KKG35t/h冲天炉结构改造及熔炼工艺优化

鲍俊敏，林献辉，代文训，王占蛟，乔进国

（潍柴动力（潍坊）铸锻有限公司，山东潍坊 261100）

我厂使用的35t/h热风水冷富氧冲天炉由德国KKG公司生产，在国内属首次使用，具有自动化程度高、节能减排等优点。但是此冲天炉铁液出炉温度较高，铁液碳含量则较我厂现工艺低，且正常运行情况下每4周需要修炉一次，每次修炉使用耐火材料约38吨，造成冲天炉运行成本偏高。针对这些特点，结合我厂长期应用大型热风冲天炉所积累的经验，对此热风水冷富氧冲天炉开展结构改造及熔炼工艺的优化。

1 冲天炉炉体结构改造

KKG热风水冷富氧长炉龄冲天炉包括如下几个系统：炉体系统、冷却水系统、原料配料系统及加料系统、鼓风系统、热风系统、炉气冷却系统、除尘系统、电气控制系统等。主要针对炉体系统进行结构改造。

1.1 炉缸结构改造及耐火材料优化

KKG冲天炉炉体内径的设计值如图1所示，预热区和燃烧区内径为2400mm，炉缸区的内径则为2000mm。炉体内径在炉缸区的缩减导致铁液从燃烧区流至炉缸时对炉缸区的耐火材料的侵蚀加剧，缩短了冲天炉的运行周期。

经过论证及试验，将KKG冲天炉的炉缸直径由2000mm增大至2400mm。为了保证冲天炉的安全运行及延长耐火材料使用寿命，将炉缸区的耐火材料进行了相应的调整。冲天炉炉缸区外层（炉壁处）耐火材料原采用高铝耐火砖修砌，改为采用浇注料打结，以提高导热系数，冷却内部炉衬。炉缸区内层的耐火材料也更改为具有更优异的抗渣线侵蚀能力和热态强度的耐火材料。

图1 冲天炉炉体系统

1.2 分渣器优化

图2 炉缸结构更改前后对比图

图3 冲天炉分渣器增加冷却风管

KKG冲天炉采用的是敞开式虹吸分渣器将渣和铁分离。分渣器的尺寸较大，长期与铁液及渣接触而无冷却装置，因而侵蚀较快，每年需要大修12次，且每次大修所需耐火材料约为13吨。耐火材料消耗较大，且修分渣器频次较高，造成熔炼成本上升并增大了工人的劳动强度。针对冲天炉分渣器侵蚀冲刷较快现象，设计在分渣器耐火材料内部增设冷却风管，熔炼时采用压缩空气对分渣器耐火材料进行连续冷却，以降低耐火材料的温度，从而减少耐火材料的损耗，达到在保证安全生产的前提下，延长分渣器的维修周期。通过采用冷却装置，分渣器大修次数由原来的每年12次减少至3次。

2 冲天炉熔炼工艺优化

2.1 冲天炉铁液温度优化

KKG冲天炉采用2通道气体—空气管式换热器，可以实现在不同的工作负荷下产生500～550℃的热鼓风温度。由于预热送风及良好的熔化状况，KKG冲天炉熔化铁液的出炉温度范围能达到1520～1570℃。然而研究表明，铁液有一个临界温度，在临界温度以下，随着铁液温度的提高，石墨被细化，基体也因细化而致密，从而提高铸铁的力学性能。但铁液温度过高则导致石墨形态恶化，石墨晶核显著减少，过冷度过大，甚至产生自由渗碳体，导致力学性能下降。一般认为，铁液的临界温度为1500～1550℃[1]。另外我厂采用的是冲天炉与电炉双联熔炼，在冲天炉连续熔炼的情况下，铁液出炉温度过高导致电炉铁液温度调节困难，适当降低冲天炉熔化铁水温度有利于电炉铁液温度调节。

冲天炉的炉缸区内无空气供给，焦炭几乎不燃烧，所以对高温铁液来说，炉缸是个冷却区，因此我们对炉缸区结构的更改使得炉缸的容积增大，有效降低铁液的出炉温度，炉缸区更换了导热系数更高的耐火材料及分渣器安装了冷却风管都可一定程度上降低铁液的出炉温度。通过结构优化最终验证冲天炉铁液出炉温度能够稳定控制在1500～1550℃，平均降低约20℃，有效解决了连续熔炼铁液出炉温度偏高的问题。

2.2 铁液增碳系数增加

冲天炉连续熔炼获得高碳铁液，有两种不同的工艺途径：一种是炉料中加入足够比例的生铁；另一种靠焦碳使铁液渗碳。研究表明，这两种工艺熔炼出的高碳铁液尽管碳当量相当，同样的铁液成分，通过同样孕育处理，前一种途径获得铸件的性能要比后一种铸件性能低1～2个牌号[2，3]。因此提高冲天炉的增碳系数对获得高碳含量高性能的铸件十分关键。用冲天炉熔炼铸铁时，铸铁中碳含量受到多种因素的影响，其中铁液在炉内停留时间的长短也是影响铁液增碳的主要因素。铁液在底焦和炉缸内停留的时间越长，铁液吸碳的时间越充分，越有利于铁液的增碳。

我们对冲天炉炉缸结构的改造，使得炉缸的容积增加了1.66m3，炉缸容积的增加一方面增长了铁液在炉缸的停留时间，另一方面增大了铁液和焦炭的接触界面，最终增大了冲天炉的增碳系数。

2.3 熔炼参数优化及铸件性能改善

冲天炉炉料主要由废钢、生铁及回炉料组成，由于生铁本身含有粗大的石墨片，而石墨的熔点在2000℃以上，在熔炼过程中不能熔尽，在结晶过程中使石墨变得粗大，同时废钢的使用量直接与铸件的强度相关，提高废钢用量可提高铸件的抗拉强度。针对KKG冲天炉增碳系数的增加，我们调整了相关熔化工艺参数，降低层焦用量和生铁用量，提高废钢的使用量，保证铁水化学成分及温度满足要求的同时，降低原材料的使用成本。其中生铁降低了5%，相应的增加了5%的废钢。炉料的调整对铸件性能的改善有明显作用，调整后我厂某HT250气缸盖的单铸试棒性能均值由280MPa提高到300MPa，铸件性能有明显改善。

3 经济效益

（1）对KKG冲天炉进行改造后，维修炉缸所用耐火材料由原来的19吨/次减少至8吨/次，全年预计可节约耐火材料132吨；分渣器维修次数由原来的每年12次减少至3次，全年预计可节约耐火材料117吨。全年共计降低修炉成本249万余元。

（2）改进炉料配比后，将生铁的用量由原来的10%降低至5%，废钢的用量由原来的60%增加至65%，按照年熔化量5万吨计算，每年可节约铁料成本150余万元。

4 结论

通过对KKG热风冲天炉结构的优化，不仅优化了冲天炉的熔炼工艺，可以获得更优质的铁液，而且每年可节约400余万元成本，真正实现了铸铁熔炼的高效率、高质量、节能、环保型。