一、概 述
中国第一座8m2球团竖炉于1968年在济南钢铁厂建成投产。至20世纪70年代初期，又有承德、杭州、安阳，莱芜、唐山等钢铁厂的多座8m2竖炉相继投产。当时，竖炉球团是一门新兴的技术，在工艺流程确定、设备设计选型、技术操作管理等方面都存在着许多经验不足的地方，炉子日产量仅维持在250～300t水平。为了进一步提高竖炉产量，各厂提出了多种改进方案。通过一边生产、一边改造、一边总结，济钢提出的“炉内短路”方案取得了成功。“炉内短路”的实质也就是初期的“风帽—导风墙”，由子它消除了炉子中心的生料层，气流分布趋于合理，炉内过程得以均匀和加快，炉子日产量迅速提高到400～500t水平。经过不断改进，“炉内短路”演变成现代的“干燥床—导风墙”。当时，竖炉球团都采用消石灰作粘结剂，制省的生球强度差，爆裂温度低，在干燥床上粉碎现象严重，成为限制竖炉产量进一步提高的主要因素。70年代末期，杭钢首先使用钠基膨润土代替消石灰作为球团粘结剂，使生球强度及爆裂温度大大提高，干燥效果明显改善，加快了排料速度，使竖炉日产量翻了一番达到800～1000t水平。自20世纪80年代起，中国的竖炉球团矿生产走上了稳定发展的道路。
截止到1998年底，中国有正在生产的球团竖炉25鹰(面积从5～16m2不等，但大多为8m2),1998年生产球团矿630多万t,古当年全国球团矿总产量的60%左右。此外，还有几座竖炉正在建设中。
近二十多年来，中国竖炉球团矿生产取得了巨大发展，工艺和设备已基本定型，操作和管理也日趋完善。总结这几方面的经验，对进一步提高竖炉球团的生产技术水平有很大意义。
二、中国竖炉球团生产的经验
（一）加强对原料的准备处理
1.提高精矿粉的细度
中国竖炉球团使用的含铁原料主要为磁铁精矿粉。由于绝大多数的磁铁精矿粉粒度较粗(粒度小于0.074mm的含量一般只占50%～70%),造球性能较差。提高精矿粉的细度，多年来在球团厂一直不易解决。近几年，南钢球团车间把原氯化球团焙烧设备(链箅机一回转窑)改为竖炉，焙烧酸性球团矿，利用原有的润磨机处理铁精矿粉(混合料)取得了良好效果。南钢使用的精矿粉粒度较粗，品种也较杂；粒度小于0.074mm的平均含量只占41%,尽管在生产中膨润土配入量高达5%,成球性能仍然很差。经过润磨机处理后，粒度小于0.074mm的含量达到68%,大大改善了混合料的造球性能，在膨润土用量降到2%以下的情况下,ф5.5m造球机的产量达50t/h以上，生球质量也大幅度提高：平均抗压在2N/单球以上，落下强度平均超过10次/单球。1998年8m2竖炉的产量达40.9万t，居全国先进水平，成品球的质量也达到国家一级品要求。精矿粉经过润磨机处理后，不仅提高了细度。而且还改变了颗粒形状，增加了表面积及表面活性，有利于造球作业，更重要的是减少了膨润土的用量，提高了球团矿品位。必须指出，使用润磨机后，电能消耗有所增加，但随着产量的提高，实际电耗并没增加多少。南钢1998年电耗为41.34kw·h/t,居全国中游水平。如果算上因膨润土用量减少而引起的球团矿铁品位提高给炼铁生产带来的好处，则经济效益就更显著了。因此，对粒度小于0.074mm含量小于60%的精矿粉，都应该使用润磨机(或类似的研磨设备)进行处理。
2.增加精矿粉(或混合料)干燥设施
由于受选矿厂脱水设备能力的限制，入厂的精矿粉含水量一般都高出造球时需要的适宜水分量的1%～3%。水分过大的精矿粉在造球时虽然成球速度较快但强度较差，在运输及生产过程中易产生粉末。因此，必须控制精矿粉(或混合料)的水分，使其稍低于造球时适宜水分的0.5%～1.0%，然后再加水造球。对于控制精矿水分问题，各厂已有了足够的重视。早在20世纪70年代初，杭钢竖炉为了克服因精矿水分过大，无法造球的困难，采用一台ф2.2m×12m的转筒式干燥机干燥混合料，效果明显。在以后的新建竖炉或旧竖炉改造过程中，一般都增设了精矿(或混合料)干燥设施，均取得了良好效果。常用的干燥设备为转筒式干燥机。目前制造厂虽有定型设备系列，但多为水泥行业设计，因被处理的物料密度不同，球团厂在选用时必须注意验算其传动功率。
3.增加膨润土计量设备
目前球团厂配料操作中，精矿已实现了自动计量，而膨润土因其用量少，计量操作困难，仍用人工配料，往往因操作失误而影响到球团矿品位的波动。为了控制膨润土用量，增加配料的准确性，必须增加小流量计量设备。实践证明：冲极流量计是一种合适的膨润土计量设备，其优点是体积小、精度高，价格低于同规格的胶带秤。[next]
4.采用高效混合设备
混合是球团生产工艺中重要的一环，是决定球团矿质量的关键措施之一。目前，多数竖炉厂家采用圆筒混合(或干燥)机进行(或代替)混合，效果不很理想。新建竖炉采用国外引进或仿制的强力混合机，混合效果有所提高。根据本钢16m2竖炉使用情况测定：一段强力混合机的效果相当于二段圆筒混合机的混合效果；该混合料造成球后，入炉的粉末量由3.84%降到2.51%,竖炉的各项指标均有较大提高。但是强力混合机在使用过程中也存在一些问题：一是耗电较高；二是耙齿磨损大，检修频繁，需增加一台备用。建议在旧厂改造中，可在圆筒混合(或干燥)机后增加一段多轮式胶带混合机。这样，一方面可提高混合效果，另一方面还可以粉碎在前段混合过程中产生的小球。润磨机及其他研磨机兼有混匀作用，若采用此类设备处理混合料，可以代替混合设备使用。
（二）强化造球过程，减少入炉生球粉末
1.选择大型造球机
ф5.0m、ф5.5m、ф6.0m圆盘造球机结构先进、功能齐全、单位面积产量高，是各种规格竖炉在新设计时的首选设备，同时考虑一定的备用系数。
2.提高料流的松散度
为了提高料流在布料时的松散度，混合料在给入造球机前应用松料装置打散。
3.提高混合料温度
在没有混合料干燥措施时，可以用热水造球提高生球的产量和质量。本钢竖炉生产经验证明：当热水温度为70～80℃时，ф5.5m造球盘产量提高了5～7t/(台·h),达到30～35t/(台·h);生球落下强度平均提高3次/单球，达到7～8次/单球；生球中粒度为10～15mm者含量由80%提高到93%.
4.筛除生球中的粉末
为了保证炉子的透气性，不因粉末入炉而引起结块现象，必须筛除生球中6～8mm的粉末。由于在实际生产中大于20mm的超粒球所占比例不大，为简化工艺流程，生球筛分机可不设筛粒功能。常用的生球筛分设备为辊式筛分机，辊皮材质为陶瓷，耐磨损，但易在制造或生产过程中碎裂，现逐渐改为聚氨酯橡胶辊皮。
生球返料通常经破碎后再返回到造球机前矿槽。
（三）布料设备改进
竖炉布料设备实质上是一条在炉顶做往复直线运动的胶带机。8～10m2竖炉布料机，炉内没有轨道，该部分为悬臂结构。大多数布料机的胶带传动装置固定在车体架上，随车体一起移动。实践证明，这种布料机易产生布料偏析。当车体前进或后退时，给到布料车胶带上的生球量是变化的，车体越往后退，胶带上的生料量就越多。这样布到炉内的料面不是水平而是倾斜的，影响了炉子的正常操作。为了纠正这个偏析，布料机不得不间断操作：在料层薄的区域多停留一会。其结果也加大了布料工的劳动强度。为了彻底克服布料偏析，提高自动化水平，新设计的布料机应把胶带传动装置固定在地面上。
按布料机行走机构传动方式分类，布料机有钢绳传动及齿轮传动两种。不管采用何种传动方式，都要求布料机车体部分重量轻，换向时产生的惯性小，便于控制及操作。
当布料机行程超过6.4m(即12m2竖炉的炉口长度)时，因布料机前部悬臂过长而引起拉杆高度增加，导致生球落差加大，生球破碎率也增加。在这种情况下，不再采用悬臂结构，可在炉内铺设轨道。为了不影响操作及检修，炉内轨道可沿着布料机防尘罩两侧壁板架设.
（四）排料设备改进
1.齿辊破碎机组
齿辊破碎机组由7～11根独立工作的齿辊组成，辊间距为80～100mm,因此齿辊机组不能控制排料，其作用主要有两个：一是活动料柱；二是破碎大块。齿辊在炉内承受整个炉内料柱的重量，同时还承受高温含尘气流的冲刷，工作条件恶劣。除了在辊体表面堆焊硬质合金以外，轴中间还需通水冷却。鉴于齿辊转矩大、转速低的工作特点，宜采用液压传动。按其传动油缸形式又分为两种：一种是活塞油缸(又分单缸及双缸两种)。由于活塞油缸结构简单、维修方便、备件容易解决，得到了广泛的应用；另一种为摆动油缸，其优点是结构先进，操作方便，缺点是油缸加工精度高，成本高，备件不易解决，在多尘环境中使用易磨损。经过多年实践，齿辊轴端密封形式以油脂盘根密封为最好。在使用过程中应定期加注高温润滑脂。
2.电振给料机
竖炉排矿漏斗下面的电振给料机是控制竖炉排料的惟一设备。电振给料机的给料量可调，其操作开关由炉顶布料工掌握，在严格遵循“干球入炉”原则下，根据干燥床工作情况而开停。由于电振给料机所处的环境为高温、多尘场合，设计该设备需要特殊考虑。
（五）冷却设备选择
球团矿在炉内虽然得到了部分冷却，但是不充分，受炉子工艺条件限制，球团矿单位冷却风量仅为600～1000m3/t,此时球团矿温度尚有400～600℃左右。若用胶带机运输，必须增加炉外冷却。目前，各厂使用的炉外冷却设备大致有以下几种：
(1)用链板机或箕斗卷扬机拉出后，卸在地上，让其自然冷却；
(2)用链板机拉出后，接钢网带运输机，在运输过程中自然冷却；
(3)用竖式冷却器冷却；
(4)用轻型鼓风带冷却机冷却。
上述几种冷却方式，各厂可因地制宜地采用。[next]
（六）竖炉炉顶除尘改进
由于竖炉是正压操作，大量含尘废气从炉口冒出不仅污染了环境，而且对操作人员也很不安全，必须将炉口封闭，对废气进行除尘处理。电除尘器是理想的除尘设备，其排放废气中的粉尘浓度低于100mg/m3,符合国家排放标准。一些早期投产的竖炉目前仍采用旋风除尘器，排放废气中的粉尘浓度远未达标，应尽快改为电除尘器。
试验结果表明，电除尘灰物理性能接近精矿粉，可以配入混合料重新使用。但必须注意运输前要加水润湿，防止二次扬尘。
（七）上熟球设施
竖炉开炉前必须要用熟球装满炉子，平时调节炉况(如处理塌料事故)也需用部分熟球，把熟球运到炉顶的设施称为“上熟球设施”。常见的上熟球设施有下面几种：
(1)利用铲车或倾斜式轻便胶带机把熟球直接给到上竖炉的生球胶带机上，经布料机进入炉内；
(2)设专门的运熟球胶带机系统，从成品矿槽运到炉顶，经布料机进入炉内；
(3)设上熟球卷扬机，把熟球运到炉顶，经布料机进入炉内。
注意事项：熟球不能通过生球筛分机，以免磨损筛子辊皮。
（八）竖炉炉体改进
1.中国球团竖炉的基本特点
中国球团竖炉有以下几个特点：
(1)正压操作，要求炉子各部气密性好，
(2)多用冶金厂提供的低质高炉煤气为燃料，能源利用合理；
(3)采用“干燥床一导风墙”技术，气流分布合理，风机压力低于国外同类型竖炉的一半以上。
2.燃烧室
从理论上讲，竖炉燃烧室是产生热废气的空间。只要所产生的热废气满足竖炉焙烧要求(如温度、压力、氧含量等)即可，与燃烧室的形状、位置无关。当然，最经济、最合理的配置形式是燃烧室紧贴在炉膛两侧。其形状可以是矩形，也可以是圆形(又可分卧式、立式两种；而卧式圆形燃烧室又分为与炉膛平行的及与炉膛垂直的两种)。关键是结构合理，满足正压操作要求。燃烧室形状决定了烧嘴数目，矩形燃烧室一侧的烧嘴数量不宜太少，以3～5个为宜，太多则操作不方便，太少则影响气氛的均匀性。而卧式圆形燃烧室一侧的烧嘴数量为2～4个。
3.干燥带
干燥作业是竖炉焙烧的关键。“干球入炉”是竖炉操作的一条重要原则，是保证炉子顺行，不结块、高产优质的前提。影响干燥过程的因素主要有气流温度及气流速度。目前，多数竖炉炉顶干燥温度偏低，气流速度偏小，影响了炉子能力的发挥。在保证有一定的焙烧时间条件下，缩短预热焙烧带的高度有利于提高干燥气流温度，适当加大冷却风流量有利于提高干燥气流速度。在新设计竖炉时，可以适当加大干燥床面积，降低干燥床料层厚度，也有利于加快干燥过程。干燥床总面积与焙烧带截面积之比在1.8～2.0左右。生球在干燥床上停留时间约10～12min.
干燥床倾角不宜太大，一般在41°～42°左右。在操作中可以根据具体生产情况随时调整干燥床倾角。干燥床水梁一般选用无缝钢管，冷却方式可以是水冷，也可以是汽化冷却。由于汽化冷却管道占空间较大，会增加炉子上部高度，从国内生产实践来看，选水冷较合适。
干燥箅子有单排的，也有多排组合型的，材质均为铸钢。箅子缝有直排的，也有横排的，以不堵塞箅孔为宜。为了提高箅子的抗氧化能力，材质最好选用低合金铸钢。
4.预热焙烧带
从干燥床下沿水梁中心线到火道口出口中心线之间的距离称预热焙烧带。其高度应满足球团在该带的最低焙烧时间要求，一般停留时间在50～60min。焙烧带的最窄处直线段的截面积等手该竖炉的公称面积的1/2。我国8～16m2竖炉焙烧带单侧宽度为1.5～2.1m.
5.火道口形状
模型演示表明：从燃烧室火道口喷出的热废气在炉膛内的流向是呈向上抛物线形状。这样在火道出口处的同一水平面上，气流的温度及气氛是不均匀的，会影响焙烧质量。若喷火口向下倾斜一个角度(为防止球团堵塞火道，倾斜的水平夹角要大于30°),气体流向轨迹——抛物线也向下倾斜一个角度，同一水平面上气流的均匀性就大大改善。
喷火口呈格孔状，喷出速度在10～15m/s范围内。
6.导风墙及均热带
导风墙是架在竖炉上部中心的一堵格状空心墙，其作用是保证有足够的冷却风(又称墙外风）通过焙烧带，补充燃烧室废气中氧量的不足，从而使竖炉用高炉煤气焙烧成为可能；其余上升的冷却风通过导风墙直接引导到炉口干燥床下，参与干燥，不对焙烧带产生干扰。由于导风墙的存在，使炉内的各工艺过程(干燥、预热焙烧、均热、冷却)更为明显、更趋于平衡，为竖炉的高产优质提供了条件。不同的原料(含FeO量不同),不同的燃料(燃烧室废气中含氧量不同)要求有不同数量的墙外风通过焙烧带，导风墙的参数(高度及宽度)也不相同。
从火道口中心线至导风墙下沿之间的距离称均热带，其作用是使球团矿氧化更充分，质量更均匀。为防止卡大块物料，均热带靠炉膛一侧的炉墙应保持垂直。
导风墙及其水梁（由两排无缝钢管组合梁构成）寿命低(一般只有1a左右）是目前竖炉存在的一个主要问题。分析其原因，主要是结构不合理：
(1)导风墙壁较薄，只有半块砖厚(116mm).这是当初老式的8m2竖炉改造。既要增加导风墙而又不过多减少焙烧带截面积，不得已而为之。新设计竖炉的导风墙壁应适当加厚，至少保持一块砖厚(232mm);
(2)水梁截面刚度不够。导风墙水梁为平行两排，中间的连接构件的强度很关键。在1000℃左右的高温下，如果不通水冷却，任何耐热钢构件都将被烧坏，失去了联系的两排水梁在两侧炉料的侧压力下，很快失去稳定性。建议把连接板改为通水冷却的钢管，水梁的整体刚度就大大增加，水梁寿命提高了，导风墙整体寿命也随之提高。这种结构的导风墙寿命可以保持3～4年。
7.冷却带
从冷却风进口到导风墙水梁下沿的距离称为冷却带。从炉内各带的平衡角度考虑，鼓入炉内的冷风量是有限的，一般在800m3/t左右，排矿温度为500℃左右，冷却带计算高度为3～3.5m,停留时间2～3h。冷风口也同样应向下倾斜一个角度，两侧的冷风口最好错开布置。[next]
（九）竖炉操作的主要原则
1.干球入炉，炉底消除结块事故所谓“干球入炉”,就是布料工仔细观察干燥床上生球干燥情况。当干燥床下半部(至少是至1/3处)生球已充分干燥（这时生球呈灰白色）时，方可启动排料电振的开关，开始排料。由于干燥过程的限制，在实际生产中排料操作是不连续的。贯彻“干球入炉”原则后，竖炉操作中的顽症———“炉内结块”现象，被彻底消除。随着生产管理水平的提高，过去所谓的“矿粉焙烧温度区间大于200℃才能建竖炉”的禁区不复存在。
2.控制焙烧带温度，实现高产优质
由手磁铁矿球团在氧化焙烧过程中放出大量的热量，因此燃烧室温度通常要低于焙烧带气氛温度。根据原料种类不同，这个差值在150～250℃左右，这个温度在原料、燃料条件不变时，几乎是恒定的。由于焙烧带中心温度无法用热电偶测得，大多数竖炉操作者把燃烧室温度作为竖炉操作的一个重要参数来进行控制。但是生产实践证明，单纯根据燃烧室温度高低来进行操作，容易造成球团质量波动。这里引入一个“ 焙烧带温度”（又称侧墙火道口温度）的概念，它更能准确地反映炉子的焙烧情况。这是因为燃烧室温度是煤气燃烧后在燃烧室这个空间内的温度体现，它只与燃料种类、空煤气流量比例及燃烧室的结构有关；而焙烧带温度除了上述因素以外还与球团矿原料种类、料流变化、气流在料层内的分布等因素有关，必须指出，在实际生产中，由于受热电偶插入深度的限制，焙烧带温度显示的不是真正的料层中的气体温度，而是边缘料层中的气体温度，两者有一定误差。往往有这样情况：在一段时间内焙烧带温度高于燃烧室温度，而在另一段时间内，焙烧带温度低于燃烧室温度；若前者焙烧出来的球团矿质量合格，那么后者的情况就明显欠烧，质量有所下降。以上事实说明：单纯由燃烧室温度来控制竖炉操作是不全面，而控制焙烧带温度并结合控制燃烧室温度是竖炉操作的正确措施。
三、中国竖炉球团矿生产存在的问题及发展方向
（一）存在问题
(1)随着竖炉生产技术的发展，操作管理水平的提高，球团竖炉的产量达到了新的水平，一座8m2竖炉年产30万t球团矿已不是一件难事；
(2)球团矿质量良好，基本满足本厂高炉的冶炼要求；
(3)各厂竖炉主要指标相差很大，除原料原因外，在操作管理方面还存在不少薄弱环节。
1.膨润土用量大大超标
按照惯例，生产酸性球团矿时，膨润土添加量在2%以下，也就是每吨球团矿膨润土的最大消耗量为20kg左右，而1998年全国竖炉的膨润土平均消耗量高达40kg/t,这是一个很大的浪费！由于膨润土配入量的增加，直接导致铁品位下降，引起高炉“减铁增焦”的严重后果。膨润土超标的原因为:(1)精矿质量差（粒度粗、水分高）,为了提高生球的产量和质量，大量加入膨润土;(2)膨润土质量差;(3)膨润土配料设备不精确、误差大；
(4)混合设备效果差。多数竖炉厂家采用圆筒混合(或干燥)机进行混合，膨润土用量都较高；而南钢采用润磨机处理混合料，除了有良好的研磨作用外，混合料得到了充分的混合，从而降低了膨润土的用量(年平均耗量仅为17.7kg/t).此外寻找高效且廉价的有机粘结剂或复合粘结剂也是今后努力的方向。
2.少数竖炉球团矿中FeO含量超标
全国大部分竖炉球团矿中FeO含量小于2%，而个别竖炉产品中FeO含量却高达2%～4%,这是不应该的。分析其原因大致有两种情况：一种是焙烧温度不够，氧化不充分，球团矿强度不高；另一种是燃烧室废气中含氧量过低，或逋过焙烧带的墙外冷却风偏少也造成氧化不充分。
3.竖炉球团矿的铁品位偏低
进口球团矿的铁品位一般都在65%以上，而我国竖炉球团的铁品位大多在60%左右，最高也不过64.30%,最低值在56.16%，差距很大。分析其原因归根结底在于精矿粉性能太差、铁品位低、SiO2含量高、粒度粗、水分大，导致膨润土配比高，也是造成球团矿铁品位低的原因。
（二）发展方向
经过三十多年的努力，中国的竖炉球团矿生产技术已达到了世界先进水平，但从发展的眼光来看，仍有许多工作要做：
(1)大力发展大型球团竖炉。经过多年来的不断努力，中国最大的16m2球团竖炉的年产量已经超过了原设计水平。1998年达到55.9万t，预计1999年可达60万t，产品质量及消耗指标也保持在国内先进水平，当年国家下达的大型竖炉的科研攻关任务已圆满完成。今后有条件的企业在建设中可以优先选择16m2竖炉。在建设规模相同条件下，建设一座16m2竖炉比建设两座8m2竖炉基建投资节省30%左右；
(2)研究开发新型高效、廉价的粘结剂,取代或部分取代膨润土,力求把各厂竖炉的粘结剂用量降到20kg/t以下；
(3)研究开发用煤作燃料的球团竖炉，为在矿山建设竖炉创造条件；
(4)改善原料条件，提高精矿粉铁品位，降低SiO2含量。开发研制润(研)磨机系列，解决普遍存在的竖炉原料粒度偏粗的问题，提高竖炉的产、质量；
(5)研制导风墙及其水梁的新材质，新结构，保证其使用寿命在’ 年以上；
(6)加强数学模型研究，建立导风墙有关参数与其各影响因素间的定量经验公式，更好地为设计、生产服务。
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