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1、冲天炉熔炼原理等资料2021-5-29 20:15:191、冲天炉熔炼根本原理(1) 底焦燃烧：冲天炉底焦燃烧可以划分为两个区带：A、氧化带：从主排风口到白由氧根本耗尽,二氧化碳浓度到达最大 值的区域.B、复原带：从氧化带顶面到炉气中CO2/CO浓度根本不变的区域, 从风口引入的风容易趋向炉壁,形成炉壁效应,形成一个下凹的氧化 带和复原带,对熔化造成不利影响. 不易形成一个集中的高温区,不利于铁水过热； 加速了炉壁的侵蚀； 铁料熔化不均匀,铁液不易稳定下降,影响化学成分.解决方法： 采用较大焦炭块度,使风均匀送入； 采用插入式风嘴； 采用曲线炉膛； 采用中央送风系统； 熔炼过程中为使焦炭不易损
2、耗,送风量要与焦炭损耗相适应.根据炉气、炉料、铁水浓度和温度,炉身分为/ 4个区域：(1)预热区：从加料口下沿,炉料外表到铁料开始熔化的区域称为 预热区,下面的炉气温度可达 1200C 1300C,预热带的上部炉气温度为200C 500 Co由于这一区域的平均温度不高,炉气黑度和 辐射空间较小,炉气在料层内流速较大,炉料与炉气之间的热交换以 对流为主,炉料在预热区内停留时间较长,一般为30分钟左右,预热区的高度受有效高度、底焦高度、炉内料面的实际位置、炉料块度、 熔化速度、焦铁比的影响.(2) 熔化区：从铁料开始熔化到熔化完毕这一区域称为熔化区,在实际熔炼过程中,底焦顶面高度的波动范围大致等于
3、层焦的厚度,熔化区内的热交换方式仍以对流为主, 在实际熔炼过程中,熔化区不是 一个平面区带,而是一个中央下凹的曲面,从铁水过热和成分均匀度 出发希望熔化区窄而平直,熔化区在炉内位置的上下根本上是由炉气和温度分布状态决定,也受焦炭的烧失速度、批料重量、炉料块度等 因素影响,这些因素将使铁料的受热面积、 受热时间、受热强度发生 变化,造成熔化区高度波动(影响出铁温度),当焦铁比一定,熔化 区的平均高度将会因批料重量的减小而提升,从而扩大了过热区,提高了铁水温度,但是批料层不宜过薄,否那么易混料使加料操作不便.(3) 过热区：从铁液熔化以后,铁水下滴过程中,与高温炉气和炽热的焦炭相接触,温度进一步提
4、升,此区域称为过热区(过热区炉气 温度一般在1600C 1700C).过热区内以焦炭与铁水接触传导传热 为主,焦炭外表燃烧温度对热交换效果有重要影响./因而设法强化底 焦燃烧,经测定铁水滴成铁水小流穿越底焦的时间一般不超过30秒,而在这一区间内铁水却要提升350C左右,比预热区大了 24倍左右, 其传热强度为11KJ/,到达这样高的传热强度,除了以高炉温做保证 外,还要保证底焦具有足够的高度,这是提升过热效应的关键.(4) 炉缸区：在一般操作条件下,炉缸内没有空气供应,焦炭几乎 不燃烧,此区域温度一般不超过 1520C,所以对高温铁水来说,炉 缸区是一个冷却区,/且炉缸越深,冷却作用越大.为了
5、提升此区域的 温度,可以适当地开渣口操作,但对铁水的氧化程度有害,所以当熔 炼稳定以后,还要闭渣操作.3、冶金过程金属在冲天炉内被预热、熔化、过热的过程中,金属与炉气、焦炭、 炉渣相接触,发生一系列的物理、化学、冶金反响,引起铁水化学成 分的变化.(1) 、砂、焦炭中的灰分、金属元素氧化形成的氧化物,以及侵蚀剥落的炉衬材料等相互作用形成炉渣,其主要成分为二氧化硅、三氧化 二铝,这种粘滞的炉渣包附在焦炭外表, 不仅阻碍燃烧,而且不利于 冶金反响的顺利进行.因此必须用熔剂加以中和和稀释,以便顺利地 排除,.熔剂主要是石灰石,参加量一般为焦炭重量的 30%左右,炉 渣的性质通常以炉渣碱度衡量,碱性炉
6、渣有利于炉内的脱硫反响, 可 以降低铁水的含硫量.(2) 、化学成分的变化,冲天炉熔炼化学成分变化有如下规律： 、含碳量的增加.铁水的含碳量的变化,总是趋于共晶成分； 、含硫量往往增加40% 100%,铁水增硫量主要来白于焦炭； 、磷量根本不变； 、铁、硅、猛等合金元素烧损,炉内氧化作用越大,元素烧损越严重.附：冷风水冷无炉衬冲天炉一期工程为12T1、炉体结构：上部为加料口,下面装有料位传感器和环形抽气道 抽 走气物.炉壳为圆锥形,上小下大,便于冷却水顺壁而下冷却炉壁,白加料口至风口这段炉身内,除抽气道砌有耐火材料外都没有炉衬, 在炉壁外壳设有多道的环形喷水管, 用于喷淋,冷却炉壁,风口数量
7、8个,为使空气伸入到熔炉的中央,减少炉壁效应,改善底焦燃烧, 并防止高温气流冲刷炉壁,用水冷风口插入炉内供风,炉缸内砌有耐 火材料,炉缸内分别有出铁口、除渣口可以进行连续地出铁和除渣, 并且从冲天炉加料口下方抽出的炉气经过螺旋重力除尘以后,通过布袋除尘器.2、冲天炉的水系统：由炉体及风口冷却水和冲渣水两局部组成,炉 体冷却水和风口冷却水共用一套供水装置,冲渣水单独一套供水装置.冲天炉送风系统采用高压离心式风机,电机功率130KW ,额定风量：3000m3/h.在环形抽气道管道上配备一台冷风机,把抽出的 气体与冷风机的气体混合,将高温炉气降温,一般应降到150 C以下. 炉后的加料系统采用计算机
8、白动配料限制系统振动给料,传感器传输数据,反响回的数据由计算机计算后白动平衡炉料./上料机构为爬式 加料机,冲天炉设有中央微机限制室,通过屏幕监测和限制设备.4、主要特点： CO含量通常比CO2高,炉气的燃烧比一般在40%左右,最大不超过60%,所以,炉气氧化性弱,铁和合金的烧损小,Si的烧损通常不到5%,渣中的氧化铁含量低,一般不到 2%,在弱氧化性条件 下,熔炼铸铁是目前国内外冲天炉较为普遍的一种操作方式目的是为 了以最低的熔炼损耗获得高温优质铁水. 炉况稳定连续工作时间长,这种熔炼炉由于没有炉衬,在整个熔炼 操作期间炉型和炉膛尺寸始终是稳定的, 风量和风口插入深度,都可 以进行调节和限制
9、因而炉况稳定. 此外,各种熔炼炉,没有由于炉衬 熔蚀所形成的炉渣,渣量只占熔炼铸铁重量的.由于渣量少,由炉渣一般有炉衬冲天炉渣量3-6%引起的铁水化学成分的波动也就小.、 所以,铁水化学成分含量正确限制并保持稳定.熔炉的连续工作时间 不再受炉衬寿命的制约,而主要取决于炉缸的寿命. 调节范围大,这种熔炼炉的风量、风口插入深度以及决定炉缸深度的炉底厚度都可以调节和改变,所以在保持铁水温度不变的情况下, 熔炉的熔化率可以灵活的调节,熔炉的最高和最低熔化率可以相差一 倍,在全部用废钢作炉料时,通过改变炉底厚度,可以熔炼得含C量低到,高至的铁水.此外,通过造碱性渣碱度可以将铁水/的含S量降到以下,因此,
10、这种熔炉适用球墨铸铁管的生产./ 对周围的环境污染小,由于炉气净化设备比拟完善,经过净化后的炉气含灰量仅为,低于环保标准不大于m3的标准.附：一、冲天炉熔炼过程/在熔化过程中底焦燃烧而消耗,为了保证整个熔炼过程连续正常进行 就必须及时得补充底焦,以此来始终保持底焦的高度.随同铁料一起 参加的焦碳就可以补尝底焦的消耗,熔化过程的底焦同点火前所加底 焦不是同一高度,底焦的顶面是指金属炉料大体熔清的位置. 在底焦 高度内只有铁水和熔渣不断的穿过焦炭柱, 它的高度和上界面的形状 随熔化工艺和供风方式而改变,底焦燃烧状况炉温、炉气成份、炉 气成分的分布是冲天炉熔化过程的根底,冲天炉的熔化过程就是合 理的
11、组织底焦燃烧,以此来获得炉内的高温,同时造成铁料与焦碳炉 气间的最正确热交换过程.一、造渣过程冲天炉燃烧和换热过程中会从各个方面带入炉内各种各样的氧化物, 其中有焦碳的灰分、金属炉料的铁锈、粘土和砂子腐蚀掉的炉衬的.金属炉料中一些元素的烧损也会产生氧化物, 主要有二氧化硅、三氧 化二铝、氧化镁、氧化亚铁其中以酸性氧化物二氧化硅为主, 如果这 些氧化物残留在铁水中会使铁水粘度增大流动性下降, 并恶化铸件的 机械性能,因此伴随熔化过程必须有一个造渣过程,随同每批炉料加入一定数量的溶剂,以便使这些化合物变为熔渣从炉内排出获得干净 的铁水和洁净的焦碳外表.常用的造渣熔剂石灰石参加炉内后逐步加 热到90
12、0C时开始分解生成石灰,石灰CaO是较强的碱性氧化物 可以同高熔点酸性氧化物组成低熔点的复杂盐类,炉渣成分对冲天炉熔炼过程、铁水质量有重大影响,调整炉渣成分可以促成或者是阻碍 一些反响的进行,根据组成物的化学性质分有三类： 酸性氧化物包括 二氧化硅、五氧化二磷,碱性氧化物包括氧化钙,氧化镁,氧化猛, 氧化亚铁,中性氧化物包括氧化铝.如果渣中的酸性氧化物多就称为 酸性渣,碱性=CaO%+MgO% /,碱性在以下SiO2%时称为酸性渣,碱性在时称为中性渣,以上称为碱性渣,在冲天炉 内还可以参加萤石CaF2用以降低炉渣熔点,这种氟盐投炉以后 可以生成氟化氢对人体极其有害,目前许多工厂已禁止使用.经验
13、表 明,不参加萤石对炉渣性质并没有不良影响.二、单个焦碳或炭柱的燃烧碳的燃烧具有两个条件：温度和氧,碳在一定温度以上才能和氧发生, 燃烧反响,温度范围是600700C,此范围称为碳的着火温度,在这 一温度下,焦碳外表上的碳开始与空气中的氧作用首先形成CxOy,然后分解成一氧化碳和二氧化碳并放出热量这叫一次反响,所生成的二氧化碳扩散到焦炭外表就会被碳复原生成一氧化碳并吸收热量CO2+C=2CO 3438千卡/公斤碳 1-1反响条件温度8001200C 才可顺利进行,二氧化碳的氧被碳夺走生成一氧化碳, 在化学上称为 二氧化碳的复原反响,这一反响消耗了碳而不放出热量反而吸收了热 量,这是冲天炉燃烧过
14、程所不希望的, 一次燃烧的另一产物一氧化碳 由焦炭外表扩散出来与氧相遇可生成二氧化碳并放出热量, CO+1/2O2=CO2+3000千卡/公斤碳,这个气相反响在一定空间压力 之下温度在900100OC范围内才可能进行,通过温度、氧的数量和 焦炭性质等因素的变化调整一氧化碳和二氧化碳的数量,氧过剩时或者是温度较高时可以获得单一产量二氧化碳, 此时每公斤碳只能放出2201千卡热量C+1/2O2=CO+2201千卡/公斤碳,碳加氧分子生成二氧 化碳叫做完全燃烧；碳加氧原子生成一氧化碳叫做不完全燃烧,不完全燃烧释放的热量只有完全燃烧的约三分之一,完全燃烧时每公斤碳 需要供应的空气；不完全燃烧时每公斤碳
15、需要供应的空气. 实际上焦 / 炭的燃烧过程属于气固多相反响,包括气体扩散以及焦炭外表上的反 应等几个环节,整个反响过程的速度同各个环节的进行速度有关.反 应所表现出来的速度决定于速度最慢的环节.温度很高,气流速度很 低,化学反响速度很大时整个燃烧反响速度决定于气体扩散速度, 就 把它称为扩散区；相反温度很低,气流速度很高,整个燃烧反响速度 决定于化学反响速度,就把它称为动力区.如果化学反响速度与气体 扩散速度相接近,那么称为扩散动力区.各种因素如温度、气流速度、 焦炭性质对燃烧速度的影响在上述三个区内各不相同, 如在动力区温 度作用非常大,提升温度那么反响速度急剧上升,焦炭的反响水平和比 外
16、表积也有影响；在扩散区情况相反,气体的扩散起决定性作用,温 度的影响小的多,它通过对气体的扩散速度的影响起作用, 焦炭的反 应水平不在起作用,但它的几何因素块度、气孔率仍有影响；在 扩散动力区,温度和扩散因素都有明显影响,介于扩散区和动力区之 间,根据焦炭燃烧的这些特点就可以选择强化燃烧的举措.三、焦层的燃烧过程/将焦炭堆积成层状加热到一定温度后由底部通入空气即开始焦层的 燃烧过程.第一层炭的燃烧情况与单个焦炭有相似之处, 空气鼓入炉 内先被加热到一定的温度同焦炭接角后立即,燃烧消耗掉相当多的氧,炉气中出现一氧化碳和二氧化碳,放出热量并残留一局部氧气, 炉内的温度随之上升,这种炉气再与第二层焦
17、炭相遇,除了氧可以与 焦炭继续反响外,二氧化碳还可以被焦炭复原,一氧化碳可以同氧反 应生成二氧化碳,炉气温度继续上升,第三层,第四层也是如此,不 过氧越来越少,二氧化碳和一氧化碳含量不断增加,炉气温度不断升 高,氧气根本耗尽实际上总有左右的残留氧的位置二氧化碳的 含量也最多,炉气的温度到达最高值.氧气根本耗尽以前的区域称为 氧化区氧化带,在氧化区内同时存在二氧化碳、一氧化碳、氧和 氮,一氧化碳和二氧化碳既月一次燃烧反响产物,又有反响式1-1 1-2 1-3 1-4四个反响式的综合结果.氧化区内,温度上升很 快可以到达1600C以上,因此它属于扩散区,反响速度决定于扩散 速度,气体速度,氧气浓度
18、,焦炭几何形状对温度和反响速度也有影 响,温度的升高也利于气体扩散速度的增加,最高温度值和最大的二氧化碳量,对层焦燃烧过程影响很大,最高温度值和最大的二氧化碳 量,受很多因素的影响,变化范围也比拟大,氧化区的上界面,随着 最高温度值的增加而升高.即温度高时,一氧化碳的含量反而多,这 一规律看上去同炉气成分和温度的关系似乎相互矛盾,其实不然,理论燃温度设有考虑燃烧所具有的空间、 燃烧速度、和向四周介质的热 幅射损失.在焦层燃烧过程中,这三个因素都对燃烧温度和炉气成分 有很大影响,因此,焦层燃烧有它特有的规律.氧化区的大小同焦炭 的块度,鼓风的氧浓度和鼓风温度等因素有关, 对通常的鼓风来讲氧 化区
19、的大小等于4-5块焦炭的叠高.焦炭气孔率大焦炭比拟松孔隙多反响水平强那么氧化区小；反之刚那么大.炉气离开氧化区继续上升, 此时炉气反含有少量的氧和大量的二氧化碳、一氧化碳和氮,高温下 这种炉气与高温焦炭相遇只有二氧化碳发生复原反响1-1要吸收热量,因此炉气温度由最高值急剧下降.同时一氧化碳数量急剧减少 炉气温度可必400-500C当二氧化碳复原反响进行的很微弱的炉气成 分不再发生明显变化.在这个时间内,从氧化区上界面到二氧化碳反 应革本停止的区域以二氧化碳复原为特征称为复原区复原带,还原区的大小根据焦炭的性质、鼓风条件变化很大,约为氧化区的3-5% 炉气在复原区停留的时间很短,大约只有 1/1
20、0S,二氧化碳和碳之间 的反响很难彻底进行,所以只有一局部二氧化碳复原成一氧化碳, 还 原区的下部温度很高,反响式1-1处于扩散区或是扩散动力区还 原区的上部温度比拟低,反响处于动力区,因此二氧化碳的复原反响 进行的程度除与焦碳炭性质几何因素和反响水平有关外,同温度 也有密切的关系.温度越高,二氧化碳复原反响进行的越剧烈, 炉气 中的一氧化碳越多复原区以上炉气史残留少量的氧, 炉气温度已降到 1000C以下.炉气很少与焦炭发生反响,只是把热量传给白加料氧下 落的炉料,这个区域称为 预热区预热带,加料口炉气成分决定于 氧化区和还区的成分和温度以及各区内各个反响进行的程度./ 焦炭在 氧化区和复原
21、区都要消耗但是两个区域氧化的介质不同,热效率也不同在氧化区内,氧消耗的碳升高了炉温在复原区内二氧化碳消耗了碳 防低了炉温,从冲天炉熔化金属来讲不希望出现复原区介是提升炉氧 温度总会促使二氧化碳复原反响的剧烈进行,出现更多的一氧化碳,焦层高度对加料口炉气成分影响很大焦层高度超过氧化区+复原区之和时碳15-20块焦炭的叠高,二氧化碳在原区内有足够长的道路同 信碳接触,二氧化碳复原反响进行的彻底八 相反焦层高度高度时,那么 复原区高度不够,二氧化碳复原反响进行的不完全, 加料口炉气有比 较多的二氧化碳底焦越薄,二氧化碳的含量越多,焦层燃烧这一特点, 有助于我们了解冲天炉加料口的炉气成分变化规律./四
22、、影响底焦燃烧的主要因素.1、风量 加大风量可以增加氧的扩散速度, 提升焦炭的燃烧速度,增加风量对氧化区和复原区的大小没有显著的影响,哈蟆在单位时间内、单位氧化区空间内烧掉了更多的焦炭, 热量更加集中了单位重量 的焦炭向四周介质的热损失减少,这种效果反过来影响到炉气的成分 和温度使炉内的最高温度上升不断地升高必须导致复原区二氧化碳 含量减少,一氧化碳含量增加.加大风量,炉气温度上升,当风速至 5m/s时变化不再明显.图在复原区的上界面,一氧化碳含量最高可达34%二氧化碳含量极少.增加风量必须成比例地增加焦炭的用量, 补充烧掉的焦炭,才能保证 底焦稳定在适宜的高度.增加风量不能提升炉气中二氧化碳
23、含量.2、热风 提升鼓风的温度对底焦内氧化区和复原区的大小炉气成分和 最高炉气温度都有显著的影响,随着鼓风温度的升高,氧向焦炭外表 扩散速度增加,提升了氧的消耗速度,焦炭的燃烧速度,也随着内温 的增加成正比例增加,氧化区的高度与热风温度的升高成反比, 热风 温度每升高100C,氧化区高度减少12%,复原区高度也缩小,因此 氧化区和复原区热辐射损失减少,热量更集中最高炉气温度急剧上 升,热风温度每上升100C,可使最高炉气温度升高 70C.3、富氧送风 富氧也可以起到热风的同样效果,一般的方法是将氧加入到鼓风中随风速入炉内,提升鼓风的含氧量,能相对降低氮,并增 加氧的扩散速度,从而强化了焦炭的燃
24、烧过程,随着氧化浓度增加, 焦炭的燃烧速度直线上升,氧浓度每提升1%,氧化区高度缩小5%, 最高炉气温度上升 50-60C,对于出铁温度相当于热风温度增加了 70-80C的效果,当氧浓度为25%时,炉气的最高温度到达1900C以 上,氧浓度大于25%时,气最高浊度上升变缓,提升氧浓度可以增 加氧化区的二氧化碳含量,在复原区内随着氯浓度的增加,一氧化碳 的含量也增加,这是由于温度升高了二氧化碳的复原反响增强了.测试数据说明,加料口炉气的一氧化碳含量到达了很高的数值.4、焦炭块度焦炭质量化学性质和物理性质是影响底焦燃烧的重要因素,变更焦炭底焦燃烧效果可以发生比拟大的变化, 焦炭的质量 包括化学性质
25、和物理机械性能两局部,化学性质包括固定碳的含量、 灰分的含量挥发分的含量,硫分的含量.可燃性和强度.固定碳是焦 炭的主要组成局部,它是可燃局部,越多越好,灰分是一些不可燃的 无机化合物,淡仅不能放出热量,还以造渣的形式吸收大量的热量, 灰分的含量越低越好,挥发物是由碳氢化合物组成的可燃局部,不过在较低温度下就会挥发掉,这局部热量不能用于过热铁水,越低越好, 焦炭中的水分要做为验收标准水分在冲天炉的上部就蒸发掉,使预热带的炉气温度降低,可燃性是指焦炭与空气反响的水平,它的检测方 法：取一标准的试块,测量确定的高温下与空气作用时的燃烧速度, 单位是g/s;反响性(复原性)最常用的测量方法如下：称取
26、一定数 量的焦炭放入试管内,加热到一定的温度(900-100OC)与二氧化碳 气流接触,升成一氧化碳,反响性用 R表示公式.要求R 24%, 焦炭的可燃性与反响笥有一定联系, 除与碳原子的活度有关外,还受 焦炭块的大小,气孔率,显微裂纹的影响.块度小,气孔率高显微裂 纹高,单位体积的外表积大,可燃性和反响性高,从充分利用焦炭发 热值的角度出发,希望反响性越低越好,可燃性越高越好,前者可以 少生成一氧化碳,后者可以加快燃烧速度,有助于提升燃烧过程的最 高燃烧温度,但是各种焦炭的可燃性和反响性都随着温度的升高而增 加.在高温下,例如冲天炉的氧化区内,这两种性质不影响燃烧反响 和二氧化碳的复原反响,由于高温下,气体的扩散支配着反响的进行, 而在复原区的上部,炉气温度已比拟低,焦炭的反响性影响到反响的 进行,.要求铸造用焦的R值25%时铁水的提 温效果减弱,氧浓度15min,可以到达提升效果.每增加1%氧浓度, 铁水温度上升20C.富氧送风可以降低 Si、 Mn、Fe的烧损,也可 以降低铁水的含硫量,直接由风口送入氧提温效果显著, 吹入占空气 总量的2%的氧铁水温度可以上升70C它的提温速度也快,大约5min 铁水可以到达上升70 C指标.