路 明 陳小艷 王興峰 張建良 劉征建 王耀祖 喬紅梅

(1. 鞍山鋼鐵集團(tuán)大孤山球團(tuán)廠，2. 北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，3. 北京科技大學(xué)人工智能研究院)

鋼鐵工業(yè)作為支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要原材料產(chǎn)業(yè)，是能源消耗密集型行業(yè)。我國(guó)生鐵產(chǎn)量逐年攀升，2020年再創(chuàng)新高88 752.43萬t[1]，原料供應(yīng)也在不斷增加。日趨嚴(yán)格的環(huán)保政策使得鐵礦石開采企業(yè)遭到嚴(yán)重打擊，鐵礦石原礦產(chǎn)量下降，隨著一系列改進(jìn)措施的實(shí)行，2018年后原礦產(chǎn)量開始回升[1-4]。地下資源被不斷開采，高品位鐵礦資源嚴(yán)重匱乏，而且我國(guó)自產(chǎn)鐵礦石品位低、脈石成分含量高，尤其是SiO2含量較高的鐵礦石直接送入高爐會(huì)造成出渣量大，導(dǎo)致焦比升高，生產(chǎn)鐵水消耗的焦炭量增多，阻礙了“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。結(jié)合我國(guó)的鐵礦資源條件，通過燒結(jié)與球團(tuán)工藝進(jìn)行人造富礦，改善其入爐條件及冶金性能，可降低焦比，提高高爐生產(chǎn)率。

據(jù)中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，煉鐵系統(tǒng)工序能耗占鋼鐵工業(yè)總能耗的70%，因此降低煉鐵工序能耗對(duì)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。2017年至今，煉鐵工序能耗持續(xù)降低，從392.90 kgce/t降至385.17 kgce/t[1-4]，燒結(jié)工序能耗與球團(tuán)工序能耗呈現(xiàn)緩慢降低趨勢(shì)。生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，熱風(fēng)燒結(jié)和余熱回收利用可有效降低燒結(jié)、球團(tuán)工序能耗。在鐵礦粉造塊生產(chǎn)過程中，焙燒后的熱礦冷卻是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。(1)高溫礦含有相當(dāng)多的熱量，如果將其回收并利用在前段的預(yù)熱氧化焙燒，可減少熱量損失使能源高效利用，降低燃料消耗[5]；(2)熱礦排出必然導(dǎo)致工作條件差，運(yùn)輸儲(chǔ)存困難以及設(shè)備過早燒損等；(3)合理調(diào)整冷卻風(fēng)量和冷卻設(shè)備參數(shù)，可以改善含鐵原料的冶金性能，進(jìn)而為高爐煉鐵提供優(yōu)質(zhì)原料。因此，鐵礦石造塊過程冷卻及余熱回收技術(shù)不僅有效提高鐵礦粉造塊過程的能量利用率，減少污染物排放，還能改善最終產(chǎn)品質(zhì)量。但現(xiàn)行的燒結(jié)球團(tuán)冷卻設(shè)備和冷卻工藝還有很大改進(jìn)空間，同時(shí)關(guān)于冷卻工藝的深層次機(jī)理也需要進(jìn)一步探究。為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排政策，促進(jìn)鋼鐵低碳綠色發(fā)展，優(yōu)化鐵礦石造塊過程中的冷卻與余熱回收技術(shù)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

1 冷卻設(shè)備工藝原理與余熱利用

隨著冶金工業(yè)生產(chǎn)裝備大型化發(fā)展，冷卻裝置不再是鐵礦石造塊生產(chǎn)線的末端輔助設(shè)備，已經(jīng)成為不可或缺的回收物料余熱的高效節(jié)能性設(shè)備。長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及研究單位在鐵礦石冷卻方面做了大量研究工作，各廠家也設(shè)計(jì)選用了不同類型的冷卻設(shè)備，冷卻方式主要包括帶式冷卻、環(huán)式冷卻和豎式冷卻三種。

1.1 帶式冷卻

帶式冷卻機(jī)臺(tái)車為矩形，沿直線運(yùn)行，熱的燒結(jié)礦、球團(tuán)礦均勻地分布在臺(tái)車上，不易產(chǎn)生布料偏析和短路漏風(fēng)的現(xiàn)象，形成一定厚度的料床，且冷卻氣流從底部穿過料床發(fā)生熱交換。帶式冷卻機(jī)典型的熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示[6]。冷卻二段出來的熱風(fēng)用于干燥鼓風(fēng)干燥段的生球；均熱段和焙燒段的熱風(fēng)由回?zé)犸L(fēng)機(jī)抽出，在抽風(fēng)干燥段繼續(xù)干燥生球；冷卻段的熱風(fēng)和燃料燃燒的余熱回收，用于球團(tuán)的預(yù)熱和焙燒；在冷卻一段和冷卻二段，球團(tuán)被冷卻風(fēng)機(jī)鼓入的冷風(fēng)冷卻[7-8]。帶式冷卻機(jī)具有流程緊湊、自動(dòng)化控制程度高的特點(diǎn)[9]，適合連續(xù)排礦，在保證鋪料均勻、不斷流、不拉溝的前提下冷卻效果好[10]。但它并不是一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備，而是帶式焙燒機(jī)的一段區(qū)域，其缺點(diǎn)是設(shè)備占地面積大、設(shè)備配件多，導(dǎo)致維修工作量大、維護(hù)費(fèi)用高、電耗高等問題[11]，而且由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)行過程中與風(fēng)箱、煙罩等存在大量的結(jié)合面，設(shè)備漏風(fēng)率高，低溫段煙氣溫度較低，回收價(jià)值少，一般直接排放。

圖1 球團(tuán)工藝帶式冷卻機(jī)熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)

1.2 環(huán)式冷卻

燒結(jié)是向高爐提供原料的一道工序，燒結(jié)餅經(jīng)破碎篩分后進(jìn)入給料溜槽，連續(xù)均勻地分布在回轉(zhuǎn)臺(tái)車的篦板上，在水平軌道上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)將冷卻空氣送至臺(tái)車風(fēng)箱，冷空氣穿過篦板與熱燒結(jié)礦接觸，經(jīng)過一定時(shí)間的熱交換后，燒結(jié)礦冷卻，臺(tái)車回轉(zhuǎn)到卸料區(qū)將冷燒結(jié)礦卸下至排料溜槽，進(jìn)而傳送到皮帶運(yùn)輸機(jī)上，此時(shí)臺(tái)車復(fù)位循環(huán)進(jìn)行下一次冷卻[10, 12]。環(huán)式冷卻余熱回收形成的回流換熱可以實(shí)現(xiàn)能源高效利用，設(shè)備作業(yè)率高，但也存在漏風(fēng)嚴(yán)重的問題[13]，冷卻效果逐漸變差，影響燒結(jié)礦質(zhì)量。

鏈篦機(jī)—回轉(zhuǎn)窯—環(huán)冷機(jī)工藝是生產(chǎn)球團(tuán)的主流工藝，球團(tuán)經(jīng)回轉(zhuǎn)窯焙燒后需要在環(huán)冷機(jī)內(nèi)進(jìn)行冷卻，使球團(tuán)最終溫度降至150 ℃左右[14]。環(huán)冷機(jī)與鏈篦機(jī)、回轉(zhuǎn)窯構(gòu)成回流系統(tǒng)，實(shí)際上環(huán)冷機(jī)相當(dāng)于鏈篦機(jī)—回轉(zhuǎn)窯的余熱回收裝置，其冷卻效果直接影響能量利用[15]，環(huán)冷機(jī)熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)如圖2所示[16]。環(huán)冷一、二、三段排出的熱廢氣分別進(jìn)入預(yù)熱Ⅱ段、預(yù)熱Ⅰ段和鼓風(fēng)段，有效回收高溫球團(tuán)冷卻余熱[14, 17]，顯著降低生產(chǎn)能耗。環(huán)式冷卻工藝流程長(zhǎng)，熱工響應(yīng)速度慢，工藝調(diào)整復(fù)雜，需要合理調(diào)整鼓風(fēng)量、環(huán)冷機(jī)速度和環(huán)冷風(fēng)機(jī)風(fēng)量保證球團(tuán)礦的冷卻效果，避免出紅球和燒皮帶事故的發(fā)生。

圖2 球團(tuán)工藝環(huán)冷機(jī)熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)

1.3 豎式冷卻

豎式冷卻工藝主要由冷卻系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、余熱鍋爐和循環(huán)風(fēng)機(jī)組成，如圖3所示[18]。冷卻氣體從豎爐底部鼓入，在冷卻段與熱礦進(jìn)行換熱，換熱后溫度升至400～500 ℃，高溫廢氣經(jīng)過一次除塵后進(jìn)入余熱鍋爐換熱降溫至150 ℃左右，鍋爐產(chǎn)生蒸汽進(jìn)行發(fā)電，同時(shí)經(jīng)汽輪發(fā)電后的蒸汽，經(jīng)除氧式冷凝器冷凝除氧后送至余熱鍋爐進(jìn)行循環(huán)。另一部分較低溫度的廢氣在給水預(yù)熱器中與純水進(jìn)行換熱，換熱后溫度降至約70 ℃，二次除塵后經(jīng)循環(huán)風(fēng)機(jī)再次送入冷卻段循環(huán)利用[19]。豎式冷卻借鑒干熄焦技術(shù)，采用密閉逆流冷卻原理[20]，將鼓風(fēng)機(jī)與冷卻段立式連接，在密閉的豎爐中對(duì)燒結(jié)礦和球團(tuán)礦進(jìn)行冷卻，降低了燒結(jié)漏風(fēng)率和粉塵排放量，提高了能量利用率，減少了污染物排放量。豎式冷卻用自上而下室式冷卻，料層高度明顯提高[21]，增強(qiáng)了對(duì)流換熱效率，提高了冷卻廢氣的溫度與穩(wěn)定性，余熱氣體品質(zhì)得到保證，進(jìn)而提高余熱鍋爐發(fā)電量，熱回收利用率可提高至80%～90%[18, 22-23]。但同時(shí)豎式冷卻由于料層高度增加會(huì)相應(yīng)出現(xiàn)料流不暢、熱交換不均勻的問題，若豎爐內(nèi)冷卻風(fēng)量的分布不盡合理也會(huì)造成排礦溫度不均勻的問題，在實(shí)際生產(chǎn)中還容易出現(xiàn)排料口堵死等問題[23]。由于球團(tuán)強(qiáng)度高、均勻性好、流動(dòng)性強(qiáng)、透氣性好，球團(tuán)礦采用豎式冷卻技術(shù)比燒結(jié)礦更為成熟[18]。

圖3 豎式冷卻工藝流程

綜上所述，不同冷卻方式的對(duì)比見表1。

表1 三種冷卻方式對(duì)比

2 冷卻制度的合理選用

2.1 燒結(jié)工藝?yán)鋮s制度的合理選用

燒結(jié)礦是一種由多種礦物組成的復(fù)合體，液相生成是燒結(jié)成型的基礎(chǔ)，其液相量和性質(zhì)影響著成品燒結(jié)礦質(zhì)量，但液相固結(jié)的速度及燒結(jié)礦冷卻制度也對(duì)燒結(jié)礦強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響。在冷卻過程中，燒結(jié)礦會(huì)產(chǎn)生不同的內(nèi)應(yīng)力，如燒結(jié)礦表面與中心存在溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力、各種礦物因具有不同熱膨脹系數(shù)而引起的相間應(yīng)力、硅酸鈣系產(chǎn)物在冷卻過程中的多晶轉(zhuǎn)變[24]所引起的相變應(yīng)力等[25]。這些內(nèi)應(yīng)力對(duì)燒結(jié)礦強(qiáng)度影響很大，內(nèi)應(yīng)力越大，燒結(jié)礦能承受的機(jī)械作用力就越小。高艷甲等[26]研究表明，當(dāng)燒結(jié)礦中堿度及硅含量較高時(shí)，正硅酸鈣的晶型轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲗?dǎo)因素，應(yīng)加大冷卻強(qiáng)度以減少晶型轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的相變應(yīng)力；當(dāng)堿度及硅含量較低時(shí)，則玻璃體為主導(dǎo)因素，應(yīng)適當(dāng)降低冷卻強(qiáng)度以減少玻璃體生成。此外，在冷卻過程中，燒結(jié)礦凝固的固相之間會(huì)發(fā)生連晶反應(yīng)，連晶反應(yīng)的完全度是影響燒結(jié)礦強(qiáng)度的重要因素。左海濱[27]等采用SEM和光學(xué)顯微鏡觀察了不同冷卻制度下復(fù)合鐵酸鈣(SFCA)的結(jié)晶狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)在空冷條件下，樣品中存在大量相互連接的赤鐵礦相，鐵酸鈣的結(jié)晶性得以改善，空冷燒結(jié)礦具有較高的強(qiáng)度；而由于冷卻速度太快，水淬燒結(jié)礦部分液相粘結(jié)相未礦化完全，以玻璃相形態(tài)賦存于燒結(jié)礦中，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。因此在生產(chǎn)燒結(jié)礦時(shí)，應(yīng)根據(jù)燒結(jié)礦自身的特性，設(shè)定合理的冷卻制度，在減少燒結(jié)礦冷卻過程中內(nèi)應(yīng)力生成的同時(shí)，盡可能地增加固相反應(yīng)程度，以保證燒結(jié)礦最佳的強(qiáng)度及冶金性能。

2.2 球團(tuán)工藝?yán)鋮s制度的合理選用

球團(tuán)礦固結(jié)是以赤鐵礦再結(jié)晶長(zhǎng)大為核心機(jī)制，核心反應(yīng)包含磁鐵礦氧化及新生赤鐵礦連晶固相固結(jié)[5]。在球團(tuán)氧化焙燒過程中往往有少量液相產(chǎn)生，特別是制備堿性球團(tuán)時(shí)，低熔點(diǎn)液相更容易生成。在冷卻過程中，球團(tuán)中液相體系填充在孔隙中把顆粒粘結(jié)在一起，并在一定的冷卻制度下結(jié)晶或形成玻璃體，因此，冷卻制度對(duì)于球團(tuán)礦質(zhì)量有著重要影響。

有研究表明[28]，球團(tuán)在空氣中冷卻時(shí)，在磁鐵礦核和赤鐵礦殼的邊界會(huì)產(chǎn)生徑向拉伸應(yīng)力，將磁鐵礦核從赤鐵礦外殼中分離出來，形成球團(tuán)三區(qū)結(jié)構(gòu)，即磁鐵礦核—赤鐵礦外殼—表面磁鐵礦膜，表面磁鐵礦膜厚度的增加會(huì)減少核—?dú)そ缑鎻较蚶鞈?yīng)力，提高球團(tuán)強(qiáng)度。當(dāng)表面赤鐵礦含量超過75%時(shí)，切向拉伸應(yīng)力數(shù)值大于徑向拉伸應(yīng)力，磁鐵礦殼發(fā)生開裂。在中性氣氛中冷卻時(shí)，高溫焙燒和無氧介質(zhì)促進(jìn)了赤鐵礦的離解，這個(gè)過程從表面往球團(tuán)內(nèi)核進(jìn)行，在球團(tuán)表面形成磁性殼層(磁鐵礦膜)。由于磁鐵礦殼和赤鐵礦核的凝固溫度不同，球團(tuán)內(nèi)產(chǎn)生不同的應(yīng)力，導(dǎo)致界面處同心裂紋，降低球團(tuán)礦強(qiáng)度。伍岳、朱德慶[29]等分析了空冷和水冷對(duì)球團(tuán)礦冶金性能的影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)得空冷球團(tuán)抗壓強(qiáng)度比水冷球團(tuán)高15.22%～67.28%(兩種冷卻制度對(duì)球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的影響見圖4)。分析原因是水冷球團(tuán)冷卻速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自然冷卻球團(tuán)冷卻速度[29]，球團(tuán)礦內(nèi)部粘結(jié)鍵斷裂，增加球團(tuán)破壞的溫度應(yīng)力，使其抗壓強(qiáng)度和其他物理性能大大削弱。在10～25 mm粒度范圍內(nèi)，同一冷卻制度下，隨著球團(tuán)粒度增大，球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度也呈上升趨勢(shì)。因此在球團(tuán)冷卻工藝中，應(yīng)選擇合適的冷卻溫度，降低球團(tuán)破壞的溫度應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力，避免球團(tuán)出現(xiàn)分層和同心裂紋；適當(dāng)增大球團(tuán)粒徑，有利于提高球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度，為高爐煉鐵提供優(yōu)質(zhì)的含鐵爐料。

圖4 不同冷卻制度對(duì)球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的影響

3 冷卻工藝調(diào)整優(yōu)化措施

目前冷卻工藝存在物料粒徑不均勻分布、漏風(fēng)率高和余熱回收利用率低三個(gè)問題，針對(duì)以上問題進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

3.1 分層布料技術(shù)

物料粒徑不均勻分布導(dǎo)致冷卻裝置內(nèi)部換熱不均勻，影響余熱回收利用[30]。隨著燒結(jié)礦粒徑和球團(tuán)礦直徑減小，單位體積料層的換熱面積增加，換熱效率提高，料層冷卻速度加快。隨著燒結(jié)礦粒徑與球團(tuán)礦直徑增大，燒結(jié)礦與球團(tuán)礦的外殼與內(nèi)核會(huì)存在溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力增大，影響燒結(jié)礦和球團(tuán)礦質(zhì)量，不利于后續(xù)操作。Jang等[31]研究表明，物料粒徑與孔隙率越小，換熱系數(shù)越大，換熱量越多?；谟酂峄厥樟康姆治觯瑢?shí)行分層布料工藝后，大粒徑物料分布在臺(tái)車底部，小粒徑物料分布在臺(tái)車中部，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中余熱利用的最大化，并有助于改善溫度場(chǎng)分布的均勻性。李茂等[30]研究結(jié)果表明，相較于標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)工況，采用分層布料工藝可以增加14%的余熱回收量。工業(yè)實(shí)踐表明，采用球團(tuán)分層布料技術(shù)燃耗降低約10%，焙燒機(jī)生產(chǎn)能力提高約18%，同時(shí)球團(tuán)礦的理化性能得到改善[6]。

3.2 厚料層燒結(jié)/焙燒技術(shù)

在鐵礦石燒結(jié)過程中，厚料層燒結(jié)技術(shù)可以提高熱能利用率、改善燒結(jié)礦質(zhì)量、降低燃料消耗?；跓Y(jié)料層的自動(dòng)蓄熱作用，在相同風(fēng)量前提下，適當(dāng)提高料層厚度，使得料層高溫保持時(shí)間長(zhǎng)，液相量生成增加，礦物結(jié)晶更加充分[24]，燒結(jié)礦結(jié)構(gòu)改善，從而提高燒結(jié)礦強(qiáng)度及成品率[13]。對(duì)于球團(tuán)工藝，隨著料層厚度的增加，環(huán)冷機(jī)的轉(zhuǎn)速或帶式機(jī)的運(yùn)行速度降低，球團(tuán)礦在環(huán)冷機(jī)/帶式機(jī)內(nèi)停留的時(shí)間增加，熱量被充分置換，提高了冷卻效果[6]。

3.3 漏風(fēng)治理與節(jié)能技術(shù)

漏風(fēng)率的高低直接影響燒結(jié)產(chǎn)量及各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，對(duì)于環(huán)式冷卻和帶式冷卻工藝，在運(yùn)行過程中，由于循環(huán)使用熱風(fēng)提高了風(fēng)溫，增大了熱輻射，使得冷卻設(shè)備與風(fēng)箱、煙罩等結(jié)合部位出現(xiàn)大量漏點(diǎn)，排放的熱廢氣溫度低、風(fēng)量小，嚴(yán)重制約了熱能的高效利用。因此，結(jié)合具體工藝條件，對(duì)燒結(jié)機(jī)風(fēng)箱、煙道、放灰平臺(tái)等進(jìn)行全面檢查，更換短節(jié)、閘閥、法蘭等部件或進(jìn)行補(bǔ)漏處理[13]。一般經(jīng)過補(bǔ)漏處理，可將風(fēng)機(jī)系統(tǒng)漏風(fēng)率降至50%以下[32]。采取相應(yīng)的漏風(fēng)治理措施或進(jìn)行必要的技術(shù)改造，降低漏風(fēng)率，提高余熱回收系統(tǒng)廢氣溫度，減少鼓風(fēng)量，降低電耗。

4 結(jié)論

(1)冷卻設(shè)備主要可分為豎式冷卻、帶式冷卻和環(huán)式冷卻三種，不同冷卻方式因冷卻機(jī)理不同，導(dǎo)致冷卻效率及余熱回收率存在顯著差異。其中，豎式冷卻極大改善余熱回收，熱回收利用率可達(dá)90%；燒結(jié)漏風(fēng)是環(huán)式冷卻余熱回收利用的瓶頸；帶式冷卻適合直接排礦，但粉塵易外泄，環(huán)保效果差。

(2)不同冷卻制度對(duì)燒結(jié)礦、球團(tuán)礦的質(zhì)量有著重要的影響。均勻、緩慢冷卻有利于液相粘結(jié)相的結(jié)晶發(fā)展，利于強(qiáng)度的改善；反之，冷卻強(qiáng)度過大則會(huì)產(chǎn)生玻璃體，影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)設(shè)定合理的冷卻制度，減少冷卻過程中內(nèi)應(yīng)力的生成，提高固相反應(yīng)程度，得到高強(qiáng)度及優(yōu)異冶金性能的燒結(jié)礦及球團(tuán)礦。

(3)通過分層布料技術(shù)、厚料層燒結(jié)技術(shù)、漏風(fēng)治理與節(jié)能技術(shù)等優(yōu)化措施的實(shí)施，可有效提高余熱回收率，改善冷卻效果。

(4)冷卻工藝的關(guān)鍵技術(shù)研究與工業(yè)實(shí)踐有助于鐵礦石造塊過程冷卻工藝及設(shè)備的改進(jìn)。通過設(shè)備研發(fā)與創(chuàng)新，工藝技術(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化等措施，可實(shí)現(xiàn)煉鐵工藝造塊過程能量的高效利用。