富氧送風對EC&S沖天爐熔煉工藝及鐵水性能的影響

孫 帆，李孝艷，喬進國，劉曉斌

（濰柴動力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 261199）

沖天爐進行富氧送風已經有80年的歷史，但直到1960年隨著氧的價格降低，這一技術才得到了廣泛的應用。隨后，關于富氧對沖天爐的影響及富氧技術的發展也有較多的研究和報道。本文結合我公司EC&S沖天爐富氧送風的實際情況，詳細研究了富氧送風對該型號沖天爐熔煉工藝及鐵水性能的影響。

1 EC&S沖天爐介紹

濰柴鑄鍛公司所使用的EC&S沖天爐為熱風富氧式長爐齡沖天爐，熔化速率為35t/h，出鐵溫度在1500℃，爐料配比為70%廢鋼－20%回爐－10%生鐵及適量硅鐵和錳鐵，所產鐵水主要用于生產WP10/12系列柴油機的氣缸蓋、氣缸體和齒輪室等，鑄件材質是HT250和HT300。

該沖天爐系統主要由主爐體、PLC自動控制系統、加料配料系統、換熱系統、送風系統、尾氣處理系統等組成。其工作過程如下：通過PLC控制沖天爐其他各系統工作，通過加料配料系統向爐內加入合適比例的鐵料、焦炭及其它輔料，點燃底焦并開始送風熔化鐵水。同時運行換熱系統，將沖天爐內的爐氣進行凈化后引入燃燒室，點燃爐氣，用此高溫氣體經換熱器加熱空氣并將空氣送入沖天爐爐內。沖天爐廢氣則通過尾氣處理系統進行冷卻和除塵。

2 EC&S沖天爐富氧過程介紹

采用一臺離心式鼓風機為沖天爐供應冷空氣，最大空氣流量可達34000m3/h。冷空氣先被輸送到換熱器進行加熱，換熱器的熱源來自燃燒室的高溫氣體。沖天爐內的爐氣進入燃燒室后，用預先安裝的燒嘴點燃，得到800～900℃的高溫氣體，隨后將此高溫氣體引入換熱器。冷空氣經換熱器加熱至400～500℃后進入風箱，隨后通過六個環向均勻分布的風嘴由不同方向吹入沖天爐燃燒區域。沖天爐所需氧氣直接送入到風箱內，與空氣擴散混合后進入爐內，其流量由一個氧氣控制閥組合進行調節。具體過程如圖1所示。

圖1 沖天爐富氧送風示意圖（箭頭指向為氣體流動方向）

3 沖天爐富氧技術介紹

沖天爐富氧技術由于增加了氣體中的氧含量，促進了焦炭的燃燒，有利于創造更高的爐內溫度，得到更高溫度的鐵水[1]。富氧方式主要由以下三種：擴散富氧、風嘴噴射富氧和爐缸噴射富氧[2]。

3.1 擴散富氧

擴散富氧又稱為鼓風富氧，是將氧氣由供風管道引入，直接進入到風箱內，然后在風箱內與空氣混合均勻，經風嘴進入到沖天爐內部。優點是設備簡單，操作方便，經濟性高，無需增加額外的裝置，同時可以有效改善熔化效果，我公司EC&S沖天爐即采用此種方式。其缺點是氧氣的利用率因鼓風的作用而有所降低，在提高鐵水溫度、減少燒損等方面的作用要弱于噴射富氧。

3.2 風嘴噴射富氧

風嘴噴射富氧采用氧槍將氧氣從風嘴噴入沖天爐內的方法，根據氧槍的不同又可以分為亞音速氧槍和超音速氧槍。采用風嘴噴射富氧，尤其是使用超音速氧槍時，氧氣的噴射速率較高，穿透力強且分布均勻，適合爐徑較大的沖天爐使用。氧氣的高穿透力有助于沖天爐中心區域的金屬熔化，并且可以降低爐殼的熱量損失，大大提高了沖天爐的操控性能和熔化率，并對鐵水成分的均一性帶來直接好處。其缺點是設備成本較高，每個風嘴都需要安裝氧槍及氧氣流量控制裝置，其安裝和日常維護費用均較高[3]。

3.3 爐缸噴射富氧

爐缸噴射富氧與風嘴噴射富氧類似，其不同點僅是氧槍的安裝位置。采用該方法時，在風嘴以下一定距離的爐缸上開設噴口并安裝氧槍，向風嘴以下爐缸區的焦炭噴射氧氣。爐缸區的焦炭受到富氧的作用燃燒加劇，提高了該區域的溫度，因此可以有效提高鐵水溫度。

該方法促進熔化的效果要弱于風嘴噴射富氧，目前是實際生產中應用的較少。

4 富氧量對EC&S沖天爐熔煉工藝的影響

4.1 富氧量對送風量的影響

富氧送風由于提高了空氣中O2的比例，因此可以強化焦炭的燃燒，提高爐氣溫度[4]。在保持熔化速率、鐵料和焦炭比不變的情況下，可以根據富氧量適當減少送風量。由空氣中的O2比例為21%可以估算，富氧量每增加1%，送風量可以減少4.5%～3.5%。實際生產中，富氧量對EC&S沖天爐送風量的影響如表1所示。

表1 富氧量對送風量的影響

4.2 富氧量對熔化速率的影響

在沖天爐送風量為28000m3/h時，研究富氧量對熔化速率的影響，如圖2所示。

由圖2可見，富氧量對EC&S沖天爐的熔化速率有較大影響。不進行富氧操作時，EC&S沖天爐熔化速率在31.5t/h，隨著富氧量增加，熔化速率有明顯提高，在富氧量為3%時，熔化速率可達36.5t/h，提高了16%。富氧可以促進焦炭的燃燒，提高焦炭的利用效率，因此對熔化效率的影響非常明顯[5]。再繼續提高富氧量至4%，熔化效率為36.8t/h，略有提高。但是考慮到富氧的成本，此時為追求熔化效率而提高富氧量是不經濟的，因此實際生產過程中，富氧量一般控制在3%以下。

圖2 富氧量對熔化速率的影響

圖3 富氧量對開爐初期熱風溫度的影響

4.3 富氧量對熱風溫度的影響

研究了不同富氧量時，EC&S沖天爐熱風溫度在開爐初期的變化情況，結果如圖3所示。

由圖3可知，EC&S沖天爐開爐初期熱風溫度均低于300℃。這是由于沖天爐停止運行一段時間再次開爐，其爐殼溫度、爐內氣體溫度、燃燒室內溫度和換熱器的溫度均會有一定程度的下降，導致初期的熱風溫度較低。隨著沖天爐運行時間的延長，無論是否進行富氧操作，熱風溫度均呈現上升的趨勢。

富氧量對熱風溫度的變化速率及最高風溫有顯著影響。實際生產過程中，EC&S沖天爐的熱風溫度應控制在400～500℃ ，如能在450～500℃ 則更為理想。不進行富氧操作時，熱風溫度在開爐初期升高較為緩慢，需120min左右達到400℃ ，最高風溫可達425℃。對EC&S沖天爐進行富氧操作，熱風溫度升高的速率及最高風溫均有明顯提高。當富氧量達到4%時，僅40min后熱風溫度就可達到400℃，且最高風溫在480℃，較不富氧時提高了13%。因此為盡快使熱風溫度達到理想值，開爐初期進行富氧是很有必要的，同時為保證熱風溫度在更理想的范圍內，熔化過程中也可根據實際情況進行一定量的富氧。

4.4 富氧量對鐵焦比的影響

由于EC&S沖天爐開爐階段與正常熔化階段爐況相差較大，實際生產過程中為降低開爐階段的鐵水中碳含量，通常降低補充層焦的加入量，因此兩個階段鐵焦比差距較大。控制EC&S沖天爐送風量為28000m3/h，分別研究開爐1小時內和正常熔化階段的鐵焦比，結果如圖4所示。

圖4 富氧量對鐵焦比的影響

由圖4可知，開爐階段與正常熔化階段的鐵焦比隨著富氧量的增加，鐵焦比均有一定程度的提高，說明富氧對降低焦耗有作用。但是鐵焦比分別只提高了6%和7%，相對于富氧的成本，這個提高幅度是不能令人滿意的，同時，鐵水中的碳、硅、錳等元素會隨著焦耗的降低而加劇燒損，因此，通過富氧來降低焦耗是不夠經濟的。

5 富氧對鐵水成分和溫度的影響

5.1 富氧對鐵水增碳的影響

在沖天爐熔煉過程中，鐵水中的碳的變化分為兩個過程，一是鐵水流經焦炭表面，自由碳向鐵水中滲入并溶解，使得鐵水中碳含量增加，二是鐵水的碳與爐氣和爐渣等發生氧化反應，導致鐵水中碳含量降低。鐵水和焦炭接觸的界面越大,接觸的時間越長,焦炭的表面反應性越好，鐵液在爐膛中碳的氧化燒損越小，增碳就越多。爐內溫度升高，對增碳有雙重影響，現在普遍認為，爐內溫度的升高最終會是鐵水中碳含量升高。

在熔化過程中富氧，一方面可以使得焦炭燃燒更劇烈，增加焦炭的表面反應性，并且使得爐溫升高，但富氧會使爐氣中氧氣含量增加，加劇碳的氧化。

在EC&S沖天爐送風量為28000m3/h～30000 m3/h條件下，保持鐵料和焦炭配比相同，研究了不同富氧量從開爐到正常熔化階段對鐵水增碳的影響，結果如圖5所示。

由圖5可見，在開爐初期，不論是否進行富氧，鐵水中的碳含量均在3.4%以上。這是因為開爐初期爐缸內會儲存一定量，這部分鐵水與爐缸接觸時間較長，因此吸收了較多的碳。

圖5 富氧量對鐵水碳含量的影響

此時影響鐵水增碳的主要因素是鐵水與底焦接觸的時間長短及底焦本身的狀況，富氧對鐵水增碳的影響并不明顯。

隨著熔化時間的延長，富氧對鐵水增碳的影響逐漸顯現。開爐1小后，采用富氧操作的鐵水碳含量要高于不富氧的。當富氧量為4%時，鐵水碳含量在3.30%～3.35%之間，不富氧時，鐵水碳含量在3.15%～3.20%之間，此時富氧量對鐵水增碳的影響較為顯著。在富氧4%的條件下，鐵水碳含量可以增加0.15%～0.20%。

5.2 富氧量對硅含量的影響

在沖天爐熔煉過程中，鐵水中的硅會同時發生氧化反應和還原反應。理論上講，爐氣中O2和CO2含量越高，氧化作用越強，硅的燒損會越嚴重，鐵水中最終的硅含量會降低。爐溫對硅的燒損也有重要的影響，爐溫越高，硅的燒損會減弱，導致鐵水中最終的硅含量會升高。同時，SiO2會被鐵水中的碳還原，爐溫升高以及爐內還原氣氛增強會促進SiO2的還原反應。鐵水中最終的硅含量是多個因素綜合影響的結果。

在EC&S沖天爐送風量為28000m3/h～32000 m3/h的條件下，保持鐵料和焦炭配比相同，研究了富氧量從開爐到正常熔化階段對鐵水硅含量的影響，結果如圖5所示。

由圖6可知，開爐前20分鐘內，在不同富氧量情況下鐵水硅含量均在1.8%左右，說明此時硅的氧化作用較弱，這是因為開爐階段爐氣中CO含量更高，而O2和CO2含量較低，同時開爐階段底焦較高，爐內還原帶距離較長，SiO2的還原反應也對鐵水最終的硅含量有較大的影響，而開爐階段的富氧對硅含量的影響不明顯。

圖6 富氧量對鐵水硅含量的影響

隨著熔化時間的延長，鐵水中的硅含量呈現下降的趨勢，而不同的富氧量對最終的硅含量影響較大。鐵水中的硅含量呈現下降趨勢是因為爐氣中CO含量隨著熔化的進行逐漸減少，而O2和CO2含量逐漸升高，這加劇了硅的氧化趨勢，導致硅含量降低。此時增加富氧量會提高鐵水中的硅含量，因為富氧盡管會導致風口區的硅加劇氧化，但是富氧對熱風溫度的影響十分顯著，增加富氧量可以迅速提高爐溫，而硅的各個氧化反應都是放熱反應，會隨著爐溫的升高而減弱，因此增加富氧量可以減少硅的燒損，提高鐵水中的硅含量。

硅含量會在熔化過程中出現一個“波谷”，隨后逐漸上升并趨于穩定。這是因為，在實際生產過程中，為保證鐵水中的碳含量的穩定，在開爐階段會加大送風量，這會導致底焦損耗較為嚴重，使得還原帶距離變短，硅的還原反應減弱，加上O2和CO2的氧化作用，硅含量會出現一個較低的階段。之后隨著底焦高度的調整，爐溫的穩定，硅的氧化和還原反應趨于平衡，硅含量也逐漸穩定。由圖6可知，在EC&S沖天爐熔化狀況穩定后，富氧量為3%～4%時，鐵水中的硅含量比不富氧時可以提高0.1%，同樣在硅含量處于“波谷”時，采取富氧送風操作也可以使其顯著提高，有利于獲得成分更穩定的鐵水，減小波動性。

5.3 富氧量對出鐵溫度的影響

沖天爐出鐵溫度的高低主要取決于過熱帶的溫度。沖天爐采取富氧時，在4%富氧條件下，焦炭燃燒產物的溫度會由2400℃提高到2800℃，并使爐氣的最高溫度由1750℃提高到2050℃，從而提高了過熱帶溫度，最終提高了出鐵溫度。

對EC&S沖天爐進行富氧送風可以顯著提高鐵水溫度，保持其它熔化條件不變，在富氧3%～4%情況下，出鐵溫度可以提高30～50℃。因此當沖天爐由于風焦配合不當或中途停風再啟動等原因造成出鐵溫度偏低時，可以采取富氧送風及時提高出鐵溫度。

6 總結

（1）EC&S沖天爐采用離心式鼓風機供風，空氣經換熱器加熱后進入沖天爐，采用擴散富氧技術以改進熔化效果。

（2）研究了富氧量對EC&S沖天爐熔煉工藝的影響，結果表明，對EC&S沖天爐進行富氧送風可以減少送風量，提高熔化速率和熱風溫度，并減少焦炭消耗。

（3）研究了富氧量對鐵水成分和出鐵溫度的影響，結果表明，在正常熔化階段富氧3%～4%時可以使鐵水增碳0.15%～0.20%，減少硅燒損0.1%，并提高出鐵溫度30～50℃。