中国现代水冷冲天炉40年

张 明，郜业磊

（1.威海科兴铸造机械有限公司，山东 威海 264202；玫德集团有限公司，山东 平阴 250400）

现代水冷长炉龄冲天炉指我国1980年以后引进、发展起来的先进冲天炉，适合于大批大量连续生产的铸造厂使用，在中国已有长达40年的应用历史。该炉的特征为：存在水冷风口、水冷炉壁、完善的环保系统、微型计算机控制系统等，炉龄至少在一周以上。中国现代水冷冲天炉技术，源于20 世纪80年代初开始一直到2014年约40年间从国外引进的十余台套外热风水冷冲天炉。本文扼要介绍了包括外热风水冷炉、冷风水冷炉在内的现代水冷长炉龄冲天炉在我国的发展，不涉及简易水冷冲天炉（例如水套冷却的冲天炉）和回收废旧金属的水冷炉。

在对外技术交流中，国内所称的外热风水冷长炉龄冲天炉，外国人未必理解。美国人将外热风水冷长炉龄冲天炉称之为“再生式热风长炉龄冲天炉（Recuperatiee hot blast long campaign cupola）”，其中的“再生（Recuperatiee）”即回收尾气中余热的意思。美国人所称的“外燃式预热风冲天炉（Externally fired preheated blast cupola）”，指不利用炉气的余热、用其他燃料加热空气的热风冲天炉。

1 外热风水冷炉的引进和仿制

中国从20 世纪80年代开始，关注工业发达国家的现代冲天炉，相继引进了多台套炉外热风水冷长炉龄冲天炉，开启了中国冲天炉的新时代。现对该类冲天炉的引进及国内仿制的情况按回收热风与除尘的先后顺序分两类介绍。

1.1 先回收热风后干法除尘系统及其仿制

据笔者不完全统计，1980年代初至2014年期间，我国先后引进过9 台套先燃烧尾气回收热风然后除尘的外热风水冷炉熔化系统，引进单位包括长春一汽、天津第三铸造厂、天津内燃机厂、潍坊柴油机厂、新兴铸管集团、重庆某铸锻公司等。

1983年，长春第一汽车制造厂用40 万美元从日本东棉公司引进了全部软件和少量关键零部件，建造了包含尾气除尘及微机控制系统在内的20 t/h外热风水冷冲天炉熔化系统（见图1），于1984年投入使用[1]。该炉最先用于可锻铸铁汽车后桥的生产，后改为球墨铸铁的熔炼。该炉是中国改革开放后，从国外引进的第一台套炉外热风水冷长炉龄冲天炉。

图1 20 t/h 外热风水冷冲天炉熔化系统

一汽引进技术建造的该熔化系统的特点为：首先通过尾气燃烧和热交换获得热风，然后对尾气进行冷却、利用袋式除尘器去除其中的烟尘后再排放，这是一个有技术代表性的冲天炉熔化系统。龚乃俊1994年对该炉的结构和使用情况做过详细的介绍[2]。此后，天津第三铸造厂、天津内燃机厂、小松（常州）铸造有限公司、潍坊柴油机厂、新兴铸管等工厂先后引进的外热风水冷炉均属先回收热风后干法除尘的类型。

1987年，天津第三铸造厂从日本引进了一台套5 t/h 热风水冷冲天炉[3]，热风温度可达500 ℃，铁液出炉温度1500℃以上，硅、锰烧损降低5%～10%，炉渣氧化铁含量在1%以下，粉尘排放浓度低于10mg/m3.该炉其后由天津拆移至新兴铸管公司所属河北井陉铸管厂。

1993年底，天津内燃机厂对该厂的熔化工部进行了改造，引进了日本太阳铸机公司的4 t/h 热风水冷冲天炉及脱硫装置的技术和部分设备[4]。另外，日资企业小松（常州）铸造有限公司，1995年在江苏常州建造了一台套7 t/h 热风水冷长炉龄冲天炉。

1991年9 月，潍坊柴油机厂利用奥地利斯太尔公司设备整体出售的机会，引进了一台原产德国KGT 公司的二手10 t/h～14 t/h/外热风水冷冲天炉熔化系统（见图2），经过为期三年的设备拆除、运输和重新安装，于1994年12 月通过了国家验收[5，6]。2004年《中国铸造装备与技术》介绍了该厂对这台冲天炉所进行的技术改造及使用效果[7]。

图2 潍坊柴油机厂1992年进口的10 t/h～14 t/h 外热风水冷长炉龄冲天炉熔化系统

2007年，潍坊柴油机股份有限公司为了满足发动机缸体的铸造，投资1.4 亿人民币从美国某公司引进了35 t/h 热风水冷冲天炉，与从德国某公司引口的80 t 保温电炉组成双联熔炼系统[8]。

据2001年《铸造》杂志，新兴铸管集团公司和中国农业机械化科学研究院合作，对该公司已有的14 t/h 炉外热风水冷冲天炉进行了改造，改造后的冲天炉一次炉役寿命可达30～40 天[9]。据我国著名铸造专家张伯明介绍，该炉的设计制造商为德国GHW 公司，是一台进口的二手冲天炉。

2014年，潍坊柴油机厂以7 千万人民币从德国科特纳（Küttner）公司引进了35 t/h 热风水冷冲天炉，与从美国某公司引进的80 t 保温电炉组成双联熔炼系统[10]。

2014年，长春一汽铸造有限公司铸造二厂从德国科特纳公司引进了25 t/h 炉外热风水冷冲天炉[11]。2014年，重庆某铸锻公司也从德国科特纳公司引进了一台套40 t/h 热风水冷冲天炉成套设备，但据说该炉建成后至今从未使用过。

差不多40年来，来自国外的这九台套外热风水冷炉装备了有关铸造厂，同时为国内研究和学习现代冲天炉提供了机会。自2005年后至今约15年，国内有好几个工厂、科研单位或者冲天炉供应商曾模仿国外技术，设计制造过该类冲天炉。据笔者所知，其中熔化率最小的为5 t/h，最大的为25 t/h.遗憾的是，这些项目基本上未见之于公开报道。据笔者所知，建造过国产外热风水冷炉的单位及其所建炉的熔化率为：河北燕通铸管（即后来的新大通）在1996年前后自主建造过一台套15 t/h 炉，河北定州东方铸造有限公司2007年开始建造10 t/h 炉[12]，上海申通管道公司2007年开始建造15 t/h 炉，安徽天长缸盖铸造公司2013年开始建造12 t/h 炉，济南玫德集团2015年和2016年投资1800 万元建成10 t/h 和15 t/h 炉各一台套[13]，青岛海奥斯2018年建成6 t/h 炉，山西晋城鑫环球铸造公司2018年建成25 t/h 炉，济南玫德集团2020年建成10 t/h 炉。由于对有关技术未做透彻研究且缺乏合作，国内设计建造的数台套该类冲天炉大多运行情况不佳，不是这里出问题，就是那里有毛病，甚至有几个项目建成数年至今无法正常运行。

1.2 先湿法除尘后回收热风

图3 潍柴2014年引进的35 t/h 外热风水冷冲天炉熔化系统示意图

1982年，朱振华介绍了联邦德国冶金设备公司（GHW）的水冷热风冲天炉[14]。1983年，《现代铸铁》报道了GHW 公司在上海进行冲天炉技术交流的消息[15]。1987年，《冶金设备》刊登的“介绍一种化铁炉新型加料吊车[16]”一文，透露了上海冶金设计研究院与GHW 公司合作，为上海第三钢铁厂设计70 t/h的全废钢外热风水冷冲天炉的消息。1989年，陆幼逊介绍了上海第三钢铁厂转炉炼钢厂正在安装中的70 t/h 热风水冷冲天炉的系统组成、有关结构参数[17]。图4 为该外热风水冷冲天炉熔化系统示意图，其特点为：首先对冲天炉的尾气进行湿法除尘，然后使炉气燃烧，通过室式换热器回收尾气中的热能获得热风。

图4 70 t/h 热风水冷冲天炉熔化系统

上海第三钢铁厂引进该炉的目的在于用该炉熔化废钢、供转炉炼钢。据我国著名铸造专家龚出群介绍，该炉建成后开第一炉因所用焦炭质量品质较差发生严重故障，此后一直闲置直至拆除。

1988年，长沙重型机器厂几乎与上海第三钢铁厂同时从德国KGT 公司引进过一台套先湿法除尘后回收热风的5 t/h 热风水冷炉，该炉于1989年5月试炉[18，19]。

2001年华东泰克西汽车铸造有限公司，从德国GHW 公司引进了一套（双炉体）16 t/h 炉外热风水冷冲天炉[20，21]。据说该炉也属于进口二手设备，一直使用到了2019年，现已被拆除[22]。

2008年太原钢铁公司投资12 亿人民币，从德国科特纳公司进口了一台套（三个炉体）40 t/h 炉外热风水冷冲天炉成套设备，用于回收该公司炼钢所产生的渣铁和除尘灰中的铁。

先湿法除尘再回收热风的此类外热风水冷炉，至今尚未发现国内有仿制者。

2 冷风水冷长炉龄冲天炉

我国从未引进过冷风水冷长炉龄冲天炉，但我国自2000年左右至今20 发展起来的冷风水冷炉，均源于对发达国家外热风冲天炉的学习或者模仿。

1999年《铸造》刊登了“15 t/h 大双水冷无炉衬冷风冲天炉的应用[23]”一文，介绍了江阴市铸造设备厂为文登曲轴厂设计建造的冷风水冷冲天炉，该炉采用两排水冷风口，水冷风口为双腔式（见图5）.按照可以搜寻到的历史文献论，这是我国第一台套冷风水冷冲天炉。江阴市铸造设备厂在2000年为山东华源莱动内燃机公司建造了一台套10 t/h 水冷冲天炉[24]，其技术特征相同于此前为文登曲轴厂所建的水冷炉。

图5 文登曲轴厂15 t/h 大双冷风水冷冲天炉结构示意图

据《铸造》杂志，威海科兴铸造机械有限公司2001年初，将中外合资辽宁抚顺高周波铸造有限公司的一台普通3 t/h 冲天炉，改造成为冷风、薄炉衬、插入式水冷风口长炉龄冲天炉，炉龄可达一周[25]。这是迄今为止，已知的熔化率最小的冷风水冷长炉龄冲天炉。据《铸造技术》，2003年科兴公司为抚顺高周波公司又建造了一台6 t/h 炉顶热风水冷长炉龄冲天炉，热风温度385 ℃～430 ℃，铁液温度稳定在1 500 ℃～1 550 ℃之间，铁液成分稳定、金属元素烧损低，铁焦比7.8，每日24 h 连续熔化、炉龄可达15 日[26]。科兴公司为韩资企业秦皇岛LG 铸造有限公司新建10 t/h 冷风水冷长炉龄冲天炉，并将其炉衬费用与普通冲天炉的炉衬费用做了对比，说明了水冷长炉龄冲天炉在吨铁炉衬费用方面的优越性[27]。科兴公司2006年为河北新大通管业有限公司建成过一台8 t/h 炉顶热风水冷冲天炉[28]。

图6 抚顺高周波公司3 t/h 冷风水冷炉

2005年，上海柴油机股份有限公司介绍了该公司15 t/h 冷风水冷的改造经验，包括水冷风口漏水、水冷炉壁粘附等[29]。该文记录了我国水冷炉技术发展期间的种种窘境。

据2018年7 月中铸协在烟台召开的“节能环保型冲天炉铸铁熔炼经验交流会”期间的消息，江阴市铸造设备厂有限公司在2018年初，为吉林钢铁有限公司某下属工厂建成过一台套35 t/h 冷风水冷冲天炉。

国产的冷风水冷炉在国内曾有不俗的建造业绩。据笔者所知，大连企荣离心铸管、长春一汽一铸、抚顺特钢、朝阳柴油机厂、重庆庆铃、天津新伟祥、天津宝利福、天津展亿、天津百里富、云南内燃机、江淮汽车、无锡诺龙公司、山西华翔同创、河北新大通管业、玫德集团等等铸造企业均建造过冷风水冷炉，但这些项目未见之于公开报道。

3 国产水冷炉的技术问题

客观地说，我国水冷长炉龄冲天炉的技术目前仍不够成熟，国内现有的冲天炉供应商，设计和制造该类冲天炉尚缺乏经验。存在的技术问题包括：炉体结构尺寸不够合理；除尘系统引风机的风量过大而风压过小；热风换热器质量不过关，寿命长的不到6 个月，短的不到1 个月；水冷风口的可靠性不足、频繁漏水；水冷炉壁严重粘附（俗称炉壁挂铁）。我国水冷长炉龄冲天炉的项目设计，今后需要特别注意的问题有以下两个方面。

3.1 炉膛直径和炉缸深度必须合适

水冷冲天炉不同于普通炉衬冲天炉，是一种炉膛直径不变、熔化率相对固定、不适合调节风量、更不适合频繁停风、适合于铸造生产流水线使用的熔化炉。所有的水冷冲天炉项目是否能够成功，最要紧的是确定炉膛直径、确定冲天炉的熔化率。目前许多人仍顽固地牢记着1950年代苏联人在铸造车间设计中规定的教条：熔化工部的铁液产能必须大于浇注工部所需。必须认识到，苏联人当年规定的教条适合于普通冲天炉和手工造型车间，不适合于流水线生产的现代铸造车间。笔者分析研究过国内数个失败的水冷炉项目，其失败的根本原因并非在于冲天炉设备系统，而是项目设定的冲天炉熔化率超出了生产线的铁液浇注需要，频繁停风导致水冷炉壁严重粘附（俗称挂铁），建成的水冷炉无法正常使用，项目双方最后往往以官司收场。

另外一个常被忽视的问题是，一些设计者设计水冷炉时，不加分析地套用了欧美冲天炉的炉缸尺寸，导致铁液过度增碳、碳含量超出铸件要求。应该知道，欧美冲天炉的金属炉料以废钢为主，因此需要较深的炉缸。

笔者2017年到2018年期间，曾受中铸协有关领导的委托，专程去过安徽天长缸盖厂好多次，实地考察该厂建成后一直不能正常使用的12 t/h 外热风水冷炉。该炉无法正常使用的重要原因，首先在于该厂造型生产线的铁液浇注量甚至不到10 t/h，但该炉的名义熔化率为12 t/h，由于炉膛直径设计偏大、熔化率实际为14 t/h，即熔化率偏大浇注需要量40%；同时由于炉缸深度过大（1 308 mm）、铁液增碳过多，出炉铁液需要在电炉中添加一定废钢、降低含碳量后才能浇注，炉膛直径严重偏大和电炉中所加废钢两方面的原因，导致该炉在约50%的工作时间中处于停风状态。这是该炉建成至今一直无法正常工作的根本原因。

很多水冷冲天炉项目的经验和教训均可以证明：确定水冷冲天炉的熔化率时，一定要有熔化和浇注两工部平衡生产的观念，水冷炉的熔化率一定不能大于浇注的所需量。另外，确定炉缸深度一定要分析铸造厂的炉料配比和铸件所要求的铁液含碳量。

3.2 水冷炉的三个技术环节

水冷冲天炉的关键技术包括炉体设计制造、插入式水冷风口、尾气燃烧室（器）的设计、热风换热器的设计制造、除尘系统和电气控制系统的设计等，现就其中三个相对突出的问题扼要说明如下。

3.2.1 插入式水冷风口

目前国内水冷炉的插入式水冷风口包括双腔式风口、贯流式风口和金属管缠绕式三种结构形式，均为焊接结构，铸造工艺制作的单腔式水冷风口已经很少见到。在目前的插入式水冷风口中，威海科兴公司的贯流式水冷风口，结构较为复杂，应用历史最长，可靠性最高、服役寿命最长，寿命一般不低于5 000 h.

威海科兴公司的贯流式水冷风口，有一系列完整的研制和应用报告。例如早在1999年，他们即开始了冲天炉水冷风口的研究，对其结构、冷却原理、所用材料、制造与使用等问题做过深入探讨，并首先提出了冲天炉贯流式风口的技术概念[30]。2005年，有人介绍过贯流式水冷风口及其使用保护问题[31]。2016年，李春澍、裴学东、张浩等人介绍过贯流式水冷风口的使用经验[32]。2007年，针对循环冷却水的水质和水温控制直接影响水冷风口寿命的问题，有人总结研究过水冷炉的冷却水系统，对冷却水的水质、冷却水系统的构成要素和水温控制提出了明确的技术要求[33]。图7 为常见的两种安装形式的贯流式水冷风口。

图7 冲天炉贯流式冷风口

2008年，潍坊动力有限公司从美国引进的35 t/h炉外热风冲天炉采用了螺旋缠绕式水冷风口，如图8 所示。济南玫德集团于2015年研制并试用了这种水冷风口。2018年，晋城鑫环球铸造有限公司的25 t/h 外热风水冷炉也使用了该种风口。螺旋缠绕式水冷风口结构简单，制造成本低，是一种值得关注的水冷风口。需要注意的是，该风口的冷却水需要较高的供水压力。

图8 螺旋缠绕式水冷风口

3.2.2 炉气燃烧室

外热风水冷炉的炉气燃烧器（室）结构非常简单，因此常被大家所忽视。目前已有国产外热风水冷炉的实际运行状态证明，有关厂商目前尚未掌握燃烧器的设计要点。美国《冲天炉手册》第四章“污染控制设备[34]”对炉气燃烧室的直径和高度（长度）两个主要参数有一定要求，现摘译如下供有关技术工作者参考。

燃烧室的直径：应满足气体流速较低，当气体流速在8 m/s～12 m/s 之间时，火焰传播和完全燃烧可达到最佳状态。

燃烧室的高度（或长度）：燃烧室内温度处于理想范围时，一氧化碳燃烧的保持时间至少要确保其完全燃烧，如果保持时间不足，会导致剩余一氧化碳浓度高，并可能发生不稳定燃烧；要求最小燃烧保持时间会受到混合效率、气体流速以及其他变量的影响，但通常认为一氧化碳的燃烧保持时间达到0.6 s～1.0 s 就已足够。

除了直径和高度外，美国《冲天炉手册》中对炉气燃烧室的设计还有其他要求，如果工作需要可进一步阅读该手册。笔者发现，如果燃烧室的直径偏小或者高度不足、尾气中的一氧化碳未在燃烧室内完全燃烧，则必定在热风换热器的入口处燃烧，导致换热器入口处的金属材料或者有关焊缝损毁。也就是说，燃烧室的设计直接影响热风换热器的寿命。

3.2.3 热风换热器

目前国产的外热风水冷炉的热风换热器，质量尚不过关，是外热风水冷炉的一块“短板”。我国先后从国外引进的九台套外热风水冷炉，其热风换热器大概有5 种结构形式，如果剔除其中的陶瓷粒子换热器，则有4 种。

1）艾夏式热风换热器

这是目前国产的外热风冲天炉最常采用的热风换热器（见图9），该换热器从轴线向外共三个结构层次，分别为扁管、内筒和外筒。艾夏换热器体积小、结构精巧、单位换热面积的热交换量大、钢耗量低，是一种优秀的气—气热交换器。进口冲天炉配置的这种换热器，寿命在8～10年之间。这种换热器的结构特别复杂，制作的工艺难度大。

图9 艾夏换热器

国产的外热风水冷炉的热风换热器，以艾夏式最为常见。与图9 所示的换热器相比，国内仿制的艾夏换热器大多属于该换热器的简化版，只有扁管和外筒两个结构层次。国产艾夏式换热器的设计和制作质量均不能满足要求，好的用半年，差的不到半个月。

笔者曾经做过一台高度9 m 左右的6 t/h 冲天炉的简略型艾夏换热器，当时希望制造厂在筒体处于竖直状态下将扁管焊接于筒体之上，但制造厂的厂房高度无法满足笔者的希望。国内有关加工能力的限制，也是国产的该换热器表现不佳的重要原因。

2）U 形管式热风换热器

这种换热器常见于先湿法除尘后回收热风的水冷炉系统（见图10），每根换热管的形状像英文字母U（也有的形状像V），笔者因此将该换热器称作U 形管式换热器。空气从窑室顶部进入换热器，经过U 形不锈钢金属管后热风回到窑室顶部。U 形管在结构上的弹性，使其不需设置补偿热膨胀的弹性元件，因此结构比较简单。另外从窑室的顶部拆装U型管组，非常方便。笔者曾在2018年走访过使用该换热器的镇江华西泰克西铸造公司，据该厂熔化车间主任反映，该换热器自2001年安装至当时，没有出现过任何故障。有些国产的岩棉冲天炉使用过这种换热器，但用于铸造的国产冲天炉尚未见过该换热器。

图10 U（V）形管式换热器

3）水平管束换热器

该换热器最先见之于潍坊柴油机厂从德国科特纳公司进口的35 t/h 外热风水冷炉（见图11），据说一汽第二铸造厂进口的25 t/h 冲天炉也是这种换热器。图11 所示结构将热风换热器、炉气冷却器、清灰铁丸的回收和输送系统集合为一体，美国《冲天炉手册》中将这种组合称作“换热塔”。这是一种工作原理先进、结构巧妙的换热器，国内尚未发现仿制者。

图11 水平管束换热器

4）竖管束式换热器

图12 为新兴铸管集团公司从国外引进的14 t/h外热风冲天炉所用热风换热器的结构示意图，图示的该换热器中，烟气流经管外，空气流经管内[35]。

图12 竖直管束换热器

玫德集团公司最先建造的国产外热风水冷炉，采用的艾夏式换热器因寿命太短，后改用了竖管束式换热器。和图12 不同的是，玫德的该换热器，炉气流经管内、空气流经管外。玫德集团公司目前的三台套外热风水冷炉，全部使用这种热风换热器。该换热器由青岛某换热器的专业公司设计制造，玫德公司基本满意其使用效果。

玫德公司在热风换热器方面的经历说明，冲天炉的国产热风换热器，应交由换热器方面的专业公司设计制造。我国冲天炉供货商应摒弃“吃独食”、不合作的小农意识，注意技术合作、取长补短，为我国外热风冲天炉的技术进步共同努力。

4 结语

我国自1980年代引进工业发达国家的外热风水冷长炉龄冲天炉至今已有约40年的历史，水冷长炉龄冲天炉曾经是我国绝大多数大批大量连续生产的大型铸铁厂的主要熔化设备。我国现为全世界最大的铸件生产国，水冷长炉龄冲天炉在大幅度提高我国铸铁的产量和质量中所发挥的积极作用有目共睹。

2015年10 月15 日，中国工业和信息化部为贯彻落实《中国制造2025》做强中国装备的总体要求，不断提高重大技术装备创新水平，加快推进首台（套）推广应用，根据重大技术装备的发展现状，发布了“《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录（2015年第二版）》的通告”，将“铸铁件生产用大吨位、外热风、水冷长炉龄冲天炉成套设备”，列入国家首台（套）重大装备推广应用指导目录，对炉外热风水冷炉设定的技术目标是：冲天炉熔化率≥10 t/h、一次连续开炉时间≥60 天、铁液温度≥1 500 ℃、热风温度≥400 ℃[36].

潍坊柴油机厂和玫德集团属于国内有战略眼光的两个铸造企业，他们在应用外热风水冷炉方面为全国铸造厂做出了表率，取得了良好的经济效益和社会效益。潍坊柴油机厂自1991年到2014年的二十多年里，斥巨资先后从国外引进了三台套外热风水冷炉。玫德集团在应用先进技术方面稳步推进，2012年开始首先建造冷风水冷炉，待熟练掌握冷风炉后自2015年开始先后建造了5 台套外热风水冷炉，为企业的健康发展奠定了坚实基础。

中国铸造协会于2016年5 月17 日在北京顺义新的国家展览馆，成立了“中铸协冲天炉项目组”并召开了专家组第一次会议，中国外热风水冷长炉龄冲天炉的国家级攻关项目由此启动。但是该项目至今未取得任何成效，项目组专家曾专门撰文分析过该项目毫无进展的原因，其中表示了某种无奈[37]。

技术落后、对环境造成严重污染的冲天炉自2008年至今遭受到了大范围的淘汰，但外热风水冷炉属于国家重点推广的铸铁熔化设备，显然不属于淘汰设备。据笔者所知，潍坊柴油机厂的2 台套35 t/h外热风水冷炉、玫德集团的3 台套10 t/h 和15 t/h 外热风水冷炉，均未受到淘汰风潮的影响。

我国铸铁工厂、特别是大型铸铁厂积极应用外热风水冷冲天炉，前途光明、道路曲折！