中國(guó)現(xiàn)代水冷沖天爐40年

張 明，郜業(yè)磊

（1.威海科興鑄造機(jī)械有限公司，山東 威海 264202；玫德集團(tuán)有限公司，山東 平陰 250400）

現(xiàn)代水冷長(zhǎng)爐齡沖天爐指我國(guó)1980年以后引進(jìn)、發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)沖天爐，適合于大批大量連續(xù)生產(chǎn)的鑄造廠使用，在中國(guó)已有長(zhǎng)達(dá)40年的應(yīng)用歷史。該爐的特征為：存在水冷風(fēng)口、水冷爐壁、完善的環(huán)保系統(tǒng)、微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等，爐齡至少在一周以上。中國(guó)現(xiàn)代水冷沖天爐技術(shù)，源于20 世紀(jì)80年代初開(kāi)始一直到2014年約40年間從國(guó)外引進(jìn)的十余臺(tái)套外熱風(fēng)水冷沖天爐。本文扼要介紹了包括外熱風(fēng)水冷爐、冷風(fēng)水冷爐在內(nèi)的現(xiàn)代水冷長(zhǎng)爐齡沖天爐在我國(guó)的發(fā)展，不涉及簡(jiǎn)易水冷沖天爐（例如水套冷卻的沖天爐）和回收廢舊金屬的水冷爐。

在對(duì)外技術(shù)交流中，國(guó)內(nèi)所稱的外熱風(fēng)水冷長(zhǎng)爐齡沖天爐，外國(guó)人未必理解。美國(guó)人將外熱風(fēng)水冷長(zhǎng)爐齡沖天爐稱之為“再生式熱風(fēng)長(zhǎng)爐齡沖天爐（Recuperatiee hot blast long campaign cupola）”，其中的“再生（Recuperatiee）”即回收尾氣中余熱的意思。美國(guó)人所稱的“外燃式預(yù)熱風(fēng)沖天爐（Externally fired preheated blast cupola）”，指不利用爐氣的余熱、用其他燃料加熱空氣的熱風(fēng)沖天爐。

1 外熱風(fēng)水冷爐的引進(jìn)和仿制

中國(guó)從20 世紀(jì)80年代開(kāi)始，關(guān)注工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的現(xiàn)代沖天爐，相繼引進(jìn)了多臺(tái)套爐外熱風(fēng)水冷長(zhǎng)爐齡沖天爐，開(kāi)啟了中國(guó)沖天爐的新時(shí)代?，F(xiàn)對(duì)該類(lèi)沖天爐的引進(jìn)及國(guó)內(nèi)仿制的情況按回收熱風(fēng)與除塵的先后順序分兩類(lèi)介紹。

1.1 先回收熱風(fēng)后干法除塵系統(tǒng)及其仿制

據(jù)筆者不完全統(tǒng)計(jì)，1980年代初至2014年期間，我國(guó)先后引進(jìn)過(guò)9 臺(tái)套先燃燒尾氣回收熱風(fēng)然后除塵的外熱風(fēng)水冷爐熔化系統(tǒng)，引進(jìn)單位包括長(zhǎng)春一汽、天津第三鑄造廠、天津內(nèi)燃機(jī)廠、濰坊柴油機(jī)廠、新興鑄管集團(tuán)、重慶某鑄鍛公司等。

1983年，長(zhǎng)春第一汽車(chē)制造廠用40 萬(wàn)美元從日本東棉公司引進(jìn)了全部軟件和少量關(guān)鍵零部件，建造了包含尾氣除塵及微機(jī)控制系統(tǒng)在內(nèi)的20 t/h外熱風(fēng)水冷沖天爐熔化系統(tǒng)（見(jiàn)圖1），于1984年投入使用[1]。該爐最先用于可鍛鑄鐵汽車(chē)后橋的生產(chǎn)，后改為球墨鑄鐵的熔煉。該爐是中國(guó)改革開(kāi)放后，從國(guó)外引進(jìn)的第一臺(tái)套爐外熱風(fēng)水冷長(zhǎng)爐齡沖天爐。

圖1 20 t/h 外熱風(fēng)水冷沖天爐熔化系統(tǒng)

一汽引進(jìn)技術(shù)建造的該熔化系統(tǒng)的特點(diǎn)為：首先通過(guò)尾氣燃燒和熱交換獲得熱風(fēng)，然后對(duì)尾氣進(jìn)行冷卻、利用袋式除塵器去除其中的煙塵后再排放，這是一個(gè)有技術(shù)代表性的沖天爐熔化系統(tǒng)。龔乃俊1994年對(duì)該爐的結(jié)構(gòu)和使用情況做過(guò)詳細(xì)的介紹[2]。此后，天津第三鑄造廠、天津內(nèi)燃機(jī)廠、小松（常州）鑄造有限公司、濰坊柴油機(jī)廠、新興鑄管等工廠先后引進(jìn)的外熱風(fēng)水冷爐均屬先回收熱風(fēng)后干法除塵的類(lèi)型。

1987年，天津第三鑄造廠從日本引進(jìn)了一臺(tái)套5 t/h 熱風(fēng)水冷沖天爐[3]，熱風(fēng)溫度可達(dá)500 ℃，鐵液出爐溫度1500℃以上，硅、錳燒損降低5%～10%，爐渣氧化鐵含量在1%以下，粉塵排放濃度低于10mg/m3.該爐其后由天津拆移至新興鑄管公司所屬河北井陘鑄管廠。

1993年底，天津內(nèi)燃機(jī)廠對(duì)該廠的熔化工部進(jìn)行了改造，引進(jìn)了日本太陽(yáng)鑄機(jī)公司的4 t/h 熱風(fēng)水冷沖天爐及脫硫裝置的技術(shù)和部分設(shè)備[4]。另外，日資企業(yè)小松（常州）鑄造有限公司，1995年在江蘇常州建造了一臺(tái)套7 t/h 熱風(fēng)水冷長(zhǎng)爐齡沖天爐。

1991年9 月，濰坊柴油機(jī)廠利用奧地利斯太爾公司設(shè)備整體出售的機(jī)會(huì)，引進(jìn)了一臺(tái)原產(chǎn)德國(guó)KGT 公司的二手10 t/h～14 t/h/外熱風(fēng)水冷沖天爐熔化系統(tǒng)（見(jiàn)圖2），經(jīng)過(guò)為期三年的設(shè)備拆除、運(yùn)輸和重新安裝，于1994年12 月通過(guò)了國(guó)家驗(yàn)收[5，6]。2004年《中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)》介紹了該廠對(duì)這臺(tái)沖天爐所進(jìn)行的技術(shù)改造及使用效果[7]。

圖2 濰坊柴油機(jī)廠1992年進(jìn)口的10 t/h～14 t/h 外熱風(fēng)水冷長(zhǎng)爐齡沖天爐熔化系統(tǒng)

2007年，濰坊柴油機(jī)股份有限公司為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的鑄造，投資1.4 億人民幣從美國(guó)某公司引進(jìn)了35 t/h 熱風(fēng)水冷沖天爐，與從德國(guó)某公司引口的80 t 保溫電爐組成雙聯(lián)熔煉系統(tǒng)[8]。

據(jù)2001年《鑄造》雜志，新興鑄管集團(tuán)公司和中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院合作，對(duì)該公司已有的14 t/h 爐外熱風(fēng)水冷沖天爐進(jìn)行了改造，改造后的沖天爐一次爐役壽命可達(dá)30～40 天[9]。據(jù)我國(guó)著名鑄造專(zhuān)家張伯明介紹，該爐的設(shè)計(jì)制造商為德國(guó)GHW 公司，是一臺(tái)進(jìn)口的二手沖天爐。

2014年，濰坊柴油機(jī)廠以7 千萬(wàn)人民幣從德國(guó)科特納（Küttner）公司引進(jìn)了35 t/h 熱風(fēng)水冷沖天爐，與從美國(guó)某公司引進(jìn)的80 t 保溫電爐組成雙聯(lián)熔煉系統(tǒng)[10]。

2014年，長(zhǎng)春一汽鑄造有限公司鑄造二廠從德國(guó)科特納公司引進(jìn)了25 t/h 爐外熱風(fēng)水冷沖天爐[11]。2014年，重慶某鑄鍛公司也從德國(guó)科特納公司引進(jìn)了一臺(tái)套40 t/h 熱風(fēng)水冷沖天爐成套設(shè)備，但據(jù)說(shuō)該爐建成后至今從未使用過(guò)。

差不多40年來(lái)，來(lái)自國(guó)外的這九臺(tái)套外熱風(fēng)水冷爐裝備了有關(guān)鑄造廠，同時(shí)為國(guó)內(nèi)研究和學(xué)習(xí)現(xiàn)代沖天爐提供了機(jī)會(huì)。自2005年后至今約15年，國(guó)內(nèi)有好幾個(gè)工廠、科研單位或者沖天爐供應(yīng)商曾模仿國(guó)外技術(shù)，設(shè)計(jì)制造過(guò)該類(lèi)沖天爐。據(jù)筆者所知，其中熔化率最小的為5 t/h，最大的為25 t/h.遺憾的是，這些項(xiàng)目基本上未見(jiàn)之于公開(kāi)報(bào)道。據(jù)筆者所知，建造過(guò)國(guó)產(chǎn)外熱風(fēng)水冷爐的單位及其所建爐的熔化率為：河北燕通鑄管（即后來(lái)的新大通）在1996年前后自主建造過(guò)一臺(tái)套15 t/h 爐，河北定州東方鑄造有限公司2007年開(kāi)始建造10 t/h 爐[12]，上海申通管道公司2007年開(kāi)始建造15 t/h 爐，安徽天長(zhǎng)缸蓋鑄造公司2013年開(kāi)始建造12 t/h 爐，濟(jì)南玫德集團(tuán)2015年和2016年投資1800 萬(wàn)元建成10 t/h 和15 t/h 爐各一臺(tái)套[13]，青島海奧斯2018年建成6 t/h 爐，山西晉城鑫環(huán)球鑄造公司2018年建成25 t/h 爐，濟(jì)南玫德集團(tuán)2020年建成10 t/h 爐。由于對(duì)有關(guān)技術(shù)未做透徹研究且缺乏合作，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)建造的數(shù)臺(tái)套該類(lèi)沖天爐大多運(yùn)行情況不佳，不是這里出問(wèn)題，就是那里有毛病，甚至有幾個(gè)項(xiàng)目建成數(shù)年至今無(wú)法正常運(yùn)行。

1.2 先濕法除塵后回收熱風(fēng)

圖3 濰柴2014年引進(jìn)的35 t/h 外熱風(fēng)水冷沖天爐熔化系統(tǒng)示意圖

1982年，朱振華介紹了聯(lián)邦德國(guó)冶金設(shè)備公司（GHW）的水冷熱風(fēng)沖天爐[14]。1983年，《現(xiàn)代鑄鐵》報(bào)道了GHW 公司在上海進(jìn)行沖天爐技術(shù)交流的消息[15]。1987年，《冶金設(shè)備》刊登的“介紹一種化鐵爐新型加料吊車(chē)[16]”一文，透露了上海冶金設(shè)計(jì)研究院與GHW 公司合作，為上海第三鋼鐵廠設(shè)計(jì)70 t/h的全廢鋼外熱風(fēng)水冷沖天爐的消息。1989年，陸幼遜介紹了上海第三鋼鐵廠轉(zhuǎn)爐煉鋼廠正在安裝中的70 t/h 熱風(fēng)水冷沖天爐的系統(tǒng)組成、有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)[17]。圖4 為該外熱風(fēng)水冷沖天爐熔化系統(tǒng)示意圖，其特點(diǎn)為：首先對(duì)沖天爐的尾氣進(jìn)行濕法除塵，然后使?fàn)t氣燃燒，通過(guò)室式換熱器回收尾氣中的熱能獲得熱風(fēng)。

圖4 70 t/h 熱風(fēng)水冷沖天爐熔化系統(tǒng)

上海第三鋼鐵廠引進(jìn)該爐的目的在于用該爐熔化廢鋼、供轉(zhuǎn)爐煉鋼。據(jù)我國(guó)著名鑄造專(zhuān)家龔出群介紹，該爐建成后開(kāi)第一爐因所用焦炭質(zhì)量品質(zhì)較差發(fā)生嚴(yán)重故障，此后一直閑置直至拆除。

1988年，長(zhǎng)沙重型機(jī)器廠幾乎與上海第三鋼鐵廠同時(shí)從德國(guó)KGT 公司引進(jìn)過(guò)一臺(tái)套先濕法除塵后回收熱風(fēng)的5 t/h 熱風(fēng)水冷爐，該爐于1989年5月試爐[18，19]。

2001年華東泰克西汽車(chē)鑄造有限公司，從德國(guó)GHW 公司引進(jìn)了一套（雙爐體）16 t/h 爐外熱風(fēng)水冷沖天爐[20，21]。據(jù)說(shuō)該爐也屬于進(jìn)口二手設(shè)備，一直使用到了2019年，現(xiàn)已被拆除[22]。

2008年太原鋼鐵公司投資12 億人民幣，從德國(guó)科特納公司進(jìn)口了一臺(tái)套（三個(gè)爐體）40 t/h 爐外熱風(fēng)水冷沖天爐成套設(shè)備，用于回收該公司煉鋼所產(chǎn)生的渣鐵和除塵灰中的鐵。

先濕法除塵再回收熱風(fēng)的此類(lèi)外熱風(fēng)水冷爐，至今尚未發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)有仿制者。

2 冷風(fēng)水冷長(zhǎng)爐齡沖天爐

我國(guó)從未引進(jìn)過(guò)冷風(fēng)水冷長(zhǎng)爐齡沖天爐，但我國(guó)自2000年左右至今20 發(fā)展起來(lái)的冷風(fēng)水冷爐，均源于對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家外熱風(fēng)沖天爐的學(xué)習(xí)或者模仿。

1999年《鑄造》刊登了“15 t/h 大雙水冷無(wú)爐襯冷風(fēng)沖天爐的應(yīng)用[23]”一文，介紹了江陰市鑄造設(shè)備廠為文登曲軸廠設(shè)計(jì)建造的冷風(fēng)水冷沖天爐，該爐采用兩排水冷風(fēng)口，水冷風(fēng)口為雙腔式（見(jiàn)圖5）.按照可以搜尋到的歷史文獻(xiàn)論，這是我國(guó)第一臺(tái)套冷風(fēng)水冷沖天爐。江陰市鑄造設(shè)備廠在2000年為山東華源萊動(dòng)內(nèi)燃機(jī)公司建造了一臺(tái)套10 t/h 水冷沖天爐[24]，其技術(shù)特征相同于此前為文登曲軸廠所建的水冷爐。

圖5 文登曲軸廠15 t/h 大雙冷風(fēng)水冷沖天爐結(jié)構(gòu)示意圖

據(jù)《鑄造》雜志，威?？婆d鑄造機(jī)械有限公司2001年初，將中外合資遼寧撫順高周波鑄造有限公司的一臺(tái)普通3 t/h 沖天爐，改造成為冷風(fēng)、薄爐襯、插入式水冷風(fēng)口長(zhǎng)爐齡沖天爐，爐齡可達(dá)一周[25]。這是迄今為止，已知的熔化率最小的冷風(fēng)水冷長(zhǎng)爐齡沖天爐。據(jù)《鑄造技術(shù)》，2003年科興公司為撫順高周波公司又建造了一臺(tái)6 t/h 爐頂熱風(fēng)水冷長(zhǎng)爐齡沖天爐，熱風(fēng)溫度385 ℃～430 ℃，鐵液溫度穩(wěn)定在1 500 ℃～1 550 ℃之間，鐵液成分穩(wěn)定、金屬元素?zé)龘p低，鐵焦比7.8，每日24 h 連續(xù)熔化、爐齡可達(dá)15 日[26]?？婆d公司為韓資企業(yè)秦皇島LG 鑄造有限公司新建10 t/h 冷風(fēng)水冷長(zhǎng)爐齡沖天爐，并將其爐襯費(fèi)用與普通沖天爐的爐襯費(fèi)用做了對(duì)比，說(shuō)明了水冷長(zhǎng)爐齡沖天爐在噸鐵爐襯費(fèi)用方面的優(yōu)越性[27]。科興公司2006年為河北新大通管業(yè)有限公司建成過(guò)一臺(tái)8 t/h 爐頂熱風(fēng)水冷沖天爐[28]。

圖6 撫順高周波公司3 t/h 冷風(fēng)水冷爐

2005年，上海柴油機(jī)股份有限公司介紹了該公司15 t/h 冷風(fēng)水冷的改造經(jīng)驗(yàn)，包括水冷風(fēng)口漏水、水冷爐壁粘附等[29]。該文記錄了我國(guó)水冷爐技術(shù)發(fā)展期間的種種窘境。

據(jù)2018年7 月中鑄協(xié)在煙臺(tái)召開(kāi)的“節(jié)能環(huán)保型沖天爐鑄鐵熔煉經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)”期間的消息，江陰市鑄造設(shè)備廠有限公司在2018年初，為吉林鋼鐵有限公司某下屬工廠建成過(guò)一臺(tái)套35 t/h 冷風(fēng)水冷沖天爐。

國(guó)產(chǎn)的冷風(fēng)水冷爐在國(guó)內(nèi)曾有不俗的建造業(yè)績(jī)。據(jù)筆者所知，大連企榮離心鑄管、長(zhǎng)春一汽一鑄、撫順特鋼、朝陽(yáng)柴油機(jī)廠、重慶慶鈴、天津新偉祥、天津?qū)毨?、天津展億、天津百里富、云南內(nèi)燃機(jī)、江淮汽車(chē)、無(wú)錫諾龍公司、山西華翔同創(chuàng)、河北新大通管業(yè)、玫德集團(tuán)等等鑄造企業(yè)均建造過(guò)冷風(fēng)水冷爐，但這些項(xiàng)目未見(jiàn)之于公開(kāi)報(bào)道。

3 國(guó)產(chǎn)水冷爐的技術(shù)問(wèn)題

客觀地說(shuō)，我國(guó)水冷長(zhǎng)爐齡沖天爐的技術(shù)目前仍不夠成熟，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的沖天爐供應(yīng)商，設(shè)計(jì)和制造該類(lèi)沖天爐尚缺乏經(jīng)驗(yàn)。存在的技術(shù)問(wèn)題包括：爐體結(jié)構(gòu)尺寸不夠合理；除塵系統(tǒng)引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量過(guò)大而風(fēng)壓過(guò)??；熱風(fēng)換熱器質(zhì)量不過(guò)關(guān)，壽命長(zhǎng)的不到6 個(gè)月，短的不到1 個(gè)月；水冷風(fēng)口的可靠性不足、頻繁漏水；水冷爐壁嚴(yán)重粘附（俗稱爐壁掛鐵）。我國(guó)水冷長(zhǎng)爐齡沖天爐的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，今后需要特別注意的問(wèn)題有以下兩個(gè)方面。

3.1 爐膛直徑和爐缸深度必須合適

水冷沖天爐不同于普通爐襯沖天爐，是一種爐膛直徑不變、熔化率相對(duì)固定、不適合調(diào)節(jié)風(fēng)量、更不適合頻繁停風(fēng)、適合于鑄造生產(chǎn)流水線使用的熔化爐。所有的水冷沖天爐項(xiàng)目是否能夠成功，最要緊的是確定爐膛直徑、確定沖天爐的熔化率。目前許多人仍頑固地牢記著1950年代蘇聯(lián)人在鑄造車(chē)間設(shè)計(jì)中規(guī)定的教條：熔化工部的鐵液產(chǎn)能必須大于澆注工部所需。必須認(rèn)識(shí)到，蘇聯(lián)人當(dāng)年規(guī)定的教條適合于普通沖天爐和手工造型車(chē)間，不適合于流水線生產(chǎn)的現(xiàn)代鑄造車(chē)間。筆者分析研究過(guò)國(guó)內(nèi)數(shù)個(gè)失敗的水冷爐項(xiàng)目，其失敗的根本原因并非在于沖天爐設(shè)備系統(tǒng)，而是項(xiàng)目設(shè)定的沖天爐熔化率超出了生產(chǎn)線的鐵液澆注需要，頻繁停風(fēng)導(dǎo)致水冷爐壁嚴(yán)重粘附（俗稱掛鐵），建成的水冷爐無(wú)法正常使用，項(xiàng)目雙方最后往往以官司收?qǐng)觥?/p>

另外一個(gè)常被忽視的問(wèn)題是，一些設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)水冷爐時(shí)，不加分析地套用了歐美沖天爐的爐缸尺寸，導(dǎo)致鐵液過(guò)度增碳、碳含量超出鑄件要求。應(yīng)該知道，歐美沖天爐的金屬爐料以廢鋼為主，因此需要較深的爐缸。

筆者2017年到2018年期間，曾受中鑄協(xié)有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)的委托，專(zhuān)程去過(guò)安徽天長(zhǎng)缸蓋廠好多次，實(shí)地考察該廠建成后一直不能正常使用的12 t/h 外熱風(fēng)水冷爐。該爐無(wú)法正常使用的重要原因，首先在于該廠造型生產(chǎn)線的鐵液澆注量甚至不到10 t/h，但該爐的名義熔化率為12 t/h，由于爐膛直徑設(shè)計(jì)偏大、熔化率實(shí)際為14 t/h，即熔化率偏大澆注需要量40%；同時(shí)由于爐缸深度過(guò)大（1 308 mm）、鐵液增碳過(guò)多，出爐鐵液需要在電爐中添加一定廢鋼、降低含碳量后才能澆注，爐膛直徑嚴(yán)重偏大和電爐中所加廢鋼兩方面的原因，導(dǎo)致該爐在約50%的工作時(shí)間中處于停風(fēng)狀態(tài)。這是該爐建成至今一直無(wú)法正常工作的根本原因。

很多水冷沖天爐項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)均可以證明：確定水冷沖天爐的熔化率時(shí)，一定要有熔化和澆注兩工部平衡生產(chǎn)的觀念，水冷爐的熔化率一定不能大于澆注的所需量。另外，確定爐缸深度一定要分析鑄造廠的爐料配比和鑄件所要求的鐵液含碳量。

3.2 水冷爐的三個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)

水冷沖天爐的關(guān)鍵技術(shù)包括爐體設(shè)計(jì)制造、插入式水冷風(fēng)口、尾氣燃燒室（器）的設(shè)計(jì)、熱風(fēng)換熱器的設(shè)計(jì)制造、除塵系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等，現(xiàn)就其中三個(gè)相對(duì)突出的問(wèn)題扼要說(shuō)明如下。

3.2.1 插入式水冷風(fēng)口

目前國(guó)內(nèi)水冷爐的插入式水冷風(fēng)口包括雙腔式風(fēng)口、貫流式風(fēng)口和金屬管纏繞式三種結(jié)構(gòu)形式，均為焊接結(jié)構(gòu)，鑄造工藝制作的單腔式水冷風(fēng)口已經(jīng)很少見(jiàn)到。在目前的插入式水冷風(fēng)口中，威?？婆d公司的貫流式水冷風(fēng)口，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，應(yīng)用歷史最長(zhǎng)，可靠性最高、服役壽命最長(zhǎng)，壽命一般不低于5 000 h.

威?？婆d公司的貫流式水冷風(fēng)口，有一系列完整的研制和應(yīng)用報(bào)告。例如早在1999年，他們即開(kāi)始了沖天爐水冷風(fēng)口的研究，對(duì)其結(jié)構(gòu)、冷卻原理、所用材料、制造與使用等問(wèn)題做過(guò)深入探討，并首先提出了沖天爐貫流式風(fēng)口的技術(shù)概念[30]。2005年，有人介紹過(guò)貫流式水冷風(fēng)口及其使用保護(hù)問(wèn)題[31]。2016年，李春澍、裴學(xué)東、張浩等人介紹過(guò)貫流式水冷風(fēng)口的使用經(jīng)驗(yàn)[32]。2007年，針對(duì)循環(huán)冷卻水的水質(zhì)和水溫控制直接影響水冷風(fēng)口壽命的問(wèn)題，有人總結(jié)研究過(guò)水冷爐的冷卻水系統(tǒng)，對(duì)冷卻水的水質(zhì)、冷卻水系統(tǒng)的構(gòu)成要素和水溫控制提出了明確的技術(shù)要求[33]。圖7 為常見(jiàn)的兩種安裝形式的貫流式水冷風(fēng)口。

圖7 沖天爐貫流式冷風(fēng)口

2008年，濰坊動(dòng)力有限公司從美國(guó)引進(jìn)的35 t/h爐外熱風(fēng)沖天爐采用了螺旋纏繞式水冷風(fēng)口，如圖8 所示。濟(jì)南玫德集團(tuán)于2015年研制并試用了這種水冷風(fēng)口。2018年，晉城鑫環(huán)球鑄造有限公司的25 t/h 外熱風(fēng)水冷爐也使用了該種風(fēng)口。螺旋纏繞式水冷風(fēng)口結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，是一種值得關(guān)注的水冷風(fēng)口。需要注意的是，該風(fēng)口的冷卻水需要較高的供水壓力。

圖8 螺旋纏繞式水冷風(fēng)口

3.2.2 爐氣燃燒室

外熱風(fēng)水冷爐的爐氣燃燒器（室）結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，因此常被大家所忽視。目前已有國(guó)產(chǎn)外熱風(fēng)水冷爐的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)證明，有關(guān)廠商目前尚未掌握燃燒器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。美國(guó)《沖天爐手冊(cè)》第四章“污染控制設(shè)備[34]”對(duì)爐氣燃燒室的直徑和高度（長(zhǎng)度）兩個(gè)主要參數(shù)有一定要求，現(xiàn)摘譯如下供有關(guān)技術(shù)工作者參考。

燃燒室的直徑：應(yīng)滿足氣體流速較低，當(dāng)氣體流速在8 m/s～12 m/s 之間時(shí)，火焰?zhèn)鞑ズ屯耆紵蛇_(dá)到最佳狀態(tài)。

燃燒室的高度（或長(zhǎng)度）：燃燒室內(nèi)溫度處于理想范圍時(shí)，一氧化碳燃燒的保持時(shí)間至少要確保其完全燃燒，如果保持時(shí)間不足，會(huì)導(dǎo)致剩余一氧化碳濃度高，并可能發(fā)生不穩(wěn)定燃燒；要求最小燃燒保持時(shí)間會(huì)受到混合效率、氣體流速以及其他變量的影響，但通常認(rèn)為一氧化碳的燃燒保持時(shí)間達(dá)到0.6 s～1.0 s 就已足夠。

除了直徑和高度外，美國(guó)《沖天爐手冊(cè)》中對(duì)爐氣燃燒室的設(shè)計(jì)還有其他要求，如果工作需要可進(jìn)一步閱讀該手冊(cè)。筆者發(fā)現(xiàn)，如果燃燒室的直徑偏小或者高度不足、尾氣中的一氧化碳未在燃燒室內(nèi)完全燃燒，則必定在熱風(fēng)換熱器的入口處燃燒，導(dǎo)致?lián)Q熱器入口處的金屬材料或者有關(guān)焊縫損毀。也就是說(shuō)，燃燒室的設(shè)計(jì)直接影響熱風(fēng)換熱器的壽命。

3.2.3 熱風(fēng)換熱器

目前國(guó)產(chǎn)的外熱風(fēng)水冷爐的熱風(fēng)換熱器，質(zhì)量尚不過(guò)關(guān)，是外熱風(fēng)水冷爐的一塊“短板”。我國(guó)先后從國(guó)外引進(jìn)的九臺(tái)套外熱風(fēng)水冷爐，其熱風(fēng)換熱器大概有5 種結(jié)構(gòu)形式，如果剔除其中的陶瓷粒子換熱器，則有4 種。

1）艾夏式熱風(fēng)換熱器

這是目前國(guó)產(chǎn)的外熱風(fēng)沖天爐最常采用的熱風(fēng)換熱器（見(jiàn)圖9），該換熱器從軸線向外共三個(gè)結(jié)構(gòu)層次，分別為扁管、內(nèi)筒和外筒。艾夏換熱器體積小、結(jié)構(gòu)精巧、單位換熱面積的熱交換量大、鋼耗量低，是一種優(yōu)秀的氣—?dú)鉄峤粨Q器。進(jìn)口沖天爐配置的這種換熱器，壽命在8～10年之間。這種換熱器的結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜，制作的工藝難度大。

圖9 艾夏換熱器

國(guó)產(chǎn)的外熱風(fēng)水冷爐的熱風(fēng)換熱器，以艾夏式最為常見(jiàn)。與圖9 所示的換熱器相比，國(guó)內(nèi)仿制的艾夏換熱器大多屬于該換熱器的簡(jiǎn)化版，只有扁管和外筒兩個(gè)結(jié)構(gòu)層次。國(guó)產(chǎn)艾夏式換熱器的設(shè)計(jì)和制作質(zhì)量均不能滿足要求，好的用半年，差的不到半個(gè)月。

筆者曾經(jīng)做過(guò)一臺(tái)高度9 m 左右的6 t/h 沖天爐的簡(jiǎn)略型艾夏換熱器，當(dāng)時(shí)希望制造廠在筒體處于豎直狀態(tài)下將扁管焊接于筒體之上，但制造廠的廠房高度無(wú)法滿足筆者的希望。國(guó)內(nèi)有關(guān)加工能力的限制，也是國(guó)產(chǎn)的該換熱器表現(xiàn)不佳的重要原因。

2）U 形管式熱風(fēng)換熱器

這種換熱器常見(jiàn)于先濕法除塵后回收熱風(fēng)的水冷爐系統(tǒng)（見(jiàn)圖10），每根換熱管的形狀像英文字母U（也有的形狀像V），筆者因此將該換熱器稱作U 形管式換熱器?？諝鈴母G室頂部進(jìn)入換熱器，經(jīng)過(guò)U 形不銹鋼金屬管后熱風(fēng)回到窯室頂部。U 形管在結(jié)構(gòu)上的彈性，使其不需設(shè)置補(bǔ)償熱膨脹的彈性元件，因此結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。另外從窯室的頂部拆裝U型管組，非常方便。筆者曾在2018年走訪過(guò)使用該換熱器的鎮(zhèn)江華西泰克西鑄造公司，據(jù)該廠熔化車(chē)間主任反映，該換熱器自2001年安裝至當(dāng)時(shí)，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)任何故障。有些國(guó)產(chǎn)的巖棉沖天爐使用過(guò)這種換熱器，但用于鑄造的國(guó)產(chǎn)沖天爐尚未見(jiàn)過(guò)該換熱器。

圖10 U（V）形管式換熱器

3）水平管束換熱器

該換熱器最先見(jiàn)之于濰坊柴油機(jī)廠從德國(guó)科特納公司進(jìn)口的35 t/h 外熱風(fēng)水冷爐（見(jiàn)圖11），據(jù)說(shuō)一汽第二鑄造廠進(jìn)口的25 t/h 沖天爐也是這種換熱器。圖11 所示結(jié)構(gòu)將熱風(fēng)換熱器、爐氣冷卻器、清灰鐵丸的回收和輸送系統(tǒng)集合為一體，美國(guó)《沖天爐手冊(cè)》中將這種組合稱作“換熱塔”。這是一種工作原理先進(jìn)、結(jié)構(gòu)巧妙的換熱器，國(guó)內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)仿制者。

圖11 水平管束換熱器

4）豎管束式換熱器

圖12 為新興鑄管集團(tuán)公司從國(guó)外引進(jìn)的14 t/h外熱風(fēng)沖天爐所用熱風(fēng)換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖示的該換熱器中，煙氣流經(jīng)管外，空氣流經(jīng)管內(nèi)[35]。

圖12 豎直管束換熱器

玫德集團(tuán)公司最先建造的國(guó)產(chǎn)外熱風(fēng)水冷爐，采用的艾夏式換熱器因壽命太短，后改用了豎管束式換熱器。和圖12 不同的是，玫德的該換熱器，爐氣流經(jīng)管內(nèi)、空氣流經(jīng)管外。玫德集團(tuán)公司目前的三臺(tái)套外熱風(fēng)水冷爐，全部使用這種熱風(fēng)換熱器。該換熱器由青島某換熱器的專(zhuān)業(yè)公司設(shè)計(jì)制造，玫德公司基本滿意其使用效果。

玫德公司在熱風(fēng)換熱器方面的經(jīng)歷說(shuō)明，沖天爐的國(guó)產(chǎn)熱風(fēng)換熱器，應(yīng)交由換熱器方面的專(zhuān)業(yè)公司設(shè)計(jì)制造。我國(guó)沖天爐供貨商應(yīng)摒棄“吃獨(dú)食”、不合作的小農(nóng)意識(shí)，注意技術(shù)合作、取長(zhǎng)補(bǔ)短，為我國(guó)外熱風(fēng)沖天爐的技術(shù)進(jìn)步共同努力。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)自1980年代引進(jìn)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的外熱風(fēng)水冷長(zhǎng)爐齡沖天爐至今已有約40年的歷史，水冷長(zhǎng)爐齡沖天爐曾經(jīng)是我國(guó)絕大多數(shù)大批大量連續(xù)生產(chǎn)的大型鑄鐵廠的主要熔化設(shè)備。我國(guó)現(xiàn)為全世界最大的鑄件生產(chǎn)國(guó)，水冷長(zhǎng)爐齡沖天爐在大幅度提高我國(guó)鑄鐵的產(chǎn)量和質(zhì)量中所發(fā)揮的積極作用有目共睹。

2015年10 月15 日，中國(guó)工業(yè)和信息化部為貫徹落實(shí)《中國(guó)制造2025》做強(qiáng)中國(guó)裝備的總體要求，不斷提高重大技術(shù)裝備創(chuàng)新水平，加快推進(jìn)首臺(tái)（套）推廣應(yīng)用，根據(jù)重大技術(shù)裝備的發(fā)展現(xiàn)狀，發(fā)布了“《首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備推廣應(yīng)用指導(dǎo)目錄（2015年第二版）》的通告”，將“鑄鐵件生產(chǎn)用大噸位、外熱風(fēng)、水冷長(zhǎng)爐齡沖天爐成套設(shè)備”，列入國(guó)家首臺(tái)（套）重大裝備推廣應(yīng)用指導(dǎo)目錄，對(duì)爐外熱風(fēng)水冷爐設(shè)定的技術(shù)目標(biāo)是：沖天爐熔化率≥10 t/h、一次連續(xù)開(kāi)爐時(shí)間≥60 天、鐵液溫度≥1 500 ℃、熱風(fēng)溫度≥400 ℃[36].

濰坊柴油機(jī)廠和玫德集團(tuán)屬于國(guó)內(nèi)有戰(zhàn)略眼光的兩個(gè)鑄造企業(yè)，他們?cè)趹?yīng)用外熱風(fēng)水冷爐方面為全國(guó)鑄造廠做出了表率，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。濰坊柴油機(jī)廠自1991年到2014年的二十多年里，斥巨資先后從國(guó)外引進(jìn)了三臺(tái)套外熱風(fēng)水冷爐。玫德集團(tuán)在應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)方面穩(wěn)步推進(jìn)，2012年開(kāi)始首先建造冷風(fēng)水冷爐，待熟練掌握冷風(fēng)爐后自2015年開(kāi)始先后建造了5 臺(tái)套外熱風(fēng)水冷爐，為企業(yè)的健康發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

中國(guó)鑄造協(xié)會(huì)于2016年5 月17 日在北京順義新的國(guó)家展覽館，成立了“中鑄協(xié)沖天爐項(xiàng)目組”并召開(kāi)了專(zhuān)家組第一次會(huì)議，中國(guó)外熱風(fēng)水冷長(zhǎng)爐齡沖天爐的國(guó)家級(jí)攻關(guān)項(xiàng)目由此啟動(dòng)。但是該項(xiàng)目至今未取得任何成效，項(xiàng)目組專(zhuān)家曾專(zhuān)門(mén)撰文分析過(guò)該項(xiàng)目毫無(wú)進(jìn)展的原因，其中表示了某種無(wú)奈[37]。

技術(shù)落后、對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染的沖天爐自2008年至今遭受到了大范圍的淘汰，但外熱風(fēng)水冷爐屬于國(guó)家重點(diǎn)推廣的鑄鐵熔化設(shè)備，顯然不屬于淘汰設(shè)備。據(jù)筆者所知，濰坊柴油機(jī)廠的2 臺(tái)套35 t/h外熱風(fēng)水冷爐、玫德集團(tuán)的3 臺(tái)套10 t/h 和15 t/h 外熱風(fēng)水冷爐，均未受到淘汰風(fēng)潮的影響。

我國(guó)鑄鐵工廠、特別是大型鑄鐵廠積極應(yīng)用外熱風(fēng)水冷沖天爐，前途光明、道路曲折！