智 謙， 韓志國， 易毅輝， 李長興
（北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司燒結(jié)球團事業(yè)部，北京 100043）
摘 要：包鋼新建成一條國內(nèi)最大的624m2 大型帶式焙燒機球團生產(chǎn)線，年產(chǎn)氧化球團500萬t。在設(shè)計過程中，對風(fēng)流系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，自主設(shè)計開發(fā)了多項新型設(shè)備，如大型球團干燥窯、往復(fù)式布料機、回轉(zhuǎn)支撐造球機和穩(wěn)流給料斗等，并集成應(yīng)用了立式強力混合機和高壓輥磨機等多項國內(nèi)外大型裝備。設(shè)計過程中充分考慮了節(jié)能環(huán)保因素，生產(chǎn)能耗低，粉塵排放、噪音污染均維持在較低水平，除塵灰二次利用，無固體廢棄物外排。自2015年底投產(chǎn)以來，設(shè)備運行穩(wěn)定，生產(chǎn)指標(biāo)良好，球團的 TFe質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到65％以上，抗壓強度不低于3100N，工序能耗為17.05kg／t，達(dá)到國際先進(jìn)水平，實現(xiàn)了良好的經(jīng)濟社會效益。
關(guān)鍵詞：帶式焙燒機；球團；設(shè)計創(chuàng)新；節(jié)能環(huán)保
根據(jù)包鋼集團公司轉(zhuǎn)型升級的要求，到2016年底，包鋼集團公司本部的煉鐵產(chǎn)能將達(dá)到1600萬t／a，按照高爐爐料結(jié)構(gòu)采用高堿度燒結(jié)礦配加酸性球團礦的合理爐料結(jié)構(gòu)［1］，包鋼集團公司年需球團礦為720萬～780萬ｔ。
包鋼集團公司的總體規(guī)劃要淘汰老區(qū)現(xiàn)有的4座8m2 豎爐和1條162m2 帶式焙燒機生產(chǎn)線。為滿足所需球團礦的要求，在保留西區(qū)一條年產(chǎn)120萬t球團生產(chǎn)線和固陽一條年產(chǎn)240萬t球團生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，考慮球團生產(chǎn)的波動以及高爐增產(chǎn)的需求，新建設(shè)一條焙燒面積為624m2 、年產(chǎn)500萬t球團礦的帶式焙燒機球團生產(chǎn)線。該工程由首鋼國際工程公司總體設(shè)計，為國內(nèi)目前規(guī)模最大的球團生產(chǎn)線，并成為繼首鋼京唐后國內(nèi)第二條大型帶式球團焙燒生產(chǎn)線。帶式焙燒機生產(chǎn)線在國內(nèi)應(yīng)用很少，可借鑒的成熟經(jīng)驗匱乏，這給設(shè)計提出了很高的要求［2］。
本工程通過冶金過程工藝?yán)碚撗芯?、三維和模擬仿真研究以及設(shè)計開發(fā)新型關(guān)鍵設(shè)備等方法，對帶式球團焙燒機進(jìn)行了工藝優(yōu)化，實現(xiàn)了關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化和生產(chǎn)過程的精確控制，為國內(nèi)最大帶式焙燒機生產(chǎn)線的成功投產(chǎn)提供了重要的技術(shù)保障。
1 設(shè)計創(chuàng)新與研究
包鋼500萬t球團生產(chǎn)線采用國際先進(jìn)的帶式焙燒機工藝，采用１臺有效面積為624m2 的帶式焙燒機，帶式焙燒機寬度為4m，有效長度為156m。
利用系數(shù)為1.01t／（m2·h），正常產(chǎn)量為631．3t／h，布料厚度約為400mm；配備232塊臺車，臺車寬為4m，長為1.5m；風(fēng)箱主要采用6m大風(fēng)箱，以減少漏風(fēng)率。在設(shè)計過程中，充分運用了冶金工藝流程 工程學(xué)理論，注重工藝系統(tǒng)的頂層設(shè)計和物質(zhì)流、能量流、信息流的協(xié)同高效運行［3－6］。并采 用 BIM協(xié)同設(shè)計、三維仿真設(shè)計、流暢模擬和應(yīng)力分析等多種手段，從理論基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，確保設(shè)計的精度和質(zhì)量。
1.1 工藝流程優(yōu)化設(shè)計
焙燒機是帶式焙燒球團生產(chǎn)線的核心設(shè)備，包鋼帶式球團焙燒機分為鼓風(fēng)干燥段、抽風(fēng)干燥段、預(yù)熱段、焙燒段、均熱段、一冷段和二冷段共7個工藝段，通過臺車頂部煙罩和底部風(fēng)箱集7個工藝段為一體。該生產(chǎn)線工藝流程圖如圖1所示，臺車煙罩工藝段工作面積和溫度設(shè)計見表1。
帶式焙燒機焙燒燃料采用焦?fàn)t煤氣，配備專用焦?fàn)t煤氣燒嘴，兩側(cè)對稱布置。每個燒嘴配自動調(diào)節(jié)裝置，以便調(diào)節(jié)溫度。
冷卻風(fēng)機吸入環(huán)境空氣鼓入一冷段和二冷段，二冷段的熱風(fēng)通過鼓風(fēng)干燥引風(fēng)機送到鼓風(fēng)干燥段使用，一冷段的熱風(fēng)通過直接同流換熱原理進(jìn)入到均熱、焙燒、預(yù)熱段做助燃?xì)怏w，均熱、焙燒段的廢氣通過耐熱風(fēng)機循環(huán)到抽風(fēng)干燥段使用，鼓風(fēng)干燥段、抽風(fēng)干燥段、預(yù)熱段的廢氣由靜電除塵器凈化后通過煙囪排入大氣。利用焙燒機的燃燒系統(tǒng)和風(fēng)流系統(tǒng)，使生球完成從干燥到冷卻的整個熱工過程。
通過合理風(fēng)流系統(tǒng)的布置，各個焙燒工段的高溫余熱得到了最大程度的利用，有效降低了熱耗，提高了能量循環(huán)利用率。
1.2 關(guān)鍵設(shè)備創(chuàng)新設(shè)計
1.2.1 開發(fā)大型礦粉干燥窯
針對鐵精礦的干燥特點，為了滿足大型帶式焙燒機造球原料的水分要求，聯(lián)合設(shè)備制造商共同開發(fā)了國內(nèi)最大規(guī)格的5.0m×22m 短粗型圓筒干燥窯，最大處理能力為800t／h（烘 干料），水分從11％脫至8.0％。
相比常規(guī)長徑比干燥機，該設(shè)計型式使出料口氣體流速降低，大大減輕了除塵器的負(fù)荷。考慮到本工程圓筒烘干機規(guī)格大，而且烘干過程中物料將在窯內(nèi)滯留一段時間，運轉(zhuǎn)負(fù)荷大，所以干燥機的驅(qū)動需要采用低轉(zhuǎn)速、大扭矩，傳動平穩(wěn)的驅(qū)動裝置。
根據(jù)國內(nèi)回轉(zhuǎn)窯的使用經(jīng)驗，本工程首次采用液壓馬達(dá)驅(qū)動，降低了驅(qū)動功率，并可實現(xiàn)無極變速，生產(chǎn)過程中可根據(jù)礦粉水分靈活調(diào)整轉(zhuǎn)速。
該干燥窯還采用了多種結(jié)構(gòu)的組合高效揚料板，單位體積的蒸發(fā)強度達(dá) 60～80kg（水）／（h·m3），蒸發(fā)能力比普通烘干機提高 50％。
1.2.2 開發(fā)機頭往復(fù)式布料機
包鋼球團為提高入爐前生球強度，采取了一系列措施，先進(jìn)的往復(fù)式布料膠帶機＋寬皮帶＋雙層輥篩的布料系統(tǒng)是重要的技術(shù)措施之一。該布料系統(tǒng)將往復(fù)布料機與造球盤下的集料皮帶集成為一條皮帶，作為集料皮帶的機頭，垂直于寬皮帶布料。通過控制布料機頭輪直徑及高度，將卸料高度控制到極限；通過布料機往復(fù)行走，實現(xiàn)生球的均勻布料。與國內(nèi)一般使用的擺頭皮帶不同，往復(fù)式布料技術(shù)有效減少生球落下次數(shù)和落差，保證了料層的均勻性和良好的透氣性，并可顯著降低廠房高度和占地面積，減少工程投資。往復(fù)式布料器設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
1.2.3開發(fā)大型回轉(zhuǎn)支撐造球機
造球系統(tǒng)采用了自主研制的直徑為7.5m的國內(nèi)最大規(guī)格圓盤造球機，該造球盤采用回轉(zhuǎn)支撐型式，單機生產(chǎn)能力大于90t／h。與常規(guī)6m 直徑造球盤相比，單機造球能力大幅提高，減少了設(shè)備數(shù)量和廠房面積，有利于生產(chǎn)操作和設(shè)備管理。圓盤直徑的加大也增加了球團的滾動次數(shù)和滾落高度，可以顯著提高生球的強度。造球盤結(jié)構(gòu)如圖3所示。該造球盤外承圈與支架固定連接為一整體，使轉(zhuǎn)盤支撐面加大，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并簡化了整個裝置結(jié)構(gòu)。造球盤可調(diào)整傾角，可變頻調(diào)速， 成球率高，利用系數(shù)高。
1.2.4 開發(fā)新型穩(wěn)流給料斗
向造球盤精確穩(wěn)定供料是保障造球工序正常運轉(zhuǎn)、保證生球強度的重要因素［7］。在包鋼帶 式 焙 燒球團造球生產(chǎn)線上，鐵精礦采用自主開發(fā)研制的穩(wěn)流給料斗＋定量給料機給料技術(shù)，該種給料方式相比圓盤給料機＋稱重給料機的給料方式，其出料料流更加穩(wěn)定，控制精度更高，且工藝操作簡單，設(shè)備投資少。穩(wěn)流給料設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖4所示。
1.2.5 開發(fā)新型臺車和箅條
帶式焙燒機臺車最高溫度達(dá)900 ℃，箅條在球團焙燒生產(chǎn)過程中與物料直接接觸，因此對箅條的耐高溫性能要求就更高。另外，箅條壽命直接影響箅條消耗量，還在很大程度上影響焙燒機的作業(yè)率。
為適應(yīng)球團生產(chǎn)要求，除了保證箅條的機械強度外，還必須能夠承受劇烈的溫度變化和抗高溫氧化性能［8-10］。在總結(jié)大量設(shè)計生產(chǎn)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)臺車熱工條件，通過三維設(shè)計和熱應(yīng)力有限元分析，開發(fā)了新一代帶式焙燒機耐高溫臺車和新型箅條，各項指標(biāo)達(dá)到進(jìn)口臺車水平，極大地降低了備件更換成本。臺車設(shè)計結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分析分別如圖5和圖6所示。另外，還在不同工段對不同類型的箅條分布進(jìn)行了合理布局，延長了箅條使用壽命，減少了箅條更換頻率，降低了維修成本。
1.3 大型技術(shù)裝備創(chuàng)新應(yīng)用
1.3.1 選用立式強力混合機
由于球團生產(chǎn)黏結(jié)劑配比較低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般低于3％，因此，黏結(jié)劑在造球原料中的混合均勻度對生球強度有很大影響［11］。該工程在混合室配置一臺德國進(jìn)口立式強力混合機，處理能力為750t／h，最大為850t／h（濕料），混合效率不小于98％。立式強力混合機工作示意如圖７所示，旋轉(zhuǎn)的混合盤不斷輸送物料至旋轉(zhuǎn)的混合工具。壁底部刮板使混合料轉(zhuǎn)向并輸送其至轉(zhuǎn)子的區(qū)域，形成一種循環(huán)［12］。 在高速轉(zhuǎn)子區(qū)域形成一種非常高效的微觀混合，從而也強化了由壁底部刮板形成的宏觀混合。其獨有的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和混合角度使其在球團混合工序中有出色的表現(xiàn)，能在較低黏結(jié)劑配比情況下保證生球的落下強度，因此對于提高球團品位、降低高爐能耗有重要意義。
1.3.2 選用進(jìn)口高壓輥磨機
包鋼500萬t球團的含鐵原料有70％再磨精礦和30％自產(chǎn)鐵精礦，目前大部分精礦的比表面積小于1000cm2／g，相對較小。為了提高其比表面積，改善成球性，選用一臺進(jìn)口高壓輥壓機對原料進(jìn)行輥壓，以增加物料的比表面積，改善原料的成球性能［10］。該高壓輥 壓 機，輥徑為1.7m，處理能力可達(dá)800t／h。兩個輥子分別由單獨的傳動裝置傳動，一個輥子固定在設(shè)備機架上，另外一個安裝在滑軌上，可以自由移動，滑軌則固定在機架上。移動輥通過液壓缸產(chǎn)生壓制力，使輥縫或壓力保持恒定，壓力可以調(diào)節(jié)。
生產(chǎn)實踐表明，鐵精礦經(jīng)過輥壓處理，比表面積增加約300～500cm2／g，并且精礦顆粒多為針狀、片狀、條狀顆粒，在造球過程中引起的搭橋式機械咬合力，加強了生球的強度。
1.3.3 其他大型技術(shù)裝備
為保證包鋼624m2 大型帶式球團焙燒生產(chǎn)線的運行，該項目采用了國內(nèi)單除塵面積 最大的780m2雙室４電場電除塵器，粉塵排放質(zhì)量濃度小于50mg／m3。并選用了葉輪直徑為4.2m、風(fēng)量達(dá)2710000m3／ｈ的超大風(fēng)量主引風(fēng)機，能夠有效保障風(fēng)流系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。并且所有工藝風(fēng)機都已實現(xiàn)國產(chǎn)化，大幅降低了項目投資成本。
2 節(jié)能環(huán)保設(shè)計理念的應(yīng)用
目前，國家對鋼鐵行業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，對工業(yè)生產(chǎn)廢物二次利用能效的指標(biāo)要求也越來越高。包鋼624m2 帶式焙燒機球團生產(chǎn)線在設(shè)計過程中，始終將節(jié)能減排、綠色環(huán)保的理念融入其中，采用了多項先進(jìn)技術(shù)，節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢顯著。
2.1 生產(chǎn)工藝煙塵治理
帶式焙燒機獨有的密閉式一體化爐罩保證了一個全密閉的生產(chǎn)過程，粉塵泄漏量極少，煙囪外排粉塵質(zhì)量濃度低于50mg／m3。靜電除塵器和布袋除塵器收集的除塵灰通過濃相氣力輸灰系統(tǒng)直接運輸至配料室使用，不僅避免了傳統(tǒng)輸灰設(shè)備在運輸過程中產(chǎn)生的二次揚塵，還使除塵灰得到了二次利用，并且氣力輸送系統(tǒng)耗電設(shè)備少，電耗極小。本工程生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的除塵灰約為20萬t／a，全部回收利用，參加配料造球，外排固體廢棄物基本為零。
2.2 噪聲污染防治
設(shè)計考慮在滿足工藝要求的前提下，盡可能選用低噪音設(shè)備；將風(fēng)機、水泵、給料機、高壓輥壓機、圓盤造球機、振動篩等主要產(chǎn)噪設(shè)備置于廠房內(nèi)；對主引風(fēng)機、冷卻鼓風(fēng)機、鼓干排風(fēng)機、環(huán)境除塵風(fēng)機等外殼包裹隔聲材料；對主引風(fēng)機、環(huán)境除塵風(fēng)機出口加裝消音器，冷卻鼓風(fēng)機進(jìn)口加裝消音器；水泵等設(shè)備與管道連接時采用柔性方式；振動設(shè)備在此基礎(chǔ)上采取相應(yīng)的減震措施，減輕由于振動導(dǎo)致的噪聲。
通過采取以上措施，再經(jīng)過廠房隔聲及距離衰減，使廠界噪聲分貝數(shù)低于60dB（A），滿 足 環(huán) 保要求。
2.3 工藝節(jié)能措施的運用
（1）設(shè)計開發(fā)了先進(jìn)的風(fēng)流系統(tǒng)，充分回收利用焙燒系統(tǒng)高溫?zé)煔獾奈锢盹@熱，最大限度利用熱能，降低球團的熱耗。
（2）帶式焙燒機燒嘴所用燃料取自鋼廠焦化工序產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣，取代了高熱值天然氣，實現(xiàn)了鋼廠能源自產(chǎn)自用，減少了外購燃料帶來的經(jīng)濟和能源消耗。
（3）采用高壓輥壓機、強力混合機、直徑7.5m回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)的圓盤造球機、雙層輥篩和高效分級成品篩等先進(jìn)技術(shù)和裝備，有效降低單位球團生產(chǎn)能耗，提高了生產(chǎn)系統(tǒng)作業(yè)率和產(chǎn)品質(zhì)量。
（4）工藝設(shè)備和管道采用良好的密封結(jié)構(gòu)，采用優(yōu)質(zhì)的耐火內(nèi)襯和管道絕熱材料，減少熱量損失。
（5）工藝風(fēng)機全部采用高壓變頻技術(shù)，并選用節(jié)能機電產(chǎn)品，顯著降低電耗。
3 生產(chǎn)運行情況
包鋼624m2 帶式球團焙燒生產(chǎn)線于2015 年12月正式投產(chǎn)，經(jīng)過1周時間的熱負(fù)荷試車，各系統(tǒng)運行穩(wěn)定，2016年2月達(dá)到設(shè)計產(chǎn)能為15000t／d，膨潤土平均消耗量為14.85kg／t，球團礦TFe 質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在65％以上，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到包鋼集團新建4150m3高爐的要求。
目前該生產(chǎn)線運行半年多時間，經(jīng)過設(shè)計研發(fā)技術(shù)人員的指導(dǎo)，以及現(xiàn)場斷摸索、總結(jié) 生產(chǎn)經(jīng)驗，建立了行之有效的操作和管理手段，各項生產(chǎn)指標(biāo)不斷優(yōu)化，控制水平逐漸提高，生產(chǎn)運行平穩(wěn)，各項指標(biāo)均已達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平，其主要技術(shù)指標(biāo)見表2。
4 結(jié)語
包鋼624m2 帶式焙燒球團工程是在前沿理念指導(dǎo)和先進(jìn)技術(shù)支撐下建設(shè)的一個創(chuàng)新工程。在工程設(shè)計和大型設(shè)備研發(fā)過程中，通過吸收消化國外帶式機燒結(jié)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)以及大膽創(chuàng)新，采用多項新技術(shù)，實現(xiàn)技術(shù)升級，集中體現(xiàn)在以下方面。
（1）自主設(shè)計、自主集成了國內(nèi)最大規(guī)模的624m2 帶式焙燒機球團生產(chǎn)線，年產(chǎn)氧化球團500萬t。
（2）設(shè)計研發(fā)了往復(fù)式布料器、穩(wěn)流給料斗、大型干燥筒和回轉(zhuǎn)支撐造球盤等多項具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型球團技術(shù)裝備，大幅節(jié)省了裝備投資，提高了生產(chǎn)效率。
（3）節(jié)能環(huán)保的設(shè)計理念貫穿工程設(shè)計的全過程，粉塵排放質(zhì)量濃度、噪音污染、生產(chǎn)能耗均保持在較低水平，打造了一個現(xiàn)代化的綠色工廠。
（4）包鋼624m2 帶式焙燒球團生產(chǎn)線自2015年12月投產(chǎn)以來，經(jīng)過半年多的運行，已經(jīng)完全達(dá)到設(shè)計水平，球團的TFe質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到65％以上，抗壓強度不低于3100N，工序能耗為17.05kg／t，達(dá)到國際先進(jìn)水平。
（5）中國最大帶式焙燒機球團生產(chǎn)線在包鋼的成功應(yīng)用對中國球團技術(shù)的發(fā)展將產(chǎn)生積極的促進(jìn)和示范作用，為國內(nèi)球團帶式焙燒機工藝設(shè)計積累了寶貴經(jīng)驗，為中國球團行業(yè)的發(fā)展開辟了新的途徑。
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