沖天爐壓力分渣器的研究與應(yīng)用

徐培好，趙龍泉，楊恒遠(yuǎn)，張聚輝，毛永濤

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊市 261001）

沖天爐壓力分渣器的研究與應(yīng)用

徐培好，趙龍泉，楊恒遠(yuǎn)，張聚輝，毛永濤

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊市 261001）

研究了沖天爐壓力分渣器的工作原理與結(jié)構(gòu)參數(shù)，說明了鐵、渣分界面位置對(duì)鐵渣分離效果的影響。

沖天爐；壓力分渣器

壓力分渣器是一種利用爐氣壓力使鐵液和爐渣分離的連續(xù)分渣裝置。在正常工作狀態(tài)下，過橋必須始終保持暢通，爐氣通過過橋進(jìn)入分渣器。分渣器內(nèi)鐵液、渣液上方的爐氣壓力隨著爐缸內(nèi)壓力的變化而變化，分渣器內(nèi)爐氣壓力始終等于爐缸內(nèi)的壓力。這是壓力分渣器與其它連續(xù)出鐵出渣裝置的根本區(qū)別。

一些水冷長爐齡沖天爐所采用的爐內(nèi)分渣裝置，由于爐缸較深，致使原鐵液含硫量較高，降低了原鐵液的質(zhì)量；而常用的連續(xù)出鐵出渣槽由于爐缸較淺、爐缸的容量有限，沖天爐過橋意外阻塞時(shí)，鐵液、爐渣很容易倒灌進(jìn)入風(fēng)口、造成事故[1，2]，壓力分渣器（圖 1）則可以避免上述兩種裝置的弊端。

1 壓力分渣器的工作原理

如圖2所示，壓力分渣器運(yùn)行時(shí)，爐缸內(nèi)鐵液和爐渣經(jīng)過橋進(jìn)入壓力分渣器，由于密度的差異，爐渣處于上層，鐵液在下層。分渣器內(nèi)的爐氣壓力作用于爐渣表面。爐渣在重力和爐氣壓力作用下沿出渣口排出，鐵液在重力、爐渣壓力、爐氣壓力的共同作用下沿出鐵口進(jìn)入前爐。正常工作的壓力分渣器，必定同時(shí)滿足如下兩個(gè)基本等式：

式中：H1——鐵液壓頭，m；

H2——渣液壓頭，m；

ρ鐵——鐵液密度，ρ鐵≈7kg/m3；

ρ渣——渣液密度，ρ渣≈2kg/m3；

h1——出鐵口以上的鐵液層厚度（或者分渣器內(nèi)

鐵液對(duì)出鐵口的作用壓頭），m；

hz——渣液層厚度，m；

h2——出渣口以上的渣液層厚度（或者分渣器內(nèi)渣液對(duì)出渣口的作用壓頭），m；

P——分渣器內(nèi)的爐氣壓力，Pa；

P0——大氣壓力，Pa;

g——重力加速度。

2 壓力分渣器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

壓力分渣器的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括 H1、d1、H2、d2、以及出鐵口、出渣口距離底部的高度等6項(xiàng)，其中H1、H2為最重要的參數(shù)，現(xiàn)分析如下。

2.1 渣液壓頭

由式（2）可以導(dǎo)出渣液壓頭H2的表達(dá)式：

H2=（P－P0）/gρ渣+h2

欲使壓力分渣器正常工作、出渣口不得與爐氣相接，否則出渣口會(huì)出現(xiàn)爐氣噴發(fā)現(xiàn)象，因此出渣口以上的渣液層厚度必須不小于零。渣液臨界壓頭H2的表達(dá)式為：

H2臨=（P－P0）/gρ渣

可以看出，影響渣液臨界壓頭的因素只有P，如果能夠測(cè)定壓力分渣器內(nèi)的爐氣壓力，則可以很方便確定渣液臨界壓頭。

2.2 鐵液壓頭

鐵液壓頭H1屬于壓力分渣器的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過式（1）可以導(dǎo)出H1的表達(dá)式：

H1=（P－P0）/gρ鐵+h1+ρ渣hz/ρ鐵

壓力分渣器正常工作、出鐵口無渣液流出，則出鐵口以上的鐵液層厚度必須不小于零。當(dāng)h1=0時(shí)，出鐵口在臨界狀態(tài)下工作，H1臨界值的表達(dá)式為：

H1臨=（P－P0）/gρ鐵+ρ渣hz/ρ鐵

可以看出，影響鐵液臨界壓頭的因素有P、hz兩項(xiàng)，復(fù)雜于影響渣液臨界壓頭的因素。確定鐵液臨界壓頭，不僅需要知道爐氣壓力，而且需要考慮壓力分渣器內(nèi)的渣液層厚度。

2.3 鐵、渣分界面分析

壓力分渣器內(nèi)鐵、渣分界面相對(duì)于出鐵口、出渣口的位置，決定了鐵渣分離的效果，分4種情況說明如下：

①若壓力分渣器內(nèi)鐵、渣分界面高度低于出鐵口的上沿高，則爐渣進(jìn)入出鐵口，鐵液中易混入了爐渣，必須避免出現(xiàn)該情況。

②若壓力分渣器內(nèi)鐵、渣分界面高度在出鐵口上沿與出渣口下沿之間，出渣口完全被爐渣浸沒，出鐵口完全被鐵液浸沒，渣鐵分離徹底，這屬于壓力分渣器正常工作的情況。

③若壓力分渣器內(nèi)鐵、渣分界面高度在出渣口直徑范圍，但如果出渣口僅僅下部被鐵液浸沒、上部仍然可以正常排渣，則壓力分渣器仍然可以正常工作；但如果出渣口大部分被鐵液浸沒，則爐缸內(nèi)的爐渣很難排出、排渣不暢。這情況下壓力分渣器工作很不穩(wěn)定，應(yīng)該盡量避免。

④若壓力分渣器內(nèi)鐵、渣分界面高于出渣口的直徑范圍，則壓力分渣器無法排渣。

通過以上分析可知，壓力分渣器內(nèi)鐵、渣分界面應(yīng)該介于出鐵口上沿與出渣口下沿之間。鐵、渣分界面即分渣器內(nèi)鐵液對(duì)出鐵口的作用壓頭h1，由方程（1）可以得出：

h1=H1－[ρ渣hz＋（P－P0）/g]/ρ鐵

可以看出，影響h1的因素包括H1、hz與P三項(xiàng)，H1越大則h1越大，hz與P越大則h1越小。

3 使用實(shí)例

結(jié)合上述分析，以某廠8/h沖天爐壓力分渣器為例，簡要介紹壓力分渣器的使用控制及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。

3.1 壓力分渣器的控制

通過上述分析可以看出，爐氣壓力P對(duì)壓力分渣器的結(jié)構(gòu)參數(shù)有決定性影響，爐氣壓力決定于沖天爐的送風(fēng)風(fēng)量。該沖天爐采用鑄鐵渣罐接液體熔渣工藝，沖天爐送風(fēng)風(fēng)量根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍控制在4000～6500m3/h。通常有如下兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

（1）換渣罐。當(dāng)需要更換熔渣渣罐時(shí)，沖天爐先加一批鐵料，利用層料下落時(shí)對(duì)爐內(nèi)空氣的壓縮，然后增加風(fēng)量500m3/h，即增大爐氣壓力P值，加快分渣器內(nèi)熔渣的排出，加快熔渣的排除，降低分渣器內(nèi)熔渣液面即減小h2值，待分渣器出渣口熔渣斷流時(shí)，立刻減小送風(fēng)風(fēng)量1000m3/h即減小爐氣壓力P值，使P+ρ渣gh2＜ρ渣gH2，利用h2回復(fù)間隙完成換渣罐工作，換完渣罐后送風(fēng)風(fēng)量回復(fù)至正常狀態(tài)。

（2）中間停風(fēng)。因設(shè)備故障和生產(chǎn)原因中途停風(fēng)，停風(fēng)時(shí)間不大于40min。停風(fēng)前，先增大風(fēng)量至7000m3/h，加速鐵液、熔渣排除，降低分渣器內(nèi)鐵、渣液面即減小h1和h2值，至出渣口斷流，開始逐漸減小風(fēng)量至停風(fēng)，同時(shí)停止?fàn)t后加料。停風(fēng)后，用石棉封住出渣口、出鐵口，以使分渣器保溫。

3.2 壓力分渣器的結(jié)構(gòu)及參數(shù)介紹

壓力分渣器必須綜合沖天爐送風(fēng)風(fēng)量調(diào)整范圍及壓力分渣器使用過程的侵蝕，合理設(shè)計(jì)其各項(xiàng)參數(shù)，既要保證使用過程中的安全性與穩(wěn)定性，又要做到結(jié)構(gòu)緊湊節(jié)約修筑成本。圖3所示為該廠根據(jù)其沖天爐使用參數(shù)設(shè)計(jì)的壓力分渣器結(jié)構(gòu)及其主要參數(shù)。內(nèi)出渣口與出鐵口中心距為60mm，壓力分渣器正常工作過程中，鐵液面高于分渣器內(nèi)出鐵口頂面低于內(nèi)出渣口中心，既保證了鐵液不混渣，又保證了熔渣排出的流暢性；H2＝525mm既能保證分渣器內(nèi)熔渣液面在低于過橋出鐵口時(shí)出渣口順利出渣，又能保證沖天爐送風(fēng)風(fēng)量達(dá)到控制上限時(shí)出渣口不噴渣；出鐵、出渣通道截面均為圓形結(jié)構(gòu)，減少液體流動(dòng)阻力，降低液體對(duì)通道的侵蝕，延長分渣器使用壽命；出鐵、出渣口設(shè)計(jì)適當(dāng)長度的水平通道保持了分渣器的結(jié)構(gòu)緊湊性，提高了壓力分渣器使用過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

[1]朱瑞恒，張明，董明玉，等.沖天爐連續(xù)出鐵出渣裝置及其使用.中國鑄造裝備與技術(shù)，2004（6）：48-50.

[2]中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造分會(huì).鑄造手冊(cè):鑄鐵.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

Study and Application of Cupola Pressurized Slag Separator

XU PeiHao，ZHAO LongQuan，YANG HengYuan，ZHANG JuHui，MAO Yong Tao
（WeiChai Power Co.Ltd.，WeiFang 261001，ShanDong China）

The operational p rincip le and struc ture parameters of cupola p ressurized slag separator have been investigated,and the effec t of m elted iron-slag interface level on getting them separated has been analyzed.

Cupola；Slag separator

TG232.7;

B；

1006－9658（2011）02－3

2011－01－06

2011－003

徐培好（1978－），男，工程師，碩士研究生，主要從事鑄鐵熔煉工藝及設(shè)備研究