采用先进工艺技术装备促进铁合金行业节能减排

2013-03-23张曾蟾

电力需求侧管理 2013年3期

张曾蟾

（中国铁合金工业协会，北京 100711）

铁合金行业主要的生产技术装备包括精料入炉技术、先进电炉装备、铁合金冶炼新工艺、烟气净化和能源回收利用技术、炉渣和废水处理综合利用技术等。铁合金行业是国家节能减排的重点行业。近几年来，我国铁合金行业一些企业开展科技创新，积极开发和应用铁合金先进工艺技术装备，取得了明显成效，既节能降耗减排治污，又增加了经济效益。

1 精料入炉技术

精料入炉是铁合金生产取得先进技术经济指标的基础，除了要求原料矿品位高外，还要求对原材料进行破碎、筛分、干燥、预热、预还原、烧结和冷压球团等技术处理。

1.1 水冼、破碎、筛分

硅铁、工业硅的原料硅石要求SiO2含量高，杂质少，入炉前要进行水洗、破碎、筛分，去除泥土杂质，做到块度均匀合适。

我国锰矿品位低，杂质高，粉矿多，特别是一些地方群采小矿，在雨季几乎成了稀泥，使炉况很不正常。因此，入炉前应进行水洗、筛分，去除杂质，筛下的矿粉应予烧结整粒。广西某公司投资100多万元建设的一套锰矿石水洗系统，实行精料入炉。洗矿废水循环使用，产生的含锰泥沙送原料厂烧结后供高炉使用，实行资源循环利用。

焦炭等还原剂对节能降耗有明显的影响。硅铁生产宜选用蓝炭（气煤焦）。工业硅要使用木炭做还原剂，但是，我国木炭资源短缺。贵州某公司通过大量实验，成功地选用玉米芯、松树球、稻壳等代用品作还原剂。其他电炉铁合金一般均选用小粒冶金焦作还原剂，入炉前也应水洗、筛分整粒。

1.2 干燥、预热、预还原

锰矿、铬矿等原料应干燥入炉，尤其是南方地区雨水多，有个别企业曾发生过因湿料入炉造成炉料喷溅伤人事故。不少企业除了增盖原料棚干料外，还采用回转窑干燥原料。广西某公司采用直径2 m、长40 m的回转窑对进口南非碳酸锰矿进行预还原，使锰矿品位由37%提高到44%以上。

日本企业应用铬矿球团预还原技木节能效果最为显著。精制颗粒矿冷装入矿热炉冶炼高碳铬铁，每吨产品可节电800～1 000 kWh，扣除球团预还原能耗，净节能0.3 tce/t，与日本情况基本相同。

1.3 锰矿烧结技术

目前，我国锰系合金生产企业使用的锰矿很大一部分是粉矿，除了精炼产品可直接使用外，高炉锰铁、电炉锰铁、锰硅合金等均不宜直接使用。为此，要求生产企业将粉矿造块入炉。烧结是处理粉锰矿的成熟工艺，至今仍被世界各国广泛应用。烧结机有带式、圆盘式等。高炉锰铁生产采用烧结机烧结锰矿比较早，而且比较普遍。湖南某公司兴建了一套24 m2带式烧结机，利用回收的煤气烧结锰矿。这是国内电炉铁合金生产厂家第一套锰矿烧结机。近几年来各地兴建烧结机的较多，广西某公司兴建了一套17 m2盘式烧结机，利用12 500 kVA锰硅合金封闭电炉回收的煤气烧结锰矿，年处理能力15万～18万t，节能降耗成效显著。

1.4 冷压球团技术

铁合金生产开始出现的冷压球团是将粉状铬矿压制成入炉块料，后来则陆续出现了将生产过程出现的粉状焦炭与矿粉混合在一起压制球团，近年来发展到粉状矿料、焦粉、熔剂粉，甚至可将收集到的烟尘与粘结剂经混碾后压制成综合球团。用于铁合金生产的球团，通常需要将压制好的生球料经过低温干燥，去除水分和提高球团的抗压强度及落下强度等使用性能。

冷压球团技术应用广泛，硅系、锰系、铬系等铁合金生产都可以采用。云南某锰业公司开发了高品质冷压球团生产工艺，利用粉锰矿和电炉粉尘，添加活性煤和粘结剂，进行常温压制成球，低温烘干后入炉冶炼锰硅合金。河南某公司使用自已生产的硅石、铝钒土球团生产硅铝铁。今后各种粉矿越来越多，尤其是烟气除尘回收的锰、铬粉尘等，采用冷压球团技术可以得到很好的综合利用。

2 先进电炉装备

2.1 矿热炉大型化、机械化

近几年来各地新建的一批25 000 kVA及以上大型矿热炉，其装备比较先进，大都采用组合式或波纹管压力环把持器，全液压传动系统。选用3个单相节能型变压器组和水冷管式短网，应用计算机控制生产过程和电炉电控，炉前采用开堵眼机，炉口配备行走式捣炉机等，向生产操作机械化和过程控制自动化方向发展。

云南某锰业公司分2期建设了20万t锰系合金节能减排技改工程，一期建2台25 000 kVA矿热炉，并配套20万t冷压球团工程，2011年建成试产；二期建1台50 000 kVA(有功功率)全封闭式矿热炉，引进南非迈提克斯公司铜炉心技术，并安装3台余热锅炉、1台1.5万kW发电机组，回收余热发电，2012年初建成投产。

云南另一家硅业公司在25 000 kVA硅铁电炉上成功地使用旋转炉体装置。同时，硅铁电炉还采用强磁场的磁隔离技术，炉壳采用两段三瓣的白钢隔磁技术，烟罩中间及周围、下料管及电极柱下部采用白钢隔磁。

宁夏有3家公司也应用隔磁技术，主要是采用了隔磁不锈钢、新型节能铜排等材料，节能显著，平均电耗降低200～300 kWh/t。

2.2 组合把持器应用

组合把持器技术完全抛弃了矿热炉使用的传统铜瓦，用接触元件夹持电极壳外面的筋片，把电送到电极上。电极压放系统采用了液压卡钳，直接卡在电极的筋片上，结构简单，体积小，既简化了把持器的压放机构，又适应了不同直径的电极。电极压放时不用减负荷，压放准确，运行稳定、可靠，提高了矿热炉的有效运行率。

云南某硅业公司新建的2台25 000 kVA硅铁电炉采用组合把持器，冶炼电耗降到8 400 kWh/t的先进水平。另一家云南公司在一台12 500 kVA硅铁电炉上应用组合把持器技术，一年节能492.8 tce。广西某锰业公司还投入500万元试验费，对组合把持器技术进行改进创新，取得了成功，申请了2项国家专利，并准备在其新建的25 000 kVA矿热炉上应用更先进的改进型组合把持器。

2.3 节能型电气设备应用

对原有电力变压器、电炉变压器进行更新改造，加快节能型变压器应用。吉林某公司投资1 965万元更新了66 kV、31 500 kVA主电力变压器7台、10 kV动力变压器36台；12 500 kVA电炉变压器5台、16 500 kVA电炉变压器2台，3 500 kVA电炉变压器3台，成效显著，年节电668万kWh。

2.4 矿热炉无功补偿技术

矿热炉无功补偿是近10年来开发和推广应用的矿热炉增产节能新技术。矿热炉无功功率的补偿方式有低压补偿、中压补偿、高压补偿3种，它们各有特点，可根据补偿要求及经济合理性来选择应用。

广西某锰业公司对所有生产设备进行高、中、低压电容器补偿，收到了显著效果。公司用电由过去的每月罚款，转变成每月奖励，产量比过去增产3%，增加效益1 200万元/年。另一家公司近年来投入大量资金对大部份矿热炉进行低压动态无功补偿技术改造，实现节电5%，提高炉日产量3 t左右。

甘肃某公司在2台12 500 kVA和1台25 000 kVA硅铁电炉上采用低压补偿技术，3台硅铁电炉年节约电费1 219.7万元。

2.5 大型矿热炉采用110 kV电源直降技术

目前，小型电炉电流较小，多采用10 kV供电；中型电炉采用35 kV供电居多，线路电流均在250 A以下。当线路超过一定距离时，端电压在30～32 kV之间，电压降十分明显，损耗较大，给正常生产带来了很大的影响。如使用容量较大电炉设备将难以正常启动和运转，或造成冶炼工艺技术指标明显下降。25 000 kVA以上电炉若仍然采用35 kV供电，则供电线路电流在410 A以上，厂内线路损耗很大，显然是不经济的。

云南某锰业公司和某硅业公司采用110 kV直接对25 000 kVA电炉供电技术，经过几年的生产考验，电炉运行正常，供电质量较好，各项技术经济指标稳定提高。由于采用110 kV直接供电，减少了电力供配电投资。按照国家有关电费政策，与采用35 kV电压相比，每千瓦时优惠1.2分钱，仅此一项，按每年一台25 000 kVA电炉耗电2亿kWh计算，节约电费近240万元。

3 合金冶炼新工艺

3.1 锰矿预热和热装生产高碳锰铁工艺

山西某公司的锰矿预热和热装系统由一条直径2.02 m、长45 m的回转窑、煤粉制备系统、配料站和锰矿热装设施组成。该工艺最大的特点是使用廉价的煤粉作为回转窑的能源，采用烧煤在回转窑内加热锰矿，并将热锰矿加入矿热炉内冶炼，这样可以大大减少矿热炉加热锰矿所消耗的电能。实践表明，采用预热和热装锰矿，可以使高碳锰铁冶炼电耗降低20%左右，提高电炉生产能力30%以上。同时，可以减少电炉翻渣、喷料引起的热停炉，改善作业条件，提高劳动生产率。

3.2 热装热兑生产中低碳锰铁和中低碳铬铁工艺

热装热兑精炼工艺，主要是采用矿热炉和精炼炉联动，将液态锰硅合金或液态硅铬合金热装热兑入精炼炉，冶炼生产中低碳锰铁或中低碳铬铁。吉林某公司热装生产中低碳锰铁，每吨产品比冷装节电400 kWh，年节能25 693 tce；热兑生产中低碳铬铁27 899 t，每吨产品比冷装节电200 kWh，年节能5 580 tce。辽宁某公司采用热装精炼工艺生产中低碳锰铁，锰回收率提高10%～15%，冶炼电耗下降50%，达到600～700 kWh/t的水平。

3.3 全热装热兑精炼生产金属锰和微碳锰铁工艺

全热装热兑精炼工艺，就是矿热炉、精炼炉、摇炉三炉联动，并配套回转窑运行，冶炼过程全部热装热兑。几年前山西某公司采用该项先进工艺技术，兴建了1座锰矿预热回转窑、1座活性石灰回转窑、1台粗炼电炉、2台精炼电炉、2台摇炉组成的铁合金冶炼车间。开发了国内首创的回转窑预热锰矿和热装炉料技术，大大提高冶炼热效率和电炉作业率，保证了电炉安全生产。开发了国内外首创的液态富锰渣、液态合金还原剂、活性石灰全部热装精炼电炉技术，大幅度降低电耗，缩短了电炉冶炼时间，延长了炉衬寿命。采用摇炉精炼工艺，使冶炼金属锰和微碳锰铁的回收率大幅度提高，产品质量明显改进。

全热装热兑精炼生产金属锰和微碳锰铁，工艺技术稳定，生产指标先进，达到国际领先水平，取得了较好的经济效益。

3.4 炉外精炼工艺生产高纯硅铁

炉外精炼新工艺就是出铁后在铁水包内添加每种附加剂，并通气体进行吹炼，进一步脱除产品杂质，提高产品质量。内蒙古某公司在12 500 kVA硅铁电炉上采用了炉外精炼工艺，产品质量显著提高，产品销售价格比普通硅铁高200～400元/t，经济效益可观。

3.5 转炉吹氧技术

氧气顶吹转炉脱碳冶炼中碳锰铁工艺是以电炉生产的液态高碳锰铁为原料，在氧气顶吹转炉内吹炼脱碳，生产出含碳小于1.5%的中碳锰铁。该方法的优点是以氧代电，冶炼1 t产品比电硅热法节电750 kWh左右。

高炉—转炉双联法冶炼中碳锰铁工艺是用高炉生产的液态高碳锰铁为原料，在氧气顶吹转炉内吹炼脱碳，生产中碳锰铁。该项方法与电硅热法相比，每吨产品多耗1.7 t焦炭，但节约电能5 000 kWh，锰回收率达到80%以上。

3.6 直流矿热炉冶炼铁合金技术

直流电炉因其电弧稳定，功率集中，热效率高，冶炼电耗低，电极消耗少，运行噪声低，生产效率高。

20世纪90年代，三电极直流矿热炉生产技术取得突破，炉底金属引入电极的安全运转及长寿碳质炉底技术均有重大进展。广西某锰业公司组织技术力量，加快大型化直流电炉研制步伐。该公司多回路直流矿热炉技术改变了交流矿热炉冶炼电耗高的局面，特别是大幅度减少因交流电输送过程中的涡流损耗，预计直接的效益是冶炼电耗降低20%以上，间接的效益是提高产量、减少损耗带来的电耗降低5%以上。

3.7 低频矿热炉技术

低频矿热炉的炉体结构和交流矿热炉完全一样，因此，它不存在直流炉的偏弧和底电极问题。交流炉改造成低频炉，只需在变压器和短网之间加入一个低频电源变频装置，然后把变压器、低频电源变频装置和短网连接起来即可。

低频矿热炉的工作频率极低，一般都在0.05 Hz左右，电源的频率降低到原来的1/1 000左右。根据矿热炉系统总电抗的公式得出，矿热炉系统的电抗值也大约降低到原来的1/1 000左右，这样其功率因数也大幅度提高(自然功率因数都在0.9以上)，从根本上解决了功率因数低的问题，同时也消除了交流电炉存在的集肤效应和临近效应，从而减少损耗，降低冶炼电耗。

4 烟气净化和能源回收利用技术

4.1 锰铁高炉煤气净化和回收利用

锰铁高炉煤气净化回收工艺比较成熟，应用也比较普遍。锰铁高炉煤气净化有干法布袋除尘和湿法文氏管或洗涤塔淋洗2种。净化后的煤气除了用于热风炉、烧结机外，也可用于发电。广西某锰业公司2005—2006年投资3 000多万元，将原湿法除尘改为干法布袋除尘，进一步提高除尘率，烟气含尘浓度达到小于10 mg/m3的高精细净化目标。

4.2 全封闭型矿热炉煤气净化和回收利用

高碳锰铁、锰硅合金、高碳铬铁冶炼用全封闭炉型可以回收煤气。这种煤气含一氧化碳60%～70%，有较高的发热值，可以用于发电或作锰矿烧结机烧结、回转窑干燥、预还原和余热锅炉的热源。

全封闭型矿热炉煤气含有较多粉尘，目前煤气净化回收有2种工艺流程。

一是干法净化工艺流程。湖南某公司将其大型半封闭锰硅电炉全部改成全封闭型，并继续使用干法净化除尘工艺。四川某公司在全封闭锰硅合金电炉上采用干法除尘工艺，经过不断改造完善，目前已经做到煤气全部除尘回收。煤气含一氧化碳70%～80%，流量3 000 m3/h，贮存于2座1万m3的气柜中，供1台直径1.5 m、长40 m的钒渣焙烧窑使用，或者供1台直径1.5 m、长26 m的钛精矿焙烧窑使用，部分替代了原用的天然气，经济效益明显。

二是湿法净化工艺流程。吉林某公司的全封闭矿热炉采用这种湿法工艺流程，净化回收的煤气用于原料预处理和生活供暖。

4.3 矮烟罩半封闭型矿热炉烟气净化余热回收利用

矮烟罩半封闭矿热炉烟气除了要净化除尘外，余热要回收利用，可以用余热锅炉产生蒸汽供生产及采暖，也可以采用余热发电。但是，由于硅铁、电炉锰铁、锰硅合金、高碳铬铁等矮烟罩矿热炉烟气温度有高低，粉尘组成、性质不相同，因此，余热回收利用工艺也不完全相同。

山西某公司25 000 kVA高碳铬铁矮烟罩矿热炉采用余热锅炉回收烟气余热，回收的蒸汽量相当于4～6 t烧煤锅炉能力，可供采暖面积1.2万m2。2009年广西某公司在半封闭型锰硅合金电炉上采用BOT方式建成3台余热锅炉和12 MW余热发电机组，并实现并网发电。

4.4 冷却水余热回收利用

电炉冶炼时冷却水带走很多热量，据有关企业测定，锰硅合金全封闭矿热炉冷却水带走3.814 MJ/t热量，占收入总热量的17%；75硅铁敞口炉冷却水带走4.859 MJ/t热量，占收入总热量的8.9%，这表明全封闭矿热炉增加了水冷炉盖和水冷热道等，带走的热量占总热量的比率远远超过敞口矿热炉。因此，回收全封闭和矮烟罩半封闭矿热炉冷却水的余热就显得更为重要。电炉冷却水余热回收可以采用控制冷却水在较高温度以供采暖用，或者与烟气余热一并回收发电。宁夏某公司在4台12 500 kVA矿热炉烟道上加装热交换器，每年可节煤800 t。此外，冶炼炉渣的余热、合金浇铸的余热等都可以回收利用。

5 炉渣和废水冶理综合利用

5.1 炉渣直接回收利用

硅铁渣和硅铬合金渣含有大量的金属和碳化硅，其数量约占30%。在锰硅合金或高碳铬铁电炉上，返回使用这些炉渣，可以降低冶炼电耗和提高元素回收率。高碳锰铁无熔剂法生产富产含锰26%左右、含二氧化硅26%左右的中间渣，是冶炼锰硅合金的好原料，可以提高锰和硅元素回收率，降低冶炼电耗。利用锰硅合金渣、金属锰渣可以生产复合铁合金。氧气转炉吹炼的中碳铬铁渣，可用于冶炼高碳铬铁或一些要求含磷低的铬合金。

5.2 炉渣作水泥掺合料

高炉锰铁渣、锰硅合金渣、高碳锰铁渣、磷铁渣等用水淬法生产的水淬渣，由于含有较高的CaO成份，是理想的水泥材料，可以作为水泥掺合料。水淬法有炉前水淬法和倒罐水淬法，技术简单成熟，目前普遍应用。

5.3 炉渣作灰渣蒸压砖

利用铁合金灰渣可以生产铁合金灰渣蒸压砖，这是一种新型墙体材料，可以替代实心粘土砖，是发展循环经济的最佳选择。

5.4 炉渣作建筑材料

高碳铬铁、锰硅合金等生产的干渣可作为铺路用的石块，用于制作矿渣棉原料，制成膨胀珠作轻质混凝土骨料，以及作特殊用途的水磨石砖。

5.5 炉渣作农田肥料

利用锰硅合金渣做稻田肥料，证明锰硅合金渣中有一定可溶性硅、锰、镁、钙等植物生长的微量营养元素，对水稻生长有良好的作用。日本在锰硅渣肥料方面做了大量研究试验工作，取得了成功。我国也应该加大研究力度，争取推广应用。

此外，锰硅合金渣和钼铁渣可以利用作铸石。生产实践表明，人造铸石的成本比传统的天然原料铸石低40%，其主要技术特点是耐火度高、耐磨性大、耐腐蚀性好，且有很高的机械强度。

5.6 废水处理循环使用

废水要清污分流，循环利用。净环水系统采用软水节水技术，循环重复率达96%以上，逐步做到近零排放。浊环水系统(如：煤气净化、炉渣水淬等)做到闭路循环使用。吉林某公司对4台16 500 kVA锰硅电炉煤气净化污水增设日产150 t泥浆的污水处理站，采用斜板沉降池对泥浆进行沉降过滤，泥饼干燥后造球回炉，年回收烟尘4 000 t，达到了很好的减排效果。