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1、空气冷却强化预热单排龙卷风冲天炉 秦皇岛开发区舂光铸造机械有限公司陈朝云 姜水录 主题词：K 空气冷却Q 强化预热D 单排风口L 龙卷风供风 铸造行业日益向着集约化、规模化的方向发展，必然对冲天炉提出了更高的要求。冲天 炉是铸造车间的关键设备，决定着铸件质量的好坏和生产成本的高低，是关系到企业经济效 益的重大问题。 目前普遍使用的冲天炉大致分三种类型：冷风炉、热风炉和水冷却炉。在同等原材料条 件下，三种炉型有着不同的性能。 冷风炉结构简单，但铁水温度低，元素烧损大，炉况不稳。主要原因是冷风对底焦的强 化燃烧作用差，气流受到焦炭的阻挡难予深入炉心，造成炉壁效应严重。因此炉膛烧损和侵 蚀严重，尺寸
2、变大，致使供风强度和熔化强度发生变化，从而造成“四不稳“ 的缺陷：( 1 ) 焦耗不稳：开炉时间越长，炉膛越大，底焦高度下降，加接力焦越频繁，焦耗大；( 2 ) 熔化 率不稳：开炉时间越长，炉膛越大，熔化率越大；( 3 ) 合金元素烧损不稳：开炉时闻越长， 炉膛越大，供风强度，特别是对炉心的供风强度越小，炉内温度下降，使合金元素的烧损越 大；( 4 ) 铁水温度不稳：开炉时间越长，炉膛越大，气流越难于深入炉心，焦炭燃烧效果， 特别是炉心焦炭燃烧效果越差，铁水温度越低。 热风炉的结构增加了热风胆，由于热风对焦炭的燃烧起到了助燃的作用，因此铁水温度 有所提高，合金元素烧损有所减少，但同样存在上述四
3、不稳的缺陷，只是相对冷风炉有所改 善。然而热风胆寿命有限，特别是每炉开炉时间超过1 0 小时，则其寿命更短。在其有效的使 用期内，随着时间的增加，热风胆开裂越频繁，变形越严重。维修越困难，熔化过程中卡料、 棚料越严重，熔炼指标越下降。当不得不拆旧换新时，不但需投资购买，而且异常麻烦，需 停工停产。 水冷却炉有其集约化、规模化生产的重大意义。适应于生产线连续生产、大量生产的需 要。但是从其性能方面讲，如果没有外热高达5 0 0 “ C 以上的热风支持，其性能和冷风炉没有 区别。而且在投资、占地、安全环保等方面存在不可忽视的缺点。 我公司针对冷风炉、热风炉、水冷却炉的上述问题，首创国内外专利“K
4、Q D L 系列冲天 炉”即“空气冷却强化预热单排龙卷风供风冲天炉“ 专利号：9 5 1 0 8 4 9 1 7 和0 0 2 5 1 7 8 5 X 。近 年在3 t h 、7t h 、1 0t h 冲天炉上进行了实践。在层焦铁比l ：8 ，固定碳含量8 3 的条件下， 第一包铁水温度达1 4 9 0 ，第二包铁水温度达1 5 0 5 ，以后各包铁水温度均稳定在1 5 0 5 以上的好成绩。 一、空气冷却 A 、问题的提出： 风口段即底焦燃烧的部位，是冲天炉工况条件最为恶劣的部位。由于底焦的激烈燃烧， 炉壁始终承受着高温和氧化气氛的烧损和侵蚀。为了减少烧损和侵蚀，理论上认为“由水冷 却带走的
5、热量占总热量的6 左右，就能实现冷却炉壁的效果。同理可以认为由空气冷却带 走的热量占总热量的6 左右，同样能实现冷却炉壁的效果。由空气冷却代替水冷却不仅在理 论上是可行的，而且在许多技术领域，特别是在航空领域是旱已实现了的课题。试想，飞机 发动机如果不是用空气冷却，而是用水冷却那将是什么样子? 事实上冲天炉用水冷却已经造 成了许多的麻烦和浪费。 B 、水冷却的缺陷： l 、腐蚀炉壳：水冷却不可避免的在炉壳上生成水锈。随着水锈厚度的增加，导热性能 极大地下降。当水锈达3 m m 时将失去导热性能，有引起炉壳烧穿的危险，甚至导致水进炉膛 爆炸的事故。 2 、更换炉壳：为了避免水锈过厚引发的事故，必
6、须2 3 年更换炉壳。由此将发生一系 1 3 0 列的浪费、损失和重新投入一大笔资金。 3 、占地大、费用高、污染浪费水：庞大的水处理系统占地面积大，投资大；为了提高 出炉铁水温度，务必要有外热风设备，同样占地大，投资大；为了确保浇注时铁水成分和温 度的合格还要配双联电炉，同样占地大、投资大。而且不可避免地要污染浪费水。 C 、空气冷却方案： 在冲天炉底焦部位的炉壳内壁，全方位地布置了冷却管，通过进风孔与放风孔，使冷却 管与总风箱和放风箱相通；放风箱又经支风管与进风箱相通；进风箱上安装龙卷风发生器。 因此当总风箱上联接主风管，主风管联接鼓风机，鼓风机启动后，气流自然进入主风管 总 风箱一冷却管
7、一风箱一支风管一进风箱一龙卷风发生器一射入炉内；多余的风量，经冷却管 放风箱一放风管一炉体烟筒排入大气。 1 删2 飙营3 出胍4 支风管5 神譬 6 删 7 主风管8 蝴9 龙卷风魃吞- 0 删 上述供风系统的冷却作用与水冷却系统相比具有如下优点： 受热面积增大，导热速度增快：水冷却只能通过炉壳的内表面接受炉内传导过来的热 量，且炉壳壁较厚。空气冷却通过冷却管的外表面接受炉内传导过来的热量。两者相比，后 者的受热表面积比前者增大l 倍以上，且后者的壁厚度仅为前者的l 2 。自然空气冷却比水冷 却的受热条件，冷却效果提高了一倍。 突出氧化带，合理的分布冷却效果：氧化带是整个冲天炉温度最高，高达
8、1 7 0 0 1 8 0 0 ，烧损和侵蚀最为严重的部位。保持氧化带的完整性、可靠性是决定冲天炉炉龄的关键所 在。水冷却只能对炉壳进行由上向下的冷却，而氧化带必定处于靠下的部位。也就是说，不 可能用最冷的水，首先进入氧化带部位的炉壳进行冷却。而空气冷却特别是单排风口可以从 任意部位首先进入，那当然应该首先进入而且是全部风量进入氧化带进行冷却。而对在上方 一定距离的熔化带，则相应的降低了过冷度，因为熔化带本身的最高温度也不过i 1 0 0 M 3 0 0 ，所以其上的耐火材料不会受到严重的烧损和侵蚀，不需要也不应该进行最强的冷却效果。 这种由最强到最弱的冷却程序也完全符合炉内的客观需要。 变害
9、为利一举多得：炉内烧损和侵蚀炉壁的热量，是炉内焦炭燃烧时不可避免的能耗。 不管有没有冷却方法，都要向外散发。这部分的热量占炉内总热量的6 左右，如果不能将其 及时的置换出来，那么这6 的热量就只能对炉壁进行烧损和侵蚀，且引发大量炉渣。水冷却 目前只能自白的带走，散发于大气。而空气冷却能变冷气流为湿气流，再射入炉内。即减缓 了炉壁耐火材料被烧损和侵蚀的速度，又提高了进风温度、节约了焦炭、提高了铁水温度。 同时没有了水冷却对炉壳的腐蚀及对水的污染和浪费、避免了因漏水引起爆炸事故的发生。 空气冷却的效果使炉壳的温度在6 0 1 0 0 ，连防锈的漆都不改颜色，使炉壳的寿命比冷风炉 还长。通过热平衡计
10、算和实践证明，只要用该炉熔炼时所需的1 3 1 5 倍的供风量，就能保证 炉内熔化和炉壁冷却的需要。这个数值等于和稍微高出正常的选值。 避免了大量设备设资、消除了日常维护：水冷却系统占地大、投资大，其投资接近冲 天炉的投资；为了提高铁水温度，需购制外热风设备，其投资大于冲天炉的投资；目前水冷 炉都必须和电炉双联，才能确保铸件质量，其电炉的投资往往是冲天炉投资的4 “ - - 5 倍。以上 设备都需要日常维护和部件更换。“K Q D L 系列冲天炉”没有上述的任何投资和占地，也没有 任何日常维护和更换。 二、强化预热： A 、对预热段作用的思虑：本来铁料在熔化的过程中，有2 3 的热量是在预热段
11、获取的。 本应该设法使炉料在预热段充分地吸收来自底焦燃烧时产生的高温炉气和火焰的热量。但目 前的热风炉往往在预热段设置了热风胆。为了强化预热供风的效果，往往将预热段通道横截 面积变窄、容积变小。致使气流上升速度加快，投料口处火焰滚滚。这不仅浪费了来自底焦 燃烧的炉气的热量，也使部分层焦处于不完全燃烧的状态，说明本应该在氧化带里充分反应 的氧，没有和碳完全反应，这部分氧提高了反应的位置，并使已生成的C 0 2 气体提高了被还 原成C O 的距离。这些不合理的燃烧状态都是能源的浪费和损失。 因此，强调预热段的作用不仅是为了避免能源的浪费和损失，减三! 炉气中烟尘的含量， 更重要的是回归冲天炉熔炼过
12、程中本来的客观需要，回归预热段本来的性能和作用。 B 、双向锥体段强化预热：双向锥体段可使高温上升的炉气，在此进入近似橄榄球状空 间。气流通道横截面积大增大减，导致气流在其中形成紊流，使上升的速度大减，且与炉料 接触的表面积极大的增加。创造了上升的热气流与下降的炉料极好的热交换环境。因此投料 口处不见火焰，伸手可捡出炉料，减少了炉气中的尘埃，为消烟除尘，脱硫的环保措施创造 了良好的条件。 双向锥体段强化预热的设计和实践已充分证明，在相同炉料块度，甚至有些块度超标也 绝不会发生卡料、棚料闯题，对投料口高度、平台高度也完全遵循现行标准设计，而且供风 风压，且低于相同熔化率的其它炉型。 三、单排风口
13、： 科学的发展往往是由简单到复杂，又从复杂回到简单，但不是原路的返回，而是高科技 运用的结果。冲天炉的风口由单一风口到单排风口，又到多排风口。目前多为双排风口，这 里又回到单排风口。那么单排风口的优势在哪里呢? A 、单排风口炉内温度最高，元素烧损最少： 在“冲天炉手册”第】5 1 6 页，绘制了单排、双排炉内C 0 2 和温度分布图。从图中得知， 单排风口的炉内最高温度达1 8 0 0 ，最高温度的区域也最大；双排风口的炉内最高温度仅 1 7 0 0 ，最高温度的区域也小于单排。 1 3 2 奄夏x 曩c ： 蚕】一l t 筚搀廷口逸足j 才爹甚 与c 锄癸豫 1 9f 粤0墨曩，I H 弋
14、1 霹1 - 1 1 $ 太搀楚净天炉妒譬是炉墨妒气霞暑寺书 这说明单排风口的底焦强化燃烧的效果最好，焦炭表面的温度最高。无论是铁水的过热 还是S i 、M n 元素被氧化后的还原，都是焦炭表面高温作用的结果。焦炭表面的温度越高， 铁水温度越高，被氧化的S i 、M n 还原效果越好。因此应该断定单排风口铁水的温度最高， S i 、M n 元素的烧损最少。 B 、单排风口空气冷却的效果最好： 无论是单排风口还是双排风口，欲实现空气冷却都务必将风量分配到各排风口的氧化带 的炉壁上。双排风口造成风量分散，其效果锐减。单排风口设计空气冷却时，首先将总风量 全部首先进入一个氧化带的炉壁上。自然冷却效果
15、最好。也就是当总风量和冷却路线长度都 基本相同的情况下，其冷却效果：双排风口是1 2 x1 2 + 1 2 1 2 = 1 2 ，单排风口是1 1 = 1 。 由于冷却效果不同，自然炉壁烧损和侵蚀量也不同。单排风口氧化带冷却效果最好，氧化带 炉壁烧损和侵蚀量最少，自然其它部位也少。因而总造渣量也少，炉渣带走的热量也少，无 疑增加了炉内有效热量的利用，提高了铁水过热温度也有效地延长了炉龄。 C 、单排风口操作及修炉最方便： 双排风口和多排风口在熔炼中各排风量的分配是最难掌握的难题。分配不当，就造成底 焦高度下降，元素烧损增大，铁水氧化。而单排风口不存在风量的分配问题。因此熔炼时的 炉况更易于掌握
16、和稳定。由于冷却效果好，氧化带烧损和侵蚀少，其它各部位同样烧损和侵 蚀少，而且烧损和侵蚀的高度低，给工人修炉带来很大的方便。 单排风口有如此的高温和还原等的优势，为什么国内外没有人倡导应用呢? 即使有使用 单排风口的，也是依靠炉外热风，温度在5 0 0 左右。究其原因就是因为单排风口风量较集 中，如果没有高热风的支持，冷风对焦炭表面的过冷度太大，使焦炭表面燃烧生成的C 0 2 、 C O ，特别是灰分所形成的隔离层无法被迅速剥离，降低了氧与碳反应的效率，无法实现强化 燃烧的高温效果。 我公司采用龙卷风供风的方法解决了焦炭表面隔离层的障碍，使焦炭的强化燃烧得到了 显著的提高。实践证明在焦炭固定炭含量为8 3 ，层焦铁比1 ：8 的条件下，第一包铁水温度 达1 4 9 1 ，第二包达1 5 0 5 ，且稳定在1 5 0 5 以上，S i 烧损1 2 ，M n 烧损1 8 。 四、龙卷风供风 l 、龙卷风运动形态剖析： 自然界中气流运动形态，可分为
