轉底爐進料機和螺旋出料機設計要點

李 斌

(重慶賽迪熱工環保工程技術有限公司,重慶 401122)

隨著我國鋼鐵工業的快速發展,燒結、煉鐵、煉鋼生產的原料來源越來越廣泛,特別最近幾年來,在鐵礦石嚴重依賴進口、優質廢鋼日益短缺、進口鐵礦石價格日益攀升、國際國內市場競爭日趨激烈等等殘酷的現實面前,許多企業為了生存,往往采用大量含鋅量相對較高的礦石和廢鋼,這樣就直接導致鋼鐵廠產生的含鋅量很高粉塵和污泥,如果這些高鋅的粉塵再作為原料返回燒結,并再次進入高爐,將會使鋅產生富集,進而影響高爐運行,甚至影響高爐壽命。轉底爐技術可實現冶金含鐵塵泥固廢的有效循環利用,在美日韓等發達國家經過多年發展后被引入國內,逐漸得到認可。轉底爐生產出來的產品可供高爐、轉爐使用,綜合回收其中的鋅等元素,實現資源的再生利用,目前已在國內外多家鋼廠應用[1-3]。

轉底爐是當前冶金行業處理高鋅含鐵塵泥生產還原性球團的直接還原工藝生產線,轉底爐工藝將鋼鐵主工序產生的難處置高鋅塵泥、碳(CDQ粉)、粘結劑按照一定的比例配合,再經過混合、成球、烘干,然后將生球送入轉底爐,在轉底爐內經過1 260 ℃左右的高溫產生還原反應,生球中的鐵被碳還原,生產出金屬化球團,其中氧化鋅還原為單質鋅,鋅揮發進入煙氣中,在煙氣中再被氧化成氧化鋅粉末,在煙氣系統中進行回收。轉底爐作為該粉塵處理生產線的核心設備,需要滿足球團升溫和進行直接還原的溫度和還原氣氛條件,因此其設計要求非常高,特別是之配套的裝出料設備,設計是否合理直接關系到整個生產線的生產。本文結合工程實際,對裝出料設備作了分析研究,提出了幾點設計要求。

1 轉底爐生產工藝

物料在轉底爐內的工藝過程為：裝料→加熱還原→出料。從原料配料混合均勻后的物料進入成球緩沖倉,再經壓球機壓制成球,成型的生球團經膠帶機輸送進入生球烘干機脫水干燥,干燥后生球通過裝料機向爐內連續供料,將烘干生球均勻布到轉底爐環形爐床上。生球在爐底上鋪 1～2 層,隨著轉底爐的爐底機械勻速轉動,載著均勻分布在爐底上的球團依次經過轉底爐各還原段。通過調節爐底機械電機的頻率,可以改變球團在轉底爐爐內還原的時間。球團在爐內的還原時間一般設置為 20～30 min。轉底爐的爐膛一般劃分為裝料區、加熱區、還原一區、還原二區、還原三區和出料區,每段根據供熱需求合理設置轉底爐專用煤氣燒嘴,加熱段單獨設置空氣供風燒嘴,使還原產生的 CO 在爐內充分燃燒,因此球團隨爐底機械旋轉,經歷上述各還原區完成還原反應。煤氣燒嘴用的助燃空氣通過熱風爐從出爐煙氣中回收余熱,再使用換熱器將空氣預熱至 420～460 ℃。通過補充煤氣和剩余CO二次燃燒,可使爐內溫度達到 950～1 260 ℃。

在物料中,碳和氧化鐵、氧化鋅等的緊密接觸,為產生還原反應創造了良好的環境。物料在旋轉的過程中,各還原區溫度越來越高,還原反應越來越快。在還原性氣氛下,物料中的大量碳與氧結合生成CO分離出來,一部分與鐵元素進行還原反應,生球中的鐵氧化物被還原為單質鐵,另一部分參與燃燒,釋放出大量熱量,滿足轉底爐大部分熱量需求。同時物料中的鋅氧化物被還原為單質鋅,高溫下成為蒸汽態進入煙氣中,在煙氣中被氧化成氧化鋅粉末,在煙氣系統中進行回收。

2 轉底爐裝料機設計

2.1 裝料機的結構設計

裝料機的作用是將膠帶機輸送過來的生球均勻地鋪在轉底爐的爐盤上。為提高轉底爐的生產效率,一般將轉底爐本體設計為寬度5 m的環形結構,由于裝料機振動的特點,只能將裝料機的支架跨在爐盤兩側,不能放在爐頂。要使物料均勻地布置在爐盤寬度上,裝料機的下料口不能與來料方向垂直,而是要偏移一個角度,裝料機料槽寬度一定的前提下,偏移角越大,布料寬度越大,更能適應物料的均勻性布料,但是具體偏移寬度受料槽寬度限制,同時要滿足的布料寬度和設備的安裝尺寸,此角度取值不能太大,一般取值在15°～20°。

由于轉底爐直接還原的特點是以碳(CDQ粉)為主要還原劑,還原溫度較高,還原速度快,這對裝料機提出了更高要求。轉底爐裝料機必須滿足連續均勻布料,在環形爐床上鋪料要薄而均勻。沿爐頂徑向開設長條形口,生球經開口落到爐床。從開口的長條方向落下量是不能相同的,因為從內環到外環直徑越來越大,布料面積也越來越大,所以單位時間下料必須越來越多,這樣才能使爐床布料厚度一致。針對轉底爐的布料條件設計采用振動給料機,它由給料槽體、振動電機、激振器、彈簧、彈簧支座、篩板、支架等組成,皮帶運輸送來的生球落到給料槽體底上,給料槽體持續振動使物料連續向前運動,給料槽底設置有棒條篩,使小于5 mm的生球和碎粉被篩下,給料槽體設有多條分料槽,通過調節給料槽流量控制閥,可以調節各條料槽之間的料量,進而滿足布料要求。振動電機采用變頻電機,可通過調節電機頻率調整裝料機振動頻率,從而改變給料速度。

2.2 裝料機運動學參數的選取

根據文中描述的裝料機的特點,推薦轉底爐給料機在設計時采用拋擲運動原理。要使物料出現良好拋擲運動和獲得較大的輸送速度,必須使物料拋離工作槽體,使物料最大振動加速度(在垂直工作面方向的)大于重力加速度分量,即

gcosa0<ω2λsinδ

(1)

式中：g為重力加速度;a0為振動布機槽體安裝傾角;ω為槽體振動的圓周頻率;λ為槽體振幅;δ為振動方向角,即槽體振動方向與槽體底面的夾角。

(2)

式中：n為驅動電動機的額定轉速。

由式(1) 可得

(3)

3 轉底爐出料機設計

3.1 螺旋出料機功率的選取

螺旋出料機工作時的功率消耗,主要由幾個部分組成：

(1) 螺旋軸支承軸承處摩擦消耗的功率。

(2) 物料與螺旋葉片間摩擦消耗的功率。

(3) 爐底耐材與螺旋葉片間摩擦消耗的功率。

這三個部分功率都可以用式(4)計算[4]：

(4)

式中：N為消耗的功率,kW;m為螺旋軸轉動部分質量(其中物料與螺旋葉片間摩擦消耗的功率計算時m為出料量),kg/min;w為摩擦阻力系數;r為旋轉半徑,m;n1為螺旋軸轉速,r/min 。

根據以上公式,這三個部分功率相加就可以得出螺旋出料機的功率,但是摩擦阻力系數w,在物料與螺旋葉片間摩擦消耗的功率時和爐底耐材與螺旋葉片間摩擦消耗的功率時,要考慮螺旋葉片磨損量,螺旋軸中間磨損量大,兩邊磨損量小,擦阻力系數要適當地放大0.2,功率儲備系數K=2,機械傳動效率η=0.8,就可計算出螺旋出料的機的最大功率。

3.2 螺旋出料機材質的選取

根據還原球團產品流動性較好的特性,設計采用全葉片式螺旋。由于螺旋出料機工作在高溫、高塵的爐膛環境中,同時物料及煙塵具有一定的黏性、腐蝕性。螺旋出料機在此工況下長期工作,其失效形式表現為高溫狀態下的磨蝕失效[5-6]。

針對上述工況,要求螺旋的材質具有極好的高溫抗氧化性能及高溫耐磨性能,同時還必須具有一定的抗腐蝕能力。目前在低溫下使用的耐磨材料種類很多,但滿足此高溫狀態的材料極少,采用了鈷、鉻、鎳、鉬、鎢系鈷基高溫合金,其中鈷含量要高,在保持高溫強度的同時,提高其耐磨和抗氧化性能。鈷(Co)元素主要提高其高溫強度,配以鎳(Ni)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、鎢(W)。鎳(Ni)元素的主要作用是提高該合金在高溫下的強度同時保證塑性,鎳對酸堿也有較高的耐腐蝕能力,在高溫下有防銹和耐熱能力;鉻(Cr)元素對該合金有二次硬化,提高合金在高溫下的硬度和耐磨性而不使合金變脆,使得合金具有良好的高溫抗氧化、耐腐蝕,增加合金的熱硬性等,還可以保證鈷基合金部件在燃氣環境中形成致密而牢固的Cr2O3保護膜,阻止腐蝕介質基體的直接接觸,提高合金的抗氧化腐蝕性能,使得合金具有良好的耐高溫、耐腐蝕、抗氧化性能;鉬(Mo)能提高淬透性和熱強性,還能在滲碳層中降低碳化物在晶界上形成連續網狀的傾向,減少滲碳層中殘留的奧氏體,相對地增加了表面層的耐磨性。鎢(W)為主要固溶強化元素在鋼中除形成碳化物外,部分作為難熔金屬溶入合金中形成固溶體,增加紅硬性、熱強性以及由于形成碳化物而增加耐磨性。

為了方便葉片易更換維修,葉片采用與基座用螺栓連接的結構形式,同時螺栓采用防松結構,不然葉片在高溫下會掉下來,基座和工作葉片每圈分成幾段拼接組裝。當工作葉片磨損后,只需卸下磨損壞了的葉片段,換上新的葉片即可。

3.3 螺旋出料機水冷方式的設計

由于螺旋出料機置于轉底爐內高溫的環境中,而且直接接觸1 100 ℃左右高溫爐料,并不斷旋轉摩擦爐料,甚至有時可能會刮蹭爐底,工作條件十分惡劣,因此出料機采用水冷方式,軸采用空心的,從一端進水,另一端出水,防止軸受熱變形。采用這種方式冷卻時,設計時特別注意螺旋軸與冷卻管之間的密封問題,這個可采用旋轉接頭來實現。對于工作段較長、螺旋軸直徑大的出料機,應注意軸頭內徑與螺旋軸內徑比過大,很容易造成冷卻水在螺旋軸內流速突然降低,進而在軸內停留時間過長,嚴重影響冷卻效果,進而影響螺旋出料機的使用壽命。為了避免這樣的問題,在螺旋軸內設置內膽,內膽兩端封閉,冷卻水從螺旋軸內壁和內膽之間的間隙流過,且在內膽外壁設計有導流片,可加快冷卻水流速,進而提高冷卻效果。

3.4 螺旋出料機驅動和升降裝置的設計

由于螺旋出料機兩端有水冷系統,螺旋軸的驅動方式也將發生變化,減速機與螺旋軸之間的傳動連接可通過鏈條連接,從動鏈輪布置在出料機支撐軸承的外側,這樣方便安裝和維修,同時要增加斷鏈保護裝置,當鏈條損壞時,及時處理,防止事故的發生,驅動電機采用變頻電機,這樣螺旋出料機轉速可以變化,適應調節出料量大小。

出料軸兩端配升降裝置,采用電液驅動的模式,可降低故障率。根據需要調整螺旋出料軸的高度,以適應爐底高度的變化,同時兩端配置位移傳感器,這樣能保證兩端升降同步,又能在線調整螺旋軸位置、升降速度,螺旋出料機兩側均設置升降到位檢測,這樣就可根據實際檢測情況來調整螺旋出料軸位置。為了防止螺旋出料機刮蹭爐底邊框磚,設計要留出20 mm余量,同時設計也要考慮增加機械死檔,防止到位檢測失效,螺旋出料軸的高度過低而刮蹭爐底邊框磚引發事故。

4 轉底爐自控系統設計

為滿足轉底爐生產工藝要求,轉底爐配置先進的控制系統,能夠對轉底爐運行進行快速響應[7]。高溫金屬化球團由螺旋出料機排出,經過圓筒冷卻機冷卻,便得到成品金屬化球團,再通過成品鏈斗機運送到成品倉,但是一旦后面某一個設備出現問題,整個成品系統就會中斷,所以自動化系統設計時就必須和進料機、螺旋出料機做成連鎖控制,當螺旋出料機后面某個設備出現問題時,圓筒冷卻機停止運轉,螺旋出料機的升降裝置抬起,這樣就停止出料。當轉底爐進料機開始進料的時候,螺旋出料機必須在正常工作的位置,能正常出料,否則不能進料。防止轉底爐進料機一直在進料,而螺旋出料機不能出料,從而造成轉底爐整個爐底板結,導致轉底爐停產。

5 結 語

本文根據現場實踐經驗結合理論知識論證了進料機和螺旋出料機在設計中應該考慮的重要因素,按上述設計制造的進料機和螺旋出料機已在某鋼廠轉底爐基地上使用,目前運行正常,各項生產指標均達到了設計能力,能滿足生產要求。