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1、 转底炉进料机和螺旋出料机设计要点 李 斌(重庆赛迪热工环保工程技术有限公司,重庆 401122)随着我国钢铁工业的快速发展,烧结、炼铁、炼钢生产的原料来源越来越广泛,特别最近几年来,在铁矿石严重依赖进口、优质废钢日益短缺、进口铁矿石价格日益攀升、国际国内市场竞争日趋激烈等等残酷的现实面前,许多企业为了生存,往往采用大量含锌量相对较高的矿石和废钢,这样就直接导致钢铁厂产生的含锌量很高粉尘和污泥,如果这些高锌的粉尘再作为原料返回烧结,并再次进入高炉,将会使锌产生富集,进而影响高炉运行,甚至影响高炉寿命。转底炉技术可实现冶金含铁尘泥固废的有效循环利用,在美日韩等发达国家经过多年发展后被引入国内,逐
2、渐得到认可。转底炉生产出来的产品可供高炉、转炉使用,综合回收其中的锌等元素,实现资源的再生利用,目前已在国内外多家钢厂应用1-3。转底炉是当前冶金行业处理高锌含铁尘泥生产还原性球团的直接还原工艺生产线,转底炉工艺将钢铁主工序产生的难处置高锌尘泥、碳(CDQ粉)、粘结剂按照一定的比例配合,再经过混合、成球、烘干,然后将生球送入转底炉,在转底炉内经过1 260 左右的高温产生还原反应,生球中的铁被碳还原,生产出金属化球团,其中氧化锌还原为单质锌,锌挥发进入烟气中,在烟气中再被氧化成氧化锌粉末,在烟气系统中进行回收。转底炉作为该粉尘处理生产线的核心设备,需要满足球团升温和进行直接还原的温度和还原气氛
3、条件,因此其设计要求非常高,特别是之配套的装出料设备,设计是否合理直接关系到整个生产线的生产。本文结合工程实际,对装出料设备作了分析研究,提出了几点设计要求。1 转底炉生产工艺物料在转底炉内的工艺过程为：装料加热还原出料。从原料配料混合均匀后的物料进入成球缓冲仓,再经压球机压制成球,成型的生球团经胶带机输送进入生球烘干机脱水干燥,干燥后生球通过装料机向炉内连续供料,将烘干生球均匀布到转底炉环形炉床上。生球在炉底上铺 12 层,随着转底炉的炉底机械匀速转动,载着均匀分布在炉底上的球团依次经过转底炉各还原段。通过调节炉底机械电机的频率,可以改变球团在转底炉炉内还原的时间。球团在炉内的还原时间一般设
4、置为 2030 min。转底炉的炉膛一般划分为装料区、加热区、还原一区、还原二区、还原三区和出料区,每段根据供热需求合理设置转底炉专用煤气烧嘴,加热段单独设置空气供风烧嘴,使还原产生的 CO 在炉内充分燃烧,因此球团随炉底机械旋转,经历上述各还原区完成还原反应。煤气烧嘴用的助燃空气通过热风炉从出炉烟气中回收余热,再使用换热器将空气预热至 420460 。通过补充煤气和剩余CO二次燃烧,可使炉内温度达到 9501 260 。在物料中,碳和氧化铁、氧化锌等的紧密接触,为产生还原反应创造了良好的环境。物料在旋转的过程中,各还原区温度越来越高,还原反应越来越快。在还原性气氛下,物料中的大量碳与氧结合生
5、成CO分离出来,一部分与铁元素进行还原反应,生球中的铁氧化物被还原为单质铁,另一部分参与燃烧,释放出大量热量,满足转底炉大部分热量需求。同时物料中的锌氧化物被还原为单质锌,高温下成为蒸汽态进入烟气中,在烟气中被氧化成氧化锌粉末,在烟气系统中进行回收。2 转底炉装料机设计2.1 装料机的结构设计装料机的作用是将胶带机输送过来的生球均匀地铺在转底炉的炉盘上。为提高转底炉的生产效率,一般将转底炉本体设计为宽度5 m的环形结构,由于装料机振动的特点,只能将装料机的支架跨在炉盘两侧,不能放在炉顶。要使物料均匀地布置在炉盘宽度上,装料机的下料口不能与来料方向垂直,而是要偏移一个角度,装料机料槽宽度一定的前
6、提下,偏移角越大,布料宽度越大,更能适应物料的均匀性布料,但是具体偏移宽度受料槽宽度限制,同时要满足的布料宽度和设备的安装尺寸,此角度取值不能太大,一般取值在1520。由于转底炉直接还原的特点是以碳(CDQ粉)为主要还原剂,还原温度较高,还原速度快,这对装料机提出了更高要求。转底炉装料机必须满足连续均匀布料,在环形炉床上铺料要薄而均匀。沿炉顶径向开设长条形口,生球经开口落到炉床。从开口的长条方向落下量是不能相同的,因为从内环到外环直径越来越大,布料面积也越来越大,所以单位时间下料必须越来越多,这样才能使炉床布料厚度一致。针对转底炉的布料条件设计采用振动给料机,它由给料槽体、振动电机、激振器、弹
7、簧、弹簧支座、筛板、支架等组成,皮带运输送来的生球落到给料槽体底上,给料槽体持续振动使物料连续向前运动,给料槽底设置有棒条筛,使小于5 mm的生球和碎粉被筛下,给料槽体设有多条分料槽,通过调节给料槽流量控制阀,可以调节各条料槽之间的料量,进而满足布料要求。振动电机采用变频电机,可通过调节电机频率调整装料机振动频率,从而改变给料速度。2.2 装料机运动学参数的选取根据文中描述的装料机的特点,推荐转底炉给料机在设计时采用抛掷运动原理。要使物料出现良好抛掷运动和获得较大的输送速度,必须使物料抛离工作槽体,使物料最大振动加速度(在垂直工作面方向的)大于重力加速度分量,即gcosa02sin(1)式中：
8、g为重力加速度;a0为振动布机槽体安装倾角;为槽体振动的圆周频率;为槽体振幅;为振动方向角,即槽体振动方向与槽体底面的夹角。(2)式中：n为驱动电动机的额定转速。由式(1) 可得(3)3 转底炉出料机设计3.1 螺旋出料机功率的选取螺旋出料机工作时的功率消耗,主要由几个部分组成：(1) 螺旋轴支承轴承处摩擦消耗的功率。(2) 物料与螺旋叶片间摩擦消耗的功率。(3) 炉底耐材与螺旋叶片间摩擦消耗的功率。这三个部分功率都可以用式(4)计算4：(4)式中：N为消耗的功率,kW;m为螺旋轴转动部分质量(其中物料与螺旋叶片间摩擦消耗的功率计算时m为出料量),kg/min;w为摩擦阻力系数;r为旋转半径,
9、m;n1为螺旋轴转速,r/min 。根据以上公式,这三个部分功率相加就可以得出螺旋出料机的功率,但是摩擦阻力系数w,在物料与螺旋叶片间摩擦消耗的功率时和炉底耐材与螺旋叶片间摩擦消耗的功率时,要考虑螺旋叶片磨损量,螺旋轴中间磨损量大,两边磨损量小,擦阻力系数要适当地放大0.2,功率储备系数K=2,机械传动效率=0.8,就可计算出螺旋出料的机的最大功率。3.2 螺旋出料机材质的选取根据还原球团产品流动性较好的特性,设计采用全叶片式螺旋。由于螺旋出料机工作在高温、高尘的炉膛环境中,同时物料及烟尘具有一定的黏性、腐蚀性。螺旋出料机在此工况下长期工作,其失效形式表现为高温状态下的磨蚀失效5-6。针对上述
10、工况,要求螺旋的材质具有极好的高温抗氧化性能及高温耐磨性能,同时还必须具有一定的抗腐蚀能力。目前在低温下使用的耐磨材料种类很多,但满足此高温状态的材料极少,采用了钴、铬、镍、钼、钨系钴基高温合金,其中钴含量要高,在保持高温强度的同时,提高其耐磨和抗氧化性能。钴(Co)元素主要提高其高温强度,配以镍(Ni)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)。镍(Ni)元素的主要作用是提高该合金在高温下的强度同时保证塑性,镍对酸碱也有较高的耐腐蚀能力,在高温下有防锈和耐热能力;铬(Cr)元素对该合金有二次硬化,提高合金在高温下的硬度和耐磨性而不使合金变脆,使得合金具有良好的高温抗氧化、耐腐蚀,增加合金的热硬性等,
11、还可以保证钴基合金部件在燃气环境中形成致密而牢固的Cr2O3保护膜,阻止腐蚀介质基体的直接接触,提高合金的抗氧化腐蚀性能,使得合金具有良好的耐高温、耐腐蚀、抗氧化性能;钼(Mo)能提高淬透性和热强性,还能在渗碳层中降低碳化物在晶界上形成连续网状的倾向,减少渗碳层中残留的奥氏体,相对地增加了表面层的耐磨性。钨(W)为主要固溶强化元素在钢中除形成碳化物外,部分作为难熔金属溶入合金中形成固溶体,增加红硬性、热强性以及由于形成碳化物而增加耐磨性。为了方便叶片易更换维修,叶片采用与基座用螺栓连接的结构形式,同时螺栓采用防松结构,不然叶片在高温下会掉下来,基座和工作叶片每圈分成几段拼接组装。当工作叶片磨损
12、后,只需卸下磨损坏了的叶片段,换上新的叶片即可。3.3 螺旋出料机水冷方式的设计由于螺旋出料机置于转底炉内高温的环境中,而且直接接触1 100 左右高温炉料,并不断旋转摩擦炉料,甚至有时可能会刮蹭炉底,工作条件十分恶劣,因此出料机采用水冷方式,轴采用空心的,从一端进水,另一端出水,防止轴受热变形。采用这种方式冷却时,设计时特别注意螺旋轴与冷却管之间的密封问题,这个可采用旋转接头来实现。对于工作段较长、螺旋轴直径大的出料机,应注意轴头内径与螺旋轴内径比过大,很容易造成冷却水在螺旋轴内流速突然降低,进而在轴内停留时间过长,严重影响冷却效果,进而影响螺旋出料机的使用寿命。为了避免这样的问题,在螺旋轴
13、内设置内胆,内胆两端封闭,冷却水从螺旋轴内壁和内胆之间的间隙流过,且在内胆外壁设计有导流片,可加快冷却水流速,进而提高冷却效果。3.4 螺旋出料机驱动和升降装置的设计由于螺旋出料机两端有水冷系统,螺旋轴的驱动方式也将发生变化,减速机与螺旋轴之间的传动连接可通过链条连接,从动链轮布置在出料机支撑轴承的外侧,这样方便安装和维修,同时要增加断链保护装置,当链条损坏时,及时处理,防止事故的发生,驱动电机采用变频电机,这样螺旋出料机转速可以变化,适应调节出料量大小。出料轴两端配升降装置,采用电液驱动的模式,可降低故障率。根据需要调整螺旋出料轴的高度,以适应炉底高度的变化,同时两端配置位移传感器,这样能保
14、证两端升降同步,又能在线调整螺旋轴位置、升降速度,螺旋出料机两侧均设置升降到位检测,这样就可根据实际检测情况来调整螺旋出料轴位置。为了防止螺旋出料机刮蹭炉底边框砖,设计要留出20 mm余量,同时设计也要考虑增加机械死档,防止到位检测失效,螺旋出料轴的高度过低而刮蹭炉底边框砖引发事故。4 转底炉自控系统设计为满足转底炉生产工艺要求,转底炉配置先进的控制系统,能够对转底炉运行进行快速响应7。高温金属化球团由螺旋出料机排出,经过圆筒冷却机冷却,便得到成品金属化球团,再通过成品链斗机运送到成品仓,但是一旦后面某一个设备出现问题,整个成品系统就会中断,所以自动化系统设计时就必须和进料机、螺旋出料机做成连锁控制,当螺旋出料机后面某个设备出现问题时,圆筒冷却机停止运转,螺旋出料机的升降装置抬起,这样就停止出料。当转底炉进料机开始进料的时候,螺旋出料机必须在正常工作的位置,能正常出料,否则不能进料。防止转底炉进料机一直在进料,而螺旋出料机不能出料,从而造成转底炉整个炉底板结,导致转底炉停产。5 结 语本文根据现场实践经验结合理论知识论证了进料机和螺旋出料机在设计中应该考虑的重要因素,按上述设计制造的进料机和螺旋出料机已在某钢厂转底炉基地上使用,目前运行正常,各项生产指标均达到了设计能力,能满足生产要求。 -全文完-
