路 明 陳小艷 王興峰 張建良 劉征建 王耀祖 喬紅梅

(1. 鞍山鋼鐵集團大孤山球團廠，2. 北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院，3. 北京科技大學人工智能研究院)

鋼鐵工業(yè)作為支撐國民經(jīng)濟發(fā)展的重要原材料產業(yè)，是能源消耗密集型行業(yè)。我國生鐵產量逐年攀升，2020年再創(chuàng)新高88 752.43萬t[1]，原料供應也在不斷增加。日趨嚴格的環(huán)保政策使得鐵礦石開采企業(yè)遭到嚴重打擊，鐵礦石原礦產量下降，隨著一系列改進措施的實行，2018年后原礦產量開始回升[1-4]。地下資源被不斷開采，高品位鐵礦資源嚴重匱乏，而且我國自產鐵礦石品位低、脈石成分含量高，尤其是SiO2含量較高的鐵礦石直接送入高爐會造成出渣量大，導致焦比升高，生產鐵水消耗的焦炭量增多，阻礙了“雙碳”目標的實現(xiàn)。結合我國的鐵礦資源條件，通過燒結與球團工藝進行人造富礦，改善其入爐條件及冶金性能，可降低焦比，提高高爐生產率。

據(jù)中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，煉鐵系統(tǒng)工序能耗占鋼鐵工業(yè)總能耗的70%，因此降低煉鐵工序能耗對可持續(xù)發(fā)展至關重要。2017年至今，煉鐵工序能耗持續(xù)降低，從392.90 kgce/t降至385.17 kgce/t[1-4]，燒結工序能耗與球團工序能耗呈現(xiàn)緩慢降低趨勢。生產實踐發(fā)現(xiàn)，熱風燒結和余熱回收利用可有效降低燒結、球團工序能耗。在鐵礦粉造塊生產過程中，焙燒后的熱礦冷卻是一個重要的環(huán)節(jié)。(1)高溫礦含有相當多的熱量，如果將其回收并利用在前段的預熱氧化焙燒，可減少熱量損失使能源高效利用，降低燃料消耗[5]；(2)熱礦排出必然導致工作條件差，運輸儲存困難以及設備過早燒損等；(3)合理調整冷卻風量和冷卻設備參數(shù)，可以改善含鐵原料的冶金性能，進而為高爐煉鐵提供優(yōu)質原料。因此，鐵礦石造塊過程冷卻及余熱回收技術不僅有效提高鐵礦粉造塊過程的能量利用率，減少污染物排放，還能改善最終產品質量。但現(xiàn)行的燒結球團冷卻設備和冷卻工藝還有很大改進空間，同時關于冷卻工藝的深層次機理也需要進一步探究。為響應國家節(jié)能減排政策，促進鋼鐵低碳綠色發(fā)展，優(yōu)化鐵礦石造塊過程中的冷卻與余熱回收技術成為當前研究的熱點。

1 冷卻設備工藝原理與余熱利用

隨著冶金工業(yè)生產裝備大型化發(fā)展，冷卻裝置不再是鐵礦石造塊生產線的末端輔助設備，已經(jīng)成為不可或缺的回收物料余熱的高效節(jié)能性設備。長期以來，國內外學者及研究單位在鐵礦石冷卻方面做了大量研究工作，各廠家也設計選用了不同類型的冷卻設備，冷卻方式主要包括帶式冷卻、環(huán)式冷卻和豎式冷卻三種。

1.1 帶式冷卻

帶式冷卻機臺車為矩形，沿直線運行，熱的燒結礦、球團礦均勻地分布在臺車上，不易產生布料偏析和短路漏風的現(xiàn)象，形成一定厚度的料床，且冷卻氣流從底部穿過料床發(fā)生熱交換。帶式冷卻機典型的熱風循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示[6]。冷卻二段出來的熱風用于干燥鼓風干燥段的生球；均熱段和焙燒段的熱風由回熱風機抽出，在抽風干燥段繼續(xù)干燥生球；冷卻段的熱風和燃料燃燒的余熱回收，用于球團的預熱和焙燒；在冷卻一段和冷卻二段，球團被冷卻風機鼓入的冷風冷卻[7-8]。帶式冷卻機具有流程緊湊、自動化控制程度高的特點[9]，適合連續(xù)排礦，在保證鋪料均勻、不斷流、不拉溝的前提下冷卻效果好[10]。但它并不是一個獨立的設備，而是帶式焙燒機的一段區(qū)域，其缺點是設備占地面積大、設備配件多，導致維修工作量大、維護費用高、電耗高等問題[11]，而且由于其結構特點，運行過程中與風箱、煙罩等存在大量的結合面，設備漏風率高，低溫段煙氣溫度較低，回收價值少，一般直接排放。

圖1 球團工藝帶式冷卻機熱風循環(huán)系統(tǒng)

1.2 環(huán)式冷卻

燒結是向高爐提供原料的一道工序，燒結餅經(jīng)破碎篩分后進入給料溜槽，連續(xù)均勻地分布在回轉臺車的篦板上，在水平軌道上做勻速圓周運動。同時，鼓風機將冷卻空氣送至臺車風箱，冷空氣穿過篦板與熱燒結礦接觸，經(jīng)過一定時間的熱交換后，燒結礦冷卻，臺車回轉到卸料區(qū)將冷燒結礦卸下至排料溜槽，進而傳送到皮帶運輸機上，此時臺車復位循環(huán)進行下一次冷卻[10, 12]。環(huán)式冷卻余熱回收形成的回流換熱可以實現(xiàn)能源高效利用，設備作業(yè)率高，但也存在漏風嚴重的問題[13]，冷卻效果逐漸變差，影響燒結礦質量。

鏈篦機—回轉窯—環(huán)冷機工藝是生產球團的主流工藝，球團經(jīng)回轉窯焙燒后需要在環(huán)冷機內進行冷卻，使球團最終溫度降至150 ℃左右[14]。環(huán)冷機與鏈篦機、回轉窯構成回流系統(tǒng)，實際上環(huán)冷機相當于鏈篦機—回轉窯的余熱回收裝置，其冷卻效果直接影響能量利用[15]，環(huán)冷機熱風循環(huán)系統(tǒng)如圖2所示[16]。環(huán)冷一、二、三段排出的熱廢氣分別進入預熱Ⅱ段、預熱Ⅰ段和鼓風段，有效回收高溫球團冷卻余熱[14, 17]，顯著降低生產能耗。環(huán)式冷卻工藝流程長，熱工響應速度慢，工藝調整復雜，需要合理調整鼓風量、環(huán)冷機速度和環(huán)冷風機風量保證球團礦的冷卻效果，避免出紅球和燒皮帶事故的發(fā)生。

圖2 球團工藝環(huán)冷機熱風循環(huán)系統(tǒng)

1.3 豎式冷卻

豎式冷卻工藝主要由冷卻系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、余熱鍋爐和循環(huán)風機組成，如圖3所示[18]。冷卻氣體從豎爐底部鼓入，在冷卻段與熱礦進行換熱，換熱后溫度升至400～500 ℃，高溫廢氣經(jīng)過一次除塵后進入余熱鍋爐換熱降溫至150 ℃左右，鍋爐產生蒸汽進行發(fā)電，同時經(jīng)汽輪發(fā)電后的蒸汽，經(jīng)除氧式冷凝器冷凝除氧后送至余熱鍋爐進行循環(huán)。另一部分較低溫度的廢氣在給水預熱器中與純水進行換熱，換熱后溫度降至約70 ℃，二次除塵后經(jīng)循環(huán)風機再次送入冷卻段循環(huán)利用[19]。豎式冷卻借鑒干熄焦技術，采用密閉逆流冷卻原理[20]，將鼓風機與冷卻段立式連接，在密閉的豎爐中對燒結礦和球團礦進行冷卻，降低了燒結漏風率和粉塵排放量，提高了能量利用率，減少了污染物排放量。豎式冷卻用自上而下室式冷卻，料層高度明顯提高[21]，增強了對流換熱效率，提高了冷卻廢氣的溫度與穩(wěn)定性，余熱氣體品質得到保證，進而提高余熱鍋爐發(fā)電量，熱回收利用率可提高至80%～90%[18, 22-23]。但同時豎式冷卻由于料層高度增加會相應出現(xiàn)料流不暢、熱交換不均勻的問題，若豎爐內冷卻風量的分布不盡合理也會造成排礦溫度不均勻的問題，在實際生產中還容易出現(xiàn)排料口堵死等問題[23]。由于球團強度高、均勻性好、流動性強、透氣性好，球團礦采用豎式冷卻技術比燒結礦更為成熟[18]。

圖3 豎式冷卻工藝流程

綜上所述，不同冷卻方式的對比見表1。

表1 三種冷卻方式對比

2 冷卻制度的合理選用

2.1 燒結工藝冷卻制度的合理選用

燒結礦是一種由多種礦物組成的復合體，液相生成是燒結成型的基礎，其液相量和性質影響著成品燒結礦質量，但液相固結的速度及燒結礦冷卻制度也對燒結礦強度產生重要影響。在冷卻過程中，燒結礦會產生不同的內應力，如燒結礦表面與中心存在溫差而產生熱應力、各種礦物因具有不同熱膨脹系數(shù)而引起的相間應力、硅酸鈣系產物在冷卻過程中的多晶轉變[24]所引起的相變應力等[25]。這些內應力對燒結礦強度影響很大，內應力越大，燒結礦能承受的機械作用力就越小。高艷甲等[26]研究表明，當燒結礦中堿度及硅含量較高時，正硅酸鈣的晶型轉變?yōu)橹鲗б蛩兀瑧哟罄鋮s強度以減少晶型轉變產生的相變應力；當堿度及硅含量較低時，則玻璃體為主導因素，應適當降低冷卻強度以減少玻璃體生成。此外，在冷卻過程中，燒結礦凝固的固相之間會發(fā)生連晶反應，連晶反應的完全度是影響燒結礦強度的重要因素。左海濱[27]等采用SEM和光學顯微鏡觀察了不同冷卻制度下復合鐵酸鈣(SFCA)的結晶狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)在空冷條件下，樣品中存在大量相互連接的赤鐵礦相，鐵酸鈣的結晶性得以改善，空冷燒結礦具有較高的強度；而由于冷卻速度太快，水淬燒結礦部分液相粘結相未礦化完全，以玻璃相形態(tài)賦存于燒結礦中，導致強度降低。因此在生產燒結礦時，應根據(jù)燒結礦自身的特性，設定合理的冷卻制度，在減少燒結礦冷卻過程中內應力生成的同時，盡可能地增加固相反應程度，以保證燒結礦最佳的強度及冶金性能。

2.2 球團工藝冷卻制度的合理選用

球團礦固結是以赤鐵礦再結晶長大為核心機制，核心反應包含磁鐵礦氧化及新生赤鐵礦連晶固相固結[5]。在球團氧化焙燒過程中往往有少量液相產生，特別是制備堿性球團時，低熔點液相更容易生成。在冷卻過程中，球團中液相體系填充在孔隙中把顆粒粘結在一起，并在一定的冷卻制度下結晶或形成玻璃體，因此，冷卻制度對于球團礦質量有著重要影響。

有研究表明[28]，球團在空氣中冷卻時，在磁鐵礦核和赤鐵礦殼的邊界會產生徑向拉伸應力，將磁鐵礦核從赤鐵礦外殼中分離出來，形成球團三區(qū)結構，即磁鐵礦核—赤鐵礦外殼—表面磁鐵礦膜，表面磁鐵礦膜厚度的增加會減少核—殼界面徑向拉伸應力，提高球團強度。當表面赤鐵礦含量超過75%時，切向拉伸應力數(shù)值大于徑向拉伸應力，磁鐵礦殼發(fā)生開裂。在中性氣氛中冷卻時，高溫焙燒和無氧介質促進了赤鐵礦的離解，這個過程從表面往球團內核進行，在球團表面形成磁性殼層(磁鐵礦膜)。由于磁鐵礦殼和赤鐵礦核的凝固溫度不同，球團內產生不同的應力，導致界面處同心裂紋，降低球團礦強度。伍岳、朱德慶[29]等分析了空冷和水冷對球團礦冶金性能的影響，實驗測得空冷球團抗壓強度比水冷球團高15.22%～67.28%(兩種冷卻制度對球團礦抗壓強度的影響見圖4)。分析原因是水冷球團冷卻速度遠遠大于自然冷卻球團冷卻速度[29]，球團礦內部粘結鍵斷裂，增加球團破壞的溫度應力，使其抗壓強度和其他物理性能大大削弱。在10～25 mm粒度范圍內，同一冷卻制度下，隨著球團粒度增大，球團礦抗壓強度也呈上升趨勢。因此在球團冷卻工藝中，應選擇合適的冷卻溫度，降低球團破壞的溫度應力和內應力，避免球團出現(xiàn)分層和同心裂紋；適當增大球團粒徑，有利于提高球團的抗壓強度，為高爐煉鐵提供優(yōu)質的含鐵爐料。

圖4 不同冷卻制度對球團礦抗壓強度的影響

3 冷卻工藝調整優(yōu)化措施

目前冷卻工藝存在物料粒徑不均勻分布、漏風率高和余熱回收利用率低三個問題，針對以上問題進行優(yōu)化調整。

3.1 分層布料技術

物料粒徑不均勻分布導致冷卻裝置內部換熱不均勻，影響余熱回收利用[30]。隨著燒結礦粒徑和球團礦直徑減小，單位體積料層的換熱面積增加，換熱效率提高，料層冷卻速度加快。隨著燒結礦粒徑與球團礦直徑增大，燒結礦與球團礦的外殼與內核會存在溫差而產生熱應力增大，影響燒結礦和球團礦質量，不利于后續(xù)操作。Jang等[31]研究表明，物料粒徑與孔隙率越小，換熱系數(shù)越大，換熱量越多。基于余熱回收量的分析，實行分層布料工藝后，大粒徑物料分布在臺車底部，小粒徑物料分布在臺車中部，可以實現(xiàn)生產過程中余熱利用的最大化，并有助于改善溫度場分布的均勻性。李茂等[30]研究結果表明，相較于標準生產工況，采用分層布料工藝可以增加14%的余熱回收量。工業(yè)實踐表明，采用球團分層布料技術燃耗降低約10%，焙燒機生產能力提高約18%，同時球團礦的理化性能得到改善[6]。

3.2 厚料層燒結/焙燒技術

在鐵礦石燒結過程中，厚料層燒結技術可以提高熱能利用率、改善燒結礦質量、降低燃料消耗?；跓Y料層的自動蓄熱作用，在相同風量前提下，適當提高料層厚度，使得料層高溫保持時間長，液相量生成增加，礦物結晶更加充分[24]，燒結礦結構改善，從而提高燒結礦強度及成品率[13]。對于球團工藝，隨著料層厚度的增加，環(huán)冷機的轉速或帶式機的運行速度降低，球團礦在環(huán)冷機/帶式機內停留的時間增加，熱量被充分置換，提高了冷卻效果[6]。

3.3 漏風治理與節(jié)能技術

漏風率的高低直接影響燒結產量及各項經(jīng)濟技術指標，對于環(huán)式冷卻和帶式冷卻工藝，在運行過程中，由于循環(huán)使用熱風提高了風溫，增大了熱輻射，使得冷卻設備與風箱、煙罩等結合部位出現(xiàn)大量漏點，排放的熱廢氣溫度低、風量小，嚴重制約了熱能的高效利用。因此，結合具體工藝條件，對燒結機風箱、煙道、放灰平臺等進行全面檢查，更換短節(jié)、閘閥、法蘭等部件或進行補漏處理[13]。一般經(jīng)過補漏處理，可將風機系統(tǒng)漏風率降至50%以下[32]。采取相應的漏風治理措施或進行必要的技術改造，降低漏風率，提高余熱回收系統(tǒng)廢氣溫度，減少鼓風量，降低電耗。

4 結論

(1)冷卻設備主要可分為豎式冷卻、帶式冷卻和環(huán)式冷卻三種，不同冷卻方式因冷卻機理不同，導致冷卻效率及余熱回收率存在顯著差異。其中，豎式冷卻極大改善余熱回收，熱回收利用率可達90%；燒結漏風是環(huán)式冷卻余熱回收利用的瓶頸；帶式冷卻適合直接排礦，但粉塵易外泄，環(huán)保效果差。

(2)不同冷卻制度對燒結礦、球團礦的質量有著重要的影響。均勻、緩慢冷卻有利于液相粘結相的結晶發(fā)展，利于強度的改善；反之，冷卻強度過大則會產生玻璃體，影響產品質量。因此實際生產中，應設定合理的冷卻制度，減少冷卻過程中內應力的生成，提高固相反應程度，得到高強度及優(yōu)異冶金性能的燒結礦及球團礦。

(3)通過分層布料技術、厚料層燒結技術、漏風治理與節(jié)能技術等優(yōu)化措施的實施，可有效提高余熱回收率，改善冷卻效果。

(4)冷卻工藝的關鍵技術研究與工業(yè)實踐有助于鐵礦石造塊過程冷卻工藝及設備的改進。通過設備研發(fā)與創(chuàng)新，工藝技術設計優(yōu)化等措施，可實現(xiàn)煉鐵工藝造塊過程能量的高效利用。