冲天炉

冲天炉新技术目录冲天炉操作新理论与底焦控制1炉气余热与热风冲天炉2冲天炉的尾气除尘3冲天炉的熔化成本与节能41冲天炉操作新理论与底焦控制1.1冲天炉操作的新理论冲天炉内的焦炭分为炉缸内的焦炭、底焦、层焦三部分。正常熔化期间，炉缸内的焦炭不燃烧，层焦由于缺氧和未达到燃烧温度也无法燃烧。炉内燃烧的焦炭只有底焦，底焦燃烧是金属炉料熔化、铁液过热的根本热能来源，底焦的燃烧状态直接决定冲天炉的熔化率、铁液温度等。底焦高度即炉内燃烧着的焦炭的高度，也就是第一排风口中心线与熔化区下缘的垂直高度。冲天炉操作的核心就是稳定底焦高度。冲天炉网格图（如图1）反映了风量、铁焦比、铁液温度、熔化率四者之间的复杂关系，冲天炉网格图是冲天炉操作的理论基础。通过网格图可以看出：在铁焦比一定的条件下，增大风量可以提高冲天炉的熔化率；在风量一定的条件下，增大焦耗则冲天炉的熔化率下降、铁液温度提高。如果用最简明的语言表述网格图所反映的冲天炉熔化规律，可以说铁液温度反映了底焦高度，而熔化率不仅是风量的标尺同时与底焦高度有关。除了铁焦比、风量影响底焦高度外，炉衬侵蚀引起的炉膛扩大也直接影响底焦高度。另外由于底焦高度无法直接观测，因此底焦高度在冲天炉操作中最难控制。虽然底焦高度无法直接观测，但通过熔化率、铁液温度、炉渣温度可以进行综合分析判断。在风量未变的时候，如果铁液温度偏低、炉渣粘度增大、熔化率增加，则可以判断底焦高度偏低，需要增大层焦量，及时提高底焦高度；如果风量未变，但铁液温度偏高、熔化率降低，则可判断底焦高度偏高，需要通过增风或者减少层焦量，及时降低底焦高度。由于炉渣熔点大大高于铁液熔点，炉渣温度明显影响炉渣粘度，因此炉渣粘度更灵敏地反映了底焦高度的变化。如果熔剂量未变、风量未变，而炉渣粘度明显增高，则说明底焦高度已经降低，需要及时增加层焦，补充底焦；如果相反，则需要及时减少层焦，调低底焦高度。炉渣粘度的微小变化，灵敏地指示了底焦高度的变化，细心观测炉渣粘度可以判断底焦高度。1.2风焦配合的操作规则风量调整、铁焦比调整是控制冲天炉底焦高度的两种基本手段。稳定底焦高度必须首先稳定铁焦比、保证铁焦平衡，同时需要稳定保持冲天炉的鼓风量、保证风焦平衡。铁焦失衡会引起底焦高度的变化，风焦失衡会引起底焦高度的迅速变化。底焦高度可以通过风量调控：如果底焦偏高，增加风量可以使底焦高度降低；底焦偏低，减少风量可以使底焦提高,风量增减可以迅速改变底焦高度。由于炉料从加料口到达熔化区一般需要30～40min时间，通过铁焦比调控底焦高度需要一定时间。如果冲天炉的风量合适，层焦量过大引起了底焦高度增加，应该首先适当减少层焦用量，同时临时适当增大风量，控制底焦高度继续增高，增风期间冲天炉的熔化率会有所增加。增风30～40min后，当减少层焦的炉料到达熔化区时，必须及时减少风量，恢复冲天炉的原来风量。如果鼓风量合适，层焦量偏小引起了底焦高度降低，应该立即减少鼓风量增加焦炭量，防止底焦高度继续降低。减风增焦后30～40min，当增加了层焦的炉料到达熔化区时，及时增加风量，恢复冲天炉的原来风量。如果层焦量合适，风量偏小引起底焦高度增加，应该立即增加风量。如果风量偏大引起底焦高度下降，应该立即减风，防止底焦高度的进一步降低，同时立即补加一批接力焦，加接力焦后30～40min，当接力焦到达熔化区时，及时增大冲天炉的风量。1.3冲天炉增加风量的操作规则增加风量可以迅速提高冲天炉的熔化率。实践中经常发现，增加风量容易导致炉况紊乱甚至熔化事故。增加风量的操作规则为：增风前30～40min，预先增加层焦量，当增加了层焦量的炉料到达底焦顶面时，再增加风量、提高冲天炉的熔化率。此操作方法的理论依据为：增加风量必定增加焦炭消耗，降低底焦高度。增加风量前增加焦炭量，可以避免底焦高度下降。一些铸造厂在短期需要大量铁液时，不遵守首先增加焦炭、然后增加风量的规则，或者不增加层焦，或者未到规定时间便开始增加风量，导致冲天炉底焦高度、铁液温度大幅度降低，甚至导致熔化故障。出现故障后炉况恢复需要很长时间，期间不仅未增加铁液产量，而且还大幅度减少了铁液产量。1.4风焦递增作业法风焦递增作业法即层焦量与风量逐步增加的作业方法。该作业法适合于普通冲天炉使用。普通冲天炉在熔化中炉衬不断受到侵蚀，需要逐步增加风量，以保证一定的鼓风强度和铁液温度；同时，炉膛扩大导致底焦高度下降，因此普通冲天炉需要根据炉膛扩大逐步增加风量，一般需要使用接力焦。冲天炉增加风量与接力焦均容易引起底焦高度的波动，导致炉况紊乱。风焦递增作业法可以大幅度减少底焦波动，稳定冲天炉的炉况。该作业法的具体作法为：在层铁量不变的情况下，根据炉膛侵蚀速度，每批炉料中的焦炭均稍微多于上一批，层焦量一直遵循一定数值逐步增加，同时逐步增加风量。如果普通冲天炉按风焦递增作业法操作，可以取消接力焦，最大限度稳定底焦高度。采用风焦递增作业法，需要根据普通冲天炉的炉衬侵蚀规律、经过一段时间的逐步摸索。一些铸造厂习惯于用接力焦调整底焦高度，一些铸造厂甚至规定每10批炉料加1次接力焦。接力焦不仅会引起底焦高度的较大波动，而且容易引起燃料浪费。应该逐步认识到：接力焦属于补偿炉衬侵蚀、提高冲天炉底焦高度的一种不得已手段，应该尽量减少接力焦的使用。水冷长炉龄冲天炉不存在炉膛侵蚀扩大问题，一般不应该使用接力焦。但一些水冷炉仍沿用普通炉的操作习惯，大量使用接力焦。如果某冲天炉确实需要每10批炉料加1次接力焦，则说明该冲天炉的层焦量偏少，应该将接力焦量分摊入层焦、增大层焦量，取消接力焦。1.5计划停风的底焦操作方法一些冲天炉在计划停风前，未考虑停风期间的底焦损耗问题，未采取相应措施、直接停风，冲天炉恢复送风后，熔化率低、铁液温度低，严重地影响了正常生产。为了使冲天炉恢复送风后迅速恢复正常状态，必须根据停风时间的长短，停风前在炉内额外加入焦炭，以补偿停风期间底焦高度的损耗。具体作法为：计划停风前30～40min，跟随炉料预先在炉内额外添加一定量焦炭，继续送风熔化，当额外添加的焦炭达底焦顶面时再停风。如果实际停风时间大于预计停风时间，必须在预计停风时间到达时首先恢复送风，然后在底焦顶面再次添加适量焦炭、再停风。推行上述停风方法，可以保证冲天炉的底焦高度，大幅度延长停风时间。1.6雨雪天的底焦控制目前所有的自动化配料设备，均不能根据焦炭中的水分调整层焦量。雨雪天焦炭水分普遍增加，往往导致层焦量不足、底焦高度下降，容易导致熔化故障。因此必须特别注意冲天炉在雨雪天、潮湿季节的底焦控制问题。实验表明，焦炭长期浸水、表面经风干后，质量可以增加15%～25%。雨雪天露天存放的焦炭，其水分含量波动非常大，经常导致冲天炉故障。焦炭使用前，必须预先进行水分测试，根据水分含量及时调整称量设备的层焦定值。为了防止雨雪天的冲天炉故障，当炉温持续走低时，首先分析焦炭水分含量。1.7底焦操作的两项改革大部分冲天炉操作规则规定：测定底焦高度后必须首先在底焦顶面加2～3批石灰石，然后在炉内逐层加入炉料，直至加满炉料，需要闷炉30～40mi后才能开风熔化。由于熔剂为碱性，焦炭中的灰分为酸性，两者在高温下存在中和作用，可以改善底焦的燃烧条件，迅速提高炉温，因此传统操作规则规定了在底焦顶面加熔剂。但是，炉渣的熔点大大高于铁的熔点。在冲天炉熔化初期，包括焦炭、炉渣、铁液、炉膛各处的温度均不高，如果炉渣向下流动，很容易凝结在炉缸中或者过桥中，以致于阻塞铁液通道，造成铁液灌入风口、或者过桥阻塞的事故。冲天炉装满炉料后、开风熔化前，存在30～40min的炉料预热时间，该过程被称之为闷炉。传统操作规则认为，闷炉可以使金属炉料充分预热，有利于提高熔化初期铁液的温度。然而大量的熔化实践证明，熔化初期铁液的温度与闷炉时间的长短几乎无关。上述作业规则属于需要改革的传统方法：其一为底焦顶面不再添加熔剂（石灰石），其二为装满炉料后不再闷炉。目前一些铸造厂已经取消了底焦顶面所加的熔剂。他们不仅不在底焦顶面加熔剂，而且在首先的两批炉料中也不加熔剂，因此推迟了炉渣下行的时间，有效预防了铁液灌入风口、炉渣阻塞过桥的事故。建议及时修改现有的冲天炉操作规程：取消闷炉，冲天炉加满炉炉料后立即送风熔化；取消底焦顶面所加的熔剂，以减少冲天炉熔化的故障几率，节省焦炭，提高铸造厂的劳动生产率。2炉气余热与热风冲天炉2.1炉气余热图2（a）为某冷风冲天炉的热平衡图，其炉气中包含的物理显热与化学潜热约为焦炭完全燃烧可释放出热能的45%，炉气中包含巨大的热能，其中化学潜热高达38%，约为物理显热的两倍以上，因此回收炉气余热的重点在化学潜热。图2（b）为某热风冲天炉的热平衡图，其热能利用率明显高于冷风炉。图2冲天炉的热平衡图2.2热风冲天炉的优越性一、热风炉的工作特性优越于冷风炉二、热风炉的焦炭燃烧温度高三、热风炉的焦耗低于冷风炉四、热风炉的冶金性能明显优于冷风炉五、热风炉铁液含硫量低六、热风炉所生产铸件的机械强度高七、热风炉的炉料范围广泛八、热风炉具有较高的经济效益2.3热风冲天炉回收炉气余热、外加燃料预热空气均可获得热风，这两类冲天炉均属于热风冲天炉。其中外加燃料（煤炭、焦炭、石油、天然气等）型需要额外耗费燃料，经济性差，使用很少。炉气余热回收型热风冲天炉按热风换热器的安装位置与结构，可划分为炉外热风、炉顶热风、炉胆热风。其中间壁式换热器具有设计理论成熟、结构简单、容易制造的优越性，在热风冲天炉中得到了最广泛的应用。一、炉外热风冲天炉炉外热风冲天炉的热风单元结构复杂、造价高，需要占用一定的车间面积，一般用于水冷长炉龄冲天炉。炉外热风冲天炉包括间壁式换热器、陶瓷粒子换热器热风冲天炉两类，其中陶瓷粒子换热器应用较少。二、炉顶热风冲天炉（1）炉顶热风换热器结构简单，有较高的性价比；但打炉产生的高温炉气，熔化期间炉气过高均容易造成换热器的损毁。（2）炉顶热风换热器在冲天炉点火后，热风温度逐步上升，正式熔化后45～60min热风温度达到正常值。热风温度与换热面积、冲天炉的铁焦比等因素有关，同时与换热器的材料有关。如果采用低碳钢换热器，热风温度控制在350～450℃之间；如果采用不锈钢换热器，热风温度可以达到450～550℃。（3）炉顶热风冲天炉必须具备内部搪衬、清灰口、膨胀节、隔热包覆、放风阀、冷却风机、温度仪表等七项结构要素，否则很难正常工作。3冲天炉的尾气除尘冲天炉熔炼过程中对环境产生的主要污染包括有害气体、烟尘、噪声、炉渣、污水等，其中以烟尘对环境的污染最为严重。烟尘为烟气与粉尘的统称，粒径小于1µm的为烟气，大于1µm的为粉尘。烟尘对环境的污染曾一度限制了冲天炉的应用，减少冲天炉烟尘对环境的污染、保护环境，已成为冲天炉能否存在的先决条件。预防与治理烟尘污染，目前不存在任何技术问题。使用现有的袋式除尘器，选用适当的除尘技术参数，可将炉气粉尘排放浓度控制在50mg/Nm3以下，甚至可实现“零”排放。3.1冲天炉除尘器及除尘系统表1冲天炉除尘器的基本类型与特性表2冲天炉袋式除尘系统的技术问题其中，袋式除尘器属冲天炉优选除尘器，其除尘系统存在的技术问题与需采取的技术措施如表2。风量属于除尘系统最重要参数之一，该参数决定系统造价、影响除尘效果。除尘系统设计风量来源于两部分：焦炭燃烧产生的炉气量W燃与掺入系统的空气量W空，即W=W燃+W空式中W———除尘系统设计风量，Nm3/h；W燃———焦炭燃烧产生的炉气量，Nm3/h，按下式计算：W燃=60µQ风式中µ———炉气与空气的比（无量纲），一般情况下取µ=1.05~1.10；Q风———冲天炉理论风量，Nm3/min，根据冲天炉熔化区的炉膛直径d熔与送风强度q计算，即：Q风=1/4πd熔2q式中d熔———冲天炉熔化区的炉膛直径，m；q———冲天炉的送风强度，Nm3/(m2·min)，一般情况下取q=90~110。W空———从加料口或其它口洞吸入的空气量，Nm3/h，按下式计算：W空=3600αF式中α———加料口或其它口洞的入口风速，m/s，一般取α=1.1～1.5；F———加料口或其它口洞的面积，m2。上述冲天炉除尘系统设计风量的计算式可归