KKG35t/h沖天爐結構改造及熔煉工藝優化

鮑俊敏，林獻輝，代文訓，王占蛟，喬進國

（濰柴動力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 261100）

我廠使用的35t/h熱風水冷富氧沖天爐由德國KKG公司生產，在國內屬首次使用，具有自動化程度高、節能減排等優點。但是此沖天爐鐵液出爐溫度較高，鐵液碳含量則較我廠現工藝低，且正常運行情況下每4周需要修爐一次，每次修爐使用耐火材料約38噸，造成沖天爐運行成本偏高。針對這些特點，結合我廠長期應用大型熱風沖天爐所積累的經驗，對此熱風水冷富氧沖天爐開展結構改造及熔煉工藝的優化。

1 沖天爐爐體結構改造

KKG熱風水冷富氧長爐齡沖天爐包括如下幾個系統：爐體系統、冷卻水系統、原料配料系統及加料系統、鼓風系統、熱風系統、爐氣冷卻系統、除塵系統、電氣控制系統等。主要針對爐體系統進行結構改造。

1.1 爐缸結構改造及耐火材料優化

KKG沖天爐爐體內徑的設計值如圖1所示，預熱區和燃燒區內徑為2400mm，爐缸區的內徑則為2000mm。爐體內徑在爐缸區的縮減導致鐵液從燃燒區流至爐缸時對爐缸區的耐火材料的侵蝕加劇，縮短了沖天爐的運行周期。

經過論證及試驗，將KKG沖天爐的爐缸直徑由2000mm增大至2400mm。為了保證沖天爐的安全運行及延長耐火材料使用壽命，將爐缸區的耐火材料進行了相應的調整。沖天爐爐缸區外層（爐壁處）耐火材料原采用高鋁耐火磚修砌，改為采用澆注料打結，以提高導熱系數，冷卻內部爐襯。爐缸區內層的耐火材料也更改為具有更優異的抗渣線侵蝕能力和熱態強度的耐火材料。

圖1 沖天爐爐體系統

1.2 分渣器優化

圖2 爐缸結構更改前后對比圖

圖3 沖天爐分渣器增加冷卻風管

KKG沖天爐采用的是敞開式虹吸分渣器將渣和鐵分離。分渣器的尺寸較大，長期與鐵液及渣接觸而無冷卻裝置，因而侵蝕較快，每年需要大修12次，且每次大修所需耐火材料約為13噸。耐火材料消耗較大，且修分渣器頻次較高，造成熔煉成本上升并增大了工人的勞動強度。針對沖天爐分渣器侵蝕沖刷較快現象，設計在分渣器耐火材料內部增設冷卻風管，熔煉時采用壓縮空氣對分渣器耐火材料進行連續冷卻，以降低耐火材料的溫度，從而減少耐火材料的損耗，達到在保證安全生產的前提下，延長分渣器的維修周期。通過采用冷卻裝置，分渣器大修次數由原來的每年12次減少至3次。

2 沖天爐熔煉工藝優化

2.1 沖天爐鐵液溫度優化

KKG沖天爐采用2通道氣體—空氣管式換熱器，可以實現在不同的工作負荷下產生500～550℃的熱鼓風溫度。由于預熱送風及良好的熔化狀況，KKG沖天爐熔化鐵液的出爐溫度范圍能達到1520～1570℃。然而研究表明，鐵液有一個臨界溫度，在臨界溫度以下，隨著鐵液溫度的提高，石墨被細化，基體也因細化而致密，從而提高鑄鐵的力學性能。但鐵液溫度過高則導致石墨形態惡化，石墨晶核顯著減少，過冷度過大，甚至產生自由滲碳體，導致力學性能下降。一般認為，鐵液的臨界溫度為1500～1550℃[1]。另外我廠采用的是沖天爐與電爐雙聯熔煉，在沖天爐連續熔煉的情況下，鐵液出爐溫度過高導致電爐鐵液溫度調節困難，適當降低沖天爐熔化鐵水溫度有利于電爐鐵液溫度調節。

沖天爐的爐缸區內無空氣供給，焦炭幾乎不燃燒，所以對高溫鐵液來說，爐缸是個冷卻區，因此我們對爐缸區結構的更改使得爐缸的容積增大，有效降低鐵液的出爐溫度，爐缸區更換了導熱系數更高的耐火材料及分渣器安裝了冷卻風管都可一定程度上降低鐵液的出爐溫度。通過結構優化最終驗證沖天爐鐵液出爐溫度能夠穩定控制在1500～1550℃，平均降低約20℃，有效解決了連續熔煉鐵液出爐溫度偏高的問題。

2.2 鐵液增碳系數增加

沖天爐連續熔煉獲得高碳鐵液，有兩種不同的工藝途徑：一種是爐料中加入足夠比例的生鐵；另一種靠焦碳使鐵液滲碳。研究表明，這兩種工藝熔煉出的高碳鐵液盡管碳當量相當，同樣的鐵液成分，通過同樣孕育處理，前一種途徑獲得鑄件的性能要比后一種鑄件性能低1～2個牌號[2，3]。因此提高沖天爐的增碳系數對獲得高碳含量高性能的鑄件十分關鍵。用沖天爐熔煉鑄鐵時，鑄鐵中碳含量受到多種因素的影響，其中鐵液在爐內停留時間的長短也是影響鐵液增碳的主要因素。鐵液在底焦和爐缸內停留的時間越長，鐵液吸碳的時間越充分，越有利于鐵液的增碳。

我們對沖天爐爐缸結構的改造，使得爐缸的容積增加了1.66m3，爐缸容積的增加一方面增長了鐵液在爐缸的停留時間，另一方面增大了鐵液和焦炭的接觸界面，最終增大了沖天爐的增碳系數。

2.3 熔煉參數優化及鑄件性能改善

沖天爐爐料主要由廢鋼、生鐵及回爐料組成，由于生鐵本身含有粗大的石墨片，而石墨的熔點在2000℃以上，在熔煉過程中不能熔盡，在結晶過程中使石墨變得粗大，同時廢鋼的使用量直接與鑄件的強度相關，提高廢鋼用量可提高鑄件的抗拉強度。針對KKG沖天爐增碳系數的增加，我們調整了相關熔化工藝參數，降低層焦用量和生鐵用量，提高廢鋼的使用量，保證鐵水化學成分及溫度滿足要求的同時，降低原材料的使用成本。其中生鐵降低了5%，相應的增加了5%的廢鋼。爐料的調整對鑄件性能的改善有明顯作用，調整后我廠某HT250氣缸蓋的單鑄試棒性能均值由280MPa提高到300MPa，鑄件性能有明顯改善。

3 經濟效益

（1）對KKG沖天爐進行改造后，維修爐缸所用耐火材料由原來的19噸/次減少至8噸/次，全年預計可節約耐火材料132噸；分渣器維修次數由原來的每年12次減少至3次，全年預計可節約耐火材料117噸。全年共計降低修爐成本249萬余元。

（2）改進爐料配比后，將生鐵的用量由原來的10%降低至5%，廢鋼的用量由原來的60%增加至65%，按照年熔化量5萬噸計算，每年可節約鐵料成本150余萬元。

4 結論

通過對KKG熱風沖天爐結構的優化，不僅優化了沖天爐的熔煉工藝，可以獲得更優質的鐵液，而且每年可節約400余萬元成本，真正實現了鑄鐵熔煉的高效率、高質量、節能、環保型。