天然氣回轉爐的技術進展及其應用

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純氧天然氣回轉爐的生產應用

呂榮伏

(山東鐵戈爐業有限公司,山東  濟南  250002)

摘要:總結了山東鐵戈爐業有限公司天然氣純氧回轉化鐵爐的一些技術進展,包括減少鐵燒損、提高爐襯壽命等,并介紹了公司所研制的回轉爐在灰鐵和球鐵生產中的應用。

關鍵詞:天然氣純氧回轉化鐵爐 RF 鑄鐵熔化  鐵燒損 爐襯壽命 灰口鑄鐵 球墨鑄鐵

 

Lv  Rong-fu

Shandong Tiege Furnace Industry Co.,Ltd.,Jinan   250002,China)

 

 

純氧天然氣回轉化鐵爐RF)以優異的環保性能,受到了我國鑄造界 的高度關注[1,2,3]。自2015年以來,國內有多個單位和個人開展過該爐的技術研究和商業推廣,但該爐的鐵燒損偏高問題一直困擾著大家。山東鐵戈爐業有限公司前身為山東特福隆機械有限公司,屬于國內最早開始研究 廣該爐的單位。自 2015 年以來,公司在引進國外先進技術的基礎上, 圍繞該爐鐵燒損高的難題,在爐襯材料、熔劑、燒嘴加熱功率及加熱程序 等方面,作了長期的堅苦研究,創新了天然氣純氧回轉爐技術?,F將公司在回轉化鐵爐方面取得的一些技術進展、以及該爐在山東章丘某機床鑄造廠、山東濰坊某球鐵管件廠、重慶市墊江縣忠榮機械制造廠等三個工廠的應用情況介紹如下,供回轉爐研究或應用的單位參考。

1鐵的燒損

天然氣在氧氣中燃燒產生的水蒸汽和二氧化碳,在高溫下有很強的氧化性,很容易導致鐵元素的大量燒損。如果回轉爐的鐵燒損接近或者超過10%,該爐便失去了應用和推廣價值。制鐵元素的燒損,是該爐必須首先解決的技術難題。國外發達國家回轉爐的鐵燒損在 1.5%以下。山東鐵戈爐業公司所研制的回轉爐,鐵燒損達到了國外發達國家的水平,采取了兩方面的技術措施:

第一,大幅度提高回轉爐的加熱功率,通過縮短回轉爐的熔化時間, 有效降低回轉爐的鐵燒損。以爐容 3t 的回轉爐為例,國外回轉爐天然氣燒嘴的功率為 1400KW,單位爐容的加熱功率約為 467KW/t,每爐的熔煉時間約 100min,其中爐料預熱、熔化和過熱的時間約為 70min[4]。3t 感應熔化電爐可在 45min 左右將室溫爐料加熱熔化為 1500℃左右的鐵液,其加熱功率約為 2100KW,單位爐容的加熱功率約為 700KW/t,即國外 3t 回轉爐的加熱功率約為感應電爐的三分之二?;剞D爐加熱功率低、熔化時間長,是鐵元素氧化燒損的重要原因之一。鐵戈公司的回轉爐目前按熔化電爐單位爐容的功率配置天然氣燒嘴,加熱時間短、鐵的氧化燒損率低。但是在大幅度提高加熱功率、解決鐵的氧化燒損之后,爐襯壽命問突顯了出來。

第二,造稀渣、用稀渣保護固態爐料和液態鐵液,減少金屬氧化。國外回轉爐熔化鑄鐵一般用硅砂造渣,爐渣特別粘稠、甚至呈干硬、結塊狀,很難對爐料和液態金屬提供有效保護。鐵戈公司研制了一種適合于回轉爐熔化的低熔點造渣劑,對固態爐料有一定的“包裹效應”,對液態金屬液有很好的“覆蓋作用”,有效防止了鐵元素的氧化燒損[5]。需要注意的是,造渣劑與爐襯材料之間存在相互作用,造低熔點稀渣需要與之相適應的爐襯材料。

通過大幅度提高回轉爐的加熱功率和造稀渣,鐵戈公司解決了回轉爐鐵燒損率高的難題,鐵燒損在 1.3%左右。此經驗對從事回轉爐研究的有關單位和個人,有一定借鑒意義。

2爐襯壽命

國外天然氣純氧回轉爐一般采用石英系酸性爐襯。按照國外天然氣純氧回轉化鐵爐的技術資料,影響爐襯壽命的因素包括爐料的塊度、加料時的爐料落差、爐膛溫度等三個方面。爐料塊度大、加料時爐料落差大,爐料產生的沖擊力容易導致爐襯局部損壞、爐襯壽命大幅度降低。爐膛溫度過高,容易導致爐襯材料的熔融和化學侵蝕。鐵戈公司在研究國外回轉爐技術的基礎上,為了減少鐵元素燒損和造渣,創造性地使用了剛玉型中性爐襯。剛玉型中性爐襯材料造價高 。

回轉爐使用剛玉型中性爐襯材料,涉及配方和烘爐工藝問題,公司因此交了不少“學費”、吃了不少苦頭。在提高中性爐襯材料壽命的試驗中,公司曾求助于國內、國際好幾個著名的耐火材料公司,使用過他們提供的中性爐襯材料,并嚴格遵從其技術指導進行筑爐、烘爐和燒結,但仍未取得延長爐襯壽命的效果。公司因此曾一度計劃放棄中性爐襯,改用全世界目前通用的酸性爐襯。公司在剛玉型中性爐襯壽命所進行的試驗中發現,該爐襯損毀的主要原因為爐襯燒結層薄弱、強度低,不能抵御爐料對爐膛的沖擊和磨損。在最后一次進行的中性爐襯壽命試驗中,公司圍繞提高爐襯燒結層厚度調整了材料配比,同時大幅度提高了爐襯的燒結溫度,爐襯使用壽命已1000余爐次。 回轉爐使用中性爐襯具有技術創新意義,拓寬了回轉爐熔化金屬的范圍,比如鎳、鉻、錳系列的合金鋼也可以用回轉爐熔化。

除了爐襯材料配比和燒結溫度外,爐膛溫度對爐襯壽命也有直接影響。前文說過,公司回轉爐天然氣燒嘴的功率是國外同容量化鐵爐的 1.5 左右,大功率燒嘴有利于縮短熔化時間、提高生產率,但也容易導致爐襯過 燒,影響爐襯壽命。公司使用該爐的經驗為,熔化前期燒嘴采用大功率 加熱固態爐料、促使爐料快速成液;在爐料成液、鐵液過熱、爐溫明顯升 高時,逐步降低燒嘴的加熱功率,防止爐襯過燒。國外回轉爐在鐵液過熱 階段,天然氣燒嘴一般采用最大加熱功率。公司采用的回轉化鐵爐加熱 程序,不同于國外已有技術。

3 回轉爐應用介紹

東鐵戈爐業有限公司 2016 年 6 月,在山東章丘某樹脂砂手工造型的機床鑄造廠,用新研制的一臺3t回轉爐進行了灰鐵的首次熔煉試驗,鐵液澆注溫度1400℃,每爐熔煉時間90分鐘,鐵的燒損率低于1.5%,成功澆注出了壁厚在 20~60mm 之間、單件質量在 500~2000kg 之間、牌號為 HT250 的機床床身鑄件。2017 年因該廠場地狹窄、天然氣和氧氣供應系統不符合安全技術規范,導致該廠無法繼續使用回轉爐進行機床床身的生產。回轉爐在該廠使用的累計爐次超過80爐次。

2018年3月鐵戈公司在山東濰坊某垂直造型流水線生產球鐵管件的鑄造廠,進行了回轉爐生產球鐵的生產驗證,鐵液出爐溫度1550℃,每爐熔煉時間在80至90分鐘,鐵的氧化率0.8%-1.3%之間,澆鑄出壁厚在 2.5~5mm 之間、單件質量在 0.1~1.5kg 之間、牌號為QT450-18、QT450-19 等的球鐵管件。后因該廠的天然氣供應又不符合當地安全生產的規定,導致該廠無法繼續使用回轉爐進行球鐵管件的生產。該廠累計用回轉爐約60爐次。

2018年6月,重慶市墊江縣忠榮機械制造廠考察了濰坊某球鐵管件廠的生產,并用回轉爐的鐵液澆注了三角試片,檢測了鐵液的白口傾向,隨即訂購了一臺鐵戈公司生產的3t回轉爐。2019年初,該廠又訂購了第二臺3噸回轉爐?,F在該廠已經熟練使用回轉爐熔煉鐵水,鐵液溫度控制在1450℃左右,每爐熔煉時間在60-70分鐘之間,天然氣消耗量在70立方米/噸左右,鐵的燒損率在1%以下。截止到2019年8月,該廠應用的第一臺回轉爐的爐襯壽命已超過1000爐次。該廠訂購的鐵戈公司的3噸天然氣純氧回轉爐見圖1。

 

1 3噸天然氣純氧回轉爐

重慶市墊江縣忠榮機械制造廠地處墊江縣澄溪鎮,距離重慶市區約 100 千米,是一個生產經營鑄鐵鍋的小型鑄造企業,以擠壓鑄造工藝生產的鑄鐵鍋在當地享有盛譽。該廠電力變壓器只有 250kW 同時不具備電力增容條件,以回收的廢舊鐵鍋和廢機鐵為原料生產鑄鐵鍋,鐵鍋的壁厚在 1mm 右,很容易出現白口,其鐵液的化學成分呈現高碳、高硅特點(見表 1)。該廠用回轉爐熔化鐵液的能源費用至少低于感應電爐150 元,噸鐵液的能源費用見表 2。

1 鑄鐵鍋鐵液的化學成分

Table 1 Chemical Composition of Iron liquid on the Cast Iron Pot

化學元素

C

Si

Mn

S

P

質量分數/%

3.9~4.2

1.8~2.5

0.4~0.6

≤0.05~0.10

≤0.3~0.4

2 鑄鐵鍋鐵液的能源費用

Table 2 Energy costs of Iron liquid on the Cast Iron Pot

費用項目

噸鐵消耗量

單價

噸鐵費用/元

備注

天然氣

70m3/t

2.0 元/m3

140

未計鐵液保溫所需天然氣

氧氣

160m3/t

1.1 元/m3

176

 

電力

10KWh/t

0.8 元/KWh

8.0

 

合計

 

 

324

 

 

墊江縣忠榮機械制造廠以回收的廢舊鐵鍋和廢機鐵為原料生產鑄鐵鍋取得成功后,為了進一步降低生產成本,開始用鐵渣、鋼渣生產鐵鍋,也取得了成功。

從鐵戈公司的上述實踐經驗看,天然氣純氧回轉爐可以生產灰鐵鑄件、也可以生產球鐵鑄件,可以生產厚壁鑄件、也可以生產薄壁鑄件,該爐有很強的鑄件生產適用性。

純氧天然氣回轉爐相比于傳統的燃焦沖天爐,無疑更具有優異的環保性,相比中頻感應電爐具有節能、環保、高效、燒損低的優點,因此呼吁天然氣供應充裕、氣價較低地區的鑄造廠,優先考慮使用天然氣回轉爐。

 

參考文獻

[1]錢立,張明.我國天然氣化鐵技術的發展與建議[J].鑄造,2017,66(08):826-830.

[2]張明,錢立.純氧天然氣回轉化鐵爐及其優越性[J].現代鑄鐵,2017,37(03):19-26.

[3]殷黎麗,張明,楊彬.純氧天然氣回轉化鐵爐高功率密度燒嘴及其燃燒控制系統[J].鑄造,2018,67(12):1085-1089.

[4]殷黎麗,楊彬,李春澍.純氧燃氣回轉化鐵爐及熔煉特性[J].鑄造,2015,64(10):989-993.

[5]殷黎麗,張明,楊彬,呂榮伏.純氧天然氣回轉化鐵爐應用的幾個問題[J].鑄造,2018,67(07):588-592.

 

 

 

※作者簡介:呂榮伏(1975—),男,福建泉州人,工商管理碩士,山東鐵戈爐業有限公司董事長,電話:13954154666,Email:tgly6666@126.com.目前主要從事純氧天然氣回轉爐的研究和推廣。

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