鑄造用烤包器的優化設計

姚國濤

（晉能控股裝備制造集團大同裝備公司中央機廠，山西大同 037001）

0 引言

鋼水烤包器是煉鋼生產工序中重要的環節之一，是介于冶煉和澆注兩個工序之間，烘烤的好壞直接影響產品的質量[1]。更有甚者，烘烤過程的不合格，直接導致整包鋼水報廢，其常見原因一是鋼水包底部烘烤溫度低，鋼水注入鋼水包，包底鋼水率先凝固，包底塞頭粘連，拔不出；另一種情況是烘烤速度快，不能及時排除水分汽化，造成耐火包襯產生裂紋。鋼水在澆注前通常在鋼水包內靜置5～10 min，以利于鋼水中鋼渣及氣體上浮，凈化鋼水。在靜置過程中，鋼水溫度會降低，一是鋼水表面熱輻射，通常增加覆蓋劑來減少熱量損失；二是鋼包包襯及鋼包表面的熱輻射損失，占整個過程熱量損失的60%～70%，所以提前提高鋼水包溫度對減少熔煉時間、提高電爐壽命、降低能耗起到了關鍵的作用。

國內有的鋼水包烘烤用一根煤氣管道，加以鼓風機送風。這種烤包方式溫度低，烤包過程熱損耗大，能源需求量大；其次，烘烤過程不均勻，耗時長。有的鑄造廠根據生產需要，投入烤包器。但這種烤包器屬于人為手動式操作，沒有嚴格的送風與供氣流量比例，溫度很難控制，還往往需要借助于人眼觀察，這不僅不準確，耽誤生產，還極易損壞鋼水包。此外，燃料燃燒不充分，還造成能源的浪費。本文通過研究送風與供氣流量比例及燃燒噴嘴直徑的關系，加裝PLC智能控制系統及溫度曲線顯示屏，分階段地控制供氣、送風流量[2]，滿足生產需要，達到節約能源的目的。

1 實驗材料及方法

由于丙烷氣體的燃燒溫度能達到2600 ℃左右，熱值較高，我們選用丙烷氣體作為烤包器的氣源，燃氣管道前加裝燃氣流量計，可自動調節閥開度。輔助以大功率風機為助燃載體，風機加裝變頻裝置，可以改變風機的功率，控制風速的大小。丙烷管路中通過電磁閥門控制燃氣的通斷。爐蓋處加裝電火花點火器（用于點火）及熱電偶（用于檢測鋼水包溫度）。電控模塊加裝流量調節和溫度調節模塊[3]。PLC模塊控制各項參數，液晶顯示屏便于輸入各項參數及觀察設備運行情況。通過液晶顯示屏將各項參數輸入PLC模塊，首先由溫度控制器將信號反饋給PLC系統模塊，然后PLC把各項參數以電信號的形式輸送給流量調節模塊及風機變頻模塊，具體執行相關任務。

試驗選用內高為1.3 m、直徑為1.1 m、爐襯含50%左右Al2O3的底漏式鋼水包。從室溫升高到100 ℃時，應緩慢地升溫，升溫過快大量汽化水分無法排出，會產生破壞性蒸汽壓力，使耐火包襯產生裂紋或掉皮現象。

試驗過程選用3種直徑不同的燃燒噴嘴，如圖1所示，直徑分別為φ40 mm、φ65 mm、φ85 mm，供氣壓力設置為160 kPa，燃氣閥開度及送風量可連續性變化。

圖1 燃燒噴嘴

試驗分3種情況：一是選擇合適的噴嘴；二是選好噴嘴后，控制好風量，改變供氣流量；三是控制好氣體流量，調整送風量。在改變參數過程中，不斷觀察溫度控制曲線的變化，得出合適的空燃比例。

2 實驗結果與分析

2.1 燃燒噴嘴直徑對烤包的影響

圖2為鋼水包的溫控曲線與燃燒噴嘴直徑的關系。從圖中可以明顯看出，隨著噴嘴直徑加大，溫控曲線上浮速度加快。這是因為隨著噴嘴直徑加大，氣體單位面積的流速減小，火焰橫向燃燒的面積增大，縱向燃燒距離縮短，使用φ85 mm的燃燒噴嘴，火焰不能到達包底，不滿足烤包的要求。對于φ40 mm、φ65 mm兩種噴嘴，前者產生的縱向火焰過長，橫向過窄，鋼包底部及側壁烘烤程度不一致，后者縱向與橫向火焰比例適當，烘烤均勻。因此噴嘴直徑φ65 mm優于φ85 mm和φ40 mm。

圖2 鋼水包的溫控曲線與燃燒噴嘴的直徑的關系

2.2 燃氣流量對烤包的影響

圖3為鋼水包的溫控曲線與燃氣流量的關系。從圖中可以看出，隨著燃氣流量的增加，溫控曲線上浮速率加快。從現場觀察可以看到，火焰顏色逐漸變深，火苗散開有向上蔓延的趨勢。這是因為燃氣流量的加大，所需要的氧氣量隨之增加，而所供風量不足。為了得到更多的氧氣向上蔓延，向上蔓延的火焰不僅減少烤包器頂蓋的壽命，并且燃料的不完全燃燒增加燃氣的損耗。雖然燃氣流量的增加可以縮短烤包的時間，但是熱效率明顯降低。通過計算得出達所需的溫度，閥開度為45，流速為26 m3/h，耗時12 min，閥開度為40，流速為24 m3/h，耗時15 min，一次烤包多耗費燃氣為0.8 m3。通過對比發現，燃氣流速40 m3/h要優于其他流速。

圖3 鋼水包的溫控曲線與通風流量的關系

圖3 鋼水包的溫控曲線與燃氣閥開度的關系

2.3 通風流量對烤包的影響

圖4為鋼水包的溫控曲線與通風流量的關系。剛開始點火時，由于未開啟送風電動機，烤包器下方的火焰向上燃燒，隨著風機功率的加大，通風量增加，火焰不斷下移，直至火焰向下保持一個穩定的高度，繼續增加熱風機的功率，火焰高度不變，但是從溫控曲線上可以看出，此時溫度增加緩慢，直到不再變化。這是因為開始加熱時鋼水包溫度較低，與火焰的溫度相差比較大，溫度升高快。隨著鋼水包溫度的不斷上升，對外溫度的散失也加快，這時溫度上升比較緩慢。當火焰燃燒的熱量與散失的熱量達到動態平衡時，溫度出現一個峰值。再加大風機的功率，會發現溫控曲線的峰值有一個緩慢的下降。這是因為隨著空氣氣流的快速流動涌入，熱交換加快，熱量不斷流失。說明在這一階段升溫發生逆轉。此時空氣流量為950 m3/h。

3 烤包器升溫機理分析

烤包器烤包溫度是由燃氣流量、送風量及燃燒噴嘴共同作用的結果。供氣流量太大，造成溫度上升太快，水分汽化無法排出，使耐火材料產生裂紋或掉皮，影響鋼水包壽命，同時燃料不完全燃燒，浪費資源，并且向上燃燒的火焰降低烤包器蓋板的壽命。燃燒噴嘴直徑過細，致使火焰輻射到達包壁距離增大，升溫過慢，烤包時間長；噴嘴直徑過大，會使火焰不能到達包底，滿足不了烤包要求。風量太小會使燃料燃燒不充分，浪費能源；太大會加快空氣循環，增加熱量的散失。

4 設置程序參數

基于上述情況，我們在程序系統中設置3個溫度段：第一階段為230 ℃，送風流量設置為14 m3/min，燃氣流量為0.4 m3/min；第二階段為500 ℃，送風流量設置為15 m3/min，燃氣流量為0.43 m3/min；第三階段為750 ℃, 送風流量設置為17 m3/min，燃氣流量為0.48 m3/min。

操作過程為：將預先計算好的各項參數（包括溫度控制及時間控制）通過控制屏輸入給程序單元控制器；先打開燃氣總閥門及鼓風機，風機默認以最小功率運行（如果風機風量過大、過急不容易點燃）；按點火按鈕，此時烤包器燃氣控制電磁閥自動打開，點火裝置產生電火花，烤包器點火成功；如果2 s時間后燃氣未點燃，電磁控制閥門自動關閉，切斷燃氣通道；點燃成功后烤包器按設定參數運行。參數設定總共分3個階段：第一階段目標值為230 ℃，升溫時間為3 min，保溫時間為2 min；第二階段目標值為500 ℃，升溫時間為1 min，保溫時間為1 min；第三階段目標值為750 ℃，升溫時間為2 min，保溫時間為2 min。點火后進入第一階段，設備自動調節風機風量及燃氣流量大小，當達到預定溫度后，保溫一段時間后再進行第二階段運行，此時風機風量及燃氣流量重新自動調整。在達到預定溫度后保溫一段時間，進入第三階段烘烤。烘烤結束后發出聲光提醒，燃氣自動關閉發出報警信號。

5 結語

通過計算合適的空燃比（25:1），使燃料充分燃燒，節約生產成本，并結合實際生產情況制定出各項操作參數，實現了鋼水包烤包溫度的自動化控制，為鑄造冶煉的烤包環節向智能化發展提供了參考依據。