1、通过提高吹入空气温度来提高冲天炉效率的一项技术摘要： 冲天炉的效率与铸造技术的提高和发展紧密相连，其中重要的改进之一是提高焦碳燃烧的预热空气，这项研究的主要目的是为了评估提高焦碳温度所能获得的结果：从焦碳的消耗，产量的提高和硅的损失来看能量节约。然而，如果没有关于不同材料性能的一些技术限制，节约能量是不能实现的。此外,为了达到高效率和低成本的平衡，应将成本考虑在内，这些分析已经在论文中得以体现。这项工作目前的结果是可以把焦碳的消耗降低大约 5%，可适当的节约成本。同时, 在 600-700范围内的温度以前从未被使用过，目的是为了回收废气中的能量。 关键词:铸造；冲天炉；分析；过程最优化1、 引
2、言在中频熔炉被引进用于熔化铁之前，还没有发明出理想的熔炼设备。在规范的生产过程中，金属组成的更高规格和球墨铸铁的引进，要求非常低的含硫量，几乎可以代替现有的冲天炉。除此之外，社会对环境的更高敏感性使它的生存更加重要，尤其对于那些没有意识到冲天炉不仅是一个熔炼设备而且是一个废物回收者的人来说1。然而，仍有另一个支持冲天炉在环境保护方面的因素：现代的冲天炉熔化每吨金属料要比电炉要求更低的初始能量2。这就意味着，考虑到整个环境它们更加清洁和对生态环境无害3，4。在产品生产率和能量效率方面，有些可行的方法来改善冲天炉的效率5，6。这些可行的方法之一就是通过增加吹入空气的温度来获得明显的能效改进。作为一
3、个理想的假说，在没有增加额外投资的情况下，预热空气可得到尽可能高的温度7。冲天炉中产生的能量来自于焦碳的燃烧，但其中只有 40%的能量贡献于金属熔化和超过熔化温度的过热，而其余能量都损失于冷却系统，进入冲天炉的热空气通过烟道排出。在空气通过喷嘴进入燃烧室之前，使用预热空气有助于节约能量。然而，对这个温度的提高有某些限定条件，如材料抗力和成本，燃烧条件的冶金作用等。图 1 是表明冲天炉内能量分布示意图，图中 W0是从焦碳燃烧得到能量的过程；W1是从硅、锰得到能量的过程；W 10是熔化金属中包含的能量；W 11是炉渣和湿空气的分解和加热损失的能量；W 12是冲天炉冷却系统损失的能量；W 13是上加
4、料口损失的能量；W 14气体显热和发热量损失的能量；W R通过吹入预热空气而获得的能量。图 1 冲天炉的能量分布2、 冲天炉的描述冲天炉采用的是直立圆柱体水冷系统，炉料包含废金属废钢、合金元素、石灰石和作为燃料的焦碳。当焦碳被消耗时，炉料熔化并下降。热空气穿过炉料上升，预热炉料提高了冲天炉的热效率，热气体从冲天炉顶端排出，在此处气体被处理的达到污染标准。冲天炉的内部环境有非常强的刺激性。这是由于高温化学反映，强气流和液态炉渣及的金属的存在，图 2 是常规冲天炉的图解，图 3 是此文所讨论的冲天炉的局部图（那就是说单排风口的水冷冲天炉）。在此情况下温度在 850900的排出气体通过热交换器，转换
5、气体部分热量，使吹入空气温度提高到 500并使系统温度在 600650范围内。废气体通过封闭水池的流量计数器被净化，这就意味着当气体被水冷却后，显热损失了。这些气体温度降到 250并且包含小的煤粒、沙粒和金属颗粒，这些杂质被设置在加料口末端的旋风分离器分离了。熔炼金属和炉渣的分离在加压或之后进行，金属为了均匀化和保温，被传送到浇包里。典型的补给材料由大量含 25%的废铸铁，30%铸铁钢和 45%废钢的金属料组成。许多合金材料也被加到炉料中，如硅铁或锰铁。焦碳加入到炉料中为了使铁焦比达到 11%。熔融金属温度在 14901540范围内并且它的组成在表 1 中列出。这种冲天炉的日生产量是 550
6、吨，对于重 2200 千克的工件要每周工作五天，这就意味着每天大约生产 250 个工件。熔化率是 11t/h的冲天炉的金属流出孔被 PLC长期监测所控制。它在 1200mm 压力下，500时空气流速大约是 14000-15000Nm/n 情况下工作。图 4 是燃烧室和热交换器的简图。图 2 普通冲天炉熔炉 图 3 单排风口的水冷冲炉表 1 铸铁化学成分百分比图 4 燃烧室和热交换器3、冲天炉的热分析冲天炉中所有不同可能的热损失中，主要的是金属本身和水冷系统所造成的。相反，当风口吹入空气预热时，在汽化反应过程中损失的能量被部分回收（5）。而在此情况下，热交换器仅能回收气化过程中损失能量的 25和
7、通过冲天炉烟囱损失的 20的能量。表 2 列出了设备的热分析，表中所给参数都取决于焦碳尺寸，同时，图 5 显示出能量分布和焦碳尺寸的关系。表 2 热量分析铸铁 41.0%燃烧炉气通过加料口损失的能量 7.1%燃烧炉气通过烟囱损失的能量 22.8%炉渣 3.3%石灰石分解 2.6%冷却损失 22.7%图 5 能量分布与和焦碳尺寸的关系提高能量效率的最好的方法之一是通过选择较好的耐火涂料来提高冲天炉的内外隔热程度。然而，操作上投资提高了，并且由于高温没有什么好处。尽管这样，有另一个办法，就是从通过烟囱排出的废气中回收尽可能多的能量。在此情况下，如前所述，热交换器要使吹入空气温度达到 500，空气流
8、达到1400Nm/h.由于焦碳的燃烧，冲天炉产生的热量是来自下式：C+O2CO 2+H f （1）放出的热量等于碳中的 33600KJ/kg。此反应在风口前的燃烧区进行。这是冲天炉中最热的区域。能量要求等于焦碳燃烧的 14900KJ/kg,CO2+C2CO+H f （2）等式 2 表示汽化反应，反应中与焦碳接触的 CO2在高温下变成 CO。湿空气的分解用公式（3）表示，能量要求达到焦碳燃烧的 9992KJ/kgH2O+CH 2+CO+H f （3）使用热空气燃烧的温度可被提高，加快反应进行，提高了 CO 的含量，降低了燃烧气体的温度。冲天炉中气体分布在图 6 中可观察到。图 6 冲天炉内气体分
9、布图 7 表明风口出不同空气温度下燃烧温度和燃烧指数之间的关系，图中 Nv 在公式中标出：Nv=CO2/CO2+CO （4）图 7 燃烧温度和燃烧指数之间的关系空气温度提高，燃烧指数（Nv）降低，那就是说，CO 的百分含量随空气温度提高而提高。当温度提高了，平衡条件在公式中给出。（2）向要求更高能量的更高温度的中立方向移动，结果产生更多的 CO。因为冲天炉热效率变的更低，所以低的燃烧指数是很糟糕的，尽管这样，还原反应与冶金有关联。3.1 硅.锰的影响温度的提高引起氧化反应的化学平衡向还原区转变，为铁.硅.锰氧化还原反应创造了适合的条件。图 8 自由能减少与温度的关系如图 8，在 1530时，碳
10、与氧的亲和力要比硅、锰更强，这种亲和力在熔融金属可被证明：金属的温度越高，硅、锰的含量越高，图 8 表明在取决于温度的氧化反应中，自由能的减少意味着吹入空气温度越高，操作条件上的损失越少。当燃烧温度提高，铸铁温度也提高。这个影响是由于燃烧区温度的提高，燃烧区中熔融金属处于过热。入口空气温度每提高 100，熔融金属温度大约升高 30。出铁温度是 1530时，硅损失的更少，同时在某种条件下，氧含量也会减少。这个反应在公式（6）中反应出。Si+O2SiO 2+H f （5）SiO2+2CSi+2CO+H f （6）硅的氧化反应要依赖对碳或冲天炉中其他金属元素的亲氧能力。这个影响是由于许多变量的作用，
11、如温度，硅的积聚和炉渣中的硅含量。此外，还有其他元素的存在，如锰能改变这个反应的平衡。2MnO+SiSiO 2+2Mn （7）因此，在炉料中锰含量增加了，硅损耗就会降低了。（图 9）图 9 锰的加入量与硅锰损失量的关系32 硫的影响硫主要来自焦碳，随着燃烧气体部分燃烧并消失，而剩余硫混入到金属液中。 温度越高暗示铸铁中硫含量越高，同时，置换反应在炉渣附近进行，并且随着大量硫进入炉渣中，平衡向右移动。FeS+CaOCaS+FeO （8）因此，冲天炉不仅是一个熔炼设备，也是一个化学反应器。工作参数的变化使操作员确定可以工作的方法，达到最好的平衡，既节约又是冶金学的。33 简明的热平衡表格 3 表明
12、了一个简明的热平衡。这个平衡是根据实际的操作所获得数据绘制出来的。从金属炉料的组成开始，铁合金和所获得的分析硅锰损失，体现碳性能的焦碳也被计算进去。对于气体体积，据说通过潮湿系统净化后，气体包含有 15%的水蒸汽。工件组成给出了操作条件，温度在不同点被测量。这些最终的能量是焦率，每一小时的产品量和每种不同成分温度的函数。当不考虑硅锰的损耗时，计算热率，结果是 38.8%。4、使用不同效率的热交换器的改进。为改善流动情况，必须设计更有效的热交换器。如今，随着新材料和生产技术的产生和发展，在不发生几何变形和严重氧化情况下，控制达到 650 度以上是有可能的。另一方面，唯一专门的要求是尽可能干净。既
13、然是这样，我们的意图是利用热交替器来工作。它使风口处吹入空气温度达到 600，使当前温度提高 100改进热交换器意味着得到更高效的冲天炉。对于新的热交换器，热效率可提高3%。重要的结果在正文中讲述。4.1 能量效应从热力学角度来讲，吹入空气有高的温度是有利的，因为这意味着在没有增加炼焦煤总量时进入的能量提高了。吹入空气温度的提高相当于没批炉料中 6.9Kg 焦碳。这和价值在公式 9 中得体现。CpmT=qm c （9）公式中 Cp是常压下吹入空气的比热。（1.29KJ/NmC），m 是空气质量）（14000Nm/h）T 是温度增加量（100 度）q 是焦碳的燃烧碳的 27.044Kj 它是燃烧
14、指数为 0.56 的燃烧热）m 是碳的质量。对于 72Kg/h 焦碳中的碳含量。如果我们量一下炉料中焦碳的量，每天 250Kg 的炉料以每小时 10.5Kg 炉料 72Kg 焦碳得到每千克炉料要 6.9Kg 焦碳这就意味着有 0.3%的较低焦碳消耗量。真实的数据表现出的优势在图表 4 中给出。表 4 获得的改进1999 2000 改进空气温度（） 500 600 100焦率（%） 10.53 10.20 -0.33焦耗（kg） 231.7 224.6 -7.14.2 生产能力公式 10 表明提高 100 度空气温度会导致熔化效率提高 0.65t/hCpmT=C FeTM （10）公式中 Cp是
15、空气的比热，m 是空气体积，T 是温度增加量，n 是冲天炉效率，C Fe是铁的比热，T 是铁的温度，M 是铁液的量。（1.29KJ/Nm 3*14000Nm3/h*100）（0.75KJ/Kg*1520）*0.41=650kg/h，其中 0.41 是冲天炉的效率。用新的热交换器熔化金属的增加量是每天 15.6 吨。考虑到每吨铁液的标准生产率是 0.68t，整个产品增加是 2386.8t/年（每年225 个工作日）。15.6t/天*225 天/年*0.68=2386.6t/年43 硅的损失由于高的燃烧温度，氧化物的量也开始减少了，这是由于金属液中 CO 的增加和燃烧指数的降低。这个降低量已被估计
16、，硅量大于 0.1%。当风口处出入空气温度从500降低到 400时，硅损失提高 0.1%。考虑到 142t 的年消耗，硅的节约量为每年 142Kg。表 5 表明了新的简明的热平衡。5、讨论在表 3 和 5 的基础上，从能量角度做个对比。表 6 表明能量的平衡和分布。该表表明燃烧气体的显热通过加料口散失，该显热减少了。这个能量传输到铸铁中。表 6 燃烧气体的热量表 7 硅锰烧损方面的改进表 8 结果分析原始状况 目前结果 改进空气温度（） 500 600 1001999 2000 改进气体温度（） 500 600 100铁（%） 38.8 41.5 2.7燃烧空气在加料口处热损失（%） 8.2
17、7.5 -0.7燃烧空气在烟囱中的热损失（%） 25.9 24.7 -1.2炉渣（%） 3.2 2.9 -0.3石灰石分解（%） 2.6 2.4 -0.2冷却损失（%） 21.3 21.0 -0.3冲天炉效率 硅损耗 锰损耗1999 38.3 21.6 22.12000 41.5 21.2 17.4焦率（%） 10.9 10.4 -0.5焦耗（%） 239.8 228.8 -11.0如表图 7 和 8 所示，焦率比先前预想的提高很多，从经济角度来看获了重大的节约。另一方面，硅和锰的损失并未想预料中的能减少。熔融金属液温度能提 1520是非常重要的。此温度的提高导致了能量的节约，有利于铁液保温。由于计算出来很小的生产能力的提高是很困难的，数值和复杂的测量值。尽管这样，还是可以看到有些许的提高。6结论在此研究中，利用了提高焦碳燃烧的方法。该方法利用了回收温度范围在 600700之间的废气。目前的方法使得此温度范围更高。该方法使得这一装置对于铸件有更高的效率。该方法论的提出使得焦耗减少，从而获得了重要的节约。
