鑄造焦品質對沖天爐熔煉鐵液質量的影響因素研究

趙寶龍

（山西沁新能源集團股份有限公司煤轉化技術研發中心，山西 長治 046500）

我國正處于由鑄造大國走向鑄造強國的過程中，隨著汽車、機床、航空、航天、艦船及石油等行業的高速發展，對生產高性能、高精密和高精尖鑄件的要求日益強烈，同發達國家對比鑄件在性能與質量上的差距反映出了我國鑄鐵件在冶煉質量上有一定的差距與缺陷。

目前熔煉采用的爐型設備主要有沖天爐和感應電爐兩種，雖然電爐在節能降耗方面有較大的優勢，但由于起步較晚，在設備的大型化和鐵液質量方面有一定局限性，國內鑄造廠家所采用較多的為沖天爐熔化+感應電爐保溫精煉的雙聯方式進行鑄造熔煉，它的優點是可最大限度地利用沖天爐的熔化效率，再利用感應電爐的過熱優勢，在使用沖天爐進行熔鐵過程中使用的最主要燃料是鑄造焦，該類焦炭是一種能夠使爐料進行熔化并且能增加鐵水溫度的燃料[1]。

1 大型鑄造熔煉沖天爐對鑄造焦的質量要求

從鑄造焦在沖天爐內的作用可將其產品的品質指標分為兩類，第一類為表征理化性能的指標，主要為水分、灰分、揮發分、硫分、磷分和固定碳等，第二類為表征操作性能的指標，主要為塊度、反應性、反應后強度、抗碎強度、耐磨強度和顯氣孔率等，由于第一類指標受到煉焦用煤固有指標的限制，并且對沖天爐熔煉影響相關性較強，現主要對鑄造焦的第二類指標進行研究和分析[2]。

1.1 塊度尺寸要求

對于鑄造用沖天爐來說，焦炭尺寸大小的選擇與沖天爐爐徑和熔化速率有一定關系，隨著爐徑和熔化速率的增加塊度也需要適當增加，并且要求沖天爐的底焦塊度要比層焦大，塊度過大并且均勻的底焦對氣流的阻力小，從而保證風量更容易和均勻分布在底焦中心。熔煉中需保持塊度在一定的范圍內，因為過大或過小的塊度都會造成鐵液的質量和溫度的下降。

1）當加入的鑄造焦塊度過大時，會造成參與反應的焦炭表面積下降，導致焦炭在爐內的燃燒速率下降，拉長氧化帶，造成爐內的高溫區分散，爐內標準溫度達不到所需要的規定溫度和過熱溫度，并且過大的焦炭會造成熔化后的鐵液與焦炭的接觸界面減少，不利于碳質晶的核形，不利于鐵液的增碳。

2）當加入的鑄造焦塊度過小時，會造成焦炭燃料表面積的增加，從而縮短了氧化帶，造成送風阻力增大，空氣難以深入爐子中心，爐壁效應加大，使爐內溫度分布更加不均勻，熔化帶位置下移，加快底焦消耗，嚴重降低底焦高度，減少鐵液過熱距離，降低鐵液溫度[3-4]。

1.2 高溫下反應性的要求

焦炭的反應性主要是指焦炭與二氧化碳在高溫下的化學反應能力，實際上焦炭在沖天爐內發生的化學反應非常復雜，對鐵液質量影響也很大，焦炭的反應性越高，在爐內的燃燒速率就越快，造成底焦中氧化區縮小，還原區擴大，當焦炭的反應性繼續增加時，會造成還原區與氧化區進一步接近，氧化區內最高溫度下降，對鐵液的過熱非常不利。當然，焦炭的反應性也不是越低越好，當焦炭的反應性過低時，會導致沖天爐的氧化區擴大，造成高溫下被熔化的鐵液產生氧化生成鐵的氧化物可能性增加，同樣會降低鐵液的性能。

1.3 抗冷熱強度的要求

鑄造焦除在運輸、裝卸和轉載過程中會受到沖擊和磨損外，在入爐過程中也會受到鐵塊和廢鋼等物料的撞擊，為保證焦炭進入沖天爐后在冷態和熱態下塊度的均勻性和抗沖擊性能，爐內料柱有良好的透氣性，要求沖天爐內使用的焦炭具有足夠的抗碎強度、耐磨強度、落下強度和高溫下參與化學反應后的強度[5]。

2 鑄造焦生產現狀分析

鑄造焦的主要來源為使用熱回收焦爐生產鑄造焦和從冶金焦產品中分選出大塊焦炭作為鑄造焦使用。由于冶金焦反應性較高和氣孔率較大等原因造成沖天爐爐況運行不利，采用熱回收焦爐生產的鑄造焦品質較高，特別是生產的低反應性鑄造焦可以降低焦炭與二氧化碳的吸熱反應速率，具體分析熱回收焦爐生產的鑄造焦產品品質優良的主要原因為由以下三個方面決定[6-7]。

2.1 爐型結構方面

熱回收焦爐屬于內熱式焦爐，爐型分為立式和臥式兩種，負壓狀態下運行，主要以臥室熱回收焦爐為主，外觀為扁平狀，長度基本都在13 m 以上，寬度3.5 m 左右，高度2.5 m 左右，炭化室寬度和容積大，裝煤方式全部為搗固側裝，煤餅呈現橫臥式，單爐裝煤量可達到40～60 t，煤餅的上部圓拱空間較大，在煉焦過程中產生的橫向壓力可以轉化為部分縱向壓力，向上部分釋放能量，從而起到了緩解爐壁的壓力，這就可以配入部分高變質程度的煙煤及部分無煙煤，由于該類焦爐在爐型結構上采用的大容積設計和通過搗固裝煤，在一定程度上具備了生產大塊焦炭的可能性。

2.2 配煤結構方面

對于生產鑄造焦而言，要求焦炭的灰分低、硫分低，而我國低灰低硫且又適用于煉焦的煤種資源緊缺，一些煉焦主要基礎煤種，比如：肥煤、焦煤等分布極不均勻，并且存在灰分和硫分偏高的特點，造成優質低灰低硫的煉焦用煤價格貴且煤源不足，這就造成生產鑄造焦的成本高的特點。

為了降低煉焦基礎煤種的用量，同時為保證生產出的焦炭具有足夠大的塊度和塊度上的均勻性，在配煤技術中通過配入石油焦、延遲焦或煤系的半焦粉、焦粉等惰性物質，配加該類物質后，可降低半焦的收縮系數，減小半焦層間收縮差，提高半焦的強度和減少裂紋的產生數量，同時改善焦炭的氣孔結構，提高焦炭的強度。

2.3 熱工制度方面

熱回收焦爐的加熱方式為荒煤氣直接燃燒加熱，炭化室內煤餅熱解揮發產生的荒煤氣溢散，進入爐頂空間與拱頂的一次配風口配入的空氣接觸后，在爐內上部燃燒產生一定的熱量用于提供干餾所需的溫度，爐頂未能完全燃燒的荒煤氣和部分廢氣經由主墻下降火道進入炭化室底板下火道與二次配入的空氣進行接觸燃燒釋放出熱量，燃燒后的廢氣經由煙道排出至余熱發電工序。

為生產出塊度較大鑄造焦，需要在結焦后期，特別是成焦過程中的前后兩次收縮階段，適當降低焦炭的加熱速率，緩解和降低裂紋的形成。通過試驗分析，將搗固裝煤溫度控制在760～780 ℃，結焦前期升溫速率為2.5 ℃/h，結焦中期升溫速率為1 ℃/h，結焦后期升溫速率為1.5 ℃/h，標準溫度為960～980 ℃，焦炭成熟后控制悶爐時間在6～8 h。通過悶爐可以使結焦后期的熱分解與熱縮聚程度提高，可以進一步降低焦炭的揮發分含量，又可以改善焦炭的氣孔結構，增加氣孔壁的致密性，達到降低氣孔率和高溫反應性的目的。在此熱工制度下既可以保證生產出高品質的大塊鑄造焦，又可以保證日產量達標。

3 結論

1）鑄造焦的第二類質量指標中使用低反應性和塊度大且均勻的鑄造焦在沖天爐熔煉過程中可以提高熔煉工序的穩定性，使得鐵液的質量有了大幅的提升，特別是為高性能、高精密、高精尖鑄件的加工提供了重要的原料支撐。

2）在鑄造焦炭的生產爐型中，以熱回收焦爐具有更大的優勢，特別是熱回收焦爐的炭化室具有扁平化的結構，可以更好的適應沖天爐用鑄造焦對塊度的要求，同時配合適宜的溫度制度和配煤結構，在生產高品質焦炭方面即可保證產率達標，又可保證生產的焦炭質量滿足沖天爐熔煉的需求。