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(jié)構(gòu)和熔化過(guò)程非常接近，但其熔化特性相對(duì)于燃焦沖天爐有以下特點(diǎn)：
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(shì)。碳燒損的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與爐料中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，當(dāng)爐料中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，碳的燒損率在5%左右；當(dāng)爐料中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，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(dú)立的鑄鐵熔化設(shè)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(jié)構(gòu)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(dāng)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?zé)龘p率

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

1.2天然氣豎爐結(jié)構(gòu)

1.3 爐襯與爐料

1）爐襯及其修補(bǔ)
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(yù)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(shí)，需要使用搗打?；驖沧⒛＃蔑L(fēng)鎬或振動(dòng)棒等工具對(duì)爐襯材料進(jìn)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(dāng)?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(guò)程中必須嚴(yán)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(duì)爐襯進(jìn)行一次修補(bǔ)。修補(bǔ)主要集中在水冷爐柵附近，爐柵以上的修補(bǔ)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(bǔ)。搗打料修補(bǔ)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(bǔ)爐襯的散裂，前期用小功率進(jìn)行預(yù)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(bǔ)量小的部位一般用可塑料修補(bǔ)，可塑料對(duì)烘烤溫度和時(shí)間沒(méi)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(chēng)陶瓷球）。耐火球?qū)θ墼幸欢ǖ目够瘜W(xué)侵蝕能力，與鐵液和熔渣之間不浸潤(rùn)，同時(shí)需有足夠的高溫強(qiáng)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(gè)耐火球的質(zhì)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?qū)拥母叨仍?00mm～600mm 時(shí)，鐵液出爐溫度在1500℃左右；高度在300mm～350mm 時(shí)，鐵液溫度在1400℃左右，以此類(lèi)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(lèi)似的作用，耐火球?qū)雍穸仍酱?，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(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)金屬爐料的20%。 天然氣豎爐對(duì)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(dǎo)致熔化故障。金屬爐料應(yīng)該潔凈、無(wú)泥砂雜質(zhì)，全部經(jīng)過(guò)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(dá)10mg/m³ 左右。
熔劑的作用對(duì)天然氣豎爐的平穩(wěn)運(yùn)行有至關(guān)重要的作用，忽視熔劑會(huì)導(dǎo)致該爐熔化的嚴(yán)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(diǎn)比較低，與爐內(nèi)物質(zhì)作用容易形成低熔點(diǎn)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(zhì)量分?jǐn)?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(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：50%～55% SiO₂、15%～20% CaO、10%～15% Al₂O₃、10% FeO，該成分爐渣的流動(dòng)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(dòng)化設(shè)備，啟動(dòng)時(shí)會(huì)首先自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)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(gè)點(diǎn)存在安全隱患或有不正常狀態(tài)，自動(dòng)控制系統(tǒng)在發(fā)出聲光警報(bào)信號(hào)的同時(shí)，一直處于閉鎖狀態(tài)，不能點(diǎn)火。
1）點(diǎn)火啟動(dòng)
天然氣豎爐點(diǎn)火前必須首先啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)、冷卻水泵，開(kāi)啟有關(guān)閥門(mén)，同時(shí)必須確認(rèn)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(fēng)量、風(fēng)壓，燃?xì)鈮毫Φ?，可以通過(guò)工控機(jī)屏幕上的有關(guān)顯示值加以確認(rèn)。如果任一個(gè)參數(shù)存在問(wèn)題，則燃燒系統(tǒng)不能點(diǎn)火，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)給出故障提示。
點(diǎn)火時(shí)通過(guò)工控機(jī)操作界面，首先設(shè)定加熱功率為額定功率的40%，開(kāi)啟鼓風(fēng)機(jī)，按復(fù)位按鈕消除所有報(bào)警。將其中一個(gè)燒嘴的選擇旋鈕切換到ON位置，然后將燃燒、點(diǎn)火旋鈕切換到ON，燒嘴即自動(dòng)點(diǎn)火，在觸摸屏界面上可觀察所選定的燒嘴是否點(diǎn)火成功。
燒嘴控制器在打開(kāi)燃?xì)庀葘?dǎo)閥后有一小段延時(shí)，因此點(diǎn)火變壓器一般延時(shí)電點(diǎn)火。如果延時(shí)期間火焰檢測(cè)器未檢測(cè)到火焰，會(huì)導(dǎo)致燒嘴控制器鎖定。如果一個(gè)或四個(gè)燒嘴處于鎖定狀態(tài)，可按紅色的燒嘴復(fù)位按鈕使燒嘴控制器復(fù)位。如果燒嘴點(diǎn)火期間燒嘴控制器反復(fù)鎖定，表明天然氣的壓力不穩(wěn)定、燒嘴的燃?xì)忾y門(mén)未打開(kāi)；或者點(diǎn)火變壓器連線錯(cuò)誤；或者火焰檢測(cè)器存在故障，需要根據(jù)具體原因逐一排除。
2）爐膛預(yù)熱
天然氣豎爐在加入金屬料前，必須對(duì)爐膛、水冷爐柵上的耐火球進(jìn)行預(yù)熱。如果不經(jīng)預(yù)熱而直接加料熔化，鐵液及爐渣極易凝固在出鐵口導(dǎo)致熔化無(wú)法繼續(xù)。     在爐膛預(yù)熱前，確保燃?xì)鉅t的出鐵口、備用出鐵口處于封堵?tīng)顟B(tài)。爐膛預(yù)熱溫度一般以耐火球?qū)拥臏囟葹闇?zhǔn)，耐火球的預(yù)熱溫度至少要高出金屬爐料熔點(diǎn)150℃。爐膛預(yù)熱一般需要45min～70min，預(yù)熱功率由小逐步增大。
爐膛預(yù)熱期間，在加料平臺(tái)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(zhǎng)且呈黃色，表明CO含量高，天然氣濃度過(guò)高；如果加料口沒(méi)有火焰，表明沒(méi)有CO及天然氣濃度過(guò)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(jìn)一步增加到85%，同時(shí)設(shè)定在空氣中加氧的體積分?jǐn)?shù)，并將氧氣供應(yīng)旋鈕打到自動(dòng)檔，當(dāng)各燒嘴穩(wěn)定燃燒后即可開(kāi)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(zhì)廢鋼。天然氣豎爐裝料，加料動(dòng)作必須連續(xù)、快速、平穩(wěn)，一直將爐料加到?jīng)_天爐設(shè)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(huì)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(guò)程中，需要特別注意爐內(nèi)料面的平整性，防止料面傾斜導(dǎo)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(cè)，導(dǎo)致?tīng)t柵墊上耐火球?qū)雍穸炔痪鶆?。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(cè)。
如果熔劑在爐內(nèi)分布不均，會(huì)造成爐膛某一側(cè)爐襯材料的過(guò)度侵蝕，而另一側(cè)的黏性熔渣會(huì)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(huì)引起爐柵上耐火材料墊層厚度不均、傾斜，導(dǎo)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(guò)精確的測(cè)量和控制，三種氣體的流量必須符合燃燒學(xué)的一般規(guī)律，嚴(yán)格保持在預(yù)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?xì)饬髁靠刂浦兄陵P(guān)重要的是，燃?xì)獠荒苓^(guò)量供應(yīng)，燃?xì)膺^(guò)量會(huì)導(dǎo)致液態(tài)熔渣向上、穿過(guò)爐料層從加料口噴出，導(dǎo)致熔化無(wú)法繼續(xù)。熔化期間的送風(fēng)強(qiáng)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(shè)定燃燒功率、燃燒混合氣體中天然氣的體積分?jǐn)?shù)、空氣中加氧的體積分?jǐn)?shù)等，控制系統(tǒng)可按設(shè)定的燃燒參數(shù)自動(dòng)給定有關(guān)氣體的流量。空氣、天然氣、氧氣的流量除了系統(tǒng)自動(dòng)控制外，也可以手動(dòng)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(dǎo)致?tīng)t壓增加的幅度逐漸緩慢。當(dāng)爐料達(dá)到預(yù)定料面后爐壓達(dá)到值，隨著料面高度的正常波動(dòng)以及爐料的密度變化，爐膛壓力在值附近緩慢波動(dòng)。
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(guò)高，表明燃燒功率設(shè)定值過(guò)高，可適當(dāng)調(diào)低燃?xì)鉅t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(shuō)明爐料中的熔劑加入量過(guò)多或者過(guò)少，應(yīng)該及時(shí)調(diào)整熔劑的加入量。如果熔劑加入量得不到及時(shí)調(diào)整，熔渣會(huì)從加料口噴吹出來(lái)，最終導(dǎo)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(kāi)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(jìn)入爐缸，可能進(jìn)入、阻塞出鐵口（或稱(chēng)過(guò)橋口）。熔化期間確認(rèn)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(guò)橋后，熔渣流出時(shí)間的長(zhǎng)短，取決于過(guò)橋的有關(guān)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(yīng)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(wú)滯留的未熔化廢鋼。當(dāng)批料加到爐內(nèi)后，隨料面逐步下降爐壓開(kāi)始逐步下降，在熔煉結(jié)束時(shí)爐壓接近于零。停止加料后，只要熔渣不從加料口噴吹出來(lái)，幾個(gè)燒嘴應(yīng)盡可能滿功率運(yùn)行。
當(dāng)出鐵口無(wú)鐵液流出時(shí)及時(shí)關(guān)閉氧氣閥，同時(shí)將燃燒功率降低到額定功率的40%一直到*停止燃?xì)夤?yīng)。當(dāng)爐缸內(nèi)殘留的鐵液排出后，阻塞出鐵口、打開(kāi)備用出鐵口進(jìn)一步放出殘存在爐缸內(nèi)的少量鐵液和爐渣。當(dāng)爐缸中殘留的鐵液、爐渣被排放干凈后，關(guān)閉天然氣供應(yīng)，繼續(xù)保持鼓風(fēng)機(jī)以70%的額定流量對(duì)燃?xì)鉄爝M(jìn)行30min 冷卻，然后關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)。
8）緊急情況處理
熔煉過(guò)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(shí)間來(lái)評(píng)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(wèn)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(yīng)，然后停止氧氣、空氣的供應(yīng)。緊急狀況處理完后，可以重新將燒嘴點(diǎn)燃，將燃燒功率恢復(fù)到額定值的40%，然后緩慢增加功率到預(yù)定值。