新型无焦冲天炉的制作方法

本实用新型涉及铸铁的冶炼设备技术领域，更具体地，涉及一种新型无焦冲天炉。

背景技术：

上世纪80年代以来，英国、德国实用新型了一种用天然气-氧气烧嘴作为供应热源的无焦冲天炉，以储量丰富的清洁能源——天然气替代焦炭，取得很好的节能减排效果，与传统的焦炭冲天炉相比，熔化同样数量的铸造铁液，天然气无焦冲天炉可以减少CO2排放70％以上，减少SO2排放90％以上。同时，无焦冲天炉设备结构，特别是配套环保设备相对简单，投资较小，并且可以在原有冲天炉设备的基础上进行改造，而不必建新炉，因此易于在广大铸造企业，特别是年产量在1～10万吨以下的中小铸造厂进行推广。

然而，目前所使用的无焦冲天炉还存在以下问题：

①由于没有了焦炭作为炉内的料柱支撑，所以在天然气烧嘴的上方增加了水冷炉栅，来承载炉料料柱。该水冷炉栅为安装在高温火焰上方的一排过水强制冷却的钢管，这些高温区的钢管工作条件比水冷炉壁和水冷风口还要恶劣，这不仅加大了设备的安全风险，也增加了穿越水冷炉栅的铁液液滴的温度损失，还增加了水冷炉栅钢管内冷却水带走的热量损失。并且，由于必须依赖水冷炉栅作为料柱支撑，限制这种类型的冲天炉的体积，使得无法制备30t/h及以上的大型无焦冲天炉。

②冲天炉在正常熔化铸铁的过程中，水冷炉栅上需要铺一层陶瓷球，陶瓷球层的厚度一般要求在400～700mm(陶瓷球的直径约180～200mm)，作为铁液过热的“炉床”，由于冲天炉熔化过程中陶瓷球要不断损耗，因此需要在整个过程中不断开炉对陶瓷球进行补充(以德国15t/h无焦冲天炉为例，大约需要随每批炉料补增水冷炉栅瓷球)。由于陶瓷球在炉内只起到支撑和抬高炉床的作用，此外没有任何有益的作用，只能是消耗能量，最终还都变为了炉渣；加之陶瓷球的价格是焦炭价格的若干倍，因此每天消耗的陶瓷球也提高了开炉成本。

③由于上述原因，无焦冲天炉的出铁温度比较低(一般只有1400℃左右)，因此需要配置一台功率较大的有芯工频感应电炉作为前炉，提供额外的升温与保温功能，才能熔化出1500℃的高温合格铁液。

④在这种无焦冲天炉炉内加入废钢量较大的炉料时，还需要在前炉内对铁液补加增碳剂，进行铁液增碳操作。

目前对铸造行业焦炭冲天炉限制条件日益严格，为了适应我国不断加大的节能减排的力度，以及目前天然气开采数量不断增大、价格日益平稳和趋降的条件，在国内铸造业推广无焦冲天炉已经提上日程。而研制出一种能够克服上述缺陷的无焦冲天炉已成为业内亟待解决的难题。因此需要研制出一种既能够保留上述无焦冲天炉的优点，又能避免其前述所列缺点的新型无焦冲天炉，以适应绿色铸造产业的发展。

技术实现要素：

根据本实用新型的一个方面，提供一种新型无焦冲天炉，以解决上述技术问题的至少一个。

本实用新型提供了一种新型无焦冲天炉，包括炉体和加热源，炉体内部整体为上下贯通的空腔结构，炉体上设置有加料口和至少一个出铁口，加料口和出铁口通过空腔结构连通，其中，

空腔结构的炉缸区和熔化带均设置成用于容置支撑炉料的高碳球的填充区段，

加热源为天然气燃烧器，天然气燃烧器的烧嘴设于炉体上，且位于高碳球的填充区段。

由此，本实用新型所提供的装置炉体内部为空腔结构，上下贯通，空腔结构的炉缸区和熔化带均设置高碳球的填充区段，突破了现有技术中的无焦冲天炉的炉缸处通常设置为空心结构以提高燃烧效率的技术壁垒和认知障碍；

其次，填充高碳球取代水冷炉栅作为炉料的支撑，不仅对铁液起过热作用，而且由于省略了水冷炉栅(水冷炉栅为安装在高温环境中的一排过水强制冷却的钢管)，因此避免了钢管工况异常所带来的安全风险，消除了现有装置在生产运行中存在的安全隐患，而且还解除了对无焦冲天炉体积的限制，使得能够根据需求制备不同熔化率的无焦冲天炉，特别是使得制备30t/h及以上的大型无焦冲天炉成为可能；

再者，采用天然气燃烧器作为加热源，不仅热源温度高而且更节能，并且天然气燃烧器的烧嘴向炉内提供的是水蒸气和二氧化碳高温气体，避免了因高温气体中含有氧气而与高碳球发生氧化反应，减少了高碳球的损耗；此外，由于天然气-氧气高温烧嘴直接提供冲天炉熔炼所需的热量，加之高碳球诸如碳素球、废石墨电极切块不存在焦炭那样的孔隙，反应性低，消耗速度慢，支撑料柱的高度稳定不容易波动，因此不用再顾忌“风焦平衡”问题，也不会再发生“底焦高度降低”、“落生”、“黑渣、发渣”、铁液氧化等冲天炉的常见事故，所以炉况更稳定，保证了正常的生产秩序和铸件质量；由于铁液在冲天炉内既不会氧化，也增硫很少，因此铁液的纯净度比较高，适宜生产高质量的球墨铸铁原铁液。

在一些实施方式中，填充的高碳球为碳素球和/或石墨电极切块。由此，当高碳球为碳素球时，由于碳素球致密无孔且表面覆盖有铁液，与炉内高温气体反应性低，可以大大减少碳素球烧损率和减少废渣量，还具有增碳作用，使得工艺优化、操作更简便。由于高碳球顶面到烧嘴的高度会影响铁液的温度和熔化率，因而在具体实践中，优选将高碳球顶面与烧嘴之间的距离设置为400～700mm，高碳球顶面到烧嘴的高度越高，出来的铁液温度高，但熔化率将会有所下降；反之，高度越低，熔化率有所提升，但出来的铁液温度较低；此值范围内，结合大量实践和总结，保证了熔化率和铁液温度的最佳平衡。

在一些实施方式中，填充的高碳球直径需根据炉体需求设定,大小适用即可，一般情况下可以设为150～300mm。由此，能够使高碳球大小保证一致性，且处于较大时，保证了良好的透气性和热效率；但过大，烧不透，热效率低，因此经过大量实践和总结，本实用新型实施例优选高碳球直径为150～300mm，以达到炉缸内透气性好、热效率高的效果。

在一些实施方式中，炉料直接置于高碳球上，炉料为金属炉料，包括生铁、回炉料及废钢等。由此，在炉料熔化为铁液时，铁液滴顺着高碳球滴落过程中，高碳球还起着过热作用，大大提升铁液出液的温度，使得该装置更节能省料。

在一些实施方式中，天然气燃烧器烧嘴所提供的热源温度为1700℃-2000℃。由此，烧嘴向炉内喷入高温气流，保证了炉内所需的高温要求，并且，当炉料熔化后顺着高碳球之间的间隙向出铁口流动时，气流和高碳球对铁液起到过热作用，使得最终流出的铁液温度可以达到1500℃以上，甚至可以不再配置有芯工频感应电炉作为铁液保温升温用前炉。

在一些实施方式中，加热源绕炉体至少设有一排，一排均匀排布有至少两只，优选为4～12只加热源；当设有两排加热源时，每排之间可以正置、倒置或等置方式排列。由此，加热源采用环形排布方式设于炉体上，便于对炉内全方位输入高温气流对炉体进行加热，且在炉体内部设置两排及以上加热源时，可以提高熔炼效率。

具体地，当在炉体上设置两排加热源时，正置是指总功率最大的一排烧嘴置于下排且总功率最大的一排热源占全部热源总功率的70％～90％，等置是指各排烧嘴的总功率相等，倒置是指总功率最大的一排烧嘴置于上排且总功率最大的一排热源占全部热源总功率的70％～90％；其中，正置时上排烧嘴距离顶面200～400mm，倒置时上排烧嘴距离顶面400～700mm，等置时上排烧嘴距离顶面400～600mm。

在一些实施方式中，还包括至少一个渣铁分离器和至少一个过桥，每个出铁口均分别经由过桥与一个渣铁分离器相连通。由此，熔炼完毕的铁液和废渣由出铁口流出炉体后，经过过桥直接流向渣铁分离器，铁液不断流出，同时渣铁分离器也不断过滤废渣，使得最终流出的铁液纯净、无渣，实现连续性出铁。并且，当设置的出铁口和渣铁分离器有两个及以上时，可以方便维修、更换耐火材料，实现长期连续生产。

在一些实施方式中，天然气燃烧器为具有天然气-氧气烧嘴的高温燃烧器。由此，采用天然气-氧气烧嘴，以保证烧嘴向炉内提供的是水蒸气和二氧化碳高温气体，而无还原性气体，减少了高碳球的损耗；而且，采用天然气-氧气烧嘴的高温燃烧器，以确保向炉内提供更高的温度。

在一些实施方式中，还包括用于判断高碳球高度变化的测量系统，其中，所述测量系统为根据出铁量、物料配比与高碳球高度变化之间的关系所建立的数学计算模型，或安装于炉体内的炉料熔化位置测量仪，其中，测量系统可根据现有技术进行建模计算或直接购买使用。由此，可以通过测量系统实时监控高碳球的剩余高度，通过计算和物料分析计算出高碳球的烧损量，便于掌控和了解高碳球的补充量和补充频率，以实现冲天炉炉况的稳定运行和自动化、智能化控制。

本实用新型要求保护的新型无焦冲天炉由于取消了现有无焦冲天炉燃烧器烧嘴上方的水冷炉栅和耐火球床，而代之以高碳球作为支撑料柱来承载入炉金属炉料，避免了水冷炉栅可能给设备带来的安全风险，也避免了穿越水冷炉栅的铁液液滴的温度损失和水冷炉栅钢管内冷却水带走的热量损失。同时，以高碳球代替耐火球床，不仅减少了冲天炉熔化过程中的炉渣，且加入炉内还能够为炉内熔化的铁液滴增碳，因此可以增大废钢和低质量炉料的用量，从而降低了铁液成本。这样的结构设计不仅降低成本、减少废渣，而且可以熔炼出品质更高的铁水。

其中，利用本实用新型所提供的新型无焦冲天炉熔铁的方法，步骤如下：

S1.根据预设的高度阈值向炉体中装填高碳球，其中，高度阈值为堆积的高碳球的顶面与烧嘴的距离；

S2.利用天然气燃烧器烧嘴点火，对炉体内部进行预热1-2h；

S3.当炉内温度至少高于金属炉料的熔点150℃时，向炉内装入金属炉料；

S4.熔铁，连续出铁水。

本实用新型所公开的利用上述新型无焦冲天炉熔铁的方法，在操作工艺、控制技术方面大大简化，首先，不燃烧焦炭，那么为降低焦炭灰分的熔点而加入的石灰石熔剂就大大减少了，因此炉渣的数量也大幅度的降低，可进一步节能，并减少固体废物的排放；其次，因为采用高碳球，铁液流经高碳球时，可以使铁液增碳，省去了对铁液补加增碳剂，使得工艺优化、操作更简便；再次，由于取消水冷炉栅和陶瓷球炉床，省去了炉栅钢管的检查及修复，优化简化操作的同时也明显提高了开炉作业的安全性。

其中，还包括补料步骤，补料步骤具体操作如下：

根据物料配比和高碳球的消耗率预先计算得出炉料填充批次和时间以及高碳球补充频率和补充量；

根据高碳球补充频率和补充量，在补充炉料时，向炉体内加入相应补充量的高碳球。由此，本实用新型所公开的方法突破了现有技术中对陶瓷球消耗量无法定量计算的技术缺陷，利用本装置的熔炼工艺，可以对高碳球的损耗量、损耗率及添加量、添加频率进行计算和控制，为冲天炉实现自动化、智能化提供了条件，使得操作工艺和控制技术都大大简化，大幅提高生产效率。

预设的高度阈值为600～900mm。炉体预热过程中会空烧1-2h，由此，考虑到高碳球的损耗，为了确保金属炉料入炉时高碳球的顶面与烧嘴距离保持在400～700mm，在初始填充高碳球时，可以根据高碳球的消耗情况，设定一高度阈值(通过计算得到或取经验数据)，并根据该高度阈值进行高碳球的填充，从而使得在加入金属炉料时和熔炼过程中，高碳球的顶面与烧嘴距离始终保持在400～700mm。

附图说明

图1为本实用新型一种实施方式的新型无焦冲天炉的剖面结构示意图；

图2为图1所示的新型无焦冲天炉的一种使用状态的剖面结构示意图(部分结构未示出)；

图3为图1所示的新型无焦冲天炉的另一种使用状态的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。

图1-图2示意性地显示了根据本实用新型所实施的一种新型无焦冲天炉的具体实施方式，如图所示，在本实施例中，该装置包括炉体1、加热源2、置于炉体顶端的加料口6、置于炉体底端的出铁口7、渣铁分离器3和过桥4，

其中，炉体1竖向设置，非工作状态时，炉体1内部整体为空腔结构，上下贯通，空腔结构的炉缸区和熔化带均设置成用于容置支撑炉料8的高碳球5的填充区段11；

工作状态时，炉体1下部填充区段11填充有与炉料8直接接触、用作支撑炉料8的高碳球5；

加热源2为具有天然气-氧气烧嘴的高温燃烧器，设有四个，对称分布于炉体下方，通过烧嘴21与炉体1下方的填充区段11连通，

烧嘴21相应的设有四只，对称分布于炉体1下方、与放置有高碳球5的填充区段11相连通，且均向下倾斜并指向炉体1中心，每个烧嘴21功率均为2.7MW，烧嘴21向炉体内提供的是1900℃的高温H2O(水蒸气)和CO2，使最终流出的铁液温度可以达到1450℃以上；

出铁口7、渣铁分离器3与过桥4各设有一个，出铁口7经由过桥4与渣铁分离器3相连通，铁液和废渣由出铁口流出炉体后，经过桥流向渣铁分离器，渣铁分离器过滤废渣，而铁液则连续地由渣铁分离器流出。其中，该实施例中提供的无焦冲天炉的熔化率可以达到15t/h。

在该实施例中，高碳球为碳素球，碳素球直径为150～200mm，碳素球与碳素球之间形成间隙，一方面便于高温气体流通，一方面便于铁液滴顺着碳素球向下滴落，另一方面为铁液在滴落过程中增碳；碳素球整体又形成料柱支撑，维持炉料处于加热源2的上方。

在具体实践中，加入炉中的炉料为金属炉料，包括生铁、回炉料及废钢；当炉料为生铁时，熔炼过程中对碳素球的补充量会适当减少；而当炉料为废钢时，对碳素球的补充量会适当增加。

在该实施例中高碳球的顶面12高出烧嘴21距离不低于600mm。

在本实施例中，还包括用于检测高碳球高度变化的测量系统(图中未示出)，其中，测量系统为根据熔化率、出铁温度与高碳球高度变化之间的关系所建立的数学计算模型(该模型可参照现有技术的冲天炉专家模型实现)，可以通过出铁温度和熔化率，判断出无焦冲天炉炉内碳素球支撑料柱的高低变化；通过监控高碳球的烧损量，便于掌控对高碳球的补充速度和补充量，以实现冲天炉炉况的稳定运行和自动化、智能化控制。

本实施例中的设备熔化出的铁液温度能提高到1500℃，由于该铁液含硫、氧量都较低，可以直接在炉前接铁液进行球化处理，主要熔炼铁液牌号为QT400-18、QT500-7、HT200、HT250等，年时基数为7000小时(四班三运转)，年熔化铁液10万吨。

在具体实践中，利用本实用新型所提供的无焦冲天炉熔铁的方法，步骤如下：

S1：向炉体中装填多个碳素球，碳素球直接与炉料接触并作为炉料的承载料柱，碳素球的顶面高度超出天然气燃烧器烧嘴600～900mm；

S2：开炉，利用天然气燃烧器的天然气-氧气烧嘴点火，并通过通入氧气使烧嘴温度保持在1700℃-2000℃，保持时长1-2h，此时，烧嘴向炉内喷入高温H2O(水蒸气)和CO2，高温气体一边向上流动对炉体内部进行预热，一边对碳素球进行加热；

S3：在炉内温度至少高于金属炉料的熔点150℃时，经由加料口向炉内投入炉料，在整个开炉过程中保持炉料顶面在加料口下沿；

S4：随着炉体内环境温度上升以及高温气体向上流动对炉料加温使其逐渐熔化下落，连续出铁水，熔化后的铁液滴在下落的过程中，顺着碳素球之间的间隙下落，被高温气体和碳素球进一步充分加热(即过热)以使铁液流出温度达到要求，且碳素球为含碳量较高的物质，铁液滴经过碳素球时能够增碳；

S5：随着炉料的熔化，需要视情况随炉料的加料适当增加高碳球作少量补充，其中，高碳球的补充可以实现为根据物料配比和高碳球的消耗率预先计算得出炉料填充批次和时间以及高碳球补充频率和补充量，根据高碳球补充频率和补充量，在补充炉料时，向炉体内加入相应补充量的高碳球。

烧嘴向炉内喷入的高温气体中不含有氧气，加之碳素球致密无孔，反应性很低，所以高温H2O(水蒸气)和CO2也不会与之大量发生氧化-还原反应，只是当高温铁液流经碳素球的缝隙时会增碳而使其少量损耗，因此高碳球的消耗是能够进行定量计算的，这样，就可以根据需要随金属炉料适当补充少量碳素球。

图3示意性地显示了根据本实用新型所实施的另一种新型无焦冲天炉的具体实施例。

如图所示，与图2所示的实施例不同之处在于，图3所示的实施例中，加热源2为天然气燃烧器，绕炉体1设有两排，每排设有四个且对称分布于炉体1下方，两排加热源2呈等置方式布置，其中，加热源与加热源之间均独立设置，每排之间也独立设置，上面一排加热源2的烧嘴21离顶面12的距离为400～600mm，下面一排加热源的烧嘴21离顶面12的距离为500～700mm。

其中，每排加热源2的烧嘴21置于炉体1下部，且烧嘴21所对应的区域均填充有高碳球5；每个烧嘴21的功率为2.7MW，每排的总功率则为10.8MW，所有加热源的总功率为21.6MW，该实施例中提供的无焦冲天炉的熔化率可以达到30t/h。

图3所示的实施例中，新型无焦冲天炉中出铁口、渣铁分离器和过桥均设有两个，其中两个出铁口相邻设置，平时生产时，可以仅开启和运行其中一套出铁口和渣铁分离器，另一套留作备用；由于渣铁分离器内的耐火材料长时间使用后需要维修，此时，可以通过切换备用的出铁口和渣铁分离器进行维修，以确保连续生产。

图3所示的实施例中，高碳球5为碳素球和少量的废石墨电极切块。

以上所述的仅是本实用新型的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。