水冷式沖天爐的研制及其冶煉研究

李 偉，劉繼雄，胡雪沁

(廣鋼氣體(廣州)有限公司，廣東 廣州 511458)

水冷式沖天爐在冶煉過程中，當檢測到的鐵水溫度需要調整時，通常通過增加或減少層焦的加料比例來實現(xiàn)鐵水溫度的調整[1-2]。然而，這種調整方式存在鐵水溫度滯后性強的問題，每次調整焦炭后，約1 h才能在鐵水上觀測鐵水溫度的變化[3-4]。當降低鐵水溫度時，滯后性帶來的問題會導致高溫合金燒損比預期大，合金化后成分不準確；當升高鐵水溫度時，滯后性帶來的問題會導致鐵水品質低[5-7]。張明等[8]基于焦炭燃燒理論、以燃燒比進行沖天爐風焦聯(lián)合控制的數(shù)值模型,討論了熱風單元和除塵系統(tǒng)正常工作所涉及的燃燒學問題,提出了一種由三級爐氣成分在線檢測儀組成的熱風單元控制系統(tǒng)，指出了除塵系統(tǒng)處理風量的控制要點和風量控制方式。但該沖天爐理論還只停留于實驗室階段，不能及時解決工業(yè)應用問題。毛永濤等[9]利用的熱風水冷富氧沖天爐熔煉，利用熱風水冷富氧沖天爐熔煉的冶金特點, 通過對原材料進行選擇及優(yōu)化爐料配比, 熔化出優(yōu)質鐵液，通過優(yōu)化孕育處理及合金化工藝, 從而獲得高強度灰鑄鐵氣缸體熔液。但是在鐵水溫度需要調整時，也是通過增加或減少層焦的加料比例來實現(xiàn)鐵水溫度的調整，同樣存在著鐵水溫度滯后性強的問題。

本工作為克服上述現(xiàn)有技術沖天爐在調整鐵水溫度時，存在著鐵水溫度滯后性強的問題，提出一種水冷式沖天爐。該水冷式沖天爐的爐體下部設置有鐵水出口，爐體的上部設置有用于進料以及排煙的加料口，爐體外側還設置有用于冷卻爐體的冷卻裝置，爐體中部外側設置有進風裝置，該進風裝置連通有第一進風管，還包括供氧裝置，與其中部分進風口相連通。并針對該沖天爐提出一種水冷式沖天爐的冶煉方法，可以快速達到調節(jié)鐵水溫度的目的，解決鐵水溫度滯后性問題。

1 水冷式沖天爐的工藝設計

1.1 爐體結構

如圖1所示，爐體1的下部設置有鐵水出口2，爐體1的上部設置有用于進料以及排煙的加料口3，爐體1外側還設置有用于冷卻爐體1的冷卻裝置，爐體1中部外側設置有進風裝置4，進風裝置4連通有第一進風管5，第一進風管5上設置有若干與爐體1相連通的進風口6，還包括供氧裝置7，供氧裝置7與其中部分進風口6相連通。

其中，供氧裝置7通過供氧管道71與第一進風管5上的進風口6相連通。供氧管道71的一端與供氧裝置7相連接，供氧裝置7可以是外接的氧氣源，通過供氧管道71與進風口6，可以將外接的氧氣輸送至爐體1中。

1.2 進風結構

進風口6還設有氧槍72，氧槍72與供氧管道71相連通，氧槍72還與控制器的輸出端相連。在本實施例中，氧槍72的一端與供氧管道71相連，氧槍72設置在進風口6上，在控制器的控制下，可以通過氧槍72將供氧裝置7中的氧氣噴射至爐體1內，能夠更好地為爐體1中的燃燒起到助燃效果。需要說明的是，供氧管道71的一端與供氧裝置7相連接，供氧裝置7可以是外接的氧氣源，另一端沿著爐體1外周設置并對該端進行密封處理，環(huán)繞在爐體1外周側的供氧管道71可以通過焊接的方式安裝在爐體1上，由于供氧管道71環(huán)繞設置在爐體1的外周，可以利用爐體1的熱量對供氧管道71內的氧氣進行預熱，從而更好地起到助燃效果。第一進風管5上有若干進風口6，氧槍72間隔設置在若干進風口6處，氧槍72一端與環(huán)繞在爐體1外周的供氧管道71相連通。其中，進風腔41中設置有用于過濾空氣雜質的空氣過濾器43?？諝膺^濾器43能夠過濾進入到第一進風管5、第二進風管8中的雜質，避免進入到爐體1中的雜質對爐體1內的燃燒造成影響。需要說明的是，空氣過濾器43可以通過焊接的方式安裝在進風腔41的內壁上。

1.3 溫度傳感器

爐體1中設置有用于檢測爐體1中鐵水溫度的溫度傳感器，溫度傳感器連接控制器的輸入端，控制器的輸出端與供氧裝置7相連。，供氧裝置7可以是外接的氧氣源，溫度傳感器檢測鐵水的問題，并把檢測的鐵水溫度傳遞至控制器，控制器接收到鐵水溫度數(shù)據低于設置的溫度時，控制器指令供氧裝置7向爐體1中輸入氧氣，為爐體1內的燃燒起到助燃的作用，從而提高鐵水的溫度。需要說明的是，溫度傳感器設置在爐體1內，在圖中未表明。此外，控制器設置在爐體1外，避免高溫環(huán)境對控制器造成損壞。

1.4 冷卻裝置

另外，冷卻裝置包括螺旋設于爐體1外側的冷卻水道10以及用于向爐體1外側噴淋冷卻水的噴淋裝置9。由于冷卻水道10螺旋設置在爐體1外側，延長了冷卻水道10與爐體1之間的熱交換時間，起到更好的冷卻效果。噴淋裝置9則直接對爐體1外側進行噴淋，對爐體1的外側進行降溫。需要說明的是，噴淋裝置9通過固定安裝在爐體1外側的支架13進行安裝，且噴淋裝置9沿爐體1周向均勻安裝。為了避免淋浴在爐體1外周上的冷卻水進入到鐵水出口2中，在鐵水出口2的上方與爐體1固定連接有遮雨蓋14，遮雨蓋14可以采用焊接的方式也可以采用螺紋連接的方式與爐體1相連。

圖1 水冷式沖天爐的結構示意圖

2 水冷式沖天爐結構特點及其冶煉應用

2.1 結構特點

爐體的下部設置有鐵水出口，爐體的上部設置有用于進料以及排煙的加料口，爐體外側還設置有用于冷卻爐體的冷卻裝置，爐體中部外側設置有進風裝置，進風裝置連通有第一進風管，第一進風管上設置有若干與爐體相連通的進風口，還包括供氧裝置，供氧裝置與其中部分進風口相連通。

爐體中包括了供氧裝置，供氧裝置7可以通過進風口6向爐體1內部輸送氧氣，當需要調整鐵水溫度時，通過調節(jié)供氧裝置7向爐體1的進氧量與進風裝置4向爐體1的進風總量之間的比值，從而可以快速達到調節(jié)鐵水溫度的目的，避免現(xiàn)有技術中通過增加或減少層焦的加料比例來實現(xiàn)鐵水溫度的調整存在著鐵水溫度滯后性強的問題。

2.2 冶煉應用

當使用該爐體進行冶煉應用時，在冶煉過程中，需要升高鐵水溫度時，增大供氧裝置7向爐體1的進氧量，并使得供氧裝置7向爐體1的進氧量與進風裝置4向爐體1的進風總量之間的比值為(1～2):100；當需要降低鐵水溫度時，減小供氧裝置7向爐體1的進氧量，并使得供氧裝置7向爐體1的進氧量與進風裝置4向爐體1的進風總量之間的比值為(1～2):100。 本工藝可有效地將調整鐵水溫度的滯后時間從1.5～2 h降低至20～25 min；富氧后，產能可增加10%～20%，同樣的產量，可縮短沖天爐運行時間約1 h，相當于增加了1 h的時間窗口用于維護耐火材料；富氧后，硅燒損降低10%～30%；富氧后焦炭(層焦)節(jié)省10%～20%。

以一臺以20 t/h的水冷式短爐齡沖天爐為例，下風管有10個風口，層焦為115 kg(10%的焦鐵比)，進風裝置4產生的助燃風的風量為16000 Nm3/h，硅燒損為25%～30%。

(1)設定層焦為95 kg，基準加氧量為160 Nm3/h，投料速度匹配23 t/h的產量，沖天爐點火后，通過進風裝置4的助燃風量穩(wěn)定在16000 Nm3/h后，啟動供氧裝置7，30 min后加氧量設定為210 Nm3/h，第一桶鐵水溫度為1460～1475 ℃，溫度穩(wěn)定。

(2)保持層焦為95 kg，加氧量設定為280 Nm3/h，保持加料速度匹配23 t/h的產量，15 min后檢測到鐵水溫度上升至1480～1490 ℃，20 min后，鐵水溫度穩(wěn)定在1485～1500 ℃。

(3)保持層焦為95 kg，加氧量設定為320 Nm3/h，保持加料速度匹配23 t/h的產量，15 min后檢測到鐵水溫度上升至1500～1510 ℃，20 min后，鐵水溫度穩(wěn)定在1505～1520 ℃。

(4)層焦設置為105 kg，加氧量保持320 Nm3/h，保持加料速度匹配23 t/h的產量，1 h后，檢測到鐵水溫度上升至1520～1530 ℃，并持續(xù)上升，100 min后，鐵水溫度穩(wěn)定為1545～1565 ℃(鐵水溫度超高)。

(5)反復實驗(1-3)，結果基本一致；逆序操作(3-1)，鐵水降溫的滯后時間從20 min增加至25 min。

此外，檢測(1-3)過程中鐵水的質量：硅燒損從25%～35%，降至17%～24%，均值降低30%；錳燒損幾乎一致；增碳從6%～8%降低至5%～6%，均值降低20%，但仍然滿足鐵水增碳的質量要求。

3 結 論

本文為了克服現(xiàn)有沖天爐在調整鐵水溫度時，存在著鐵水溫度滯后性強的問題，提出一種水冷式沖天爐。該水冷式沖天爐通過調節(jié)供氧裝置向爐體的進氧量與進風裝置向爐體的進風總量之間的比值，從而可以快速達到調節(jié)鐵水溫度的目的，避免現(xiàn)有技術中通過增加或減少層焦的加料比例來實現(xiàn)鐵水溫度的調整存在著鐵水溫度滯后性強的問題。并針對該沖天爐提出一種水冷式沖天爐的冶煉方法，可有效地將調整鐵水溫度的滯后時間從1.5～2 h降低至20～25 min；富氧后，產能可增加10%～20%，同樣的產量，可縮短沖天爐運行時間約1 h，相當于增加了1 h的時間窗口用于維護耐火材料；富氧后，硅燒損降低10%～30%；富氧后焦炭(層焦)節(jié)省10%～20%。