劉新江，蘇見(jiàn)波

（機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院，河南鄭州 450007）

國(guó)內(nèi)沖天爐及除塵技術(shù)的發(fā)展

劉新江，蘇見(jiàn)波

（機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院，河南鄭州 450007）

介紹了沖天爐爐型及熔煉技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)況及趨勢(shì)，除塵系統(tǒng)的應(yīng)用、現(xiàn)況及發(fā)展。指出了沖天爐向大容量、長(zhǎng)爐齡、自動(dòng)化發(fā)展的必然趨勢(shì)和除塵環(huán)保需要解決的問(wèn)題。

鑄鐵熔煉；沖天爐；除塵技術(shù)

鑄造行業(yè)作為裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)行業(yè)之一，改革開(kāi)放以來(lái)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，從2000年開(kāi)始，我國(guó)鑄件產(chǎn)量就一直位居世界首位。沖天爐作為鑄鐵熔煉的首要設(shè)備延續(xù)到今天，在全國(guó)范圍內(nèi)仍然擔(dān)負(fù)著60%左右鑄鐵件的熔煉任務(wù)（主要原因是2008年之前所上項(xiàng)目沖天爐比重較大）。因此，沖天爐熔煉技術(shù)直接關(guān)系著鑄件的內(nèi)在質(zhì)量和表面質(zhì)量；沖天爐除塵系統(tǒng)的排放濃度以及可靠程度又直接關(guān)系到鑄造企業(yè)能否生存的頭等大事。沖天爐按燃料可分為焦炭爐、煤粉爐、燃油（氣）爐，國(guó)內(nèi)由于受各種條件限制，其絕大多數(shù)為焦炭沖天爐。本文試圖就國(guó)內(nèi)焦炭沖天爐及除塵技術(shù)的發(fā)展歷史和使用現(xiàn)況，探討未來(lái)其技術(shù)發(fā)展方向。

1 沖天爐熔煉技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)況

1.1 爐型的研究

對(duì)沖天爐爐形的研究國(guó)內(nèi)始于上世紀(jì)60～70年代。早在50年代，國(guó)內(nèi)使用的沖天爐一般均采用原蘇聯(lián)的技術(shù)，大多數(shù)為三排風(fēng)口直線(xiàn)爐膛沖天爐。隨著技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外提出了沖天爐焦炭燃燒由于爐子斷面阻力和壓力的不同，大量氣體將沿著爐壁急速上排，以至造成熔化帶四周上升，中間下降，呈現(xiàn)凹形斷面，直接影響鐵液溫度和質(zhì)量。這一理論被稱(chēng)為“爐壁效應(yīng)”理論，大量試驗(yàn)證實(shí)其理論是正確的。爐壁效應(yīng)對(duì)沖天爐燃燒氣氛、出鐵溫度影響很大，特別對(duì)于使用劣質(zhì)焦炭的沖天爐，經(jīng)常造成爐壁燒穿，中間冷料直接進(jìn)入爐缸的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)出爐鐵液不能澆注等嚴(yán)重事故。在此情況下，中小型沖天爐采用曲線(xiàn)爐膛的技術(shù)得到了普及。

20世紀(jì)60～70年代，國(guó)內(nèi)工業(yè)雖然受到了“文革”的沖擊，但也已開(kāi)始出現(xiàn)了發(fā)展跡象，而所有機(jī)械工業(yè)的發(fā)展基本都離不開(kāi)鑄造，與國(guó)民生活息息相關(guān)的汽車(chē)、拖拉機(jī)、機(jī)床、石油機(jī)械等最基礎(chǔ)、最重要的零部件均是鑄鐵件。恰在當(dāng)時(shí)，鑄造所需原材料，特別是焦炭嚴(yán)重供應(yīng)不足，為此許多鑄造廠為了滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，只能用當(dāng)?shù)赝两够F維持沖天爐的正常生產(chǎn)，鐵液溫度無(wú)法保證，甚至出現(xiàn)凍爐現(xiàn)象。為了解決鐵液溫度問(wèn)題，當(dāng)時(shí)許多高校、研究所以及工廠進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和研究，推出了多排小風(fēng)口曲線(xiàn)爐膛沖天爐，風(fēng)口比大約在1%～2%左右。雖然此爐型存在著明顯不足，但對(duì)于冷熱強(qiáng)度均較低、固定碳含量＜75%的焦炭來(lái)說(shuō)也是一種不得已而為之的方法。需要說(shuō)明的是，此技術(shù)為了追求鐵液溫度和所謂的焦鐵比指標(biāo)，以不惜加大送風(fēng)量造成沖天爐嚴(yán)重的氧化氣氛而導(dǎo)致大量的元素?zé)龘p。

進(jìn)入20世紀(jì)80年代初期，國(guó)內(nèi)改革開(kāi)放政策帶來(lái)工業(yè)大發(fā)展的機(jī)遇。此時(shí)，為了克服當(dāng)時(shí)沖天爐出現(xiàn)的熔煉問(wèn)題，沈陽(yáng)鑄造所聯(lián)合東南大學(xué)和機(jī)械部六院三家單位開(kāi)展了沖天爐爐型的重新研究。針對(duì)國(guó)內(nèi)供應(yīng)的焦炭其固定碳已＞80%的情況，在原來(lái)多排和三排風(fēng)口沖天爐的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，取得了大量數(shù)據(jù)，提出了“沖天爐內(nèi)雙層燃燒，不但可提高鐵液溫度，也可降低元素?zé)龘p”的理論，并先后推出了兩排大間距風(fēng)口曲線(xiàn)爐膛3～10t/h沖天爐系列。此項(xiàng)技術(shù)在當(dāng)時(shí)獲得了機(jī)械部科技二等獎(jiǎng)，并在國(guó)內(nèi)外的鑄造界引起較大的轟動(dòng)。至90年代末期，我國(guó)沖天爐設(shè)備已成功實(shí)現(xiàn)了規(guī)格化、系列化、商品化的專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)，并開(kāi)始應(yīng)用預(yù)熱送風(fēng)、富氧送風(fēng)與脫濕送風(fēng)技術(shù)。與此同時(shí)，沖天爐加料系統(tǒng)機(jī)械化、監(jiān)控檢測(cè)技術(shù)自動(dòng)化水平有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

進(jìn)入21世紀(jì)，焦炭?jī)r(jià)格不斷升高，沖天爐熔煉鐵液的成本也越來(lái)越高。而國(guó)家對(duì)環(huán)保的要求越來(lái)越嚴(yán)格，沖天爐面臨的主要問(wèn)題就是環(huán)保問(wèn)題，即噪聲和含有有害氣體及大量粉塵的高溫?zé)煔獾闹卫?，特別是粉塵，排放量大、危害大、治理困難，在很多地方因粉塵、廢氣排放難以達(dá)標(biāo)而受到限制。隨著我國(guó)電力工業(yè)的大發(fā)展，中頻感應(yīng)電爐得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)沖天爐的應(yīng)用造成了很大沖擊，但對(duì)某些特殊的行業(yè)，沖天爐作為鑄鐵熔煉設(shè)備依然為首選，特別是水冷薄爐襯連續(xù)熔煉沖天爐在國(guó)內(nèi)有了一定的發(fā)展。

1.2 目前國(guó)內(nèi)沖天爐爐型現(xiàn)況

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)鑄鐵熔煉技術(shù)水平也在不斷提高，我國(guó)已擁有先進(jìn)工業(yè)國(guó)家鑄鐵熔煉爐的各種主要類(lèi)型，某些經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)已跨入世界先進(jìn)行列。目前，我國(guó)大多數(shù)工廠應(yīng)用的沖天爐類(lèi)型主要是兩排大間距沖天爐（或“新三化”系列）、熱風(fēng)沖天爐和熱風(fēng)水冷無(wú)爐襯沖天爐。尚有一些工廠還在應(yīng)用的多排小風(fēng)口沖天爐、卡腰式三節(jié)爐和中央送風(fēng)沖天爐，隨著我國(guó)焦炭質(zhì)量的提高及節(jié)能減排和行業(yè)準(zhǔn)入的要求，后三種爐型的應(yīng)用正逐步減少或被替代。

1.3 沖天爐爐型的發(fā)展前景及展望

近年來(lái)，由于鑄造生產(chǎn)向?qū)I(yè)化、大流水化生產(chǎn)發(fā)展，機(jī)械化自動(dòng)化程度不斷提高，使沖天爐向“大型化、熱風(fēng)水冷無(wú)爐襯、連續(xù)出鐵液”的方向發(fā)展。與節(jié)約能源、減少環(huán)境污染和提高鐵液質(zhì)量緊密聯(lián)系在一起，形成爐體、熱風(fēng)、除塵為一體的綜合熔煉系統(tǒng)，體現(xiàn)了現(xiàn)代沖天爐的模式。

隨著國(guó)內(nèi)大規(guī)模專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)的推進(jìn)，山東濰柴集團(tuán)新引進(jìn)美國(guó)EC&S公司的35t/h熱風(fēng)沖天爐于2007年6月18日開(kāi)始正式投產(chǎn)，熔化能力實(shí)際達(dá)到38t～45t，日化鐵量達(dá)到300t以上。有理由相信，將來(lái)國(guó)內(nèi)所使用的沖天爐一定是大型的、可長(zhǎng)期連續(xù)生產(chǎn)的水冷薄爐襯沖天爐。而水冷沖天爐由于其風(fēng)口較多的深入爐內(nèi)，因此也不存在爐壁效應(yīng)、曲線(xiàn)爐膛、風(fēng)口排數(shù)等問(wèn)題，水冷單排風(fēng)口、直線(xiàn)爐膛也將是長(zhǎng)期連續(xù)生產(chǎn)的水冷沖天爐主要爐型特點(diǎn)。

2 沖天爐除塵技術(shù)的發(fā)展

2.1 沖天爐除塵問(wèn)題的提出

國(guó)內(nèi)沖天爐除塵系統(tǒng)的發(fā)展始于20世紀(jì)70年代中期，起因是城市環(huán)境保護(hù)日益得到更多的關(guān)注，而鑄造廠（車(chē)間）是機(jī)械類(lèi)工廠中對(duì)環(huán)境影響最大的生產(chǎn)點(diǎn)，沖天爐又是鑄造車(chē)間環(huán)境污染的最為嚴(yán)重的設(shè)備。因此，國(guó)內(nèi)機(jī)械工業(yè)的環(huán)境治理把沖天爐除塵作為了工作重點(diǎn)。

20世紀(jì)70年代以前，國(guó)內(nèi)沖天爐只是在煙囪上安裝火花捕集器以收集生產(chǎn)產(chǎn)生的煙塵，達(dá)到凈化煙氣的作用?；鸹ú都鲀H僅能沉降較大顆粒的粉塵，而對(duì)人體危害最大的小顆粒粉塵幾乎不起任何作用。因此，從開(kāi)始重視環(huán)境保護(hù)，火花捕集器就沒(méi)有被列為沖天爐除塵系統(tǒng)的專(zhuān)用設(shè)備。70年代，國(guó)內(nèi)開(kāi)始著手對(duì)沖天爐進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)制通風(fēng)除塵技術(shù)的研究和應(yīng)用，到了80年代初，幾種沖天爐除塵技術(shù)首先在上海地區(qū)進(jìn)行了大力推廣和應(yīng)用。

2.2 沖天爐機(jī)械通風(fēng)除塵系統(tǒng)方式及特點(diǎn)

通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，沖天爐機(jī)械通風(fēng)除塵系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)大致有以下5種形式：①顆粒層除塵器；②高效旋風(fēng)除塵器；③高壓靜電除塵器；④濕法除塵器；⑤多管水冷除塵器加布袋除塵器。從表1可明顯看出幾種除塵技術(shù)各自的特點(diǎn)和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

表1 沖天爐各類(lèi)除塵系統(tǒng)特點(diǎn)

2.3 國(guó)內(nèi)沖天爐除塵技術(shù)使用現(xiàn)狀

在20世紀(jì)90年代后期，筆者曾經(jīng)對(duì)國(guó)內(nèi)幾個(gè)大城市中的沖天爐除塵系統(tǒng)使用情況做了調(diào)查研究，最近幾年也在注意國(guó)內(nèi)沖天爐除塵設(shè)備的應(yīng)用。但總體看來(lái)，形勢(shì)不容樂(lè)觀。國(guó)內(nèi)雖然在環(huán)保方面制定了嚴(yán)厲的法規(guī)，但沖天爐機(jī)械除塵設(shè)備的安裝率不足80%，而安裝的除塵設(shè)備也并未全部投入使用，有人估計(jì)使用率不足70%。這一方面是受利益的驅(qū)使，另一方面是除塵設(shè)備的配套問(wèn)題和設(shè)備本身存在的問(wèn)題，也使得用戶(hù)有力投資，無(wú)力管理。

隨著綜合國(guó)力的增強(qiáng)，各級(jí)政府已加大了環(huán)境治理的力度。還我藍(lán)天白云，已成了廣大市民的強(qiáng)烈要求和渴望。進(jìn)入21世紀(jì)后，北京、上海、沈陽(yáng)、武漢等大中城市市區(qū)的鑄造廠已陸續(xù)關(guān)閉搬遷。這方面的情況應(yīng)引起鑄造工廠（車(chē)間）密切注意，否則，將會(huì)給生產(chǎn)安排帶來(lái)不必要的麻煩，并且可能給企業(yè)帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)損失。

2.4 沖天爐除塵排放標(biāo)準(zhǔn)

1996年，我國(guó)發(fā)布了最新的沖天爐煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)，詳見(jiàn)GB9078－1996《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定。值得注意的是，標(biāo)準(zhǔn)要求1997年7月1日以前的沖天爐煙塵排放濃度，一類(lèi)地區(qū)＜150mg/m3，二類(lèi)地區(qū)＜200mg/m3，三類(lèi)地區(qū)＜300mg/m3；而1997年7月1日以后安裝的沖天爐，一類(lèi)地區(qū)禁排，二類(lèi)地區(qū)＜150mg/m3，三類(lèi)地區(qū)＜200mg/m3。從上面的數(shù)據(jù)可以看出，除特殊工業(yè)區(qū)（三類(lèi)地區(qū)，例如鋼鐵公司所在地）外，其余最大的排放濃度要求均小于150mg/m3，這與以前套用的鍋爐標(biāo)準(zhǔn)相比要嚴(yán)厲得多。最近幾年國(guó)家有關(guān)部門(mén)對(duì)環(huán)境保護(hù)和治理提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，要求新建沖天爐的粉塵排放濃度低于50mg/m3，改建沖天爐的粉塵排放濃度低于100mg/m3，爐氣黑度小于林格曼黑度1級(jí)。目前，年產(chǎn)低于2000t鑄件的小型鑄造廠如果不能解決沖天爐的粉塵污染問(wèn)題，將面臨被環(huán)保部門(mén)強(qiáng)行關(guān)閉的危險(xiǎn)。

2.5 沖天爐除塵設(shè)備選擇注意事項(xiàng)

要滿(mǎn)足GB9078－1996《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求，在沒(méi)有新技術(shù)出現(xiàn)之前，采用多管水冷除塵器或強(qiáng)制風(fēng)冷器加布袋除塵器系統(tǒng)是比較可靠的沖天爐除塵系統(tǒng)形式。但這一除塵系統(tǒng)所需設(shè)備目前尚未有標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品供應(yīng)，因此在沖天爐除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選擇時(shí)應(yīng)重點(diǎn)從以下方面考慮。

（1）除塵器布袋的品質(zhì)

濾料的品質(zhì)選擇決定了除塵器的運(yùn)行阻力和運(yùn)行費(fèi)用、投資費(fèi)用，直接影響煙塵的排放濃度。

濾料的選用應(yīng)按生產(chǎn)工藝的要求、含塵氣體及粉塵的理化特性、所配除塵器的清灰型式來(lái)分析選用。主要考慮因素為達(dá)到用戶(hù)要求的排放濃度、使用壽命、技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理。

（2）減少煙氣外溢

收煙口位置及抽風(fēng)量要使火花捕集器內(nèi)形成負(fù)壓，確保在沖天爐加料口和火花捕集器頂部既不會(huì)冒煙，又節(jié)約風(fēng)機(jī)的動(dòng)力消耗；改進(jìn)除塵器，提升剛性氣閥為柔性氣閥，增加其氣密性，減少清灰用的壓縮空氣的耗量。

（3）高溫?zé)煔獾睦鋮s

煙氣溫度控制直接影響密閉罩及除塵系統(tǒng)的吸煙效果、爐內(nèi)微負(fù)壓的形成和布袋的壽命。

保證冷卻器出口煙氣溫度低于120℃。

（4）余熱利用技術(shù)

充分利用冷卻器熱能，通過(guò)水－水換熱器供給有用的生活用水，既節(jié)約加熱用的燃料，又減少了大氣污染物的排放和熱污染。

（5）沖天爐除塵系統(tǒng)工藝流程（圖1）

3 結(jié)論

近年來(lái)，我國(guó)的沖天爐技術(shù)緊跟機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，以節(jié)能降耗、優(yōu)質(zhì)高效、安全環(huán)保為目標(biāo)取得了很大的進(jìn)步，沖天爐也已走上大容量、長(zhǎng)爐齡、外熱風(fēng)的發(fā)展之路。目前小容量、短爐齡、常溫送風(fēng)的兩排大間距沖天爐正處于向外熱風(fēng)、長(zhǎng)爐齡、大容量的水冷薄爐襯的沖天爐轉(zhuǎn)型。而沖天爐除塵系統(tǒng)設(shè)備目前尚未有標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備供應(yīng)，加上設(shè)備可靠性差，因此出現(xiàn)了一些工廠既是上了沖天爐除塵系統(tǒng)也難以使用，造成大量的資金浪費(fèi)和繼續(xù)污染的情況。

筆者建議：①?zèng)_天爐生產(chǎn)廠應(yīng)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)允許的排放指標(biāo)，按沖天爐熔化率要求配套供應(yīng)成套的除塵設(shè)備。未配套除塵系統(tǒng)的沖天爐或除塵系統(tǒng)配套不合要求的沖天爐不能出廠；②對(duì)未安裝除塵系統(tǒng)或已安裝除塵系統(tǒng)但沒(méi)有正常使用的沖天爐必須強(qiáng)行關(guān)閉；③隨著沖天爐大容量化的發(fā)展，其煙氣量也越大，對(duì)環(huán)境的影響也越大，從保護(hù)環(huán)境和資源循環(huán)利用的目的出發(fā)，應(yīng)加大力度研究大容量沖天爐的煙氣凈化、粉塵、CO2及爐渣的無(wú)害化操作和回收利用。

[1]GB9078－1996《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[S].

[2]GB8959－2007.鑄造防塵技術(shù)規(guī)程[S].

[3]劉筑雄，張家平，宋高舉.鑄造防塵技術(shù)規(guī)程指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008,9.

[4]郭雙鎖.我國(guó)沖天爐熔化的現(xiàn)狀與改進(jìn)方向[C].首屆全國(guó)現(xiàn)代鑄造裝備與技術(shù)交流大會(huì)論文集，2010.8:123－125.

[5]宋強(qiáng),宋曉剛,景剛.沖天爐的節(jié)能與環(huán)保[J].鑄造設(shè)備研究，2004，（6）：1－5.

[6]張儉來(lái),張明.小型鑄造廠的沖天爐熔煉問(wèn)題[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù),2007,(2):6－7.

Development of Domestic Cupola and Dust Removal Technology

LIU XinJiang,SU JianBo
(No.6 Institute of Project&Research of Machinery Industry,Zhengzhou 450007,Henan China)

The cupola furnace and smelting technology development,current status and trend,the application of dust removal system,current status and development have been introduced.It has been pointed out that the cupola development trend would be large capacity,long service life and automatation,with some problems of the dust removal technology needed to be resolved.

Iron smelting;Cupola;Dust Removal Technology

TG232.1;

A；

1006－9658（2012）03－0048-4

2011－12－12

稿件編號(hào)：2011－169

劉新江（1954-），男，研究員級(jí)高工，主要從事鑄造工廠（車(chē)間）的工程咨詢(xún)、工程設(shè)計(jì)工作