铸造焦品质对冲天炉熔炼铁液质量的影响因素研究

2023-01-14赵宝龙

山西冶金 2022年2期

赵宝龙

（山西沁新能源集团股份有限公司煤转化技术研发中心，山西长治 046500）

我国正处于由铸造大国走向铸造强国的过程中，随着汽车、机床、航空、航天、舰船及石油等行业的高速发展，对生产高性能、高精密和高精尖铸件的要求日益强烈，同发达国家对比铸件在性能与质量上的差距反映出了我国铸铁件在冶炼质量上有一定的差距与缺陷。

目前熔炼采用的炉型设备主要有冲天炉和感应电炉两种，虽然电炉在节能降耗方面有较大的优势，但由于起步较晚，在设备的大型化和铁液质量方面有一定局限性，国内铸造厂家所采用较多的为冲天炉熔化+感应电炉保温精炼的双联方式进行铸造熔炼，它的优点是可最大限度地利用冲天炉的熔化效率，再利用感应电炉的过热优势，在使用冲天炉进行熔铁过程中使用的最主要燃料是铸造焦，该类焦炭是一种能够使炉料进行熔化并且能增加铁水温度的燃料[1]。

1 大型铸造熔炼冲天炉对铸造焦的质量要求

从铸造焦在冲天炉内的作用可将其产品的品质指标分为两类，第一类为表征理化性能的指标，主要为水分、灰分、挥发分、硫分、磷分和固定碳等，第二类为表征操作性能的指标，主要为块度、反应性、反应后强度、抗碎强度、耐磨强度和显气孔率等，由于第一类指标受到炼焦用煤固有指标的限制，并且对冲天炉熔炼影响相关性较强，现主要对铸造焦的第二类指标进行研究和分析[2]。

1.1 块度尺寸要求

对于铸造用冲天炉来说，焦炭尺寸大小的选择与冲天炉炉径和熔化速率有一定关系，随着炉径和熔化速率的增加块度也需要适当增加，并且要求冲天炉的底焦块度要比层焦大，块度过大并且均匀的底焦对气流的阻力小，从而保证风量更容易和均匀分布在底焦中心。熔炼中需保持块度在一定的范围内，因为过大或过小的块度都会造成铁液的质量和温度的下降。

1）当加入的铸造焦块度过大时，会造成参与反应的焦炭表面积下降，导致焦炭在炉内的燃烧速率下降，拉长氧化带，造成炉内的高温区分散，炉内标准温度达不到所需要的规定温度和过热温度，并且过大的焦炭会造成熔化后的铁液与焦炭的接触界面减少，不利于碳质晶的核形，不利于铁液的增碳。

2）当加入的铸造焦块度过小时，会造成焦炭燃料表面积的增加，从而缩短了氧化带，造成送风阻力增大，空气难以深入炉子中心，炉壁效应加大，使炉内温度分布更加不均匀，熔化带位置下移，加快底焦消耗，严重降低底焦高度，减少铁液过热距离，降低铁液温度[3-4]。

1.2 高温下反应性的要求

焦炭的反应性主要是指焦炭与二氧化碳在高温下的化学反应能力，实际上焦炭在冲天炉内发生的化学反应非常复杂，对铁液质量影响也很大，焦炭的反应性越高，在炉内的燃烧速率就越快，造成底焦中氧化区缩小，还原区扩大，当焦炭的反应性继续增加时，会造成还原区与氧化区进一步接近，氧化区内最高温度下降，对铁液的过热非常不利。当然，焦炭的反应性也不是越低越好，当焦炭的反应性过低时，会导致冲天炉的氧化区扩大，造成高温下被熔化的铁液产生氧化生成铁的氧化物可能性增加，同样会降低铁液的性能。

1.3 抗冷热强度的要求

铸造焦除在运输、装卸和转载过程中会受到冲击和磨损外，在入炉过程中也会受到铁块和废钢等物料的撞击，为保证焦炭进入冲天炉后在冷态和热态下块度的均匀性和抗冲击性能，炉内料柱有良好的透气性，要求冲天炉内使用的焦炭具有足够的抗碎强度、耐磨强度、落下强度和高温下参与化学反应后的强度[5]。

2 铸造焦生产现状分析

铸造焦的主要来源为使用热回收焦炉生产铸造焦和从冶金焦产品中分选出大块焦炭作为铸造焦使用。由于冶金焦反应性较高和气孔率较大等原因造成冲天炉炉况运行不利，采用热回收焦炉生产的铸造焦品质较高，特别是生产的低反应性铸造焦可以降低焦炭与二氧化碳的吸热反应速率，具体分析热回收焦炉生产的铸造焦产品品质优良的主要原因为由以下三个方面决定[6-7]。

2.1 炉型结构方面

热回收焦炉属于内热式焦炉，炉型分为立式和卧式两种，负压状态下运行，主要以卧室热回收焦炉为主，外观为扁平状，长度基本都在13 m 以上，宽度3.5 m 左右，高度2.5 m 左右，炭化室宽度和容积大，装煤方式全部为捣固侧装，煤饼呈现横卧式，单炉装煤量可达到40～60 t，煤饼的上部圆拱空间较大，在炼焦过程中产生的横向压力可以转化为部分纵向压力，向上部分释放能量，从而起到了缓解炉壁的压力，这就可以配入部分高变质程度的烟煤及部分无烟煤，由于该类焦炉在炉型结构上采用的大容积设计和通过捣固装煤，在一定程度上具备了生产大块焦炭的可能性。

2.2 配煤结构方面

对于生产铸造焦而言，要求焦炭的灰分低、硫分低，而我国低灰低硫且又适用于炼焦的煤种资源紧缺，一些炼焦主要基础煤种，比如：肥煤、焦煤等分布极不均匀，并且存在灰分和硫分偏高的特点，造成优质低灰低硫的炼焦用煤价格贵且煤源不足，这就造成生产铸造焦的成本高的特点。

为了降低炼焦基础煤种的用量，同时为保证生产出的焦炭具有足够大的块度和块度上的均匀性，在配煤技术中通过配入石油焦、延迟焦或煤系的半焦粉、焦粉等惰性物质，配加该类物质后，可降低半焦的收缩系数，减小半焦层间收缩差，提高半焦的强度和减少裂纹的产生数量，同时改善焦炭的气孔结构，提高焦炭的强度。

2.3 热工制度方面

热回收焦炉的加热方式为荒煤气直接燃烧加热，炭化室内煤饼热解挥发产生的荒煤气溢散，进入炉顶空间与拱顶的一次配风口配入的空气接触后，在炉内上部燃烧产生一定的热量用于提供干馏所需的温度，炉顶未能完全燃烧的荒煤气和部分废气经由主墙下降火道进入炭化室底板下火道与二次配入的空气进行接触燃烧释放出热量，燃烧后的废气经由烟道排出至余热发电工序。

为生产出块度较大铸造焦，需要在结焦后期，特别是成焦过程中的前后两次收缩阶段，适当降低焦炭的加热速率，缓解和降低裂纹的形成。通过试验分析，将捣固装煤温度控制在760～780 ℃，结焦前期升温速率为2.5 ℃/h，结焦中期升温速率为1 ℃/h，结焦后期升温速率为1.5 ℃/h，标准温度为960～980 ℃，焦炭成熟后控制闷炉时间在6～8 h。通过闷炉可以使结焦后期的热分解与热缩聚程度提高，可以进一步降低焦炭的挥发分含量，又可以改善焦炭的气孔结构，增加气孔壁的致密性，达到降低气孔率和高温反应性的目的。在此热工制度下既可以保证生产出高品质的大块铸造焦，又可以保证日产量达标。