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1、第五章 冲天炉熔炼第一节 冲天炉熔炼的基本原理一、 冲天炉基本结构图51所示为冲天炉的主要结构简图。炉子由以下几部分组成：1 炉底与炉基炉底与炉基是冲天炉的支撑部分，对整座炉子和炉料柱起支撑作用。2 炉体与前炉炉体是冲天炉的基本组成部分，包括炉身和炉缸两部分。炉体内壁砌耐火材料，临近加料口处的炉膛则用钢板圈或铁砖构筑，以承受加料时炉料的冲击。前炉由前炉体和可分离的炉盖组成。前炉的作用是储存铁水，并使铁水的成分和温度均匀，减少铁水在炉缸内的停留时间，从而有利于降低炉缸对铁水的增碳与增硫作用，而且还有利于渣铁分离，净化铁水。目前国内外的冲天炉大多是带有前炉的。前炉的容量大致为冲天炉每小时熔化铁水量
2、的0.82倍。3 烟囱与除尘装置烟囱在加料口上面，其外壳与炉身连成一体，内壁砌耐火砖。烟囱的作用是引导炉气向上流动并排出炉外。除尘装置的作用是消除或减少炉气中的烟灰及有害气体成分，使废气净化。4 送风系统冲天炉的送风系统是指自鼓风机出口至风口出口处为止的整个系统，包括进风管、风箱、风口及鼓风机输出管道。送风系统的作用是按照炉子工作的要求，将来自鼓风机的供底焦燃烧用的一定量空气送入冲天炉内。5 热风装置热风装置的作用是加热供底焦燃烧用的空气，以强化冲天炉底焦的燃烧。常用热风装置有内热式和外热式两种。以上是冲天炉的几个主要组成部分。除此以外，冲天炉还必须配备鼓风设备、加配料设备、控制与调节设备以及
3、有关的测试仪器。二、冲天炉内炉气与温度的分布1 冲天炉内炉气的分布图52所示为沿冲天炉纵截面与横截面的炉气分布示意图。由图52a可知，在冲天炉纵截面上，由于炉壁效应的影响，炉气比较集中在炉壁附近，离炉壁愈近，炉气的流速就越大。在冲天炉横截面上，在风口前缘，因空气流速高，流量大，形成了强烈的燃烧带，而在两个风口之上的区域，则由于空气量少而形成所谓“死区”A。此外，来自风口的空气流股，因焦炭块的阻力而逐渐失去动能，难于深入炉子中心，因而在炉膛截面的中心区域出现“死区”B。所以，在冲天炉风口区域的炉膛截面上，空气及其与焦炭反应后所生成的炉气，无论沿炉膛四周或炉子径向的分布都是不均匀的。图52 冲天炉
4、内炉气分布示意图a) 炉气沿炉膛纵截面分布 b) 炉气沿炉膛横截面分布1炉衬 2 风口2 冲天炉内温度的分布冲天炉内温度分布，由于调试技术上的困难，所以从实际熔炼冲天炉上测量的数据较少。现有冲天炉内温度分布的图形，大多是在没有化铁的情况下，从冲天护底煤层中测得的。因此，下面所作的讨论也只是对底焦而言的。图53为冲天炉内炉气成分与温度沿炉子高度的变化。由图可知，炉气成分也有个CO2含量最大的区域，此处炉气温度最高。在此区域以上，由于CO2还原吸热而温度下降；在此区域以下，燃烧反应正在进行，温度由低逐渐到达最高。由于炉气温度的变化与炉气中CO2含量变化有一致的趋向，因此，可以从底焦层中炉气CO2的
5、浓度分布，近似地推测护内温度分布。图54为冲天炉内炉气CO2等浓度曲线。由图可知，在该图测定的条件下，C02最高浓度区域集中在炉壁附近约离风口400一500mm的区域内，而炉子中心区域，CO2浓度低，等浓度曲线呈下凹形。这与炉壁效应的影响是一致的。图53 冲天炉内炉气成分与温度沿高度变化 图54 冲天炉内的炉气的CO2等浓度曲线由此可以推知炉内等温曲线也将呈下凹形，而冲天炉高温区域位于炉壁附近。冲天炉内这种温度分布状况，对铁液过热是不利的。为了改善这种情况，就必须注意影响冲天炉炉气与温度分布的一些主要因素。对此，将结合冲天炉内的热交换现象加以讨论。第二节、影响冲天炉铁液温度的因素一 焦炭对冲天
6、炉铁液温度的影响1 焦炭成分 焦炭固定碳含量越高，阻碍燃烧反应和影内铁液吸热的灰分就越少，发热量就越大。熔炼过程中由灰分形成渣量也相应减少，因而有利于提高炉气最高温度，加强焦炭对铁液的热传导，有利于铁掖过热。采用固定碳高(85)的焦炭，是提高铁液温度的条重要途径。2 焦炭强度与块度 焦炭的机械强度包括抗压强度、抗冲击强度、抗碎裂强度(M40)和耐磨损强度(M10)。焦炭入护后，受到炉内高温的热作用，支撑料拄而受压力作用，同时要受到炉料的冲击作用等，这时如果焦炭的机械强度低，在炉内易被破碎，不能保持焦炭入炉时的块度。这不但恶化料柱透气性，而且影响熔化的稳定性，使炉子不能正常熔化。当焦炭块废过小时
7、，由于炉膛单位容以内的反应表面积过大，因而燃烧反应加速，氧化带缩短还原带扩大，加以此时氧化带内还原反应发展较快，致使高温区域短，炉气最高温度较低。此外，小块焦炭对送风阻力大，空气难于深入炉子心部，炉壁效应加剧，对铁液过热不利。与此相反，焦炭块度过大，燃烧速度慢，此时，虽然氧化带扩大，但燃烧区域不集中，炉气最高温度低，也不利于铁液的过热。只有块度适合的焦炭，燃烧速度适中，炉气温度较高，高温区长，有利于扶液的过热。所以，对于小型冲天炉，推荐冲天炉内径与焦块平均立径之比为1011左右。二、送风对冲天炉铁液温度的影响1 风量的影响提高进风量，有利于提高铁液温度，但风量过大，易造成炉料预热不足，熔化区下
8、移，过热高度缩短，又不利于铁液过热。所以，冲天炉有一个最佳风量，称为最惠风量。2 风速的影响提高进风速度，有利于铁液温度的提高，但是，风速过高对焦炭有吹冷作用，反而会恶化燃烧反应，加大元素烧损，降低铁液温度。因此，冲天炉也有一个合适的进风速度。3 风温的影响提高送入炉内空气的温度，可提高燃烧速度和炉气最高温度，有利于提高铁液温度。所以，预热送风是获得高温优质铁液，提高炉子熔化率，降低元素烧损的有利措施。4 风中氧气浓度的影响提高送风中氧的浓度，即富氧送风，可加速底焦的燃烧速度并增加CO2浓度，具有与热风相似的效果。三、金属炉料对冲天炉铁液温度的影响金属炉料块度越大，所需预热和熔化时间也就越长，
9、因而不利于铁液的过热。所以，减小冲天炉内金属炉料的块度，是提高铁液温度与炉子热效率的有利措施。四、熔炼操作参数对冲天炉铁液温度的影响1底焦高度合适的底焦高度是确保冲天炉内进行热交换的基础，也是决定炉内各区域位置的基本因素。因此，在冲天炉熔炼操作中，必须严格控制底焦高度。2 焦炭消耗量焦炭消耗量在原则上应满足下列关系： 每批层焦量熔化每批金属料的底焦烧失量； 相当于每批层焦烧失时间每批金属料的熔化时间。3 批料量当铁焦比例不变时，减少批料量，可使每批炉料的熔化时间缩短，熔化区域缩小，熔化区平均位置提高，从而扩大过热区域，有利于提高铁液温度。第三节、冲天炉熔炼过程中化学成分的变化规律一 含碳量变化
10、 冲天炉熔炼过程中，铁液含碳量的变化来自两方面：铁液自焦炭吸收碳分(增碳)及铁液中所含的碳被炉气中的氧化性气氛和铁液中Fe所氧化(脱碳)。铁液含碳量变化即是增碳和脱碳的综合效果。1 铁液的增碳冲天炉内铁液的增碳主要发生在金属炉料熔化以后，直至铁液排出炉缸为止。炉内温度越高，铁液原始含碳量越低，铁液与焦炭接触的面积和铁液体积之比越大，铁液在焦炭表面的流速越大，则增碳速度越大，单位时间内的增碳量也就越多。2 铁液的脱碳冲天炉熔炼过程中，铁液的脱碳包括炉气对铁液的直接脱碳与炉气通过FeO对铁液的间接脱碳。3 影响铁液含碳量变化的因素 炉料化学成分当金属炉料的平均含碳量低于共晶碳量时，铁液就增碳，反之
11、则脱碳，差值越大，含碳量变化幅度也越大。焦碳铁液的增碳主要来源于焦炭。焦炭消耗量、底焦高度、焦炭的块度、成分与反应性都直接影响着铁液温度、铁液与焦炭的接触时间和反应表面积，以及炉气氧化性的强弱，因此对铁液含碳量的变化具有重要影响。供风条件在焦碳一定的条件下，提高风量，将使氧化带扩大，炉气氧化性增强，炉子熔化率提高因而不利于增碳。但提高送风温度和风中氧的浓度，由于提高了炉内温度，缩短了氧化带，因而有利于增碳。炉渣当其它条件一定时，适当提高炉渣碱度，将有助于消除焦炭表面阻碍铁液增碳的酸性渣膜，改善铁液与焦炭的接触条件，因而有利于铁液的增碳。炉子结构 在一般操作条件下，冲天炉的炉缸是一个增碳区域，炉
12、缸深度越大，增碳作用就越强。带有前炉的冲天炉，因铁液在炉缸内停留时间较短，故增碳作用较小。二、合金元素的氧化和与烧损1 硅和锰的氧化过程在冲天炉的熔炼过程中，硅和锰的氧化有两种途径，即直接氧化和间接氧化。直接氧化是送风中的氧和炉气中的CO2与铁滴表面层的硅和锰直接发生反应；间接氧化是铁液中的硅和锰与FeO发生反应而氧化。硅和锰的氧化主要发生在熔化区和过热区。在直接氧化和间接氧化两种方式中，以间接方式为主。2硅和锰的氧化过程在冲天炉熔炼中，硅和锰的正常烧损认为是不可避免的。在正常熔炼条件下，酸性冲天炉硅的烧损率为1015，锰的烧损率为1520。而碱性冲天炉硅的烧损率为2025，锰的烧损率为101
13、5。三、铁液中含硫量的变化规律铁液中硫的来源有两个途径，一是炉料中固有的硫，再就是铁液从焦炭中吸收的硫分。酸性冲天炉熔炼条件下不具有脱硫的能力。碱性冲天炉，特别是预热送风碱性冲天炉熔炼，能有效地脱硫。所以，在一般的酸性冲天炉中，铸铁经熔炼后，含硫量往往是增加的。影响铁液中增硫的因素主要有炉料含硫量，焦炭消耗率及焦炭含硫量等。四、铁液的脱硫处理工艺与控制技术1 炉内脱硫炉内脱硫主要用于碱性炉衬的冲天炉和水冷无炉衬的冲天炉。由于碱性冲天炉可造高碱性渣，在高温和低氧化条件配合下，可取得较好的脱硫效果。2 炉外摇包脱硫如图55所示为炉外摇包示意图。偏心轮使铁液包摇晃。如果偏心轮转动方向不变，铁液包的摇
14、晃方向亦不变，称为单向摇包；如果偏心轮转动方向及铁液包的摇晃方向每隔一定时间变化次，即正向、反向交替进行，则称双向摇包。摇包借铁液包的晃动或转动，使脱硫剂与铁液更好地接触，获得较好的脱硫效果。这一方法缺点是操作时间长，铁液降温严重，故只用于大量铁液的脱琉处理。图55 摇包脱硫示意图3 多孔塞脱硫多孔塞气动脱硫的方法是利用气体的压力将气体从铁液包底部，通过多孔塞吹入铁液，气体进入铁液后，一方面由于气体从高压下转到常压本身体积膨胀，同时气体在高温条件下也能自行膨胀，铁液在膨胀气体的作用下强烈地翻腾，使之与铁液表面均匀加入的脱硫剂充分接触，强化脱硫反应，达到脱硫的目的。一般经多孔塞气动脱硫后，原铁液
15、琉量可下降70一90。见多孔塞吹气脱硫的示意图56。图56 多孔塞吹气脱硫示意图4 脱硫剂（1）炉内脱硫炉内脱硫使用的脱硫剂主要有石灰、电石、白云石等。石灰是最便宜的脱硫剂。石灰做熔剂的去硫效果比用石灰石好。用作炉内脱硫剂的石灰，除CaO含量要求高（85）外，还要求有一定的块度。如果加入石灰粉，很容易被吹走，降低脱硫效果。电石作为脱硫剂效果最为显著，加入2电石，可脱硫30（2）炉外脱硫常用的脱硫剂有苏打、电石和石灰等。苏打脱硫有很大缺点，即反应时产生大量气体，造成铁液翻腾，导致铁液温度大幅度下降，污染环境，脱硫效率又低。故这种脱硫方法现已很少使用。电石脱硫一般需要有多孔塞气动脱硫等类设备，工艺较复杂。但脱硫效果显著，是目前最常用的脱硫剂。石灰作为脱硫剂价格较便宜，但脱硫效果较差。欲获得较好的脱硫效果，其加入量应为电石的两倍以上。第四节、冲天炉熔炼过程中的参数选择、测量及控制一、冲天炉风量 冲天护所需的风量可按员惠送风强度计算，也可以按每小时焦炭消耗量计算。 按最惠送风强度计算风量计算公式QmF/4D2Qm 式中 冲天炉风量（Nm3
