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論水冷無(wú)爐襯冷風(fēng)大雙沖天爐熔煉高溫優(yōu)質(zhì)鐵液
——15t沖天爐的應(yīng)用
天潤(rùn)曲軸有限公司（文登264400） 李俊強(qiáng) 畢海防 殷汝武
江陰市鑄造設(shè)備廠（江陰214411） 夏汝明
沈陽(yáng)鑄造研究所 （沈陽(yáng)110021） 蔡德全（執(zhí)筆）
東 南 大 學(xué) （南京210096） 周重光
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【摘要】經(jīng)國(guó)家鑄造鍛壓機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢驗(yàn)合格的R1115SL15t/h水冷無(wú)爐襯冷風(fēng)大雙沖天爐，在焦耗為12%、焦炭固定炭88%~90%時(shí)，鐵液（出鐵槽）平均溫度為1491℃。沖天爐熱效率為35.5%。并對(duì)獲得高溫鐵液的要素進(jìn)行了分析和論證。
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關(guān)鍵詞：水冷無(wú)爐襯冷風(fēng)大雙沖天爐高溫優(yōu)質(zhì)鐵液熱效率

  目前，國(guó)外沖天爐發(fā)展已趨向“大型化、熱風(fēng)、水冷無(wú)爐襯連續(xù)熔煉”。我國(guó)改革開(kāi)放以來(lái)，汽車(chē)和鑄管行業(yè)得到了飛躍的發(fā)展，對(duì)沖天爐熔煉提出了“連續(xù)供應(yīng)熔化量大的高溫優(yōu)質(zhì)鐵液”的要求。但由于國(guó)外沖天爐熱風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)材質(zhì)要求高，一次性投資大、維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用較高等問(wèn)題，從而限制了在我國(guó)的推廣應(yīng)用。所以在調(diào)查研究了我國(guó)鑄造企業(yè)實(shí)際情況后，江陰市鑄造設(shè)備廠推出了“外水冷無(wú)爐襯冷風(fēng)大雙沖天爐”系列（亦可同電爐雙聯(lián)），可熔化出高溫優(yōu)質(zhì)鐵液。
江陰市鑄造設(shè)備廠與山東文登曲軸有限公司共同調(diào)試、投產(chǎn)的15t/h外水冷無(wú)爐襯冷風(fēng)大雙沖天爐于1998年啟用。

一、15t/h外水冷無(wú)爐襯冷風(fēng)大雙沖天爐的測(cè)量數(shù)據(jù)
1、結(jié)構(gòu)參數(shù)
  風(fēng)口區(qū)爐膛直徑 Φ1700mm；
  熔化帶爐膛直徑 Φ1600mm；
  有效高度 8550mm；
  爐缸高度 650mm；
  爐底厚度 600mm；
  風(fēng)口比 5%；
  風(fēng)口個(gè)數(shù) 2×6；
  風(fēng)口排距 800mm。
2、工藝參數(shù)
  底焦高度 2400mm；
  風(fēng) 量 180~200m3/min；
  焦炭固定炭 88%~90%；
  層焦耗量 12%；
3、鐵液平均溫度
  采用改良焦（固定炭含量在88%~90%），連續(xù)測(cè)溫8次，鐵液溫度分別為：1500℃、1490℃、1485℃、1490℃、1490℃、1490℃、1492℃、1492℃，鐵液平均溫度1491℃。
4、平均熔化速度
  沖天爐正常工作時(shí)，平均熔化率為15.2t/h。
5、氧化鐵及冷卻水溫度差
  渣中FeO含量 3.18%
  風(fēng)口冷卻水^大溫差 6℃
  爐體冷卻水^大溫差 28℃
6、爐氣分析
  取樣6次，側(cè)得爐氣中CO2、O2、CO的氣體含量的平均值分別為12.5%、0.3%、12.6%。

二、15t/h水冷無(wú)爐襯冷風(fēng)大雙沖天爐獲得高溫鐵液的分析
  此爐在焦耗12%~13%，焦炭固定炭88%~90%的條件下，已獲得出鐵槽鐵液平均溫度為1450℃~1490℃，鐵液^高溫度為1550℃。要獲得高溫鐵液必須采取措施去強(qiáng)化沖天爐底焦的燃燒。
１．選用優(yōu)質(zhì)焦炭或鑄造焦
  沖天爐熔煉選用國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)焦炭或鑄造焦是獲得高溫優(yōu)質(zhì)鐵液的有效措施。國(guó)外30年代
初就開(kāi)始使用鑄造焦，我國(guó)在80年代才開(kāi)始應(yīng)用鑄造焦。同冶金焦相比，它的主要特點(diǎn)是：固定碳高、灰分低、硫低、強(qiáng)度高、塊度大而均勻。山東文登曲軸廠選用山西改良焦，其組成與鑄造焦、北京焦對(duì)比情況見(jiàn)表1。
表1 改良焦冶金焦鑄造焦對(duì)比表

序號(hào)	焦炭類(lèi)別	固定碳 (%)	灰分 (%)	硫 (%)	揮發(fā)分 (%)	水分 (%)	爐內(nèi)^高溫度平均值/℃
1	汾陽(yáng)益華	88.07	10.65	0.52	1.28	1.34	——
2	山西汾陽(yáng)	90.75	8.51	0.62	0.74	——	——
3	鎮(zhèn)江特級(jí)	91.81	7.68	0.61	0.51	——	1782
4	鎮(zhèn)江一級(jí)	89.65	9.87	0.51	0.48	——	——
5	薛城二級(jí)	87.99	10.98	0.5	1.03	——	1780
6	北京普通焦*	85.3	14.15	0.73	0.55	——	1718

*冶金焦
依常用的發(fā)熱量關(guān)系簡(jiǎn)化計(jì)算：
山西汾陽(yáng)改良焦Q1=90.75×338.58=30726.14KJ/Kg；
鎮(zhèn)江特級(jí)鑄造焦Q2=91.81×338.58=31085.03KJ/Kg；
北京普通焦 Q3=85.30×338.58=28880.87KJ/Kg；
可見(jiàn)所用山西汾陽(yáng)改良焦比北京普通焦發(fā)熱量高出1845.27KJ/Kg，而與特級(jí)鑄造焦的發(fā)熱量相近似。焦炭固定碳含量增加，底焦在單位時(shí)間里所燃燒碳量增加，而導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)溫度提高。如以爐內(nèi)高溫區(qū)^高溫度（平均）表示，山西改良焦比北京普通焦將提高爐溫60℃以上。焦炭固定碳含量對(duì)沖天爐爐內(nèi)溫度分布影響如圖1所示。

1. 采用大排距雙層送風(fēng)系統(tǒng)

大排距雙層送風(fēng)系統(tǒng)的沖天爐簡(jiǎn)稱(chēng)大雙沖天爐，1975年一機(jī)部沖天爐測(cè)試組公布了全
國(guó)典型沖天爐測(cè)試結(jié)果（1），認(rèn)為從沖天爐熔煉獲得高溫鐵液的角度看，大雙沖天爐高于多排小風(fēng)口沖天爐。
大雙沖天爐的底焦試驗(yàn)表明。其底焦燃燒過(guò)程仍然是碳燃燒的4個(gè)基本反應(yīng)，其不同之處在于如何組織燃燒。由于雙排風(fēng)口送風(fēng)，排距拉長(zhǎng)，在底焦中必然形成兩個(gè)獨(dú)立的燃燒區(qū)，每個(gè)燃燒區(qū)都形成自己的氧化帶和還原帶。這一現(xiàn)象可從爐襯侵蝕的狀態(tài)得到證明。一排風(fēng)口送風(fēng)所形成還原帶產(chǎn)生的CO，當(dāng)上升到二排風(fēng)口（即二排風(fēng)口所形成的氧化帶）遇氧再度燃燒。所以豈爐內(nèi)溫度沿爐身方向的分布特點(diǎn)與一般沖天爐不同，它具有兩個(gè)溫度峰值。隨著上排風(fēng)口進(jìn)風(fēng)量增加，底焦上部的爐溫提高，從而使熔化帶的位置上移，使鐵液過(guò)熱路程增加。參見(jiàn)圖3。

圖3 大排距沖天爐爐壁處爐溫爐氣成分圖
大雙沖天爐的風(fēng)口排數(shù)較少，相對(duì)講送風(fēng)是比較集中的，所以爐內(nèi)溫度較高。影響鐵液過(guò)熱的兩個(gè)主要因素，爐內(nèi)^高溫度和鐵液過(guò)熱所流過(guò)的距離，大雙沖天爐兩者兼而有之，易獲得較高的鐵液溫度，一般鐵液溫度可提高30~50℃。如采用鑄造焦，則效果更好。

1. 選用插入式風(fēng)口

大型沖天爐要獲得高溫鐵液，還要解決底焦燃燒沿橫截面燃燒均勻的問(wèn)題，即送風(fēng)的深度及均勻性的問(wèn)題。見(jiàn)圖4。

圖4 大爐徑?jīng)_天爐爐氣成分變化
沖天爐送風(fēng)理論研究表明，送風(fēng)的穿透深度是同爐子內(nèi)徑與焦炭塊度比值相關(guān)聯(lián)的。見(jiàn)圖5。

圖5 氣流速度沿徑向分布

當(dāng)焦炭塊度與爐子內(nèi)徑之比d/D=1/8.5時(shí)，風(fēng)速沿爐子徑向保持不變的分布狀態(tài)，即送風(fēng)可穿透爐子中心；當(dāng)d/D=1/15時(shí)，由于焦炭塊度小而阻力增加，風(fēng)速沿徑向減弱，迫使?fàn)t子中心出現(xiàn)了弱風(fēng)區(qū)（3）。
文登曲軸有限公司采用改良焦，焦炭塊度較大，多數(shù)為150mm~200mm，和插入式風(fēng)口配合，其d/D=（150~200）/1500=1/10~1/7.5。保證了側(cè)送風(fēng)在底焦內(nèi)的深度及均勻分布，使底焦能均勻強(qiáng)化燃燒。所以大中型沖天爐應(yīng)用水冷插入式風(fēng)口和適合選擇焦炭塊度是強(qiáng)化底焦均勻燃燒的重要保證。

1. 控制合理的風(fēng)與焦配比

沖天爐熔煉控制合理的風(fēng)與焦配比是沖天爐正常操作的基本條件。對(duì)沖天爐來(lái)說(shuō)，在
結(jié)構(gòu)、焦炭質(zhì)量和金屬爐料狀況一定的情況下，其爐子的熔化率和鐵液溫度主要取決于送風(fēng)量和焦耗兩的變動(dòng)。其規(guī)律可用沖天爐網(wǎng)狀圖來(lái)表示，見(jiàn)圖6（4）。

圖6 沖天爐網(wǎng)狀圖

從圖6可見(jiàn)，當(dāng)焦耗一定時(shí)，隨著風(fēng)量增加，爐子生產(chǎn)率增加，而鐵液溫度開(kāi)始時(shí)隨風(fēng)量的增加而升高，當(dāng)達(dá)到^高值后隨風(fēng)量的繼續(xù)增加而下降。獲得的鐵液溫度^高值這一點(diǎn)就是風(fēng)與焦配合的^佳點(diǎn)。
熔化過(guò)程中，實(shí)際入爐的風(fēng)量可根據(jù)碳燃燒化學(xué)反應(yīng)式計(jì)算，如下式：
Q=74.17×A×K×C×（1+ηv）
式中 Q——送風(fēng)量 Hm3/min
A——熔化率 t/h
K——層焦耗 %
C——固定碳含量 %
ηv——燃燒系數(shù) %
15t/h沖天爐檢測(cè)數(shù)據(jù)：
A=15.2t/h、K=12%、C=89.41%、ηv=50%，
則此爐實(shí)際進(jìn)風(fēng)量為：Q=74.17×15.2×12%×89.14%×1.5=181.4m3/min
流量孔板檢測(cè)風(fēng)量平均值為201.6 m3/min。
漏風(fēng)損失為（201.6-181.4）/201.6×100%=10%
15t/h沖天爐在焦耗量12%、送風(fēng)量181.4m3/min條件下，其實(shí)際檢測(cè)爐子熔化率為15.2t/h，平均出鐵槽鐵液溫度為1491℃?？梢?jiàn)其送風(fēng)在^佳值范圍之內(nèi)。

三、15t/h外水冷無(wú)爐襯冷風(fēng)大雙沖天爐熱平衡
1、焦炭燃燒發(fā)熱
Q’焦=8100×4.18×C=8100×4.18×89.41%=30272.44KJ/Kg焦
Q焦=1000×12%×30272.44=3632691.7KJ/t鐵
2、元素氧化發(fā)熱（忽略鐵料中雜物）
Fe、Si、Mn氧化的熱效應(yīng)分析分別為：
Fe+O2=FeO+4915.68KJ/Kg（Fe）
Si+O2=SiO2+28215.0KJ/Kg（Si）
Mn+O2=MnO+6905.36KJ/Kg（Mn）
元素?zé)龘p情況如表2
表2 元素?zé)龘p（%）

元素變化

C	Si	Mn	P	S	Fe
配料成分	3.13	1.25	0.36	<0.05	<0.08	95.13
+28	-20	-25	--	--	-0.2

元素?zé)龘p發(fā)熱：
Q（Fe）=1000×95.13%×0.2%×4915.68=9352.6KJ/t
Q（Si）=1000×1.25%×20%×28215.0=70537.5KJ/t
Q（Mn）=1000×0.36%×25%×6905.36=6214.8KJ/t
3、爐渣生成熱
爐渣生成熱根據(jù)國(guó)內(nèi)四種沖天爐爐型的熱平衡狀況，估算其為總熱收入的1.0%。
4、鐵料加熱熔化和過(guò)熱所吸收的熱
Q鐵=G鐵[C1（t2-t1）+C2+C3（t3-t2）]
式中 G鐵——熔化金屬料重， Kg
C1——鑄鐵加熱至熔點(diǎn)的平均熱容量， KJ/（Kg·℃）
C2——鑄鐵的熔化潛熱， KJ/（Kg·℃）
C3——鑄鐵熔化后的平均熱容量， KJ/（Kg·℃）
t1——室溫， ℃
t2——鑄鐵熔點(diǎn)， ℃
t3——出爐的鐵液溫度， ℃
Q鐵=1000×[0.16×4.18×（1130-15）+62×4.18+0.218×4.18×（1491-1130）]
=1333829.6KJ/t
5、爐氣帶走化學(xué)熱
爐氣成分：CO2為12.5%、O2為0.3%、CO為12.6%。
爐氣的燃燒系數(shù)：
ηv=×100%
=12.5/25.1×100%
=50%
1Kg純碳燃燒產(chǎn)物量為（5.378+3.511ηv）m3/Kg·碳（4）。燃燒產(chǎn)物量：
V產(chǎn)=1000×12%×89.41%×（5.378+3.511×0.5）
=765.37m3/t鐵
爐氣所帶走的化學(xué)熱損失：
Q化=3098VCO=3098×765.37×12.6%=1248821KJ/t鐵
6、爐氣所帶走的物理熱
爐氣成分及其平均熱容量如表3所示

爐氣成分	12.5%CO2	12.6%CO	0.3%O2	74.6%N2
平均熱容量/(KJ·m-3·℃-1)	1.802	1.304	1.333	1.304

爐氣平均熱容量：
C氣=[（12.5×1.802）]+（12.6×1.304）+（0.3×1.333）+（74.6×1.304）]/100
=1.363KJ/m3·℃
爐氣所帶走的物理熱為：
Q物=765.37×1.363×（251-15）=246137.2KJ/t鐵
7、冷卻水帶走的熱量
水冷風(fēng)口的水消耗量為120m3/h；水冷爐壁水消耗量為28.3 m3/h。
書(shū)冷風(fēng)口的水帶走熱為：
Q’水=120/15.2×1000×4.18×6=197998.2KJ/t鐵
Q”水=28.13/15.2×1000×4.18×28=219711.8KJ/t鐵
Q水= Q’水+ Q”水=415910KJ/t鐵
其它支出，列入“其它支出項(xiàng)”。
15t/h沖天爐熱平衡表

1. 熱量收入

①焦炭燃燒發(fā)熱 3632691.7KJ/t 占96.7%
②元素?zé)龘p發(fā)熱 86104.9KJ/t 占 2.3%
③爐渣生成熱 37563.4KJ/t 占 1.0%

總熱收入 3756360KJ/t 100%

1. 熱量支出

④鐵料熔化過(guò)熱吸收熱 1333829.6KJ/t 占35.5%
⑤爐氣帶走化學(xué)熱 1248821.0KJ/t 占33.2%
⑥爐氣帶走物理熱 246137.2KJ/t 占 6.6%
⑦冷卻水帶走熱 415910.0KJ/t 占11.1%
⑧其它熱損失 511662.2KJ/t 占13.6%

總支出 3756360.0KJ/t 100%
沖天爐熱效率：
η熔煉=Q鐵/Q總收入×100%=35.5%
15t/h沖天爐同國(guó)外沖天爐熱平衡比較（見(jiàn)圖7、8（4））。

圖7 15t/h水冷冷風(fēng)沖天爐熱平衡圖

圖8 沖天爐（φ650mm）冷風(fēng)熱平衡圖及熱平衡圖及熱效率比較（德國(guó)M.Bader）

四、結(jié)論
（1）15t/h外水冷無(wú)爐襯冷風(fēng)大雙沖天爐熔煉能夠獲得高溫鐵液，其主要原因是采用鑄造焦或優(yōu)質(zhì)改良焦。理論和實(shí)踐都證明，在相同的熔煉條件下，由于鑄造焦固定碳含量高、灰分低、低含硫量與強(qiáng)度高，所以應(yīng)用鑄造焦等能把我國(guó)沖天爐熔煉高溫優(yōu)質(zhì)鐵液的技術(shù)提高到一個(gè)新的水平。
（2）15t/h外水冷無(wú)爐襯冷風(fēng)大雙沖天爐熔煉能夠獲得高溫鐵液，還由于應(yīng)用大排距、雙層送風(fēng)、小風(fēng)口送風(fēng)，故強(qiáng)化底焦擴(kuò)散燃燒，強(qiáng)化了鐵液過(guò)熱交換。
（3）15t/h外水冷無(wú)爐襯冷風(fēng)大雙沖天爐采用了水冷插入式風(fēng)口，適當(dāng)選擇焦炭塊度，確保焦塊與爐徑（風(fēng)口平面）的比例為1：8.6~10，強(qiáng)化了爐膛中心部位的底焦燃燒，為獲得高溫鐵液創(chuàng)造了條件。
（4）控制合理的風(fēng)與焦配比，選擇^佳熔煉工藝是前三項(xiàng)強(qiáng)化底焦燃燒、強(qiáng)化熱交換的基礎(chǔ)。是沖天爐熔煉能獲得高溫優(yōu)質(zhì)鐵液^基本條件。
（5）15t/h外水冷無(wú)爐襯冷風(fēng)大雙沖天爐冷卻水所帶走的熱損失為11%，略高于一般沖天爐的爐壁傳熱損失和爐體的蓄熱損失（10%左右），即能保持沖天爐連續(xù)熔煉，又不影響沖天爐的正常熔化，可連續(xù)獲得高溫優(yōu)質(zhì)鐵液。
（6）15t/h外水冷無(wú)爐襯冷風(fēng)大雙沖天爐同其它冷風(fēng)沖天爐一樣，存在爐氣化學(xué)熱損失的問(wèn)題。

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（編輯：王惠愚）