鉻鐵合金冶煉中余熱余能的綜合利用

楊緒平， 邵志超， 楊 泉

(江蘇省冶金設(shè)計院有限公司, 江蘇 南京 210007)

鉻鐵合金冶煉中余熱余能的綜合利用

楊緒平， 邵志超， 楊 泉

(江蘇省冶金設(shè)計院有限公司, 江蘇 南京 210007)

摘要：不同的鉻鐵合金冶煉生產(chǎn)工藝，在物料、產(chǎn)品、爐渣或煙氣排放的過程中，存在不同程度的熱能；對這些熱能進(jìn)行有效整合，綜合回收利用，對降低產(chǎn)品能耗、提高經(jīng)濟(jì)效益具有顯著的價值。

關(guān)鍵詞：鉻鐵合金； 熱能； 綜合利用

引 言

近20年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國的不銹鋼制品在制造、建筑及生活的各個方面展現(xiàn)出了巨大的需求，帶動了不銹鋼工業(yè)的蓬勃發(fā)展，同時推動了作為不銹鋼重要生產(chǎn)原料——鉻鐵生產(chǎn)的快速發(fā)展，中國已經(jīng)成為了世界上最大的鉻鐵生產(chǎn)和消費國。鉻鐵產(chǎn)品需求的快速增長，一方面使得中國鉻鐵工業(yè)的冶煉和裝備技術(shù)水平取得了長足的進(jìn)步；另一方面也存在一些問題，如同質(zhì)競爭、低水平重復(fù)建設(shè)、生產(chǎn)能耗高等。粗放式的生產(chǎn)方式在目前日趨飽和的鉻鐵生產(chǎn)環(huán)境下，對企業(yè)競爭力帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，在新的市場競爭形勢，以及國家對環(huán)保及能源消耗要求標(biāo)準(zhǔn)更高的情況下，鉻鐵作為高能耗產(chǎn)品，降低設(shè)備及工藝整體流程節(jié)能，對企業(yè)增強自身競爭力意義重大。

1 鉻鐵合金冶煉工藝

鉻鐵合金生產(chǎn)的原料為鉻塊礦和鉻粉礦，根據(jù)冶煉反應(yīng)的要求，礦熱爐冶煉過程中，爐體內(nèi)需要保持良好的透氣性，因此，鉻塊礦可以直接入爐冶煉，鉻粉礦需要制成一定粒度后才能冶煉鉻鐵。目前，世界鉻礦開采量中，塊礦占有量約20%，粉礦約80%；隨著鉻鐵合金需求量的大幅增長，對鉻礦資源的需求量加大，適合直接入爐的鉻塊礦越來越少，原礦品位降低，價格升高，同時，鉻礦開采量的加大，產(chǎn)生的鉻粉礦量也越來越多。由于鉻粉礦供應(yīng)量巨大，在價格方面具有明顯的優(yōu)勢，因此開發(fā)了鉻粉礦壓塊、燒結(jié)和球團(tuán)等多種造塊工藝，解決了鉻粉礦直接冶煉產(chǎn)生的諸多問題。

1.1 冷壓塊法

津巴布韋合金廠具有多年的鉻礦粉壓塊生產(chǎn)實踐，開發(fā)了鉻粉礦冷壓塊工藝，該工藝是將鉻礦粉壓塊后養(yǎng)生固化[1]。首先將鉻粉礦干燥至水分小于2.5%，在球磨機上破碎，配糖漿和石灰后混料、壓塊，在倉庫中進(jìn)行96 h的養(yǎng)生固化成型。冷壓塊法具有設(shè)備少，建設(shè)快，投資省，生產(chǎn)靈活，不需要與電弧爐同步等特點，但在鉻鐵冶煉渣中容易損失鉻，降低回收率，且產(chǎn)品中碳含量高。

1.2 燒結(jié)法

蔣仁全等[2]針對鉻礦粉的特點，進(jìn)行了鉻礦粉燒結(jié)制粒工藝的研究，以水分11%～13%、焦粉5%～8%、膨潤土3%～6%進(jìn)行配比制粒，能夠得到滿足工藝生產(chǎn)的鉻礦粉燒結(jié)球團(tuán)。在45 m2帶式燒結(jié)機上進(jìn)行了生產(chǎn)，生產(chǎn)流程為：鉻粉礦、焦粉、膨潤土經(jīng)過配料后輸送到一次混料機，混合料在一次混料機混勻、初步加水后，進(jìn)入二次混料機，完成補水、制粒任務(wù)，混合料送到燒結(jié)機燒結(jié)。燒結(jié)物料經(jīng)過單輥破碎機破碎，進(jìn)入一次熱振動篩，把粒度5 mm以下的篩出，進(jìn)入皮帶系統(tǒng)燒結(jié)循環(huán)，粒度5 mm以上的物料，經(jīng)過鏈板機輸送到二次熱振動篩過篩，粒度6～20 mm進(jìn)入鋪底料倉(燒結(jié)鋪底料備用)，粒度20～100 mm進(jìn)入燒結(jié)成品料倉，定期出燒結(jié)成品礦。實踐證明：帶式燒結(jié)機生產(chǎn)的燒結(jié)礦球團(tuán)強度高、粒度均勻，氣孔率高，比表面積大，鉻鐵礦尖晶石礦物結(jié)構(gòu)中Fe2+轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3+，部分鐵離子脫離尖晶石，集中在晶粒表面，利于冶煉還原反應(yīng)。采用該工藝后能夠降低冶煉電單耗5%～12%，提高產(chǎn)能10%以上，降低碳單耗5%～8%。

1.3 球團(tuán)法

1.3.1 奧托昆普法

奧托昆普工藝是芬蘭Outokumpu公司在1968年首創(chuàng)，工藝技術(shù)成熟，近幾年在南非具有廣闊的應(yīng)用市場[3]。奧托昆普鉻礦粉燒結(jié)球團(tuán)是將鉻礦粉、除塵灰及約2%的焦粉配料，采用濕式球磨機混合磨細(xì)，至成品粒度范圍小于200目的占78%～82%，過濾后物料水分控制為8.5%～9%的濾餅，配上膨潤土造球，球團(tuán)粒度18～22 mm，經(jīng)鋼帶燒結(jié)機焙燒烘干，烘干后的球團(tuán)可熱送到電弧爐冶煉，同時電弧爐煤氣回收利用，具有元素回收率和能效利用率高的特點。

1.3.2 SRC法

SRC法是日本昭和電工公司研制的一項鉻礦固態(tài)還原法，在球團(tuán)內(nèi)配入碳素還原劑，以使鉻礦得到預(yù)還原，也稱預(yù)熱球團(tuán)法，最早在1970年前后的日本用于工業(yè)生產(chǎn)，在鉻粉礦的預(yù)處理上得到廣泛應(yīng)用[4]。SRC法是將鉻粉礦和焦粉按比例混合后，經(jīng)干燥機烘干后配膨潤土進(jìn)行混合，混合物料加入到球磨機磨至200目，在圓盤造球機上制成粒度15～20 mm的生球，生球運輸?shù)芥滙鳈C干燥預(yù)熱提高強度，熱送入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，在爐內(nèi)1300～1400 ℃溫度下預(yù)還原成球，熱態(tài)SRC預(yù)還原球團(tuán)可冷卻后或熱裝料罐送電弧爐車間冶煉。使用SRC法球團(tuán)冶煉可比塊礦直接冶煉節(jié)電30%，冶煉用焦減少45%，鉻回收率提高1%～2%，電弧爐煙氣量減少約20%。

1.3.3 DRC法

DRC法是加拿大國際金屬回收公司開發(fā)的一種預(yù)熱球團(tuán)工藝[5]。鉻礦粉配碳及膨潤土后在圓盤造球機上造球，球團(tuán)連續(xù)送入到轉(zhuǎn)底爐的旋轉(zhuǎn)床還原爐內(nèi)，在爐內(nèi)布料1～2層，厚度35 mm，在爐床旋轉(zhuǎn)過程中，球團(tuán)被爐膛內(nèi)的高溫氣流預(yù)熱還原。爐內(nèi)根據(jù)溫度進(jìn)行分區(qū)，在燃燒區(qū)溫度可達(dá)1400 ℃，產(chǎn)生約1100 ℃的煙氣，煙氣逆轉(zhuǎn)底爐旋轉(zhuǎn)方向流動至球團(tuán)落料口附近的煙道，除塵后回收利用，提高了熱效率。DRC法具有較高的金屬還原率，能效利用高，高溫球團(tuán)可熱送到礦熱爐冶煉。爐體的冶煉設(shè)計能夠有效解決鉻粉礦球團(tuán)在低溫區(qū)700 ℃由Fe2O3向Fe3O4轉(zhuǎn)換的低溫還原膨脹性。

1.3.4 蒸汽養(yǎng)生球團(tuán)(COBO法)

蒸汽養(yǎng)生球團(tuán)工藝[6]是用消石灰和微硅粉作為粘結(jié)劑造球，在高溫蒸汽的作用下，由熱液反應(yīng)產(chǎn)生凝膠物質(zhì)將固態(tài)顆粒粘結(jié)在一起，使球團(tuán)具有一定強度。經(jīng)預(yù)濕和強力混合后，含水量為5%～6%的混合料進(jìn)入圓盤造球機造球，成球時噴霧化水加濕，使生球水分達(dá)到10%～12%，生球篩除小于8 mm粉料后，進(jìn)入帶式干燥機將水分降低到2.5%以下。干燥后的球團(tuán)裝到高壓釜內(nèi)進(jìn)行蒸汽養(yǎng)生，高壓釜內(nèi)蒸汽壓力約1.6 MPa，溫度150 ～250 ℃，球團(tuán)固結(jié)時間2～4 h。

2 余熱余能的利用

鉻鐵合金生產(chǎn)過程中，一方面，在鉻粉礦造球后進(jìn)行焙燒或預(yù)還原球團(tuán)時，根據(jù)不同的球團(tuán)生產(chǎn)工藝，存在大小不等的余熱；另一方面，礦熱爐冶煉鉻鐵合金后，鉻鐵水、鉻渣中含有大量的物理顯熱，礦熱爐爐頂排出的煙氣中不僅含有物理顯熱，還有豐富的高熱值煤氣。充分利用好這些能量，能夠顯著地降低鉻鐵合金冶煉綜合能耗。

2.1 預(yù)處理原料的余熱利用

李忠等[7]進(jìn)行了年產(chǎn)20萬噸鉻礦球團(tuán)預(yù)還原熱裝試驗，首先生球進(jìn)入鏈篦機干燥、預(yù)熱，經(jīng)過高溫表面生成燒結(jié)硬殼，使生球具有一定強度，從鏈篦機出來的球團(tuán)溫度控制在800 ℃左右，直接進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯高溫焙燒預(yù)還原，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)保證燒結(jié)溫度為 1250～1350 ℃，預(yù)還原結(jié)束后球團(tuán)礦還原度50%～70%，球團(tuán)含碳量3.5%～4.5%，熱料溫度900～1000 ℃，從回轉(zhuǎn)窯出料口直接輸送到礦熱爐頂部的熱料倉，球團(tuán)入爐溫度600～800 ℃，充分利用了熱能，降低礦熱爐冶煉電耗，提高了生產(chǎn)能力。實驗表明，采用預(yù)還原熱裝球團(tuán)工藝，能夠明顯提高產(chǎn)能，冶煉電耗從3350 kW·h/t降低到2100 kW·h/t，回收率增加3%，渣中跑鉻減少2%。另外，奧托昆普、SRC、DRC工藝均能夠?qū)崿F(xiàn)鉻礦球團(tuán)800 ℃熱裝入爐[5]，熱裝不比預(yù)還原節(jié)電少，奧托昆普的技術(shù)在沒有經(jīng)過預(yù)還原的情況下，僅球團(tuán)熱裝工藝就降低了電耗約700 kW·h/t。

2.2 鉻鐵合金的余熱利用

國內(nèi)不銹鋼的冶煉通常把鉻鐵合金、鎳鐵合金等金屬料加入電弧爐后熔煉成液態(tài)，再送到AOD爐或爐外精煉進(jìn)行不銹鋼生產(chǎn)?？紤]到高碳鉻鐵合金從礦熱爐出來后有1500 ℃以上的物理熱，鉻鐵水及冶煉需要的鎳鐵水不用在鐵水區(qū)域降溫冷卻為冷料，可直接供應(yīng)給不銹鋼冶煉車間，省掉金屬熔化的過程[8]。熱裝鐵水采用頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐或電弧爐，在爐內(nèi)快速升溫和脫碳，并在出鋼前對渣中氧化鉻進(jìn)行還原，這樣既可保證鉻的回收率在96%以上，又可將鐵水中的C，S，P，Si 控制在AOD精煉爐所需要的成分要求內(nèi)，順利完成不銹鋼的冶煉；能夠明顯節(jié)約能源，降低冶煉成本，提高產(chǎn)能和產(chǎn)品質(zhì)量，同時生產(chǎn)出超低碳不銹鋼，保持了較高的鉻回收率和金屬回收率。實際生產(chǎn)表明，鉻鐵水能夠熱裝、熱送進(jìn)行不銹鋼冶煉，并且取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益、能源效益和環(huán)境效益。

2.3 鉻渣的余熱利用

2.3.1 鉻渣熱送制礦棉

南京玻纖院[9]用鉻渣作為主要原料，配以輔助原料，進(jìn)行了礦棉制備實驗研究，研究證明鉻渣完全可以制成礦棉，性能及用途與普通礦棉相同，且最高使用溫度和化學(xué)性能優(yōu)于普通礦棉，鉻渣棉中，由于在1400 ℃的高溫下還原解毒，因此解毒徹底，礦渣棉水溶性六價鉻含量大大低于有關(guān)固體廢物污染控制標(biāo)準(zhǔn)。

義望鐵合金公司[10]開發(fā)了錳鐵爐渣熱裝生產(chǎn)粒狀棉工藝，液態(tài)錳鐵渣熱裝到渣包中，由轉(zhuǎn)運車熱送到礦棉車間，在調(diào)質(zhì)電爐中加入調(diào)質(zhì)料調(diào)整好酸堿度和熔點后注入保溫電爐生產(chǎn)礦棉產(chǎn)品，降低了礦渣棉冶煉能耗。爐渣的熱裝能夠廣泛應(yīng)用到鉻渣、鎳渣、高爐渣等生產(chǎn)礦棉的工藝中。

2.3.2 沖渣水余熱利用

高碳鉻鐵的熔點高達(dá)1500 ℃以上，為保證電弧爐有高的反應(yīng)速度并使生成的鉻鐵合金順利地從爐內(nèi)排出和渣鐵分離，必須使電弧爐爐溫控制在1650～1700 ℃以上，高碳鉻鐵的爐渣每噸顯熱可達(dá)2000 MJ以上。國內(nèi)高碳鉻鐵爐渣的冷卻通常采用沖渣水冷卻的方式，沖渣水余熱基本沒有被回收。呂韜等[11]結(jié)合電弧爐冶煉生產(chǎn)的工藝特點，設(shè)計了高碳鉻鐵沖渣水余熱回收方案，即在循環(huán)水池內(nèi)，采暖循環(huán)水經(jīng)過換熱器后，溫度由45 ℃升為60 ℃；采暖水通過室外管網(wǎng)進(jìn)入各建筑物進(jìn)行采暖，采暖后的采暖水溫度由60 ℃降為 45 ℃，再通過采暖室外管網(wǎng)重新回到熱力換熱站，用熱沖渣水重新加熱后循環(huán)使用。采暖循環(huán)水可以就近對廠區(qū)辦公樓及周邊小區(qū)進(jìn)行供暖。在極寒天氣情況下及生產(chǎn)停產(chǎn)時，設(shè)置了備用蒸汽熱源，實現(xiàn)了鉻渣的余熱回收利用。

2.4 煙氣的余熱利用

鐵合金冶煉礦熱爐有高煙罩敞口型、矮煙罩半封閉型和全封閉型。目前，落后的高煙罩敞口型基本被淘汰，中國絕大多數(shù)大、中型礦熱爐已經(jīng)采用矮煙罩半封閉型和全封閉型。半封閉礦熱爐煙氣波動較大，平均溫度約380 ℃，主要對其顯熱進(jìn)行余熱利用，采用余熱鍋爐回收熱量發(fā)電；全封閉礦熱爐煙氣溫度高達(dá)850 ℃，煙氣中CO占比約60%～80%。

封閉式礦熱爐煤氣熱值高，凈化回收后可直接作為煤氣使用。封閉型礦熱爐煤氣凈化有濕法凈化和干法凈化[12]。濕法凈化是將荒煤氣首先通過集灰箱除去粗顆粒粉塵，經(jīng)霧化冷卻器冷卻后，先進(jìn)噴淋塔一級除塵，再連續(xù)通過文氏管(Ⅰ)、脫水(Ⅰ)、文氏管(Ⅱ)、脫水器(Ⅱ)二級除塵脫水完成煤氣凈化。干法凈化是通過集灰箱除去粗顆粒粉塵，經(jīng)水冷煙道、風(fēng)力列管式冷卻器降溫、旋風(fēng)除塵器一級除塵后，通過主風(fēng)機送入布袋除塵器二級除塵，然后經(jīng)過外淋式空氣列管冷卻器降溫完成煤氣凈化。

國內(nèi)一些鐵合金廠已經(jīng)建設(shè)使用了先進(jìn)的余熱發(fā)電系統(tǒng)[13]，礦熱爐煤氣可不經(jīng)過除塵，直接接入燃?xì)忮仩t燃燒，鍋爐同時兼具除塵作用，產(chǎn)生的蒸汽通過汽輪發(fā)電機組發(fā)電，最高能夠達(dá)到60%的余熱回收利用，最終鍋爐排煙溫度158 ℃，還可做采暖使用，節(jié)能效果明顯，能夠為企業(yè)帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

經(jīng)余熱發(fā)電后，煙氣的溫度一般為80～130 ℃，由于煙氣量較大，排空造成大量熱量浪費。嵇曉滄等[14]利用煙氣直接烘干球團(tuán)，實現(xiàn)煙氣余熱的多級回收利用。在某鐵合金廠25 MVA礦熱爐生產(chǎn)線上，通過技術(shù)改造，利用煙氣直接烘干球團(tuán)，濕球團(tuán)含水12%～15%，球團(tuán)烘干后水分1%～3%，實現(xiàn)了球團(tuán)烘干，同時煙氣余熱進(jìn)行了多級回收利用，余熱回收效果良好，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

礦熱爐煙氣中具有很高的物理顯熱和化學(xué)能，結(jié)合不同的鉻粉礦預(yù)處理技術(shù)，可以分級利用煙氣中的能源。高品質(zhì)的礦熱爐煤氣不僅可以凈化后作為潔凈煤氣供廠區(qū)內(nèi)使用，也可外供；煤氣還可以采用余熱發(fā)電的形式轉(zhuǎn)換成電能，分級后的低溫?zé)煔饪梢杂脕砗娓摄t粉礦、球團(tuán)等物料，低溫蒸汽可蒸壓養(yǎng)生球團(tuán)，或作為生產(chǎn)生活上的采暖、食堂、浴室等用途。

3 結(jié)束語

生產(chǎn)實驗及實踐表明，鉻鐵合金冶煉中，采用球團(tuán)等預(yù)處理原料熱裝，鉻鐵合金熱送，爐渣熱送及余熱利用，礦熱爐爐頂煤氣綜合回收利用等節(jié)能措施，能夠明顯降低鉻鐵合金冶煉的單位生產(chǎn)能耗，有效地促進(jìn)了節(jié)能減排工作的穩(wěn)步推進(jìn)，為企業(yè)提高產(chǎn)品競爭力奠定了堅實的基礎(chǔ)。因此，在鉻鐵合金冶煉新建及改造項目中，推廣和應(yīng)用這些技術(shù)具有重要的意義。

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收稿日期：2017-01-02

作者簡介：楊緒平(1985—)，男，工程師。電話：18205169992。E-mail: 18205169992@163.com

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