿可同时保证较高的还原性和抗压强度.

  3)环形冷却机料层厚度通常为762mm。引入空气时，未氧化的底层球团因冷却太快而没有得到氧化。因此部分球团不能达到最终的强度。PKAIS可使球团矿在回转窑中完全均匀氧化，使得冷却机只起冷却作用。球团矿的抗压强度和其他物理属性的分布极为紧密。

  该系统的设计被证实是对工程技术的挑战，尤其是如何真正将该系统安装在利用率超过95％的工业规模的工厂上。

3  设  计

  1998年，Minntac和美卓矿机签订了工程合同，将PKAIS从概念设计转入实际应用设计。最初的概念是利用美卓矿机用在直接还原工厂的标准格栅孔(图2)和空气分配系统。这种得到很好证实的设计已用于挪威Tinfoss工厂10年多了。遗憾的是，在初期施工阶段发现了严重的问题，使得不能直接应用这种设计。

  直接还原回转窑的最高工作温度约为1100℃。酸性球团化操作的工作温度超过1 300℃，试验证明在这种高温下没有金属残存下来。由于格栅负载要求的影响，陶瓷中的附加试验未成功。因此，需要考虑使用一种向回转窑中引入空气的新方法。

    确定的另一种问题是压力。在直接还原过程中，从料层上方供应的空气参与燃烧，因此，只需风扇供应低压空气。为了氧化球团矿，注入球团层下方的空气具有重要的压力要求，以便空气穿过球团层。当空气进入球团层时，其温度快速升高，体积也随之增大。为了使工业设备达到必要的压力，实验室试验和计算流体动力学(CFD)模拟很快证实需要鼓风机而不是风扇。符合压力要求的窑炉开口数量和尺寸受持续增长的旋转总管的压力容量限制。

    由于温度和压力的问题(没有提及有关碎屑和渣化)，尝试了许多不同的设计方案。即便如此，直到2000年初还是没有一种设计方案能够符合Minntac的要求，该公司甚至考虑取消该项目。

4      耐火材料通道孔

    在这一点上，美卓矿机提出了耐火材料通道孔的设计方案。其原理是利用回转窑中的耐火材料作为空气输送机构，通过耐火砖之间的一系列槽孔将空气传送至球团层。这种设计方案解决了两个问题。首先，耐火材料本身能够承受回转窑中的高温和磨蚀环境。另外，这种设计允许留有大量槽孔，这样既增加了窑炉中的横截面积，又降低了压力要求。

美卓矿机进一步对耐火材料通道孔设计进行了CFD模拟，以便完成性能估测(图4)。 

    与Minntac讨论之后，将下列观点添加到设计方案中：

    1．耐火砖之间的槽孔底部比顶部宽，角度较小，可减少进入槽孔中的碎屑。

    2．在Minntac工作人员的建议之下，添加了一个碎屑回流孔，填满球团层下部，然后在圆弧顶部倒空。

    3．窑炉中的总孔口面积必须比模型显示的面积增加大约30％。这有几个目的，允许第一个孔口尽可能在窑炉的向上倾斜区域，较早开始氧化；进一步降低了压力要求。此外，如果插入的槽孔超过预期的数量，额外的槽孔面积就会提供附加容量。手动阀可切断孔式窑炉不同部分的空气，以便通过实验确定最佳的空气注入位置。

    4．在出入口区域，通过添加焊接在窑壳上的预制耐火材料锚栓，将每圈耐火材料锁定到位。

    5．所有部件的设计必须使得一旦出入孔口空气被切断，这些部件仍然可以继续工作。换句话说，即使设计成空气被切断时不工作，也不会中断Minntac的工作。这项设计是安全可靠的设计。

    基于上述设计考虑，2000年夏M inntac向美卓矿机下了一个订单，要求美卓在7号生产线上安装采用耐火材料通道的带孔回转窑。

 5  安装和启动 

 Minntac7号生产线上的回转窑直径为6．4 m,长39．6 m。在该回转窑其中长度为14．6 m的区域里安装了12排孔，每排有8个。每排装有一个断路阀，接通或切断该排的气流。由安装在单独鼓风机室的旋转凸轮鼓风机(一台工作，一台备用)送风。

    在每年2l天的保养停机期间安装带孔回转窑。实际安装工作需要19天，外加冷却l天，加热l天。

  7号生产线的带孔回转窑于2001年4月开始工作。

6  效  果

    安装孔式窑炉系统的目的是改进运转状况。2000年秋，对7号生产线进行改善孔式窑炉的基准测试。围绕整个焙烧固结系统进行了大量测量，测量项目包括生球团分析、温度和气流、设备速度、动力消耗指标及产品质量。

  美卓矿机的专有热量和质量平衡程序中模仿这项信息用于模拟孔式窑炉的操作，以便设置预期性能。这此测量方法也可用于设置与孔式窑炉操作相同的工作条件。表l对相同的工作条件下基准工作与孔式窑炉系统的实际性能进行了比较。

  各个领域都得到了改进。燃料消耗量的降低和还原性的增强与较低的燃烧区温度相关。改进后LTD和抗压强度与发生在窑炉而不是冷却机中的完全氧化有关。

  平均抗压强度增强这一主要任务未能达到。这项改进未能达到预期的原始测试效果。酸陛球团测试与Minntac目前生产的自熔性球团之间进行的比较使这个问题变得更加清晰了。

启动之后，Minntac通过改变注入球团层的空气量和沿孔式窑炉长度方向注入空气的位置进行测试，以便确定球团的氧化效果。

    在过去一年半的工作中，Minntac已经发现了带孔回转窑无法计量的其它优势。这些优势有：

    1)运行更加稳定。

    2)操作员更顺利地控制产品质量。

    3)由环形冷却机冷却球团，环形冷却机和排料皮带几乎无须保养。

    4)减少或消除了回转窑的结圈。孔口形成的区域消除了矿渣沉积的可能性，因此不允许形成完整的环。这样炉渣就不会造成结构上的不稳定性。

    由于生产的球团具有更高的质量，因此在球团设备的下游也存在预期的效益。还原率R40值越高，每吨铁水所需的焦炭量就会越低。LTD越高，高炉中的碎屑就越少。

7  结  论

    7号生产线上带孔回转窑的运行已被证实是有利于Minntac降低生产成本和提高球团质量。Minntac在7号生产线上成功应用了PKAIS之后，于2003年春又从美卓矿机订购了第二套带孔回转窑系统并将其安装在6号生产线上。今后在4号和5号生产线上安装带孔回转窑系统的进一步研究也在进行之中。

    在链篦机一回转窑球团系统中，将空气注入磁铁矿球团层以提高性能和产品质量的设计思想已经得到了证实。同时也验证了具有高可靠性的空气进入球团层的这一独特系统。该技术中建议的下一步是评估球团矿中的碳混合物。这样既可以改善磁铁矿球团化的性能，又使得将带孔回转窑技术用于赤铁矿球团化工艺成为可能。