天然气熔铁炉的历史与现状

2016-08-10吉守勤王录才

铸造设备与工艺 2016年3期

关键词：铸铁天然气

张　明，吉守勤，王录才

（1.威海科兴铸造机械有限公司，山东威海　264200；2.太原钢城企业有限公司，山西太原 030003；3.太原科技大学，山西太原　032400）

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天然气熔铁炉的历史与现状

张明1，吉守勤2，王录才3

（1.威海科兴铸造机械有限公司，山东威海264200；2.太原钢城企业有限公司，山西太原 030003；3.太原科技大学，山西太原032400）

回顾和介绍了天然气熔铁炉的发展历史和现状，包括天然气化铁炉、天然气冲天炉、回转化铁炉三种，同时对焦炭和天然气混合燃料冲天炉的应用前景作了简要评价。

铸铁熔化；天然气化铁炉；回转化铁炉；混合燃料冲天炉；历史与现状

以天然气为燃料的熔铁炉包括天然气化铁炉、天然气冲天炉、天然气纯氧回转化铁炉等。本文拟回顾这几种熔铁炉的发展历史，并介绍其应用现状，希望对我国天然气熔铁炉的技术发展和推广起到积极作用。

1　天然气化铁炉

化铁炉与冲天炉两个词语之间，存在着很细微的区别，一般将前炉类似于反射炉、存在燃烧器的熔铁炉称之为化铁炉，例如天然气化铁炉、煤粉化铁炉、燃油化铁炉。也就是说，天然气化铁炉就是以天然气为燃料、前炉存在燃烧装置的熔铁炉。

我国历史文献中有记录的第一台天然气化铁炉（见图1）建造于1972年12月，建造单位为四川省石油管理局总机修厂，该厂在1975年称：为了充分利用天然气资源，我厂铸造车间职工，在厂领导和车间党支部的领导下，于1972年12月制成2吨/时冷风天然气化铁炉一台［1］。

图1　四川石油管理局总机修厂2 t/h卧式天然气化铁炉（1972）

四川省自贡市长征机床厂铸工车间，是文献记录中继四川省石油管理局总机修厂之后第二个建造天然气化铁炉的单位，该厂称：在兄弟单位的启发下，铸工车间全体职工自力更生，奋发图强，因陋就简，土法上马，改装制成一座1.5 t/h天然气化铁炉，经过反复试验，成功地开了80多炉，化铁水280多吨，并试制了稀土球铁普通铸铁、孕育铸铁，完全能满足我厂生产上的需要，为我厂节焦、节废钢闯出了一条新路［2］。

1976年，成都工学院铸造专业的戢家齐先生在《铸造机械》发表了天然气化铁炉［3］一文，全面总结了四川省泸州、自贡等地区天然气化铁炉的结构和使用情况，同时介绍了长江起重机厂的1.5 t/h立式天然气化铁炉（见图2）、自贡空压机厂的1.5 t/h立-卧混合式天然气化铁炉（见图3）.

图2　长江起重机厂1.5t/h立式天然气化铁炉（1976）

图3　自贡空压机厂1.5 t/h立-卧混合式天然气化铁炉

在天然气化铁炉一文，记录了四川省使用天然气化铁炉的一些工厂：自贡长征机床厂、长江起重机厂、自贡空压机厂、自贡机械一厂、自贡管件厂、自贡市机械一厂、东方汽轮机厂、东方锅炉厂、四川东方红机械厂、川盐机修厂、自贡鸿鹤镇化工厂、成都金具厂、石油起重厂、沪州化工厂等。

除了四川省外，中国其他地方也有使用天然气化铁炉的记录。例如，1977年，天津市板桥农机厂铸铁车间将一座立式煤粉炉改装成为天然气化铁炉［4］，鞍山钢铁公司小型轧钢厂建造了一台1.2 t/h天然气化铁炉［5］。

我国1970年代的天然气化铁炉，燃烧装置设置在前炉上，属于反射化铁炉与竖炉的一种结构组合。该炉结构稍嫌陈旧、炉龄短、熔化喉部的炉衬修砌特别困难，吨铁天然气的消耗量在110 m3～140 m3之间，耗气量约为现代燃气冲天炉的2倍。我国1970年代出现天然气化铁炉，源于当时焦炭量供应不足、我国与前苏联军事对峙、随时准备打仗等，因此当焦炭量供应充足、国际关系缓和后，人们逐步放弃了对天然气化铁炉的使用和研究。

2　天然气冲天炉

天然气冲天炉是一种以天然气为燃料熔化铸铁的竖炉，有人将其称为无焦冲天炉。戢家齐先生在天然气化铁炉［3］一文中，介绍了东方汽轮机厂和四川东方红机械厂的一种冲天炉型天然气化铁炉，结构与焦炭冲天炉基本相同，主要不同处是在相当于风口部位装设天然气烧嘴，大约在熔化带高度安装炉栅，或耐火材料凸块，以支撑料柱或直接由炉底垫支撑物支撑料柱［3］。

水冷炉栅是现代天然气冲天炉的主要结构特征。戢家齐先生在该文中介绍的冲天炉型天然气化铁炉中，已存在支撑料柱的水冷炉栅。英国海斯无焦冲天炉有限公司的燃气冲天炉技术约成熟于1977年［6］，中国四川地区的东方汽轮机厂或四川东方红机械厂，已于1976年以前在使用天然气冲天炉了。也就是说，中国与英国几乎同时应用了有以水冷炉栅为结构标志的天然气冲天炉。

1991年初，孟繁玉先生编译了R.T.Taft和H.R. Perkins的文章，最早介绍了英国无焦冲天炉公司（Cokeless Co.LTD）的成立过程以及燃气冲天炉的开发过程，同时详细介绍了一内径860 mm燃气冲天炉的结构、工作原理、熔炼和环境保护方面的优越性，等等［6］。孟繁玉先生所编译的这篇文章，至今仍有重要影响。同年，李廷山先生也介绍了英国无焦冲天炉公司的操作、污染物排放、熔化成本、铁液质量等情况［7］。

1994年，戴静敏先生首先向中国介绍了德国德毓克公司（Düker）与电炉双联的新型燃气冲天炉，同时强调了该炉在环保方面的优越性［8］。应该看到，德毓克公司首先将英国无焦冲天炉公司的燃气冲天炉与有芯工频电炉双联，是对该技术的一个重要发展。

1994年，李文先生首先向中国介绍了日本的天然气冲天炉［9］。此后，有多人介绍过国内外的燃气冲天炉［10，11］。

1997年12月在日本京都通过2005年2月16日开始强制生效的“京都议定书”，是全世界第一个关于温室气体排放限制的国际公约，中国是该条约的缔约国。2005年12月03日，中国国务院发布了“关于落实科学发展观加强环境保护的决定”。次年的2月24日，中国国家环境保护总局发布了“环境影响评价公众参与暂行办法”。“京都议定书”及其国内一系列限制温室气体排放的法规，彻底改变了中国燃焦冲天炉的生存环境。

2008年，天津新伟祥工业有限公司投资960余万元，在中国率先引进了英国某公司的10 t/h天然气冲天炉（见图4），与10 t工频电炉双联用于发动机进、排气歧管的生产。另外据称，2010年，成都银河动力有限公司引进了德国某公司的5 t/h天然气冲天炉，与电炉双联用于发动机缸盖、汽缸套生产。

图4　天津新伟祥工业公司10 t/h长炉龄天然气冲天炉熔化系统展平图（2008）

2010到2013年之间，有多人对天然气冲天炉进行过研究［12-14］。吉守勤、张明等先生2013年在天然气冲天炉的研制及其性能一文中称：据初步了解，2009年至今几年间，我国建造的天然气试验冲天炉不少于12台（山西不少于6台、山东2台、江苏不少于2台、湖南1台、浙江1台），熔化率范围涵盖0.5 t/h～10 t/h［12］.

2008年至今的世界经济危机引起的铸造业萧条，对天然气冲天炉在中国的推广有重要不利的影响，该技术目前在中国的推广面临重重困难。但是，目前越来越严格的环境保护要求，对该炉的应用推广属明显利好。中国天然气冲天炉前途光明，但其应用推广的仍有很长的路要走。

此处顺便说说焦炭与天然气混合燃料冲天炉，或者附加天然气的燃焦冲天炉。按照周继扬先生对国外附加天然气燃焦冲天炉的的研究［11］，在燃焦冲天炉中附加20%的天然气，可以达到节省能源的目的。

焦炭与天然气混合燃料冲天炉看似简单，其实涉及了很复杂的燃烧学和技术问题［15，16］。按照《冶金原理》中有关在燃焦冲天炉中附加天然气、两者混合燃烧的有关结论，天然气喷嘴的位置应该位于冲天炉熔化带以下、距离熔化带不远处，否则有可能因为天然气燃烧存在的水煤气反应，并非一定可以达到提高燃焦冲天炉炉温的效果。由于燃焦冲天炉的熔化带位置一直处于波动状态，因此该冲天炉中天然气烧咀的位置很难确定，技术方面缺乏可靠性。

焦炭与天然气混合燃料冲天炉，技术方面缺乏可靠性，环保性能不具备明显优势，应该没有什么太大的前途可言。

3　回转化铁炉

在现有文献记载中，中国最先介绍回转化铁炉的人仍然为王百顺和陶令桓两位先生，他们1951年在“靱铁的制造及立式化铁炉制造靱铁的改进［17］”一文中，介绍了当时国外以煤粉为燃料的回转化铁炉（如图5）.

图5　以煤粉为燃料的回转化铁炉（1951）

文中称：回转炉（Roatry Furnace）炉身在熔化时可以转动或摆动，用粉煤、油、煤气为燃料，可在炉中获充分精炼。熔铁中含气体及硫均少，且品质均一。熔量可大至10 t，普通大于2 t的，都用粉煤为燃料。德英等欧洲国家，用以作黑心靱铁。美国嫌其容量较小，不大采用［17］。

通过上文，可以发现1950年代的回转化铁炉与现代天然气纯氧回转化铁炉，两者的结构基本相同。回转化铁炉几十年的技术发展，主要体现在燃料和燃烧方式方面。

1990年，周贤全先生在《中国铸机》上介绍过国外当时的回转化铁炉［18］：最近研制出一种新型炉来代替老式旋转炉。几年前，这种炉投放意大利市场，开始集中取代在市区产生严重污染的冲天炉。近来，全世界很多公司都在使用这种炉子，在欧洲的几个国家已收到许多良好的效果。型号有五种规格：1 t、2 t、3 t、5 t、8 t等［18］。

2001年，金仲信先生在《中国铸造装备与技术》杂志发表的近代新型化铁炉简介［19］一文中介绍了欧洲1980年代开发的纯氧天然气冲天炉（见图6）、日本中小企业综合事业团1995年开发的“利用余热的天然气回转炉”。

图6　纯氧天然气回转化铁炉（欧洲1980）

2002年，李传栻先生在铸铁的熔炼设备和技术（下）［20］一文中，介绍了意大利、日本等两国的纯氧天然气回转炉在生产中使用的情况。

2005年，金仲信和普莱克斯（中国）投资有限公司的张琪渔两位先生在熔炼铸铁用氧气·天然气回转炉［21］一文中，详细介绍了纯氧天然气回转炉的熔炼原理、主要特点、适用范围、炉型结构、操作方法、熔炼铁液的性能、能源消耗和热效率以及对环境的影响。

据笔者实地考察，2014年12月份，普莱克斯（Prax）中国投资有限公司，在中国河北隆尧县固城工业区某汽车配件公司建成了一台3 t纯氧天然气回转化铁炉。该炉2015年4月熔化、浇注铸件的图片见图7.

图7　河北隆尧县固城工业区30 t纯氧天然气回转化铁炉

2015年10月，包头职业技术学院的殷黎丽、杨彬两位教授和天津展亿实业有限公司的李春澍先生，在《铸造》上发表了纯氧燃气回转化铁炉及熔炼特性［22］一文，详细介绍了纯氧燃气回转化铁炉（Rotary Drum Furnace，RF）的系统组成、结构、熔炼过程、熔炼工艺、性能参数、熔化成本及其与环境友好的排放性能。该文对纯氧天然气回转炉在中国当前的推广和使用有一定参考意义。

纯氧天然气回转化铁炉，不仅可以熔化灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁，还可以熔化铜、铝、锌、铅及其合金；另外，按其熔化温度，该炉也应该能够熔化铸钢、生产普通铸钢件和合金钢铸件。该炉不像天然气冲天炉那样必须与感应电炉双联，它的熔化使用性能无异于感应电炉，可以单独供应合格铁液。该炉特别适合批量不大、品种不少的铸造厂，在中国有广泛的应用前景。

［1］四川省石油管理局总机修厂.天然气化铁炉［J］.机械工人技术资料，1975（9）：37-41.

［2］四川省自贡市长征机床厂铸工车间.天然气化铁炉［J］.铸工，1975（6）：42-46.

［3］戢家齐.天然气化铁炉［J］.铸造机械，1976（4）：31-38.

［4］天津市板桥农机厂铸铁车间.天然气化铁炉［J］.铸工，1977（4）：22-34.

［5］鞍山钢铁公司小型轧钢厂.天然气化铁炉［J］.铸工，1977（4）：20-27，29-33.

［6］ Taft R T，Perkins H R.八十年代前的无焦冲天炉［J］.孟繁玉，编译.铸造设备研究，1991（1）：54-58.

［7］李廷山.无焦冲天炉熔炼［J］.中国铸机，1991（3）：58-60.

［8］戴静敏.无焦冲天炉［J］.铁道机车车辆工人，1994（10）：25-26.

［9］李文.天燃气冲天炉［J］.铁道机车车辆工人，1993（11）：26-27.

［10］ Bald T，Hain W.无焦冲天炉的熔炼特性［G］//第二届有色金属及铸造国际会议论文集.北京：中国铸造协会，2001.

［11］周继扬.国外冲天炉技术［M］.大连：大连理工学院，2009.

［12］张明，武战军，宝林，吉守勤，梁润波，安军.10t/h长炉龄燃气冲天炉及其运行数据［J］.铸造，2014（9）：894-899.