攀钢高钛型钒钛矿冶炼2000m3级高炉设计特点

攀钢高钛型钒钛矿冶炼2000m3级高炉设计特点

吴秋廷

【摘要】结合攀钢1000 m3高炉生产实践,针对大型高炉冶炼高钛型钒钛磁铁矿的特殊性,分析攀钢高炉大型化存在的难点,分析并总结了攀钢2000 m3高炉在高炉本体设计及环保节能方面采取的措施和实施效果.

【期刊名称】《四川冶金》

【年(卷),期】2011(033)001

【总页数】6页(P1-6)

【关键词】高钛型钒钛矿冶炼;2000 m3级高炉;设计特点

【作者】吴秋廷

【作者单位】攀钢集团设计研究院有限公司,四川,攀枝花,617023

【正文语种】中文

【中图分类】TF51

高炉作为钢铁产业中最重要的生产设备,其大型化是现代钢铁工业提升技术装备水平的重要标志,大型化高炉具有生产效率高、投资省、环保节能、物流运输优化等特点,是我国钢铁工业结构调整、淘汰落后、降低成本、改善环境、提高钢铁产品市场竞争力的生力军。

但是,由于攀西铁矿石冶炼的特殊性,攀钢高炉自投产 40年来,一直维持着 1000 m3高炉生产。攀钢高炉冶炼的钒钛磁铁属高钛型钒钛磁铁矿,所谓高钛型是指炉渣中TiO2含量超过 20%以上,曾被一些外国专家称为无法用高炉冶炼的呆矿。攀钢

1970年投产前集全国冶金行业力量进行了大规模的工业试验,均表明高钛型钒钛磁铁矿高炉冶炼难度极大,而且冶炼难度随高炉容积增加大幅增加,因此攀钢投产时的炉容仅为 1000 m3。攀钢 1000 m3高炉自 1970年出第一炉铁水以来,花了近 20年时间才解决 1000 m3高炉冶炼高钛型钒钛磁铁矿的部分技术难题,到 1999年赶上并超过了普通矿的冶炼水平,由此可见高钛型钒钛磁铁高炉冶炼的难度。

实践表明,高钛型钒钛磁铁矿冶炼难度极大,主要原因是:

1)铁矿石含铁量仅 50%左右,比普通矿低 5%～10%,渣量高达 650～700 kg/t,是普通矿的 2倍以上,因此高炉冶炼时产生的渣量大,炉缸工作状态的均匀性和煤气流分布受到很大的影响;

2)炉渣中 T iO2含量高达 20%以上,其反应体系复杂,反应产物高熔点物质多,而且炉子容积越大,冶炼时间越长,炉内工作状态的不均匀性增加,死区多,这种高熔点物质也越多,将严重影响高炉的稳定生产,钒钛磁铁矿高炉冶炼反应体系与普通矿的区别为:

普通铁矿石还原:Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe

钒钛磁铁矿还原:Fe2TiO4→Fe3O4·TiO2→FeO·TiO2→Fe+TiO2

TiO2在炉内产生的还原及过还原反应化学方程式如下:

还原反应:TiO+C=[Ti]+CO

过还原反应:3[Ti]+C+N2=TiC+2TiN[1]

过还原产生的化合物 TiN、TiC的熔点分别高达2950℃、3140℃,在炉渣和铁水中以弥散固体颗粒形式存在,导致炉渣流动性差,对炉缸工作状况的均匀性产生很大影响,渣、铁难分,高炉生产稳定性差。

3)高炉容积越大,对原燃料的质量要求越高,高熔点物质越多,渣铁分离越困难,反应过程越难控制,随着炉容的加大,这些矛盾和问题更加突出。炉容数量级放大,效能不受影响,是对研究和设计的最大挑战。

容积为 2000 m3的高炉不算大,但对于高钛型钒钛磁铁矿而言,1000 m3到 2000 m3是一个飞跃,冶炼高钛型钒钛矿 2000 m3级以上高炉的设计没有先例,相关的工艺参数如何选择,没有成熟经验可借鉴。针对高钛型钒钛矿冶炼的难点,从工艺参数选择及设计上为高炉快速达产创造条件显得非常重要。

攀西地区的钒钛磁铁矿品位低,高炉冶炼时渣量大,而高炉需要设置渣口也成为大家的共识。1200 m3高炉可设 1个铁口 (或 2个铁口),2个渣口;2000 m3高炉需设2个铁口 (或 3个),最少 2个渣口,因此在出铁场内设置好如此多的渣铁口相当困难,且运输铁路也难以布置。根据计算,2000 m3高炉利用系数达到2.2 t/(m3·d),单次铁量要达到 550t以上,需 6个铁罐,需 15个渣罐。这样大的渣铁量,炉前布置是很大的难题。

由于钒钛磁铁矿高炉的冶炼特点:①高钛型钒钛矿冶炼所需风量大,是普通矿的 1.3倍以上,煤气量大,带出的粉尘多,加之出铁末期要吹透炉缸,以提高炉缸氧势,氧化部分因过还原产生的高熔点物质,因此导致铁口烟尘量大,对环保和余热利用的要求比普通矿高炉高得多,开发相应的技术难度大;②瓦斯灰粘度大,目前国内绝大多数高炉煤炉采用的是小布袋外滤式脉冲(干式)或干湿两用除尘工艺,不适宜需另选工艺;③钒钛矿冶炼高炉在冶炼过程中炉顶温度波动大,正常情况下都在 200～300℃之间,且在极端端情况下,可达500℃以上,系统设计难度大。

参照攀钢 1200 m3高炉技术指标情况,攀钢2000 m3高炉主要设计指标见表 1。实践表明,冶炼高钛型钒钛磁铁矿的关键问题在于抑制炉渣中 T iO2的还原和保持炉缸活跃。攀钢 2000 m3高炉的能否生产顺利,在设计上对工艺参数的选择需重点关注的也在于此。研究表明,影响上述两点的主要问题在于炉缸直径、风口回旋区长度、鼓风速度以及冶炼周期等。

通过大风量、高富氧增加炉缸的氧势、缩短冶炼周期来控制高炉内炉渣 T iO2过还原。据计算,攀钢2000 m3高炉平均产铁量可达 3 t/min以上,攀钢1000 m3高

炉实际吨铁风耗达 1400 m3以上,因此攀钢 2000 m3高炉设计风量选定为 5200 m3/min。

富氧作为缩短冶炼周期、强化高炉冶炼的主要措施之一,不仅可以改善煤粉在炉内的燃烧条件,为提高煤比、节能降焦提供可靠的保证。还可以提高炉缸氧势,抑制TiO2还原,氧化已生成的高熔点TiC、TiN物质,降低炉渣粘度。因此根据攀钢自身的原燃料条件和 1000 m3高炉冶炼实践,攀钢 2000 m3高炉设计富氧率为

3.0%～

4.0%。

由于攀钢高炉的渣量大,经计算,2000 m3高炉在利用系数为2.2 t/(m3·d)时所产生的渣铁体积流量为 1.3 m3/mim,其中渣体积约 60%,铁体积约40%,渣铁流在炉缸内下落的平均空管流速 18 mm/min,若不出渣则渣的停留时间达 90～120 m im,炉渣在炉缸中停留时间过长,极易发生 TiO2过还原,产生大量的 TiC、TiN,从而将严重影响高炉的生产顺行。因此需设置渣口,考虑清沟的需要需设置 2个渣口;同时渣铁体积流量相当于普通矿高炉 3000 m3级的流量,设 3个铁口。

由于高钛渣冶炼的特殊性所决定,要求适宜的鼓风动能要大一些,以使初始煤气流合理,中心气流充沛,保证炉缸工作活跃。鼓风动能的选择主要考虑以下两方面:

1)风口回旋区长度:根据攀钢对 1#高炉和 2#高炉的风口回旋区进行实际测量的结果为 1.6～1.8 m,炉缸环带活跃区的面积占炉缸总面积的 62%～68%,则 2000 m3高炉风口回旋区的长度应达到 1.9～2.1 m。

2)鼓风速度:攀钢 1#高炉和 4#高炉的鼓风速度(标准风速)为 170～200 m/s,与冶炼普通矿同等容积高炉的鼓风速度相近。冶炼普通矿的 2000 m3高炉的鼓风速度为 200～240 m/s。

为增加炉缸活跃程度,使高炉容易强化,在允许的条件下尽可能多布置风口,按照 4#高炉的条件(炉缸直径 8.5 m,18个风口)在炉缸直径扩大到 10 m后,可以安排 26个风口;在风量 5200 m3/min,风速 220m/s的情况下,进风面积应为 0.3939 m2,

单个风口的面积为 0.01515 m2,风口直径为 0.138 m,因此选择直径 140 mm的风口 13个和直径 130 mm的风口 13个,比冶炼普通矿同等容积高炉的鼓风速度提高 10%。风口回旋区长度可以比目前的高炉增加近 0.15～0.2 m,达到 1.8～2.0 m,炉缸环带活跃区的面积占炉缸总面积的 60%～65%左右;若全部使用直径为 130 mm的风口,则风速可以达到 260 m/s,则风口回旋区长度可以达到 2.0～2.1 m炉缸环带活跃区的面积占炉缸总面积可以达到的 65%～68%。

①内型设计在分析钒钛磁铁矿高炉的特殊性,并参照现有高炉运行情况和国内 2000 m3炉容高炉的情况,与攀钢 1000 m3级高炉相比适当趋于矮胖(见表 2),以适应大风量和高压操作,有利于减少炉料粉化,缩短冶炼时间,提高产量和节能。

②提高死铁层厚度。随着冶炼强度的提高,铁水环流速度较大,近年来炉底侵蚀严重,因此死铁层厚度定为 1600 mm(一期为 825 mm)。

③炉体采用铜冷壁和薄壁结构技术。这项技术的优点是高炉内衬薄,内型稳定。设计炉型就是生产炉型,高炉在一代炉役里炉型始终处于最佳状态,因此,高炉操作稳定顺行、产量高、焦比低、喷煤效果好。同时炉腹、炉腰及炉身中下部采用双层水冷冷却壁或铜冷却壁,实现了高热负荷冷却壁的无过热化,抗高热负荷冲击能力强,冷却壁热面温度低,便于结渣挂渣及渣皮脱落后的快速恢复,高炉寿命长。

④采用复合炉底炉缸内衬技术。

一代高炉寿命取决于炉底耐火材衬的寿命。由于钒钛矿具有保护炉底的功能,因此攀钢 1000 m3高炉炉底内衬采用致密粘土砖,设计寿命 10～12年,但随着炉容增大以及冶炼强度的提高,炉底侵蚀加重,无法达到长寿目标。如采用普通矿冶炼高炉用的陶瓷杯技术,一则投资大,二则无法充分利用高钛型钒钛矿冶炼的护炉优势,因此将致密粘土砖与陶瓷杯技术原理相结合,开发了具有高钛型钒钛矿冶炼特色的复合炉底内衬技术设计寿命 15年。复合炉底内衬技术 (见图 1),即炉底第 1、2层采用半石墨碳砖;第 3、4层采用超致密粘土砖;第 5～6层分别采用复合莫来石砖和超致

密粘土砖;第 7～9层采用超致密粘土砖;炉缸采用复合莫来石砖,保护砖采用粘土砖并砌至炉腹;铁口、渣口和风口区域采用复合棕刚玉组合砖。

采用 4座外燃式热风炉及组合式余热回收系统,热风温度达 1250～1300℃,热风炉高温区采用了硅砖新材料,有利于提高风温和降低工程造价;组合式余热回收系统充分利用废气热能,达到了节能降耗的目的。

提高风温不仅可提高喷煤比,还可有效降低焦比。攀钢采用热管换热器和高温金属换热器两种组合预热来提高热风温度,既充分发挥了热管换热器热效率高的特点,又充分利用了热风炉排放的废气余热,投资低,布置灵活,维护量小。主要工艺为(见图2):

高炉煤气通过热管换热器一级预热到 150～180℃:助燃空气通过热管换热器一级预热到 150～180℃,再通过高温金属换热器 (扰流子)二级预热到 350～400℃;设置烟气发生炉燃烧高炉煤气产生高温烟气;热风炉废气一小部分与烟气发生炉高温烟气混合,为高温金属换热器提供热烟气,其余部分与金属换热器出口废气混合进入热管换热器加热高炉煤气和助燃空气,废气排放温度 140～180℃;尾部设抽风机克服系统阻力。

采用全干式除尘及 TRT工艺 (见图 3),有效地利用了煤气压力能及热能。攀钢2000 m3高炉煤气全干式采用的是大布袋内滤式反吹工艺,煤气量相当于普通高炉2500 m3的煤气量,这么大的煤气量采用全干式除尘属首家,目前国内绝大多数高炉煤气采用的是小布袋外滤式脉冲 (干式)或干湿两用除尘工艺。由于钒钛矿冶炼高炉瓦斯灰 (重力除尘器后)细而粘,易粘结滤袋。若采用常规的小布袋外滤式脉冲工艺,清灰困难;而采用大布袋内滤式反吹工艺,用除尘后的煤气加压反吹,由于滤袋采用了复膜工艺,瓦斯灰在滤袋内不易粘结清灰顺畅,保证系统的稳定运行。

钒钛矿冶炼高炉在冶炼过程中炉顶温度波动大,正常情况下都在 200～300℃之间,极端端情况下可达500℃以上,而滤袋的耐热温度为203℃。因此在设计上采用相

应的温控措施:一是建了一套荒煤气放散塔,在塔前设置了荒煤气调压阀组,当煤气温度大于 380℃时,煤气经调压后燃烧放散,此时炉顶压力由荒煤气调压阀组控制;二是在进入 BDC之前设置了一套间接式散热器,在散热器与 BDC之间并联了一根旁通管。当煤气温度在 200～380℃之间时,高温煤气进入散热器喷水冷却后 (温度控制在200℃以内)进入 BDC;当煤气温度在200℃以内时,散热器进出口阀门关闭,煤气直接进入 BDC,以保证理想温度(200℃以内)进入透平,从而提高发电量。干式与湿式除尘效果见表 3。

由于钒钛磁铁矿冶炼工艺的特殊性,铁沟不能加盖密封,其每次出铁末期都会产生“大喷”现象,此时,烟气量大,含尘浓度高,而铁口及铁沟又不能密封,造成现场及厂区环境污染严重。针对产尘点不能密封的情况,设计采用了行车式移动除尘罩。出铁时,除尘罩移动到铁口上方捕集含尘烟气,出完铁,除尘罩从铁口上方移开,采用此捕集方式后,既解决了粉尘污染问题,又不影响生产工艺操作。同时设置顶吸系统,以捕集外逸含尘烟气且兼做出铁场通风换气,解决了钒钛磁铁矿高炉出铁场烟尘污染难题。使攀钢 2000 m3高炉出铁场平均污染物浓度小于 50 mg/m3,远低于达标排放标准 120 mg/m3(如图 4)。

由于钒钛高炉铁沟清理工作量大,同时上下渣口的存在平台不完整,无法上叉车,出铁场吊车又无法到达铁口前端清沟,因此设计将出铁场吊车的进行创新改造,将吊车的副钩改为悬臂柱,悬臂可旋转和伸缩,使吊车作业可以到达铁口前端和风口周围。

结合工程实际,开发出切合攀钢高炉实际的“无料钟炉顶水冷氮封设备系统”,该项设计每年可减少氮气消耗成本 450万元。

采用“伺服电机传动新技术”对炉顶关键设备料流调节阀的设计,不仅进一步提高了阀开闭精度10倍左右,还节约投资 80万元以上,且减少了运行过程中设备维护工作量。

针对钒钛矿冶炼的特点,围绕烧结矿产质量的改善、炉料结构的优化、高炉上下部

操作参数的调剂等,采取了一系列的高炉强化冶炼技术,有效解决了钒钛矿 2000 m3级高炉冶炼过程中的各种技术难题。经 4年多的运行,使钒钛矿大高炉冶炼技术取

得了重大突破。攀钢 2000 m3高炉 2009年主要技术经济指标见表 4。

1)针对大型高炉冶炼高钛型钒钛磁铁矿的特点,攀钢 2000 m3高炉设计采用大风量、高风温、高富氧、高风速,设置 2个铁口、3个渣口等措施,有效地抑制了因炉容变

大而导致 TiO2过还原的问题,该炉型较攀钢 1000 m3矮胖,高径为达 2.5,有利于适应大风量和高压操作。

2)采用了炉体采用铜冷壁和薄壁结构技术和复合炉底炉缸内衬技术,有利于高炉高

效长寿。采用 4座外燃式热风炉及组合式余热回收系统,使热风温度达 1250～1300℃,提高了余热的利用。

3)采用全干式大布袋除尘、TRT工艺以及具有钒钛高炉冶炼特色的出铁场除尘系统设计,高效地利用了煤气压力能及热能,使出铁场污染物浓度小于 50 mg/m3,实现

了攀钢 2000 m3高炉的节能环保生产。

4)攀钢 2000 m3集成了高风温热风炉、行车式移动除尘罩及顶吸系统等具有高钛型钒钛矿冶炼特色的技术,实现了长寿化复合炉底内衬、出铁场多功能吊车等成果。率先在国内实施了大布袋全干式除尘和余压发电技术,高效利用了煤气压力能及热能,成功提升了高钛型钒钛磁铁矿冶炼高炉装备水平,实现了攀钢高炉 1000 m3级

到 2000 m3的飞跃,对攀钢西昌项目的建设具有重要的指导意义。

【相关文献】

1.杜鹤桂.高炉冶炼钒钛磁铁矿原理[M].科学出版社,1996.