富氧送風(fēng)對EC&S沖天爐熔煉工藝及鐵水性能的影響

孫 帆，李孝艷，喬進(jìn)國，劉曉斌

（濰柴動(dòng)力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 261199）

沖天爐進(jìn)行富氧送風(fēng)已經(jīng)有80年的歷史，但直到1960年隨著氧的價(jià)格降低，這一技術(shù)才得到了廣泛的應(yīng)用。隨后，關(guān)于富氧對沖天爐的影響及富氧技術(shù)的發(fā)展也有較多的研究和報(bào)道。本文結(jié)合我公司EC&S沖天爐富氧送風(fēng)的實(shí)際情況，詳細(xì)研究了富氧送風(fēng)對該型號沖天爐熔煉工藝及鐵水性能的影響。

1 EC&S沖天爐介紹

濰柴鑄鍛公司所使用的EC&S沖天爐為熱風(fēng)富氧式長爐齡沖天爐，熔化速率為35t/h，出鐵溫度在1500℃，爐料配比為70%廢鋼－20%回爐－10%生鐵及適量硅鐵和錳鐵，所產(chǎn)鐵水主要用于生產(chǎn)WP10/12系列柴油機(jī)的氣缸蓋、氣缸體和齒輪室等，鑄件材質(zhì)是HT250和HT300。

該沖天爐系統(tǒng)主要由主爐體、PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)、加料配料系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)等組成。其工作過程如下：通過PLC控制沖天爐其他各系統(tǒng)工作，通過加料配料系統(tǒng)向爐內(nèi)加入合適比例的鐵料、焦炭及其它輔料，點(diǎn)燃底焦并開始送風(fēng)熔化鐵水。同時(shí)運(yùn)行換熱系統(tǒng)，將沖天爐內(nèi)的爐氣進(jìn)行凈化后引入燃燒室，點(diǎn)燃爐氣，用此高溫氣體經(jīng)換熱器加熱空氣并將空氣送入沖天爐爐內(nèi)。沖天爐廢氣則通過尾氣處理系統(tǒng)進(jìn)行冷卻和除塵。

2 EC&S沖天爐富氧過程介紹

采用一臺離心式鼓風(fēng)機(jī)為沖天爐供應(yīng)冷空氣，最大空氣流量可達(dá)34000m3/h。冷空氣先被輸送到換熱器進(jìn)行加熱，換熱器的熱源來自燃燒室的高溫氣體。沖天爐內(nèi)的爐氣進(jìn)入燃燒室后，用預(yù)先安裝的燒嘴點(diǎn)燃，得到800～900℃的高溫氣體，隨后將此高溫氣體引入換熱器。冷空氣經(jīng)換熱器加熱至400～500℃后進(jìn)入風(fēng)箱，隨后通過六個(gè)環(huán)向均勻分布的風(fēng)嘴由不同方向吹入沖天爐燃燒區(qū)域。沖天爐所需氧氣直接送入到風(fēng)箱內(nèi)，與空氣擴(kuò)散混合后進(jìn)入爐內(nèi)，其流量由一個(gè)氧氣控制閥組合進(jìn)行調(diào)節(jié)。具體過程如圖1所示。

圖1 沖天爐富氧送風(fēng)示意圖（箭頭指向?yàn)闅怏w流動(dòng)方向）

3 沖天爐富氧技術(shù)介紹

沖天爐富氧技術(shù)由于增加了氣體中的氧含量，促進(jìn)了焦炭的燃燒，有利于創(chuàng)造更高的爐內(nèi)溫度，得到更高溫度的鐵水[1]。富氧方式主要由以下三種：擴(kuò)散富氧、風(fēng)嘴噴射富氧和爐缸噴射富氧[2]。

3.1 擴(kuò)散富氧

擴(kuò)散富氧又稱為鼓風(fēng)富氧，是將氧氣由供風(fēng)管道引入，直接進(jìn)入到風(fēng)箱內(nèi)，然后在風(fēng)箱內(nèi)與空氣混合均勻，經(jīng)風(fēng)嘴進(jìn)入到?jīng)_天爐內(nèi)部。優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，操作方便，經(jīng)濟(jì)性高，無需增加額外的裝置，同時(shí)可以有效改善熔化效果，我公司EC&S沖天爐即采用此種方式。其缺點(diǎn)是氧氣的利用率因鼓風(fēng)的作用而有所降低，在提高鐵水溫度、減少燒損等方面的作用要弱于噴射富氧。

3.2 風(fēng)嘴噴射富氧

風(fēng)嘴噴射富氧采用氧槍將氧氣從風(fēng)嘴噴入沖天爐內(nèi)的方法，根據(jù)氧槍的不同又可以分為亞音速氧槍和超音速氧槍。采用風(fēng)嘴噴射富氧，尤其是使用超音速氧槍時(shí)，氧氣的噴射速率較高，穿透力強(qiáng)且分布均勻，適合爐徑較大的沖天爐使用。氧氣的高穿透力有助于沖天爐中心區(qū)域的金屬熔化，并且可以降低爐殼的熱量損失，大大提高了沖天爐的操控性能和熔化率，并對鐵水成分的均一性帶來直接好處。其缺點(diǎn)是設(shè)備成本較高，每個(gè)風(fēng)嘴都需要安裝氧槍及氧氣流量控制裝置，其安裝和日常維護(hù)費(fèi)用均較高[3]。

3.3 爐缸噴射富氧

爐缸噴射富氧與風(fēng)嘴噴射富氧類似，其不同點(diǎn)僅是氧槍的安裝位置。采用該方法時(shí)，在風(fēng)嘴以下一定距離的爐缸上開設(shè)噴口并安裝氧槍，向風(fēng)嘴以下爐缸區(qū)的焦炭噴射氧氣。爐缸區(qū)的焦炭受到富氧的作用燃燒加劇，提高了該區(qū)域的溫度，因此可以有效提高鐵水溫度。

該方法促進(jìn)熔化的效果要弱于風(fēng)嘴噴射富氧，目前是實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的較少。

4 富氧量對EC&S沖天爐熔煉工藝的影響

4.1 富氧量對送風(fēng)量的影響

富氧送風(fēng)由于提高了空氣中O2的比例，因此可以強(qiáng)化焦炭的燃燒，提高爐氣溫度[4]。在保持熔化速率、鐵料和焦炭比不變的情況下，可以根據(jù)富氧量適當(dāng)減少送風(fēng)量。由空氣中的O2比例為21%可以估算，富氧量每增加1%，送風(fēng)量可以減少4.5%～3.5%。實(shí)際生產(chǎn)中，富氧量對EC&S沖天爐送風(fēng)量的影響如表1所示。

表1 富氧量對送風(fēng)量的影響

4.2 富氧量對熔化速率的影響

在沖天爐送風(fēng)量為28000m3/h時(shí)，研究富氧量對熔化速率的影響，如圖2所示。

由圖2可見，富氧量對EC&S沖天爐的熔化速率有較大影響。不進(jìn)行富氧操作時(shí)，EC&S沖天爐熔化速率在31.5t/h，隨著富氧量增加，熔化速率有明顯提高，在富氧量為3%時(shí)，熔化速率可達(dá)36.5t/h，提高了16%。富氧可以促進(jìn)焦炭的燃燒，提高焦炭的利用效率，因此對熔化效率的影響非常明顯[5]。再繼續(xù)提高富氧量至4%，熔化效率為36.8t/h，略有提高。但是考慮到富氧的成本，此時(shí)為追求熔化效率而提高富氧量是不經(jīng)濟(jì)的，因此實(shí)際生產(chǎn)過程中，富氧量一般控制在3%以下。

圖2 富氧量對熔化速率的影響

圖3 富氧量對開爐初期熱風(fēng)溫度的影響

4.3 富氧量對熱風(fēng)溫度的影響

研究了不同富氧量時(shí)，EC&S沖天爐熱風(fēng)溫度在開爐初期的變化情況，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，EC&S沖天爐開爐初期熱風(fēng)溫度均低于300℃。這是由于沖天爐停止運(yùn)行一段時(shí)間再次開爐，其爐殼溫度、爐內(nèi)氣體溫度、燃燒室內(nèi)溫度和換熱器的溫度均會(huì)有一定程度的下降，導(dǎo)致初期的熱風(fēng)溫度較低。隨著沖天爐運(yùn)行時(shí)間的延長，無論是否進(jìn)行富氧操作，熱風(fēng)溫度均呈現(xiàn)上升的趨勢。

富氧量對熱風(fēng)溫度的變化速率及最高風(fēng)溫有顯著影響。實(shí)際生產(chǎn)過程中，EC&S沖天爐的熱風(fēng)溫度應(yīng)控制在400～500℃ ，如能在450～500℃ 則更為理想。不進(jìn)行富氧操作時(shí)，熱風(fēng)溫度在開爐初期升高較為緩慢，需120min左右達(dá)到400℃ ，最高風(fēng)溫可達(dá)425℃。對EC&S沖天爐進(jìn)行富氧操作，熱風(fēng)溫度升高的速率及最高風(fēng)溫均有明顯提高。當(dāng)富氧量達(dá)到4%時(shí)，僅40min后熱風(fēng)溫度就可達(dá)到400℃，且最高風(fēng)溫在480℃，較不富氧時(shí)提高了13%。因此為盡快使熱風(fēng)溫度達(dá)到理想值，開爐初期進(jìn)行富氧是很有必要的，同時(shí)為保證熱風(fēng)溫度在更理想的范圍內(nèi)，熔化過程中也可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行一定量的富氧。

4.4 富氧量對鐵焦比的影響

由于EC&S沖天爐開爐階段與正常熔化階段爐況相差較大，實(shí)際生產(chǎn)過程中為降低開爐階段的鐵水中碳含量，通常降低補(bǔ)充層焦的加入量，因此兩個(gè)階段鐵焦比差距較大?？刂艵C&S沖天爐送風(fēng)量為28000m3/h，分別研究開爐1小時(shí)內(nèi)和正常熔化階段的鐵焦比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 富氧量對鐵焦比的影響

由圖4可知，開爐階段與正常熔化階段的鐵焦比隨著富氧量的增加，鐵焦比均有一定程度的提高，說明富氧對降低焦耗有作用。但是鐵焦比分別只提高了6%和7%，相對于富氧的成本，這個(gè)提高幅度是不能令人滿意的，同時(shí)，鐵水中的碳、硅、錳等元素會(huì)隨著焦耗的降低而加劇燒損，因此，通過富氧來降低焦耗是不夠經(jīng)濟(jì)的。

5 富氧對鐵水成分和溫度的影響

5.1 富氧對鐵水增碳的影響

在沖天爐熔煉過程中，鐵水中的碳的變化分為兩個(gè)過程，一是鐵水流經(jīng)焦炭表面，自由碳向鐵水中滲入并溶解，使得鐵水中碳含量增加，二是鐵水的碳與爐氣和爐渣等發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致鐵水中碳含量降低。鐵水和焦炭接觸的界面越大,接觸的時(shí)間越長,焦炭的表面反應(yīng)性越好，鐵液在爐膛中碳的氧化燒損越小，增碳就越多。爐內(nèi)溫度升高，對增碳有雙重影響，現(xiàn)在普遍認(rèn)為，爐內(nèi)溫度的升高最終會(huì)是鐵水中碳含量升高。

在熔化過程中富氧，一方面可以使得焦炭燃燒更劇烈，增加焦炭的表面反應(yīng)性，并且使得爐溫升高，但富氧會(huì)使?fàn)t氣中氧氣含量增加，加劇碳的氧化。

在EC&S沖天爐送風(fēng)量為28000m3/h～30000 m3/h條件下，保持鐵料和焦炭配比相同，研究了不同富氧量從開爐到正常熔化階段對鐵水增碳的影響，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見，在開爐初期，不論是否進(jìn)行富氧，鐵水中的碳含量均在3.4%以上。這是因?yàn)殚_爐初期爐缸內(nèi)會(huì)儲存一定量，這部分鐵水與爐缸接觸時(shí)間較長，因此吸收了較多的碳。

圖5 富氧量對鐵水碳含量的影響

此時(shí)影響鐵水增碳的主要因素是鐵水與底焦接觸的時(shí)間長短及底焦本身的狀況，富氧對鐵水增碳的影響并不明顯。

隨著熔化時(shí)間的延長，富氧對鐵水增碳的影響逐漸顯現(xiàn)。開爐1小后，采用富氧操作的鐵水碳含量要高于不富氧的。當(dāng)富氧量為4%時(shí)，鐵水碳含量在3.30%～3.35%之間，不富氧時(shí)，鐵水碳含量在3.15%～3.20%之間，此時(shí)富氧量對鐵水增碳的影響較為顯著。在富氧4%的條件下，鐵水碳含量可以增加0.15%～0.20%。

5.2 富氧量對硅含量的影響

在沖天爐熔煉過程中，鐵水中的硅會(huì)同時(shí)發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)。理論上講，爐氣中O2和CO2含量越高，氧化作用越強(qiáng)，硅的燒損會(huì)越嚴(yán)重，鐵水中最終的硅含量會(huì)降低。爐溫對硅的燒損也有重要的影響，爐溫越高，硅的燒損會(huì)減弱，導(dǎo)致鐵水中最終的硅含量會(huì)升高。同時(shí)，SiO2會(huì)被鐵水中的碳還原，爐溫升高以及爐內(nèi)還原氣氛增強(qiáng)會(huì)促進(jìn)SiO2的還原反應(yīng)。鐵水中最終的硅含量是多個(gè)因素綜合影響的結(jié)果。

在EC&S沖天爐送風(fēng)量為28000m3/h～32000 m3/h的條件下，保持鐵料和焦炭配比相同，研究了富氧量從開爐到正常熔化階段對鐵水硅含量的影響，結(jié)果如圖5所示。

由圖6可知，開爐前20分鐘內(nèi)，在不同富氧量情況下鐵水硅含量均在1.8%左右，說明此時(shí)硅的氧化作用較弱，這是因?yàn)殚_爐階段爐氣中CO含量更高，而O2和CO2含量較低，同時(shí)開爐階段底焦較高，爐內(nèi)還原帶距離較長，SiO2的還原反應(yīng)也對鐵水最終的硅含量有較大的影響，而開爐階段的富氧對硅含量的影響不明顯。

圖6 富氧量對鐵水硅含量的影響

隨著熔化時(shí)間的延長，鐵水中的硅含量呈現(xiàn)下降的趨勢，而不同的富氧量對最終的硅含量影響較大。鐵水中的硅含量呈現(xiàn)下降趨勢是因?yàn)闋t氣中CO含量隨著熔化的進(jìn)行逐漸減少，而O2和CO2含量逐漸升高，這加劇了硅的氧化趨勢，導(dǎo)致硅含量降低。此時(shí)增加富氧量會(huì)提高鐵水中的硅含量，因?yàn)楦谎醣M管會(huì)導(dǎo)致風(fēng)口區(qū)的硅加劇氧化，但是富氧對熱風(fēng)溫度的影響十分顯著，增加富氧量可以迅速提高爐溫，而硅的各個(gè)氧化反應(yīng)都是放熱反應(yīng)，會(huì)隨著爐溫的升高而減弱，因此增加富氧量可以減少硅的燒損，提高鐵水中的硅含量。

硅含量會(huì)在熔化過程中出現(xiàn)一個(gè)“波谷”，隨后逐漸上升并趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)?，在?shí)際生產(chǎn)過程中，為保證鐵水中的碳含量的穩(wěn)定，在開爐階段會(huì)加大送風(fēng)量，這會(huì)導(dǎo)致底焦損耗較為嚴(yán)重，使得還原帶距離變短，硅的還原反應(yīng)減弱，加上O2和CO2的氧化作用，硅含量會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較低的階段。之后隨著底焦高度的調(diào)整，爐溫的穩(wěn)定，硅的氧化和還原反應(yīng)趨于平衡，硅含量也逐漸穩(wěn)定。由圖6可知，在EC&S沖天爐熔化狀況穩(wěn)定后，富氧量為3%～4%時(shí)，鐵水中的硅含量比不富氧時(shí)可以提高0.1%，同樣在硅含量處于“波谷”時(shí)，采取富氧送風(fēng)操作也可以使其顯著提高，有利于獲得成分更穩(wěn)定的鐵水，減小波動(dòng)性。

5.3 富氧量對出鐵溫度的影響

沖天爐出鐵溫度的高低主要取決于過熱帶的溫度。沖天爐采取富氧時(shí)，在4%富氧條件下，焦炭燃燒產(chǎn)物的溫度會(huì)由2400℃提高到2800℃，并使?fàn)t氣的最高溫度由1750℃提高到2050℃，從而提高了過熱帶溫度，最終提高了出鐵溫度。

對EC&S沖天爐進(jìn)行富氧送風(fēng)可以顯著提高鐵水溫度，保持其它熔化條件不變，在富氧3%～4%情況下，出鐵溫度可以提高30～50℃。因此當(dāng)沖天爐由于風(fēng)焦配合不當(dāng)或中途停風(fēng)再啟動(dòng)等原因造成出鐵溫度偏低時(shí)，可以采取富氧送風(fēng)及時(shí)提高出鐵溫度。

6 總結(jié)

（1）EC&S沖天爐采用離心式鼓風(fēng)機(jī)供風(fēng)，空氣經(jīng)換熱器加熱后進(jìn)入沖天爐，采用擴(kuò)散富氧技術(shù)以改進(jìn)熔化效果。

（2）研究了富氧量對EC&S沖天爐熔煉工藝的影響，結(jié)果表明，對EC&S沖天爐進(jìn)行富氧送風(fēng)可以減少送風(fēng)量，提高熔化速率和熱風(fēng)溫度，并減少焦炭消耗。

（3）研究了富氧量對鐵水成分和出鐵溫度的影響，結(jié)果表明，在正常熔化階段富氧3%～4%時(shí)可以使鐵水增碳0.15%～0.20%，減少硅燒損0.1%，并提高出鐵溫度30～50℃。