带式焙烧机球团技术开发与应用

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目前，世界上生产铁矿球团的工艺主要有两种，即：带式焙烧机工艺与链篦机-回转窑工艺。从国外球团工业建设情况看，两种球团工艺各有特点，竞相发展。但在对原料的适应性及规模大型化、生产自动化、环保等方面带式焙烧机工艺更有优势。目前国外新建设球团厂越来越多地采用带式球团工艺。

而国内球团厂大部分采用链篦机-回转窑工艺。20世纪国内仅有的两家带式球团厂包钢与鞍钢均为引进国外技术与设备，没有完全转化为国有技术，后期也没有进一步开发。再加上带式焙烧机技术难度高于链篦机-回转窑，因此带式焙烧机球团技术没有在国内得到发展。即便是2010年首钢京唐公司建成的400万吨带式球团厂及2015年包钢建成的500万吨带式球团厂，其核心技术与设备也都是由德国公司提供。

近几年，中钢设备公司在带式球团技术领域做了大量研究工作，并在开发、创新基础上自主完成伊朗SISCO公司250万吨规模带式球团厂设计，包括核心设备设计与工艺设计，该项目以工程EPC总承包方式成功建设，并顺利通过业主性能考核，各项指标达到国际先进水平，首次带式球团技术输出国外一举成功，填补一项国内技术空白。随后中钢设备公司又以技术优势和工程总承包管理优势，在阿尔及利亚TOSYALI公司400万吨规模带式球团EPC总承包项目国际竞标中一举中标。目前，该项目的全部设计工作已完成，项目正在建设中。除此之外，中钢设备公司已完成500-700万吨/年规模大型化设备研发与技术储备工作。

目前，中钢设备公司已形成自主带式球团技术体系，技术完全立足国内，核心设备全部国产化，并达到国际先进水平。其中自主研发的专利技术及专有技术达到国际领先水平。设计全部采用三维设计，建立三维数字模型，并多专业数据整合形成完整的BIM系统。

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带式球团工艺过程包括：原料处理与准备系统、造球系统、焙烧系统及成品运输系统。其中焙烧系统是技术的核心，由布料系统、燃烧系统和热风循环系统组成。整个焙烧系统是一个热工过程，而热工过程是借助于燃烧系统和风流系统实现的，这是一个相当大而复杂的热交换过程，在这一过程中，工艺参数、设备性能、系统控制至关重要，因此，中钢设备公司对带式球团技术的研究重点致力于核心系统的工艺、设备及控制技术的开发，目前已取得技术上的突破。

2.1工艺技术研究

2.1.1含镁球团工艺技术研究

伊朗SISCO球团的原料特点是MgO高、S高。这种原料条件的焙烧制度不合适，会导致磁铁矿氧化不完全，严重削弱焙烧球团强度。因此，针对原料特点进行反复的研究与试验分析，最终确定适合原料特点的工艺技术及热工参数，使生产顺利进行。同时中钢设备公司通过研究与应用获得了磁铁矿生产含镁球团矿的工艺技术。

2.1.2风系统流程研究

1）根据原料条件、试验分析及专有计算软件，进行详细的物料平衡、热平衡与风平衡计算，制定系统风量平衡图。

2）对风系统流体进行三维可视化仿真模拟，使仿真计算结果通过图像形象直观地表达出来，动态可视化流场有利于设计结果全局表达，有助于设计人员分析与研究技术参数及结构设计的准确性，同时优化流体管路系统流程，将优化结果应用于工程设计中，效果良好。

3）研究风流系统功能，使风流根据工艺要求合理分布并能灵活调节。风流系统创新技术是将各工艺段风流系统有效连通，利用工艺风机变频技术，及管路系统的有效调节功能，使热工过程的流量、温度、压力合理控制，同时达到节能效果。

2.1.3燃烧系统研究

燃烧系统是整个带式焙烧机系统的核心，研究内容包括：

1）燃烧器结构及燃烧机理；

2）主燃气系统、点火系统、助燃风系统结构及配置，确定系统流程；

3）安全管理系统及控制系统研究；

4）CFD热场模拟。

2.2自主设计并开发主机设备技术

带式焙烧机是带式球团工艺的核心设备，球团从脱水干燥到焙烧、冷却整个热工过程都在该设备上完成，因此，设备设计必须最大限度适应工况、稳定运行。

主要研发课题：

1）台车体研究与设计

由于焙烧机炉罩、台车、风箱等部分直接接触高温气流或料流，其中台车是物料载体，在整个工作过程中，需承受机械负荷与热负荷的联合作用，产生复杂应力和应变，因此对台车体结构科学计算与设计很有意义。本课题在分析台车体结构与工作原理的基础上先利用三维软件完成台车体三维模型，然后利用ANSYS软件建立符合实际工况的有限元模型，把台车体分三种负荷工况进行分析计算，即：机械负荷单独作用（自重、料重及抽风负压作用）、热负荷单独作用（台车从低温到高温再到低温）和机械负荷与热负荷联合作用，根据分析结果及软件的后台处理功能，绘制台车体的应力云图和变形云图，最终完成台车体的优化设计。台车体模型见图1。

图1 台车体模型

2）传动设计

开发带式焙烧机上输出转矩可调的全悬挂柔性传动技术。通过精准计算为设计提供依据，主要包括以下内容：

◆焙烧机驱动功率计算，含链轮轴上及电机轴上所需转矩计算；

◆定转矩联轴器的设定；

◆柔性传动装置的转矩设定，含传动装置受力分析；

◆涨套最大传动转矩的选定；

◆驱动装置的转矩设计基准。

3）焙烧机星轮的研究与设计

根据销齿传动原理，结合球团工艺工况，进一步开发满足带式焙烧机设备的新型星轮结构。基于大型分析软件，首先对新型星轮进行三维造型，通过对传动系统负载分布计算，对齿板和啮合辊进行受力分析，确定零部件材质、结构尺寸及使用寿命。

为使台车之间在运行全过程中不发生力的变化，要求星轮的齿阔曲线形状使台车在啮合过程中保持匀速运动状态，本研究根据计算机仿真模拟台车运动过程，对齿形进行修缘，最终完成带式焙烧机星轮设计。台车运动模拟见图2。

图2 台车运动模拟

4）开发新型焙烧机炉罩侧墙拖架结构，通过高温区温度场仿真模拟分析及侧墙受力分析,设计耐热钢与冷却水梁的组合拖架，使结构合理、简单可靠。

5）采用全三维设计软件，自主完成带式焙烧机三维设计，并且三维模型投影二维工程图，实现参数化设计。

2.3耐火炉衬设计与研究

结合焙烧系统工况，研究并设计耐火炉衬结构，尤其是燃烧室的炉衬结构，根据耐火材料性能，如：抗压强度、导热率、线变化率、热膨胀系数等，通过试验室模拟工况条件，同时通过计算机软件对高温区进行温度场模拟与分析，以确保设计与选材的合理性。

根据炉罩及燃烧室温度场分布，进行炉膛耐材选型与设计，并对耐材温度场进行仿真模拟。

2.4建立三维模型

采用国际领先的Inventor、Revit、Navisworks、Nastran in-CAD等系列软件对核心系统设备、厂房结构、介质管道等建立全三维数字模型，并多专业数据整合形成完整的BIM系统：进行系统级干涉检查及设计合理性分析，实现最大程度的设计优化；结合施工进度计划，对项目建设进行4D模拟，虚拟施工过程，用于指导现场施工。

带式焙烧机排料端三维模型见图3。

图3 带式焙烧机排料端三维模型

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中钢设备公司的带式焙烧机球团技术完全立足于国内，在自主研发的基础上取得，并成功实现工业化应用。该技术的成功应用，不仅打破了国外公司在该领域的长期技术垄断，同时对我国炼铁事业发展意义重大。

以球团矿作为高炉炼铁主要原料的优势和球团矿对高炉指标改善的价值已日趋明显。高炉大比例使用球团矿后，对球团矿质量提出了更高的要求，如：熔剂性球团矿、镁质球团矿等，由于带式球团具有对原料适应性强的工艺特点，再加上其大型化优势，将推动带式球团工艺的发展。目前大型带式焙烧机技术及装备的国产化全部实现，不再依赖进口，为我国球团事业的发展打下坚实基础。 （任伟 韩基祥）