第5章 冲天炉熔炼

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1、第五章 冲天炉熔炼第一节 冲天炉熔炼的基本原理一、冲天炉基本结构图 51 所示为冲天炉的主要结构简图。炉子由以下几部分组成：1 炉底与炉基炉底与炉基是冲天炉的支撑部分，对整座炉子和炉料柱起支撑作用。2 炉体与前炉炉体是冲天炉的基本组成部分，包括炉身和炉缸两部分。炉体内壁砌耐火 材料，临近加料口处的炉膛则用钢板圈或铁砖构筑，以承受加料时炉料的冲击 前炉由前炉体和可分离的炉盖组成。前炉的作用是储存铁水，并使铁水的 成分和温度均匀，减少铁水在炉缸内的停留时间，从而有利于降低炉缸对铁水 的增碳与增硫作用，而且还有利于渣铁分离，净化铁水。目前国内外的冲天炉 大多是带有前炉的。前炉的容量大致为冲天炉每小时

2、熔化铁水量的 0.82 倍。3 烟囱与除尘装置烟囱在加料口上面，其外壳与炉身连成一体，内壁砌耐火砖。烟囱的作用 是引导炉气向上流动并排出炉外。除尘装置的作用是消除或减少炉气中的烟灰 及有害气体成分，使废气净化。4 送风系统冲天炉的送风系统是指自鼓风机出口至风口出口处为止的整个系统，包括 进风管、风箱、风口及鼓风机输出管道。送风系统的作用是按照炉子工作的要 求，将来自鼓风机的供底焦燃烧用的一定量空气送入冲天炉内。5 热风装置热风装置的作用是加热供底焦燃烧用的空气，以强化冲天炉底焦的燃烧。 常用热风装置有内热式和外热式两种。以上是冲天炉的几个主要组成部分。除此以外，冲天炉还必须配备鼓风设备、加配料

3、设备、控制与调节设备以及有关的测试仪器。图57冲天炉主要结梅简图 I 一除尘彌2-据園E遴风慕绕4一師炉5H1SO 占一岀铁 了一支柠炉库桩9抑料口rn二、冲天炉内炉气与温度的分布1冲天炉内炉气的分布图5 2所示为沿冲天炉纵截面与横截面的炉气分布示意图。由图5 2a可知，在冲天炉纵截面上，由于炉壁效应的影响，炉气比较集 中在炉壁附近，离炉壁愈近，炉气的流速就越大。在冲天炉横截面上，在风口前缘，因空气流速高，流量大，形成了强烈的 燃烧带，而在两个风口之上的区域，则由于空气量少而形成所谓“死区” A。此 外，来自风口的空气流股，因焦炭块的阻力而逐渐失去动能，难于深入炉子中 心，因而在炉膛截面的中心

4、区域出现“死区” B。所以，在冲天炉风口区域的炉 膛截面上，空气及其与焦炭反应后所生成的炉气，无论沿炉膛四周或炉子径向的分布都是不均匀的。图5 2冲天炉内炉气分布示意图a）炉气沿炉膛纵截面分布b）炉气沿炉膛横截面分布1炉衬2风口2冲天炉内温度的分布冲天炉内温度分布，由于调试技术上的困难，所以从实际熔炼冲天炉上测 量的数据较少。现有冲天炉内温度分布的图形，大多是在没有化铁的情况下， 从冲天护底煤层中测得的。因此，下面所作的讨论也只是对底焦而言的。图53为冲天炉内炉气成分与温度沿炉子高度的变化。由图可知，炉气成 分也有一个CO含量最大的区域，此处炉气温度最高。在此区域以上，由于CO2 2 还原吸热

5、而温度下降；在此区域以下，燃烧反应正在进行，温度由低逐渐到达 最高。由于炉气温度的变化与炉气中CO含量变化有一致的趋向，因此，可以从底2焦层中炉气CO的浓度分布，近似地推测护内温度分布。图54为冲天炉内炉2气CO等浓度曲线。由图可知，在该图测定的条件下，CO最高浓度区域集中在2 2炉壁附近约离风口 400 一 500mm的区域内，而炉子中心区域，CO浓度低，等浓2度曲线呈下凹形。这与炉壁效应的影响是一致的。J4l；图53炉弋盛分（乂）湛度2昌图5 4冲天炉内的炉气的CO2等浓度曲线冲天炉内炉气成分与温度沿高度变化一电區)菱更4皋由此可以推知炉内等温曲线也将呈下凹形，而冲天炉高温区域位于炉壁附

6、近。冲天炉内这种温度分布状况，对铁液过热是不利的。为了改善这种情况， 就必须注意影响冲天炉炉气与温度分布的一些主要因素。对此，将结合冲天炉 内的热交换现象加以讨论。第二节、影响冲天炉铁液温度的因素一 焦炭对冲天炉铁液温度的影响1 焦炭成分焦炭固定碳含量越高，阻碍燃烧反应和影内铁液吸热的灰分就越少，发热 量就越大。熔炼过程中由灰分形成渣量也相应减少，因而有利于提高炉气最高 温度，加强焦炭对铁液的热传导，有利于铁掖过热。采用固定碳高(85%)的 焦炭，是提高铁液温度的条重要途径。2 焦炭强度与块度焦炭的机械强度包括抗压强度、抗冲击强度、抗碎裂强度(M )和耐磨损强40度(M)。焦炭入护后，受到炉内

7、高温的热作用，支撑料拄而受压力作用，同时10 要受到炉料的冲击作用等，这时如果焦炭的机械强度低，在炉内易被破碎，不 能保持焦炭入炉时的块度。这不但恶化料柱透气性，而且影响熔化的稳定性， 使炉子不能正常熔化。当焦炭块废过小时，由于炉膛单位容以内的反应表面积过大，因而燃烧反 应加速，氧化带缩短还原带扩大，加以此时氧化带内还原反应发展较快，致 使高温区域短，炉气最高温度较低。此外，小块焦炭对送风阻力大，空气难于 深入炉子心部，炉壁效应加剧，对铁液过热不利。与此相反，焦炭块度过大， 燃烧速度慢，此时，虽然氧化带扩大，但燃烧区域不集中，炉气最高温度低， 也不利于铁液的过热。只有块度适合的焦炭，燃烧速度适

8、中，炉气温度较高， 高温区长，有利于扶液的过热。所以，对于小型冲天炉，推荐冲天炉内径与焦 块平均立径之比为1011左右。二、送风对冲天炉铁液温度的影响1 风量的影响提高进风量，有利于提高铁液温度，但风量过大，易造成炉料预热不足， 熔化区下移，过热高度缩短，又不利于铁液过热。所以，冲天炉有一个最佳风 量，称为最惠风量。2 风速的影响提高进风速度，有利于铁液温度的提高，但是，风速过高对焦炭有吹冷作 用，反而会恶化燃烧反应，加大元素烧损，降低铁液温度。因此，冲天炉也有 一个合适的进风速度。3 风温的影响提高送入炉内空气的温度，可提高燃烧速度和炉气最高温度，有利于提高 铁液温度。所以，预热送风是获得高

9、温优质铁液，提高炉子熔化率，降低元素 烧损的有利措施。4 风中氧气浓度的影响提高送风中氧的浓度，即富氧送风，可加速底焦的燃烧速度并增加CO2浓度, 具有与热风相似的效果。三、金属炉料对冲天炉铁液温度的影响金属炉料块度越大，所需预热和熔化时间也就越长，因而不利于铁液的过 热。所以，减小冲天炉内金属炉料的块度，是提高铁液温度与炉子热效率的有 利措施。四、熔炼操作参数对冲天炉铁液温度的影响1 底焦高度合适的底焦高度是确保冲天炉内进行热交换的基础，也是决定炉内各区域 位置的基本因素。因此，在冲天炉熔炼操作中，必须严格控制底焦高度。2 焦炭消耗量焦炭消耗量在原则上应满足下列关系： 每批层焦量二熔化每批金

10、属料的 底焦烧失量；相当于每批层焦烧失时间二每批金属料的熔化时间。3 批料量当铁焦比例不变时，减少批料量，可使每批炉料的熔化时间缩短，熔化区 域缩小，熔化区平均位置提高，从而扩大过热区域，有利于提高铁液温度。第三节、冲天炉熔炼过程中化学成分的变化规律一 含碳量变化冲天炉熔炼过程中，铁液含碳量的变化来自两方面：铁液自焦炭吸收碳分 （增碳）及铁液中所含的碳被炉气中的氧化性气氛和铁液中 Fe 所氧化（脱碳）。铁 液含碳量变化即是增碳和脱碳的综合效果。1 铁液的增碳冲天炉内铁液的增碳主要发生在金属炉料熔化以后，直至铁液排出炉缸为 止。炉内温度越高，铁液原始含碳量越低，铁液与焦炭接触的面积和铁液体积 之

11、比越大，铁液在焦炭表面的流速越大，则增碳速度越大，单位时间内的增碳 量也就越多。2 铁液的脱碳 冲天炉熔炼过程中，铁液的脱碳包括炉气对铁液的直接脱碳与炉气通过 FeO 对铁液的间接脱碳。3 影响铁液含碳量变化的因素 炉料化学成分 当金属炉料的平均含碳量低于共晶碳量时，铁液就增碳，反之则脱碳，差 值越大，含碳量变化幅度也越大。焦碳 铁液的增碳主要来源于焦炭。焦炭消耗量、底焦高度、焦炭的块度、成分 与反应性都直接影响着铁液温度、铁液与焦炭的接触时间和反应表面积，以及 炉气氧化性的强弱，因此对铁液含碳量的变化具有重要影响。供风条件 在焦碳一定的条件下，提高风量，将使氧化带扩大，炉气氧化性增强，炉 子

12、熔化率提高因而不利于增碳。但提高送风温度和风中氧的浓度，由于提高了 炉内温度，缩短了氧化带，因而有利于增碳。炉渣 当其它条件一定时，适当提高炉渣碱度，将有助于消除焦炭表面阻碍铁液 增碳的酸性渣膜，改善铁液与焦炭的接触条件，因而有利于铁液的增碳。炉子结构 在一般操作条件下，冲天炉的炉缸是一个增碳区域，炉缸深度越大，增碳 作用就越强。带有前炉的冲天炉，因铁液在炉缸内停留时间较短，故增碳作用 较小。二、合金元素的氧化和与烧损1 硅和锰的氧化过程 在冲天炉的熔炼过程中，硅和锰的氧化有两种途径，即直接氧化和间接氧化。直接氧化是送风中的氧和炉气中的co2与铁滴表面层的硅和锰直接发生反 应；间接氧化是铁液中

13、的硅和锰与 FeO 发生反应而氧化。硅和锰的氧化主要发生在熔化区和过热区。在直接氧化和间接氧化两种方 式中，以间接方式为主。2 硅和锰的氧化过程 在冲天炉熔炼中，硅和锰的正常烧损认为是不可避免的。在正常熔炼条件下，酸性冲天炉硅的烧损率为1015，锰的烧损率为1520 。而碱性 冲天炉硅的烧损率为 2025，锰的烧损率为 1015。三、铁液中含硫量的变化规律铁液中硫的来源有两个途径，一是炉料中固有的硫，再就是铁液从焦炭中 吸收的硫分。酸性冲天炉熔炼条件下不具有脱硫的能力。碱性冲天炉，特别是 预热送风碱性冲天炉熔炼，能有效地脱硫。所以，在一般的酸性冲天炉中，铸 铁经熔炼后，含硫量往往是增加的。影响

14、铁液中增硫的因素主要有炉料含硫量，焦炭消耗率及焦炭含硫量等。四、铁液的脱硫处理工艺与控制技术1炉内脱硫炉内脱硫主要用于碱性炉衬的冲天炉和水冷无炉衬的冲天炉。由于碱性冲 天炉可造高碱性渣，在高温和低氧化条件配合下，可取得较好的脱硫效果。2炉外摇包脱硫如图5 5所示为炉外摇包示意图。偏心轮使铁液包摇晃。如果偏心轮转动 方向不变，铁液包的摇晃方向亦不变，称为单向摇包；如果偏心轮转动方向及 铁液包的摇晃方向每隔一定时间变化一次，即正向、反向交替进行，则称双向 摇包。摇包借铁液包的晃动或转动，使脱硫剂与铁液更好地接触，获得较好的脱 硫效果。这一方法缺点是操作时间长，铁液降温严重，故只用于大量铁液的脱 琉

15、处理。图5 5摇包脱硫示意图3多孔塞脱硫多孔塞气动脱硫的方法是利用气体的压力将气体从铁液包底部，通过多孔 塞吹入铁液，气体进入铁液后，一方面由于气体从高压下转到常压本身体积膨 胀，同时气体在高温条件下也能自行膨胀，铁液在膨胀气体的作用下强烈地翻 腾，使之与铁液表面均匀加入的脱硫剂充分接触，强化脱硫反应，达到脱硫的 目的。一般经多孔塞气动脱硫后，原铁液琉量可下降70% 90%。见多孔塞吹 气脱硫的示意图5 6。图5 6多孔塞吹气脱硫示意图4脱硫剂(1) 炉内脱硫炉内脱硫使用的脱硫剂主要有石灰、电石、白云石等。石灰是最便宜的脱硫剂。石灰做熔剂的去硫效果比用石灰石好。用作炉内 脱硫剂的石灰，除CaO

16、含量要求高(85% )外，还要求有一定的块度。如果加 入石灰粉，很容易被吹走，降低脱硫效果。电石作为脱硫剂效果最为显著，加入2%电石，可脱硫30%(2) 炉外脱硫常用的脱硫剂有苏打、电石和石灰等。苏打脱硫有很大缺点，即反应时产生大量气体，造成铁液翻腾，导致铁液 温度大幅度下降，污染环境，脱硫效率又低。故这种脱硫方法现已很少使用。电石脱硫一般需要有多孔塞气动脱硫等类设备，工艺较复杂。但脱硫效果 显著，是目前最常用的脱硫剂。石灰作为脱硫剂价格较便宜，但脱硫效果较差。欲获得较好的脱硫效果， 其加入量应为电石的两倍以上。第四节、冲天炉熔炼过程中的参数选择、测量及控制一、冲天炉风量冲天护所需的风量可按员

17、惠送风强度计算，也可以按每小时焦炭消耗量计算。 按最惠送风强度计算风量计算公式3=QmF=n /4D2Qm式中 3冲天炉风量（Nms/min）Qm最惠送风强度F、D分别为冲天炉熔化带处炉膛横截面积与直径 按焦炭消耗量计算风量 在冲天炉熔化率，碳耗量和炉气燃烧比已知的条件下，可以算出冲天炉的风量。3=74kKG（l 十 n ） Nm3 / minV二、层焦量与层铁量 层焦的作用是补偿为熔化一批铁料所烧失的底焦，并将各批铁料分隔开来因此，层焦量是按焦层的厚度计算的。P =（0.160.20） F = （0.086 0.126） D2PkP式中：P每批层焦的质量（kg）kF、D分别为冲天炉熔化区的炉

18、膛截面积（mJ与直径（m）P 焦炭的堆积密度，P450-500 kg/ m3层铁量的选择应尽量选择薄料层，但也不能过于频繁，以防止相邻铁料窜混和上料过于频繁。一般取冲天炉每小时平均熔化量的1/10左右计算。三、底焦高度装炉底焦高度针对不同结构的炉子，有两种估算方法： 多排小风口冲天炉h=D 500700mmmax式中h底焦高度D 最大炉膛直径max 大排距双层送风冲天炉h = L +(8001200)mmP式中，L为风口排距。在熔化率三5t/h的冲天炉或风口倒置时取高限；熔P化率5t/h的冲天炉或风口顺置时取低限。四熔剂的选择冲天炉用熔剂主要是石灰石以及少量氟石。合适的熔剂加入量应根据层焦 质

19、量、焦炭含灰量、铁料带入的泥沙相对炉渣成分的要求，通过配渣计算来决 定。但由于这种计算比较麻烦，生产上大多是按经验决定的，即Pc=(O. 20. 4)Pk(kg)Pf=(0. 20. 3)Pc(kg)式中Pc、Pf分别为每批层焦中石灰石与氟石的加入量(kg)。五温度测量与控制冲天护熔炼过程涉及的温度测量主要包括铁液温度、炉气温度和热风温度 的测量，以铁液温度的测量为主要内容。 热电偶测量是最常用、简便而且精度最高的一种测温方法。热电偶测温装置 由热电偶、连接导线(或补偿导线)和显示仪表等三部分组成。铂铑 一铂铑 (亦306称双铂铭)、铂姥 一铂两种热电偶主要用于测量铁液温度与炉内温度；镍铬10

20、镍硅热电偶主要用于测量加料口炉气温度；镍铬一考铜热电偶主要用于测量加 料口炉气和热风温度。 光学高温计测温光学高温计是通过亮度对比间接测量温度的仪表。必须指出，光学高温计 是按黑度系数为1的绝对黑体进行刻度的。由于我们所测的铁液均可以按灰体 对待，所以对所测 的铁液温度要以黑度进行修正。 辐射高温计测温辐射高温计也叫全辐射高温计，其原理是物体温度高于热力学零度时，都 将辐射出不同的热射线。六化学成分的检测目前生产上常用的化学成分检测方法有热分析法和光电直读光谱分析法。所谓热分析法检测铁液的化学成分，就是利用快速热电偶测量、记录样杯 中铁液在凝固过程中的冷却曲线，找出相应的临界点温度，再经计算机

21、进行一 定的数学运算，就能确定铁液的碳、硅含量。这种方法只需数十秒至几分钟时 间，就能测出结果，而且精确度很高。目前，国内外都在深入研究这种方法， 并已在生产中逐步应用。光电直读光谱分析法检测冲天炉炉前铁液化学成分，在国外是使用较多的 目前国内已有多家工厂在使用。光电直读光谱仪分析速度最快，能同时进行多 种成分分析，分析误差比摄谱法小，且检测时间较短。第五章 冲天炉熔炼1第一节 冲天炉熔炼的基本原理1一、冲天炉基本结构1二、冲天炉内炉气与温度的分布2第二节、影响冲天炉铁液温度的因素5二、送风对冲天炉铁液温度的影响5三、金属炉料对冲天炉铁液温度的影响6四、熔炼操作参数对冲天炉铁液温度的影响6第三节、冲天炉熔炼过程中化学成分的变化规律6一 含碳量变化 6二、合金元素的氧化和与烧损7三、铁液中含硫量的变化规律8四、铁液的脱硫处理工艺与控制技术8第四节、冲天炉熔炼过程中的参数选择、测量及控制10一、冲天炉风量10二、层焦量与层铁量10三、底焦高度10四 熔剂的选择 11五 温度测量与控制 11六 化学成分的检测 11