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ma镍弃渣应用工业试验方案
镍弃渣应用工业试验技术方案
(修订稿)
北京科技大学
镍弃渣应用工业试验课题组
二〇〇八年一月十六日
一、指导思想
近年来,铁矿资源价格逐年上涨,给生铁成本造成了较大压力,与此同时,有色冶金中的废弃物镍渣对环境保护也造成较大压力。
由于镍弃渣中含有高达40%的金属铁,因此如何合理处理镍弃渣对有色冶金和钢铁行业都具有重要意义。
对有色冶金行业,废弃物得到了处理,对钢铁行业,开拓了铁矿资源,并有可能降低炼铁成本。
符合国家的产业发展政策。
前期金昌铁业与北科大合作,进行了初步探索,但由于对镍弃渣入炉对高炉冶炼过程影响认识还不够深入,影响了镍弃渣综合利用试的验进行。
因此,下一步需要在各方统一认识的基础上,为镍弃渣的利用创造条件。
此次工业试验,应以保证实现加入量为首要目标。
北京科技大学提供基础理论研究数据,金昌铁业尽可能创造原料、设备条件,以保证第一步实现反应器内利用镍渣30%水平。
由于在试验期多种因素的不可准确预测,为保证利用率达到较高水平,当高炉有关技术经济指标如利用系数等与此冲突,可放在第二位考虑。
待试验达到第一步镍渣加入量后,计算分析不同冶炼条件下加入不同量镍弃渣的高炉冶炼技术经济指标。
二、试验期间北京科技大学现场参加人员
序号
姓名
专业
职称
分工
1
倪文
固废利用
教授
综合协调
2
仓大强
冶金工程
教授
理论研究、实验室研究、现场指导
3
高斌
冶金工程
教授
实验室研究、现场指导
4
李素芹
冶金工程
教授
实验室研究、现场指导
5
李克庆
矿物学
副教授
实验室研究、现场指导
6
陈秀枝
分析化学
高工
分析化验
7
康瑞彬
分析化学
工程师
分析化验
8
刘立国
冶金工程
博士生
现场试验
9
马明生
固废利用
博士生
现场试验
10
王中杰
固废利用
硕士生
现场试验
三、试验步骤
根据前期初步试验的经验,试验仍采取分步进行方法。
炉料结构中镍弃渣初始加入量7%做为第一阶段,以后按3%增量逐步增加,并且仅考虑在高炉冶炼炉料中加入镍弃干渣。
考虑到高炉过程的滞后性,每一阶段以稳定生产十至十五天为判定依据。
当在上一阶段的加入量水平上实现稳定生产后,对有关生产数据进行总结分析,统一认识,做出必要调整,再进入下一阶段工业试验,直到达到添加量为30%。
四、试验反应器
基于试验的指导思想,为尽可能排除设备因素对试验过程的影响,缩短试验周期,应尽量选用对试验条件适应性较好的高炉。
对公司三座高炉设备状况进行比较,1号高炉内衬侵蚀严重,冷却系统局部损坏严重,炉壁散热不均,各种操作系统老化,目前边缘发展过度,炉温严重不均,导致炉缸温度严重不均,出现铁水中硅、硫含量同时增高的现象。
根据1号高炉目前的整体状况判断,应及时大修。
如不进行大修很难稳定炉况。
由于加入镍弃渣的试验是一项创新性极强的工业试验,而且明显不利于高炉顺行,因此要想在试验中积累准确的数据和有推广价值的经验,必须选择其它因素对高炉顺行影响较小的高炉进行工业试验。
而1号高炉目前已显示顺行困难,影响因素错综复杂,因此不适合进行加镍弃渣冶炼的工业试验。
众所周知,较大的高炉具有较大的惯性。
因此当炉况发生波动时,达到炉况恶化有较长的时间,有利于及时分析处理这种波动。
重要的是,较大的高炉料柱较高,也有利于煤气与物料的三传,对于使用难还原的镍渣,可以保证有较充足的炉缸物理热。
从设备方面看,加入镍渣试验应在较大的2号高炉上进行为宜。
在试验开始前,由公司组织有关部门,对关键点进行必要的检修,并准备足够的备品备件,防止试验过程中频繁出现设备故障,影响对工业试验数据的判断与正确分析处理。
五、原料条件要求及炉料结构
1、焦炭及用量
采用较好质量的焦炭:
作为料柱骨架,近些年研究及生产实践均表明,其对高炉顺行有很大影响,综合分析目前炼铁现状,为保证料柱透气性,工业试验期焦炭质量应保证达到不低于二级冶金焦的水平;如从保证试验成功方面看,原燃料质量越高越好。
其理由在金昌交流时已经表述,因此可在金昌可获得资源中,选择好的原、燃料。
在金昌条件下,试验期应尽可能提供较高的入炉矿品位,并要求焦炭质量不低于二级冶金焦。
关于焦炭的用量,由于加入镍渣,试验期高炉利用系数会降低。
烧结与球团比正常情况下用量少;同时,焦比会随加入的镍渣比率增加而增加,高炉利用系数会下降,焦炭日用量估计变化不大;考虑到试验期可能延长,按保证使用,留有余地的原则,可按如下公式准备焦炭用量:
焦炭用量=预定试验期时间天数×高炉目前日产量×0.85(t)
按上式计算整个试验期焦炭用量约为3万吨。
2、炉料结构调整方向:
配加镍弃渣后,入炉SiO2量会进一步增加,需要考虑炉料品位。
根据金昌铁业集团提供的数据,烧结矿的Fe/SiO2为53.6/7.0,约为7.66,球团矿的Fe/SiO2为62.0/8.0,约为7.75,相差不大,因此可以根据生产能力和镍弃干渣的加入量,按保证要求的炉渣碱度进行调整。
3、烧结矿碱度
配加镍弃渣入炉SiO2量会进一步增加,且随配加量增加而增加,需要增加入炉CaO量,基于目前烧结矿的碱度现状,可以考虑通过提高烧结矿碱度加以解决,根据炉渣的碱度平衡,逐步提高烧结矿碱度到2.0左右,必要时加入石灰石。
4、首次工业试验技术指标及要求
结合理论计算及添加镍弃干渣已有的工业生产试验经验,对此次工业试验做以下基本要求:
1)焦炭:
符合国家规定的二级冶金焦;
2)炉渣碱度:
R2=1.05;
3)焦比:
716kg/thm;
4)风温:
不低于900℃;
5)烧结矿FeO:
9.0%以下;
6)烧结矿R2波动值:
≤0.1;
7)镍弃干渣粒度:
6-15mm;
8)炉温:
[Si]=2.0±0.2;
工业试验在高炉炉况稳定顺行条件下开始进行。
添加镍弃干渣7%阶段,通过调整烧结矿碱度或烧结球团配比保证炉渣碱度,不向炉内添加石灰石。
5、首次工业试验炉料结构
(1)同时调节烧结矿和球团矿的入炉比例,按照烧结矿:
球团矿7:
3的比例入炉,并且加入7%的镍渣,此时炉料结构中烧结矿:
球团矿:
镍渣为0.65:
0.28:
0.07
(2)高炉利用系数会维持在1.84t/m3·d
(3)焦比:
716kg/thm;
(4)为了保证同时炉渣的碱度R2=1.05,并且不加石灰石,必须满足烧结矿的碱度为2.02,经过计算烧结矿中需要多加入石灰石0.044吨/吨铁。
六、反应器操作
根据目前的高炉冶炼状况,为保证工业试验过程顺利进行,在操作上需要注意以下几点:
1、坚定不移地朝着打开中心方向努力:
从目前炉况看,普遍存在中心开放程度不够的现象,产生的直接效果是煤气利用不好、吨铁燃料消耗较高、边缘过度发展、炉墙结瘤、炉温严重不均、渣铁流动性差、生铁中硅、硫含量同时增高。
其客观原因是焦炭质量太差,但仍需要努力进行调整。
操作理念应支持本着下部调剂为主,上部调剂为辅的基本原则,通过上下部调剂实现。
2、炉渣特性
根据目前的原料状况,初步确定炉渣参数为:
R2=1.05-1.10;
碱度过高,渣量太大。
目前的生铁含硫超标,其主要原因是原料成分的波动,以及炉况不稳定造成的,片面提高碱度对冶炼不利。
根据镍弃渣成分分析,镍弃渣中SiO2含量较高,已经达到34.61%,MgO/Al2O3=8.86/2.26,随着镍弃渣加入量的提高,由于其中SiO2占有较大份额,对渣成分的影响趋势是:
渣中Al2O3含量和MgO均有所降低,且前者降低的速度大于后者,因此不必担心由于添加镍弃渣造成炉渣中Al2O3升高,导致流动性及脱硫能力降低。
如果出现这样的现象,应考察原是否由于原料的料成分变化引起的,而不是加入镍弃渣的问题。
3、炉温及分布
由于镍弃渣特性,随加入量升高,有较多的还原性差的原料入炉,直接还原度提高,渣量增大,这些都会造成炉内直接还原增加,下部热量的需求增大,炉顶煤气温度升高,煤气量增大软融带上移等问题,这些必然会给高炉顺行和强化冶炼带来困难,试验期间生产指标的确定应充分考虑此点。
根据现场调研,与此相应的对策,目前可考虑有两点:
一是在保证烧结矿强度的前提下,适当降低烧结矿的FeO含量,由目前的10%以上,降低2-3%;另一是将入炉镍弃矿的粒度适当降低,粒度上限可考虑降低到15mm。
其它对策在金昌目前的条件下,没有实现的可能,这是目前工业试验研究的难点所在。
高炉冶炼过程是一个复杂的过程,即使使用同一座高炉,原、燃料条件基本不变的条件下,高炉炉况也会有所变化。
高炉操作的过程就是:
工长通过不断观察炉况,根据理论分析和实践经验采取一定的调剂手段,再观察调剂效果这样一个过程,保持高炉冶炼过程的相对稳定。
加入镍渣冶炼是首次进行,是一个探索的过程,其对高炉冶炼的影响方面目前是明确的,但调剂量上仍有待试验的摸索。
从不添加到添加一定量,从少量添加到较大的量,逐步提高镍渣在入炉含铁料中的比例,同时分析炉况,找出规律,这也是进行工业试验研究的目的。
因此要提前制定操作制度和调剂参数是不切实际的,合适的操作制度和调剂参数需要在试验进行中由北京科技大学和金昌铁业集团的技术人员根据炉况变化现场进行调整。
4、试验中的渣量增大后的具体应对措施
(1)增加放渣次数,按照镍渣加入量每增加5%,放渣时间间隔缩短20%的制度执行。
(2)由于镍渣的加入同时调整了焦炭质量和焦比,并通过炉料的调整保持二元碱度在1.05以上,再加下部调剂和打开中心,因此,炉缸将向着温度更均匀和更活跃方向发展,因此正常情况下将比目前的高炉运行更有利于渣铁分离,可避免渣中带铁的现象。
因此只要及时出渣就能避免灌渣的事故发生。
六.试验中可能发生的炉况失常或事故预测及处理预案
1、打开中心,消灭死料柱
为避免炉温不均的现象进一步加剧,在加入镍弃渣之前应先用高等级焦炭代替现有焦炭打开中心,消灭死料柱,提高高炉顺行程度。
前一个时期曾采用二级焦炭组织过一个月的生产,证明对均化炉温和高炉顺产非常有利,金昌铁业集团的三座高炉均能提高产量10%左右。
如果能在北京科技大学专家的现场指导下进一步加强下部调剂,打开中心和消灭死料柱是有可能的。
2、大灌渣
高炉出现大灌渣的原因一般为:
连续多次渣铁出不净,风口和吹管烧穿紧急放风,风机或送风系统故障而突然停风,以及处理悬料和管道等。
大灌渣有时不仅将直吹管灌死,严重的还会灌到弯头和鹅颈管。
灌后处理需要较长时间,往往数小时,损失很大。
为防止大灌渣,应做好以下工作:
1)做好炉前出渣出铁工作,做到每次都出净;
2)因外部原因造成渣铁出不净,应估算出铁前炉缸内的渣铁量,如果超过安全容铁量的1/2时,应减风操作,控制好下次出铁前炉缸内的铁水量不超过安全容铁量;
3)处理炉况时的所有放风都应在出完渣铁后进行,如遇特殊情况,应看好风口;如出现渣涌现象,要尽量维持风压或稍回点风,等到渣铁渗过焦床下到下炉缸;如出现灌渣时应回风顶回炉渣;
4)如果出现烧穿风口或直吹管,应立即向烧穿部位打水,防止烧坏大、中套,然后按烧穿吹管处理;
5)如果在出铁前出现征兆,应立即组织出铁,只要罐位下有足够的铁水罐和渣罐就应打铁口出铁。
3、风口突然烧坏
处理方案:
在风口外面喷水冷却,安排专人监视防止烧出,根据情况改常压操作或放风,组织出渣出铁,准备停风更换,为减少炉内漏水,停风前应减水到力争风口明亮,以免风口黏铁,延长休风时间。
4、炉缸冻结
炉温下降到渣铁不能从渣铁口自动流出时,就是炉缸冻结。
炉缸冻结是高炉生产中的严重事故,处理炉缸冻结需要付出很大的代价,因此必须尽量避免这种事故。
下列情况可能发生炉缸冻结:
1.连续崩料未能及时制止;
2.长期低料线没有补加净焦;
3.上料称量有误差;
4.大量冷却水漏进炉内;
5.炸瘤后补充的净焦数量不足,炉瘤溶化进入炉缸内参加直接还原,造成炉缸温度急剧降低。
处理方案:
1)首先大量减风20%-30%或更多,保证炉内焦炭缓慢燃烧;
2)尽量保持较多的风口能正常工作,发现自动灌死,应及时捅开,至少要保持渣铁口两侧的风口能进风;
3)用氧气烧开渣口和铁口,设法让炉内渣铁流出来,只要争取一两个风口能进风和定期放出渣铁,恢复是有希望的;
4)发现炉缸冻结时,必须及时大量加净焦,一次可加10~20批,并大幅度减轻焦炭负荷;把风温提高到最高水平;减少溶剂量,降低炉渣碱度。
5)处理炉缸冻结期间应尽量避免休风,以免炉况进一步恶化。
6)如果炉缸严重冻结,从铁口放不出铁时,可将渣口二、三套取下,砌上耐火砖,从渣口出铁。
7)如果从渣口也放不出铁,则用氧气向上烧渣口,使其与上方相邻的风口相连。
用渣口上方两个风口进风,从渣口出渣出铁。
8)待炉温转热时,首先恢复渣口的正常工作,然后逐渐增加进风口,用大量氧气烧开铁口,争取恢复铁口的正常工作。
处理炉缸冻结需要较长时间,不能急于求成,只有依靠高炉各岗位工作人员坚持不懈的努力,设法把炉缸内的冻结物慢慢全部溶化并排放出来,才能使高炉恢复正常。
5、炉缸炉底烧穿
炉缸炉底烧穿事故会给生产和操作人员造成很大危险,甚至造成重大伤亡事故,应防止发生。
造成烧穿的原因很多,主要是:
1)设计的炉缸炉底结构不合理,所用耐火材料低劣,施工质量不好等;
2)生产中冷却制度不合理,水温差长期不稳定或偏高,特别是水质差的地区,水管结垢影响冷却;
3)原料中含有对炉缸炉底损坏极大的铅和碱金属;
4)炉况不好,炉缸经常出现堆积,从而频繁使用萤石洗炉,造成炉缸侵蚀严重;
5)铁口长期过浅,铁口中心线不正,操作维护不当;
6)出现预兆时,采取的措施不得力。
造成烧穿的前期预兆有:
1)炉缸冷却壁水温差或热流强度升高超过规定值或断水;
2)炉缸部分局部地区砖衬极薄,炉壳发红;
3)炉底冷却不正常,风冷时的风冷管极红,局部地区冒煤气;
4)出铁不正常,下渣后铁量增多,甚至先见下渣,后见铁水,每次出铁亏量多;
5)虽然已使用含钛料护炉,但因用量不够未能见到效果。
根据造成烧穿的原因,采取相应针对性措施来预防,预防措施如下:
1)采用好的合理的炉缸炉底结构,例如陶瓷杯结构,小块微孔碳砖结构等,并选用适应炉缸炉底工作条件的优质耐火材料,精心筑炉等;
2)尽量不使用含铅炉料,限制入炉碱负荷(小于3kg/t),必要时利用炉渣排碱;
3)精心操作防止炉缸堆积,以避免洗护,尤其是炉子中后期应避免用萤石洗护;
4)抓好炉前操作,维持铁口的正常状态,出好出尽渣铁,要控制好铁水速度,以免过高的速度时,铁水冲刷炉缸壁;
5)严密注视冷却器的工作状态,加强冷却设备的科学管理,水温差、热流强度超过正常时要采取果断措施,使之恢复正常,如改高压水冷却、改单连冷却、清洗冷却器等;
6)采用含钛料护炉,要使护炉见效,加入含钛料的数量要保证铁水含钛达到0.08%-0.10%,如果情况严重时,钛可提高到0.15%,甚至短时间内可到0.2%以救急,在水温差回落后,再退回;
7)热流强度持续上升时,要停风堵水温差高区域的风口,降低顶压和停用附近渣口,如果仍然高于规定极限值时要停风凉炉,在水温差降落到正常值后,用低压低冶炼强度冶炼铸造生铁。
七、试验期间生产成本分析
1、加入7%镍渣的成本预测
依据金昌铁业(集团)有限责任公司提供的2007年11月生铁成本明细表和烧结矿、球团矿等有关数据做如下计算:
为了加入镍渣后保证高炉顺行,需要提高烧结矿的碱度,烧结矿中CaO的含量须从现在的12.1%增加到14.2%,能够满足烧结矿的碱度为2.02,同时炉渣的碱度R2=1.05。
经过计算烧结矿中需要加入石灰石0.044吨/吨铁。
同时调节烧结矿和球团矿的入炉比例,按照烧结矿:
球团矿7:
3的比例入炉,并且加入7%的镍渣,此时炉料结构中烧结矿:
球团矿:
镍渣为0.65:
0.28:
0.07。
由于采用镍渣炼铁,加入7%的镍渣后,高炉利用系数会维持在1.84t/m3·d左右。
则吨铁消耗的烧结矿为1.18吨
球团矿为0.51吨
镍渣为0.13吨
石灰石为0.044吨
故生产成本明细如下(石灰石按100元/吨计算,生石灰按150元/吨计算,镍弃渣按50元/吨计算,其他原材料和燃料按金川铁业集团提供的数据计算):
(1)原材料成本:
烧结矿的单位成本:
1.18×(887.27+0.044×150)=1054.77元
球团矿的单位成本:
0.51×418.74=213.5元
镍弃渣的单位成本:
0.13×50=6.35元
原料单位成本小计:
1274.62元
(2)燃料成本:
二级冶金焦单位成本:
0.716×(1276.94+450)=1236.49元
(3)动力费:
86.96×(2.00/1.84)=94.52元
(4)工资及附加费:
67.85×(2.00/1.84)=73.75元
(5)制造费用:
244.38×(2.00/1.84)=265.63元
每吨生铁生产的总成本:
1274.62+1236.49+94.52+73.75+265.63=2945.06元
2、加入30%镍渣的成本预算
(1)加入镍弃渣30%时主要指标预期
根据理论计算分析,在其它条件不变时,加入镍弃渣量达到30%,各项指标有如下变化:
1)利用系数
理论上高炉利用系数维持在原来的2/3,即为正常水平。
如果目前的高炉有效容积利用为2.00t/m3·d;加入30%的镍弃渣,利用系数在1.3左右为正常水平;
2)焦比
根据物料平衡及热平衡,以目前的焦比水平650kg/thm考虑,加入30%镍弃渣后,焦比约为1000kg/thm,提高了54%。
3)渣量
根据对不同原燃料成分的假定,对渣量变化进行计算,预期加入30%镍弃渣后,渣量增加一倍。
(2)成本分析
当加入30%镍渣后,同样需要提高烧结矿的碱度,达到烧结矿的碱度为2.02,但由于烧结矿加入的总量减少,烧结矿中需要加入石灰石0.036吨/吨铁。
同时调节烧结矿和球团矿的入炉比例,按照烧结矿:
球团矿7:
3的比例入炉,并且加入30%的镍渣,此时炉料结构中烧结矿:
球团矿:
镍渣为0.49:
0.21:
0.30。
除此之外,还要额外加入石灰石调节炉渣的碱度,经过计算需加入石灰石的量为0.29吨/吨铁。
加入30%镍渣后高炉的利用系数会维持在1.3t/m3·d左右。
则吨铁消耗的烧结矿为0.96吨
球团矿为0.41吨
镍渣为0.59吨
石灰石为0.33吨
生产成本明细如下(石灰石按100元/吨计算,生石灰按150元/吨计算,其他原材料和燃料按金川铁业集团提供的数据计算):
1)原材料:
烧结矿的单位成本:
0.96×(887.27+0.036×150)=856.96元
球团矿的单位成本:
0.41×418.74=171.68元
石灰石单位成本:
0.29×100=29元
镍弃渣的单位成本:
0.59×50=29.50元
原料单位成本:
1087.14元
2)燃料:
二级冶金焦单位成本:
1.00×(1276.94+450)=1726.94元
3)动力费:
86.96×(2.00/1.3)=133.78元
4)工资及附加费:
67.85×(2.00/1.3)=104.38元
5)制造费用:
244.38×(2.00/1.3)=375.97元
每吨铁生产的总成本:
1087.14+1726.94+133.78+104.38+375.97=3428.21元
从以上成本分析可以看出,当加入30%镍弃渣时采用传统的炼铁方法预计使吨铁生产成本从现在的2483元增加到3428元,即增加了将近1000元。
如果不能实现多联产和高炉的全氧大喷煤改造在经济上是不合理的,在能源利用上是不符合国家政策的。
但如果首先实现多联产,则热态熔渣的价值得以充分利用。
目前一般以高炉渣为主要原料的铸石厂,每吨高温熔体的可获得成本为1100元左右,具体构成如下:
1)原材料:
200元
2)燃料:
0.25×1700=425元
3)动力:
70元
4)工资及附加:
120元
5)制造费用:
285元
合计:
1100元
因此如果能够实现多联产,当镍弃渣加入量达到30%时每生产1吨铁可获得1吨高温熔渣,扣除高温熔渣的价值1100元,则每吨生铁的真正生产成本为2328元,低于目前金昌铁业集团的正常生产成本2483元。
进一步的降低成本和提高效率,则要依靠高炉的全氧大喷煤改造和高炉煤气的进一步综合利用。
八、组织与实施
金昌铁业与北京科技大学合作进行工业试验,北京科技大学主要进行理论研究、试验室检测与技术分析,以及现场试验指导,双方通过勾通,确定相应高炉生产调整方向,逐步推进添加量,进行试验阶段的生产组织和管理。
九、保证措施
添加镍弃渣冶炼,其基本影响与添加低品位矿冶炼相同,按通常的冶炼保证设备运转正常。
需要考虑的是在添加量较大时,可能由于渣量增加较多,高炉操作与炉前操作不适应,引起风口破损量较多,出渣不及时高炉不受风;关键应注意随渣量增加适当减系数,维持合理的鼓风量,保持合理的煤气流分布。
此外适当注意高炉冷却,各段冷却水温差及炉底冷却保持在合理范围即可。
在试验开始前,由公司组织有关部门,对关键点进行必要的检修,并准备足够的备品备件,防止试验过程中频繁出现设备故障,影响对工业试验数据的判断与正确分析处理。
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