熱風(fēng)水冷長爐齡沖天爐與保溫電爐雙聯(lián)熔煉工藝的應(yīng)用

余 博，王占蛟

（1.中國汽車工業(yè)工程有限公司，天津 300113； 2.濰柴動力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東 濰坊 261119）

1 設(shè)計任務(wù)

濰柴動力（濰坊）鑄鍛有限公司委托我公司進(jìn)行鑄造中心的施工圖設(shè)計工作，一期工程和二期工程主要生產(chǎn)WP4/6、WP5/7、WP10/12/13柴油機(jī)氣缸體、氣缸蓋和齒輪室等鑄件，每期設(shè)計年產(chǎn)能力20萬臺/套，年生產(chǎn)能力10萬t，其熔化工部采用沖天爐、保溫電爐雙聯(lián)熔煉工藝。車間采用二班平行工作制生產(chǎn)，全年設(shè)備工作日為303d，每周工作6d，每班工作8h，設(shè)備年時基數(shù)：二班4550h，三班6130h.

2 工藝布局

鑄造一期和鑄造二期工程采用一臺35t/h長爐齡熱風(fēng)水冷沖天爐和兩臺80t有芯感應(yīng)保溫電爐，組成直聯(lián)雙聯(lián)熔煉，向1條缸體造型線和1條缸蓋造型線提供獲得高溫、優(yōu)質(zhì)鐵液。工藝布局見圖1和圖2，設(shè)備規(guī)格及建設(shè)周期見表1和表2.

表1 鑄造一期熔化工部設(shè)備規(guī)格、投資及建設(shè)周期

表2 鑄造二期熔化工部設(shè)備規(guī)格、投資及建設(shè)周期

鑄造一期工程和二期工程熔化工部工藝流程相同，如圖3.

圖1 鑄造一期熔化工部工藝布置圖

圖2 鑄造二期熔化工部工藝布置圖

圖3 熔化工部工藝流程方框圖

3 沖天爐設(shè)備簡述

如圖4，鑄造一期沖天爐系統(tǒng)爐體為美國W公司制造，熔化帶采用無爐襯設(shè)計。該系統(tǒng)配有全自動加料系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)、富氧送風(fēng)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、爐氣冷卻系統(tǒng)、布袋除塵系統(tǒng)、余熱利用系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。沖天爐出鐵槽通過分流器直接與2臺德國J公司進(jìn)口80t有芯保溫電爐相連，沖天爐鐵液直接流入保溫電爐。沖天爐系統(tǒng)運(yùn)行由中央控制系統(tǒng)集中控制，微機(jī)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)配料加料全自動運(yùn)行。沖天爐熱風(fēng)溫度480℃～540℃，出鐵溫度1500℃～1550℃，鐵焦比8∶1，硅錳燒損≤22%，爐渣中FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤3%～4%，尾氣粉塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤20mg/Nm3.

如圖5，鑄造二期德國K公司進(jìn)口的熱風(fēng)、水冷薄爐襯沖天爐系統(tǒng)，爐體全部有爐襯，熔化帶采用薄爐襯設(shè)計。該系統(tǒng)配有全自動配加料系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)、富氧送風(fēng)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、爐氣冷卻系統(tǒng)、布袋除塵系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)配料、加料全自動運(yùn)行。該系統(tǒng)采用熱風(fēng)管道內(nèi)壁保溫設(shè)計、先進(jìn)的全爐襯沖天爐、冷卻水質(zhì)監(jiān)控、干法爐渣?；欧诺认冗M(jìn)的設(shè)計，以及控制系統(tǒng)高度的自動化集成設(shè)計等特點(diǎn)，使得沖天爐熔煉能迅速達(dá)產(chǎn)保產(chǎn)，確保穩(wěn)定的產(chǎn)量和質(zhì)量。沖天爐熱風(fēng)溫度500℃～550℃，出鐵溫度1520℃～1550℃，鐵焦比7.8∶1，硅錳燒損≤20%，爐渣中FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤3%，尾氣粉塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤20mg/Nm3.一期和二期沖天爐設(shè)備構(gòu)成簡述如下。

圖4 鑄造一期沖天爐

圖5 鑄造二期沖天爐

3.1 加配料系統(tǒng)

日耗庫內(nèi)設(shè)生鐵、廢鋼、回爐料3個金屬料斗，并采用配料行車電磁吸盤向金屬料斗內(nèi)投料。配料由料斗下方的振動給料機(jī)向集中稱量料斗給料稱量完成，集中稱量料斗再將金屬料卸入其下方的加料筐。

焦炭、石灰石和合金材料由翻斗車卸料至地下的輔料卸料斗，物料由振動給料機(jī)出料，通過裙邊帶式輸送機(jī)輸送至輔料日耗斗頂部，再由雙向旋轉(zhuǎn)皮帶卸料分配到相應(yīng)的日耗斗。輔料日耗斗下方設(shè)置一個固定稱量斗，輔料由振動給料機(jī)給料至稱量斗稱量。

當(dāng)加料筐加完金屬料后，再運(yùn)行至輔料斗下方加入各輔料，加料筐加滿料后由輸送小車輸送至沖天爐提升機(jī)處，提升機(jī)將料筐提升并送至沖天爐爐頂加料口加料，加完料后加料筐返回降落在輸送小車上，進(jìn)行下一個批次。

每批加料約3t～3.6t，每小時加料10次～12次，最大14次，爐料的運(yùn)輸由一個加料小車和二個加料框組成的加料系統(tǒng)完成。金屬爐料、焦炭、石灰石、合金材料均可實(shí)現(xiàn)全自動配料、加料。

3.2 沖天爐系統(tǒng)

沖天爐由爐頭、爐身和爐膛組成，爐頭由爐料加料區(qū)和加料區(qū)下方的爐頂煤氣環(huán)狀排放室組成。煤氣排放室內(nèi)砌有耐火磚，以免過熱。在加料結(jié)束后，將爐蓋傾翻，關(guān)閉加料孔。這樣，在此操作階段只有少量的稀釋氣體被吸入爐內(nèi)，而且不會有火焰從爐身上端竄出。爐料加料區(qū)配有水冷裝置，使得在冶金結(jié)束階段，爐頭不會有爐頂煤氣輻射熱的影響。

爐身內(nèi)砌有耐火材料，外有環(huán)狀水幕冷卻。爐殼冷卻水通過環(huán)管分布到整個爐體。爐殼冷卻水由安裝在爐膛處的環(huán)狀水槽收集。在爐身下部，配置有銅質(zhì)水冷風(fēng)口。熱風(fēng)通過通風(fēng)口均勻分布到熔融區(qū)。風(fēng)口可以沿其軸線調(diào)整角度以獲得最佳熱風(fēng)分布。

爐膛的耐火材料高含Al2O3和SiC，鐵水和熔渣經(jīng)過出鐵口分渣器時進(jìn)行鐵渣分離。一期沖天爐采用重力分渣器，爐渣被分離后在爐渣輸送機(jī)上噴水冷卻，經(jīng)收集后集中處理。二期沖天爐采用虹吸分渣器和干式爐渣輸送機(jī)，不需要噴水冷卻。沖天爐可連續(xù)出鐵45d，需要重新筑爐時將爐的門打開，撤空爐底。在撤空和清理爐底后，該門可以由絞車關(guān)閉，并用支撐桿固定，重新筑爐烘爐需要12h.

3.3 沖天爐冷卻系統(tǒng)

爐殼冷卻水在水-空氣直冷開放式冷卻塔中冷卻，冷卻后的水由冷水泵送到爐頭，用于爐頭和爐殼冷卻。從沖天爐爐殼流下的冷卻水匯集到爐膛處的環(huán)狀水槽并流入熱水水箱，由熱水泵輪抽吸到冷卻塔，再流入冷水水箱。

一期爐殼冷卻水為340m3/h，二期爐殼冷卻水為300m3/h.一期沖天爐風(fēng)口冷卻水與爐體冷卻水合并在一起進(jìn)行冷卻，二期沖天爐風(fēng)口冷卻水為另一個閉循環(huán)系統(tǒng)，與爐殼冷卻水各自獨(dú)立，在水-水板式換熱器中冷卻，不存在水損失。安裝在溢流水箱上部的水位探頭監(jiān)測風(fēng)口有無滲漏。每個風(fēng)口的水流量都有測量、顯示、和滲漏報警。

緊急供水由二路組成，一路為高位水箱，另一路為自來水。如果發(fā)生斷電、掉壓、等緊急情況，緊急供水閥門即開啟，以確保風(fēng)口和爐殼冷卻。緊急供水系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)自動切換，應(yīng)急水箱的容量必須確保沖天爐連續(xù)冷卻不小于1h.一期風(fēng)口和爐殼緊急水量為25m3/h，二期爐殼緊急供水量為20m3/h，風(fēng)口緊急供水量為60m3/h，在沖天爐附近一期和二期都設(shè)有高位水箱，每個水箱留有100m3軟化水用于沖天爐緊急用水。

3.4 鼓風(fēng)加熱與換熱冷卻系統(tǒng)

鼓風(fēng)機(jī)的空氣由外部進(jìn)氣管經(jīng)過消聲過濾器吸入，被熱風(fēng)換熱器加熱至500℃以上，通過水冷銅制風(fēng)口吹入沖天爐爐膛的燃燒區(qū)點(diǎn)燃焦炭以進(jìn)行冶金過程，燃燒區(qū)設(shè)置6個風(fēng)口。燃燒室內(nèi)設(shè)置一個燒嘴和兩個預(yù)熱燒嘴，爐頂煤氣在燃燒室進(jìn)口處與助燃空氣混合燃燒，溫度控制在900℃～950℃.燃燒后的高溫氣體上升至燃燒室的調(diào)節(jié)區(qū)后混入冷卻空氣，在進(jìn)入熱交換塔之前溫度調(diào)節(jié)至750℃，與鼓入爐膛的新風(fēng)進(jìn)行熱交換，隨后將進(jìn)入冷卻階段，爐頂煙氣溫度被降低至150℃～170℃后進(jìn)入布袋除塵器。

一期沖天爐采用的是一臺4160V專用風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)，風(fēng)機(jī)容量為29000Nm3/h；二期為380V，風(fēng)機(jī)容量為22000Nm3/h.一期沖天爐的爐頂氣體經(jīng)過燃燒室燃燒后進(jìn)入熱交換器與沖天爐鼓風(fēng)換熱，換熱后的爐氣進(jìn)入2臺空氣冷卻器冷卻，冷卻氣體產(chǎn)生的多余熱量用于補(bǔ)充車間的采暖。二期沖天爐氣體冷卻則通過3臺空氣冷卻風(fēng)機(jī)，冷風(fēng)吹過冷卻器的換熱管束，出來的熱風(fēng)排空。一期沖天爐冷卻器配有氣動振動管道系統(tǒng)，冷卻器中的每個管道都配有一個振動式球形輥?zhàn)诱駝悠鳎ㄟ^沖天爐控制系統(tǒng)來驅(qū)動以保持冷卻管清潔。二期沖天爐換熱冷卻塔內(nèi)的管束組用鋼球自動清洗裝置進(jìn)行除灰，鋼球下落的沖擊作用使得塵粒脫離管壁表面，隨后被煙道氣流吹走。鋼球在熱交換塔的錐形底部收集起來，由螺旋給料器送出，再由風(fēng)機(jī)自動送往塔頂。細(xì)小的塵粒以逆流方式排出并隨煙道氣體一起流入布袋除塵器。

3.5 除塵系統(tǒng)

3.5.1 爐頂氣體除塵

經(jīng)冷卻器冷卻后的爐氣由除塵風(fēng)機(jī)抽出進(jìn)入布袋除塵器，過濾器布袋呈水平布置，分成數(shù)排。廢氣從布袋過濾器的上部流向底部，塵粒由錐斗收集，過濾器布袋積滿塵粒后，由脈沖壓縮空氣噴嘴反吹清理。一期沖天爐除塵器除塵風(fēng)量為82000 m3/h，通過一組三個螺旋輸送機(jī)，將粉塵從布袋模塊輸送到料筐提升機(jī)上，然后送入存儲斗內(nèi)。通過振動底門，粉塵從存儲斗中卸到粉塵混合機(jī)上，隨后加水混合后卸到卡車或收集筐內(nèi)并運(yùn)走。

二期沖天爐除塵器除塵風(fēng)量為60000m3/h，從過濾器表面吹落的塵粒沉積到粉塵收集斗中，由收粉螺旋輸送機(jī)從收集斗輸送到螺旋分配輸送機(jī)，再通過氣密式旋轉(zhuǎn)卸灰閥卸入粉塵收集袋中。集塵袋上部由吊鉤懸掛，下部由托盤支撐。袋口由人工用細(xì)繩與卸灰管系緊。當(dāng)料位計檢測到滿料位時，螺旋分配輸送機(jī)將卸灰出口切換到備用的集塵袋。滿袋的粉塵由叉車取走。集塵袋可以回收利用。

爐頂氣體除塵設(shè)備為沖天爐廠家自帶，要求達(dá)到的排放濃度為：粉塵含量≤20mg/m3，一氧化碳含量<100mg/Nm3，二氧化硫含量<500mg/Nm3，氧化氮含量<250mg/Nm3.

3.5.2 沖天爐配料除塵

沖天爐配料除塵器為國產(chǎn)設(shè)備，設(shè)備及風(fēng)機(jī)噪聲≤85dB（A），最終排放濃度≤20mg/m3.一期合金及焦石配料選用一臺除塵風(fēng)量為50967m3/h的除塵器，用于上料裙邊帶式輸送機(jī)卸料、斗頂部旋轉(zhuǎn)帶式輸送機(jī)卸料、合金焦石斗下給料機(jī)、稱量斗到加料筐卸料所產(chǎn)生的揚(yáng)塵點(diǎn)的除塵；熔化工部地溝及皮帶機(jī)除塵選用一臺風(fēng)量為27200m3/h的除塵器。

二期沖天爐焦碳、輔料裙式傾斜皮帶機(jī)上料除塵器風(fēng)量為72500m3/h，用于翻斗卡車卸料點(diǎn)、地下料斗下振動給料機(jī)加料點(diǎn)、裙式皮帶機(jī)頭輪卸料點(diǎn)、頭輪下振動給料機(jī)加料點(diǎn)工位的除塵；金屬料、焦炭、輔料稱重配料除塵器風(fēng)量為62500m3/h，用于金屬料振動加料點(diǎn)、輔料振動加料點(diǎn)、輔料稱重斗卸料點(diǎn)、移動稱重料斗卸料點(diǎn)工位的除塵；鐵水輸送除塵器風(fēng)量為120000m3/h，用于虹吸分渣器、脫硫罐進(jìn)鐵口、脫硫罐出鐵口、鐵水分配器、2個保溫電爐進(jìn)鐵口工位的除塵。二期項(xiàng)目投產(chǎn)一年后實(shí)測沖天爐爐頂氣體除塵器排放濃度為22.7mg/m3，焦碳、輔料裙式傾斜皮帶機(jī)上料除塵器為5.5mg/m3，金屬料、焦炭、輔料稱重配料除塵器為32.3mg/m3，鐵水輸送除塵器為10.3mg/m3，基本滿足設(shè)計目標(biāo)。

3.6 公用耗量

一、二期沖天爐公用耗量見表3，考慮到壓縮空氣保持干燥及冬季防凍的原因，鑄造二期沖天爐將設(shè)備關(guān)鍵氣動閥設(shè)置為氮?dú)饪刂疲?中氮?dú)庥昧坎话摿蚬の坏牡獨(dú)庥昧俊?/p>

表3 沖天爐公用耗量表

4 保溫電爐

圖6為鑄造一期J公司的2套80t有芯保溫電爐，出鐵重量為65t/h，額定功率為1200kW，設(shè)備主要由變頻有芯感應(yīng)爐爐體（帶感應(yīng)器）、計算機(jī)處理器的中頻振蕩電路變頻器、空氣冷卻油浸整流變壓器、液壓動力組、循環(huán)水冷系統(tǒng)水泵站及閉路循環(huán)蒸發(fā)式冷卻器，應(yīng)急發(fā)電機(jī)等組成。熔化處理器控制程序可實(shí)現(xiàn)程序自動升溫和保溫，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。有芯保溫爐進(jìn)鐵口與沖天爐出鐵流槽直接連接，爐體的設(shè)計可實(shí)現(xiàn)進(jìn)、出鐵水同時進(jìn)行。另外配置1套雙供電一拖二25t中頻無芯感應(yīng)保溫爐，其最大容量為27t/h，功率為2000kW，采用雙供電變頻電源，以便于調(diào)整鐵水化學(xué)和澆注溫度，使兩條造型線可同時生產(chǎn)不同牌號的鑄件。

圖7為鑄造二期保溫電爐采用美國Y公司的2套80t有芯保溫電爐，每臺最大鐵水容量為80t，主要組成包括爐體、感應(yīng)器、變頻電源柜、操作控制臺、爐襯材料、聯(lián)接電纜、傾爐液壓系統(tǒng)、必要的儀表和控制等，每臺爐子配置一組1250kW 60Hz VIP固態(tài)變頻電源和計算機(jī)熔化管理系統(tǒng)，VIP電源的設(shè)計使電能的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最高，能夠達(dá)到最大的電能利用率。每臺電爐每小時可將25t鐵液升溫100℃.有芯保溫爐進(jìn)鐵口與沖天爐出鐵流槽直接連接，實(shí)現(xiàn)進(jìn)出鐵水同時進(jìn)行。另外配置1套雙供電一拖二20t中頻無芯感應(yīng)保溫爐，額定功率1500kW，以便于調(diào)整鐵水化學(xué)成分和澆注溫度。

圖6 鑄造一期80 t 保溫爐

圖7 鑄造二期80 t 保溫爐

5 結(jié)語

沖天爐加保溫電爐的雙聯(lián)熔煉模式能可靠實(shí)現(xiàn)鐵液的供求平衡，把停工損失減到最小，并最大限度地發(fā)揮出沖天爐的熔化能力，在歇班工作時也可利用感應(yīng)爐存儲鐵液，使次日上班就有鐵液澆注，提高工作效率。

鐵液經(jīng)過沖天爐高溫冶煉和造渣凈化后，消除了石墨的遺傳性，降低了鐵液過冷度，鐵液質(zhì)量較好，溫度和化學(xué)成分的調(diào)節(jié)波動范圍小且容易掌握，能有效提高鑄件機(jī)械性能和加工性能[1]。另外，選用檔次高的除塵設(shè)備可有效保證沖天爐爐氣的排放濃度，達(dá)到節(jié)能減排的效果，因此對大批量、少品種的生產(chǎn)模式采用沖天爐加保溫電爐的雙聯(lián)熔煉模式是很有利的。

[1]中國機(jī)械工程學(xué)會鑄造分會.鑄鐵[M］//鑄造手冊.第3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：661-663.