水冷式冲天炉的研制及其冶炼研究

李 伟，刘继雄，胡雪沁

(广钢气体(广州)有限公司，广东 广州 511458)

水冷式冲天炉在冶炼过程中，当检测到的铁水温度需要调整时，通常通过增加或减少层焦的加料比例来实现铁水温度的调整[1-2]。然而，这种调整方式存在铁水温度滞后性强的问题，每次调整焦炭后，约1 h才能在铁水上观测铁水温度的变化[3-4]。当降低铁水温度时，滞后性带来的问题会导致高温合金烧损比预期大，合金化后成分不准确；当升高铁水温度时，滞后性带来的问题会导致铁水品质低[5-7]。张明等[8]基于焦炭燃烧理论、以燃烧比进行冲天炉风焦联合控制的数值模型,讨论了热风单元和除尘系统正常工作所涉及的燃烧学问题,提出了一种由三级炉气成分在线检测仪组成的热风单元控制系统，指出了除尘系统处理风量的控制要点和风量控制方式。但该冲天炉理论还只停留于实验室阶段，不能及时解决工业应用问题。毛永涛等[9]利用的热风水冷富氧冲天炉熔炼，利用热风水冷富氧冲天炉熔炼的冶金特点, 通过对原材料进行选择及优化炉料配比, 熔化出优质铁液，通过优化孕育处理及合金化工艺, 从而获得高强度灰铸铁气缸体熔液。但是在铁水温度需要调整时，也是通过增加或减少层焦的加料比例来实现铁水温度的调整，同样存在着铁水温度滞后性强的问题。

本工作为克服上述现有技术冲天炉在调整铁水温度时，存在着铁水温度滞后性强的问题，提出一种水冷式冲天炉。该水冷式冲天炉的炉体下部设置有铁水出口，炉体的上部设置有用于进料以及排烟的加料口，炉体外侧还设置有用于冷却炉体的冷却装置，炉体中部外侧设置有进风装置，该进风装置连通有第一进风管，还包括供氧装置，与其中部分进风口相连通。并针对该冲天炉提出一种水冷式冲天炉的冶炼方法，可以快速达到调节铁水温度的目的，解决铁水温度滞后性问题。

1 水冷式冲天炉的工艺设计

1.1 炉体结构

如图1所示，炉体1的下部设置有铁水出口2，炉体1的上部设置有用于进料以及排烟的加料口3，炉体1外侧还设置有用于冷却炉体1的冷却装置，炉体1中部外侧设置有进风装置4，进风装置4连通有第一进风管5，第一进风管5上设置有若干与炉体1相连通的进风口6，还包括供氧装置7，供氧装置7与其中部分进风口6相连通。

其中，供氧装置7通过供氧管道71与第一进风管5上的进风口6相连通。供氧管道71的一端与供氧装置7相连接，供氧装置7可以是外接的氧气源，通过供氧管道71与进风口6，可以将外接的氧气输送至炉体1中。

1.2 进风结构

进风口6还设有氧枪72，氧枪72与供氧管道71相连通，氧枪72还与控制器的输出端相连。在本实施例中，氧枪72的一端与供氧管道71相连，氧枪72设置在进风口6上，在控制器的控制下，可以通过氧枪72将供氧装置7中的氧气喷射至炉体1内，能够更好地为炉体1中的燃烧起到助燃效果。需要说明的是，供氧管道71的一端与供氧装置7相连接，供氧装置7可以是外接的氧气源，另一端沿着炉体1外周设置并对该端进行密封处理，环绕在炉体1外周侧的供氧管道71可以通过焊接的方式安装在炉体1上，由于供氧管道71环绕设置在炉体1的外周，可以利用炉体1的热量对供氧管道71内的氧气进行预热，从而更好地起到助燃效果。第一进风管5上有若干进风口6，氧枪72间隔设置在若干进风口6处，氧枪72一端与环绕在炉体1外周的供氧管道71相连通。其中，进风腔41中设置有用于过滤空气杂质的空气过滤器43。空气过滤器43能够过滤进入到第一进风管5、第二进风管8中的杂质，避免进入到炉体1中的杂质对炉体1内的燃烧造成影响。需要说明的是，空气过滤器43可以通过焊接的方式安装在进风腔41的内壁上。

1.3 温度传感器

炉体1中设置有用于检测炉体1中铁水温度的温度传感器，温度传感器连接控制器的输入端，控制器的输出端与供氧装置7相连。，供氧装置7可以是外接的氧气源，温度传感器检测铁水的问题，并把检测的铁水温度传递至控制器，控制器接收到铁水温度数据低于设置的温度时，控制器指令供氧装置7向炉体1中输入氧气，为炉体1内的燃烧起到助燃的作用，从而提高铁水的温度。需要说明的是，温度传感器设置在炉体1内，在图中未表明。此外，控制器设置在炉体1外，避免高温环境对控制器造成损坏。

1.4 冷却装置

另外，冷却装置包括螺旋设于炉体1外侧的冷却水道10以及用于向炉体1外侧喷淋冷却水的喷淋装置9。由于冷却水道10螺旋设置在炉体1外侧，延长了冷却水道10与炉体1之间的热交换时间，起到更好的冷却效果。喷淋装置9则直接对炉体1外侧进行喷淋，对炉体1的外侧进行降温。需要说明的是，喷淋装置9通过固定安装在炉体1外侧的支架13进行安装，且喷淋装置9沿炉体1周向均匀安装。为了避免淋浴在炉体1外周上的冷却水进入到铁水出口2中，在铁水出口2的上方与炉体1固定连接有遮雨盖14，遮雨盖14可以采用焊接的方式也可以采用螺纹连接的方式与炉体1相连。

图1 水冷式冲天炉的结构示意图

2 水冷式冲天炉结构特点及其冶炼应用

2.1 结构特点

炉体的下部设置有铁水出口，炉体的上部设置有用于进料以及排烟的加料口，炉体外侧还设置有用于冷却炉体的冷却装置，炉体中部外侧设置有进风装置，进风装置连通有第一进风管，第一进风管上设置有若干与炉体相连通的进风口，还包括供氧装置，供氧装置与其中部分进风口相连通。

炉体中包括了供氧装置，供氧装置7可以通过进风口6向炉体1内部输送氧气，当需要调整铁水温度时，通过调节供氧装置7向炉体1的进氧量与进风装置4向炉体1的进风总量之间的比值，从而可以快速达到调节铁水温度的目的，避免现有技术中通过增加或减少层焦的加料比例来实现铁水温度的调整存在着铁水温度滞后性强的问题。

2.2 冶炼应用

当使用该炉体进行冶炼应用时，在冶炼过程中，需要升高铁水温度时，增大供氧装置7向炉体1的进氧量，并使得供氧装置7向炉体1的进氧量与进风装置4向炉体1的进风总量之间的比值为(1～2):100；当需要降低铁水温度时，减小供氧装置7向炉体1的进氧量，并使得供氧装置7向炉体1的进氧量与进风装置4向炉体1的进风总量之间的比值为(1～2):100。 本工艺可有效地将调整铁水温度的滞后时间从1.5～2 h降低至20～25 min；富氧后，产能可增加10%～20%，同样的产量，可缩短冲天炉运行时间约1 h，相当于增加了1 h的时间窗口用于维护耐火材料；富氧后，硅烧损降低10%～30%；富氧后焦炭(层焦)节省10%～20%。

以一台以20 t/h的水冷式短炉龄冲天炉为例，下风管有10个风口，层焦为115 kg(10%的焦铁比)，进风装置4产生的助燃风的风量为16000 Nm3/h，硅烧损为25%～30%。

(1)设定层焦为95 kg，基准加氧量为160 Nm3/h，投料速度匹配23 t/h的产量，冲天炉点火后，通过进风装置4的助燃风量稳定在16000 Nm3/h后，启动供氧装置7，30 min后加氧量设定为210 Nm3/h，第一桶铁水温度为1460～1475 ℃，温度稳定。

(2)保持层焦为95 kg，加氧量设定为280 Nm3/h，保持加料速度匹配23 t/h的产量，15 min后检测到铁水温度上升至1480～1490 ℃，20 min后，铁水温度稳定在1485～1500 ℃。

(3)保持层焦为95 kg，加氧量设定为320 Nm3/h，保持加料速度匹配23 t/h的产量，15 min后检测到铁水温度上升至1500～1510 ℃，20 min后，铁水温度稳定在1505～1520 ℃。

(4)层焦设置为105 kg，加氧量保持320 Nm3/h，保持加料速度匹配23 t/h的产量，1 h后，检测到铁水温度上升至1520～1530 ℃，并持续上升，100 min后，铁水温度稳定为1545～1565 ℃(铁水温度超高)。

(5)反复实验(1-3)，结果基本一致；逆序操作(3-1)，铁水降温的滞后时间从20 min增加至25 min。

此外，检测(1-3)过程中铁水的质量：硅烧损从25%～35%，降至17%～24%，均值降低30%；锰烧损几乎一致；增碳从6%～8%降低至5%～6%，均值降低20%，但仍然满足铁水增碳的质量要求。

3 结 论

本文为了克服现有冲天炉在调整铁水温度时，存在着铁水温度滞后性强的问题，提出一种水冷式冲天炉。该水冷式冲天炉通过调节供氧装置向炉体的进氧量与进风装置向炉体的进风总量之间的比值，从而可以快速达到调节铁水温度的目的，避免现有技术中通过增加或减少层焦的加料比例来实现铁水温度的调整存在着铁水温度滞后性强的问题。并针对该冲天炉提出一种水冷式冲天炉的冶炼方法，可有效地将调整铁水温度的滞后时间从1.5～2 h降低至20～25 min；富氧后，产能可增加10%～20%，同样的产量，可缩短冲天炉运行时间约1 h，相当于增加了1 h的时间窗口用于维护耐火材料；富氧后，硅烧损降低10%～30%；富氧后焦炭(层焦)节省10%～20%。