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關(guān)于長爐齡沖天爐的一些技術(shù)問題的探討
江陰市鑄造設備廠 夏汝明
江 蘇 大 學 何光新

【摘　要】:本文就長爐齡沖天爐存在的一些技術(shù)問題的現(xiàn)況,根據(jù)我們的沖天爐設計和實踐的經(jīng)驗,提供一些看法供探討.
關(guān)鍵詞：長爐齡沖天爐

前 言
　　江陰市鑄造設備廠是生產(chǎn)沖天爐熔煉成套設備的專業(yè)老廠，其新老沖天爐系列產(chǎn)品，都是由課題立項、調(diào)研、試制、中試、鑒定、試生產(chǎn)、正式生產(chǎn)等一系列過程，經(jīng)漫長辛勤勞動開發(fā)出來的。
　　“新三化”系列兩排大間距雙層送風沖天爐，是原機械工業(yè)部下達的一項課題，并組織了沈陽鑄造研究所、原南京工學院、原華中工學院、原江蘇工學院及相關(guān)鑄造廠聯(lián)合攻關(guān)，經(jīng)過多年研究，在1988年10月通過原機械工業(yè)部部級課題成果鑒定。鑒定通過后，由原機械工業(yè)部審定，授權(quán)我廠定點^生產(chǎn)，迄今用戶已逾千，除西藏、臺灣的各省、市，用戶普通好評。并獲得市、省、國家的多項獎勵及榮譽稱號。
　　長爐齡冷風大排距雙層送風沖天爐，是我廠獨立自主立項開發(fā)研制的。本課題在長時間大量的“新三化”系列兩排大間距雙層送風沖天爐經(jīng)實際應用經(jīng)驗的基礎上，參考國內(nèi)外有關(guān)資料，反復研究—實踐—改進—總結(jié)提高后，才研制成功的。2001年6月由江蘇省科學技術(shù)廳、江蘇省經(jīng)貿(mào)委組織國內(nèi)知名^教授進行了鑒定，一致通過，頒發(fā)了科技成果鑒定證書及新技術(shù)新產(chǎn)品鑒定證書。與會^教授一致認定，長爐齡冷風大排距雙層送風沖天爐是國內(nèi)首創(chuàng)，達到了國內(nèi)^水平。插入式水冷風口達到了國際^。
　　“新三化”系列兩排大間距雙層送風沖天爐，經(jīng)鑒定至今已過去十多年了；長爐齡冷風大排距雙層送風沖天爐，經(jīng)鑒定至今也已過去了近四年。經(jīng)過這么長的時間的實踐，我們愿意就長爐齡沖天爐有關(guān)的一些技術(shù)問題，就我們的認識提供一些探討意見，供與會各位^、教授及同行的朋友們一起探討。

一、長爐齡冷風大排距雙層送風沖天爐的立項回顧
——長爐齡沖天爐是我國沖天爐發(fā)展的歷史必然
　　我廠自89年立項研發(fā)長爐齡冷風大排距雙層送風沖天爐到2001年通過江蘇省“科技成果”和“新技術(shù)新產(chǎn)品”兩項鑒定。實踐證明，在我國推廣長爐齡沖天爐，是我國鑄造事業(yè)發(fā)展的必然趨勢，是歷史賦予我們的神圣使命。
　　權(quán)威資料表明∶我國現(xiàn)有鑄造廠點24000個左右，比全世界32個發(fā)達國家和較發(fā)達國家加在一起的22326家的總和還要多。僅山東濰坊一個市，就有鄉(xiāng)鎮(zhèn)鑄造企業(yè)3000余家，比美國全國的鑄造廠點2950家還多出50家以上。而美國1996年的產(chǎn)量是14074000噸（資料來源：繆良：“鄉(xiāng)鎮(zhèn)鑄造企業(yè)何去何從”《全國鄉(xiāng)鎮(zhèn)鑄造企業(yè)廠長會議》發(fā)言，1998年8月30日）。這篇資料的內(nèi)容今日回顧，仍感到非常中肯和重要。對照我國情況，如此眾多的廠點，平均算起來，每個廠的年生產(chǎn)量不過500~600噸左右（按現(xiàn)在我國鑄件產(chǎn)量在13000~15000萬噸左右來計算），那么每月產(chǎn)量不過40~50噸，每日產(chǎn)量只有2~3噸，難免有些小廠點，每月開爐不過1~2次，這樣的小廠點，當然不能保證鑄件的品質(zhì)，更談不上運用先進的除塵設備，對環(huán)境的破壞貽害無窮，而能源的浪費更是驚人。所以，未來十年鑄造廠點（包括國有企業(yè)）關(guān)停并轉(zhuǎn)掉70%，確非危言聳聽，而是經(jīng)濟歷史發(fā)展的必然趨勢。為了適應這種歷史的發(fā)展，沖天爐制造向大中型爐發(fā)展，乃至發(fā)展長爐齡沖天爐，實在是勢在必行。
　　在此形勢下，我廠立項研制并鑒定了長爐齡大排距雙層送風沖天爐，實是把握住了這個機遇。事實證明，近幾年來向我廠訂購長爐齡沖天爐的廠家日益增多，也正好說明：我國的鑄造行業(yè)正向著正常、健康、科學的方向發(fā)展。
單班制工作的沖天爐，技術(shù)上已經(jīng)相對成熟，長爐齡沖天爐的設計、制造、應用，才不過短短幾年的時間。所以，關(guān)于長爐齡沖天爐的設計，需研究探討的問題還有很多很多。萬事開頭難，一項技術(shù)發(fā)展的初期引起一些技術(shù)上不同意見的爭論，也是很自然的事情。

二、當前沖天爐研制的出發(fā)點——長爐齡
　　課題開始，首先面對的根本問題是對什么是“長爐齡”的理解，究竟一次開爐持續(xù)多長的熔煉時間才算長爐齡？我們要開發(fā)什么樣的長爐齡沖天爐？
長爐齡的理解說法不一，我們從多年來供應廠商的需要總結(jié)，所謂長爐齡不外有以下幾種模式：
　　1. 連續(xù)熔煉2~3班以后，停風檢修；
　　2. 連續(xù)熔煉1~2周以后，停風檢修；
　　3. 連續(xù)熔煉1~2個月以后，停風檢修；
　　我們的理解，這三種模式，應該說都可謂長爐齡，因為這三種情況都需要對普通單班制沖天爐在結(jié)構(gòu)上做必要的改進，起碼要進行熔化帶爐殼水冷，再進一步應該考慮無爐襯問題，水冷插入式風口問題兩個分渣系統(tǒng)以及相應的電控系統(tǒng)。我們不必要界定長爐齡沖天爐必須像國外的一樣，一次開爐必須開1~2個月，因為就目前而言在我們國內(nèi)真正要一次開爐維持1~2個月才打爐的廠家畢竟還不多，這主要受制于鑄造廠家的年生產(chǎn)任務還達不到那么大，工人的操作習慣以及當前高級耐火材料的價格、質(zhì)量及供應問題。我廠供應的長爐齡沖天爐就是根據(jù)商家的實際需要，實事求是地靈活對待的。


三、長爐齡沖天爐爐型結(jié)構(gòu)的選擇
——單排風口還是兩排大間距雙層送風
　　國外引進的長爐齡沖天爐多是單排風口結(jié)構(gòu)，我廠研制的長爐齡沖天爐著眼于兩排大間距雙層送風。單排風口的沖天爐當然我廠也能做，然而我們?yōu)槭裁匆铝τ诎l(fā)展兩排大間距雙層送風呢？這里分析如下∶
　　應該說單排風口有其自身獨特的優(yōu)點，單排風口，風口數(shù)量少，結(jié)構(gòu)相對簡單，投資相應降低，運行和維護的費用也較少，鑄件的價格也就相應下降。但是，單排風口由于其風口數(shù)量少，在保證理論送風量的前提下，風口直徑應相應增加，這就要求使用的焦炭塊度大，為保證鐵液溫度要求焦炭固定碳含量高，因此焦炭的價格相應提高。多家工廠的實踐證明大風口使用小焦炭開爐都是不成功的。對焦炭要求的苛刻，應該說對于大面積推廣單排風口沖天爐的應用，不管是對普通沖天爐，抑或是長爐齡沖天爐，都有一定的限制。
　　回顧我國的鑄造發(fā)展史，歷史上由于我國沒有鑄造焦，所以對風口的研究特別多，有三排小風口、多排小風口（有的多至6、7排）、交叉風口、倒置風口、中央送風等等；同時，在爐型結(jié)構(gòu)上也是百花齊放，有所謂前爐回氣、多寶沖天爐、卡腰化鐵爐超聲波沖天爐、富氧送風沖天爐等等。在這五花八門的沖天爐中，就爐型結(jié)構(gòu)和送風系統(tǒng)而言，兩排大間距雙層送風沖天爐^終脫穎而出，站住了腳跟。這是因為理論和實踐證明：兩排大間距沖天爐適當?shù)卦黾恿松舷嘛L口間的距離，這就形成了兩個燃燒帶，這兩個燃燒帶疊加后形成兩個集中的高溫區(qū)，拉長了鐵液過熱的距離，從而提高了鐵液溫度。但是，如走另一個極端，就是過多的增加風口排數(shù)，例如三排甚至六、七排風口，則又過分的拉長了燃燒帶，不能形成一個集中的高溫區(qū)，對鐵液過熱反而不利，而且這種多排風口的焦炭燃燒方式，會造成過強的氧化性爐氣，使金屬爐料中的合金元素燒損嚴重，鐵液也容易被氧化，且修爐也特別麻煩。所以，三排及三排以上風口的沖天爐，在我國沖天爐應用中逐漸萎縮，現(xiàn)在仍在用的廠家已少之又少了了。
　　現(xiàn)在，我國沒有自己的鑄造焦的時代已經(jīng)結(jié)束了，單排風口沖天爐已經(jīng)可以成功地應用了。但選擇兩排大間距雙層送風沖天爐，在焦炭的選擇上適應性、靈活性更大，成本相對降低了，而鐵液溫度仍可得到保證，這樣就可以保證鑄件的品質(zhì)，同時增強了在市場上的競爭力。

四、使用冷風還是熱風的問題
　　進口國外的長爐齡沖天爐，一般都是熱風沖天爐，配套有爐外熱風裝置，可將鼓風機壓出的空氣加熱到400~650度（甚至更高），這稱為熱風沖天爐。
熱風沖天爐有其一系列的優(yōu)越性：
　　1、提高了爐氣溫度，從而提高了鐵液溫度，這就保證了鑄件品質(zhì)；
　　2、充分利用了焦炭的物理熱和化學熱，節(jié)約能源；
　　3、便于爐外脫硫；
　　4、使CO進一步燃燒的同時，降低了廢氣中CO的濃度，對環(huán)境保護有利。
雖然爐外熱風沖天爐有其無可爭議的優(yōu)越性，但在推廣起來還有一定的困難。我們所說的熱風，應該是風溫在400度以上的高溫熱風，而不是我們通常所使用的密筋爐膽僅靠爐氣物理傳熱而得到的熱風，風溫還不穩(wěn)定，通常僅在200度左右，實際上對提高鐵液溫度作用不大。而設置一臺爐外熱風裝置，由于其結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)的復雜，占地較大，成本較高，用戶受資金的限制，全面推廣就目前而言有事實上的困難。再加上空氣受熱后，溫度每提高一度，體積就要增加1/273，冷空氣膨脹后，體積增加了，而氧氣并沒有隨著空氣體積的增加而增加，所以，要達到和使用冷風時同樣的焦炭燃燒效果，勢必要增加沖天爐的送風量，增加送風速度，這就要求增加電機的功率。這方面的一系列問題，我們還沒有研究透徹，所以，現(xiàn)在國內(nèi)應用熱風沖天爐的一些廠家，鐵焦比反而不高，有的在1∶5左右，甚至1：3左右的也有，鑄件噸成本是相對較高的。
　　應用兩排大間距送風系統(tǒng)，即使是使用冷風，如前所述，由于形成了兩個疊加的高溫區(qū)，拉長了過熱帶，仍然可以得到1500度以上的高溫鐵液，滿足了鑄造廠家的需要。因此，我廠著眼于實際的可行性，仍致力于開發(fā)應用冷風的長爐齡沖天爐。
　　在此我們應該指出，由于熱風沖天爐可以充分燃燒爐氣中的CO，所以排放到大氣中的CO濃度大大降低，對環(huán)境保護^重要。因此，從環(huán)保角度出發(fā)，隨著對環(huán)境保護的要求日趨嚴格，推廣熱風沖天爐似乎仍是勢在必行。
　　冷風？熱風？^終看使用廠家的生產(chǎn)規(guī)模及其經(jīng)濟實力（一次性設備投資的能力）而定。

五、爐襯問題
　　受國外進口長爐齡沖天爐的影響，一般認為長爐齡沖天爐必需是水冷無爐襯的。那么無爐襯沖天爐究竟應該如何理解呢？
　　長爐齡沖天爐在有無爐襯問題上，大致可以分為以下三種模式：
　　1、全部無爐襯：沖天爐從加料口到爐缸上緣都不砌爐襯，即預熱帶和熔化帶全部無爐襯；
　　2、部分有爐襯：預熱帶有爐襯，熔化帶無爐襯；
　　3、全部有爐襯：預熱帶有正常厚度的爐襯，熔化帶砌薄爐襯。
　　以上三種模式，爐缸區(qū)總是有爐襯的，至于壓力分渣器等也都是有爐襯的。
　　以上三種模式，在實際熔煉過程的正常進行時，都是無爐襯的。因為長時間地熔煉，熔化帶即使修有薄爐襯或是正常厚度的爐襯，受高溫爐氣、鐵液沖刷以及爐渣侵蝕的綜合作用下，都將被熔蝕，在爐殼鋼壁內(nèi)側(cè)，會形成一層保護釉層，在爐殼鋼壁外側(cè)的強烈冷卻水作用下，這層保護釉層厚度相對穩(wěn)定，維持一次開爐所需要的時間，保證爐殼不被燒穿熔蝕。因此，這三種模式在正常熔煉中都可認為是無爐襯沖天爐。
　　這三種模式在實踐中被證明各有利弊。全部無爐襯及部分有爐襯時，在熔煉過程中散熱大，鐵液溫度相對較低，但沖天爐熔化率相對穩(wěn)定；全部有爐襯時，在熔煉初期，鐵液溫度上升快，第一包鐵水溫度就高，隨著熔化帶部分耐火磚的浸蝕，鐵液慢慢達到平衡溫度，但沖天爐熔化率初期達不到額定值，需在一段時間后才能穩(wěn)定在額定值。
　　除第一種模式全部無爐襯沖天爐外，其它兩種模式另一缺點是熔化帶上爐襯有脫落的潛在可能性。這是不利的，并應在筑爐時特別注意的。
　　還有一種變異的方式，即在熔化帶以上設有密筋爐膽換熱器。這樣一來，等于熔化帶以上形成風冷無爐襯。前已說明密筋爐膽予熱送風熱風溫度不夠高，對提高鐵液溫度意義不大；同時，密筋爐膽的成本較高，容易燒壞，更換麻煩，且?guī)砹瞬僮魃系牟槐悖ㄌ貏e是不利于臨時停爐及停電）。所以，是否采用密筋爐膽換熱器以獲得低溫熱風問題是值得商榷的。
　　我們的看法是采用熔化帶薄爐襯是一種較為中肯的辦法，既保證了熔化初期鐵液溫度就很高外，且很快就進入正常熔化率，比較可行。
展望以后，如果在一次開爐正式鼓風前，在第一批爐料前就投入一定量的特種造渣材料，使其在熔化帶迅速掛渣形成一層保護層，以利于熔化過程的正常進行，這是一個研究課題。

六、插入式水冷風口的應用問題
　　長爐齡沖天爐是否都應該采用插入式水冷風口呢？我們的觀點：插入式水冷風口應用的目的，在于當沖天爐熔化率較大時，風口區(qū)直徑相應加大，普通風口在即使風壓提高的情況下，風也射不到爐膛中心，因此會造成底焦中心部分焦炭燃燒效果不佳，影響爐氣溫度，降低鐵液溫度。采用插入式水冷風口則可使風盡可能地打到爐膛中心部位，改進底焦的燃燒狀況。
　　對于小于7t/h的沖天爐，由于熔化帶爐膛內(nèi)徑在1m以內(nèi)，實踐證明無需設置插入式水冷風口，因此，插入式水冷風口并非長爐齡沖天爐必要條件。
插入式水冷風口進口價格很高，德國GHW公司曾報價2萬多美金一個。日本單購風口不訂沖天爐不供貨。我廠自行研制的插入式水冷風口，在質(zhì)量上可與進口產(chǎn)品相媲美，已申請專利（ZL.99228496）。我廠供應天津內(nèi)燃機廠的插入式水冷風口，試用期達到27個月，遠遠高于日本原配供的6~10個月的使用壽命，大大節(jié)省了維修成本，故至今一直由我廠供貨。

七、鐵液分離方式的選擇
　　鐵渣分離技術(shù)一般分爐缸分渣（即后爐分渣）及前爐分渣（含虹吸分渣器、壓力分渣器等）?，F(xiàn)在有一種說法，即爐缸分渣技術(shù)先進，鐵液和爐渣接觸時間短，幾乎不增硫，反而是爐外分渣（包括壓力包分渣和虹吸式分渣）鐵液與爐渣接觸時間長，降溫也大。這種說法，是值得探討的。
　　眾所周知，鐵液和爐渣的分離方法，歷史上是隨著技術(shù)對鐵液質(zhì)量要求的提高逐漸發(fā)展的。 我國古老的鑄鐵熔爐—例如三節(jié)爐，勺爐等等，都是爐內(nèi)分渣，即在爐缸^底處側(cè)面開一個出鐵口，稍上一定距離內(nèi)開一個出渣口。熔煉過程中，只有當爐缸中鐵液上升到接近出渣口水平面時，才能把渣子放出來。在出渣前，鐵液和熔渣總是接觸的，且當爐缸聚存一定量鐵液后，焦炭總是泡在鐵液中。這種出渣方法，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，無需添什么具體設備。
　　眾所周知，沖天爐熔煉的鐵液會增硫，其冶金反應并不只是在爐缸中進行。原鐵液的含硫量，取決于原金屬爐料本身的含硫量、及焦炭的含硫量。由于焦炭含硫、焦炭燃燒后其氣體中含二氧化硫、爐渣中硫化鐵，因此沖天爐中無論是固相、液相、氣相都含有硫源。
　　沖天爐中的滲硫反應主要是：
　?、?氣相與固相反應：即上升熾熱的爐氣與金屬爐料接觸而增硫，主要在沖天爐予熱帶進行。
　?、?氣相與液相反應：主要是熾熱的爐氣，與金屬爐料已熔化成的鐵液接觸而增硫。這一增硫過程在熔化帶、過熱帶、爐缸中都進行。
　?、?固相與液相反應：主要是熾熱的焦炭與鐵液接觸而增硫，這一過程在過熱帶及爐缸中進行。
　　④ 液相與液相反應：主要是鐵液和渣液兩者接觸而增硫，主要在爐缸中進行，在過熱帶也有反應。
　?、冖邰苋N增硫反應，與爐缸的大小深度聚存鐵液量的多少（亦即時間的長短，因聚集鐵液需一定的時間）有著密切的關(guān)系。
　　增碳也是同樣的道理，只要鐵液和焦炭接觸，都會增加增碳的可能。爐缸中增碳增硫是不可避免的，因此，歷史上，隨著技術(shù)的進步，可鍛鑄鐵（即展性鑄鐵、馬鐵）的需求量上升，人們?yōu)楂@得低碳、高硅、低硫的鐵液，逐漸發(fā)展出前爐裝置。要想可鍛鑄鐵做得好，必需增加前爐，摒棄了爐缸分渣。因為有了前爐，至少焦炭不必長時間泡在鐵液中了，當然前爐還有一個調(diào)勻鐵液的作用。技術(shù)一點點進步的結(jié)果，更進一步才發(fā)展成虹吸分渣和壓力分渣等技術(shù)及相應設備。
　　不帶任何附加條件的情況下，說爐缸分渣優(yōu)于爐外分渣（包括壓力包分渣及虹吸分渣）幾乎不增硫，幾乎不用做脫硫處理，等于是把歷史又反轉(zhuǎn)了回來，因此，看來還需要大量的實驗室數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實際生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)予以論證說明。此外，爐內(nèi)分渣還易造成風口灌渣灌鐵現(xiàn)象，操作中要特別注意；出渣時，多少要有些漏風；爐缸較深，儲存一定量的鐵液和渣液后，不利于底焦燃燒；鐵液長時間共存于爐缸，造成爐缸浸蝕嚴重，這是長爐齡沖天爐的大忌。因爐缸在熔化進程中是無法修補的，是長爐齡壽命長短的決定性環(huán)節(jié)。甚至虹吸分渣方法也因爐缸易浸蝕而影響爐齡。以上諸點，也值得決定選擇分渣方法時慎重考慮。
我們的觀點，長爐齡沖天爐還是以配置二臺壓力分渣器交替使用為宜。

八、結(jié)語
① 長爐齡沖天爐是我國經(jīng)濟發(fā)展客觀要求，是歷史賦予沖天爐設備制造商的機遇，應積極地配合，加強合作，共同進步，協(xié)作攻關(guān)。
② 熱風沖天爐從設備到熔煉操作工藝，問題較多，需要做大量的研究工作，降低設備成本，降低焦耗。從環(huán)保角度說，熱風沖天爐也肯定是發(fā)展方向。
③ 長爐齡沖天爐可以組織一周、二周、一個月或連續(xù)運行，根據(jù)鑄造行業(yè)需要，不可能也不必要拘泥于某一種操作方式。
④ 兩排大間距供風方式，理論和實踐上都可靠，可以獲得高溫鐵液。
⑤ 單排風口和兩排大間距供風，各有優(yōu)缺點，二種方式可以并存，但在焦炭的選擇上，兩排大間距供風方式對焦炭的適應性大，故對焦炭選擇的靈活性也大。
⑥ 修爐時砌筑薄爐襯，操作方便，較節(jié)約，比較適用。
⑦ 冷風和熱風兩種方式各有優(yōu)缺點。冷風應用在長爐齡沖天爐上，同樣可以獲得高溫鐵水。
⑧ 插入式水冷風口并不能看為長爐齡沖天爐的標志，是否采用應根據(jù)沖天爐熔化率大小，以及生產(chǎn)組織考慮。
⑨ 爐缸是長爐齡壽命長短的重要環(huán)節(jié)，采用爐缸分渣，利弊應慎重考慮。推薦使用壓力分渣器。
⑩ 根據(jù)爐渣的性質(zhì)、焦炭及金屬爐料的含硫量、是否采用熱風等等，才能說明沖天爐內(nèi)脫硫的效果?；\統(tǒng)地說爐內(nèi)分渣就能減少增硫，似應進一步探討。
以上幾點結(jié)語，乃屬“拋磚引玉”，提供探討研究所需。筆者水平有限，不妥之處，熱忱歡迎指正。謝謝。