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外热风冲天炉熔炼、处理、保护成套技术

1．先进外热换热器原理、结构及系统实例

炉外换热方式有外燃式即外加燃料为主，炉气作热利用(或不利用)为辅和炉气余热利用为主，助燃为辅两大类。

炉气余热利用为主又分间接余热(潜热)利用即炉气先湿法冷却、净化后只用CO燃烧加热热风、和直接余热(潜热、显热)利用即热炉连同焦炭碎粒等先燃烧，预热冷风后冷却(剩余显热仍可再利用)和干法除法。典型实用换热器有：长扁钢管式(埃夏cher式)和陶瓷粒子流动式(Endo-Therm式)。

1. 埃夏式

埃夏式换热器结构和系统实例如图1。

换热器为耐热钢制造。换热器用气流自行清灰，从加料然后下抽出炉气，在燃烧罐燃烧，加热的炉气从换热器顶部向下经辐射段到对流段，冷空气从下部进入均布的扁管对流段和内外壳之间空间向上流动，形成“逆流顺热建立预警机制后”式传热，将预热到400～600℃，这种换热器可用于熔化率2～90t/h热风冲天炉。我国从日本引进3.5t/h和4t/h外热冲天炉已成功运转数年。图2a为天津内燃机厂(简称天内)4t/h热风系统图；图2b为FTL公司在炉内加料口下助燃加热炉气、从加热口上抽出至炉外进埃夏式换热器，该炉并可设有害可燃气体引入炉装置。80年代已投产的一汽铸造与日本合作开发的18～20t/h热风冲天炉也为埃夏式换器。几例热风炉参数见表1。埃夏式金属管换热器管壁最高800℃温度，只靠管传导使热风温度很难达到＞600℃，即使600℃运转，换热器寿命将大大降低，这是其局限性。该种换热器整体高度高(如图2c)，安装维修不便，尤其旧厂改造难度更大。

表1 我国几台外热风水冷冲天炉参数表

①含量成分皆指质量分数。

2. 陶瓷粒子流动式换热系统

换热器结构和系统示意如图3所示。

从换热罐的上罐(带耐火、隔热衬的介质加热罐)下部引入从冲天炉抽出(并经燃烧加热)诉热炉气向上通过多层流动层加热冷介质，被加热的介质储存于上罐(冷风预热罐)，通过多层流动床与冷风均匀换热。使热风温度可达500～800℃。当介质以358Pa压力下落时换热效率＞80%，推荐用陶瓷粒子作介质。由下罐底向上罐输送冷介质是靠高压、GB/T 14800⑴993《土工布顶破强力实验方法》（同等ASTM D 3787）GB/T 13763⑴992《土工布梯形法撕破强力实验鞋套方法》低速气动提升器，压缩空气由小型罗茨式风机或空压机提供。每小时提升1t介质需电能0.244kW。热风温度靠风温控制器调整上罐底的热介质流量来控制。即使重新开炉，上罐储存的热介质也可保证达到预定热风温度，这是金属换热器无法相比的。

潍坊柴油机厂(简称潍柴)引进德国KET陶瓷粒子流动换热，单台热风水冷冲天炉，换热系统见图4。陶瓷珠粒：粒度0.85～1.7mm、平均1.2mm，莫氏硬度9，密度3.6g/cm3、成分(质量分数)Al2O3＞88%、Fe2O3≤5%、SiO2≤3%、TiO2≤3%。该炉参数见表1之3。该炉排除气温该实验室将牢牢围绕当前国家产业结构调剂、节能环保、创新企业百强试点工程等重大战略需求度和排尘量更低外，在环保方面还配有CaO粉脱硫装置，使排入大气的SO2的质量浓度＜400mg/m3，并可利用废热生产120℃过热蒸汽2t/h。

2．高效长寿外热冲天炉炉体结构及保护技术

1．炉体特点及要求

(1)水冷风口 风口对冲天炉熔化质量十分关键，而连续作业的风口寿命更是难题。可采用单排插入式水冷风口。材质：插入炉内部分一般为脱氧纯铜、炉外部分为无缝钢管(组焊而成)。如图1b寿命可达半年到1年。前提是严控冷却水流量及温度，尤其入口与出口水温度差要求5～6℃以内。

(2)炉体水冷方式 冲天炉熔化带和过热带以雨淋式为多，采用锥形炉壁，以加大水冷却效果。炉气抽气环上、下各设水套，结构紧凑，安全又节水，如图1a。

(3)炉衬及耐火材料 一般7t/h以上热风冲天炉，其风口以上至熔化带无炉衬；3～8t/h(有时到10t/h)的中小型热风炉外壳水冷内敷薄炉衬，以减少热损失，提高热效率和冶金质量。

为提高炉衬寿命，近年来冲天炉耐火材料发展很快。计有：石墨材料、碳化硅、高纯Al2O3可塑耐火材料和高纯硅酸铝做骨料用改性铝酸钙做粘结剂的低水泥浇灌料(LCC)等。

冲天炉(包括浇包等)耐火材料发展方向是高物理、化学稳定性、低导热性、高可塑成形性，以及便宜易得。成形方法多采用标准经的预制成形(如砖、包衬等)与现场打结相结合的专业化和社会化供应。

(4)铁、渣液排出系统及粒化炉渣装置一般热风冲天炉都采用连续出铁和虹吸等型式渣铁分离装置，炉渣粒化不但改善熔化工部生产条件，而且经粒化的炉渣还是优质建筑原材客车料。

2. 隔热保持封闭技术

冲天炉中焦炭燃烧热用于铁液熔化和过热的比率都不高，冷风炉祗28%、热风炉祗36%(图2a、b)，且温度越高热效率越低。为保证冶金质量，少氧化、高铁液温度、高洁净度需要适当增加焦耗。图3所示，随焦耗增加，可回收能(以CO形式为主)增加，同时不可回收热损失也相应增加。外热风冲天炉应用可回收比冷风炉热效率大大提高，既保冶金质量又可节焦，但不可回收热损失(包括燃烧损失、炉壳辐射和废炉气带走热量等)也很可观。从热效率考虑，减少这类损失既可节能又改善生产环境还可保护熔体防止氧化及温降大有可为，为此冲天炉熔化隔热保温封闭技术十分重要，具体措施如下：

1）除水冷部分外，炉体(包括抽气口、出铁槽和炉底)在炉壳与耐火砖间铺放硅酸铝或氧化铝纤维板等隔热保温材料；

2）热炉气导管、燃烧室(罐)、换热器、热风管和风箱外面用隔热保温材料包覆，同时减少泄漏；

3）控制炉况为准还原性气体，减少元素烧损同时增加铁液洁净度，用优质焦如ω(C)≥85%，适当提高焦－铁比(如14%～15%)，加氧送风和用先进方法检测、调控进风量(质量定量代替容积定定量即等重送风)等。

4）空气温度大的地区或季节，采用脱湿送风技术(如用冷冻法等重脱湿使空气中H2O达5～7g/m3后进换热器)，减少水蒸汽消耗热量，提高热效率，减少能耗(3t/h冲天炉、温度15%～30%时，鼓风入炉带入水分30～60kg/h之多)同时减少元素烧损，提高铁液洁净度和温度，降低废品率。

5）充分利用废炉气余热(如生产过热蒸汽、暖风、热水等)，使废气温度尽量120℃(国标＜200℃)排入大气。

6）炉料：加强净化(无锈、干燥、无杂物)及块度管理，用优质小剂量熔剂(如以白云石为主，压制的熔剂块)代替石灰石。尤其不用萤石，既大大减少分解热，又可消除SiF4有毒气体。

3. 铁液保护技术

对铁液从出炉直到浇入型腔，在流动、运输、处理、浇注全过程中进行保护，包括减少温降、防氧化等，既可防止因浇注温度低和铁液氧化造成大量废品，还可降低出铁温度，节能降耗 ，扩大浇注时限、降低综合成本并改善作业环境，具体措施有：

1）出铁槽覆盖，尽量封闭操作，出铁槽端设旋流定向器。

2）前炉、处理包、运输包和浇注包采用绝热性好的隔热板和轻质高强耐火材料，并一律加盖。包盖隔热、耐火材料可采用轻质陶瓷纤维和低水泥浇灌料(L.C.C)等。盖包结构示意图例见图4。

美国一铸造厂采用高强耐火板料即Foseco的“kaltek不锈钢”和绝热板等组成易清包衬，据介绍，取得明显效果。①降低转运包自重23.6%，即增加包容量，从而减少炉次3.5%，增加熔化量20%；②浇包不需预热，取消烘包操作和装置节省能源、人工和作业面积并改善环境、降低成本；③与纯(质量分数96%)铝钒土打结炉衬相比，允许降低出炉温度，节电并减少合金氧化。由于绝热性高，在降低出炉温度27.5～55℃的情况下，其最终浇注温度仍有提高；④浇包清理和大修非常简便，节省人工，取消繁险工序。该厂只此一项技术，每年净增经济效益10万美元，同时提高了铸件质量，减少加工返回废品30%。另外，在改善作业环境，降低浇注时地面温度，减少废包衬排放量等方面也十分可观。

3）减少或缩短铁液运输、处理的距离和时间，减少铁液氧化和散热。①尽量减少倒包；②铁液从出炉到浇注完毕严格质量定量(用电子秤等)杜浇不足等废品，同时提高工效并减少铁液浪费；③推广冲天炉过桥虹吸出渣铁液直接入前炉脱硫等封闭预处理工艺；④有条件的采用保护性气体气压浇注等先进封闭浇注技术。