第5章 沖天爐熔煉.doc

第五章 沖天爐熔煉第一節(jié) 沖天爐熔煉的基本原理一、 沖天爐基本結構圖51所示為沖天爐的主要結構簡圖。爐子由以下幾部分組成：1 爐底與爐基爐底與爐基是沖天爐的支撐部分，對整座爐子和爐料柱起支撐作用。2 爐體與前爐爐體是沖天爐的基本組成部分，包括爐身和爐缸兩部分。爐體內壁砌耐火材料，臨近加料口處的爐膛則用鋼板圈或鐵磚構筑，以承受加料時爐料的沖擊。前爐由前爐體和可分離的爐蓋組成。前爐的作用是儲存鐵水，并使鐵水的成分和溫度均勻，減少鐵水在爐缸內的停留時間，從而有利于降低爐缸對鐵水的增碳與增硫作用，而且還有利于渣鐵分離，凈化鐵水。目前國內外的沖天爐大多是帶有前爐的。前爐的容量大致為沖天爐每小時熔化鐵水量的0.82倍。3 煙囪與除塵裝置煙囪在加料口上面，其外殼與爐身連成一體，內壁砌耐火磚。煙囪的作用是引導爐氣向上流動并排出爐外。除塵裝置的作用是消除或減少爐氣中的煙灰及有害氣體成分，使廢氣凈化。4 送風系統(tǒng)沖天爐的送風系統(tǒng)是指自鼓風機出口至風口出口處為止的整個系統(tǒng)，包括進風管、風箱、風口及鼓風機輸出管道。送風系統(tǒng)的作用是按照爐子工作的要求，將來自鼓風機的供底焦燃燒用的一定量空氣送入沖天爐內。5 熱風裝置熱風裝置的作用是加熱供底焦燃燒用的空氣，以強化沖天爐底焦的燃燒。常用熱風裝置有內熱式和外熱式兩種。以上是沖天爐的幾個主要組成部分。除此以外，沖天爐還必須配備鼓風設備、加配料設備、控制與調節(jié)設備以及有關的測試儀器。二、沖天爐內爐氣與溫度的分布1 沖天爐內爐氣的分布圖52所示為沿沖天爐縱截面與橫截面的爐氣分布示意圖。由圖52a可知，在沖天爐縱截面上，由于爐壁效應的影響，爐氣比較集中在爐壁附近，離爐壁愈近，爐氣的流速就越大。在沖天爐橫截面上，在風口前緣，因空氣流速高，流量大，形成了強烈的燃燒帶，而在兩個風口之上的區(qū)域，則由于空氣量少而形成所謂“死區(qū)”A。此外，來自風口的空氣流股，因焦炭塊的阻力而逐漸失去動能，難于深入爐子中心，因而在爐膛截面的中心區(qū)域出現“死區(qū)”B。所以，在沖天爐風口區(qū)域的爐膛截面上，空氣及其與焦炭反應后所生成的爐氣，無論沿爐膛四周或爐子徑向的分布都是不均勻的。圖52 沖天爐內爐氣分布示意圖a) 爐氣沿爐膛縱截面分布 b) 爐氣沿爐膛橫截面分布1爐襯 2 風口2 沖天爐內溫度的分布沖天爐內溫度分布，由于調試技術上的困難，所以從實際熔煉沖天爐上測量的數據較少?，F有沖天爐內溫度分布的圖形，大多是在沒有化鐵的情況下，從沖天護底煤層中測得的。因此，下面所作的討論也只是對底焦而言的。圖53為沖天爐內爐氣成分與溫度沿爐子高度的變化。由圖可知，爐氣成分也有個CO2含量最大的區(qū)域，此處爐氣溫度最高。在此區(qū)域以上，由于CO2還原吸熱而溫度下降；在此區(qū)域以下，燃燒反應正在進行，溫度由低逐漸到達最高。由于爐氣溫度的變化與爐氣中CO2含量變化有一致的趨向，因此，可以從底焦層中爐氣CO2的濃度分布，近似地推測護內溫度分布。圖54為沖天爐內爐氣CO2等濃度曲線。由圖可知，在該圖測定的條件下，C02最高濃度區(qū)域集中在爐壁附近約離風口400一500mm的區(qū)域內，而爐子中心區(qū)域，CO2濃度低，等濃度曲線呈下凹形。這與爐壁效應的影響是一致的。圖53 沖天爐內爐氣成分與溫度沿高度變化 圖54 沖天爐內的爐氣的CO2等濃度曲線由此可以推知爐內等溫曲線也將呈下凹形，而沖天爐高溫區(qū)域位于爐壁附近。沖天爐內這種溫度分布狀況，對鐵液過熱是不利的。為了改善這種情況，就必須注意影響沖天爐爐氣與溫度分布的一些主要因素。對此，將結合沖天爐內的熱交換現象加以討論。第二節(jié)、影響沖天爐鐵液溫度的因素一 焦炭對沖天爐鐵液溫度的影響1 焦炭成分 焦炭固定碳含量越高，阻礙燃燒反應和影內鐵液吸熱的灰分就越少，發(fā)熱量就越大。熔煉過程中由灰分形成渣量也相應減少，因而有利于提高爐氣最高溫度，加強焦炭對鐵液的熱傳導，有利于鐵掖過熱。采用固定碳高(85)的焦炭，是提高鐵液溫度的條重要途徑。2 焦炭強度與塊度 焦炭的機械強度包括抗壓強度、抗沖擊強度、抗碎裂強度(M40)和耐磨損強度(M10)。焦炭入護后，受到爐內高溫的熱作用，支撐料拄而受壓力作用，同時要受到爐料的沖擊作用等，這時如果焦炭的機械強度低，在爐內易被破碎，不能保持焦炭入爐時的塊度。這不但惡化料柱透氣性，而且影響熔化的穩(wěn)定性，使爐子不能正常熔化。當焦炭塊廢過小時，由于爐膛單位容以內的反應表面積過大，因而燃燒反應加速，氧化帶縮短還原帶擴大，加以此時氧化帶內還原反應發(fā)展較快，致使高溫區(qū)域短，爐氣最高溫度較低。此外，小塊焦炭對送風阻力大，空氣難于深入爐子心部，爐壁效應加劇，對鐵液過熱不利。與此相反，焦炭塊度過大，燃燒速度慢，此時，雖然氧化帶擴大，但燃燒區(qū)域不集中，爐氣最高溫度低，也不利于鐵液的過熱。只有塊度適合的焦炭，燃燒速度適中，爐氣溫度較高，高溫區(qū)長，有利于扶液的過熱。所以，對于小型沖天爐，推薦沖天爐內徑與焦塊平均立徑之比為1011左右。二、送風對沖天爐鐵液溫度的影響1 風量的影響提高進風量，有利于提高鐵液溫度，但風量過大，易造成爐料預熱不足，熔化區(qū)下移，過熱高度縮短，又不利于鐵液過熱。所以，沖天爐有一個最佳風量，稱為最惠風量。2 風速的影響提高進風速度，有利于鐵液溫度的提高，但是，風速過高對焦炭有吹冷作用，反而會惡化燃燒反應，加大元素燒損，降低鐵液溫度。因此，沖天爐也有一個合適的進風速度。3 風溫的影響提高送入爐內空氣的溫度，可提高燃燒速度和爐氣最高溫度，有利于提高鐵液溫度。所以，預熱送風是獲得高溫優(yōu)質鐵液，提高爐子熔化率，降低元素燒損的有利措施。4 風中氧氣濃度的影響提高送風中氧的濃度，即富氧送風，可加速底焦的燃燒速度并增加CO2濃度，具有與熱風相似的效果。三、金屬爐料對沖天爐鐵液溫度的影響金屬爐料塊度越大，所需預熱和熔化時間也就越長，因而不利于鐵液的過熱。所以，減小沖天爐內金屬爐料的塊度，是提高鐵液溫度與爐子熱效率的有利措施。四、熔煉操作參數對沖天爐鐵液溫度的影響1底焦高度合適的底焦高度是確保沖天爐內進行熱交換的基礎，也是決定爐內各區(qū)域位置的基本因素。因此，在沖天爐熔煉操作中，必須嚴格控制底焦高度。2 焦炭消耗量焦炭消耗量在原則上應滿足下列關系： 每批層焦量熔化每批金屬料的底焦燒失量； 相當于每批層焦燒失時間每批金屬料的熔化時間。3 批料量當鐵焦比例不變時，減少批料量，可使每批爐料的熔化時間縮短，熔化區(qū)域縮小，熔化區(qū)平均位置提高，從而擴大過熱區(qū)域，有利于提高鐵液溫度。第三節(jié)、沖天爐熔煉過程中化學成分的變化規(guī)律一 含碳量變化 沖天爐熔煉過程中，鐵液含碳量的變化來自兩方面：鐵液自焦炭吸收碳分(增碳)及鐵液中所含的碳被爐氣中的氧化性氣氛和鐵液中Fe所氧化(脫碳)。鐵液含碳量變化即是增碳和脫碳的綜合效果。1 鐵液的增碳沖天爐內鐵液的增碳主要發(fā)生在金屬爐料熔化以后，直至鐵液排出爐缸為止。爐內溫度越高，鐵液原始含碳量越低，鐵液與焦炭接觸的面積和鐵液體積之比越大，鐵液在焦炭表面的流速越大，則增碳速度越大，單位時間內的增碳量也就越多。2 鐵液的脫碳沖天爐熔煉過程中，鐵液的脫碳包括爐氣對鐵液的直接脫碳與爐氣通過FeO對鐵液的間接脫碳。3 影響鐵液含碳量變化的因素 爐料化學成分當金屬爐料的平均含碳量低于共晶碳量時，鐵液就增碳，反之則脫碳，差值越大，含碳量變化幅度也越大。焦碳鐵液的增碳主要來源于焦炭。焦炭消耗量、底焦高度、焦炭的塊度、成分與反應性都直接影響著鐵液溫度、鐵液與焦炭的接觸時間和反應表面積，以及爐氣氧化性的強弱，因此對鐵液含碳量的變化具有重要影響。供風條件在焦碳一定的條件下，提高風量，將使氧化帶擴大，爐氣氧化性增強，爐子熔化率提高因而不利于增碳。但提高送風溫度和風中氧的濃度，由于提高了爐內溫度，縮短了氧化帶，因而有利于增碳。爐渣當其它條件一定時，適當提高爐渣堿度，將有助于消除焦炭表面阻礙鐵液增碳的酸性渣膜，改善鐵液與焦炭的接觸條件，因而有利于鐵液的增碳。爐子結構 在一般操作條件下，沖天爐的爐缸是一個增碳區(qū)域，爐缸深度越大，增碳作用就越強。帶有前爐的沖天爐，因鐵液在爐缸內停留時間較短，故增碳作用較小。二、合金元素的氧化和與燒損1 硅和錳的氧化過程在沖天爐的熔煉過程中，硅和錳的氧化有兩種途徑，即直接氧化和間接氧化。直接氧化是送風中的氧和爐氣中的CO2與鐵滴表面層的硅和錳直接發(fā)生反應；間接氧化是鐵液中的硅和錳與FeO發(fā)生反應而氧化。硅和錳的氧化主要發(fā)生在熔化區(qū)和過熱區(qū)。在直接氧化和間接氧化兩種方式中，以間接方式為主。2硅和錳的氧化過程在沖天爐熔煉中，硅和錳的正常燒損認為是不可避免的。在正常熔煉條件下，酸性沖天爐硅的燒損率為1015，錳的燒損率為1520。而堿性沖天爐硅的燒損率為2025，錳的燒損率為1015。三、鐵液中含硫量的變化規(guī)律鐵液中硫的來源有兩個途徑，一是爐料中固有的硫，再就是鐵液從焦炭中吸收的硫分。酸性沖天爐熔煉條件下不具有脫硫的能力。堿性沖天爐，特別是預熱送風堿性沖天爐熔煉，能有效地脫硫。所以，在一般的酸性沖天爐中，鑄鐵經熔煉后，含硫量往往是增加的。影響鐵液中增硫的因素主要有爐料含硫量，焦炭消耗率及焦炭含硫量等。四、鐵液的脫硫處理工藝與控制技術1 爐內脫硫爐內脫硫主要用于堿性爐襯的沖天爐和水冷無爐襯的沖天爐。由于堿性沖天爐可造高堿性渣，在高溫和低氧化條件配合下，可取得較好的脫硫效果。2 爐外搖包脫硫如圖55所示為爐外搖包示意圖。偏心輪使鐵液包搖晃。如果偏心輪轉動方向不變，鐵液包的搖晃方向亦不變，稱為單向搖包；如果偏心輪轉動方向及鐵液包的搖晃方向每隔一定時間變化次，即正向、反向交替進行，則稱雙向搖包。搖包借鐵液包的晃動或轉動，使脫硫劑與鐵液更好地接觸，獲得較好的脫硫效果。這一方法缺點是操作時間長，鐵液降溫嚴重，故只用于大量鐵液的脫琉處理。圖55 搖包脫硫示意圖3 多孔塞脫硫多孔塞氣動脫硫的方法是利用氣體的壓力將氣體從鐵液包底部，通過多孔塞吹入鐵液，氣體進入鐵液后，一方面由于氣體從高壓下轉到常壓本身體積膨脹，同時氣體在高溫條件下也能自行膨脹，鐵液在膨脹氣體的作用下強烈地翻騰，使之與鐵液表面均勻加入的脫硫劑充分接觸，強化脫硫反應，達到脫硫的目的。一般經多孔塞氣動脫硫后，原鐵液琉量可下降70一90。見多孔塞吹氣脫硫的示意圖56。圖56 多孔塞吹氣脫硫示意圖4 脫硫劑（1）爐內脫硫爐內脫硫使用的脫硫劑主要有石灰、電石、白云石等。石灰是最便宜的脫硫劑。石灰做熔劑的去硫效果比用石灰石好。用作爐內脫硫劑的石灰，除CaO含量要求高（85）外，還要求有一定的塊度。如果加入石灰粉，很容易被吹走，降低脫硫效果。電石作為脫硫劑效果最為顯著，加入2電石，可脫硫30（2）爐外脫硫常用的脫硫劑有蘇打、電石和石灰等。蘇打脫硫有很大缺點，即反應時產生大量氣體，造成鐵液翻騰，導致鐵液溫度大幅度下降，污染環(huán)境，脫硫效率又低。故這種脫硫方法現已很少使用。電石脫硫一般需要有多孔塞氣動脫硫等類設備，工藝較復雜。但脫硫效果顯著，是目前最常用的脫硫劑。石灰作為脫硫劑價格較便宜，但脫硫效果較差。欲獲得較好的脫硫效果，其加入量應為電石的兩倍以上。第四節(jié)、沖天爐熔煉過程中的參數選擇、測量及控制一、沖天爐風量 沖天護所需的風量可按員惠送風強度計算，也可以按每小時焦炭消耗量計算。 按最惠送風強度計算風量計算公式QmF/4D2Qm 式中 沖天爐風量（Nm3/min） Qm最惠送風強度 F、D分別為沖天爐熔化帶處爐膛橫截面積與直徑 按焦炭消耗量計算風量在沖天爐熔化率，碳耗量和爐氣燃燒比已知的條件下，可以算出沖天爐的風量。74kKG(1十V) Nm3min二、層焦量與層鐵量層焦的作用是補償為熔化一批鐵料所燒失的底焦，并將各批鐵料分隔開來。因此，層焦量是按焦層的厚度計算的。Pk （0.16-0.20）F（0.0860.126）D2式中：Pk每批層焦的質量（） F、D分別為沖天爐熔化區(qū)的爐膛截面積（）與直徑（m）焦炭的堆積密度，450-500/ m3層鐵量的選擇應盡量選擇薄料層，但也不能過于頻繁，以防止相鄰鐵料竄混和上料過于頻繁。一般取沖天爐每小時平均熔化量的1/10左右計算。三、底焦高度裝爐底焦高度針對不同結構的爐子，有兩種估算方法： 多排小風口沖天爐hDmax500-700mm式中 h底焦高度Dmax最大爐膛直徑 大排距雙層送風沖天爐hLP+(800-1200)mm式中，LP為風口排距。在熔化率5t/h的沖天爐或風口倒置時取高限；熔化率5t/h的沖天爐或風口順置時取低限。四 熔劑的選擇沖天爐用熔劑主要是石灰石以及少量氟石。合適的熔劑加入量應根據層焦質量、焦炭含灰量、鐵料帶入的泥沙相對爐渣成分的要求，通過配渣計算來決定。但由于這種計算比較麻煩，生產上大多是按經驗決定的，即Pc(0204)Pk(kg)Pf(0203)Pc(kg)式中 Pc、Pf分別為每批層焦中石灰石與氟石的加入量(kg)。五 溫度測量與控制沖天護熔煉過程涉及的溫度測量主要包括鐵液溫度、爐氣溫度和熱風溫度的測量，以鐵液溫度的測量為主要內容。熱電偶測量是最常用、簡便而且精度最高的一種測溫方法。熱電偶測溫裝置由熱電偶、連接導線(或補償導線)和顯示儀表等三部分組成。鉑銠30一鉑銠6(亦稱雙鉑銘)、鉑姥10一鉑兩種熱電偶主要用于測量鐵液溫度與爐內溫度；鎳鉻鎳硅熱電偶主要用于測量加料口爐氣溫度；鎳鉻一考銅熱電偶主要用于測量加料口爐氣和熱風溫度。光學高溫計測溫光學高溫計是通過亮度對比間接測量溫度的儀表。必須指出，光學高溫計是按黑度系數為1的絕對黑體進行刻度的。由于我們所測的鐵液均可以按灰體對待，所以對所測 的鐵