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鐵合金熱熔渣能質(zhì)協(xié)同利用制備礦棉智能裝備與技術(shù)

鐵合金行業(yè)作為鋼鐵行業(yè)重要的子行業(yè)之一，2017 年產(chǎn)量總量為 3288.7 萬(wàn)噸。鐵合金行業(yè)蓬勃發(fā)展為社會(huì)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也產(chǎn)生了大量的工業(yè)固體廢棄物。在冶煉合金時(shí)，每生產(chǎn) 1t 合金通常會(huì)產(chǎn)生 1.2-1.3t 的熱熔渣。熱熔渣的隨意排放不僅占用了寶貴的土地資源，產(chǎn)生熱能資源的浪費(fèi)，還對(duì)周?chē)纳鷳B(tài)環(huán)境和人體健康造成一定的潛在威脅。因此，在中國(guó)特色循環(huán)經(jīng)濟(jì)背景下，鐵合金行業(yè)閉環(huán)環(huán)節(jié)關(guān)鍵設(shè)備與技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化迫在眉睫。青島青力環(huán)保設(shè)備有限公司、北京科技大學(xué)和寧夏吉元君泰新材料科技有限公司結(jié)合鐵合金產(chǎn)業(yè)閉環(huán)環(huán)節(jié)的熱質(zhì)廢渣處理和資源化問(wèn)題，研究鐵合金渣的物理化學(xué)特性，在工業(yè)生產(chǎn)中充分利用熔融態(tài)鐵合金渣的顯熱，熱熔渣經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)后達(dá)到預(yù)期的“修正酸度系數(shù)”可直接生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)巖（礦）棉，其能源消耗將大大降低。相對(duì)于冷料工藝，此工藝避開(kāi)了冷料工藝中先冷卻再熔融的弊端，可以充分利用熱熔渣的顯熱實(shí)現(xiàn)能源的最合理利用，極大地降低了生產(chǎn)成本，相比于其他高爐熱熔渣制棉工藝，經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)質(zhì)可生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)巖（礦）棉產(chǎn)品，達(dá)到《建筑外墻保溫用巖棉制品》的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在巖（礦）棉生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備方面也進(jìn)行了一系列的改進(jìn)和創(chuàng)新，并研發(fā)了巖（礦）棉自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)電控系統(tǒng)，通過(guò)物聯(lián)終端的網(wǎng)口通功能將可編程序控制器（PLC）和上位機(jī)電腦置于同一個(gè)虛擬局域網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程下載和數(shù)據(jù)采集功能。通過(guò)串口通軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)的遠(yuǎn)程控制、故障診斷、遠(yuǎn)程故障排除等遠(yuǎn)程監(jiān)控運(yùn)維，使設(shè)備更加高效，產(chǎn)品更加穩(wěn)定，企業(yè)具有更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本項(xiàng)目所建成的鐵合金熱熔渣生產(chǎn)巖（礦）棉工藝主要由調(diào)質(zhì)電爐、離心機(jī)、集棉機(jī)、集粒機(jī)、擺錘、成型機(jī)、固化爐、切割機(jī)及產(chǎn)品包裝等設(shè)備組成。目前國(guó)內(nèi)在使用鐵合金熱渣成棉的熱渣類(lèi)型主要為硅錳合金熱渣和鎳鐵合金熱渣。轉(zhuǎn)運(yùn)方式主要是汽車(chē)運(yùn)輸、電瓶車(chē)運(yùn)輸和火車(chē)運(yùn)輸。在生產(chǎn)中對(duì)每一批次（2-3 個(gè)月內(nèi)冶煉原料和工藝保持不變）的鐵合金熱熔渣預(yù)先進(jìn)行物理化學(xué)基本特性分析，即時(shí)優(yōu)化調(diào)質(zhì)料配比。調(diào)質(zhì)電爐的主要作用是儲(chǔ)存熔融態(tài)鐵合金渣，保證流股的穩(wěn)定性和均勻性，鐵合金熱熔渣流入調(diào)質(zhì)電爐，依托最優(yōu)調(diào)質(zhì)配比進(jìn)行調(diào)質(zhì)并均質(zhì)化（電弧均化與底部氮?dú)鈬姌尵{(diào)整其修正酸度系數(shù)，在熱均勻性和化學(xué)均勻性上使熔體達(dá)到成纖標(biāo)準(zhǔn)。2、核心裝備技術(shù)的設(shè)計(jì)（一）調(diào)質(zhì)電爐核心設(shè)計(jì)：1、調(diào)質(zhì)電爐為直接加熱式三相交流電弧爐，電弧發(fā)生在專(zhuān)用電極棒和液態(tài)熱熔渣之間，熱熔渣和調(diào)質(zhì)料直接受到電弧熱加熱并進(jìn)行均化。除了電弧均化，為了加強(qiáng)熱熔渣與調(diào)質(zhì)料的調(diào)質(zhì)反應(yīng)過(guò)程，使最終熱熔渣溫度和成分均勻，在電弧爐爐底部加裝氮?dú)鈬姌尅?、爐體設(shè)有一個(gè)密閉接渣口，通過(guò)密閉溜槽使熱渣緩慢流入爐體內(nèi)，接渣時(shí)需手動(dòng)打開(kāi)進(jìn)渣口門(mén)。3、爐體一側(cè)出渣口設(shè)一個(gè)手動(dòng)水冷銅出渣門(mén)用來(lái)控制流量的大小，另一側(cè)設(shè)一個(gè)出鐵口，用來(lái)放出爐底沉淀殘鐵。4、特殊配制的耐材。5、電爐變壓器為電弧爐專(zhuān)用變壓器，采用有載電動(dòng)調(diào)壓，低壓二次側(cè)采用銅排頂出線(xiàn)，外封口。變壓器油水冷卻器采用強(qiáng)油循環(huán)水冷卻器。6、電極升降自動(dòng)控制系統(tǒng)由西門(mén)子S7-200型PLC來(lái)完成。將三相電弧電壓、電流信號(hào)通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路變成 0-5V 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入 PLC 模擬量輸入模塊，PLC根據(jù)采集的電流、電壓信號(hào)、變壓器檔位及給定值等信號(hào)，按照功率控制的原理進(jìn)行運(yùn)算處理及邏輯判斷后，將結(jié)果通過(guò) PLC 模擬量輸出模塊控制液壓系統(tǒng)電極升降閥（派克比例閥 3 用 1 備），對(duì)電極升降進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)一路出現(xiàn)故障時(shí)可以手動(dòng)切換，從而控制輸入到爐內(nèi)的電弧功率，以滿(mǎn)足冶煉工藝的要求。在自動(dòng)控制過(guò)程中，隨時(shí)可通過(guò)按鍵來(lái)增加或減少給定信號(hào)，在運(yùn)行過(guò)程中，隨時(shí)可以手動(dòng)控制電極升降。（二）離心機(jī)核心設(shè)計(jì)：熱渣用離心機(jī)不同于冷料用離心機(jī)，為更好使用各種類(lèi)型的熱渣，經(jīng)過(guò)幾年的理論與實(shí)踐生產(chǎn)，設(shè)計(jì)并制作出專(zhuān)用的熱渣離心機(jī)：（1）主軸采用多級(jí)彈性支撐，減震效果好，支撐強(qiáng)度大，長(zhǎng)期使用穩(wěn)定性好，大大提高了軸承的使用壽命，比傳統(tǒng)離心機(jī)的軸承使用壽命提高 30-40%。（2）不同的坐標(biāo)位置，使成纖率提高 5-10%。（3）離心輥頭采用 316L 多層堆焊，輥頭使用壽命延長(zhǎng) 72-120 小時(shí)。（4）可調(diào)膠環(huán)，分別計(jì)量控制精確供膠，中心噴膠與外圍噴膠相結(jié)合，使噴膠更均勻，節(jié)膠、高質(zhì)，有效減少花棉的出現(xiàn)。（5）整體風(fēng)環(huán)結(jié)構(gòu)有區(qū)別的導(dǎo)流片設(shè)計(jì)。（6）輥頭采用開(kāi)式或閉式冷卻方式，軸承采用壓縮空氣油氣霧化技術(shù)，既可對(duì)軸承充分潤(rùn)滑，又對(duì)軸承起冷卻作用，從而大大提高了主軸軸承的使用壽命。（三）鼓式集棉機(jī)核心設(shè)計(jì)：（1）集棉機(jī)采用轉(zhuǎn)鼓式，直徑 5 米，總寬度 2.8 米，網(wǎng)板有效寬度 2.4 米，線(xiàn)速度可達(dá) 100 米/分鐘，從而保證了一次棉在網(wǎng)板上分布得更薄更均勻（小于350g/㎡）從而保證了制棉的質(zhì)量。（2）由于轉(zhuǎn)鼓的兩端支撐在大型回轉(zhuǎn)支撐上，并有良好的潤(rùn)滑，故其使用壽命非常長(zhǎng)（幾年至十幾年），大大減少了設(shè)備的維修量。（3）網(wǎng)板采用長(zhǎng)條孔結(jié)構(gòu)，通透率大于 48%，從而減少了負(fù)壓風(fēng)機(jī)的功率消耗，增加了成纖率。（4）集棉機(jī)內(nèi)配備刮板機(jī)、螺旋輸送機(jī)、高壓水清洗裝置，保證了集棉機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。（四）擺錘的核心設(shè)計(jì)：擺錘目前主要分弧擺和平擺。國(guó)內(nèi)巖（礦）棉廠(chǎng)基本上都是弧擺，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單維修方便，缺點(diǎn)是巖棉板容重不均勻；國(guó)外巖棉廠(chǎng)有的采用平擺，優(yōu)點(diǎn)是巖棉板容重均勻性一致，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜維護(hù)麻煩。我們特殊設(shè)計(jì)的擺錘形式為似平擺，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單維修同樣簡(jiǎn)單方便，巖棉板容重均勻性基本達(dá)到 95%以上，而弧擺形式的容重均勻性為 80-85%。（五）固化爐核心設(shè)計(jì)：固化爐接受加壓機(jī)輸送過(guò)來(lái)的棉氈經(jīng)固化爐上下網(wǎng)版輸送、加壓、烘干，使棉氈里的粘結(jié)劑在運(yùn)行過(guò)程中連續(xù)固化，以形成一定厚度、容重的巖棉板。固化爐上下網(wǎng)板為單獨(dú)驅(qū)動(dòng)同步運(yùn)行。固化爐內(nèi)分為四個(gè)加熱區(qū)，外配 4 臺(tái)熱風(fēng)爐由天然氣燃燒機(jī)產(chǎn)生熱風(fēng)循環(huán)加熱，并將熔化系統(tǒng)的低溫?fù)Q熱器產(chǎn)生的熱風(fēng)送至熱風(fēng)爐以降低天然氣的消耗量，使產(chǎn)品固化能耗降低、效率提高。固化爐烘烤需要天然氣和煤氣，而許多熱渣廠(chǎng)家有高爐煤氣或礦熱爐煤氣，所以熱渣制棉生產(chǎn)比冷料工藝生產(chǎn)可節(jié)省此天然氣費(fèi)用，大幅降低了生產(chǎn)成本。（六）冷卻、切割系統(tǒng)核心設(shè)計(jì)：冷卻切割系統(tǒng)主要由五部分組成：冷卻、縱切、廢邊回收、切條、橫切。縱切：三套刀具，可隨時(shí)升降。碎邊機(jī)：獨(dú)立碎邊，配備碎邊回收風(fēng)機(jī)，安全可靠。切條機(jī)：一用一備共 2 套，可隨時(shí)升降切換使用。橫切：由于生產(chǎn)線(xiàn)是連續(xù)不停的運(yùn)行，但產(chǎn)品要求定長(zhǎng)切割，因此橫切（飛鋸）必須與生產(chǎn)線(xiàn)同步。我們采用多臺(tái)伺服電機(jī)，配以運(yùn)動(dòng)控制器，使橫切動(dòng)作運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)跟蹤整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)的速度，即使在切割過(guò)程中也可以做到，從而保證了切割精度在+2.5mm 以?xún)?nèi)。(七)智能云平臺(tái)系統(tǒng)是我們研發(fā)的巖（礦）棉自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)電控系統(tǒng)，由中央控制、加配料、富氧、溫控、成纖、集布棉、打褶打壓、固化、切割、制膠等 10 大電控系統(tǒng)組成，它完成巖（礦）棉從原料熔化開(kāi)始，到切割成成品為止的全部生產(chǎn)過(guò)程控制。各子控制系統(tǒng)通過(guò)中央控制系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)，采用“主站-從站”結(jié)構(gòu)，分散集中控制（DCS）,主站采用了西門(mén)子公司生產(chǎn)的 S7-1500 系列可編程序控制器（PLC），從站采用了西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7-200 Smart系列可編程序控制器（PLC），系統(tǒng)各部分的聯(lián)系，僅用一根 TCP/IP 總線(xiàn)，方便地組成工業(yè)以太網(wǎng)，并配以計(jì)算機(jī)和西門(mén)子專(zhuān)用界面軟件 WinCC，可圖文并茂的設(shè)定、顯示、傳送、查詢(xún)和打印各從站的數(shù)據(jù)。通過(guò)在設(shè)備的中央控制系統(tǒng)配套天啟物聯(lián)終端云 BOX TN-605 以及高速的 4G運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)連接。通過(guò)物聯(lián)終端的網(wǎng)口通功能將PLC 和上位機(jī)電腦置于同一個(gè)虛擬局域網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程下載和數(shù)據(jù)采集功能。通過(guò)串口通軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制功能。遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)平臺(tái)通過(guò)網(wǎng)口通、串口通軟件可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的全方位監(jiān)控云服務(wù)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程啟停控制、設(shè)備報(bào)警通知、設(shè)備地圖管理、微信端監(jiān)控等功能，實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)實(shí)時(shí)查詢(xún)?cè)O(shè)備最新?tīng)顟B(tài)、設(shè)備參數(shù)和變量的實(shí)時(shí)變化，了解設(shè)備狀態(tài)、參數(shù)和變量的變化趨勢(shì)，并獲得針對(duì)這些變化趨勢(shì)的統(tǒng)計(jì)分析等。另外運(yùn)維平臺(tái)的數(shù)據(jù)歸檔服務(wù)功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)設(shè)備數(shù)據(jù)的定期分類(lèi)歸檔。用戶(hù)根據(jù)平臺(tái)采集歸檔的海量數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，定義出觸發(fā)器條件。另外，平臺(tái)在云端提供了一個(gè)強(qiáng)大的計(jì)算引擎，可以實(shí)時(shí)計(jì)算設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)、變量和參數(shù)是否符合觸發(fā)條件，同時(shí)對(duì)符合觸發(fā)條件的情況觸發(fā)事件報(bào)警。這一功能使得產(chǎn)品生產(chǎn)處于實(shí)時(shí)預(yù)警、可查可控的狀態(tài)，對(duì)于提高巖（礦）棉生產(chǎn)率和合格率效果明顯。(八) 熔體流量自動(dòng)控制系統(tǒng)雖然電爐上已安排液壓（或電動(dòng)）水冷閘板閥用于控制流股的穩(wěn)定性，但由于需定期加入熔渣，電爐液面還有一定的波動(dòng)，從而造成流股的不穩(wěn)定性。另外，液位高度變化、組成成分的波動(dòng)，都會(huì)對(duì)熔體粘度發(fā)生影響，造成流股波動(dòng)，無(wú)法保證制品的穩(wěn)定性。我們開(kāi)發(fā)了熔體流量自動(dòng)控制系統(tǒng)，利用安裝在成型機(jī)下面的自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)來(lái)捕捉流股的變化。通過(guò) PLC 控制系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)程序運(yùn)算，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)的速度進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)，從而保證產(chǎn)品容重的波動(dòng)在極小的范圍內(nèi)，容重控制在±5%以?xún)?nèi)（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)容重范圍在±10%），保證了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。3、典型鐵合金熱熔渣生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)巖（礦）棉調(diào)質(zhì)技術(shù)研究大量研究利用硅錳、鎳鐵等典型鐵合金廢渣為原料，將熔體采用高速離心噴吹等工藝制成的絲狀無(wú)機(jī)纖維，制成礦棉。這種礦棉與目前廣泛應(yīng)用的巖棉相比，在酸度系數(shù)、耐水性、耐火性、耐腐蝕性以及纖維長(zhǎng)度等方面還有很大差距，礦棉的性能還不能滿(mǎn)足建筑外墻用保溫材料的標(biāo)準(zhǔn)要求。由于礦棉原料成份與巖棉原料不同，通常對(duì)熱熔渣進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，添加硅石等調(diào)質(zhì)劑，嘗試的效果不十分理想。在高溫?zé)崛墼{(diào)質(zhì)過(guò)程存在熔渣難與調(diào)質(zhì)劑混合，并產(chǎn)生降溫造成熔渣黏度高，難以達(dá)到硅酸鹽體系的成絲要求，嚴(yán)重影響了礦棉生產(chǎn)和成絲質(zhì)量，制約了鐵合金渣的利用，造成了鐵合金生產(chǎn)的環(huán)保壓力。我們針對(duì)上述已有技術(shù)存在的不足，創(chuàng)新研發(fā)了一種能快速形成硅酸鹽系的調(diào)質(zhì)方法：以新的修正酸度系數(shù) Mk*=1.6 為標(biāo)準(zhǔn)，這樣最終的酸度系數(shù) Mk 在1.7-1.9 之間。將鐵合金熱熔渣澆入調(diào)質(zhì)爐，電極加熱（電弧均化）產(chǎn)生一定的流動(dòng)性，爐底部噴槍噴入氮?dú)猓龠M(jìn)與加入的調(diào)質(zhì)料（熱料或小球狀冷料或粉料）充分混合，保證了快速形成硅酸鹽體系，并通過(guò)調(diào)質(zhì)電爐升溫保溫再均化等，得到熔體溫度合適、黏度適宜、成分符合吹棉要求的熔渣，解決了熔渣難與調(diào)質(zhì)料混合并產(chǎn)生降溫的問(wèn)題，達(dá)到了高質(zhì)量礦棉的性能標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦產(chǎn)資源的節(jié)約以及鐵合金廢渣更好的利用。利用鐵合金渣生產(chǎn)礦棉的調(diào)質(zhì)方法，調(diào)制出的熔渣流體的修正酸度系數(shù) Mk*為 1.5-1.6，溫度 1360-1460°C，黏度 14-6 Pa·s。將調(diào)質(zhì)好的熔體通過(guò)離心噴吹制成巖（礦）棉，其巖（礦）棉纖維可達(dá)到《絕熱用巖棉、礦渣棉及其制品》GB/T11835-2007，巖（礦）棉板可達(dá)到《建筑外墻外保溫用巖棉制品》GB/T25975-2010 性能要求。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：用高硅低鋁高鈣調(diào)質(zhì)料對(duì)硅錳渣進(jìn)行調(diào)質(zhì)最為適宜，用高硅高鋁低鈣調(diào)質(zhì)料對(duì)鎳鐵渣進(jìn)行調(diào)質(zhì)最為適宜。

北京科技大學(xué) 2021-04-13

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