袁曉峰1， 吳建軍2， 李 智1， 雷加鵬1， 裴王敏2
（1．中冶南方工程技術有限公司煉鋼分公司，湖北武漢430223；
2．江蘇沙鋼集團淮鋼特鋼股份有限公司，江蘇淮安223002）
摘 要：介紹了中冶南方工程技術有限公司開發的煉鋼石灰在線篩分加料系統的工藝路線和技術方案。該系統通過在石灰料倉下設置一種振動篩分裝置，在保證轉爐生產節奏的前提下對石灰進行塊末分離，能有效杜絕石灰粉末被轉爐煙氣抽吸帶入除塵系統，在提高石灰利用率、穩定轉爐冶煉操作和保障一次除塵系統運行等方面具有顯著效果，適用于新建或改建煉鋼工程，具有較高的應用參考價值。
關鍵詞：轉爐；石灰；振動；篩分；粒度
轉爐冶煉工序需要加入大量石灰、白云石、燒結礦和螢石等散狀物料用于造渣，以去除鋼水中的硫、磷等有害元素。這些散狀物料，尤其是石灰，結構疏松，物理強度不高，在其運輸、儲存、使用的過程中容易破碎，造成石灰粒徑發生變化，產生一定的粉末［1］。由于這些粉末本身質量較輕，再加上同時受到爐內上升熾熱氣流和一次除塵系統負壓抽吸作用的影響，絕大多數會隨爐內煙氣流帶走，從而進入一次除塵系統，造成真正入爐參與反應的石灰量降低，鐵水中的硫、磷等有害元素得不到有效去除，而且會導致鋼水成分波動，冶煉過程尤其是爐渣堿度難以準確控制。此外，這些粉末在除塵設備內部遇水容易結垢硬化，加重一次除塵系統負荷，影響除塵效果［2－6］。現有轉爐工程中物料篩分環節多設置在上料運輸皮帶的最后一級轉運站處，這種方式盡管可以去除石灰中的大部分粉末，但是篩分之后的塊狀石灰在卸入爐頂高位料倉時仍然會落料粉化，有少量石灰粉末不可避免地進入轉爐加料系統。
中冶南方工程技術有限公司結合多年工程設計經驗與客戶訴求，開發了一種石灰在線篩分加料系統。該系統的核心在于以一種振動篩分裝置取代常規的料倉下振動給料機，在石灰輸送的終端環節進行塊末有效分離，已經成功應用于工業化生產中，獲得了良好的技術和經濟效果。
1 工藝路線
轉爐用石灰由汽車從石灰窯區域運至地下料倉，經皮帶機、卸料小車運送到煉鋼車間內轉爐爐頂高位料倉。轉爐石灰高位料倉通常設置兩個，在每個高位料倉下料口和稱量斗之間各布置一套振動篩分裝置。振動篩分裝置能將粒度較小的石灰粉末和粒度較大的塊狀石灰分離開來，其中符合轉爐冶煉要求的塊狀石灰直接進入稱量斗，經過下料溜管最終加入到轉爐內，篩分出的石灰粉末則通過卸灰溜管收集進入主操作平臺下灰倉內儲存，定期用汽車外運，可用于制備鐵水脫硫劑或者用作燒結礦添加劑。本系統工藝路線如圖１所示。
2 技術方案
2.1 系統組成
石灰篩分加料系統主要包括振動篩分裝置、塊料加料系統、粉末收集系統、除塵系統以及與之相連的電控系統等。
振動篩分裝置是石灰篩分加料系統的核心設備，其集振動、篩分、給料等功能于一體，能夠在不影響轉爐生產節奏的前提下對即將入爐的石灰進行塊末分離，其中篩上物為合格粒度的塊料，篩下物則為粉末。塊料加料系統包括稱量斗、匯總斗和加料溜管等，負責將塊狀石灰加入轉爐。粉末收集系統包括返料溜管、灰倉和卸灰閥門等，負責將篩下石灰粉收集起來集中處理。除塵系統包括除塵風管和電動閥門，在稱量斗頂部設吸風口并通過風管就近接入除塵系統，對落料篩分過程中產生的粉塵進行凈化。整個篩選分離加料過程通過電控系統完成，振動篩分裝置等設備可在轉爐主控室遠程操作，也可在現場就地操作。
2.2 振動篩分裝置設計
振動篩分裝置的設計必須能滿足煉鋼工藝生產要求。具體體現在以下幾點：物料輸送能力不能影響轉爐生產節奏；石灰篩分速度大小可控，方便調節；遠程／就地操作模式；與稱量斗下口插板閥完善的連鎖關系等。
2.2.1 分級粒度確定
對于活性石灰的入爐顆粒粒度，根據以往經驗通常確定為5～50ｍｍ。為加快化渣速度同時提高石灰有效利用率，有必要通過計算確定石灰在冶煉狀況下不會被煙氣抽吸帶走的最小粒徑，這也是制定石灰振動篩分裝置分級粒度的關鍵參數。
轉爐煙氣抽吸細小固體顆粒，是一個固氣兩相流中懸浮物運動的問題。固體顆粒在氣流中受到方向向上的氣流推動力、浮力以及方向向下的重力。當氣流推動力和浮力之和大于重力時，固體顆粒隨氣流上升；當氣流推動力和浮力之和小于重力時，固體顆粒逆氣流下降；當兩者平衡時，固體顆粒呈懸浮狀態。所以能加入轉爐物料的最小臨界直徑就是懸浮狀態下的固體顆粒的直徑。因此當固體顆粒的直徑大于其臨界直徑時，固體顆粒就能加入轉爐，反之，固體顆粒將被抽走［7］。
實際生產時，固定下煙罩處轉爐煙氣流速最快，當從高位料倉投入的石灰經過此處時，如果不被煙氣抽走，一般都能順利進入轉爐。
石灰顆粒在轉爐固定下煙罩的懸浮狀態臨界粒度見式（1）［8］。
式中：dL為石灰顆粒在轉爐固定下煙罩的懸浮狀態臨界粒度，m；UF為活動下煙罩處的煙氣流速，m／s；ρs為石灰顆粒的密度，kg／m3。
活動下煙罩處的煙氣流速因冶煉操作（不同爐型、除塵系統負壓和吹氧制度等）的不同而有差異。隨著轉爐高效吹煉技術的發展，不少鋼廠的供氧強度已經超過4.0m3／（t·min），煙氣流速一般在13～30 m／s 范圍內，脫碳反應激烈時可能會更高［9］。
石灰的平均顆粒密度取為2700kg／m3（堆密度一般為1000kg／m3）。
當煙氣流速為30m／s時，計算得出石灰顆粒在轉爐固定下煙罩的懸浮狀態臨界粒度為6.7mm，即認為粒度小于6.7mm的石灰粉末會被煙氣抽吸帶走，剩下的塊狀石灰則會順利進入爐內。
考慮轉爐供氧強度未來可能會進一步提高，將石灰振動篩分裝置的分級粒度定為7mm。
2.2.2 物料輸送能力確定
振動篩分裝置物料輸送能力大小取決于轉爐下料速度。一般來說，在轉爐冶煉周期和石灰消耗量差別不大的情況下，轉爐噸位越大，所選的振動篩分裝置物料輸送能力也越大。以100t轉爐為例，石灰單耗設計取值為50kg／t（鋼），通常需要在1.5min內將每爐鋼冶煉所需石灰從料倉投入稱量斗內，則計算確定振動篩分裝置的輸送能力應為100t／h。依此類推，300t轉爐工程中所采用的振動篩分裝置的輸送能力應為300t／h左右。對于改造工程而言，振動篩分裝置的物料輸送能力應與原有料倉下振動給料機的能力相匹配。
2.2.3 振動篩分裝置型式確定
根據石灰物料的特性，本技術方案采用單層懸臂棒條篩，篩面傾角為25°。其具有下列優點：（1）懸臂篩網由一組相互平行的彈性棒條和安裝鋼棒的固定梁等組成，篩孔為開口長條形，并且彈性棒條在工作中產生二次振動，使篩孔的形狀和尺寸大小不斷變化，因而不易發生堵料現象［10］；（2）篩面傾角大，物料的運動以小幅跳動為主，使物料的流動速度加快，料層厚度降低，分層效果好；（3）采用高頻率小振幅模式，盡量避免塊狀石灰在篩分過程中發生二次破碎；（4）振動篩分裝置采用變頻控制，石灰輸送速度大小可調，當開始向稱量斗內加料時，振動篩分裝置以強振方式給料，當實際稱量值達到設定值的90％時，振動篩分裝置改為弱振方式給料，以防止向稱量斗內加料量超過設定值。國內某鋼廠振動篩分裝置的主要技術參數見表1。
2.3 設備工藝布置
以國內某鋼廠為例，在高層框架＋28.4m平臺上安裝有2臺落地式振動篩分裝置，振動篩分裝置位于石灰高位料倉和稱量斗之間。石灰高位料倉與稱量斗之間的高度距離應根據振動篩分裝置的外形尺寸來確定，以便滿足其安裝要求。振動篩分裝置的進料口與高位料倉下料口通過溜管連接，篩上物出口插入到稱量斗斗蓋內部。稱量斗頂部設有除塵風管和電動閥門，當料倉下料時電動閥門自動開啟，將落料時產生的粉塵抽吸進入除塵系統。篩下物通過卸灰溜管借助重力進入到主操作平臺下的灰倉內儲存。在灰倉內設有雷達料位計，當石灰粉儲量達到高料位時，通知相關人員將運輸汽車開至灰倉卸料口下方，開啟卸灰閥門，將石灰粉末放入槽罐汽車內。國內某鋼廠的石灰在線篩分加料系統設備工藝布置如圖2所示。
3 應用效果
石灰在線篩分加料系統應用以來，將加入爐內的石灰粉塵量盡可能降到最低，一次煙氣除塵系統的濁環水水質指標得到改善，除塵設備內部結垢情況好轉，高架水流槽清淤檢修次數明顯減少，降低了工人勞動強度。
回收的石灰粉末可用于鐵水脫硫劑制備或者用作燒結礦添加劑，符合國家倡導的資源回收利用的政策方針，為企業創造了可觀的經濟效益。以１座150t轉爐為例，假設煉鋼石灰內粉末質量分數為10％，轉爐平均冶煉周期為36min，每天大約需要消耗石灰為3000t，每天回收石灰粉末即達到30t，每年可回收石灰粉末為9000t。以石灰市場價格為300元／t測算，每年僅回收石灰粉末一項，即可產生直接經濟效益270萬元。
4 結語
中冶南方工程技術有限公司開發的石灰在線篩分加料系統成功應用在轉爐煉鋼工程中，該系統流程設計合理，在加料系統內對石灰進行在線塊末分離，物料下料不受干擾，能夠匹配轉爐生產節奏；振動篩分裝置設在物料輸送末端，杜絕物料二次粉碎，最大限度保證入爐物料的完整性，對于穩定轉爐冶煉操作和一次除塵系統運行具有顯著效果。
該系統簡單實用，環境保護措施完善，資源回收利用，投資和運行費用較低，適用于新建或者改建煉鋼工程，具有較高的推廣和應用價值。
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