35 t/h熱風(fēng)富氧沖天爐底焦高度控制

李孝艷，孫帆，喬進(jìn)國(guó)（濰柴動(dòng)力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊261199）

·鑄造設(shè)備·

35 t/h熱風(fēng)富氧沖天爐底焦高度控制

李孝艷，孫帆，喬進(jìn)國(guó)
（濰柴動(dòng)力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊261199）

全面介紹了35 t/h沖天爐底焦高度控制重要性及控制要點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了裝爐底焦與運(yùn)行底焦的控制，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及理論計(jì)算得出35 t/h熱風(fēng)富氧沖天爐的合理底焦高度。

35 t/h沖天爐；底焦高度；焦炭

沖天爐熔煉是由底焦燃燒、熱量交換和冶金反應(yīng)三個(gè)過程組成的[1]。實(shí)踐證明，底焦高度是沖天爐運(yùn)行過程中的重要參數(shù)，合理控制沖天爐熔煉底焦高度，對(duì)沖天爐的穩(wěn)定運(yùn)行及獲得優(yōu)質(zhì)鐵液有重要意義。大型沖天爐底焦高度控制更是至關(guān)重要。底焦高度是否合適，不僅關(guān)系到?jīng)_天爐熔煉能否正常出鐵，更關(guān)系到鐵水化學(xué)成分及溫度的合格與穩(wěn)定。本文結(jié)合35 t/h沖天爐熔化經(jīng)驗(yàn)，介紹35 t/h長(zhǎng)爐齡熱風(fēng)水冷富氧沖天爐底焦高度控制的重要性以及控制要點(diǎn)。

1 沖天爐底焦控制重要性

沖天爐內(nèi)燃燒的焦炭主要為底焦，底焦燃燒的熱量是金屬爐料熔化、鐵液過熱的根本熱量來源，底焦的燃燒狀態(tài)直接決定沖天爐的熔化率、鐵液溫度等[2]。本公司35 t/h沖天爐為單排風(fēng)口直筒型，底焦是指由爐底至熔化帶處的一層焦炭，其中爐底至風(fēng)口為爐缸區(qū)，爐缸區(qū)焦炭基本不燃燒，鐵液流經(jīng)起到增碳作用。底焦高度是指風(fēng)口中心線至鐵液開始熔化處的垂直距離。鐵液的過熱及化學(xué)成分的變化等大都在底焦進(jìn)行，沖天爐正常熔煉時(shí)，鐵料應(yīng)在底焦頂面熔化。連續(xù)熔化過程中，底焦高度的波動(dòng)范圍一般就是熔化帶的變動(dòng)范圍，因此保持底焦高度的穩(wěn)定，就是保證熔化帶位置的穩(wěn)定。合理地制定和控制底焦高度，使得氧化帶和還原帶的位置合理分布，保證鐵液過熱距離、提高熔化速率的同時(shí)有利于鐵液的過熱，提高鐵水溫度，減少硅、錳的熔煉損耗，保證鐵液化學(xué)成分的穩(wěn)定。因此可以說沖天爐熔煉的核心就是穩(wěn)定底焦高度。本公司的35 t/h沖天爐，裝料批次為14次～16次，每批鐵料重量為3 t～3.5 t，如底焦高度控制不合適，將直接影響沖天爐的正常熔煉。

2 沖天爐合理的底焦高度

要保證沖天爐穩(wěn)定運(yùn)行，首先制定沖天爐合理的底焦高度。

設(shè)沖天爐理論底焦高度為H1，若實(shí)際底焦高度H0＞H1，則在送風(fēng)開始時(shí)，底焦頂面的溫度沒有達(dá)到爐料的熔化溫度，金屬料必須待底焦燃燒高度下降至H1，金屬料進(jìn)入高于其熔點(diǎn)的區(qū)域時(shí)才開始熔化。此時(shí)，金屬料預(yù)熱充分，鐵液的過熱距離提高，有利于鐵液的過熱，但此時(shí)焦耗較多，熔化率較慢，從經(jīng)濟(jì)方面不可取。若H0＜H1，則熔化帶平均位置下移，縮短了鐵液過熱距離，鐵液溫度降低。底焦高度過低，金屬料可能進(jìn)入風(fēng)口區(qū)，此時(shí)，金屬料得不到良好的預(yù)熱，導(dǎo)致鐵液溫度低，鐵水氧化嚴(yán)重，甚至使?fàn)t子不能正常運(yùn)行[2]。

由此可見，合適的底焦高度是確保沖天爐內(nèi)良好熱交換的基礎(chǔ)，也是決定爐內(nèi)各區(qū)域位置的基本因素。因此，為保證沖天爐正常穩(wěn)定熔煉，必須嚴(yán)格控制底焦高度。

沖天爐底焦高度的兩個(gè)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式為：

其中，h為風(fēng)口的排距，D熔為熔化帶直徑，公式（1）適用于多排風(fēng)口沖天爐，公式（2）適用于單排風(fēng)口沖天爐。我公司有兩臺(tái)35 t/h長(zhǎng)爐齡熱風(fēng)富氧沖天爐，美國(guó)EC&S沖天爐爐缸內(nèi)徑為2.4m，德國(guó)KKG沖天爐爐缸內(nèi)徑為1.9m，兩臺(tái)沖天爐均為單排風(fēng)口，所以按經(jīng)驗(yàn)公式（2）計(jì)算，EC&S沖天爐底焦高度應(yīng)為3.6m～4.8m，德國(guó)KKG沖天爐底焦高度應(yīng)為2.85m～3.8m.目前實(shí)際生產(chǎn)中，EC&S沖天爐底焦高度控制1.1m～1.3m左右，KKG沖天爐控制在0.95m～1.2m左右，均遠(yuǎn)低于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果。

分析原因?yàn)椋簜鹘y(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式以冷風(fēng)沖天爐熔化為依據(jù)，我公司沖天爐為熱風(fēng)富氧式，與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式所得結(jié)論有較大差距。采用預(yù)熱送風(fēng)，由于使沖天爐內(nèi)導(dǎo)入了補(bǔ)充熱量，爐氣溫度提高，有利于鐵液過熱度的提高，爐內(nèi)熱效率提高。同時(shí)，在熔化初期富氧，使燃燒區(qū)域集中，加劇了底焦燃燒，提高熱效率，這樣可以得到更高的爐溫，從而提高鐵水溫度。盡管在熱風(fēng)富氧沖天爐熔化過程中，鐵水過熱流程更短，與焦炭接觸時(shí)間也更短，但由于鐵水溫度提高，焦炭由于燃燒更劇烈其表面反應(yīng)性更好，鐵水的增碳系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于冷風(fēng)沖天爐。

傳統(tǒng)冷風(fēng)沖天爐的增碳系數(shù)在7%～10%左右，如需得到碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.3%的鐵水，則一般情況下配料中的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～3.09%左右，而本公司熱風(fēng)沖天爐配料中碳含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這個(gè)值，表1為本公司EC&S沖天爐配料，廢鋼、回爐料、生鐵中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.3%、3.3%、4.2%.

表1 EC&S沖天爐配料表

1～6批配料碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.11%，7批以后配料中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.32%，則：1～6批增碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為197%，7批以后增碳系數(shù)為150%.實(shí)際熔化過程中，熔化開始的前40 m in，鐵水碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3.40%以上，因此增碳系數(shù)比計(jì)算值要大。這是因?yàn)闆_天爐從開風(fēng)到出鐵的時(shí)間為25m in，開風(fēng)到出鐵前熔化的鐵水在爐缸內(nèi)存留時(shí)間較長(zhǎng)，增碳較多，鐵水碳含量較高。

因此，通過經(jīng)驗(yàn)計(jì)算我公司35 t/h熱風(fēng)富氧單排風(fēng)口沖天爐的底焦高度H約為0.5D熔（大修爐后首次開爐除外）即可滿足要求。

3 底焦高度控制

沖天爐底焦高度分為裝爐底焦高度和運(yùn)行底焦高度，裝爐底焦高度為加入第一批金屬料時(shí)的底焦高度，運(yùn)行底焦高度為熔化過程中的底焦高度。

3.1 裝爐底焦高度控制

沖天爐熔煉裝爐底焦高度應(yīng)比熔化時(shí)的運(yùn)行底焦高度高，這是因?yàn)殚_爐初期的爐料、爐缸、過橋、流槽等未預(yù)熱，需吸收焦炭燃燒熱量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)開爐初期鐵液溫度較低，流動(dòng)性差，且氧化嚴(yán)重，另一方面鐵液質(zhì)量差，形核核心少，孕育性較差。為保證開爐初期半小時(shí)內(nèi)熔化的鐵液滿足工藝要求，需提高裝爐底焦高度。

底焦預(yù)吹時(shí)間需嚴(yán)格控制，若預(yù)吹時(shí)間過長(zhǎng)，底焦匱乏，導(dǎo)致熔化過程中底焦高度迅速下降，將嚴(yán)重影響鐵液化學(xué)成分及溫度。若裝爐底焦高度偏低或裝爐底焦質(zhì)量較差，將直接造成熔煉的鐵水溫度低，氧化嚴(yán)重，流動(dòng)性差，同時(shí)造成熔渣過稠堵塞出鐵口，打不開出鐵口等故障，影響正常操作。

為準(zhǔn)確測(cè)量底焦高度，要測(cè)三個(gè)點(diǎn)取平均值。圖1所示的是一個(gè)可以精確測(cè)量底焦高度的裝置。搖臂有兩個(gè)作用：一是到達(dá)沖天爐的中心，二是搖動(dòng)搖臂至爐內(nèi)的左側(cè)、中間、右側(cè)分別測(cè)量，然后取平均值作為底焦高度最終測(cè)量結(jié)果。

圖1 底焦高度測(cè)量工具（單位:mm）

裝爐底焦高度應(yīng)根據(jù)沖天爐熔煉條件改變，沖天爐每連續(xù)運(yùn)行45天需打掉爐底耐火材料，修筑新的耐火材料，修爐底后開爐第一天底焦高度控制非常重要，關(guān)系著沖天爐能否正常出鐵。新開爐底焦高度控制比連續(xù)熔煉時(shí)要高0.3m～0.4m，我公司EC&S沖天爐修爐底后首次開爐裝爐底焦高度為1.5m～1.6m.因沖天爐修爐底后爐底、爐缸、過橋、流槽等新筑了耐火材料，吸收鐵液熱量，要保證熔化初期的鐵液可以澆注鑄件，須要求熔煉初期的鐵液必須是高溫鐵液，即使有熱量損失，也能生產(chǎn)出合格的鑄件。底焦測(cè)量完成后裝爐料前，加入2～3批石灰石，這有利于熔化初期的造渣，使焦炭更好地燃燒，提高爐溫，從而改善出鐵情況。

不連續(xù)生產(chǎn)條件下，沖天爐每次熔化完畢，排凈虹吸分渣器和沖天爐內(nèi)殘鐵和殘?jiān)鶝_天爐內(nèi)裝入適量焦炭，并將出鐵口用耐火泥球封住。下次開爐，加料前加入合適量焦炭預(yù)吹至工藝要求底焦高度，加滿料后即可開風(fēng)熔化[4]。但停爐一天以上時(shí)，停爐期間需補(bǔ)充焦炭，防止熄火。同時(shí)根據(jù)停爐天數(shù)選擇適宜的底焦高度，停爐時(shí)間越長(zhǎng)，爐內(nèi)溫度越低，需更多的焦炭燃燒提供熱量，應(yīng)適當(dāng)提高底焦高度。

裝爐底焦高度是否合適，可通過以下方式進(jìn)行判斷：通過風(fēng)口觀察沖天爐內(nèi)部的狀況，察看鐵水從風(fēng)口前滴落的跡象。通常，此跡象發(fā)生在向沖天爐送風(fēng)后3m in～6m in，看見第一滴鐵水后（表明熔化已經(jīng)開始），沖天爐繼續(xù)運(yùn)行約18m in～20m in，即可出鐵，如不出鐵，則表明底焦高度不合適。

3.2 運(yùn)行底焦高度控制

在沖天爐熔煉過程中，如果層焦量加入過少，不足以補(bǔ)償?shù)捉谷紵?，將造成運(yùn)行底焦高度下降，從而導(dǎo)致鐵液碳含量和溫度逐漸降低。以EC&S沖天爐為例，正常熔煉送風(fēng)量為（24 000～30 000）C MH，若鐵液中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降在0.1%以內(nèi)，鐵液溫度降低不顯著，可將層焦量適當(dāng)增加10 kg逐步加以補(bǔ)充，并適當(dāng)降低風(fēng)量（1 000～3 000）C MH；若鐵液中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降0.1%以上，則須根據(jù)碳含量下降程度補(bǔ)充200 kg以上接力焦，并適當(dāng)減少風(fēng)量，若鐵水溫度下降明顯，同時(shí)硅燒損嚴(yán)重，需富氧提高熱風(fēng)溫度，以保證鐵液溫度。補(bǔ)充接力焦的方法控制底焦高度往往只能作事后的補(bǔ)救，由于沖天爐滿爐運(yùn)行時(shí)，爐料從加料口到達(dá)熔化區(qū)一般需要1 h，接力焦加入爐內(nèi)到起作用需要1 h，這期間熔煉出的鐵液溫度低、流動(dòng)性差，且沖天爐熔化速率較低。如果鐵水碳含量偏高，說明底焦高度偏高，層焦量多于底焦的燃燒，需臨時(shí)適當(dāng)提高風(fēng)量（1 000～3 000）C MH，并減少層焦量10 kg以上，以控制底焦高度繼續(xù)升高，增風(fēng)期間沖天爐熔化率會(huì)有所增加。增風(fēng)1h后，當(dāng)減少層焦的爐料達(dá)到熔化區(qū)時(shí)，必須逐漸減少風(fēng)量，恢復(fù)沖天爐原來風(fēng)量。

因此，沖天爐熔煉過程中，為使消耗的底焦得到層焦的補(bǔ)充，送風(fēng)量必須與焦炭的消耗量相適應(yīng)，即理論上的“風(fēng)焦平衡”。沖天爐熔煉過程中，層焦量根據(jù)鐵水碳含量和溫度及時(shí)調(diào)整，鐵焦比一般為7.5～8.5.底焦高度及送風(fēng)量直接反應(yīng)在鐵水溫度上，圖2為鐵焦比為7.8～7.9時(shí)EC&S沖天爐送風(fēng)量控制圖。

圖2 鐵焦比為7.8～7.9時(shí)EC&S沖天爐風(fēng)量控制圖

35 t/h沖天爐裝爐底焦高度高于運(yùn)行底焦高度，另外開風(fēng)熔化至出鐵水時(shí)間為25m in，這期間熔化的鐵水存留在爐缸，鐵水增碳較多，由于裝爐底焦高導(dǎo)致高碳鐵液延續(xù)1 h，嚴(yán)重時(shí)雙聯(lián)的80 t電爐鐵水碳含量超出工藝范圍，影響生產(chǎn)。為解決此問題，優(yōu)化配料工藝，將配料中前15批料層焦量降低，即運(yùn)行30m in后降低沖天爐運(yùn)行底焦高度，同時(shí)將批料中廢鋼的比例增加10%，沖天爐熔化的鐵水30m in后碳含量降至工藝要求，解決了鐵水碳含量偏高的問題。

4 焦炭的影響

焦炭是沖天爐熔煉的主要熱源，同時(shí)也是鐵液中碳元素的重要來源，焦炭質(zhì)量直接決定了鐵液溫度及成分的穩(wěn)定性。因此，必須嚴(yán)格控制焦炭質(zhì)量。

4.1 焦炭塊度

焦炭的塊度對(duì)沖天爐熔煉影響很大。焦炭塊度應(yīng)力求與沖天爐爐膛的直徑相適應(yīng)，且塊度應(yīng)力求均勻，塊度不均勻會(huì)導(dǎo)致焦炭互相擠壓，送風(fēng)阻力較大，空氣難以吹入，影響焦炭燃燒[5]。

焦炭塊度過小會(huì)產(chǎn)生如下問題：

1）由于焦炭的表面積大，燃燒反應(yīng)加速，從而縮短了氧化帶，致使高溫區(qū)域縮短，爐氣的最高溫度降低，不利于鐵料的預(yù)熱；

2）造成送風(fēng)阻力增大，空氣難以深入爐子中心，爐壁效應(yīng)加劇，使?fàn)t內(nèi)溫度分布更加不均勻，熔化帶位置下移，鐵液溫度降低[3]；

3）燃燒速度快加快底焦消耗，迅速降低底焦高度，減少鐵液過熱距離，大幅降低鐵液溫度。

焦炭塊度過大時(shí)，雖然還原反應(yīng)受到一定的抑制，但燃燒速度慢，此時(shí)，雖然燃燒區(qū)域不集中，但爐氣最高溫度低，對(duì)鐵液過熱不利。同時(shí)焦炭塊度過大，鐵液與焦炭的接觸面積小，不利于鐵液增碳。

4.2 焦炭成分

高質(zhì)量的焦炭灰分含量低，可減少焦炭表面隔離層的厚度，增大燃燒速度，強(qiáng)化燃燒過程，且焦炭表面燃燒溫度提高，有利于焦炭過熱及增碳，因此要求適當(dāng)降低運(yùn)行底焦高度，否則鐵水碳含量超出工藝上限影響生產(chǎn)。

公司選用焦炭技術(shù)要求如表2所示。

表2 35 t/h沖天爐焦炭技術(shù)要求

5 結(jié)論

生產(chǎn)實(shí)踐證明，35 t/h沖天爐底焦高度的控制關(guān)系到鐵水溫度及化學(xué)成分穩(wěn)定，通過合理控制裝爐底焦及運(yùn)行底焦高度可保證沖天爐穩(wěn)定運(yùn)行。前提需保證焦炭質(zhì)量，焦炭塊度與爐膛直徑相適應(yīng)，滿足技術(shù)要求。

［1］張伯明，陸文華，孫國(guó)雄，等.鑄造手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［2］孟慶雙，劉平讓，岳常青，張明.沖天爐底焦操作的一些技巧［J］.鑄造設(shè)備研究，2007（5）：37-39.

［3］周繼揚(yáng).沖天爐問答［M］.第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

［4］喬進(jìn)國(guó)，李孝艷，王安家，等.35 t/h熱風(fēng)水冷長(zhǎng)爐齡沖天爐及其應(yīng)用［J］.中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2014（1）：28-29.

［5］王秀國(guó).沖天爐底焦高度的控制［J］.機(jī)械工人（熱加工）：2007（8）：72-73.

Coke Bed Height Control of 35 t/h Hot-blast Oxygen-enrichm ent Cupola

LIXiao-yan，SUN Fan，QIAO Jin-guo
（Weichai Power Casting&Forging CO.，LTD.，Weifang Shandong 261199，China）

The importance and control points of coke bed height of 35 t/h cupola were introduced in this paper.The coke bed height in charging and in running were introduced especially.The reasonable coke bed height was calculated according to the practical experience and theory.

35 t/h cupola，coke bed height，coke

TG232.1

A

1674-6694（2017）03-0003

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.03.001

2017-03-17

李孝艷（1983-），女，工程師，主要從事熔煉方面的工作。