35 t/h沖天爐熔煉工藝優(yōu)化研究

于子海，李孝艷，杜紀柱，喬進國

（濰柴動力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 261199）

35 t/h沖天爐熔煉工藝優(yōu)化研究

于子海，李孝艷，杜紀柱，喬進國

（濰柴動力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 261199）

研究了焦炭質(zhì)量、底焦層焦、送風量、風速、熱風溫度等對35 t/h長爐齡熱風水冷富氧沖天爐的影響。通過近幾年的工藝優(yōu)化實踐，在最佳工藝參數(shù)條件下，35 t/h沖天爐熔煉穩(wěn)定性提高。35 t/h 沖天爐在兩班制生產(chǎn)條件下，鐵液出爐溫度1 500～1 550 ℃，鐵液化學成分穩(wěn)定，能夠滿足材質(zhì)為HT250、HT300柴油機氣缸體、氣缸蓋的生產(chǎn)要求，適合于大批量連續(xù)生產(chǎn)。

鐵液質(zhì)量；溫度；化學成分；熔煉工藝

高的出鐵溫度和穩(wěn)定的鐵液化學成分是鑄鐵熔煉的控制重點，大型沖天爐熔煉中如何提高鐵液溫度及化學成分穩(wěn)定性是工藝人員一直在解決的問題。有研究表明工業(yè)發(fā)達國家的沖天爐，無論冷風、熱風，無論功率小至5 t/h還是大至100 t/h，無論是生產(chǎn)灰鑄鐵、球墨鑄鐵還是合金鑄鐵，只要是生產(chǎn)HT250牌號以上的鑄鐵，鐵液溫度皆必須達到1 500～1 550 ℃。1 500～1 550 ℃的鐵液溫度不僅是鐵液質(zhì)量的指標，也是獲得鑄件材質(zhì)高性能的基礎(chǔ)[3]。我公司2007年引進的美國EC&S公司的熱風富氧水冷35 t/h沖天爐具有節(jié)能環(huán)保的特點，在應(yīng)用中不斷的優(yōu)化工藝，達到了出鐵穩(wěn)定、鐵液質(zhì)量優(yōu)質(zhì)的特點。本文根據(jù)筆者多年的熔煉工藝工作，從工藝優(yōu)化方面分析如何提高35 t/h沖天爐鐵液化學成分及溫度穩(wěn)定性。

1　35 t/h沖天爐的主要結(jié)構(gòu)

35 t/h熱風水冷沖天爐主要可以分為如下幾個系統(tǒng)：控制系統(tǒng)、爐體系統(tǒng)、配料及加料系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、送風系統(tǒng)、尾氣冷卻系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、緊急供電系統(tǒng)。既能利用沖天爐引出的余熱提高沖天爐供風的風溫(達450～550 ℃), 又能去除沖天爐排放出的煙氣中的塵粒, 保護環(huán)境； 同時采用集散型控制系統(tǒng)控制、顯示、管理熱工參數(shù)和工藝參數(shù), 充分發(fā)揮了該熱風沖天爐的技術(shù)經(jīng)濟效果。35 t/h 熱風沖天爐化鐵的關(guān)鍵部位是沖天爐爐體, 其形狀為直筒型。35 t/h沖天爐與爐前2臺80 t工頻保溫電爐直連雙聯(lián)熔煉，實現(xiàn)與兩條造型線良好配合，保證沖天爐連續(xù)熔煉，用于大批量連續(xù)生產(chǎn)HT250、HT300材質(zhì)的柴油發(fā)動機氣缸體、氣缸蓋等鑄件。

2　焦炭的影響

35 t/h沖天爐與普通沖天爐一樣存在三個主要的過程，即底焦燃燒、熱量傳遞，其中底焦燃燒是傳熱、傳質(zhì)、冶金反應(yīng)進行的基礎(chǔ)[1]。合適的層焦量補充底焦的燃燒。

2.1焦炭質(zhì)量

焦炭是沖天爐熔煉爐料基本的熱量來源，又是熱交換中最重要的供熱源。焦炭的成分、塊度、強度、反應(yīng)性和孔隙度的影響決定了沖天爐各項技術(shù)指標和鐵液質(zhì)量的好壞。因為焦炭是鐵液增碳的唯一來源，決定了鐵液質(zhì)量及溫度的穩(wěn)定性，因此，必須嚴格控制焦炭質(zhì)量。焦炭主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　焦炭技術(shù)要求

焦炭固定碳含量越高，阻礙燃燒反應(yīng)和影響鐵液吸熱的灰分就越少，發(fā)熱量就越大，因而有利于提高爐氣最高溫度，加強焦炭對鐵液的熱傳導(dǎo)，有利于鐵液過熱。采用固定碳高的焦炭，是提高鐵液溫度的一條重要途徑。同時焦炭要求具有高強度，防止下落過程中破碎。不能保證焦炭適中的塊度、較高的反應(yīng)能力和氣孔率，會降低爐氣溫度，不利于爐料預(yù)熱，鐵液溫度較低。

焦炭塊度過小，燃燒反應(yīng)加速，氧化帶縮短，還原帶擴大，加以此時氧化帶內(nèi)還原反應(yīng)發(fā)展較快，致使高溫區(qū)域短，爐氣最高溫度較低，預(yù)熱帶內(nèi)爐溫低，不利于爐料預(yù)熱。另外，小塊焦炭對送風阻力大，空氣難于深入爐中心，爐壁效應(yīng)加劇，特別是直筒型沖天爐更嚴重，對鐵液過熱不利，鐵液溫度較低，鐵液氧化嚴重，鐵液質(zhì)量差。同時，鐵液與焦炭的接觸面積增加，鐵液增碳大。焦炭塊度過大，燃燒速度慢，雖然還原反應(yīng)受到了一定的抑制，但燃燒反應(yīng)慢，燃燒高溫區(qū)域不集中，爐氣最高溫度低，也不利于鐵液的過熱。只有塊度適中的焦炭，燃燒速度適中，爐氣溫度較高，高溫區(qū)長，有利于鐵液的過熱。為保證焦炭塊度的適中，對不合格焦炭我們采用篩選機進行篩選，如圖1。

圖1　篩選機

2.2底焦層焦

底焦高度和吹爐控制關(guān)系到?jīng)_天爐能否正常出鐵及后續(xù)熔煉的穩(wěn)定。沖天爐底焦分為裝爐底焦和運行底焦，裝爐底焦不僅影響開爐初期熔化狀態(tài)，且影響沖天爐后續(xù)熔煉的穩(wěn)定。35 t/h沖天爐裝14～16批料滿爐，每批鐵料的質(zhì)量為3 500 kg，若裝爐底焦高度偏低或由于吹爐時間過長導(dǎo)致底焦匱乏，層焦量不足以補充底焦消耗，沖天爐運行半個小時后鐵液碳含量迅速下降，熱風溫度降低，需補充接力焦，此時的接力焦在一個小時后起作用，沖天爐開風熔化的前一個半小時為降低底焦燃燒速度需降低送風量，這期間熔化的鐵液溫度較低，硅錳的燒損嚴重，鐵液質(zhì)量較差。裝爐底焦高度嚴重不足時，導(dǎo)致鐵液氧化嚴重，鐵液流動性差，熔渣粘稠而堵塞過橋，打不開出鐵口等故障，惡化操作。如補充接力焦過多導(dǎo)致沖天爐后續(xù)的熔化過程中運行底焦過高，過熱區(qū)增大鐵液增碳高，鐵液碳含量過高,嚴重時超出工藝要求,影響正常生產(chǎn)。運行底焦的控制通過合適的層焦量保證，應(yīng)根據(jù)鐵液碳含量和溫度進行調(diào)整。

為保證35 t/h沖天爐的穩(wěn)定運行，需控制底焦質(zhì)量和底焦高度。

（1）底焦質(zhì)量

我公司35 t/h沖天爐不連續(xù)生產(chǎn)時，可每天開爐或隔幾天開爐，但爐膛中仍然留有燃燒的底焦，重新開爐前需先吹爐將乏焦燃盡，加入新焦炭吹至合適底焦高度，如裝新焦炭前吹爐時間過短，乏焦未燃盡，裝入新焦炭后測量底焦高度合格，但底焦乏焦過多發(fā)熱值低，開爐熔化后底焦的焦炭燃燒較快，層焦量不足以補充底焦的燃燒，運行底焦偏低，鐵液增碳低、溫度低。為保證底焦質(zhì)量，我們制定兩次吹爐工藝，第一次吹爐將乏焦燃盡，加入新焦炭后吹爐至合適底焦高度，保證底焦焦炭質(zhì)量。

（2）底焦高度

底焦高度的測量為測量3個點，取平均值作為底焦高度，底焦高度測量工具如圖2所示。底焦高度應(yīng)根據(jù)沖天爐熔煉條件控制，沖天爐大修開爐第一天底焦高度控制非常重要，關(guān)系著沖天爐能否正常出鐵，底焦高度比平常運行控制高0.3～0.4 m，正常熔化條件下根據(jù)停爐天數(shù)選擇不同的底焦高度。停爐時間越長，爐內(nèi)溫度越低，需較多的焦炭燃燒提高爐溫，應(yīng)適當提高底焦高度。不同的焦炭質(zhì)量底焦高度的控制亦不同，我公司所用三種固定碳含量不同的焦炭的底焦高度及層焦控制見表2。

圖2　底焦測量工具

底焦高度高于理論高度，在送風熔化時，底焦頂面的溫度沒有達到爐料的熔化溫度，金屬料必須待底焦燃燒下降至理論高度時才熔化，此時焦耗較多，熔化率較慢。另一方面，爐料得到充分預(yù)熱，鐵液溫度提高。

底焦高度低于理論高度，則熔化帶下移，金屬料可能進入風口區(qū)，此時，不僅鐵液溫度低，而且氧化嚴重，甚至使爐子不能正常運行。

表2　三種焦炭最佳底焦和層焦加入量

強化底焦燃燒和適當提高底焦高度是提高過熱效率的關(guān)鍵。當?shù)捉垢叨炔蛔銜r，采取降低送風量和引風，降低送風量為減弱底焦燃燒，使層焦盡快補足底焦，降低引風為減小熱風的引出，保證吹入爐內(nèi)的熱風溫度，提高爐溫，保證鐵液溫度，降低硅錳的燒損。

3　送風影響

3.1送風量

提高沖天爐的進風量，由于提高了進風速度和爐內(nèi)氣體的流動速度，增加了參與燃燒反應(yīng)的空氣量，因而會強化焦炭燃燒，擴大氧化帶及高溫區(qū)高度，提高爐氣最高溫度，從而有利于提高鐵液溫度。但是，送風量提高會提高燃燒速度，加快料層的下移速度，易造成爐料預(yù)熱不足，熔化區(qū)下移。過熱高度縮短，又不利于鐵液過熱。由此可見，沖天爐有一個合適風量，稱為最惠風量。圖3所示為35 t/ h沖天爐最惠風量網(wǎng)狀圖。

圖3　鐵焦比為7.8～7.9時35 t/h沖天爐風量控制圖

3.2風速

提高沖天爐進風速度，可清除焦炭表面阻礙燃燒反應(yīng)的灰渣，強化焦炭燃燒，提高爐氣最高溫度。高速空氣易深入爐子中心，可改善爐內(nèi)爐氣與溫度的分布，減少爐襯侵蝕，有利于鐵液溫度的提高。

我們根據(jù)35 t/h沖天爐焦炭調(diào)整風口比，裝入插入式風嘴，風嘴內(nèi)經(jīng)由φ152.4 mm調(diào)整為φ139.7 mm，風口比由2.45%調(diào)整為2.06%，如圖4，提高送風速度，從而提高出鐵溫度及增碳系數(shù)。

圖4　插入式風嘴

4　風溫的影響

高的熱風溫度是發(fā)揮熱風沖天爐技術(shù)經(jīng)濟效果、體現(xiàn)熱風沖天爐特點的主導(dǎo)因素[2]。提高送入爐內(nèi)空氣的溫度，由于增加了氧化帶的熱量來源，可強化焦炭燃燒，提高燃燒速度和爐氣最高溫度，同時也縮短氧化區(qū)域。預(yù)熱送風可提高爐子熔化率，降低元素燒損。

EC&S沖天爐控制界面如圖5所示，在電腦顯示屏觀察熱風溫度，當熱風溫度低于450 ℃時，需富氧或降低引風，提高熱風溫度。當熱風溫度過高時，儀器自動關(guān)閉燃燒室燒嘴并打開噴淋水嘴噴水，降低輸出的熱風溫度。35 t/h沖天爐熱風溫度控制在450～500 ℃。

圖5　EC&S沖天爐控制系統(tǒng)

為保證35 t/h沖天爐穩(wěn)定運行，優(yōu)化上述工藝參數(shù)的條件下，還應(yīng)制定合理的配料工藝。

5　結(jié)論

為提高35 t/h沖天爐熔煉的鐵液質(zhì)量，即保證鐵液溫度在1 500～1 550 ℃，鐵液化學成分穩(wěn)定，需嚴格控制各工藝參數(shù)，主要包括：

（1）35 t/h沖天爐熔煉需嚴格控制底焦質(zhì)量，包括底焦焦炭質(zhì)量、底焦高度、底焦吹爐工藝，根據(jù)沖天爐不同熔煉條件調(diào)整底焦，固定碳含量高的焦炭底焦高度控制低于固定碳含量低的焦炭。

（2）35 t/h沖天爐熔煉送風量和風速影響焦炭的燃燒，需選擇最惠風量及合適的風口比，根據(jù)最惠風量控制圖控制送風量。

（3）35 t/h沖天爐熱風溫度控制在450～500 ℃，有利于提高鐵液溫度及碳含量的穩(wěn)定性。

［1］ 張伯明，陸文華，孫國雄，等.鑄造手冊［M］. 北京：機械工業(yè)出版社，2010.11:676-678.

［2］ 牛樹軍，于林.沖天爐熔煉高溫優(yōu)質(zhì)鐵液的實踐［J］.一重技術(shù)，2007（1）：29-30.

［3］ 馬敬仲.鐵液溫度是生產(chǎn)高質(zhì)量鑄鐵件的基礎(chǔ)［J］.現(xiàn)代鑄鐵,2011:16-17.

［4］ 喬進國,李孝艷,王安家,莊肅棟.35t/h熱風水冷長爐齡沖天爐及其應(yīng)用［J］.中國鑄造裝備與技術(shù),2014（1）:28-29.

亞世科化學推出ECOCURE? BLUE技術(shù)

鑄造廠不斷努力的目標不僅是要降低鑄造工藝中的排放，同時還要優(yōu)化他們的附加價值。在維持或提高其性能的同時降低排放的一個重要手段便是冷芯盒粘合劑體系。亞世科化學新的ECOCURE?BLUE技術(shù)不僅能保證絕佳的性能，還為鑄造廠提供了重要的環(huán)境優(yōu)勢。

到目前為止，冷芯盒體系，包括ECOCURE? 高效或ECOCURE?無溶劑技術(shù)等先進的冷芯盒體系仍在安全資料表里被列為危險品?，F(xiàn)在，亞世科化學推出了ECOCURE? BLUE，世界上首例冷芯盒組份1中不包含任何包裝法規(guī)規(guī)定有害物質(zhì)的產(chǎn)品。因此，ECOCURE? BLUE必將為創(chuàng)建一個更加健康安全的工作環(huán)境作出巨大的貢獻。

在鑄造廠中，基本有兩個過程會導(dǎo)致排放。制芯工段的蒸發(fā)過程和澆鑄、冷卻和除芯時的分解過程。ECOCURE? BLUE的揮發(fā)性有機化合物含量非常低，根據(jù)歐洲標準甚至可被視為不含揮發(fā)性有機化合物。而且，新技術(shù)所含的游離酚和不可測的游離甲醛少于1%，是制芯工段排放量最低的冷芯盒體系。

在澆鑄、冷卻和落砂過程中，基本上有兩種排放：BTX和苯酚排放。BTX排放很可能是來自聚氨酯熱解，而不是粘合劑的溶劑。因此，要明顯降低BTX排放只能通過減少粘合劑的用量并提高其效率，ECOCURE?的原理便是如此。ECOCURE? BLUE游離苯酚含量低，因而可大大減少澆注過程中的苯酚排放。

“憑借其新的ECOCURE? Blue平臺，亞世科化學為未來幾年的冷芯盒技術(shù)領(lǐng)域帶來了一大進步，”亞世科化學首席業(yè)務(wù)拓展官員Phil Vernon說，“我們的研發(fā)團隊能配制出和我們知名的高效ECOCURE?粘合劑同樣性能卓越的冷芯盒粘合劑，同時大大減少其對環(huán)境的壓力?！保▉喪揽苹瘜W 供稿）

A study on smelting process optimization of 35 t/h cupola

YU ZiHai,LI XiaoYan,DU JiZhu,QIAO JinGuo
(Weichai Power Casting & Forging Co.,LTD., Weifang 261199,Shandong,China)

Study on the effect of coke quality , coke bed, coke charge, blast intensity ,wind velocity and air temperature on the 35 t/h long-campaign Cupola with hot-blast , water-cooling and oxygen-rich. The melting stability of 35 t/h cupola rised under the condition of optimum technological parameters by optimizing the process in recent years. The tapping temperature of iron can be control in 1 500～1 550 ℃ with stable composition under the condition of two shifts production for cupola.which could satisfy the iron qualities of HT250, HT300 to produce engine cylinder blocks and cylinder heads. And it is suitable for mass continuous production.

Quality Of Iron Composition;Temperature; Composition; Smelting Process

TG243+.1；

A；

1006-9658（2015）06-0050-04

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.06.014

2015-06-22

稿件編號:1506-976

于子海（1967—），男，技師，主要從事熔煉方面的工作.