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高炉炼铁技术的转型升级和创新之路

浏览次数: 日期:2017年1月4日 08:58
转变技术创新的观念和理念 
 
当前形势下的高炉炼铁领域的技术创新,必须进行多领域的技术交汇和融合,构建以基础理论为先导的知识创新、以面向生产为核心的技术创新和以信息化为载体的管理创新;形成科学研究、技术研发、管理与制度创新互相交汇、相互促进的新业态,从而解放思想。这里特别强调管理层要率先实现观念的创新。
 
开发与推广炼铁新技术 
 
烧结─高炉一体化智能配料系统。近年来,国内外众多钢铁企业实施低成本战略。作为占铁水成本一半以上的烧结矿,其成本的高低直接影响铁水成本。传统的铁矿石评价和烧结配料优化方法都是建立在获得最低烧结成本的基础上,但在实际生产中发现,这种追求最低烧结成本的评价或配比优化,并不意味着铁水成本的降低。常常由于低成本烧结矿性能变差、渣量增多、焦比升高、炉渣性能不稳定,铁水成本反而可能升高。因此,有必要从整个炼铁工序总成本出发,建立烧结配料以及高炉炉料结构一体化的优化模型。北京科技大学以适宜的炉渣碱度和镁铝比作为配料目标,综合考虑烧结矿成分、铁矿粉烧结基础特性指标、高炉的有害元素负荷以及每种原料的配比限制,同时对高炉炉料结构进行优化,取得了良好的效果,是一个有益的尝试。
 
拓展兰炭等辅助燃料在高炉炼铁中的应用。燃料在高炉内起着重要的作用,其行为过程极为复杂。随着优质焦煤以及高炉喷吹用煤资源的减少,兰炭的开发利用是一条重要的途经。我国有丰富的兰炭资源,作为低阶煤低温干馏的产品,根据粒径不同分为大块、中块、小块和粉状兰炭。过去,兰炭主要作为铁合金、化肥、电石等行业的燃料和还原剂,也是生产活性炭等化工产品的原料。考虑到兰炭具有三高、四低的特点(固定碳高、化学活性高、比电阻高,灰分低、铝低、硫低、磷低),尤其是价格比较便宜,将兰炭应用于炼铁过程可以降低铁水成本。
 
有研究表明,块状兰炭基本成分符合高炉入炉标准,有害元素含量较低;粉状兰炭气化反应速率明显高于焦粉,兰炭起始反应温度和剧烈反应温度远低于焦炭,兰炭与CO2有较强的结合能力。大量研究和工业试验证实,兰炭可部分替代焦粉作为烧结燃料,也可作为高炉喷吹燃料。
 
高炉可视化及其控制技术。高炉作为一个逆流密闭反应器,其内下降炉料和上升煤气之间进行复杂的传热、传质、动量传输以及还原反应、碳素溶损反应等,决定着高炉的生产效率和顺行程度。高炉操作者通过温度、压力、流量和煤气成分等检测数据来判断炉况、操作高炉。
 
高炉炉顶摄像仪已经在高炉上获得了广泛的应用,对监测炉内气流分布状况、发现设备故障和指导高炉操作发挥了重要作用。为了监控生产高炉的料面形状,业内成功开发了激光在线料面形状探测技术。其特点是用激光对料面进行扫描,用摄像机录取激光斑点在料面上的图像,计算机采集处理后,通过现代影像技术得到料面形状的直观图像,同时得到料面形状的实时数据和布料曲线。这一技术在国内外高炉的成功应用,极大地丰富了高炉上部调剂的知识,有效地改善了高炉气流分布,提高了煤气利用率,达到了降低焦比的目的。此外,高炉风口红外摄像仪和图像信息处理系统的成功开发,使得高炉工长可同时观察到各个风口的明亮程度、焦炭的运动情况、喷吹煤粉流股的大小等风口工作状况的图像,及时发现渣皮和冷料滑落到风口前的异常炉况,有效地指导了高炉操作。
此外,通过对冷却壁温度、水温差和热流强度等参数的监测,并进行相关研究,业内开发并建立了高炉热流强度三维模型,以了解高炉操作炉型的变化,用以指导高炉上下部调节,维持合理的煤气流分布,实现对高炉操作炉型的管理,以确保大型高炉稳定顺行。
 
与此同时,了解和研究高炉软熔带的形状和性态对高炉生产具有重要意义。我国开发了高炉软熔带数学模型,对高炉软熔带的形状、位置和软熔带厚度等与高炉操作之间的关系开展了研究,有效指导了高炉生产。
 
高炉粉尘处理技术。炉尘是高炉炼铁过程的排出物。在高炉冶炼过程中,铁矿所含的杂质锌、铅等被还原并形成蒸汽,与矿石、焦炭和熔剂等微细粉尘一起,由高炉煤气带出炉外,在煤气除尘净化系统捕集。煤气除尘系统由重力除尘和精细除尘二段组成,经第一段捕集下来的干式粗粒粉尘称为重力灰;第二段精细除尘器采用干式布袋收尘器或湿法除尘系统,用前者捕集下来的干式细粒粉尘称为瓦斯灰(高炉灰、轻灰),后者经沉淀处理所得污泥称为瓦斯泥。我国高炉炉尘的吨铁产出量约为15千克~25千克,通常重力灰和瓦斯泥(灰)之比约为(0.7~0.6):(0.3~0.4)。瓦斯灰成分复杂、粒度细小、水分质量分数波动大,对它的利用较为困难。我国年产瓦斯灰约400万吨~600万吨。当今从循环经济的角度出发,应将其视为宝贵的二次资源,实现综合利用及再资源化。目前,处理粉尘的工艺主要包括转底炉工艺、OXY-CUP工艺等。
 
特别值得关注的是云南红河锌联公司长年致力于钢铁工业废弃物的再资源化,历经多年开发成功钢铁烟尘火法富集─湿法分离多段集成耦合处理技术,对钢铁烟尘进行彻底的无害化处理,并在环境友好的前提下实现综合回收与循环利用,使钢铁烟尘转化为可用于后期处理的次氧化锌粉,并最终回收出锌、镉、铟、铋、锡、铅等多种有色金属。这一流程中,去除有害杂质后的废渣用于生产环保免烧砖,生产流程可配套余热发电以实现节能,整个生产过程实现零排水、零排渣、废气达标排放。该项技术具有良好的经济效益和社会效益,在国际上处于领先地位。
 
镁质球团技术。高炉冶炼对炉渣化学成分有一定的要求,国内一般认为当炉渣碱度为1.0~1.2、A12O3质量分数为13%~15%、MgO质量分数为10%~12%时,炉渣的性能最佳,高炉能达到较好的冶炼效果。矿石中MgO质量分数不足以提供炉渣所需的MgO,因此通常要往高炉炉料中添加含镁熔剂。直接向高炉内添加含镁熔剂并不经济,因为主要的含镁熔剂白云石、菱镁石加入高炉后,碳酸盐分解吸热,会使高炉焦比明显上升。
 
生产低硅烧结矿时,一般控制MgO质量分数在2.0%以下,这也不能满足高炉对MgO的需求。因此,希望有一部分MgO添加到球团矿中。研究表明,含镁球团有很好的冶金性能。但是,含镁球团具有难焙烧和强度差的特点,给工业生产带来困难。因此,有必要进一步研究适宜的镁质添加剂和合适的加入量对球团矿质量的影响,明确镁质添加剂配加量及类别对造球过程、干燥过程、预热和焙烧过程的影响,强化镁质添加剂对球团矿高温冶金性能的影响。这一研究工作取得了重大进展。首钢京唐公司进行了配加MgO粉的工业试验,所生产的高镁球团矿各项指标均优于此前的在产球团,而且成本优势明显,高炉冶炼也取得很好的效果。
 
超级烧结技术。值得关注的是,日本JFE钢铁公司成功开发了向烧结机喷吹混合可燃气体的技术———超级烧结技术(Super-SINTERTM),可以使烧结机的生产效率提高5%,且对高炉生产也有利。该技术已在JFE的千叶分厂和京滨分厂推广。该技术使用氢系气体燃料替代部分焦粉,向烧结机上的原料喷吹。由于氢系气体燃料的燃点与焦粉不同,因此,使用氢系气体燃料时,烧结反应的温度可长时间保持在最适宜的范围内,使得烧结过程中的能源效率大幅提高。
 
提高高炉操作水平 
 
提高鼓风温度。风温带入高炉的热量,可以全部替代燃料在风口前燃烧放出的热量,因此是以自产低热值煤气取得高温的最有效手段。目前,风温带入的热量占高炉冶炼热收入的16%~20%,较低数值(16%)出现在高富氧低燃料比的吨铁风耗少的高炉,高值(20%)则出现在不富氧或低富氧高燃料比的吨铁风耗多的高炉。在现有高炉的冶炼条件下,风温提高100℃可降低燃料比1.5%~3%(低值适用于风温1150℃以上,高值适用于风温1000℃±50℃),这几年,我国高炉风温已经有了长足的进步,但是在不同层次的发展并不平衡,还有继续提高的余地。
 
炼铁燃料高效利用。过去,有些企业有时过分追求高煤比操作,但随着成本和环保的压力,越来越多的企业更关注经济的喷煤量。在钢铁行业“新常态”形势下,钢铁企业首先要立足于燃料成本最低,充分考虑煤焦置换比、煤焦价格差距、煤粉利用率、富氧率等因素,形成一套基于燃料成本最低、降低生铁成本的富氧喷煤技术思路。与此同时,科学采购、经济采购是降低生铁成本的重要工作,采购性价比高的煤种,优化配煤,合理配置各类喷吹煤的资源。为了缓解对优质喷吹煤资源的过分依赖,钢铁企业应该立足本地资源,不断创新喷吹工艺。例如完善全烟煤喷吹工艺,探索高比例褐煤喷吹工艺、高比例兰炭喷吹工艺,以及生物质能源和城市废弃物喷吹工艺。当然,也要重视煤粉催化燃烧、煤粉预热燃烧技术的研究,以及氧煤枪技术的创新发展,促进碳质能源在高炉的高效转化。
 
焦炭在高炉中的作用至关重要,良好质量的焦炭不仅对高炉的冶炼至关重要,还与铁水成本紧密相连。我国钢铁企业应该针对不同高炉的条件,研究具体的焦炭劣化过程,完善不同高炉的焦炭质量评价体系。与此同时,加强炼焦与炼铁行业之间的交流,尤其重视炼焦配煤、增加非黏结性煤的比例而保证良好质量的措施,实现全流程的工艺进步和降低生铁成本。
 
长寿高炉操作。为了延长高炉寿命,许多专家建议,大修和新建高炉不要过分强调开炉后3天~7天达产,如果有条件,可以冶炼10天~20天铸造生铁。这样,铁水中的石墨碳可能析出,填入砖缝以及砌筑和烘炉时产生的间隙,有利于炉底炉缸日后的维护。值得注意的是,许多企业开炉开始护炉,护炉坚持始终;而且高炉转入正常生产时,十分注意维持与冶炼条件相适应的冶炼强度。有些企业坚持以料柱允许的最大炉腹煤气量为极限,从而达到稳产高产的目的,而不盲目追求高冶炼强度。还有些企业根据炉容大小确定适宜的炉体热负荷,严密监测冷却器工作状况,密切关注冷却器的漏水和串煤气现象,发现问题及时休风更换,或按照规范灌浆处理,以堵塞串煤气通道。经验证明,配备完善的监测设施,选用适当的炉体侵蚀在线模型,改进高炉操作,避免边缘气流过分发展,及时处理炉墙出现的问题,都是有效的措施。一般而言,开炉后一年左右,应该进行一次含钛炉料护炉操作,以后按照一定周期重复进行,以确保炉缸侧壁厚度在安全生产允许范围之内,这样才能确保高炉安全长寿。此外,还要非常重视炉前操作,控制出铁速度,大型高炉出铁速度力求维持在7t/min~8t/min,中型高炉控制在6t/min左右;一般而言,一天出铁次数应该在9次以下,炮泥耗量应该在0.5kg/t以下。与此同时,原燃料带入炉内的有害物质不要超标(K2O+Na2O≤3kg/t,Zn≤0.15kg/t等),定期排出炉内循环富集的有害元素;建议含碱金属和Zn含量高的布袋除尘灰不要再返回烧结,以切断有害元素富集链条,从而延长高炉炉墙尤其是炉底炉缸的寿命~
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