天然氣熔鐵爐的結(jié)構(gòu)與熔化原理

張明，王錄才，吉守勤

（1.威?？婆d鑄造機(jī)械有限公司，山東威海264200；2.太原科技大學(xué)，山西太原030024；3.太原鋼城企業(yè)有限公司，山西太原030003）

天然氣熔鐵爐的結(jié)構(gòu)與熔化原理

張明1，王錄才2，吉守勤3

（1.威海科興鑄造機(jī)械有限公司，山東威海264200；2.太原科技大學(xué)，山西太原030024；3.太原鋼城企業(yè)有限公司，山西太原030003）

主要介紹了天然氣沖天爐、天然氣純氧回轉(zhuǎn)化鐵爐的結(jié)構(gòu)和熔化原理。天然氣沖天爐與電爐雙聯(lián)，不僅可以保證沖天爐的鐵液成分，而且可以提高熔化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，雙聯(lián)電爐屬于天然氣沖天爐的必須配置。天然氣純氧燃燒回轉(zhuǎn)化鐵爐，有優(yōu)異環(huán)保性能，該爐的尾氣中幾乎不含氮氧化合物和二氧化硫。

天然氣沖天爐；天然氣純氧回轉(zhuǎn)化鐵爐；鑄鐵熔化；鑄造

本文擬介紹天然氣沖天爐、天然氣純氧回轉(zhuǎn)化鐵爐的結(jié)構(gòu)和熔化原理。

1　天然氣沖天爐

天然氣沖天爐在歐盟一些國家被稱為無焦沖天爐。之所以有此稱謂，是因?yàn)樘烊粴鉀_天爐是在汽油、丙烷、丁烷等液態(tài)或氣態(tài)燃料的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來的［1］。目前世界范圍內(nèi)使用的天然氣沖天爐，除了廣泛應(yīng)用的Taft爐外，還有使用范圍很小的Flaven爐。由于Flaven爐的技術(shù)資料，目前僅限于國外有關(guān)公司的宣傳材料，尚未發(fā)現(xiàn)用戶使用該爐的有關(guān)報(bào)道，本文僅介紹Taft爐的結(jié)構(gòu)與熔化原理。

1.1天然氣沖天爐熔化系統(tǒng)

由天然氣沖天爐組成的熔化系統(tǒng)，一般包括鼓風(fēng)機(jī)、液氧站、天然氣沖天爐測(cè)控系統(tǒng)、電磁配鐵秤、鐵料翻斗、加料機(jī)、天然氣沖天爐、回轉(zhuǎn)前爐、雙聯(lián)感應(yīng)電爐、冷卻水系統(tǒng)、爐氣除塵系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

在圖1所示的天然氣沖天爐熔化系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)采用了羅茨風(fēng)機(jī)，加料采用了爬式加料機(jī)，沖天爐為水冷長(zhǎng)爐齡沖天爐，雙聯(lián)電爐為無芯感應(yīng)電爐，爐氣除塵采用了濕法火花捕集器。天然氣沖天爐熔化系統(tǒng)，也可以采用其他形式的鼓風(fēng)機(jī)、加料機(jī)、雙聯(lián)電爐、爐氣除塵設(shè)備。

天然氣沖天爐的爐料、熔化狀態(tài)，甚至包括尾氣成分，與燃焦沖天爐有一定區(qū)別，因此鼓風(fēng)機(jī)、加料機(jī)、爐氣除塵等配套設(shè)備的選用，有一定特殊要求或需要。例如，爐料中存在的耐火球，在爐內(nèi)傾斜的料面上滾動(dòng)，造成不均勻分布，很容易導(dǎo)致爐況不順，因此對(duì)加料機(jī)有特殊要求；水冷爐柵之間的縫隙可能被爐渣阻塞，導(dǎo)致送風(fēng)壓力驟然升高，對(duì)鼓風(fēng)機(jī)有一定要求；天然氣沖天爐的尾氣中含有大量的水蒸氣，尾氣管道內(nèi)在冬季容易結(jié)露，等等。另外，用于大批量連續(xù)生產(chǎn)的天然氣沖天爐，爐后加料部分需要考慮耐火球的定量或計(jì)量設(shè)備。

天然氣沖天爐的爐料中不存在焦炭，該爐的有效高度總是低于燃焦沖天爐。因此，將原有的燃焦沖天爐改造為天然氣沖天爐，將涉及降低爐身高度帶來的一系列問題，例如原有的加料平臺(tái)、原有的加料機(jī)，等等。一般來說，改建不如新建經(jīng)濟(jì)。

1.2燒嘴段與燒嘴

天然氣沖天爐的結(jié)構(gòu)類同于燃焦沖天爐，兩者均包括預(yù)熱段、熔化段、爐缸等部分，區(qū)別在于預(yù)熱段以下部分，即熔化段和爐缸。在天然氣沖天爐中，一般將熔化段與爐缸合稱為燒嘴段。燒嘴段一般包含爐壁與爐襯、水冷爐柵、天然氣燒嘴、爐缸、出鐵槽等等。圖2為某水冷長(zhǎng)爐齡天然氣沖天爐的燒嘴段，該結(jié)構(gòu)適合于大批量自動(dòng)化流水線生產(chǎn)的鑄造廠使用。如果不需要天然氣沖天爐長(zhǎng)期連續(xù)熔化，爐壁可以不采用水冷結(jié)構(gòu)。

相對(duì)于其他天然氣工業(yè)爐窯，天然氣沖天爐所用燒嘴的火焰長(zhǎng)度很短，一般為600 mm左右。目前全世界尚無通用的適合于沖天爐的天然氣燒嘴，因此研發(fā)燒嘴是研發(fā)天然氣沖天爐的第一任務(wù)。

圖1　天然氣沖天爐與電爐雙聯(lián)熔化系統(tǒng)展平圖

圖2　某天然氣沖天爐的燒嘴段

我國曾有多人試驗(yàn)將蓄熱式燒嘴用于天然氣沖天爐，希望達(dá)到節(jié)省能源的目的，但試驗(yàn)均以不成功告終。天然氣沖天爐的尾氣中含塵量高，不利于蓄熱式換熱器以及閥門的長(zhǎng)期可靠工作，是導(dǎo)致試驗(yàn)不成功的重要原因之一。

1.3水冷爐柵與其它

水冷爐柵是現(xiàn)代天然氣沖天爐一個(gè)重要標(biāo)志性結(jié)構(gòu)，是天然氣沖天爐的關(guān)鍵部件。水冷爐柵在爐內(nèi)惡劣的環(huán)境中，支撐著堆積于其上的各種爐料，將爐膛分隔為上下兩個(gè)部分，爐柵以下的空腔相當(dāng)于一般工業(yè)爐窯存在的燃燒室。如果天然氣沖天爐不存在或者缺失了水冷爐柵，則爐膛中爐料的堆積狀態(tài)無異于燃焦沖天爐，爐缸中、燒嘴前因不存在空腔，天然氣燒嘴無法正常點(diǎn)火。

歐盟一些國家曾研究過氣焦混合燃料沖天爐，并將其稱之為附加天然氣的沖天爐。氣焦混合燃料沖天爐不需要設(shè)置水冷爐柵，熔化期間爐缸中充滿焦炭（底焦），以焦炭為主、輔之以天然氣化鐵。由于該爐的天然氣可以利用爐內(nèi)的紅熱焦炭點(diǎn)燃，不存在天然氣燒嘴的電點(diǎn)火、火焰檢測(cè)等問題，同時(shí)由于焦炭的原因，無法計(jì)算天然氣燃燒所需要的空氣量，因此該爐的天然氣燒嘴不需配置計(jì)量?jī)x器或儀表。該爐除了幾個(gè)天然氣燒嘴和簡(jiǎn)單的天然氣閥門和儀表外，仍屬于燃焦沖天爐。

1.4流體流量測(cè)控單元

天然氣沖天爐的流體流量測(cè)控單元的作用在于對(duì)天然氣、空氣、氧氣等流體的流量進(jìn)行測(cè)量和調(diào)節(jié)。在天然氣沖天爐中，如果空氣（氧氣）過量，極易導(dǎo)致鐵液的明顯氧化，爐溫降低；如果空氣不足，不僅會(huì)導(dǎo)致天然氣燃燒不完全、燃料浪費(fèi)，而且會(huì)因?yàn)槎趸己退魵庠诟邷厝毖醐h(huán)境中轉(zhuǎn)化為一氧化碳和氫氣導(dǎo)致爐溫降低。如果空氣嚴(yán)重不足，尾氣中大量的一氧化碳和氫氣會(huì)在沖天爐加料口或者爐頂遇到空氣發(fā)生燃爆。因此，天然氣沖天爐需要精準(zhǔn)、可靠的天然氣、空氣、氧氣等流體流量和測(cè)控單元。

天然氣沖天爐的流體流量測(cè)控單元，首先用計(jì)量?jī)x表準(zhǔn)確測(cè)量和采集管道中有關(guān)流體的流量，同時(shí)按照燃燒學(xué)和冶金學(xué)的基本規(guī)律，對(duì)各種流體的流量進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，并通過閥門進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。天然氣沖天爐的流體計(jì)量?jī)x表有的采用流量孔板，有的采用商品化的流量計(jì)。天然氣沖天爐中幾種流體的調(diào)節(jié)方式，國內(nèi)外普遍采用數(shù)值調(diào)節(jié)法，即控制系統(tǒng)根據(jù)有關(guān)流體流量的設(shè)定值，通過計(jì)算調(diào)節(jié)有關(guān)閥門的開度，用數(shù)值控制各種流體的流量和配比。例如，在觸摸屏（PMI）上設(shè)定天然氣的流量，控制系統(tǒng)可以自動(dòng)計(jì)算出空氣和氧氣的流量，并自動(dòng)控制和修正閥門的開度。

但是，目前也有一些簡(jiǎn)易的天然氣試驗(yàn)沖天爐，利用比例閥對(duì)空氣和天然氣的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。比例閥造價(jià)低，控制精度低，該閥適合于普通工業(yè)爐窯，不適合于必須精準(zhǔn)控制有關(guān)流體流量的沖天爐。

1.5熔化原理與雙聯(lián)電爐

圖3為一臺(tái)正在熔化中的天然氣沖天爐，常用于該爐熔化原理的描述。在該爐中，水冷爐柵上總存在著450 mm～600 mm厚度的耐火球?qū)?，耐火球的作用相?dāng)于燃焦沖天爐中的底焦。固態(tài)金屬爐料在耐火球?qū)右陨先蹫橐簯B(tài)，鐵液滴在重力的作用下，沿著耐火球之間曲折的空隙落到爐底，通過出鐵口排出爐外。熔化期間產(chǎn)生的爐渣，也穿過耐火球?qū)勇涞綘t底，通過出鐵口排出爐外。

水冷爐柵上的耐火球?qū)拥暮穸仍酱?，鐵液溫度越高、熔化率越小，因此調(diào)節(jié)耐火球?qū)拥暮穸?，可以控制鐵液溫度和熔化率。由于耐火球在熔化過程中直徑會(huì)逐步變小，耐火球?qū)拥暮穸葧?huì)相應(yīng)變小，因此天然氣沖天爐在加入金屬爐料時(shí)，需要同時(shí)補(bǔ)充一定量的耐火球。耐火球的添加量應(yīng)等于熔化期間的消耗量，否則爐內(nèi)耐火球?qū)雍穸鹊淖兓瘜?dǎo)致鐵液溫度和熔化率的波動(dòng)。

國內(nèi)外大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，天然氣沖天爐中碳元素?zé)龘p的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.5%.因此即便鐵液溫度滿足鑄件的澆注溫度，鐵液的化學(xué)成分總是難以滿足一般鑄件的要求。國內(nèi)外曾有人在天然氣沖天爐的爐缸中、出鐵槽中加入增碳劑，希望提高鐵液中的含碳量，但因增碳效果不佳和其他原因逐步放棄了所做的有關(guān)努力。1980年代，德毓克公司（Duker）在使用從英國引進(jìn)的Taft沖天爐的過程中，首先將一臺(tái)有芯工頻感應(yīng)電爐與天然氣沖天爐雙聯(lián)（如圖3），解決了天然氣沖天爐的鐵液成分控制問題，為天然氣沖天爐的推廣應(yīng)用做出了重要的貢獻(xiàn)。

圖3　天然氣沖天爐

天然氣沖天爐與電爐雙聯(lián)，除了圖3中所示的直接雙聯(lián)使用工頻電爐外，也可以像圖1那樣，間接雙聯(lián)使用中頻感應(yīng)電爐。天然氣沖天爐與電爐雙聯(lián)，不僅可以保證沖天爐的鐵液成分，而且可以提高熔化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，雙聯(lián)電爐屬于天然氣沖天爐的必須配置。

2　回轉(zhuǎn)化鐵爐

回轉(zhuǎn)爐是在反射爐的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種熔化爐，有很悠久的歷史。該爐不僅可以熔化鑄鐵，而且可以熔化有色合金甚至鑄鋼。本文主要介紹當(dāng)前世界流行的、有優(yōu)異環(huán)保性能的天然氣純氧燃燒回轉(zhuǎn)化鐵爐，該爐的尾氣中幾乎不含氮氧化合物（NOX）和二氧化硫。

2.1回轉(zhuǎn)化鐵爐熔化系統(tǒng)

回轉(zhuǎn)化鐵爐組成的熔化系統(tǒng)包括回轉(zhuǎn)化鐵爐、加料系統(tǒng)、燒嘴冷卻水系統(tǒng)、液氧站、天然氣供應(yīng)系統(tǒng)、燃燒控制單元、固定和移動(dòng)煙囪等部分。圖4為某3 t回轉(zhuǎn)化鐵爐熔化系統(tǒng)展平圖，其中的天然氣供應(yīng)系統(tǒng)為液化天然氣站，加料系統(tǒng)由廠房?jī)?nèi)的吊車、吊桶、加料平臺(tái)和液壓溜槽組成。圖4所示的加料方式，需要廠房有較高的凈空；如果廠房?jī)?nèi)凈空無法滿足需要，一般采用鱗板或掛板輸送機(jī)。如果當(dāng)?shù)卮嬖诠艿捞烊粴?，則該爐不需要配置液化天然氣站。

圖4　某3 t/h天然氣純氧回轉(zhuǎn)化鐵爐熔化系統(tǒng)展平圖

上述熔化系統(tǒng)中的液氧站，一般可以通過租賃取得，氧氣供應(yīng)商一般根據(jù)用戶的氧氣消耗量確定液氧站的月租金，一般在2000元/月～5000元/月之間。天然氣供應(yīng)系統(tǒng)一般由天然氣供應(yīng)商提供，一般不收取用戶的設(shè)備租金。因此，天然氣回轉(zhuǎn)化鐵爐的建造費(fèi)用，大大低于同等容量的感應(yīng)電爐。

回轉(zhuǎn)化鐵爐由爐體與爐襯、托輥與回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)架與傾轉(zhuǎn)液壓缸、固定機(jī)架、爐蓋與轉(zhuǎn)臂、天然氣純氧燒嘴等幾部分組成，如圖5所示。

2.2爐體的結(jié)構(gòu)形式

回轉(zhuǎn)爐的爐體一般由尾氣孔錐段、中段、爐襯、燒嘴孔錐段等幾部分組成。一般情況下，尾氣孔的直徑總是大于燒嘴孔，因此加料設(shè)備一般布置在尾氣孔端，爐料通過尾氣孔加入爐內(nèi)。為了方便修砌新爐襯或者拆除殘舊爐襯，尾氣孔錐段、中段、燒嘴孔錐段等三部分一般用法蘭聯(lián)結(jié)為一體。圖6為常見的幾種爐體結(jié)構(gòu)形式。

（a）爐體不設(shè)置專門的出鐵口，鐵液和爐渣液通過尾氣孔或燒嘴孔排出爐外，結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，但出鐵時(shí)爐渣會(huì)隨鐵液進(jìn)入澆包，無撇渣性。

（b）出鐵口（包括備用出鐵口）設(shè)置在尾氣孔端，出鐵后利用尾氣孔傾出爐內(nèi)殘存的渣液，因尾氣孔口徑大，排渣方便。但出鐵口設(shè)置在尾氣孔錐段，不利于在尾氣孔端布置加料設(shè)備，因此這種結(jié)構(gòu)的爐體極為少見。

（c）出鐵口設(shè)置在燒嘴孔端（如圖7），該結(jié)構(gòu)最為普遍，有利于在尾氣端布置加料設(shè)備，但由于燒嘴孔直徑較小，出鐵后排出爐內(nèi)渣液不夠順暢。

（d）出鐵口設(shè)置在爐體中段（見圖8），該結(jié)構(gòu)的爐體目前已很少使用。

圖5　回轉(zhuǎn)化鐵爐

2.3爐體的傾轉(zhuǎn)方式

回轉(zhuǎn)化鐵爐除了爐體繞其軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)外，還包括為了滿足加料、傾出渣液、修爐等要求，爐體軸線的傾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。爐體的傾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)雖可采用多種方式，但液壓缸更為常見。

圖9用結(jié)構(gòu)完全相同的一個(gè)爐體，表示了用液壓缸實(shí)現(xiàn)爐體傾轉(zhuǎn)的三種方式，各自的特點(diǎn)和應(yīng)用狀況如下：

圖6　爐體結(jié)構(gòu)形式

圖7　出鐵口設(shè)置在燒嘴孔端

圖8　出鐵口設(shè)置在爐體中段

圖9　爐體傾轉(zhuǎn)的三種方式

（a）用設(shè)置在爐體之下的一個(gè)軸線鉛垂的液壓缸傾轉(zhuǎn)爐體。該結(jié)構(gòu)有利于維修人員容易接近爐體，便于爐體的維護(hù)；出鐵口可以設(shè)置在爐體中段的側(cè)面、也可以設(shè)置在爐體端面的圓錐體上。但是液壓缸所需的地坑的深度較大，基礎(chǔ)建造成本較高，同時(shí)可能涉及地下水對(duì)地坑的影響問題。同時(shí)，液壓缸行程大，因傾轉(zhuǎn)軸距爐體重心的距離較大，液壓缸壓力高，液壓站的造價(jià)高、動(dòng)力消耗大。

（b）用設(shè)置在爐體之下、軸線水平的液壓缸傾轉(zhuǎn)爐體，優(yōu)缺點(diǎn)相似于結(jié)構(gòu)（a）。因造價(jià)和動(dòng)力消耗的原因，在爐體之下設(shè)置鉛垂或水平油缸的爐體傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，目前已經(jīng)很少能夠看到。

（c）用設(shè)置在爐體兩側(cè)的兩個(gè)液壓缸傾轉(zhuǎn)爐體，不需要過深的地坑，同時(shí)因?yàn)閮A轉(zhuǎn)軸距爐體重心近，傾轉(zhuǎn)力矩小，液壓缸和液壓站的制造成本低，動(dòng)力消耗低。但該結(jié)構(gòu)限制了出鐵口的開設(shè)位置，出鐵口只能開設(shè)在爐體兩端。目前看到的爐體傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，大多采用了這種形式。

2.4爐體的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)

爐體回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)單元包括電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、托輥、電氣控制部分等。爐體通過四個(gè)支持爐體的托輥安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)架之上，托輥中包含著軸承，電動(dòng)機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)與托輥相連、驅(qū)動(dòng)爐體回轉(zhuǎn)。爐體的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以以快、慢兩種速度，正、逆兩個(gè)方向，可以按手動(dòng)、暫停、或者用時(shí)間程序自動(dòng)控制。2.5流體的流量測(cè)控單元

回轉(zhuǎn)化鐵爐的所謂流體包括天然氣和氧氣兩種，這兩種流體的流量比需要遵從燃燒學(xué)的有關(guān)規(guī)則。氧氣過量將導(dǎo)致鐵液氧化，氧氣不足將導(dǎo)致燃料浪費(fèi)。準(zhǔn)確調(diào)節(jié)天然氣和氧氣的流量比（氧燃比），首先需要對(duì)兩種流體進(jìn)行精確計(jì)量。

圖10為國外某3 t回轉(zhuǎn)化鐵爐的流體測(cè)量控制單元，包括流量表、流量調(diào)節(jié)閥、管道和其他儀器儀表、電氣調(diào)節(jié)控制部分等。

2.6熔化過程和鐵液過熱

圖10　流體流量測(cè)控單元

回轉(zhuǎn)化鐵爐的熔化過程包括爐料熔化、成分均勻化、鐵液過熱等三個(gè)階段，現(xiàn)分別說明如下：

（1）爐料熔化階段。爐料在回轉(zhuǎn)爐內(nèi)首先由固態(tài)變?yōu)橘|(zhì)地柔軟的塑性狀態(tài)。爐料加入爐內(nèi)后，為了保護(hù)爐襯，爐體首先進(jìn)行間歇性、雙向緩慢回轉(zhuǎn)，在機(jī)械力和熱的作用下，大塊的金屬爐料逐步分解為小料塊。當(dāng)爐內(nèi)溫度上升到金屬熔點(diǎn)時(shí)，通過爐體的單向連續(xù)回轉(zhuǎn)，提高爐體與爐料之間的傳熱效果。

圖11　鐵液過熱原理

（2）成分均勻化階段。熔化階段形成的FeO和造渣材料（砂和石灰石），首先形成爐渣，對(duì)金屬液起覆蓋和保護(hù)作用。爐料由塑性狀態(tài)變?yōu)橐后w，合金元素開始溶入鐵液，增碳劑中的碳開始溶解進(jìn)入鐵液。在此階段，爐體繼續(xù)單向回轉(zhuǎn)，促進(jìn)了鐵液成分的均勻化，碳、硅、錳等元素迅速溶入鐵液。

（3）鐵液過熱階段。熔化的鐵液過熱到出鐵溫度，碳完全溶于鐵液。爐渣和未溶解的增碳劑覆蓋鐵液，鐵液利用爐襯傳導(dǎo)的熱量被過熱，達(dá)到出鐵溫度。

圖11表示了回轉(zhuǎn)爐中鐵液過熱的原理。與其他工業(yè)爐窯一樣，爐頂爐襯的溫度最高、爐襯積蓄的熱量最多。爐體在回轉(zhuǎn)過程中，不斷將頂部爐襯所積蓄的熱量帶入鐵液，達(dá)到鐵液過熱的目的。

［1］Taft R T，Perkins H R.八十年代前的無焦沖天爐［J］.孟繁玉，編譯.鑄造設(shè)備與工藝，1991（01）：54-58.

［2］張明，武戰(zhàn)軍，寶林，吉守勤，梁潤(rùn)波，安軍.10 t/h長(zhǎng)爐齡燃?xì)鉀_天爐及其運(yùn)行數(shù)據(jù)［J］.鑄造，2014（09）：894-899.

［3］周繼揚(yáng).國外沖天爐技術(shù)［M］.大連：大連理工學(xué)院，2009.

［4］張明，吉守勤，王錄才.天然氣熔鐵爐的歷史與現(xiàn)狀［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2016（03）：1-4.

TG232

A

1674-6694（2016）04-0001-06

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.04.001

2016-03-27

張明（1958-），男，陜西華縣人，高級(jí)工程師，主要從事沖天爐技術(shù)的研究。