论文部分内容阅读
摘要：在莱钢炼铁厂设计了一套试验装置，利用环冷机热废气进行了热风烧结实验。研究了热风温度、燃烧速度、燃料配比与烧结矿质量的关系。结果表明，应用热风进行烧结，在保证烧结矿的物理强度的前提下，可以在一定范围内降低配碳量，并且利用系数与转鼓指数相比常温时都有所提升。在实验室条件下，利用热风进行烧结具有一定实用价值。
关键词： 热风烧结，余热利用，节能
Experiment Researching in Sintering Process by Using Hot Air
CHEN Ji-yu
（ShanDong Province Metallurgical Engineering CO.,LTD,Jinan 250000,China）
Abstract: Design a test device in Laiwu Steel.The hot air sintering experiment is made by using the hot exhaust to simulate the exhaust gas cooling the sintering ore. The relation of the quality of the sintering ore with the hot air’s temperature, The results showed that the use of hot air sintering, in the premise to ensure the physical strength of the sintered ore can be reduced within a certain range with the amount of carbon, and the utilization factor and the drum index when compared to room temperature has been enhanced. Under laboratory conditions, it is a feasible project that using the cooling exhaust gas to sinter.
Keywords: Hot air sintering, waste heat utilization, energy saving
中图分类号：O353.5文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）
1.引言
烧结生产中由于布料偏析和料层的自动蓄热作用，料层下部温度偏高，而上部温度不足。同时由于室温冷风的剧冷作用，使得表层烧结矿来不及结晶，形成大量玻璃质并产生内应力和内部裂纹使得强度变差，返矿量升高；而引入热风进行烧结以后，热风携带的物理热可以代替部分燃料的化学热，这样就使得料层上部和下部的热量分布趋于平衡，并且表层烧结矿因为处于热风的高温条件下，大大地减轻了因为室温剧冷而造成的烧结矿强度变差的现象。又由于热风带入了物理热，可以减少混合料的中的固体燃料，降低混合料中固体燃料的配比，较低的燃料配比可以减少下层烧结矿的过熔，降低FeO含量，提高烧结矿的还原性。
根据常规的烧结工艺，烧结工序能耗包括点火用气体燃料，混合料中固体燃料以及工序中的一些动力消耗，根据热平衡计算，固体燃料消耗占整个工序能耗的70%，具有很大的节能潜力，降低固体燃料的消耗也是烧结节能工作的重点。
本试验通过研究热风温度、燃料配比和烧结矿质量之间的关系，本试验专门设计了一套实验装置，热风源自环冷机热废气，利用烟道负压抽风，进行热风烧结实验研究。
2．实验原理目的与步骤
2.1实验原理与目的
点火以后，料面上所抽入的冷空气换成热风，并对应热风温度来减少混合料中固体燃料的配比，热风温度有150℃、200℃和300℃，在每个热风温度条件下做多组不同燃料配比的实验（燃料配比基于理论计算值），来跟常温下（30℃）做比较，目的是利用环冷机热废气带入的物理热来取代部分固体燃料的化学热，达到利用环冷机余热以及降低固体燃料消耗的作用，并找出相应热风温度下对应配碳量的关系。
实验中使用的装置为：∮300烧结杯，圆筒混合机，点火器，破碎机，振动筛，转鼓及鼓后摇筛，秒表等。
其中，热风来源为莱钢炼铁厂烧结机的环冷热废气，热风管道接至环冷机密封罩，抽风管道接至大烟道。热风管道上安装有热风阀及冷风阀，方便抽冷风和调节热风温度；靠近烧结杯体处安装有热风旁通管道，方便在装料和换杯的过程中保持热风温度。抽风管道与大烟道连接处安装有一个切断阀，烧结杯体处也安装有一个切断阀，方便调节抽风风量；另外在热风管道和抽风管道上安装有温度、压力和流量检测装置，方便试验数据检测记录。
实验所用烧结料配比如表1所示
表1系列试验设计表
2.2实验步骤
配料：依据莱钢炼铁厂烧结生产配比为基准进行系列试验
混匀料：80%生石灰：13%白云石：2.44%焦粉：4.56%
自二次料场取足混匀料，生石灰、白云石、焦粉取自配料环节
减碳量以公式：(1)
式1中—每杯烧结混匀料的减碳量，kg/杯；
V—熱风风量，m2/h；
T—热风温度，℃；
CT—T温度时的空气热容，kJ/m³·℃；
t—烧结时间，h；
q—焦粉热值，kJ/kg。
混料：混合料人工混合时配水，后入圆筒混料机。人工混料约4min，机械混料约5min。每杯实际配水量稳定于5.5%~6.5%。
点火：点火时间严格控制为90s，铺底料每杯1.5kg。
热风烧结：点火结束后，迅速合拢热风罩，密封杯口及缝合处，开始烧结，过程中稳定热风温度至试验设计温度±10℃。以抽风废气温度最高点标志烧结终点。
抽风冷却：烧结至终点后，关闭热风阀，混风阀全部开启，冷却至废气温度<100℃，关闭抽风阀，打开热风罩，倒出烧结矿。
筛分：全部倒入振动筛分机至烧结矿全部筛出，将烧结矿筛分成>40mm、25~40mm、10~25mm、5~10mm、<5mm5个粒度等级。对每个粒度等级的烧结矿进行称量计算粒度分布和成品率。
转鼓：将>5mm的烧结矿置于直径1.0m，宽0.65m的转鼓中，以25r/min的转速旋转4min，然后用5mm的方孔筛往复摆动进行筛分。最后进行称量计算烧结矿的转鼓指数。
3.实验结果及分析
实验数据经过处理后，得到图1~图5
图1 不同温度及配碳下转鼓指数与成品率
由图2可以看出：
除“200℃＋4.05％C”及“300℃＋2.80％C”，两组实验条件下，转鼓指数较基准有较大回落，其余各温度减碳量下，转鼓指数均优于基准实验0～6个百分点
除“200℃＋4.05％C”及“300℃＋2.80％C”，两组实验条件下，成品率较基准有较大差距，其余各温度减碳量下，转鼓指数均于基准实验接近，波动幅度在（-2%~1.5%）之间。
由数据可以充分说明：应用热风烧结实验过程中，随着配碳量在一定范围内降低，烧结矿同样可以保证良好的物理强度。
图2.配碳对于烟气流量及利用系数的影响
由图3可以看出，在不同配碳量下，每组实验的烟气量与利用系数呈现着一定的波动性，与配碳量具体关系不明朗，但烟气量与利用系数随着配碳变化波动趋势呈现出相同的规律。这说明：烟气流量与利用系数之间是具有某种相关性的，进一步分析，烟气流量与利用系数之间的关系，见图4。
（a） (b)
图3.烟气流量与利用系数的关系
图4a与4b分别是两组不同料种的实验结果。由ａ我们可以看到，烟气流量与利用系数间呈良好的二次函数关系，但二次项系数为10-4，小于一次项系数两个数量级，一定意义上可以作为误差项忽略。在换料为二系列实验中，如图b示烟气流量与利用系数呈现良好的一次线性关系。
由此我们可以推断，实验条件下：随着烟气流量增加，利用系数正向增加，二者间近一次函数关系，在烧结杯实验中，在比较经济参数时，相近的风量条件是前提，而生产中，同样的原燃料条件下，改善料层透气性，增加穿过料层的风量，有助于提升生产效率。
图4 配碳量和热风温度对FeO的影响
不同热风温度及减碳条件下FeO含量检测如图5。其中“150℃＋4.11％C”组FeO出现异常偏高点（或为检测及实验操作条件的偏差所致），配碳在3.92～4.56％下，FeO在8％～9.5％的范围内波动，配碳在3.0％～3.63％范围内，FeO在6％～7.5％下波动。300℃下，2.8％的配碳量下，FeO为5.6％，明显偏低，这主要由于配碳量大幅下降，还原氛围不足所致。
由图趋势性分析可以看出，FeO含量波动规律与生产经验较为吻合。FeO含量与配碳量及风中氧含量息息相关。实验条件下，从环冷引热风进行烧结，对于过程中氧含量的影响应远小于配碳量对于烧结气氛的影响，这可以从300℃减碳系列数据可以得到佐证，在配碳3.94的情况下FeO含量仍与基准值较为接近，说明热风中的氧含量是充足的。
表2理論计算减碳量
4.结论
通过对实验数据的分析可以看出热风烧结的节能减燃效果非常明显。在料层为600mm的实验条件下，烧结指标得到了较大的改善或是在指标保持不变的情况下可以大幅降低固体燃料的消耗。
1.节约固体燃料
因热风的物理热代替了部分燃料的化学热，在实验中固体燃料量大幅降低，但是极限减燃增幅与温度并非简单线性关系，。实验中，150℃时极限减燃量与基准相比由实际配燃量4.56％下降至4.11％，减燃幅度9.87％；200℃热风下极限减燃量由于实验条件控制并未摸索出，可以判断其将小于4.18％，与基准相比其减燃幅度大于8.33％；300℃下极限配燃量降至3.63％，减燃幅度20.39％。
2．提升经济技术指标
以室温基准试验结果转鼓指数以及利用系数为准绳，随着温度的增加，极限减燃量逐步增加。实验条件中，在各温度极限配碳量下利用系数与转鼓指数相比基准实验都有所提升。
3.优化粒度组成，降低返矿率
采用热风烧结之后，上层烧结矿因热风的保温作用，冷却速度降低，烧结矿质量得到改善，烧结粒度组成变优，大于40mm的烧结矿比例下降，返矿率有所下降，成品率提高。
综上所述，热风烧结对烧结工序的技能降耗有明显效果。在实际生产中，由于中小冷却机中产生的热风难以利用情况下，利用该热风实现烧结机自身的热风烧结是切实可行的。望尽快组织工业试验，验证实验室研究结果。
关键词： 热风烧结，余热利用，节能
Experiment Researching in Sintering Process by Using Hot Air
CHEN Ji-yu
（ShanDong Province Metallurgical Engineering CO.,LTD,Jinan 250000,China）
Abstract: Design a test device in Laiwu Steel.The hot air sintering experiment is made by using the hot exhaust to simulate the exhaust gas cooling the sintering ore. The relation of the quality of the sintering ore with the hot air’s temperature, The results showed that the use of hot air sintering, in the premise to ensure the physical strength of the sintered ore can be reduced within a certain range with the amount of carbon, and the utilization factor and the drum index when compared to room temperature has been enhanced. Under laboratory conditions, it is a feasible project that using the cooling exhaust gas to sinter.
Keywords: Hot air sintering, waste heat utilization, energy saving
中图分类号：O353.5文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）
1.引言
烧结生产中由于布料偏析和料层的自动蓄热作用，料层下部温度偏高，而上部温度不足。同时由于室温冷风的剧冷作用，使得表层烧结矿来不及结晶，形成大量玻璃质并产生内应力和内部裂纹使得强度变差，返矿量升高；而引入热风进行烧结以后，热风携带的物理热可以代替部分燃料的化学热，这样就使得料层上部和下部的热量分布趋于平衡，并且表层烧结矿因为处于热风的高温条件下，大大地减轻了因为室温剧冷而造成的烧结矿强度变差的现象。又由于热风带入了物理热，可以减少混合料的中的固体燃料，降低混合料中固体燃料的配比，较低的燃料配比可以减少下层烧结矿的过熔，降低FeO含量，提高烧结矿的还原性。
根据常规的烧结工艺，烧结工序能耗包括点火用气体燃料，混合料中固体燃料以及工序中的一些动力消耗，根据热平衡计算，固体燃料消耗占整个工序能耗的70%，具有很大的节能潜力，降低固体燃料的消耗也是烧结节能工作的重点。
本试验通过研究热风温度、燃料配比和烧结矿质量之间的关系，本试验专门设计了一套实验装置，热风源自环冷机热废气，利用烟道负压抽风，进行热风烧结实验研究。
2．实验原理目的与步骤
2.1实验原理与目的
点火以后，料面上所抽入的冷空气换成热风，并对应热风温度来减少混合料中固体燃料的配比，热风温度有150℃、200℃和300℃，在每个热风温度条件下做多组不同燃料配比的实验（燃料配比基于理论计算值），来跟常温下（30℃）做比较，目的是利用环冷机热废气带入的物理热来取代部分固体燃料的化学热，达到利用环冷机余热以及降低固体燃料消耗的作用，并找出相应热风温度下对应配碳量的关系。
实验中使用的装置为：∮300烧结杯，圆筒混合机，点火器，破碎机，振动筛，转鼓及鼓后摇筛，秒表等。
其中，热风来源为莱钢炼铁厂烧结机的环冷热废气，热风管道接至环冷机密封罩，抽风管道接至大烟道。热风管道上安装有热风阀及冷风阀，方便抽冷风和调节热风温度；靠近烧结杯体处安装有热风旁通管道，方便在装料和换杯的过程中保持热风温度。抽风管道与大烟道连接处安装有一个切断阀，烧结杯体处也安装有一个切断阀，方便调节抽风风量；另外在热风管道和抽风管道上安装有温度、压力和流量检测装置，方便试验数据检测记录。
实验所用烧结料配比如表1所示
表1系列试验设计表
2.2实验步骤
配料：依据莱钢炼铁厂烧结生产配比为基准进行系列试验
混匀料：80%生石灰：13%白云石：2.44%焦粉：4.56%
自二次料场取足混匀料，生石灰、白云石、焦粉取自配料环节
减碳量以公式：(1)
式1中—每杯烧结混匀料的减碳量，kg/杯；
V—熱风风量，m2/h；
T—热风温度，℃；
CT—T温度时的空气热容，kJ/m³·℃；
t—烧结时间，h；
q—焦粉热值，kJ/kg。
混料：混合料人工混合时配水，后入圆筒混料机。人工混料约4min，机械混料约5min。每杯实际配水量稳定于5.5%~6.5%。
点火：点火时间严格控制为90s，铺底料每杯1.5kg。
热风烧结：点火结束后，迅速合拢热风罩，密封杯口及缝合处，开始烧结，过程中稳定热风温度至试验设计温度±10℃。以抽风废气温度最高点标志烧结终点。
抽风冷却：烧结至终点后，关闭热风阀，混风阀全部开启，冷却至废气温度<100℃，关闭抽风阀，打开热风罩，倒出烧结矿。
筛分：全部倒入振动筛分机至烧结矿全部筛出，将烧结矿筛分成>40mm、25~40mm、10~25mm、5~10mm、<5mm5个粒度等级。对每个粒度等级的烧结矿进行称量计算粒度分布和成品率。
转鼓：将>5mm的烧结矿置于直径1.0m，宽0.65m的转鼓中，以25r/min的转速旋转4min，然后用5mm的方孔筛往复摆动进行筛分。最后进行称量计算烧结矿的转鼓指数。
3.实验结果及分析
实验数据经过处理后，得到图1~图5
图1 不同温度及配碳下转鼓指数与成品率
由图2可以看出：
除“200℃＋4.05％C”及“300℃＋2.80％C”，两组实验条件下，转鼓指数较基准有较大回落，其余各温度减碳量下，转鼓指数均优于基准实验0～6个百分点
除“200℃＋4.05％C”及“300℃＋2.80％C”，两组实验条件下，成品率较基准有较大差距，其余各温度减碳量下，转鼓指数均于基准实验接近，波动幅度在（-2%~1.5%）之间。
由数据可以充分说明：应用热风烧结实验过程中，随着配碳量在一定范围内降低，烧结矿同样可以保证良好的物理强度。
图2.配碳对于烟气流量及利用系数的影响
由图3可以看出，在不同配碳量下，每组实验的烟气量与利用系数呈现着一定的波动性，与配碳量具体关系不明朗，但烟气量与利用系数随着配碳变化波动趋势呈现出相同的规律。这说明：烟气流量与利用系数之间是具有某种相关性的，进一步分析，烟气流量与利用系数之间的关系，见图4。
（a） (b)
图3.烟气流量与利用系数的关系
图4a与4b分别是两组不同料种的实验结果。由ａ我们可以看到，烟气流量与利用系数间呈良好的二次函数关系，但二次项系数为10-4，小于一次项系数两个数量级，一定意义上可以作为误差项忽略。在换料为二系列实验中，如图b示烟气流量与利用系数呈现良好的一次线性关系。
由此我们可以推断，实验条件下：随着烟气流量增加，利用系数正向增加，二者间近一次函数关系，在烧结杯实验中，在比较经济参数时，相近的风量条件是前提，而生产中，同样的原燃料条件下，改善料层透气性，增加穿过料层的风量，有助于提升生产效率。
图4 配碳量和热风温度对FeO的影响
不同热风温度及减碳条件下FeO含量检测如图5。其中“150℃＋4.11％C”组FeO出现异常偏高点（或为检测及实验操作条件的偏差所致），配碳在3.92～4.56％下，FeO在8％～9.5％的范围内波动，配碳在3.0％～3.63％范围内，FeO在6％～7.5％下波动。300℃下，2.8％的配碳量下，FeO为5.6％，明显偏低，这主要由于配碳量大幅下降，还原氛围不足所致。
由图趋势性分析可以看出，FeO含量波动规律与生产经验较为吻合。FeO含量与配碳量及风中氧含量息息相关。实验条件下，从环冷引热风进行烧结，对于过程中氧含量的影响应远小于配碳量对于烧结气氛的影响，这可以从300℃减碳系列数据可以得到佐证，在配碳3.94的情况下FeO含量仍与基准值较为接近，说明热风中的氧含量是充足的。
表2理論计算减碳量
4.结论
通过对实验数据的分析可以看出热风烧结的节能减燃效果非常明显。在料层为600mm的实验条件下，烧结指标得到了较大的改善或是在指标保持不变的情况下可以大幅降低固体燃料的消耗。
1.节约固体燃料
因热风的物理热代替了部分燃料的化学热，在实验中固体燃料量大幅降低，但是极限减燃增幅与温度并非简单线性关系，。实验中，150℃时极限减燃量与基准相比由实际配燃量4.56％下降至4.11％，减燃幅度9.87％；200℃热风下极限减燃量由于实验条件控制并未摸索出，可以判断其将小于4.18％，与基准相比其减燃幅度大于8.33％；300℃下极限配燃量降至3.63％，减燃幅度20.39％。
2．提升经济技术指标
以室温基准试验结果转鼓指数以及利用系数为准绳，随着温度的增加，极限减燃量逐步增加。实验条件中，在各温度极限配碳量下利用系数与转鼓指数相比基准实验都有所提升。
3.优化粒度组成，降低返矿率
采用热风烧结之后，上层烧结矿因热风的保温作用，冷却速度降低，烧结矿质量得到改善，烧结粒度组成变优，大于40mm的烧结矿比例下降，返矿率有所下降，成品率提高。
综上所述，热风烧结对烧结工序的技能降耗有明显效果。在实际生产中，由于中小冷却机中产生的热风难以利用情况下，利用该热风实现烧结机自身的热风烧结是切实可行的。望尽快组织工业试验，验证实验室研究结果。