1.1 天然氣豎爐的熔化特性

天然氣豎爐與燃焦沖天爐的結構和熔化過程非常接近，但其熔化特性相對于燃焦沖天爐有以下特點：
1）天然氣豎爐內(nèi)不存在焦炭，爐內(nèi)鐵液不存在增碳的可能性，鐵液中的含碳量總是呈現(xiàn)下降趨勢。碳燒損的質量分數(shù)與爐料中碳的質量分數(shù)有關，當爐料中碳的質量分數(shù)為3%時，碳的燒損率在5%左右；當爐料中碳的質量分數(shù)為4%時，燒損率在12%～13%左右。由于鐵液中碳含量的原因，天然氣豎爐一般很難成為獨立的鑄鐵熔化設備，該爐需要與電爐組成雙聯(lián)熔化系統(tǒng)。
2）天然氣燃燒的理論燃燒溫度低于焦炭，天然氣豎爐鐵液的出爐溫度一般低于燃焦沖天爐，一般在1400℃～1450℃之間。
3） 天然氣豎爐的結構與熔化原理畢竟不同于燃焦沖天爐，其爐襯材料、爐料、加料、操作控制等，與燃焦沖天爐有明顯區(qū)別。
4）天然氣豎爐中硅、錳等元素的燒損率相當于燃焦沖天爐。表1為C、Si、Mn各元素在天然氣豎爐中的一般燒損率，供參考。
表1天然氣豎爐的元素燒損率

合金元素	C		Si	Mn
	爐料碳質量分數(shù)3%	爐料碳質量分數(shù)4%
燒損率 （質量分數(shù)/%）	5	12.5	13-18	20-25

1.2天然氣豎爐結構

1.3 爐襯與爐料

1）爐襯及其修補
天然氣豎爐水冷爐柵以上1 m 左右、爐柵以下的爐缸等處的爐襯，一般使用剛玉型耐火澆注材料或搗打料，其中包含一定量的炭化硅（SiC）和少量的TiO₂或Cr₂O₃。天然氣豎爐預熱段、煙囪段的爐襯材料，相同于燃焦沖天爐。天然氣豎爐修筑爐襯時，需要使用搗打?；驖沧⒛?，用風鎬或振動棒等工具對爐襯材料進行緊密搗振。爐膛中水冷爐柵、燒嘴等處孔洞，一般用直徑適當?shù)木郾揭蚁┕懿幕蜾摴苤谱鲹v打或澆注模。剛玉型耐火材料在加熱中有幾次相變伴隨明顯的體積膨脹，在烘烤升溫過程中必須嚴格遵守其升溫、保溫工藝曲線。天然氣豎爐連續(xù)熔化15d后，需對爐襯進行一次修補。修補主要集中在水冷爐柵附近，爐柵以上的修補量大于爐柵以下。爐襯侵蝕量大的部位一般需要模具，用搗打料、澆注料修補。搗打料修補后需要特別注意逐步提高烘烤溫度，防止溫度突升引起所修補爐襯的散裂，前期用小功率進行預熱和烘烤，持續(xù)烘烤最少為10h，然后在加料前改用大功率烘烤。修補量小的部位一般用可塑料修補，可塑料對烘烤溫度和時間沒有特別要求。水冷爐柵外表面用含Gr₂O₃ 的可塑料包敷、修砌，施工非常方便和快捷。
2）耐火球
天然氣豎爐的水冷爐柵上需要鋪墊一定厚度的耐火球（俗稱陶瓷球）。耐火球對熔渣有一定的抗化學侵蝕能力，與鐵液和熔渣之間不浸潤，同時需有足夠的高溫強度。目前的天然氣豎爐普遍使用直徑150mm 的耐火球作為爐柵墊鋪層，每個耐火球的質量約為3.8kg。耐火球在爐柵上的鋪墊厚度在400mm～600mm之間。爐柵上耐火球的裝填高度及批料中耐火球的加入量決定鐵液溫度。耐火球層的高度在500mm～600mm 時，鐵液出爐溫度在1500℃左右；高度在300mm～350mm 時，鐵液溫度在1400℃左右，以此類推。水冷爐柵上鋪墊的耐火球厚度與燃焦沖天爐的底焦高度有類似的作用，耐火球層厚度越大，鐵液溫度越高，熔化率越低。需要的鐵液溫度越高，耐火球的消耗量越大。爐柵上鋪墊的耐火球，可以使用上次熔煉結束后從爐內(nèi)取出的舊耐火球。另外，可以用焦炭替代耐火球。
3）金屬爐料與熔劑
天然氣豎爐的金屬爐料相同于燃焦沖天爐，包括生鐵、回爐料、廢鋼等三種，但一般要求廢鋼的質量分數(shù)不超過金屬爐料的20%。 天然氣豎爐對金屬爐料的純凈度及其穩(wěn)定性有一定特別要求，否則容易導致熔化故障。金屬爐料應該潔凈、無泥砂雜質，全部經(jīng)過拋丸處理。如果使用經(jīng)拋丸處理的金屬爐料，天然氣豎爐尾氣中的粉塵濃度可達10mg/m³ 左右。
熔劑的作用對天然氣豎爐的平穩(wěn)運行有至關重要的作用，忽視熔劑會導致該爐熔化的嚴重失敗。天然氣豎爐的熔劑包括石灰石、白云石、碎玻璃（玻璃瓶、建筑玻璃）等，其中碎玻璃的熔點比較低，與爐內(nèi)物質作用容易形成低熔點爐渣。石灰石、白云石的粒度在25 mm～50 mm 之間。熔劑的加入量由金屬爐料的清潔度決定，其質量分數(shù)一般為金屬爐料的2%～6%。
天然氣豎爐理想爐渣中各成分的質量分數(shù)分別為：50%～55% SiO₂、15%～20% CaO、10%～15% Al₂O₃、10% FeO，該成分爐渣的流動性。

1.4 熔化操作

天然氣豎爐為裝備有電腦控制系統(tǒng)的現(xiàn)代自動化設備，啟動時會首先自動檢測系統(tǒng)內(nèi)各點的狀態(tài)。例如，爐體環(huán)境中天然氣的濃度，天然氣、助燃空氣、冷卻水的壓力，加料系統(tǒng)和其他部分的狀態(tài)等。如果任意一個點存在安全隱患或有不正常狀態(tài)，自動控制系統(tǒng)在發(fā)出聲光警報信號的同時，一直處于閉鎖狀態(tài)，不能點火。
1）點火啟動
天然氣豎爐點火前必須首先啟動鼓風機、冷卻水泵，開啟有關閥門，同時必須確認天然氣、助燃空氣、冷卻水的流量和壓力符合要求。水冷爐柵、水冷爐壁的冷卻水流量、壓力、溫度、風量、風壓，燃氣壓力等，可以通過工控機屏幕上的有關顯示值加以確認。如果任一個參數(shù)存在問題，則燃燒系統(tǒng)不能點火，控制系統(tǒng)會自動給出故障提示。
點火時通過工控機操作界面，首先設定加熱功率為額定功率的40%，開啟鼓風機，按復位按鈕消除所有報警。將其中一個燒嘴的選擇旋鈕切換到ON位置，然后將燃燒、點火旋鈕切換到ON，燒嘴即自動點火，在觸摸屏界面上可觀察所選定的燒嘴是否點火成功。
燒嘴控制器在打開燃氣先導閥后有一小段延時，因此點火變壓器一般延時電點火。如果延時期間火焰檢測器未檢測到火焰，會導致燒嘴控制器鎖定。如果一個或四個燒嘴處于鎖定狀態(tài)，可按紅色的燒嘴復位按鈕使燒嘴控制器復位。如果燒嘴點火期間燒嘴控制器反復鎖定，表明天然氣的壓力不穩(wěn)定、燒嘴的燃氣閥門未打開；或者點火變壓器連線錯誤；或者火焰檢測器存在故障，需要根據(jù)具體原因逐一排除。
2）爐膛預熱
天然氣豎爐在加入金屬料前，必須對爐膛、水冷爐柵上的耐火球進行預熱。如果不經(jīng)預熱而直接加料熔化，鐵液及爐渣極易凝固在出鐵口導致熔化無法繼續(xù)。     在爐膛預熱前，確保燃氣爐的出鐵口、備用出鐵口處于封堵狀態(tài)。爐膛預熱溫度一般以耐火球層的溫度為準，耐火球的預熱溫度至少要高出金屬爐料熔點150℃。爐膛預熱一般需要45min～70min，預熱功率由小逐步增大。
爐膛預熱期間，在加料平臺上觀察加料口的火焰可以判斷燃燒是否正常。如果火焰高度為加料口的1/3，顏色為淡綠色，表明燒嘴燃燒良好；如果火焰長且呈黃色，表明CO含量高，天然氣濃度過高；如果加料口沒有火焰，表明沒有CO及天然氣濃度過低。
3）裝料和加料
加料前首先將燃燒功率由額定功率的40%增加到70%，然后進一步增加到85%，同時設定在空氣中加氧的體積分數(shù)，并將氧氣供應旋鈕打到自動檔，當各燒嘴穩(wěn)定燃燒后即可開始向爐內(nèi)裝料。
天然氣豎爐前2 批爐料中一般不加入廢鋼，其后的批料中可按需要加10%～20%的優(yōu)質廢鋼。天然氣豎爐裝料，加料動作必須連續(xù)、快速、平穩(wěn)，一直將爐料加到?jīng)_天爐設定的料面高度。每100 kg 金屬爐料中，一般加入1.8kg 白云石、2.0kg石灰石、1.2kg 碎玻璃、1 kg～1.2kg 耐火球。每100kg金屬爐料中耐火球的量，取決于所要求的鐵液溫度，增加批料中耐火球的量，會逐步引起爐柵上耐火材料墊層厚度增加，有利于得到高溫鐵液。
在裝料和加料過程中，需要特別注意爐內(nèi)料面的平整性，防止料面傾斜導致某種爐料在爐內(nèi)不均勻分布。耐火球很容易沿傾斜的料面滾落到爐膛某一側，導致爐柵墊上耐火球層厚度不均勻。另外，熔劑必須均勻分布在金屬爐料中，防止熔劑集中分布于爐膛某一側。
如果熔劑在爐內(nèi)分布不均，會造成爐膛某一側爐襯材料的過度侵蝕，而另一側的黏性熔渣會降低天然氣豎爐的熔化速度及鐵液溫度。如果耐火球在爐料中分布不均，會引起爐柵上耐火材料墊層厚度不均、傾斜，導致熔化故障。
4）燃燒控制
天然氣豎爐的助燃空氣、氧氣及所使用的天然氣的流量必須經(jīng)過精確的測量和控制，三種氣體的流量必須符合燃燒學的一般規(guī)律，嚴格保持在預定的比例范圍內(nèi)，以獲得的燃燒溫度。在助燃空氣內(nèi)加3%～4%的氧氣，有助于提高天然氣的燃燒溫度。燃氣流量控制中至關重要的是，燃氣不能過量供應，燃氣過量會導致液態(tài)熔渣向上、穿過爐料層從加料口噴出，導致熔化無法繼續(xù)。熔化期間的送風強度一般控制在45 m³/（min·m²）～55 m³/（min·m²）之間，否則熔渣很容易從加料口噴出。
在天然氣豎爐的觸摸屏控制界面上，可以設定燃燒功率、燃燒混合氣體中天然氣的體積分數(shù)、空氣中加氧的體積分數(shù)等，控制系統(tǒng)可按設定的燃燒參數(shù)自動給定有關氣體的流量。空氣、天然氣、氧氣的流量除了系統(tǒng)自動控制外，也可以手動調(diào)節(jié)。
5）爐膛壓力
批爐料加到爐內(nèi)后，爐膛壓力急速上升，后續(xù)加入的爐料導致爐壓增加的幅度逐漸緩慢。當爐料達到預定料面后爐壓達到值，隨著料面高度的正常波動以及爐料的密度變化，爐膛壓力在值附近緩慢波動。
爐壓可以反映天然氣豎爐的一些重要信息，在熔化期間不斷地檢查爐壓非常重要。如果爐壓急劇下降，表明爐內(nèi)料位下降；如果爐壓過高，表明燃燒功率設定值過高，可適當調(diào)低燃氣爐的燃燒功率；熔化期間如果爐壓增加，表明爐料的密度較大。如果燃燒功率下調(diào)后爐壓仍然較高，說明爐料中的熔劑加入量過多或者過少，應該及時調(diào)整熔劑的加入量。如果熔劑加入量得不到及時調(diào)整，熔渣會從加料口噴吹出來，最終導致本次熔煉的終止。
6）出鐵口監(jiān)控
批爐料加入到爐內(nèi)后大約30min，鐵液開始從出鐵口流出，爐渣在1h～1.5h 后流出爐外。爐柵上的耐火材料球直徑變小后，從爐柵縫隙下落后進入爐缸，可能進入、阻塞出鐵口（或稱過橋口）。熔化期間確認出鐵、出渣口暢通非常重要，如果出鐵、出渣口阻塞，必須盡快疏通。如果出鐵口頻繁阻塞，可以加大出鐵口尺寸。鐵水流出過橋后，熔渣流出時間的長短，取決于過橋的有關尺寸，即出鐵口的頂端與鐵水流槽底之間的高度差。此高度差應盡可能小，以減少爐缸內(nèi)積聚的熔渣量。
7）停爐操作
停爐前最后三批金屬爐料中一般不加入廢鋼，以確保停爐后水冷爐柵上的耐火球床干凈、無滯留的未熔化廢鋼。當批料加到爐內(nèi)后，隨料面逐步下降爐壓開始逐步下降，在熔煉結束時爐壓接近于零。停止加料后，只要熔渣不從加料口噴吹出來，幾個燒嘴應盡可能滿功率運行。
當出鐵口無鐵液流出時及時關閉氧氣閥，同時將燃燒功率降低到額定功率的40%一直到*停止燃氣供應。當爐缸內(nèi)殘留的鐵液排出后，阻塞出鐵口、打開備用出鐵口進一步放出殘存在爐缸內(nèi)的少量鐵液和爐渣。當爐缸中殘留的鐵液、爐渣被排放干凈后，關閉天然氣供應，繼續(xù)保持鼓風機以70%的額定流量對燃氣燒嘴進行30min 冷卻，然后關閉鼓風機。
8）緊急情況處理
熔煉過程中不管什么原因出現(xiàn)緊急狀況，首先降低燒嘴的燃燒功率到額定值的30%～40%，使得操作人員有足夠的時間來評估、處理緊急情況。天然氣豎爐可以在40%功率狀況下持續(xù)1h，直至問題得以解決。
如果緊急狀況需要*停止熔煉，必須首先停止天然氣的供應，然后停止氧氣、空氣的供應。緊急狀況處理完后，可以重新將燒嘴點燃，將燃燒功率恢復到額定值的40%，然后緩慢增加功率到預定值。