铸造用烤包器的优化设计

2022-07-15姚国涛

机械工程师 2022年7期

姚国涛

（晋能控股装备制造集团大同装备公司中央机厂，山西大同 037001）

0 引言

钢水烤包器是炼钢生产工序中重要的环节之一，是介于冶炼和浇注两个工序之间，烘烤的好坏直接影响产品的质量[1]。更有甚者，烘烤过程的不合格，直接导致整包钢水报废，其常见原因一是钢水包底部烘烤温度低，钢水注入钢水包，包底钢水率先凝固，包底塞头粘连，拔不出；另一种情况是烘烤速度快，不能及时排除水分汽化，造成耐火包衬产生裂纹。钢水在浇注前通常在钢水包内静置5～10 min，以利于钢水中钢渣及气体上浮，净化钢水。在静置过程中，钢水温度会降低，一是钢水表面热辐射，通常增加覆盖剂来减少热量损失；二是钢包包衬及钢包表面的热辐射损失，占整个过程热量损失的60%～70%，所以提前提高钢水包温度对减少熔炼时间、提高电炉寿命、降低能耗起到了关键的作用。

国内有的钢水包烘烤用一根煤气管道，加以鼓风机送风。这种烤包方式温度低，烤包过程热损耗大，能源需求量大；其次，烘烤过程不均匀，耗时长。有的铸造厂根据生产需要，投入烤包器。但这种烤包器属于人为手动式操作，没有严格的送风与供气流量比例，温度很难控制，还往往需要借助于人眼观察，这不仅不准确，耽误生产，还极易损坏钢水包。此外，燃料燃烧不充分，还造成能源的浪费。本文通过研究送风与供气流量比例及燃烧喷嘴直径的关系，加装PLC智能控制系统及温度曲线显示屏，分阶段地控制供气、送风流量[2]，满足生产需要，达到节约能源的目的。

1 实验材料及方法

由于丙烷气体的燃烧温度能达到2600 ℃左右，热值较高，我们选用丙烷气体作为烤包器的气源，燃气管道前加装燃气流量计，可自动调节阀开度。辅助以大功率风机为助燃载体，风机加装变频装置，可以改变风机的功率，控制风速的大小。丙烷管路中通过电磁阀门控制燃气的通断。炉盖处加装电火花点火器（用于点火）及热电偶（用于检测钢水包温度）。电控模块加装流量调节和温度调节模块[3]。PLC模块控制各项参数，液晶显示屏便于输入各项参数及观察设备运行情况。通过液晶显示屏将各项参数输入PLC模块，首先由温度控制器将信号反馈给PLC系统模块，然后PLC把各项参数以电信号的形式输送给流量调节模块及风机变频模块，具体执行相关任务。

试验选用内高为1.3 m、直径为1.1 m、炉衬含50%左右Al2O3的底漏式钢水包。从室温升高到100 ℃时，应缓慢地升温，升温过快大量汽化水分无法排出，会产生破坏性蒸汽压力，使耐火包衬产生裂纹或掉皮现象。

试验过程选用3种直径不同的燃烧喷嘴，如图1所示，直径分别为φ40 mm、φ65 mm、φ85 mm，供气压力设置为160 kPa，燃气阀开度及送风量可连续性变化。

图1 燃烧喷嘴

试验分3种情况：一是选择合适的喷嘴；二是选好喷嘴后，控制好风量，改变供气流量；三是控制好气体流量，调整送风量。在改变参数过程中，不断观察温度控制曲线的变化，得出合适的空燃比例。

2 实验结果与分析

2.1 燃烧喷嘴直径对烤包的影响

图2为钢水包的温控曲线与燃烧喷嘴直径的关系。从图中可以明显看出，随着喷嘴直径加大，温控曲线上浮速度加快。这是因为随着喷嘴直径加大，气体单位面积的流速减小，火焰横向燃烧的面积增大，纵向燃烧距离缩短，使用φ85 mm的燃烧喷嘴，火焰不能到达包底，不满足烤包的要求。对于φ40 mm、φ65 mm两种喷嘴，前者产生的纵向火焰过长，横向过窄，钢包底部及侧壁烘烤程度不一致，后者纵向与横向火焰比例适当，烘烤均匀。因此喷嘴直径φ65 mm优于φ85 mm和φ40 mm。

图2 钢水包的温控曲线与燃烧喷嘴的直径的关系

2.2 燃气流量对烤包的影响

图3为钢水包的温控曲线与燃气流量的关系。从图中可以看出，随着燃气流量的增加，温控曲线上浮速率加快。从现场观察可以看到，火焰颜色逐渐变深，火苗散开有向上蔓延的趋势。这是因为燃气流量的加大，所需要的氧气量随之增加，而所供风量不足。为了得到更多的氧气向上蔓延，向上蔓延的火焰不仅减少烤包器顶盖的寿命，并且燃料的不完全燃烧增加燃气的损耗。虽然燃气流量的增加可以缩短烤包的时间，但是热效率明显降低。通过计算得出达所需的温度，阀开度为45，流速为26 m3/h，耗时12 min，阀开度为40，流速为24 m3/h，耗时15 min，一次烤包多耗费燃气为0.8 m3。通过对比发现，燃气流速40 m3/h要优于其他流速。

图3 钢水包的温控曲线与通风流量的关系

图3 钢水包的温控曲线与燃气阀开度的关系

2.3 通风流量对烤包的影响

图4为钢水包的温控曲线与通风流量的关系。刚开始点火时，由于未开启送风电动机，烤包器下方的火焰向上燃烧，随着风机功率的加大，通风量增加，火焰不断下移，直至火焰向下保持一个稳定的高度，继续增加热风机的功率，火焰高度不变，但是从温控曲线上可以看出，此时温度增加缓慢，直到不再变化。这是因为开始加热时钢水包温度较低，与火焰的温度相差比较大，温度升高快。随着钢水包温度的不断上升，对外温度的散失也加快，这时温度上升比较缓慢。当火焰燃烧的热量与散失的热量达到动态平衡时，温度出现一个峰值。再加大风机的功率，会发现温控曲线的峰值有一个缓慢的下降。这是因为随着空气气流的快速流动涌入，热交换加快，热量不断流失。说明在这一阶段升温发生逆转。此时空气流量为950 m3/h。

3 烤包器升温机理分析

烤包器烤包温度是由燃气流量、送风量及燃烧喷嘴共同作用的结果。供气流量太大，造成温度上升太快，水分汽化无法排出，使耐火材料产生裂纹或掉皮，影响钢水包寿命，同时燃料不完全燃烧，浪费资源，并且向上燃烧的火焰降低烤包器盖板的寿命。燃烧喷嘴直径过细，致使火焰辐射到达包壁距离增大，升温过慢，烤包时间长；喷嘴直径过大，会使火焰不能到达包底，满足不了烤包要求。风量太小会使燃料燃烧不充分，浪费能源；太大会加快空气循环，增加热量的散失。

4 设置程序参数

基于上述情况，我们在程序系统中设置3个温度段：第一阶段为230 ℃，送风流量设置为14 m3/min，燃气流量为0.4 m3/min；第二阶段为500 ℃，送风流量设置为15 m3/min，燃气流量为0.43 m3/min；第三阶段为750 ℃, 送风流量设置为17 m3/min，燃气流量为0.48 m3/min。

操作过程为：将预先计算好的各项参数（包括温度控制及时间控制）通过控制屏输入给程序单元控制器；先打开燃气总阀门及鼓风机，风机默认以最小功率运行（如果风机风量过大、过急不容易点燃）；按点火按钮，此时烤包器燃气控制电磁阀自动打开，点火装置产生电火花，烤包器点火成功；如果2 s时间后燃气未点燃，电磁控制阀门自动关闭，切断燃气通道；点燃成功后烤包器按设定参数运行。参数设定总共分3个阶段：第一阶段目标值为230 ℃，升温时间为3 min，保温时间为2 min；第二阶段目标值为500 ℃，升温时间为1 min，保温时间为1 min；第三阶段目标值为750 ℃，升温时间为2 min，保温时间为2 min。点火后进入第一阶段，设备自动调节风机风量及燃气流量大小，当达到预定温度后，保温一段时间后再进行第二阶段运行，此时风机风量及燃气流量重新自动调整。在达到预定温度后保温一段时间，进入第三阶段烘烤。烘烤结束后发出声光提醒，燃气自动关闭发出报警信号。