一种圆形隧道式转底炉及炼铁方法
本发明所属冶金领域,涉及非高炉炼铁的一种圆形隧道式转底炉及炼铁方法。
铁矿石直接还原与熔融还原是非高炉炼铁方法的两大课题,其中直接还原铁具有化学成分稳定等诸多优点,是电炉冶炼优质钢及特种钢的理想原料,低成本高产能的直接还原铁生产工艺是“以煤代焦”钢铁生产的重大课题。现今我国生产直接还原铁是以煤基法为主,其主流工艺有隧道窑法、回转窑法、转底炉法和竖炉等方法。上述方法虽然能够生产出合格产品,但都因为产量低、投资大、成本高、能耗高和环境污染等问题,严重地阻碍着直接还原铁的应用和发展。
本发明是以破解已有直接还原铁窑炉产量低、成本高、能耗高和投资大等技术难题为目的,提供一种产量高、成本低、效率高、投资较少并节能环保的一种圆形隧道式转底炉及炼铁方法。
1.圆形隧道式转底炉。
所述圆形隧道式转底炉包括:圆形隧道式炉体、移动接触装置、动车式水冷旋转炉底和多层料盘车。
1.1圆形隧道式炉体。所述圆形隧道式炉体是由建筑材料、耐火材料、隔热保温材料和配套设备构成的一种横断面为隧道式,俯视为正圆形的炉体,并按着工艺要求将其划分为四个阶段。1.1.1预热段:所述预热段的进料口设有气幕装置,其作用是在保障炉料入炉畅通的前提下,阻断炉体内外气体流通;在该预热段炉膛顶部,设有与还原段连通的列管式空气预热器,其作用是利用该段的余热,对列管内的空气实施预热。1.1.2还原段:所述还原段两侧炉墙设有煤气烧嘴和煤粉烧嘴组群,其中煤气烧嘴位于还原段初端(靠预热段一侧);所实施的煤粉燃烧是为炉料还原提供热能的主要措施,煤气燃烧起到辅助作用;烧嘴组群的横排数量与燃烧室层数相同,至少设置1排,纵排数量是以还原时间和炉底转速为参照,并留有2~10个余地,以便用于调节烧嘴的燃烧数量,适应不同的还原温度和还原时间;在该还原段炉膛顶部,设有与预热段连通的列管式空气预热器,其作用是进一步加热列管内的空气。1.1.3冷却段:所述冷却段的出料口设有气幕装置,其作用是在保障炉料排出畅通的前提下,阻断炉体内外气体流通;在冷却段末端(靠排料口一侧)两侧炉墙的中上部,设有冷煤气输入装置,其作用是向冷却段输入微正压冷煤气;在冷却段初端(靠还原段一侧)两侧炉墙的中上部,设有耐高温的煤气风机,并通过保温管道与煤气烧嘴连通。1.1.4排料装料段:所述排料装料段位于冷却段和干燥预热段之间,该段取消了旋转炉底上部的炉墙和炉盖,使进入该段的多层料盘车处于裸露状态,以便于排料和装料。
1.2.移动接触装置。所述移动接触装置,是动车式水冷旋转炉底在炉膛内运转时,移动部件与固定部件相互接触的装置,该装置包括砂封槽、水封槽、圆形钢轨和移动接触供电装置。1.2.1砂封槽:该砂封槽设置于两侧炉墙横向断面的内侧中部,其作用是利用槽内装填的耐火沙粒与旋转炉底设置的砂封刀配合,起到在移动接触过程中,阻止火焰向下部传播的作用。1.2.2水封槽:该水封槽设在砂封槽下部,其作用是利用槽内的循环水与旋转炉底设置的水封刀配合,起到在移动接触过程中,阻止炉内气体外泄和向水冷系统供水的作用。1.2.3圆形钢轨:该圆形钢轨铺设于炉体最底部,与炉体同一圆心,其作用是为旋转炉底提供运行轨道。1.2.4移动接触供电装置:该移动接触供电装置设在一侧砂封槽底部,其电线围绕炉体架设,构成一组环形电线;设于动车上的移动电源接触器与环形电线移动接触,为旋转炉底提供动力电源。所述环形电线是由一台变频器控制,实现旋转炉底电机的变速。
1.3.动车式水冷旋转炉底。所述动车式水冷旋转炉底就位于炉膛底部的钢轨之上,其驱动原理与铁路客运“动车组”的驱动原理基本相同,是由2节以上动车组成一种首尾连接,并与圆形炉墙和圆形钢轨同一圆心的圆形旋转炉底,动车两侧装有相互连接的砂封刀和水封刀,每一节动车都装有独立的隔热支撑装置、循环水冷却装置、移动电源接触器和驱动装置。1.3.1砂封刀:位于动车上部的砂封刀,围绕动车两侧,插入炉体砂封槽的耐火砂粒中,起到阻止高温气体向下传播的作用。1.3.2水封刀:位于砂封刀下部的水封刀,围绕动车两侧,插入炉体水封槽的循环水中,起到封闭炉内气体的作用。1.3.3隔热支撑装置:该装置位于水冷炉底上部,是由支撑墙、隔热填料层和耐高温的承重板构成,起到隔热和承载料盘车的作用。1.3.4循环水冷却装置:为了防止电机和其它部件受炉底高温的影响,采用水冷炉底、水冷式电机、水泵和水封槽,构成循环水冷却系统,以便保障电机和相关部件在安全温度中连续运转。1.3.5移动电源接触器:安装于轨道轮上部的移动电源接触器,与围绕炉体一侧的环形电线移动接触,为旋转炉底提供动力电源。1.3.6驱动装置:安装于水冷炉底底部的水冷式动车电机,带动蜗轮减速机、传动轴和两端的轨道轮,实现炉底转动;由于所有轨道轮和轴的中心线都与圆形钢轨的中心点相交,从而实现水冷式旋转炉底沿着圆形轨道,平稳匀速循环运转,并在循环通过各个阶段的过程中,连续完成各个工序。
1.4多层料盘车。所述多层料盘车是用耐火材料制造,料盘的平面形状与动车承重板的平面形状相同,其中最下层料盘的底部装有耐高温滚轮,上下料盘之间由耐火柱支撑,其空间为燃烧室,燃烧室与炉墙两侧的烧嘴相对应,构成一种至少上下2层料盘的料盘车;装有炉料的料盘车由旋转炉底承载,并随同旋转炉底连续完成预热、还原、冷却和排料装料工序;在排料装料工序中,料盘车可利用其滚轮,脱离旋转炉底,到料场实施炉料装卸。
2.炼铁方法。所述炼铁方法是采用相同的炉内运转工艺,而选择不同的还原炉料、还原温度和还原时间,从而得到不同的产品,其还原方法包括含碳球团还原法、渣铁分离法和粉料平铺还原法。
2.1炉内运转工艺。2.1.1炉料的干燥和预热:装有湿球团或平铺粉料的多层料盘车,随着旋转炉底的转动,通过进料口和气幕,匀速通过预热段;由还原段产生的高温烟气,在排烟装置的引力下,与料盘车逆向运动,通过热交换效应,实现炉料的干燥并预热到400~700℃;在上述气体对炉料干燥和预热的同时,空气预热器中的空气也被逐渐加热;烟气携带的粉尘,绝大部分散落于料盘表面并随同炉料排出;由还原炉输出的最终尾气经过净化,部分作为气幕用气,剩余尾气通过烟囱排出。2.1.2焙烧还原:完成干燥和预热的炉料,随着旋转炉底的转动,匀速进入还原段;位于还原段初端两侧炉墙的煤气烧嘴,是由设于冷却段初端的煤气风机提供热煤气,由列管式空气预热器提供助燃的二次高温空气,向料盘之间形成的燃烧室喷射火炬实施燃烧,并将炉温控制在700℃以上,为煤粉燃烧做好铺垫;煤粉烧嘴是由磨煤喷粉机提供煤粉,由列管式空气预热器提供助燃的二次高温空气,向已被煤气加热到700℃以上的燃烧室喷射煤粉实施燃烧,使炉料达到还原所需要的温度,并保持相应的还原时间,即完成还原工序。所述还原时间,是采用调节纵向烧嘴的燃烧数量和炉底转速实现。2.1.3还原炉料的冷却:完成还原工序的炙热炉料和煤粉燃烧产生的灰尘,随着旋转炉底的转动,匀速进入冷却段;位于排料口气幕内端的冷煤气输入装置,向冷却段连续输入微正压冷煤气,冷煤气与炙热炉料逆向运动并接触,实现热交换,最终由煤气风机引出并输送给煤气烧嘴燃烧,从而实现微正压煤气出入畅通、炉料余热回收与冷却和保障煤粉初燃所需炉温之目的。2.1.4还原炉料的排出与装盘:已还原炉料经过冷却段,温度降至70-50℃后,通过气幕进入排料装料段;处于裸露状态的多层料盘车,牵引至料场实施卸料和装盘,然后重新返回旋转炉底。卸出的还原炉料通过筛分,去除粉尘和残余物,即获得直接还原铁球团。
2.2含碳球团还原法。所述含碳球团还原法是采用65%以上的低硫磷铁精矿粉,利用已有造球技术,制造出一种具有免除造球粘结剂和防氧化特征的“甲壳式含碳球团”为炉料,采用免除球团干燥工序的湿球团直接入炉工艺,其还原温度为1100~1350℃;还原时间为10~20分钟,最终获得的直接还原铁球团质量,达到或超过国家一级标准。2.3渣铁分离法。所述渣铁分离法是在含碳球团还原法的基础上,继续加温至球团熔融而实现渣铁分离的工艺,其程序是:当防含碳球团温度达到1100~1350℃并保持10~20分钟的还原时间后,继续升温至1500~1550℃,并保持6~10分钟的分离时间,即实现炉渣和液态铁的分离,使最终得到的产品,达到钢的标准。
2.4粉料平铺还原法。所述粉料平铺还原法是将重量比为90%~99%煤粉或炭末和0.1%~5%白云石粉或石灰混合,制成具有脱硫功能的还原剂。还原剂平铺于料盘,压实厚度为20-60mm,形成还原料层;采用69%以上品位的低硫磷铁精矿粉作为还原炉料,平铺于还原料层上面,压实厚度为30-60mm,形成矿粉层;将消石灰、粉煤灰、粘土和适量水混合成乳膏状,为防氧化喷涂料;利用喷浆设备,将防氧化喷涂料喷涂于矿粉层表面,形成0.5-3mm的防氧化层,然后进入还原炉。该方法的还原温度与含碳球团法相同,还原时间则适当增加,最终经过分离得到的产品是高品位板块状直接还原铁,再经过深入加工,适用于粉末冶金领域。
本发明具有如下优点:
1、由于本发明多料层转底还原炉的技术方案,可设计出任意长度的炉体直径,能够为还原炉料在炉内连续完成干燥、预热、还原、冷却和余热回收工序,提供充足的空间和时间,从而实现湿球团连续入炉和还原球团连续出炉的快捷工艺,不但简化了工艺、减少了投资、而且适应大规模生产。2、本发明湿球团直接入炉工艺、空气预热器和微正压煤气与炙热球团的热交换工艺,节能减排效果显著。3、本发明采用的动车式水冷旋转炉底,将动力平均分配到每节动车,相对已有转底炉技术,不但减少了炉底旋转的阻力,而且保障了旋转炉底的平稳运行。4、本发明采用的多层料盘车和煤粉与煤气结合燃烧技术,与单料层燃气式转底炉比较,可数倍增加产能和大幅度降低生产成本。5、本发明的生产方法,可以生产出不同产品,有效地拓展了还原炉的用途。
下面通过附图并结合其实施方式加以详细说明
附图1是本发明转底炉高温还原段的横向结构剖视图;
附图2是本发明转底炉进出料口气幕装置的横向结构剖视图;
附图3是本发明转底炉进料段气幕装置纵向结构的剖视图,和组合式料盘车入炉过程的俯视图。
附图序号名称:1耐火层、2保温层、3砌筑层、4拱形耐火层、5拱形保温层、6空气预热器、7圆形钢轨、8移动电源接触器、9环形电线、10动车电机、11蜗轮减速机、12动力输入轮、13主动轴、14轨道轮、15水封刀、16水封槽、17水泵、18吸水管、19水冷炉底、20出水管、21热水输出管、22冷水补充管、23支撑墙、24隔热填料、25承重板、26砂封槽、27砂封刀、28一层料盘、29滚轮、30二层料盘、31三层料盘、32支柱、33一层烧嘴、34二层烧嘴、35料盘底孔、36风刀室围墙、37风刀室隔墙、38工艺门、39风刀、40导气室围墙、41导气室隔墙、42下隔板、43上隔板、44导气室、45高压风机、46高压风管、47供气管道、48气幕室顶盖、49排气管、50a料盘车、51b料盘车、52c料盘车。
参见附图1
由耐火层1、保温层2、砌筑层3构成内外炉墙,由拱形耐火层4、拱形保温层5构成炉顶,由炉墙和炉顶构成圆形隧道式炉体。在炉膛顶部设有列管式空气预热器6,该空气预热器连通冷却段和还原段。动车式旋转炉底,就位于炉膛底部的圆形钢轨7上面,并沿着圆形钢轨路线循环运转。旋转炉底的驱动是由移动电源接触器8与环形线路9移动接触,向动车电机10提供动力电源。动车电机通过蜗轮减速机11的动力输入轮12,将动力传输给蜗轮,蜗轮再通过主动轴13,将动力传递给两侧的轨道轮14,从而实现动车沿着轨道循环运转。水封刀15插入水封槽16,实现炉内气体封闭。动车电机10和水泵17的电机都是采用水套冷却方式,其水套相互连通;1-2台循环水泵17在温控装置的自动控制下,通过各自的吸水管18从两侧的水封槽底部吸入冷水,增压后由动车电机10的水套底部输入,经电机水套顶部进入水冷炉底19;输入水冷炉底的循环水,通过插入水冷炉底顶部的出水管20,返回两侧水封槽16。水封槽内的循环水,是由温度控制器控制热水输出管21,将高温循环水排出炉外进行冷却;经过冷却的循环水,由冷水补充管22,返回水封槽。在水冷炉底顶部设有的耐高温支撑墙23,起到围阻隔热填料24和支撑耐高温承重板25的作用。用耐火材料制造的砂封槽26位于支撑墙23两侧,其内部装有流动性好的耐高温沙粒;位于承重板25底部两侧的砂封刀27,插入耐高温沙粒之中,起到封阻高温气体的作用。用耐火材料制造的多层料盘车就位于承重板25上面,一层料盘28的底部装有耐高温滚轮29;二层料盘30、三层料盘31或再增加料盘,都是由支撑柱32支撑。炉墙两侧的一层烧嘴33和二层烧嘴34或再增加的烧嘴层数,都与各层燃烧室相对应,并将燃料喷射于两层料盘之间形成的燃烧室燃烧。在二层以上料盘,都设有利于热传播的八字形料盘底孔35(渣铁分离法不设此孔),各料盘装载的球团厚度为30~80毫米之间,其中二层料盘30,由于双面加热,所以装料厚度应高于顶层和底层料盘。
参见附图2,和附图3表示的进料段气幕装置。
所述进料段气幕装置和排料段气幕装置的结构和作用相同,是由风刀室围墙36、风刀室隔墙37和工艺门38构成两个风刀室;风刀39两个为一组,分别安装于两个风刀室中,该两组风刀,其中一组工作,另一组备用。上述风刀与多层料盘车侧面相对应,所喷射的高压气体横切炉体断面,形成高压气幕。由导气室围墙40、导气室隔墙41、下隔板42和上隔板43构成导气室44;气幕尾气进入导气室后,经过高压风机45增压后,通过高压风管46向风刀39供气。上述续循气体,是利用经过净化处理的还原炉尾气,该尾气通过供气管47供应或补充,少量散落于外部的气幕气体,进入气幕室顶盖48所形成的空间,并由排气管49排出。
参见图3
该图所表示的多层料盘车入炉过程是:a料盘车50是已经完成排料工序,并装满新球团,处于就位之前的状态;b料盘车51是已经就位于旋转炉底的状态;c料盘车52是通过气幕过程的状态。