鑄造焦品質(zhì)對(duì)沖天爐熔煉鐵液質(zhì)量的影響因素研究

趙寶龍

（山西沁新能源集團(tuán)股份有限公司煤轉(zhuǎn)化技術(shù)研發(fā)中心，山西 長治 046500）

我國正處于由鑄造大國走向鑄造強(qiáng)國的過程中，隨著汽車、機(jī)床、航空、航天、艦船及石油等行業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)生產(chǎn)高性能、高精密和高精尖鑄件的要求日益強(qiáng)烈，同發(fā)達(dá)國家對(duì)比鑄件在性能與質(zhì)量上的差距反映出了我國鑄鐵件在冶煉質(zhì)量上有一定的差距與缺陷。

目前熔煉采用的爐型設(shè)備主要有沖天爐和感應(yīng)電爐兩種，雖然電爐在節(jié)能降耗方面有較大的優(yōu)勢(shì)，但由于起步較晚，在設(shè)備的大型化和鐵液質(zhì)量方面有一定局限性，國內(nèi)鑄造廠家所采用較多的為沖天爐熔化+感應(yīng)電爐保溫精煉的雙聯(lián)方式進(jìn)行鑄造熔煉，它的優(yōu)點(diǎn)是可最大限度地利用沖天爐的熔化效率，再利用感應(yīng)電爐的過熱優(yōu)勢(shì)，在使用沖天爐進(jìn)行熔鐵過程中使用的最主要燃料是鑄造焦，該類焦炭是一種能夠使?fàn)t料進(jìn)行熔化并且能增加鐵水溫度的燃料[1]。

1 大型鑄造熔煉沖天爐對(duì)鑄造焦的質(zhì)量要求

從鑄造焦在沖天爐內(nèi)的作用可將其產(chǎn)品的品質(zhì)指標(biāo)分為兩類，第一類為表征理化性能的指標(biāo)，主要為水分、灰分、揮發(fā)分、硫分、磷分和固定碳等，第二類為表征操作性能的指標(biāo)，主要為塊度、反應(yīng)性、反應(yīng)后強(qiáng)度、抗碎強(qiáng)度、耐磨強(qiáng)度和顯氣孔率等，由于第一類指標(biāo)受到煉焦用煤固有指標(biāo)的限制，并且對(duì)沖天爐熔煉影響相關(guān)性較強(qiáng)，現(xiàn)主要對(duì)鑄造焦的第二類指標(biāo)進(jìn)行研究和分析[2]。

1.1 塊度尺寸要求

對(duì)于鑄造用沖天爐來說，焦炭尺寸大小的選擇與沖天爐爐徑和熔化速率有一定關(guān)系，隨著爐徑和熔化速率的增加塊度也需要適當(dāng)增加，并且要求沖天爐的底焦塊度要比層焦大，塊度過大并且均勻的底焦對(duì)氣流的阻力小，從而保證風(fēng)量更容易和均勻分布在底焦中心。熔煉中需保持塊度在一定的范圍內(nèi)，因?yàn)檫^大或過小的塊度都會(huì)造成鐵液的質(zhì)量和溫度的下降。

1）當(dāng)加入的鑄造焦塊度過大時(shí)，會(huì)造成參與反應(yīng)的焦炭表面積下降，導(dǎo)致焦炭在爐內(nèi)的燃燒速率下降，拉長氧化帶，造成爐內(nèi)的高溫區(qū)分散，爐內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)溫度達(dá)不到所需要的規(guī)定溫度和過熱溫度，并且過大的焦炭會(huì)造成熔化后的鐵液與焦炭的接觸界面減少，不利于碳質(zhì)晶的核形，不利于鐵液的增碳。

2）當(dāng)加入的鑄造焦塊度過小時(shí)，會(huì)造成焦炭燃料表面積的增加，從而縮短了氧化帶，造成送風(fēng)阻力增大，空氣難以深入爐子中心，爐壁效應(yīng)加大，使?fàn)t內(nèi)溫度分布更加不均勻，熔化帶位置下移，加快底焦消耗，嚴(yán)重降低底焦高度，減少鐵液過熱距離，降低鐵液溫度[3-4]。

1.2 高溫下反應(yīng)性的要求

焦炭的反應(yīng)性主要是指焦炭與二氧化碳在高溫下的化學(xué)反應(yīng)能力，實(shí)際上焦炭在沖天爐內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)非常復(fù)雜，對(duì)鐵液質(zhì)量影響也很大，焦炭的反應(yīng)性越高，在爐內(nèi)的燃燒速率就越快，造成底焦中氧化區(qū)縮小，還原區(qū)擴(kuò)大，當(dāng)焦炭的反應(yīng)性繼續(xù)增加時(shí)，會(huì)造成還原區(qū)與氧化區(qū)進(jìn)一步接近，氧化區(qū)內(nèi)最高溫度下降，對(duì)鐵液的過熱非常不利。當(dāng)然，焦炭的反應(yīng)性也不是越低越好，當(dāng)焦炭的反應(yīng)性過低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致沖天爐的氧化區(qū)擴(kuò)大，造成高溫下被熔化的鐵液產(chǎn)生氧化生成鐵的氧化物可能性增加，同樣會(huì)降低鐵液的性能。

1.3 抗冷熱強(qiáng)度的要求

鑄造焦除在運(yùn)輸、裝卸和轉(zhuǎn)載過程中會(huì)受到?jīng)_擊和磨損外，在入爐過程中也會(huì)受到鐵塊和廢鋼等物料的撞擊，為保證焦炭進(jìn)入沖天爐后在冷態(tài)和熱態(tài)下塊度的均勻性和抗沖擊性能，爐內(nèi)料柱有良好的透氣性，要求沖天爐內(nèi)使用的焦炭具有足夠的抗碎強(qiáng)度、耐磨強(qiáng)度、落下強(qiáng)度和高溫下參與化學(xué)反應(yīng)后的強(qiáng)度[5]。

2 鑄造焦生產(chǎn)現(xiàn)狀分析

鑄造焦的主要來源為使用熱回收焦?fàn)t生產(chǎn)鑄造焦和從冶金焦產(chǎn)品中分選出大塊焦炭作為鑄造焦使用。由于冶金焦反應(yīng)性較高和氣孔率較大等原因造成沖天爐爐況運(yùn)行不利，采用熱回收焦?fàn)t生產(chǎn)的鑄造焦品質(zhì)較高，特別是生產(chǎn)的低反應(yīng)性鑄造焦可以降低焦炭與二氧化碳的吸熱反應(yīng)速率，具體分析熱回收焦?fàn)t生產(chǎn)的鑄造焦產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)良的主要原因?yàn)橛梢韵氯齻€(gè)方面決定[6-7]。

2.1 爐型結(jié)構(gòu)方面

熱回收焦?fàn)t屬于內(nèi)熱式焦?fàn)t，爐型分為立式和臥式兩種，負(fù)壓狀態(tài)下運(yùn)行，主要以臥室熱回收焦?fàn)t為主，外觀為扁平狀，長度基本都在13 m 以上，寬度3.5 m 左右，高度2.5 m 左右，炭化室寬度和容積大，裝煤方式全部為搗固側(cè)裝，煤餅呈現(xiàn)橫臥式，單爐裝煤量可達(dá)到40～60 t，煤餅的上部圓拱空間較大，在煉焦過程中產(chǎn)生的橫向壓力可以轉(zhuǎn)化為部分縱向壓力，向上部分釋放能量，從而起到了緩解爐壁的壓力，這就可以配入部分高變質(zhì)程度的煙煤及部分無煙煤，由于該類焦?fàn)t在爐型結(jié)構(gòu)上采用的大容積設(shè)計(jì)和通過搗固裝煤，在一定程度上具備了生產(chǎn)大塊焦炭的可能性。

2.2 配煤結(jié)構(gòu)方面

對(duì)于生產(chǎn)鑄造焦而言，要求焦炭的灰分低、硫分低，而我國低灰低硫且又適用于煉焦的煤種資源緊缺，一些煉焦主要基礎(chǔ)煤種，比如：肥煤、焦煤等分布極不均勻，并且存在灰分和硫分偏高的特點(diǎn)，造成優(yōu)質(zhì)低灰低硫的煉焦用煤價(jià)格貴且煤源不足，這就造成生產(chǎn)鑄造焦的成本高的特點(diǎn)。

為了降低煉焦基礎(chǔ)煤種的用量，同時(shí)為保證生產(chǎn)出的焦炭具有足夠大的塊度和塊度上的均勻性，在配煤技術(shù)中通過配入石油焦、延遲焦或煤系的半焦粉、焦粉等惰性物質(zhì)，配加該類物質(zhì)后，可降低半焦的收縮系數(shù)，減小半焦層間收縮差，提高半焦的強(qiáng)度和減少裂紋的產(chǎn)生數(shù)量，同時(shí)改善焦炭的氣孔結(jié)構(gòu)，提高焦炭的強(qiáng)度。

2.3 熱工制度方面

熱回收焦?fàn)t的加熱方式為荒煤氣直接燃燒加熱，炭化室內(nèi)煤餅熱解揮發(fā)產(chǎn)生的荒煤氣溢散，進(jìn)入爐頂空間與拱頂?shù)囊淮闻滹L(fēng)口配入的空氣接觸后，在爐內(nèi)上部燃燒產(chǎn)生一定的熱量用于提供干餾所需的溫度，爐頂未能完全燃燒的荒煤氣和部分廢氣經(jīng)由主墻下降火道進(jìn)入炭化室底板下火道與二次配入的空氣進(jìn)行接觸燃燒釋放出熱量，燃燒后的廢氣經(jīng)由煙道排出至余熱發(fā)電工序。

為生產(chǎn)出塊度較大鑄造焦，需要在結(jié)焦后期，特別是成焦過程中的前后兩次收縮階段，適當(dāng)降低焦炭的加熱速率，緩解和降低裂紋的形成。通過試驗(yàn)分析，將搗固裝煤溫度控制在760～780 ℃，結(jié)焦前期升溫速率為2.5 ℃/h，結(jié)焦中期升溫速率為1 ℃/h，結(jié)焦后期升溫速率為1.5 ℃/h，標(biāo)準(zhǔn)溫度為960～980 ℃，焦炭成熟后控制悶爐時(shí)間在6～8 h。通過悶爐可以使結(jié)焦后期的熱分解與熱縮聚程度提高，可以進(jìn)一步降低焦炭的揮發(fā)分含量，又可以改善焦炭的氣孔結(jié)構(gòu)，增加氣孔壁的致密性，達(dá)到降低氣孔率和高溫反應(yīng)性的目的。在此熱工制度下既可以保證生產(chǎn)出高品質(zhì)的大塊鑄造焦，又可以保證日產(chǎn)量達(dá)標(biāo)。

3 結(jié)論

1）鑄造焦的第二類質(zhì)量指標(biāo)中使用低反應(yīng)性和塊度大且均勻的鑄造焦在沖天爐熔煉過程中可以提高熔煉工序的穩(wěn)定性，使得鐵液的質(zhì)量有了大幅的提升，特別是為高性能、高精密、高精尖鑄件的加工提供了重要的原料支撐。

2）在鑄造焦炭的生產(chǎn)爐型中，以熱回收焦?fàn)t具有更大的優(yōu)勢(shì)，特別是熱回收焦?fàn)t的炭化室具有扁平化的結(jié)構(gòu)，可以更好的適應(yīng)沖天爐用鑄造焦對(duì)塊度的要求，同時(shí)配合適宜的溫度制度和配煤結(jié)構(gòu)，在生產(chǎn)高品質(zhì)焦炭方面即可保證產(chǎn)率達(dá)標(biāo)，又可保證生產(chǎn)的焦炭質(zhì)量滿足沖天爐熔煉的需求。