CN102808059B - 一种用于含碳球团直接还原的转底炉热工控制方法 - Google Patents

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本发明涉及钢铁生产领域，具体地，本发明涉及一种用于含碳球团直接还原的转底炉热工控制方法。本发明的用于含碳球团直接还原的转底炉热工控制方法，该方法包括以下步骤：1）在预热段控制炉温在1150±100℃；2）在还原I段和还原II段控制炉温在1300±100℃；3）在均热I段控制炉温在1300±120℃，在均热II段控制炉温在1100±150℃；在上述步骤1）～3）中，控制炉底炉气成分，其中，控制O2体积成分比<3%，CO<500ppm。本发明的转底炉热工控制方法既符合国家节能减排、循环经济的政策要求，又为企业自身生产成本的降低提供了空间。

Description

一种用于含碳球团直接还原的转底炉热工控制方法
技术领域
本发明涉及钢铁生产领域，具体地，本发明涉及一种用于含碳球团直接还原的转底炉热工控制方法。
背景技术
转底炉的前身是轧钢环形加热炉，最近三十年间开始用于含碳球团直接还原工艺，并逐渐发展成一种煤基直接还原炼铁新工艺。由于这一工艺无需燃料的制备和原料的深加工，对合理利用自然资源、保护人类环境有积极作用，因而受到冶金行业的普遍关注。目前对转底炉工艺的研究开发，已经由最初的美国、加拿大、日本和德国发展到中国、瑞典、比利时、印度等众多国家和部门，相应的试验研究装置遍布世界各地。转底炉属于工业燃烧炉窑的一种，燃烧炉的热工控制主要包括燃烧过程控制、炉温水平控制、炉气成分控制和炉压控制等几个方面，热工控制水平的高低直接影响到工业炉窑的能源消耗率、环境污染程度和产品的质量产量。
轧钢环形加热炉的主要作用是对放入其中的钢坯进行升温加热，使钢坯的温度和均匀性在出炉时满足轧制要求。而转底炉应用于含碳球团直接还原工艺时，球团不仅要在炉内受热升温，还会在高温下发生一些列复杂的多相化学反应。含碳球团在转底炉内的反应过程可以分为三个阶段：第一阶段，球团快速加热，表面碳氧化燃烧，伴随大量挥发份逸出和燃烧；第二阶段，球团内部升温受到抑制，出现温差，球团内部的还原反应逐渐开始进行；第三阶段，球团内部温差逐渐减小，球团内还原势升高，氧分压逐渐降低；另外，球团还原生成的CO气体还会通过球团孔隙扩散到炉内进行二次燃烧。与传统的轧钢加热工艺相比，无论考虑炉膛内的燃烧、流动和气-固换热过程，还是剖析物料内部的理化反应和热质传递过程，都可以看出转底炉直接还原的工艺过程更加复杂，如果直接借用现有的轧钢环形加热炉热工控制方法对转底炉进行控制，在满足含碳球团直接还原工艺要求、设备节能减排等方面均存在很多问题。因此，需要重新设计和制定针对含碳球团直接还原工艺的转底炉热工控制方法。
目前转底炉设计主要依据轧钢加热炉，轧钢加热炉中的钢坯零件等基本不发生化学变化，因此炉内主要烤炉零件物理升温，而加热含碳球团的转底炉不仅要控制煤气燃烧，更重要的是控制还原挥发出的CO的二次燃烧，其控制难度远高于轧钢加热炉，因此提出了一种用于含碳球团直接还原的转底炉热工控制方法。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提供能够满足含碳球团直接还原工艺要求、有效降低设备能耗、保证金属化球团品质、减轻环境污染的转底炉热工控制方法。
本发明的用于含碳球团直接还原的转底炉热工控制方法，包括以下步骤：
1）在预热段控制炉温在1150±100℃；
2）在还原I段和II段控制炉温在1300±100℃；
3）在均热I段控制炉温在1300±120℃，在均热II段控制炉温在1100±150℃；
上述步骤1）～3）中，各段炉温可根据转底炉采用的原料种类和产品需求来决定，这属于常规选择。
上述步骤1）～3）中，控制炉底炉气成分，其中，控制O2体积成分比<3%，CO<500ppm；
根据本发明的转底炉热工控制方法，所述步骤1）～3）中，在转底炉各段均侧置二次风喷嘴，以控制二次风流量。
根据本发明的转底炉热工控制方法，所述步骤1）预热段还侧置有煤气烧嘴。
根据本发明的转底炉热工控制方法，所述预热段外侧设置煤气烧嘴3~10个、内侧设置煤气烧嘴2~8个，优选地，所述预热段外侧设置煤气烧嘴5个，内侧设置煤气烧嘴4个；所述预热段外侧设置二次风喷嘴3~10个、内侧设置二次风喷嘴2~8个，优选地，所述预热段外侧设置煤气烧嘴5个，内侧设置煤气烧嘴4个。
根据本发明的转底炉热工控制方法，所述步骤2）还原I段还侧置有煤气烧嘴；还原II段顶置平焰煤气烧嘴。
根据本发明的转底炉热工控制方法，优选地，所述还原I段外侧设置煤气烧嘴5~12个、内侧设置煤气烧嘴4~11个，优选地，外侧设置煤气烧嘴10个、内侧设置煤气烧嘴6个，外侧设置二次风喷嘴5~12个、内侧设置二次风喷嘴4~11个，优选地，外侧设置煤气烧嘴10个、内侧设置煤气烧嘴6个；还原II段顶置平焰煤气烧嘴为10~32个，优选20个，外侧设置二次风喷嘴8~16个、内侧设置二次风喷嘴6~13个，优选地，外侧设置二次风喷嘴10个、内侧设置二次风喷嘴8个。
根据本发明的转底炉热工控制方法，所述步骤3）均热I段和II段均顶置平焰煤气烧嘴。
根据本发明的转底炉热工控制方法，所述均热I段顶置平焰煤气烧嘴9~24个，优选18个，外侧设置二次风喷嘴5~12个、内侧设置二次风喷嘴3~9个，优选地，外侧设置二次风喷嘴8个、内侧设置二次风喷嘴5个；所述均热II段顶置平焰煤气烧嘴为7~20个，优选14个，外侧设置二次风喷嘴0~4个、内侧设置二次风喷嘴0~4个，优选地，外侧设置二次风喷嘴2个、内侧设置二次风喷嘴2个。
根据本发明的转底炉热工控制方法，所述转底炉侧置煤气烧嘴和二次风喷嘴的中心线距离转底炉料面高度为500~800mm。
本发明的方法包括炉温控制策略、炉气成份控制策略和供风策略三个方面。炉温方面总体实行高炉温控制策略，预热段采用外部供热的方式将炉温控制在1150±100℃，实现球团温度快速升高以减少表面碳燃烧消耗；还原段是金属氧化物还原的主反应区，炉温控制在1300±100℃，为了保证还原在固相状态下快速顺利的进行；均热段在承接还原段任务，使氧化物还原更为彻底的同时，还需防止金属熔化和氧化，前半段炉温控制在1300±120℃，后半段控制在1100±150℃。炉气成分控制方面，由于炉底含碳球团还原需要还原性气氛的保护，所以加强对炉底球团附近炉气中的氧气含量的监控，具体限制为O2的体积成分比<3%。供风策略方面，针对还原产物CO二次燃烧的工艺特点，在炉膛侧墙距离球团适当位置布置二次风喷嘴，并根据炉气中CO实测含量或在线数学模型预测结果，对二次风流量进行分段控制，实现煤气助燃风和CO助燃二次风的分供和分控。
本发明的优点主要体现在以下几个方面：
1、本发明实现了球团物料的快速升温和彻底还原，保证了出炉产品金属化率、脱锌率等技术指标满足工艺要求，为后道工序高炉、转炉或电炉的单体能耗降低提供了空间。
2、本发明实现了二次风专供，改善了二次风和CO的混合条件，提高了CO二次燃烧率，有效降低了转底炉的煤气消耗量，提高了设备热效率。
3、本发明实现了煤气助燃风和二次风流量的分别控制，提高了控制精度，降低了废气生成量，减少了废气排放对大气环境的污染。
综上，本发明的转底炉热工控制方法既符合国家节能减排、循环经济的政策要求，又为企业自身生产成本的降低提供了空间。
附图说明
图1为本发明转底炉结构示意图。
图2为炉温与球团金属化率和脱锌率关系图，其中，A为炉温与金属化率关系，B为炉温与脱锌率关系。
图3为CO体积比与球团金属化率和脱锌率关系图，其中，A为CO体积比与金属化率关系，B为CO体积比与脱锌率关系。
具体实施方式
下面结合具体实施例及说明书附图对本发明做进一步说明。
实施例1
本发明实例中转底炉炉底宽度5m，有效面积412m2。全炉从进料端到出料端依次分为预热段、还原I段、还原II段、均热I段和均热II段，炉膛排烟口设置在预热段和还原I段之间。转底炉总体结构如图1所示。入炉含碳球团（生球）参数如表1。
表1入炉含碳球团（生球）参数(%)
  TFe   Fe2O3   FeO   CaO   SiO2   Al2O3   MgO   S   P   C   其它
  48.60   50.86   16.71   3.36   4.38   0.95   1.42   0.71   0.05   14.25   5.15
入炉含碳球团温度70℃。
含碳球团直接还原的转底炉热工控制方法包括炉温控制、炉气成份控制和供风三个方面：
（1）高炉温的控制
预热段：该区域主要功能包括预热球团、煤挥发份分解燃烧及表面碳的燃烧、矿煤热解脱硫等，主要工艺要求是快速提高含碳球团的温度，根据现场实际操作经验，不依靠煤自身挥发份分解燃烧和表面碳的燃烧，而主要采用外部供热，预热段炉温控制在1100℃。
还原段：该区域是铁、锌等金属氧化物还原的主反应区，应采用多布置烧嘴、增大煤气和助燃风流量等方式提供充足的反应所需热量。还原反应会产生大量CO，因此供给二次风是节约燃料、提高温度的重要手段。还原段I段温度控制在1200℃，还原段II段温度控制1250℃，在以保证还原在固相状态下快速顺利的进行。
均热段：该区域主要是承接还原段的任务，使得氧化物的还原更为彻底，同时防止金属熔化和氧化。均热I段炉温控制在1280℃；均热II段温度控制在1100℃。
（2）炉气成分控制
转底炉炉底含碳球团还原进行的程度受周围炉气成分影响显著，由图3可知，只有球团周围CO的体积比达到35%以上，出炉球团金属化率才能达到80%，所以在转底炉各段均需要对炉底球团附近的炉气成分进行监控，实际操作中可以以炉气中O2和CO含量为控制目标，对煤气助燃风和二次风量进行调节，具体限制为O2体积成分比<3%，CO<500ppm。
（3）煤气助燃风和二次风的分供分控
为提高CO二次燃烧率，在炉膛侧墙距离球团适当高度布置二次风喷嘴，实行二次风专供；煤气及其助燃风在炉膛高度较高的预热段和还原I段通过侧置烧嘴供入，在炉膛高度较低的还原II段、均热I段和均热II段通过顶置平焰烧嘴供入，各控制段烧嘴和喷嘴的布置位置和数量详见表2。根据炉气成分实测含量和在线数学模型预测结果，对助燃风和二次风流量进行分别控制。
表2各控制段煤气烧嘴和二次风喷嘴的布置
（侧烧嘴和二次风喷嘴离球面高度640mm）
含碳球团经转底炉热工控制，在转底炉内直接还原得到金属化球团，温度1000℃，金属化球团金属化率80%。其化学成分见表3。
表3成品金属化球团化学成分(%)
  TFe   FeO   MFe   CaO   SiO2   Al2O3   MgO   S   P   其它
  71.72   18.442   57.38   4.958   6.404   1.402   2.095   1.04   0.074   8.20
实施例2
本发明实例中转底炉炉底宽度2m，有效面积56m2。入炉含碳球团（生球）参数和入炉含碳球团温度同实施例1。
含碳球团直接还原的转底炉热工控制方法包括炉温控制、炉气成份控制和供风三个方面：
（1）高炉温的控制
转底炉各段控制炉温如下：
1）在预热段控制炉温在1050℃；
2）在还原I段和还原II段控制炉温在1200℃；
3）在均热I段控制炉温在1180℃，在均热II段控制炉温在950℃；
其它步骤同实施例1。
（2）炉气成分控制
具体限制为O2体积成分比<3%，CO<500ppm，优选地，O2体积成分比为1%-2%，CO<300ppm。
（3）煤气助燃风和二次风的分供分控
各控制段烧嘴和喷嘴的布置位置和数量详见表4，其它步骤同实施例1。
表4各控制段煤气烧嘴和二次风喷嘴的布置
（侧烧嘴和二次风喷嘴离球面高度500mm）
含碳球团经转底炉热工控制，在转底炉内直接还原得到金属化球团，温度930℃，金属化球团金属化率70%。
实施例3
本发明实例中转底炉炉底宽度3m，有效面积100m2。入炉含碳球团（生球）参数和入炉含碳球团温度同实施例1。
含碳球团直接还原的转底炉热工控制方法包括炉温控制、炉气成份控制和供风三个方面：
（1）高炉温的控制
转底炉各段控制炉温如下：
1）在预热段控制炉温在1150℃；
2）在还原I段和还原II段控制炉温在1300℃；
3）在均热I段控制炉温在1300℃，在均热II段控制炉温在1100℃；
其它步骤同实施例1。
（2）炉气成分控制
具体限制为O2体积成分比<3%，CO<500ppm，优选地，O2体积成分比为1%-2%，CO<300ppm。
（3）煤气助燃风和二次风的分供分控
各控制段烧嘴和喷嘴的布置位置和数量详见表5，其它步骤同实施例1。
表5各控制段煤气烧嘴和二次风喷嘴的布置
（侧烧嘴和二次风喷嘴离球面高度520mm）
含碳球团经转底炉热工控制，在转底炉内直接还原得到金属化球团，温度1030℃，金属化球团金属化率83%。
实施例4
本发明实例中转底炉炉底宽度7m，有效面积1686m2。入炉含碳球团（生球）参数和入炉含碳球团温度同实施例1。
含碳球团直接还原的转底炉热工控制方法包括炉温控制、炉气成份控制和供风三个方面：
（1）高炉温的控制
转底炉各段控制炉温如下：
1）在预热段控制炉温在1150℃；
2）在还原I段和还原II段控制炉温在1300℃；
3）在均热I段控制炉温在1300℃，在均热II段控制炉温在1100℃；
其它步骤同实施例1。
（2）炉气成分控制
具体限制为O2体积成分比<3%，CO<500ppm，优选地，O2体积成分比为1%-2%，CO<300ppm。
（3）煤气助燃风和二次风的分供分控
各控制段烧嘴和喷嘴的布置位置和数量详见表6，其它步骤同实施例1。
表6各控制段煤气烧嘴和二次风喷嘴的布置
（侧烧嘴和二次风喷嘴离球面高度800mm）
含碳球团经转底炉热工控制，在转底炉内直接还原得到金属化球团，温度1030℃，金属化球团金属化率85%。
对比例1
本发明实例中转底炉炉底宽度5m，有效面积412m2。入炉含碳球团（生球）参数和入炉含碳球团温度同实施例1。
按照轧钢环形加热炉的热工控制方法，各控制段炉温如下：
1）在预热段控制炉温在980℃；
2）在还原I段控制炉温在1100℃；
3）在还原II段控制炉温在1300℃；
4）在均热I段和均热II段控制炉温在1300℃；
其它步骤同实施例1。
含碳球团在转底炉内直接还原得到金属化球团，温度1180℃，金属化球团金属化率74%。虽然金属化球团温度较高，但金属化率偏低。另外，由于轧钢环形加热炉不存在二次风供应，在不进行煤气助燃风和二次风分供分控的情况下，还原产物CO二次燃烧率难以保证，达到相同金属化率时煤气消耗量增大；同时，由于炉温控制难度加大，金属化球团最终指标也难以得到保证。

Claims (2)

1.一种用于含碳球团直接还原的转底炉热工控制方法，该方法包括以下步骤： 
1)在预热段控制炉温在1150±100℃； 
2)在还原I段和还原II段控制炉温在1300±100℃； 
3)在均热I段控制炉温在1300±120℃，在均热II段控制炉温在1100±150℃； 
在上述步骤1)～3)中，控制炉底炉气成分，其中，控制O2体积成分比<3％，CO<500ppm； 
其中，所述预热段外侧设置煤气烧嘴3～10个、内侧设置煤气烧嘴2～8个；所述预热段外侧设置二次风喷嘴3～10个、内侧设置二次风喷嘴2～8个； 
所述还原I段外侧设置煤气烧嘴5～12个、内侧设置煤气烧嘴4～11个，外侧设置二次风喷嘴5～12个、内侧设置二次风喷嘴4～11个；还原II段顶置平焰煤气烧嘴为10～32个，外侧设置二次风喷嘴8～16个、内侧设置二次风喷嘴6～13个； 
所述均热I段顶置平焰煤气烧嘴9～24个，外侧设置二次风喷嘴5～12个、内侧设置二次风喷嘴3～9个；所述均热II段顶置平焰煤气烧嘴为7～20个，外侧设置二次风喷嘴0～4个、内侧设置二次风喷嘴0～4个。 
2.根据权利要求1所述的转底炉热工控制方法，其特征在于，转底炉侧置煤气烧嘴和二次风喷嘴的中心线距离转底炉料面高度为500～800mm。 
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