神户制钢链箅机.docx
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神户制钢链箅机
1.神户制钢公司的球团生产设备
为使神户制钢公司炼铁厂原料预处理的最佳化,即为了在烧结车间和球团车间分别根据原料矿粉的性能对原料进行处理,扩大原料预处理的范围,同时为能够有效利用原料矿粉的性能,尤其是为了通过使用球团矿来提高高炉生产能力,神户制钢公司炼铁厂于1966年9月建设了球团生产设备。
神户制钢公司的球团原料大部分是含有褐铁矿的各种赤铁矿粉,因此球团生产采用了干式粉碎—预湿方法,以适应这种原料性能的要求。
另外,在焙烧工序中,采用了Allis-Chalmers公司的链箅机-回转窑式球团生产工艺,它能够做到高温且均匀焙烧。
球团的生产能力为年产100万t。
在其之后,加古川炼铁厂也分别在1970年建设了第1球团车间,在1973年建设了第2球团车间,两个车间的年产量都是200万t。
目前,本公司正在生产中的球团设备只有加古川炼铁厂第1球团车间。
为提高产量、减少操作人员和节能,该车间的球团生产设备进行了多次改造,目前年产量约400万t。
神户制钢公司利用自己独有的优势管理球团的生产,通过把生产的球团矿用于神户制钢公司的高炉,以及将自熔性球团矿应用于实际和白云石溶剂性球团矿的开发,因此在日本的大型高炉使用球团矿方面处于领先地位。
2.球团焙烧设备的特征
神户制钢公司在神户炼铁厂和加古川炼铁厂建设了采用链箅机—回转窑方式的球团生产设备。
其后,神户制钢公司进行了不断的独自改进,并以KOBELCO球团设备的形式,不仅在日本国内,而且在国外建设了许多球团厂并交付生产,这些球团厂的焙烧工艺都采用链箅机-回转窑方式。
2.1竖炉式球团生产方式
竖炉式球团生产方式是最早使用的球团生产方式,它把设在炉外的燃烧室产生的热气体导入炉内提供焙烧所需的热能。
从炉体上部装入的生球团矿在下降过程中与热气体接触进行热交换并被加热。
被加热的球团矿通过冷却输送带被排出炉外。
竖炉的特征是装入的球团矿与热气体充分接触,热效率高。
但另一方面,炉内的温度分布难以均匀,球团矿会被局部加热,造成球团之间产生熔合,或粘附在炉壁上,有可能发生操作困难,这是其缺点。
另外,为降低球团的生产成本,必须提高每台设备的生产量,但竖炉的最大生产量也就是45万t/a左右。
由于该技术古老,且设备难以大型化,因此目前几乎不采用。
2.2带式球团生产方式
带式球团生产方式的工业化应用比竖炉球团生产方式略迟,其焙烧方式是将生球团装入被称作“带式台车”的移动式链箅上,依次进行干燥、预热、预热和冷却。
与竖炉球团生产方式相比,带式球团生产方式的优点是球团的干燥、预热、焙烧和冷却等各工序的温度控制范围比较宽。
但是,如果改变带式台车的移动速度,各工序的条件会同时发生变化,这也是其缺点。
生球团被装入带有拦板的带式台车上,布料厚度均匀约300mm。
此时,为保护在焙烧带中暴露在高温中的带式台车和台车拦板,以及防止与带式台车和台车拦板接触的球团发生不均匀烧结,在带式台车上面装入焙烧球团作为铺底料(大约100mm),在台车的两侧装入也装入焙烧球团作为铺边料。
装入带式台车的生球团按照干燥、预热、焙烧和冷却的顺序从炉内通过,炉内温度保持在预先设置的温度,生球团矿在各工序过程中与空气及燃烧气体之间进行热交换后变为成品球团矿。
由于带式球团生产方式采用简单的设备生产球团,因此生产操作比较容易。
但是,为保护带式台车等机械部件和防止球团质量发生变化,在带式台车的底部和侧面循环填充了一部分成品球团矿,但由于台车要从高温的焙烧工序通过,因此容易损坏。
另外,如前所述,采用带式球团生产设备时由于球团的布料层厚在300mm左右,因此上下层之间会产生温差,它是造成成品球团矿质量不均匀的原因。
2.3链箅机—回转窑球团生产方式
链箅机-回转窑球团生产方式是由链箅机(移动链箅式预热机)、回转窑(回转式焙烧炉)、冷却机(环形转动链箅式冷却机)这3个主要设备构成。
先在链箅机上按照均匀厚度装入生球团,然后依次进行干燥、脱水、预热,在预热硬化至能承受在回转窑内转动加热的强度后送入回转窑。
球团在回转窑内高温焙烧后送入冷却机冷却后成为成品球团矿。
链箅机、回转窑和冷却机的基本设计概念就是要使各自设备能有效地进行从常温到1300℃以上的热传递,在机械方面不会有问题。
链箅机用隔墙将干燥室、脱水室和预热室分开。
由于采用了高效的强制对流加热方式,因此生球团的干燥和预热是在比较低的温度下进行热交换。
球团的干燥、脱水和预热的热源不仅可以使用由回转窑排出的废气,还可以使用冷却机排出的热气体,设备整体的热效率高。
回转窑使用比较短的炉窑,入口侧与链箅机相连,出口侧与冷却机相连。
为使从链箅机排出的预热球团能在高温下进行焙烧,因此用耐火隔热材作窑衬,并采用辐射加热方式使球团的焙烧能在高温下高效、均匀加热。
回转窑采用低速运转,其出口侧比入口侧低。
球团在回转窑内一面被转动,一面被加热,在规定的温度下焙烧后被送入冷却机。
由于这种转动的作用,因此回转窑内的球团全部被均匀加热,能稳定生产出高质量球团矿。
采用吹入空气进行强制对流的冷却方式,将装入环形水平旋转式冷却机的焙烧球团冷却至不会影响装入下道工序的温度。
此时,回收的热气体一部分可以用作回转窑内的燃料燃烧的二次空气和链箅机上球团干燥、预热用的气体,这是一种热效率高的生产工艺。
链箅机-回转窑式球团生产工艺具有如下优点:
(1)球团在回转窑内的焙烧过程中,由于回转窑的转动作用,因此球团的质量均匀。
(2)预热、焙烧和冷却等各工序不仅能关联控制,而且还能够根据需要分别单独控制。
因此,能够将各工序的热气体和球团的热工制度控制在最佳条件下,使之能最佳适应原料和生产量的变化。
(3)由于温度容易控制,因此即使焙烧温度带较低,也能生产出高质量的自熔性球团矿。
(4)燃料消耗低,电耗低。
(5)链箅机、回转窑和冷却机分别按照各自的热负荷进行设计、制作,因此耐火材料和箅条板的更换频率低,设备的运转率高。
表1:
链箅机-回转窑-冷却机球团生产工艺和带式球团生产工艺的比较
项目
链箅机-回转窑-冷却机
带式焙烧机
说明
球团质量
均匀性
○
△
链箅机-回转窑-冷却机球团生产工艺利用转动的作用能使所有的球团均匀、充分焙烧,而带式球团生产工艺的球团在最高温度中保持较长的时间。
冷态抗压
强度
○
△
转鼓指数
○
△
化学组成
○
△
铁的品位和杂质含量基本上受选矿工艺的影响,不受造球工艺的影响。
还原性
○
△
还原性(DR中的最终还原度)和成球性基本上取决于铁矿石本身的特性。
一般说来,球团的铁含量越高,还原性越高,成球性也越高。
(备注:
在铁矿石中添加石灰(熟石灰或石灰石)和/或白云石会导致球团的成球性下降和海绵铁的抗压强度较高)。
还原过程中
的成球趋势
○
△
还原过程中
的碎裂趋势
○
△
采用链箅机-回转窑-冷却机球团生产工艺时球团均匀并能充分焙烧,球团碎裂的趋向小。
燃料燃烧
○
△
链箅机-回转窑-冷却机球团生产工艺的燃料消耗低,原因如下:
a)没有铺底料和铺边料
b)链箅机、回转窑和冷却机的有效传热机理能满足不同的要求
电耗
○
△
链箅机-回转窑-冷却机球团生产工艺无需铺底料,且链箅球团层的厚度较低,可以减小整个球团层的压降,由此能降低工艺风机的电耗。
维护成本
○
△
带式球团生产工艺需要更多的炉箅条配件,且在整个干燥、预热、焙烧和冷却过程中炉箅会因大量的循环热应力而受到损害。
工艺适应性
○
△
链箅机-回转窑-冷却机球团生产工艺可以对链箅机、回转窑和冷却机进行独立操作调整,使操作人员能够做到如下几点:
a)操作简单,没有任何危险,可以增减球团生产量
b)可以抑制装入球团生产设备的铁矿石原料发生急剧的变化,同时可以利用各种添加剂,如膨润土、熟石灰和石灰石。
c)可以生产各种冶金特性不同的球团矿。
单烧嘴应用于链箅机-回转窑-冷却机球团生产工艺可以简化生产工艺控制。
如果有需要,这种单烧嘴可以同时用于燃烧两种燃料,如气体和重油,及可以在生产中将一种燃料切换成另一种燃料。
设备利用率
○
△
在设备利用率方面两种工艺没有特别的差异。
3.成品球团矿的性能
成品球团矿的质量因球团生产工艺的不同而不同。
采用带式球团生产工艺时,由一台设备对作为移动式静态料层的球团进行干燥、预热、焙烧和冷却后变为成品球团矿,而且由于球团的料层厚度为300mm,因此存在着上下层的球团温度滞后差。
结果,球团的质量发生了偏差,尤其是抗压强度和转鼓强度的偏差明显。
而采用链箅机-回转窑生产工艺时,由于球团矿在回转窑内的焙烧过程中受到转动的作用,因此所有的球团矿都被均匀加热。
尤其是,通过调整回转窑烧嘴的燃料燃烧比例,容易准确调整焙烧温度,由此能生产出高质量的成品球团矿。
4.应对各种原料的能力
采用链箅机—回转窑球团生产工艺时,由于原料的干燥及预热、焙烧、冷却等工序分别采用不同的装置进行,因此各工序能独立控制。
另外,对于不同的原料,能分别控制在最佳的热滞后,这是链箅机—回转窑球团生产工艺的强项。
也就是说,从100%磁铁矿到100%赤铁矿,即使将它们任意配比,也能够进行处理。
另外,在原料矿含结晶水多的情况下,必须避免因结晶水的急剧蒸发而导致球团发生爆裂,而链箅机—回转窑球团生产工艺设置了低温带的脱水过程,能够避免球团被急剧加热。
5.试样试验和工艺设计
在设计球团生产设备时,必须在确定该设备处理铁矿石的最佳工艺条件后对设备进行适当的调整。
首先根据设备的生产能力、原料的性能、成品球团矿要求的性能等设计条件,采用神户制钢公司拥有的工艺设计模拟程序对原料和气体的热平衡进行计算,确定链箅机、回转窑和冷却机的焙烧工序的最佳热工制度。
然后,在工艺设计模拟程序中采用了根据神户制钢公司积累的丰富经验计算的参数,并在试样试验中再现这种热工制度,确认它能确保预热球团和焙烧球团达到要求的质量。
接着,根据所得的热工制度,对链箅机、回转窑和冷却机,以及焙烧风机和除尘器等相关设备进行最佳调整,并反映在设备设计中。
最后,在试样试验时,使用实际处理铁矿石的试样进行模拟各工序的试验,确认能按照球团所要求的质量进行生产。
为按照上述顺序进行工艺设计,神户制钢公司安装了如下试验装置。
(1)间歇式球磨机:
把铁矿石和添加物粉碎到规定粒度的设备,采用了2.2节所述的干式粉碎方式。
(2)间歇式搅拌机:
把铁矿石和粘合剂、添加物均匀混合,使原料的水分适合于造球的设备。
(3)连续式圆盘造球机:
制造生球的设备,该设备还可以用来对采用实际设备生产的生球是否具有所要求的特性进行确认。
如果生球达不到所要求的特性,就要改变铁矿石的粒度、粘合剂的种类和添加量,重复进行造球试验,找出最佳的造球条件。
(4)烧结杯:
干燥、预热生球的装置。
可以任意设定工艺气流的温度、流量和处理时间。
在实际生产设备中,球团通过一定高度的溜槽,由链箅机送入回转窑,由于回转窑内转动的作用,因此要求预热球团必须具有一定的强度。
使用该装置可以对链箅机能否生产出这种预热球团进行确认。
为生产出满足要求的预热球团,采用最佳的热工制度并对链箅机进行适当的调整,就能把握工艺气流的温度、流量和处理时间。
(5)间歇式回转窑:
对采用烧结杯制作的预热球团进行焙烧的装置。
由于它能够任意设定焙烧温度和处理时间,因此能确保作为最终成品的球团所要求的性能。
使用间歇式回转窑的目的就是要确定焙烧温度和处理时间。
(6)间歇式冷却机:
对回转窑焙烧的球团进行冷却的装置。
(7)球团的质量试验装置:
用于确认球团的物理特性值、还原性和化学组成等球团质量的测定装置。
神户制钢公司采用这些装置进行了试样试验,并对设备进行了最佳调整,改进设备设计。
表2显示了作为试样试验指标的球团质量的主要数据。
表2:
所要求的球团质量
金相
物理性能
主要目标值
生球团矿
落下强度
>5
抗压强度
>1kg
成品球团矿
抗压强度
>250kg
转鼓强度
>95%
耐磨指数
<4%
还原行为
(a)高炉用球团
还原性
>60%
膨胀性
<15%
(b)直接还原用球团
金属化率
>92%
碎裂率
<3.5%
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