摘要 節(jié)約能源不僅能夠產(chǎn)生巨大經(jīng)濟效益,而且從長遠考慮社會效益更為顯著。面對當(dāng)前嚴(yán)峻的鋼鐵市場大環(huán)境,節(jié)能降耗、降本增效成為我國耐火材料行業(yè)提高競爭力的重要措施。板狀剛玉作為耐火材料中的...
節(jié)約能源不僅能夠產(chǎn)生巨大經(jīng)濟效益,而且從長遠考慮社會效益更為顯著。面對當(dāng)前嚴(yán)峻的鋼鐵市場大環(huán)境,節(jié)能降耗、降本增效成為我國耐火材料行業(yè)提高競爭力的重要措施。板狀剛玉作為耐火材料中的一種大型重要原料,其生產(chǎn)是通過大型豎窯快速燒結(jié)而成,需耗大量能耗源,因此,從生產(chǎn)工藝角度思考,降低其能耗是提升板狀剛玉競爭力的必要方式。
板狀剛玉生產(chǎn)的節(jié)能降耗方式
早期板狀剛玉是由Thomas S.Curtis于1934年在豎窯中燒制而成的,接著便開始工業(yè)化生產(chǎn)使用,用作耐火材料和陶瓷行業(yè)窯爐的內(nèi)襯材料。后來,美國鋁業(yè)公司(即現(xiàn)在的安邁鋁業(yè)公司)大力發(fā)展板狀剛玉產(chǎn)品,并開發(fā)一系列燒結(jié)板狀剛玉產(chǎn)品。國內(nèi)接觸板狀剛玉比較晚,其發(fā)展經(jīng)歷大致可以分為4個階段:初期接觸階段、了解發(fā)展階段、嘗試生產(chǎn)階段、發(fā)展壯大階段。從燒結(jié)板狀剛玉的基本生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備出發(fā),筆者在此探討節(jié)能降耗的幾種方式。
原料的選擇。目前國內(nèi)生產(chǎn)板狀剛玉的原料大部分是采用工業(yè)氧化鋁粉即γ-Al2O3,而安邁鋁業(yè)采用煅燒氧化鋁粉。煅燒氧化鋁粉是工業(yè)氧化鋁粉經(jīng)過一定的高溫處理得到的,較工業(yè)氧化鋁粉而言,煅燒氧化鋁粉具有較高的活性和燒結(jié)性能,能適當(dāng)?shù)媒档蜔Y(jié)溫度。然而,煅燒氧化鋁粉成本較高,成為國內(nèi)一些板狀剛玉生產(chǎn)廠家不選它的主要原因。因此,綜合考慮,在原料方面采用工業(yè)氧化鋁和煅燒氧化鋁粉復(fù)配使用,以一定的比例復(fù)配使用后,既可以控制原料成本,也可以提高原料的燒結(jié)性能,降低燒結(jié)溫度,減少天然氣用量,降低能耗,從而降低生產(chǎn)成本。目前,已有廠家采用該方法在試生產(chǎn),并取得不錯的效果。
球磨技術(shù)的改進。板狀剛玉所用的原料在成球之前需要球磨成細粉,而目前大部分廠家只是控制球磨機出粉粒度為325目的通過率,并沒有從細粉粒度上去研究。然而,原料粒度是影響燒結(jié)效果的一個重要因素,粒度的減小會增大原料的比表面積,增加燒結(jié)活性,促進燒結(jié)效果,降低燒結(jié)需要的溫度,從而減少天然氣用量。
原料粉的粒度主要是通過球磨機控制來實現(xiàn)的,安邁球磨機中使用的研磨球為鋼質(zhì),而國內(nèi)大部分生產(chǎn)廠家采用的還是瓷球。球磨機中采用鋼質(zhì)磨球的生產(chǎn)效率要比瓷球效率高20%~30%,節(jié)約電力消耗10%~15%。另外,在同樣的條件下,鋼質(zhì)磨球生產(chǎn)出的細粉粒度要比瓷球生產(chǎn)出的粒徑小5%左右,這樣,可以大幅度提高原料的燒結(jié)活性,降低燒成時需要的能耗。
成球方式的選擇。板狀剛玉的燒制是一個固相燒結(jié),通過物質(zhì)遷移使粉末體產(chǎn)生強度并導(dǎo)致致密化和再結(jié)晶的過程,因此,板狀剛玉的半成品球的致密度是影響制品燒結(jié)效果的一個重要因素。半成品致密度的提高是可以改變粉料顆粒之間的接觸狀態(tài),縮短顆粒之間的距離,增大接觸面積,提高固相之間傳遞能量的速度和效率,從而提高燒結(jié)效果。
利用余熱進行完全干燥。半成品球在成型過程中加入大量的水分結(jié)合,其含水率達到18%~23%,因此在進入豎窯之前必須進行干燥處理,要求進窯前半成品球的含水率低于5%,否則,在窯爐中會出現(xiàn)大量炸球碎料狀況,進而影響到整個窯爐的氣氛分布,降低天然氣的燃燒效率,增加天然氣消耗量。同時,有大量的逆流熱氣從豎窯窯口排向大氣中,造成熱能散失浪費。為此,大多數(shù)廠家也會利用余熱進行干燥處理,但是,由于烘干倉設(shè)計問題,除豎窯的逆流熱風(fēng)供能外,該烘干倉還需要額外提供能源,來供燒嘴加熱產(chǎn)生熱空氣,促進原料球的快速干燥。這種方法雖然最終也可以達到很好的烘干效果,但增加了天然氣的消耗量。
為了僅靠豎窯的逆流熱風(fēng)能量就達到半成品球完全干燥的效果,浙江自立氧化鋁材料科技有限公司發(fā)明了一種改進換熱的剛玉原料球的烘干倉,該烘干倉包括加熱室,加熱室上部為帶有進風(fēng)口和出風(fēng)口的烘干工作區(qū),加熱室下部為出料區(qū),烘干工作區(qū)內(nèi)設(shè)有熱風(fēng)輸送管。熱空氣由進風(fēng)口進入熱風(fēng)輸送管總管后,沿各支管管道流動,可加熱熱風(fēng)輸送管管壁。剛玉半成品球由進料管進入加熱室的烘干工作區(qū)內(nèi)部,一方面與烘干工作區(qū)中的熱空氣進行熱交換,實現(xiàn)烘干效果;另一方面與熱風(fēng)輸送管的管壁接觸進行熱交換,實現(xiàn)剛玉半成品球的干燥。此方法干燥后的球含水率基本上都小于5%,起到較好的烘干效果,同時,也回收利用了窯爐口的逆流熱風(fēng)能量,減少烘干倉中天然氣消耗。
提高燃燒系統(tǒng)效率。豎窯燃燒系統(tǒng)是生產(chǎn)板狀剛玉最重要也是耗能最大的地方。板狀剛玉是要經(jīng)過1900℃~1950℃的高溫快速燒結(jié),而這么高的燒結(jié)溫度是通過天然氣的燃燒實現(xiàn),因此,提高燒嘴天然氣的燃燒效率是節(jié)約能源的一個重要方式。
天然氣的燃燒是一個化學(xué)放熱的過程,其燃燒的充分性由天然氣和助燃風(fēng)之間的比例及其之間混合的均勻度來決定。若助燃風(fēng)不夠可能導(dǎo)致天然氣燃燒不充分,若助燃風(fēng)比例過高又會帶走一部分熱量造成能源浪費。目前,國內(nèi)大部分廠家是在分別向豎窯中通入天然氣和助燃風(fēng),在燒嘴處混合后燃燒,這樣可能造成天然氣和助燃風(fēng)之間的比例難以控制,不能保證天然氣和助燃風(fēng)混合均勻,也難以確保天然氣得到充分燃燒。而安邁鋁業(yè)公司則在是在進入窯爐之前,在一個特定的容器中進行天然氣和助燃風(fēng)之間的混合,這樣可以保證天然氣和助燃風(fēng)混合的比例及均勻性。因此,為了提高燃燒系統(tǒng)的效率,降低天然氣的消耗量,首先就要改進燃燒系統(tǒng),包括燒嘴、氣體混合裝置等,確保天然氣的燃燒能夠充分、集中。
出爐機余熱的充分利用。板狀剛玉的燒制是一個快速燒成、快速冷卻的過程,因此,成品從窯爐出爐機中出來時還是溫度較高,帶有較高熱能。若靠自然冷卻,不但影響其生產(chǎn)效率,而且造成熱能的大量浪費。因此,可以考慮在出爐機下發(fā)安裝一個冷卻倉,進行冷風(fēng)冷卻,同時冷卻后的熱風(fēng)進行回收送往前面的烘干倉,提高烘干倉的干燥效果。經(jīng)過冷卻倉后的板狀剛玉成品球溫度可以低于35℃,可以進行后面的加工處理,提高生產(chǎn)效率。另外,大量的熱量回收利用,降低了能源消耗。
加工破碎系統(tǒng)的改進。板狀剛玉的加工破碎系統(tǒng)中基本都是采用巴馬克方式加工,然而,現(xiàn)在巴馬克內(nèi)襯和耐磨體都是采用耐磨鐵,而此材質(zhì)導(dǎo)致的問題是向板狀剛玉成品中帶入較多Fe雜質(zhì),影響產(chǎn)品質(zhì)量。另外,其消耗量高,價格昂貴。現(xiàn)在有些廠家開始使用99瓷質(zhì)耐磨襯磚代替耐磨鐵用于巴馬克,也取得了較好的效果。此方法可以降低原耐磨材料費用的50%~70%,同時,還可以降低產(chǎn)品中鐵雜質(zhì)含量。
板狀剛玉與電熔剛玉的節(jié)能對比
電熔剛玉生產(chǎn)是眾所周知的高耗能大戶,每噸電熔剛玉耗電2000千瓦時~3000千瓦時,而燒結(jié)板狀剛玉綜合能耗只有電熔剛玉的20%~35%。電熔剛玉生產(chǎn)過程中要排放大量的廢氣和廢渣,而燒結(jié)板狀剛玉生產(chǎn)以天然氣為熱源,除了天然氣中的二氧化碳排放外,無其它廢氣和廢渣排放。所以,無論是從節(jié)能方面還是從環(huán)境保護方面,燒結(jié)板狀剛玉都可以做到優(yōu)于電熔剛玉。
在剛玉使用性能和指標(biāo)上,燒結(jié)板狀剛玉也存在較大優(yōu)勢。首先,燒結(jié)板狀剛玉雜質(zhì)含量低且分布均勻,電熔剛玉雜質(zhì)含量高且分布不均勻。燒結(jié)板狀剛玉以高純工業(yè)氧化鋁為原料,生產(chǎn)過程中不添加任何外加劑, 所以,其產(chǎn)品中雜質(zhì)如鐵、硅、鈉均為微量。而電熔剛玉生產(chǎn)過程中需要鐵、碳作為添加劑,鐵、碳、硅、鈉等雜質(zhì)含量遠遠高于燒結(jié)板狀剛玉。還有,電熔剛玉熔融塊冷卻時,不同部位冷卻速度不一樣,造成不同部位的雜質(zhì)含量不一樣。因此,電熔剛玉強調(diào)嚴(yán)格撿選,而燒結(jié)板狀剛玉不需要撿選,質(zhì)量分布較為穩(wěn)定和均勻。另外,燒結(jié)板狀剛玉具有特性的顯微結(jié)構(gòu)和較多的球形封閉氣孔,這決定其具有較好的抗熱震和抗剝落性能。而電熔剛玉開口氣孔較多,封閉氣孔較少,在抗侵蝕抗?jié)B透等性能上不如燒結(jié)板狀剛玉。
近幾年國內(nèi)燒結(jié)板狀剛玉已得到快速發(fā)展,無論是從技術(shù)指標(biāo)還是從產(chǎn)量上已經(jīng)達到了較高水平,打破了安邁鋁業(yè)公司的壟斷局面,從而大幅度降低了燒結(jié)板狀剛玉的價格。因此,從某個角度來講,以燒結(jié)板狀剛玉來取代電熔剛玉在耐火制品中使用,不但可以延長耐火制品的使用壽命,也可以降低耐材和能源的消耗量。
燒結(jié)板狀剛玉屬于高端耐火原料,在未來耐火行業(yè)中使用的范圍會越來越廣泛,使用的數(shù)量也會越來越多。因此,降低板狀剛玉在生產(chǎn)過程中的能耗,不但是降低生產(chǎn)成本、增強競爭優(yōu)勢的一種方式,也可以為整個耐火材料行業(yè)節(jié)能降耗做出貢獻。
(此文刊登于《中國冶金報》2015年3月24日12版)