外热冷无炉衬长炉龄冲天炉熔炼特点与优势

1、外热风水冷无炉衬长炉龄冲天炉熔炼特点与优势付智森（上海坚实机电设备，上海 200000）摘要：介绍了外热风水冷无炉衬长炉龄冲天炉的特点、热风的产生及对炉内反应的影响；评述了外热风水冷无炉衬长炉龄冲天炉在我国的应用情况。关键词：冲天炉；热风；水冷；长炉龄中图分类号：TG232.1文献标识码：B文章编号：10038345（2010）05006106DOI：10.3969/j.issn.1003-8345.2010.05.010Characteristics and Advantages of External Hot-Blast, Water-Cooled, Liningless andLong

2、Working Life Cupola MeltingFU Zhi-sen（Shanghai Jianshi Machinery-Electrical Equipment Co. Ltd., Shanghai 200000, China）Abstract: The features of external hot-blast, water-cooled, liningless and long working life cupola, the generation of hot blastand influence of hot blast on the reaction inside the

3、 furnace was introduced. The application situation of external hot -blast, water cooled, liningless and long working life cupola in China was reviewed.Key words: cupola; hot blast; water cooling; long furnace life虽然非常重视环保和节能，但工业发达国家并没有因为节能和环保问题而放弃冲天炉的使 用。事实上，要想得到高品质铸件，冲天炉熔炼是 不可或缺的。发达国家在其实验室技术发达的基础上，

4、结 合现代信息化、自动化技术，以提高铁液质量为 前提（铁液质量是提高合格率、提升铸件品质最 重要的环节），再融入现代节能、环保理念，使得 冲天炉铁液熔炼技术取得了突飞猛进的发展。由于世界原材料价格的剧烈波动和大规模 集约化、连续化生产的发展，促使较早进入工业 化的发达国家针对本国及世界原材料市场的变 化，研制了外热风水冷无炉衬长炉龄冲天炉。因 为在发达国家废钢相对于生铁越来越便宜，废钢 的价格仅仅是生铁的二分之一，而这种冲天炉已 可以百分之百地熔化废钢。世界上第一台外热风水冷无炉衬长炉龄冲 天炉 45 年前诞生于当时的西德，发展到今天，在发达国家其技术已基本定型，笔者根据对美国、德国、英国、法

5、国、日本的考察，从以下几个方面 介绍这种冲天炉的特点与优势。外热风水冷无炉衬长炉龄冲天炉1的特点（1）高温熔炼：提高铁液温度一般采取的手 段是高品质焦炭+高温热风+富氧送风。高温熔炼 是保证铸件品质、提高合格率的先决条件，也是 保证炉内熔化气氛良好、铁液充分孕育、铁液流 动性及成分稳定、炉渣流动性及炉渣成分优良、 铁液的后续处理效果更加理想（如脱硫）的必要 条件。（2）高温热风：利用冲天炉自身产生的余热 和 CO 气体再燃烧产生的 8001 200 高温气 体，通过高效换热器进入冲天炉，将冷风加热到450600 。须注意，当冷风被加热到 400 以 上时，其优点才能充分体现。这些优点主要是：铁

6、 液温度提高；炉内还原性气氛增强、氧化性降低； 铁液 w（S）量减少；Si、Mn 的烧损降低；炉渣中氧 化铁含量减少；铁液、炉渣流动性提高；铁液成分收稿日期：2010-01-05修定日期：2010-06-02作者简介：付智森（1966.8-），男，汉族，东北林业大学，高工，主要从事冲天炉的研究设计工作。2010 / 5 现代铸铁61Equipment Technology装 备 技 术更加均匀，金相组织更加理想；废钢加入量大大提高。综合以上两点，将外热风水冷无炉衬长炉龄 冲天炉的优点与冷风冲天炉进行对比，吨铁液综 合成本可以降低 5%6%，铁液各方面质量大大 好于冷风冲天炉。经大量分析认为，对

7、于年产铸 件 3 万 t 的铸造企业来说，与冷风炉和电炉熔炼 相比，外热风水冷无炉衬长炉龄冲天炉所降低的 成本，一年即可收回冲天炉全部设备的投资，同 时还可解决冲天炉粉尘排放。（3）增加废钢熔化量：由于技术的进步使得 进入冲天炉的热风温度越来越高，热风的加入是 冲天炉熔化废钢量增加的必要条件，现在发达国 家可以实现冲天炉熔化百分之百废钢，这可大大 降低原材料的生产成本。（4）准确配料：使各种炉料的配料误差小于1%（3 批料平均误差）。严格控制炉料的质量，规 定各种炉料的尺寸、块度、强度、质量。通过各种措施及技术手段保证铁液成分的稳定性，降低人 为因素对铁液质量的影响。控制炉膛尺寸的变化，保证送

8、风的稳定性、准确性。以配料准确+高 品质炉料+炉膛尺寸稳定+高温热风+送风调节准确、迅速来保证铁液成分的稳定。（5）节能：充分利用冲天炉自身的可回收热 量和可再生能量。（6）环保：用环保除尘技术结合冲天炉中间 抽气技术，可将冲天炉的粉尘排放降到最低（ 6mg/Nm3），也可将冲天炉的烟气、粉尘泄露或外溢 降到最低。通过控制厂房内外的扬尘点，使冲天炉的粉尘得以充分回收，以改变冲天炉熔炼环 境，使铸造企业真正实现了干净、整洁。（7）连续熔炼：采用了可控的敞开式喷淋水 冷无炉衬或薄炉衬结构，结合插入式水冷风口技术，使冲天炉连续不间断熔炼时间达到 100150天，中间可停炉 24 h 或 48 h。在

9、提高劳动生产率 的同时，降低冲天炉修炉用耐火材料成本、修炉人工成本，同时也降低每次开炉底焦的消耗成 本，为连续自动化生产提供良好保障。（8）高度自动化：集中控制和自动化是保证 稳定的高温熔炼、余热回收、高温热风、准确配料、节能、环保系统的安全稳定运行，降低人力成 本的必备条件。集中控制和自动化以可操作性、可控性、准确性、可视性、实时性、低故障率为前提，把人从冲天炉繁重的体力劳动中解放出来， 并将人为因素影响铁液质量的可能性降到最低。热风的产生及对炉内反应的影响热风的产生 试验得出：只有当热风温度达到 400 以上22.1时，热风对冲天炉铁液温度及炉内气氛的作用才明显显露出来。外热风水冷无炉衬长

10、炉龄冲天炉 是利用冲天炉在熔化过程中自身产生的余热及 炉气中所含 11%23%的 CO（一氧化碳），使余热 及炉气同时进入蓄热燃烧室中，让 CO 在蓄热燃 烧室内再燃烧产生高温气体（最高温度可达到1 250 ），再通过换热器将这部分热量进行回 收，使进入冲天炉的冷风（空气）在换热器中被加 热到 400600 后再进入冲天炉。因此，外热风 冲天炉的热风并没有使用其他外来热源，而是充 分利用了冲天炉自身的余热及可再生能源。我国 冲天炉多以冷风冲天炉为主，另外有一些自热式 冲天炉（热风炉胆式冲天炉）。自热式冲天炉的热 风是采用了大量正常熔化所需的热量而产生的， 不能达到节能的目的，热风温度只能达到

11、200 左右（最高 250 ），对提高铁液温度和改善炉内 气氛的作用很小，同时其利用了大量炉料预热区 的物理热，使炉料不能得到充分的预热。2008 年我国铸件年产量接近 3 200 万 t，其 中近 60%的铁液是由冲天炉熔炼，消耗的焦炭近2.4106 t，每吨焦炭产生的 CO 近 9501 200 m2， 折合成工业用电相当于 110160 亿人民币。也相当于每吨铁液 580840 元。一个年产铸件 5 万 t的铸造企业就相当于浪费 2 7004 200 万人民 币。热风温度与炉内反应、铁液温度的关系热风温度与炉内反应的关系如图 1，热风温 度与铁液温度的关系如图 2。2.2内部温度及气相分

12、布外热风水冷无炉衬长炉龄冲天炉内部温度 及其气相分布如图 3。2.3热风对炉内反应的影响据德国基础工业研究院的试验结果，400 以上的高温热风将改变冲天炉内部的气相分布， 与冷风炉比较的特点如表 1，外热风冲天炉内部化2.4现代铸铁622010 / 5Equipment Technology装 备 技 术学反应及热量的收入与支出如表 24，热风的作用如表 5，与普通冲天炉的环保指标比较如表 6。外热风水冷无炉衬长炉龄冲天3炉在我国的应用3.1我国铸造工作者对冲天炉的理解与认识 我国铸造工作者普遍存在对冲天炉理解与认识不足的问题，主要误区有：冲天炉能熔化出 铁液就可以了，其他问题由感应电炉来解决

13、；冲天炉环保投入大，环保要求通不过；直接电炉熔 化，免去很多麻烦。实际上在环保要求严格的发达国家，冲天炉 并没有被淘汰，只是向集约化、大型化、连续化，更节能、更环保方向迈出了一大步。表 1 外热风冲天炉与冷风冲天炉工作时内部热态区域分布的比较Tab.1 Inside-furnace thermal zones distribution comparison between hot blast and blast of ambient temperature热区域名称冷风冲天炉各区域发生的情况及过程外热风冲天炉各区域发生的情况及过程二次预热带 没有此过程，100300 的预热对空排放，有大量 C

14、O 气体和粉尘100 300 的余热充分利用，使炉料充分得到干燥，阻止炉气和粉尘溢出到车间中，使车间的工作环境大大改善。扩散到车间中，车间的工作环境因此而污染。1从底焦的顶面到加料口，此段距离称预热带。2高温炉气预热金属炉料和焦炭及石灰石，蒸发焦炭中的水分和挥发分并使石灰石分解成的 CaO 呈熔融状态，准备造渣。3炉气进入此区域为 1 2001 300 ，到加料口为 150400 4铁料在预热带停留时间约为 3040 min。5此段主要的化学反应：CaCO3CaO+CO2-Q。1从底焦的顶面到抽气口为预热带。2由于高温风的进入使预热段比冷风炉要长，所以外热风冲天炉的有效高度比冷风冲天炉要高，使

15、冷的炉料得到充分的预热同时使炉气上升速度加快。3由于高温风的进入使预热段上移，加长了过热段。预热带1由于大风口高温风的进入使熔化段温度提高的同时，炉气的分布更加均匀，同时风口的风阻降低，使液态的铁滴在炉膛 的截面上更均匀分布，使铁滴的下落速度降低，达到铁液充分过热的目的。2由于固态金属炉料液态铁液的剧烈吸热物理反应，大大 降低炉气温度，但由于高温风的作用使炉气温降减少，从而使 预热段炉气温度得到保持。1预热后的铁料下降至底焦顶面，温度达到可熔化温度便开始熔化，从金属料开始熔化到熔化完毕的区域称为熔化带。2金属料被熔化，因热交换炉气被剧烈冷却，炉气成分变化不大， 主要为 CO2，CO 和 N2，

16、呈弱氧化性，熔剂开始造渣。3此段内主要是剧烈吸热的物理反应，铁液以滴状向过热段滴落，固态的金属炉料液态的铁液滴。熔化带1由于CO2+C2CO 的还原反应是需要在高温气氛下进行的吸热反应，所以高温风的作用使此反应加剧，并使还原带变长，使铁液中 Fe，Si，Mn 等元素的氧化反应减轻。2还原反应加剧的同时使 CO 量增加，使氧化物 SiO2，MnO，FeO，Fe2O3 减少。3由于炉气温度的提高，使熔剂的流动性增加，从而使造渣更彻底，使铁液中杂质减少铁液更加干净。1从氧化带上端的炉气中 CO2 还原反应基本停止的区域称为还原带。2此段内 CO2 部分被还原成 CO，金属液滴被过热，上升的炉气被 冷

17、却。3铸铁中 Fe，Si，Mn 等元素部分被氧化，金属液滴吸收 S 与 C。4熔剂与金属氧化物，焦炭的灰分和炉衬进一步造渣。5此段主要的化学反应：CO2+C2CO。还原带1由于进风温度的提高使其体积膨胀，从而大大提高了风口的进风速度。2由于风温和风速的同时提高使风更有穿透力，从而使炉膛 中心的焦炭更充分燃烧，减少铁滴经过未燃焦炭时的降温作 用。3由于风温提高使还原反应加剧，CO2 减少 CO 增加，从而使Fe，Si，Mn 等元素烧损减轻。4由于风温提高使风口周围的激冷作用降低，从而不会使风口挂渣。1从风口到自由氧近于耗尽这一区域称为氧化带。2来自风口的空气将焦炭燃烧成 CO2 和 CO，并放出

18、大量的热，铁滴和熔渣被过热，炉气中 CO 是氧化性气体，促使 Fe，Si，Mn 的氧化烧损。3铁滴中的 Fe，Si，Mn 等元素被进一步氧化，铁液被渗硫，渗碳。4炉气成分为 CO2，CO，O2，N2 呈氧化性，最高温度达 1 6001 700 ，炉渣成分继续变化。氧化带1风口以下到炉底区域称为炉缸。2除开渣口作业时焦炭有不完全燃烧外，此区内无自由氧，焦炭不燃烧，炉气主要是 CO，铁滴及熔渣略有冷却。3炉缸内铁液继续渗硫，渗碳。1由于外热风冲天炉采用大风口高温进风，由于风阻减少和风的体积膨胀使风速的提高，所以使炉缸区的焦炭部分燃烧，提高了过热段长度，同时也加长了炉缸区。2所以一般外热风冲天炉的炉

19、缸较深，所以铁液的渗碳较多。炉 缸2010 / 5 现代铸铁63Equipment Technology装 备 技 术表 2冲天炉内部的主要化学反应表 3冲天炉的热量收入Tab.2Main chemical reactions inside the cupolaTab.3 Heat quantity income of cupola收入项物料量/kg 发热量/kJkg-1 热量/kJ 百分比(%)焦炭的反应C 放出的反应热/kJkg-1发生反应的区域C 所需要的空气量/m3 kg-1焦炭固定碳燃烧发热Fe 烧损发热 Si 烧损发热 Mn 烧损发热 成渣发热 合计61311271625034 0

20、004 74031 3307 01090020 842 00052 140845 910112 160225 00022 077 21094.400.243.830.511.02100.00焦炭的化学 反应氧化带氧化带 还原带C+O2=CO22C+O2=2CO+34 012+10 241-13 5308.904.45CO +C=2CO2氧化带1/2S +O =SO+232 2 2 2 4.50 石灰石的反应CaCO CaO+CO -Q（-4 323）（预热带 吸热反应）32SiO2+CaO=CaSiO（3 炉缸）H=-264 620 kJ/(kmol)H=-880 110 kJ/(kmol)H

21、=-385 200 kJ/(kmol)H=-90 020 kJ/(kmol)Fe+1/2O2=FeOSi+O2=SiO2Mn+1/2O2=MnO CaO+SiO2=CaSiO3其他反应铁液气相增硫 反应3Fe+SO2=FeS+2FeO+Q10FeO+SO2=FeO+3Fe3O4-Q7Fe3O4+SO2=FeO+10Fe2O3+Q1焦炭 w（S）越高，用量越多，块度越小，增硫越严重2废钢用量越多，炉料锈蚀越严重，越易吸硫3炉料块度越小，越薄，铁液增硫越多4增加渣中的 CaO 含量，促使渣铁界面发生脱硫反应5提高炉温是降低铁液中 w（S）量的重要途径，因炉温高， 炉渣流动性好，S 在渣中的分配量大

22、，又因脱硫是吸热反应，所以提高炉温对脱硫十分有利铁液增硫的主 要原因外热风冲天炉 增加的 化学反应（+23 722kJ/kg 焦炭）（-612kJ/kg 铁）2CO+O2=2CO2SiO2+Fe+2C=FeSi+2CO现代铸铁642010 / 5Equipment Technology装 备 技 术表 4 冲天炉的热量支出Tab.4 Heat expense of cupola单位吸热量吸热量/kJ百分比（%）支出项温差t/物料量符号单位数据铁料加热熔化吸热 铁水过热8 958 kg8 958 kg8 958 kgC 固C 潜C 铁液kJ/kgkJ/kg kJ/kg0.672300.96t 熔

23、-t 室=1 200-20=1 8000t 铁液-t 熔=1 410-1 200=2107 082 1902 060 3401 805 93032.089.338.18铁料与铁液吸热炉渣带走的热量石灰石分解吸热400 kg250kJ/kgkJ/kgC 渣C 石1.341 794t 渣-t 室=1 390-20=1 370-734 320448 5003.332.03炉气带走的热物理热化学热5 500 m35 5006.5=358 m3COC 废气CCOkJ/m3kJ/m31.422 645t 废-t 室=200-20=180-1 405 8004 526 9106.3720.50漏风带走的热量

24、渗碳吸热 其余热损失5 40010%=540 m317-C 空气C 渗-kJ/m3kJ/kg1.342050t 空气-t 室=180-20=160-115 78034 8503 862 5900.520.1617.50合计22 077 210100.00实际利用的热量可以回收再利用的热量 外热风冲天炉实际回收的热量的 90%12 281 9109 795 3005 339 43955.6344.3724.18炉气带走的热+漏风带走的热+其余热损失炉气中物理热和化学热90%=5 339 439表 5 热风的作用Tab.5Effect of hot blast成分碱度 CaO/ SiO2SiO2C

25、aOMgOAl2O3FeO+Fe2O3MnOP2O5S对炉渣的影响冷风炉的炉渣（%）热风炉的炉渣（%）4050354515301835180.77.05150.52.05151.55.0210170.10.50.10.60.050.300.060.400.400.800.300.65Fe、Si、Mn 的氧化是放热反应，提高炉气温度和提高铁液温度可使氧化反应受到抑制，故提高炉气温度和提高铁液温度是降低氧化烧损的重要途径对 Si、Mn 烧损和 渣 中氧 化 铁 的影响有利元素渣中 FeO 含量Fe、Si、Mn 氧化烧损的主要因素SiMn1因 Fe、Si、Mn 的氧化是放热反应，高温可使其氧化反应受

26、到抑制，故提高铁液温度是降低氧化烧损的重要途径；2炉渣中 FeO 越多，则 Si，Mn 烧损越大；3炉料腐蚀越严重，渣中 FeO 越多，Si、Mn 烧损越大；4风口排数越多，氧化带越长，烧损越大。冷风炉的烧损（%） 2025热风炉的烧损（%） 15205151.55.010157121热风提高了焦炭的燃烧温度，使炉内温度普遍提高，从而提高了铁液温度。2根据 Vt=Vo(1+t)的关系，风温增加，则进风体积和速度皆相应增加，空气动能增大，有利于炉中心部分焦炭的燃烧。3由于氧化带中的焦炭的燃烧反应是处于扩散区，热风可以提高氧向焦炭表面扩散的速度，加速扩散燃烧反应，使炉内温度增高，因燃烧速度加快，使

27、氧化带缩短，还原带拉长，虽过热带长度不变，但因炉气最高温度增加，从而增加了加热面积，提高了铁液温度。一般热风温度达到 400 以上时铁液温度将有明显提高，并氧化烧损情况明显好转，由于热风的加入促使 炉气最高温度增加，也就促使 CO2+C2CO 还原反应的进行，CO2 减少氧化性气氛降低。4热风可以缩小风口前的激冷作用，使风口不会结渣，改善风口前及附近的焦炭燃烧条件，对流过该区域的铁液滴降温作用下，有利于提高铁液温度。5在相同层焦比的情况下，热风有效地提高了炉气温度和铁液温度，故可降低焦耗，节约焦炭。6由于热风提高了炉气温度，不利于 Si，Mn 烧损放热反应的进行，故使 Si，Mn 烧损减少，增

28、碳比冷风炉多，随着热风温度的提高，炉渣中的 FeO 相应减少有利于 SiO2 还原反应的进行：SiO2+Fe+2CFeSi+2CO。7有利于脱硫反应的进行，因炉温提高，使炉渣粘度变小，CaO 在炉渣中的扩散能力加强，从而使炉内脱硫反应进行顺利。8.热风温度与铁液温度、元素烧损率、渣的关系如下：热风对熔炼过 程的影 响2010 / 5 现代铸铁65Equipment Technology装 备 技 术表 6外热风冲天炉与普通冲天炉节能环保指标之比较Tab.6 Energy saving and environmental protection comparison between external hot blast cupola and normal cupola普通冲天炉外热风冲天炉加料口有烟气和粉尘溢出，对车间内部造成污染没有对冲天炉的余热和可利用气体回收 进入冲天炉的空气没有加热 相同层焦比情况下，外热风冲天炉可将铁水温度提高 100 相同铁液温度，吨铁液相当于节省 4045 kg 焦炭 终端排气中有 12%21%的一氧化碳（CO）气体 炉料无二次预热过程铁液中有利元素烧损较大 炉渣流动性差，CaO 炉内造渣及脱硫效果不明显 炉渣中 FeO 量多，