一．前言

    20世界80年代，鑄鐵材料發(fā)展進入了頂峰期，隨后世界的鑄鐵件產量出現急劇遞減。由于受能源、勞動力價格和環(huán)境因素的影響，西方發(fā)達國家減少了在本國內的鑄件產量，轉而向發(fā)展中國家采購一般鑄件。在這種國際形勢下，中國的鑄件產量在逐年增加，已連續(xù)九年居世界第一，占世界總產量的三分之一，成為名副其實的鑄造大國。在中國年產2000萬噸的鑄鐵件中有80%是由沖天爐熔煉的，據不完全統(tǒng)計正在服役的沖天爐有2萬臺，單臺沖天爐的年產量不足1000噸，5T/h以下的小沖天爐仍占現役沖天爐的75%以上。

我國快速增長的能源消耗和過高的石油對外依存度使政府2006年年初提出：希望到2010年，單位GDP能耗比2005年降低20%，主要污染物排放減少10%，這兩個指標和在一起，就是我們所說的“節(jié)能減排”，根據這倆個指標，如果GDP增長10%，5年內就要節(jié)能6億噸標準煤，減排二氧化硫620多萬噸，化學需氧量570多萬噸，這是黨和政府對世界人民的莊嚴承諾。

當前，實現節(jié)能減排目標面臨的形式十分嚴峻，2006年以來各地區(qū)、各部門相繼作出了工作部署，節(jié)能減排工作取得積極進展。針對鑄造廠的節(jié)能減排，許多地方政府正在推行用中頻電爐取代沖天爐的工作，在有些地方對使用沖天爐的鑄造企業(yè)不管是否帶除塵裝置，都過不了環(huán)評關，5t/h以下的沖天爐正在被推倒，用中頻電爐取而代之，認為用中頻電爐熔煉鑄鐵更節(jié)能更環(huán)保的報道也經常出現在各種媒體。推行外熱風沖天爐也寫進了節(jié)能減排工作綱要。

二．用中頻電爐取代沖天爐熔煉鑄鐵是否真的節(jié)能減排

從（表1）可以看出，FAR沖天爐能耗最低，天然氣沖天爐能耗次之，排在第三位的就是我們經常提到的熱風、無爐殼冷卻、單班沖天爐，海林經久工業(yè)爐制造廠生產的組合式沖天爐排在第四位。那么中頻電爐的能耗指標又是多少呢？工作溫度在1450℃時，噸鐵水耗電650-685KWH/t鐵，熱效率60%?？吹竭@你是不是得出

了這樣一個結論——中頻電爐很節(jié)能，好于燒焦炭的沖天爐。但是下這個結論還為時過早，看一下我國的電力構成：燃煤發(fā)電占73%、水電占14.6%、核電占2.4%、風電占2.3%、其他7.7%。可見在我國燃煤發(fā)電占絕對地位。那么煤又是怎么變成電的呢？從煤變成電存在著三種形式的能量轉換過程：在鍋爐中煤的化學能轉換為熱能，在汽輪機中熱能轉換成機械能，在發(fā)電機中機械能轉換成電能。經過這三次能量轉換，存在著大量的能量損失，實際上最好的煤電機組用于發(fā)電的熱效率也不超過40%，一般情況下是350克標煤發(fā)1kw/h的電，費這么大勁發(fā)出的電，再送給中頻電爐轉換成磁能，磁能再轉變成熱能用于熔化鐵水，怎么就變得節(jié)能了呢？我們可以很方便的計算出，用中頻電爐熔化1噸鐵水的標煤消耗是234kg/t鐵，遠大于能耗最高的冷風沖天爐的標煤消耗148kg/t鐵。通過以上分析可以得出，用中頻電爐代替沖天爐熔煉鑄鐵，不可能達到節(jié)能減排的目的。個別媒體所說的中頻爐不冒煙有利于環(huán)保，那只是把煙轉移到火電廠去冒了而已。

 

三．沖天爐節(jié)能減排的途徑

1.沖天爐的熱平衡

沖天爐中鐵料預熱、熔化及過熱過程中，都要吸收一定的熱量，這部分熱量是化鐵的有效熱量，整個沖天爐熱量的收支情況（熱平衡）是研究沖天爐節(jié)能減排的有力工具。因爐型工藝和原材料的情況差別很大，故每座爐子的熱平衡情況也很不一致，以常見的

冷風沖天爐為例加以說明：

從上圖我們可以看出，焦炭燃燒放熱占95%，元素燒損放熱占5%構成了沖天爐熱量收入的總和。在

熱量支出中鐵料熔化過熱占到了33%，爐氣物理熱損失6.5%，爐氣化學熱損失31.6%,爐壁散熱及蓄熱損失14.3%，石灰石分解1.7%，爐渣吸熱3.3%，還有9.6%的其他熱損，構成了沖天爐的全部熱支出。沖天爐的節(jié)能減排，就是想辦法使各種熱損失變得更小。

2.沖天爐爐氣熱損失的由來

   從上面的熱平衡圖我們發(fā)現，沖天爐的爐氣物理熱損失占6.5%，化學熱損失占31.6%，兩者相加是38.1%，都大于了用于鐵料熔化和過熱的熱量33%。爐氣的物理熱損失是由于爐氣離開金屬爐料時，還有250-350℃的溫度而產生的，這種熱損失是容易理解的。占熱量支出的31.6%的化學熱損失又是怎樣產生的呢？讓我們從沖天爐的底焦燃燒談起。

焦炭的燃燒反應在焦炭的表面進行，因條件不同，碳和氧之間要發(fā)生四種不同的反應：

當空氣供應充足時，發(fā)生完全燃燒反應

C+O2 → CO2 +34070 KJ/kg.C

當空氣供應不充足，發(fā)生不完全燃燒反應

C+O2 →CO +10270 KJ/kg.C

當CO又遇到空氣時，則會再次燃燒繼續(xù)放出熱量

CO+1/2O2 → CO2 +23800 KJ/kg.C

除氧化放熱外，焦炭燃燒過程中還有一個還原吸熱過程

CO2 +C → 2CO— 12628 KJ/m³CO2

 

在沖天爐風眼供入的風即便是充足的，可以發(fā)生完全燃燒反應，但由于沖天爐的爐料與焦炭混裝的特性，隨著爐氣的上升還會發(fā)生CO2的還原吸熱反應，這樣在傳統(tǒng)沖天爐的爐氣中含有8—20%CO。爐氣的化學熱損失就是這一原因造成的。爐氣中的CO的比例越大，其化學熱損失也越大，但是為了減少硅、錳等合金元素的氧化燒損，保證鐵液冶金質量，爐氣中還要保留一定數量的CO。反應焦炭完全燃燒程度的一個重要參數爐氣燃燒系數ηv

    ηv=CO2/(C02+CO)×100%

式中 CO2   CO —分別為爐氣中CO2和CO的體積分數。

從以上分析可以看出如何解決好既提高焦炭燃燒系數，同時又減少金屬元素氧化燒損這一矛盾，是沖天爐節(jié)能減排的工作重點。

四．國內外一些節(jié)能沖天爐簡介

1.多排小風口沖天爐

這種沖天爐的風口一般為3—5排，主風口布置在第二排或第三排，除主風口外，尚布置1-3排輔助風口，這種輔助風口，排數多，進風面積小，風速高。而在主風口以上靠近熔化帶處設置了8—12mm直徑的小風口1—2排，這種沖天爐風口分布范圍大，擴大了爐內的高溫區(qū)，但高溫區(qū)所能達到的最高溫度并不高。1973年上海某廠采用這種爐型的沖天爐，焦鐵比達到1：16，燃燒系數μv=95%，硅錳燒損大于30%，鐵水溫度1350℃。鐵氧化也較為嚴重。隨著我國焦炭質量的好轉，這種爐型的沖天爐慢慢地淡出了人們的視野。

2.二次送風沖天爐

所謂二次送風就是在底焦上方100—200mm處，送入部分空氣，使到達這一層面的CO繼續(xù)燃燒放出熱量，提高沖天爐的熱效率。上海工業(yè)大學早在1975年，對這一工藝進行了詳細的研究，得出如下結論：⑴沖天爐二次送風是充分利用焦炭燃燒熱的一種有效措施之一。⑵在5T/H的沖天爐中，當采用裝爐底焦高度為1300mm,預熱帶二次送風的最佳位置為1230mm。⑶最佳二次送風量為15%—20%，這時能使加料口爐氣的CO含量降低3—5%。⑷在不改變總焦鐵比的條件下，提高鐵水溫度30—40℃，在保證原有鐵水溫度不變的情況下，節(jié)約焦炭10—15%，這時爐渣的FeO含量由無二次風的4.01%增加到5.5%；在實際工作中沖天爐加二次風的比例及加入位置很難準確判斷，容易形成第二個熔化帶，加重鐵液氧化。

3.天然氣沖天爐

   20世紀70年代開始研究的以天然氣為燃料的無焦沖天爐，今天由于世界焦炭供應緊張，電價上漲，又重新受到人們關注，與燒焦炭的沖天爐比較CO2排放量少，另外天然氣不含S，不會對環(huán)境和金屬造成污染。但是天然氣的理論燃燒溫度和實際燃燒溫度都不算高，為了獲得高的鐵水溫度，爐氣溫度必須足夠高，于是實行氧化氣氛的燃燒制度，Fe 、Si、Mn、C的燒損將不可避免。從英國研究單位或得的資料顯示，出鐵溫度大多處在1400—1480℃，如想進一步提高鐵水溫度到1520℃，必須在氧化環(huán)境下運行，這時爐渣中FeO含量可達10%—15%。

4.FAR 沖天爐

    FAR沖天爐意為“高效率沖天爐”1990年Rachner,H.G,在英國鑄造工作者協(xié)會介紹了這種技術的細節(jié)，第一個爐子的樣機由巴西TUPY公司開發(fā)，1994年前后，在該公司自己的工廠內試用，生產率為15t/h。如圖（2）所示，金屬爐料和焦炭的投料是分開的，金屬爐料由豎爐軸線中心加入，焦炭和石灰石則分別加到沿爐身圓周對稱設置的6個加料口中，FAR沖天爐燃燒用的空氣不進行預熱，而是采用了體積為1.5%的O2富氧送風。對6個焦炭加入口采取相應的壓力控制措施，使燃燒形成的高溫爐氣通向爐身中心后再向上流動，使金屬爐料受到良好加熱。當含有CO的爐氣尚未進入爐身上部時利用二次風對CO進行燃燒，使加料口爐氣的CO含量接近于零，這樣防止既防止CO2的還原反應的能量消耗，同時又使爐氣所攜帶的CO的化學能全部釋放。能量利用率得到明顯的改善，焦耗降低6—7%，相當于標準煤耗64kg/t鐵，二氧化碳排放量是普通沖天爐的52%。但這種沖天爐的合金元素燒損及渣中FeO含量，無公開資料說明，至今不得而知。

5.外熱風沖天爐

以上介紹的四種沖天爐都是通過減少爐氣的化學熱損失的方法來達到“節(jié)能減排”的，他們想盡各種辦法點燃爐氣中的CO,阻止CO2的還原，這些措施所帶來的必然后果是加強了爐氣的氧化性氣氛，加劇了合金元素及鐵的氧化燒損。那么，有沒有一種既能提高熱效率，又不加劇爐內的氧化性氣氛，同時又能減少合金元素及鐵的氧化的沖天爐呢？答案是肯定的，那就是外熱風沖天爐。如果要給外熱風沖天爐下個定義，我個人認為應該是：把爐氣引到金屬爐料以外，再點燃爐氣中的CO,放出的熱量用于加熱空氣形成熱風，再把熱風通過送風口送入爐內的沖天爐。這種沖天爐的特點為：熱風工作溫度在450℃左右，爐氣所能達到的最高溫度明顯提高，導致CO2+C=2CO的反應加強，這種沖天爐爐氣中CO占12%-17%、CO2占6%—9%，可以做到增碳、增硅，錳的燒損少于15%，爐渣中FeO含量小于1.5%，鐵液中的S含量降低到冷風沖天爐的1/2。這些特點對獲得優(yōu)質鑄件極為有利。不足之處是：熱風設備結構復雜，造價高，有時爐氣的點燃需油或天然氣助燃，這種沖天爐的熱效率還不是很高，熱風（450℃）所帶回的熱量只占煙氣化學熱損失的三分之一，還有三分之二沒被利用。

四．組合式沖天爐“節(jié)能減排“的措施

組合式沖天爐是海林市經久工業(yè)爐制造廠獨家生產的專利產品，它走的是另一條節(jié)能路線：采用風冷薄爐襯結構，3T/H組合式沖天爐砌爐只用耐火磚350塊，而普通的冷風沖天爐砌爐需要3000塊耐火磚，使爐壁的蓄熱損失大大減少。爐子的多節(jié)都為雙層風冷結構，在冷卻爐壁的同時，又產生250—300℃的熱風，在正常開爐時，爐壁外的油漆不會脫落，可見爐壁的散熱損失之小。采用本廠配方搗制的爐墻，脫落速度大大降低，石灰石加入量和爐渣產生量只是傳統(tǒng)冷風爐的1/3,這樣爐渣吸熱及石灰石分解熱損得到減少。獨特的曲線爐膛加強了爐氣和金屬爐料的換熱，使爐氣的物理熱損耗降低。由于采取了以上節(jié)能措施，熱效率達到46%，也就不奇怪了?，F場測試結果：使用固定碳85%的焦炭，層焦鐵比1：10的情況下，鐵水溫度1470℃，Si燒損10%，Mn燒損20%，渣中FeO含量4.5%。1—3T/H的組合式沖天爐都能達到上述指標。

五．結語

通過以上分析我們可以得出如下結論：

1.       用中頻電爐取代沖天爐熔煉鑄鐵達不到節(jié)能減排的目的，反而增加了能源消耗。

2.       提高沖天爐的燃燒系數節(jié)能效果明顯，但鐵及合金元素的燒損加劇。

3.       采用外熱風沖天爐熔煉鑄鐵是一個既節(jié)能又減少合金元素燒損的好方案。

4.       組合式沖天爐走了另一條節(jié)能路線，是一種較為節(jié)能的沖天爐，適用于5T/H以下的單班生產，應加以推廣。

以上是我多年積累的一個匯編，一些不足之處在所難免，但我還是認為，沖天爐的“節(jié)能減排”不能只作表面文章，研制出真正意義上的“高效、節(jié)能、優(yōu)質、環(huán)保”的沖天爐是我們所有鑄造工作者所不可推卸的共同責任。

作者簡介：趙文鶴 ，男， 1967年生，鑄造工程師，擁有多項國家專利，其中發(fā)明專利3項，實用新型專利4項

明細如下表：

本人具有極強的創(chuàng)新能力，愿結交各界有識之士，共謀發(fā)展大業(yè)。

電話：0453-8868898    郵箱：770785490@qq.com