首鋼股份球團一系列窯況控制實踐

張術君 高培程 劉長江 沈國良

(北京首鋼股份煉鐵作業部，河北 遷安 064000)

0 引言

回轉窯結圈是鏈箅機-回轉窯焙燒工藝生產球團礦的常見故障，回轉窯內結圈對其耐材、環冷機臺車磚損耗有至關重要的影響[1]，給達產提效、成本控制帶來壓力。首鋼股份球團一系列產線自2000年進行截窯改造，先后采用了“短周期定保”、“主燃燒器助燃倒風”等方法減慢回轉窯結瘤的產生速度，設備作業率平穩升高[2]。

1 存在問題及處置方案

2018年首鋼股份面對環保新形式，先后新建了密相半干法脫硫和SCR脫硝工程，投入后由于催化劑層堵塞，導致風量風速降低，流程負荷增大，原有7.5×105m3/h主引風機負壓不足，影響生球干燥速度，加之密相脫硫技術[3]對流程負壓提出的新要求，導致產量無法達到3 800 t/d，球團礦抗壓強度由原來的2 768 N/個下降為2 523 N/個。

2019年先后對回轉窯主燃燒器、輥篩間隙、脫硝加熱爐及混合室等進行了全面升級改造。自2019年6月29日開機，已連續運轉2 200余小時，窯內未出現大面積結圈，產量由3 800 t/d提高到4 000 t/d。

2 技術及設備改進探索

2.1 配礦結構

一般認為，適合造球工序的礦粉在粒度、濕度、顆粒形狀等方面應具有以下性能[4]：小于74 μm含量≥85%；磁鐵礦原料濕度<8.5%；比表面積≥950 cm2/g，顆粒形貌以長條狀、棱角狀最佳。在連續生產的流程中，通過配礦可精準控制鏈箅機-回轉窯球團生產工藝中原料粒級，硅、硫磷含量等參數，對設備的平穩運行有著重要的影響。2019年10月一系列產線礦粉理化性質與成球性能分別見表1、2。

表1 礦粉理化指標(質量分數) %

表2 礦粉成球性指數和比表面積

首鋼球團礦粉結構主要由自產礦粉和秘魯高品位礦粉組成，原礦水分均滿足造球條件，一系列秘魯細粉配加量穩定在10%。由表1、2可知，秘魯礦粉成球性指數為僅為0.88，比表面積約為866 cm2/g。這是由于秘魯礦粉長途運輸與放置，顆粒表面能下降[5]所致，在造球工序中會減緩成球長大的速率，延長造球時間，不利于生產平穩進行。

結合以上分析，將秘魯細粉經過高壓輥磨，比表面積提高25.1%，成球性能提高29.5%。研究認為，顆粒表面經過預壓及新增解理，有效增加了鐵精粉的空位電荷，顆粒間的作用力更加明顯。

2.2 生球粒度

球團礦的主要冶金性能特點是粒度均勻、透氣性好，在高爐中的軟化和還原過程中起到輔助骨架的作用[4]，一旦粒度產生波動，將對鏈箅機-回轉窯的透氣性和窯內結瘤產生嚴重后果。因此，保證其外形和均勻的粒度，盡可能的篩除不合格生球是造球以及篩分工序中的重點工作。球團-系列生球篩分系統由上下布置的兩層輥篩組成，其中上層輥篩間距約16 mm，下層輥篩間距約8 mm。

HRumpf提出了生球在干燥過程中的影響因子公式[6]，在粘結劑性能和造球時間不變的條件下，球團礦的粒徑是影響干球爆裂溫度的主要原因。因此，在不增加粘結劑消耗的前提下，適當減小生球粒度是解決爆裂問題的便捷方法。

(a)改造前 (b)改造后圖1 改造前后預熱球粒徑對比

表3是檢修前后滾篩間隙調整合格生球的粒度對比情況。經過調整輥篩間距，12～16 mm生球的合格率由69.6%提升到了84.7%；進一步的，環冷機成品球取樣見圖1，可見預熱球粒徑分布更加均勻。

表3 輥間距改造前后成品球合格率對比

2.3 回轉窯主燃燒器改造

2.3.1 現狀原因分析

主燃燒器是回轉窯球團生產中重要的燃燒設備，優化燃燒器性能不僅可降低燃料的消耗而且可減少NOX等有害氣體產生[2]，同時也有助于回轉窯結圈控制以及球團礦質量的提高，為窯況的穩定控制創造條件。

環冷機在鏈-回-環氧化球團產線承擔著二次氧化的作用，經過回轉窯焙燒的預熱球在下料口以及環冷機受料區進一步發生氧化，放出熱量[7]。環冷機一冷段以及受料區溫度一般認為較回轉窯內溫度高100～150 ℃。2019年9月檢修前，環冷機受料區平料砣以及托板位置結瘤現象見圖2。

(a)平料坨位置結瘤 (b)托板位置結瘤圖2 檢修前環冷機結瘤狀況

環冷機結瘤現象說明燒成球在回轉窯內發生表層剝落，表層礦物主要由強度較低的低溫共熔物提供團聚力，Fe2O3晶鍵再生長成片過程不足，導致粉末在回轉窯中聚集并隨著燒成球轉運至環冷機中冷卻。由于環冷機受料區溫度相對較高，粉末在受料區堆積后，經長時間持續高溫，最終導致了結瘤發生。

以焦爐煤氣或轉爐煤氣為主要燃燒介質、煤粉為次要燃燒介質的主燃燒器進入回轉窯內快速燃燒，火焰長度較單獨使用煤粉長[7]，因此在生產過程中調節煤粉以及焦爐煤氣供給時應考慮其他方法實現對火焰長度的控制。主燃燒器火焰長度示意見圖3。

圖3 燃燒器火焰長度示意圖

結合圖3，火焰4過短，燃燒過度集中，易造成局部溫度過高，一方面增加結圈風險，另一方面加速了耐火磚的損耗；火焰1過長，火力不集中，高溫點延后，直接造成窯尾溫度以及鏈箅機預熱段高溫，嚴重時導致鏈箅機箅板以及耐熱風機葉輪變形損壞。通過控制煤粉、焦爐煤氣匹配以及燃燒器助燃風壓力控制火焰長度為2、3之間最合適。

根據一系列產線生產經驗，回轉窯內結圈現象出現范圍為火焰中前部分，結圈高度為300～700 mm，主燃燒器改進前由于火焰集中度不足，導致高溫點位距離窯頭過近，初步判斷是由于火焰過短，熱量達不到回轉窯尾，盲目提高燃料用量，造成焙燒溫度過高，崩落礦粉在高溫點位形成液相粘接所致。

2.3.2 燃燒器參數調整

目前一系列主燃燒器以焦爐煤氣為主，煤粉為輔。主燃燒器結構自里向外依次為煤氣、內環助燃風(以下簡稱“內風”)、煤粉、外環助燃風(以下簡稱“外風”)。助燃風在經過主燃燒器時通過導翼形成回轉，確保了在火焰向窯中延伸時的集中度，導翼角度以及風壓決定著主槍火焰在回轉窯中高溫點的位置。導翼角度與開度調整前后見表4。

表4 導翼角度與內外風開度的關系

依托檢修，對原主燃燒器導翼角度調整，導翼角度由原來的25°調整為35°，主燃燒器更換后，原來內外風倒用為外風70%～20%，內風20%～100%，調整后內風最大開到60%，繼續增大到70%后，出現燒窯皮現象，導致回轉窯窯況變差，結圈發展加速。結合以上探索及現場實況，目前采取外風100%～70%，內風20%～50%導用，現場觀察火焰更加聚攏。在窯頭物料測溫1 180～1 220 ℃恒定波動時，可認為主燃料器恒定，結合表4、圖4可知，窯頭氣氛溫度下降40～50 ℃。

圖4 檢修前后回轉窯頭溫度對比

2.4 加熱爐及混合室改造

2018年10月份SCR脫銷系統投入運行，由于風量、風壓負荷增大，現有引風機難以滿足要求，對主流程中主引風機風量由7.5×105m3/h擴容至8.0×105m3/h，風機全壓由8.5×103Pa增加至1.2×104Pa，擴容后高風壓、高風量對設備以及管道耐受提出了較高要求。脫硝系統投入兩個多月后，出現了催化劑層壓差升高、鏈箅機干燥溫度下降，機頭黑球增多的問題。催化劑壓差報警及堵塞情況見圖5。

圖5 催化劑壓差報警及堵塞情況

結合圖5，初步分析催化劑層壓差升高主要原因是加熱爐及混合室內脫落渣棉堵塞。渣棉經過主引風機到達催化劑上方的濾網并導致引風風量減小，導致窯頭負壓下降，鏈箅機干燥段溫度不足，機頭產生大量“黑球”。

2019年6月對加熱爐及混合室進行了改造。首先，對混合室以及進口處采用在原耐火棉的基礎上涂覆耐高溫防護涂料，再在保溫棉外加固錳鋼板；其次，加熱爐采用耐火磚砌筑。高溫防護涂料參數見表5。

表5 高溫耐火涂料主要參數

(a)改造前 (b)改造后圖6 混合室改造前后

結合圖6現象與表6分析，耐火渣棉在強負壓風力作用下脫落嚴重，導致催化劑層堵塞。改造后催化劑層壓差變化較大，最大壓降為+888 Pa，最小壓降為+26 Pa，其中第一層催化劑由于優先接觸渣棉混合煙氣，壓降在+800 Pa以上。

表6 耐火材料優化前后催化劑壓差對比

主抽風機負壓下降，風熱循環不暢，生球干燥預熱效果下降，導致降機速生產，最終影響回轉窯結圈速度，嚴重時造成停產。改造后，耐火涂料加裝了錳鋼板的設計起到了雙層保護的作用，改造后催化劑層壓差未出現明顯的變化，為生球的干燥提供了風熱循環條件。由此可見，加熱爐及混合室的改造，是能夠間接控制窯況發展，達到連續生產的一方面因素。

3 結語

1)利用生球布料輥篩對生球進行精確篩分，細化造球操作，生球合格率由69.6%提高到84.7%，在不增加膨潤土添加量的基礎上保證了生球爆裂溫度不降低、提高鏈箅機透氣性的綜合要求，為下一工序打下良好的基礎。

2)對主燃燒器進行導翼角度由25°增加到35°，使回轉窯內火焰由 “粗短”變為 “細長”，結合“助燃風倒風”制度，使火焰長度拉長，火焰更加聚攏，避免了因局部高溫，造成窯內液相增多，產生粘結。同時，鏈箅機系統熱風利用率提升，在保證預熱效果的同時節省了燃料消耗，保障了設備平穩運行。

3)隨著環保新政策的實施，SCR脫硝工序在首鋼球團長期高水平運行，在生產中對加熱爐耐材的改造探索，不僅有利于窯況的穩定控制，還保證了球團生產的“長穩順行”為SCR技術在球團行業本土化方面提供了新思路。