熔化带层焦厚度的确定与底焦高度的估算方法

1.冲天炉熔炼过程

冲天炉是熔炼铸铁的主要设备，其工作特点是连续熔化，铁料与燃烧的焦炭直接接触，因而热效率高，一般可达40%～50%。

冲天炉多以焦炭为燃料，目前使用的炉型主要有大间距双层送风冲天炉、卡腰冲天炉、多排风口曲线炉膛冲天炉和中央送风冲天炉等，在缺焦炭地区也有使用燃油、燃煤粉或燃天然气的冲天炉。

图12-123所示为一般冲天炉结构示意图，由炉身、烟囱、前炉三部分组成。第一排风口以上至加料口下沿为炉子的有效高度，在有效高度范围内，下部装入底焦，底焦以上至加料口下沿为铁料与层焦组成的料柱，即炉料的预热段。预热段与底焦交界处为熔化带位置，铁料在此处熔化。熔化带有一下落范围，确定层焦厚度时往往依此定为160～180mm。

第一排风口中心以下至炉底的距离为炉缸深度。无前炉时，炉缸用于储存铁液；有前炉时，炉缸深度可缩小至使一排风口空气流不冲刷炉底铁液液面为限。

有效高度与炉缸组成炉身，加料口以上为烟囱。冲天炉设有独立的除尘系统时，烟囱可与除尘系统相连；无独立的除尘系统时，烟囱应穿出厂房最高天窗3m以上并在其顶部设灭火除尘器。

图12-123 一般冲天炉结构示意图

燃烧用空气由专用风机鼓入风箱，再经各排风口进入炉内与底焦燃烧。燃烧生成的炉气向上流动，与下降的铁料进行逆流式热交换。经预热段后的铁料在底焦顶面熔为液滴，流经底焦时被过热到较高温度，然后通过炉缸、过桥流入前炉储存。消耗的底焦由料柱中的层焦随铁料的熔化补充到底焦内。

2.设计计算

（1）炉膛直径D_n（m）

式中 G——炉子熔化率（t/h）；

g——炉子熔化强度[t/（m²·h）]，g=9～11t/（m²·h）；

φ——熔化率富裕系数，φ=1.1～1.2。

（2）有效高度H₁（m）增加炉子的有效高度，可提高铁料的预热效果，但有效高度过高，则进风阻力增加，且易出现搁料现象。一般取H₁=（5～8）D_n，大炉子取较小值，小炉子取较大值。

（3）炉缸深度H₂（m）

有前炉时 H₂=0.2～0.3m

无前炉时

式中 A——炉膛截面面积（m²），A=0.785D²n；

G_t——炉缸储存铁液量（t）；

G_zh——相应的储渣量（t），G_zh=0.1G_t；

ρ_t、ρ_zh——铁液及熔渣密度（t/m³），取ρ_t=7t/m³，ρ_zh=2t/m³。

（4）前炉有效炉膛深度h₁（m）

或

式中 D_q——前炉炉膛直径（m）；

K₁——前炉容量系数，K₁=0.8～1.2；

b——最高铁液面至出渣口中心距离（m），b=0.05～0.1m；其他符号含义同前。

（5）出渣口中心至过桥下沿深度h₂（m）

（6）风口比ε风口总面积与按平均炉径计算的炉膛截面面积之比称为风口比，按式（12-51）计算。

式中 L_n——送风强度（标态）[m³/（m²·min）]，L_n=100～130m³/（m²·min）；

v——风口风速（标态）（m/s）。

风口风速提高，气流穿透深度将增大，冷风冲天炉的风口风速按30～50m/s选取。由此，最小风口比应参照表12-40选取。

表12-40 最小风口比推荐数据

风口比减小，进风阻力增大，风口比越小，元素烧损则越大；风口比适当缩小，有利于提高铁液温度或节约焦炭。

（7）风口诸参数　增加风口排数能扩大底焦下部氧化区，缩小底焦上部还原区，减少还原区热损失。排数过多，过分加速底焦烧损，底焦高度不稳定，送风分散，高温区不集中，难以获得稳定的高温铁液。

水平风口，空气流冲击焦炭块，折向炉壁的机会较多，风口冷却区扩大；风口上斜，冷空气与铁滴相迎，加剧铁液氧化；风口下斜10°～15°，风口冷却区可基本消失。(www.xing528.com)

风口排数及排距随不同炉型而异，一般冲天炉的风口斜度及每排风口数参照表12-41选用。

表12-41 风口斜度及每排风口数

风口排距相当于每排风口送入的氧在底焦中的消耗高度，约等于3～5倍焦炭块度的高度。

（8）风箱内风压p

式中 p——风箱内风压（Pa）；

ξ₁——系数，对于特大炉料，ξ₁=40；大炉料，ξ₁=45；中等炉料，ξ₁=50；小炉料，ξ₁=55；

H₁——炉子有效高度（m）；

ξ₂——阻力系数：

风口比（%） ω= 3 4 5 6 7 8 9

阻力系数 ξ₂= 146 87 65 52 43 36 32；

t——空气温度（℃）；

ρ——气体密度（标态）（kg/m³）；

v——炉膛内气体假定流速（标态）（m/s），；

g——重力加速度（m/s²）。

选用风机压力时，应比上式计算值加大30%～50%。

（9）实际送风量　冲天炉的熔炼过程决定了其炉气成分必然带有一定的还原性质，即炉气成分中大致含有12%～20%的CO可燃气体，因此实际送入炉内的助燃空气量要少于理论燃烧所需要的空气量。

式中 V_k——实际送风量（标态）（m³/min）；

G——炉子熔化率（kg/h）；

4.45——碳燃烧为CO所需空气量（标态）（m³/kg）；

K——总焦铁比（1∶8时，K=1/8）；

η——燃烧比，η=CO₂/（CO₂+CO）；

C——焦炭中固定碳含量（碳质量分数80%时，C=0.8）。

（10）出铁口及出渣口尺寸　铁液过桥截面尺寸：取高116mm，宽68mm，小炉子酌情减小。

出铁口直径d_t为

式中 d_t——出铁口直径（cm）；

——要求的出铁延续时间（s）。

d_t采用下列数据（mm）：

熔化率/（t/h） <5 5 10 ≥15

间断出铁时d_t 25 30 35 40

连续出铁时d_t 20 25 30 35

出渣口直径d_zh=30～50mm，大炉子取较大数值。

（11）底焦高度H₃（mm） 底焦高度是指第一排风口中心至底焦顶面的垂直距离，进行炉子设计时需要估算底焦高度以便合理地布置风口排数，特别是二次送风的位置。合理的底焦高度是保证铁液过热和减少氧化的必要条件，底焦高度过高，会增加还原反应引起的焦耗。初始底焦高度大，可以提高开炉初期的铁液温度，但增大了焦耗。合适的底焦高度以开风后7～9min内见铁滴为宜，实际的底焦高度要在操作中调整确定。

底焦估算高度按式（12-55）计算。

H₃=12p+125 （12-55）

式中 p——风箱内风压（Pa）。