張明(威??婆d鑄造機(jī)械有限公司,山東威海 264205)
煤粉化鐵爐鉤沉
張明
(威海科興鑄造機(jī)械有限公司,山東威海 264205)
詳細(xì)回顧了1970年代中國(guó)煤粉化鐵爐的歷史,內(nèi)容包括歷史背景、技術(shù)沿革的細(xì)節(jié)。
煤粉化鐵爐;歷史
煤粉化鐵爐是一種以煤粉為燃料熔化鑄鐵的工業(yè)爐,其煤粉噴嘴設(shè)置在前爐燃燒室。中國(guó)最早出現(xiàn)的臥式煤粉化鐵爐屬于反射爐與沖天爐的結(jié)合,應(yīng)用最為廣泛。除臥式外,后期還出現(xiàn)了一種立式煤粉化鐵爐。煤粉化鐵爐對(duì)中國(guó)略后出現(xiàn)的燃油化鐵爐、天然氣化鐵爐的結(jié)構(gòu)有直接、重要的影響。按歷史文獻(xiàn)記錄,中國(guó)煤粉化鐵爐的數(shù)量在1970年到1972年之間呈井噴式增長(zhǎng),1980年之后逐漸沉寂。
圖1 青島生建機(jī)械廠4 t/h煤粉化鐵爐(1966)
1968年,《鑄造機(jī)械》刊登了青島生建機(jī)械廠的“煤粉化鐵簡(jiǎn)介[1]”一文,這是公開(kāi)文獻(xiàn)記載中最早的一篇介紹煤粉化鐵爐的歷史文獻(xiàn)。該廠1968年所建的4t/h煤粉化鐵爐見(jiàn)圖1。該廠同時(shí)稱,煤粉化鐵爐由遼寧省旅大市第一鑄造廠首創(chuàng)。
浙江紹興鑄造廠是浙江省最早使用煤粉化鐵爐的工廠,該廠的煤粉化鐵爐見(jiàn)圖2。該廠當(dāng)時(shí)的革命委員會(huì)(相當(dāng)于今廠部)刊登在《科技簡(jiǎn)報(bào)》的“冶煉工藝上的重大革新—煤粉化鐵新技術(shù)[2]”一文中稱:
“……我國(guó)東北大連某工廠的革命職工首先試驗(yàn)成功。紹興鑄造廠于1969年10月,奮戰(zhàn)五十天,革新成功煤粉化鐵爐。從去年12月至今年10月,經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)已開(kāi)42爐,化鐵460噸。煤粉化鐵試驗(yàn)取得完全成功。為我省建立小而全的工業(yè)體系做出了新的貢獻(xiàn)?!?/p>
大連紅旗造船廠(今大連造船廠)1971年在《鑄工》增刊所撰寫(xiě)的“樹(shù)雄心、立壯志,為煤粉化鐵闖新路”一文中稱[3]:
“1966年2月至1968年8月,我們?cè)囼?yàn)的是熔化率1 t/h的煤粉化鐵爐。1968年10月至1970年,月我們?cè)囼?yàn)的是熔化率2 t/h的煤粉化鐵爐?!?/p>
上述三段歷史文獻(xiàn)記錄雖有一些矛盾,但也形成了一定的相互印證關(guān)系,據(jù)此可以初步推斷中國(guó)煤粉化鐵爐的出現(xiàn)時(shí)間在1966年,創(chuàng)建者為遼寧省大連地區(qū)的紅旗造船廠、或旅大市第一鑄造廠,最先的煤粉化鐵爐為臥式爐。
在文獻(xiàn)記錄中,廣東江門(mén)紅星機(jī)械廠的2t/h立式煤粉化鐵爐(見(jiàn)圖2)建成于1969年初,該廠稱[4]:
“遵照毛主席‘備戰(zhàn)、備荒、為人民’的偉大戰(zhàn)略方針,我廠在市革委會(huì)的領(lǐng)導(dǎo)下,充分發(fā)動(dòng)群眾,發(fā)揚(yáng)自力更生、艱苦奮斗和敢想敢干的革命精神,去年一月建造了2 t/h立式煤粉化鐵爐,經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)踐,終于得成功,現(xiàn)已開(kāi)了五十多爐次,鐵水溫度穩(wěn)定在1360~1400℃,煤鐵比1∶7?!?/p>
圖2 江門(mén)紅星機(jī)械廠2t/h立式煤粉化鐵爐(1969)
廣東江門(mén)紅星機(jī)械廠是廣東省最早使用煤粉化鐵爐的工廠,同時(shí)是中國(guó)立式煤粉化鐵爐的首創(chuàng)者。
臥式與立式煤粉化鐵爐的優(yōu)缺點(diǎn),廣東佛山鑄造廠自1970年開(kāi)始對(duì)此專門(mén)做過(guò)兩年多的對(duì)比研究,最后確定臥式煤粉化鐵爐優(yōu)于立式化鐵爐,他們?cè)?974年稱[5]:
“我們先后搞了立式、斜式和臥式三種爐型,在臥爐的前爐上又采用了各不相同的尺寸,六座不同的爐子同時(shí)使用、互作比較。經(jīng)過(guò)兩年多實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)斜式爐同臥式爐的效果是相當(dāng)?shù)?,缺點(diǎn)是燃燒室撓起了30°操作不便,就首先否定了。立爐同臥爐比較,雖然有耐火材料消耗少,前爐不易倒塌等優(yōu)點(diǎn),但在臥爐上采取了提高爐齡的措施后,立爐的優(yōu)點(diǎn)就被取代了,而立爐的缺點(diǎn)卻突了出來(lái):貯鐵水少、難點(diǎn)火,煤粉不到200目就難點(diǎn)燃,否則也溫度低,煤粉沉積;鐵水溫度不穩(wěn)定。于是,去年初又把立式爐淘汰了,將留下來(lái)的五座煤粉化鐵爐都改建成臥式的。”
如果現(xiàn)在回顧當(dāng)時(shí)的歷史,考慮前爐的散熱面積,立式爐因散熱面積小、應(yīng)比臥式爐節(jié)省燃料。立式爐難于點(diǎn)火的原因,與當(dāng)時(shí)利用劈柴火種點(diǎn)火有關(guān)。立式爐由于結(jié)構(gòu)限制,爐內(nèi)積存不了太多的劈柴火種,點(diǎn)火時(shí)的送風(fēng)量只限于很小范圍,風(fēng)量稍大便可能吹熄劈柴火種。
1970年,廣東江門(mén)紅星機(jī)械廠建造了另外一座3 t/h立式煤粉化鐵爐(見(jiàn)圖3)[6],該爐在原2 t/h爐的基礎(chǔ)上加長(zhǎng)了過(guò)橋、增加一個(gè)燃燒室,成為雙燃燒室的立式煤粉化鐵爐,用于孕育鑄鐵(KT28-48)的生產(chǎn)。該廠是雙燃燒室煤粉化鐵爐的首創(chuàng)者。
圖3 江門(mén)紅星機(jī)械廠3 t/h雙燃燒室立式爐(1971)
廣東江門(mén)化機(jī)廠鑄造車(chē)間1971年,由4 t/h燃焦沖天爐改制的4 t/h臥式煤粉化鐵爐,也采用了雙燃燒室[7]。
上述兩個(gè)工廠采用雙燃燒室,可能與其使用的煤種有關(guān),煤粉熱值低,不利于提高鐵液溫度。該兩廠所用煤粉來(lái)自廣東梅田無(wú)煙煤用煤[8],是當(dāng)時(shí)全國(guó)用于煤粉化鐵的28種煤[9]中,灰分含量最高的煤,灰分在34%~48%之間。如果按照燃燒學(xué),煤粉化鐵爐采用雙燃燒室并無(wú)技術(shù)必要性。在所有煤粉化鐵爐的歷史記錄中,惟有廣東江門(mén)上述兩個(gè)工廠采用過(guò)雙燃燒室。
煤粉化鐵爐典型的煤粉供應(yīng)系統(tǒng),一般包括破碎和粉碎機(jī)、氣力輸送系統(tǒng)、煤粉斗、定量器、煤粉混合器、燒咀等。圖4為湖南零陵通用機(jī)械廠2 t/h煤粉化鐵爐煤粉的粉碎和輸送供應(yīng)系統(tǒng)[10]。最早的煤粉化鐵爐,例如大連紅旗造船廠的1 t/h和2 t/h煤粉化鐵爐[3],也采用了氣力輸送,但結(jié)構(gòu)略簡(jiǎn)單一些。
圖4 原煤粉碎和氣力循環(huán)輸送系統(tǒng)(1974)
煤粉通過(guò)氣力輸送進(jìn)入煤粉斗后,早期的煤粉化鐵爐直接用星形給料(定量)器[1]、或用“皮錢(qián)管”機(jī)構(gòu)[2]將煤粉加入一次風(fēng)管中;利用一次風(fēng)管中高速流動(dòng)的空氣對(duì)煤粉進(jìn)行混合并將煤粉帶入爐內(nèi)。這種簡(jiǎn)單裝置的弊端在于,很難保證煤粉與空氣的均勻混合,容易導(dǎo)致燃燒不充分甚至煤粉在爐內(nèi)的堆積;另外爐壓變化引起的風(fēng)壓變化,導(dǎo)致煤粉斗內(nèi)的壓力處于波動(dòng)狀態(tài)甚至翻騰、使很難保證煤粉定量準(zhǔn)確。
南昌柴油機(jī)廠在1970年所建的800 kg/h、1971年所建的1.5 t/h煤粉化鐵爐中,對(duì)煤粉與一次風(fēng)的混合做了重要改進(jìn),采用了氣力混合器(俗稱喉管),利用壓縮空氣的動(dòng)能對(duì)煤粉進(jìn)行混合(見(jiàn)圖5)[11],極大地改進(jìn)了煤粉與空氣的混合效果。沈陽(yáng)機(jī)床一廠在1970年由臥式煤粉化鐵爐改建的5 t/h立式煤粉化鐵爐[12];1971年上海柴油機(jī)廠所建的1.5 t/h煤粉化鐵爐[13],均采用了與此類似的混合器。
圖5 南昌柴油機(jī)廠煤粉爐混合喉管(1970)
1971年湖南動(dòng)力機(jī)廠在湖南大學(xué)的協(xié)作下,將一臺(tái)2.5 t/h燃焦沖天爐改制為2.5 t/h立式煤粉化鐵爐,在前述氣力混合器的基礎(chǔ)上,又在含煤粉的一次風(fēng)進(jìn)入立式前爐前,增加了一個(gè)風(fēng)煤混合器(見(jiàn)圖6),進(jìn)一步改善了煤粉與空氣的混合效果[14]。
煤粉化鐵爐普遍存在著爐襯侵蝕嚴(yán)重、爐齡短的問(wèn)題,特別是環(huán)形火道以上的熔化喉部,侵蝕特別嚴(yán)重,改進(jìn)耐火材料并不能取得提高爐襯壽命的顯著效果。
圖6 湖南動(dòng)力機(jī)廠立式煤粉爐風(fēng)煤混合器(1971)
圖7 上海柴油機(jī)廠煤粉爐的水冷夾套(1971)
按文獻(xiàn)記錄,1971年9月上海柴油機(jī)廠首先將該廠的臥式、立式各1臺(tái)1.5 t/h煤粉化鐵爐,全部進(jìn)行了爐缸區(qū)的水冷改造,環(huán)形火道、環(huán)形火道之上的熔化喉部、前爐與后爐之間的出火孔等爐襯容易侵蝕的部位,僅敷設(shè)厚度30~40 mm搪襯(如圖10);在熔化過(guò)程中,由于爐襯到冷卻水的保護(hù),爐襯侵蝕極少,每次打爐檢查,基本上保持原來(lái)尺寸,略加整修可繼續(xù)熔化,起到了延長(zhǎng)爐襯壽命的顯著效果[15]。
1974年徐州瑪鋼工具廠的2 t/h煤粉化鐵爐,不僅對(duì)熔化喉部采用了水套冷卻,同時(shí)首先對(duì)臥式前爐采用水套冷卻,基本解決了煤粉化鐵爐爐襯壽命短的問(wèn)題[16]。
上海柴油機(jī)廠和徐州瑪鋼工具廠創(chuàng)造的煤粉化鐵爐的水套冷卻結(jié)構(gòu),在其他工廠的煤粉化鐵爐上得到了廣泛的應(yīng)用。
煤粉化鐵爐的點(diǎn)火方式包括劈柴火種點(diǎn)火,煤氣點(diǎn)火槍、固定式燃?xì)饣蛉加忘c(diǎn)火燒咀等三種。
早期的煤粉化鐵爐,利用燃燒室和前爐內(nèi)烘爐劈柴的火種點(diǎn)火、引燃煤粉。如果劈柴火種量小、點(diǎn)火風(fēng)量大導(dǎo)致點(diǎn)火失敗,需要打開(kāi)燃燒室重新裝入劈柴。
其后的一些煤粉化鐵爐,爐膛上設(shè)置有點(diǎn)火孔,在煤粉化鐵爐點(diǎn)火前,首先將燃燒中的煤氣點(diǎn)火槍伸入爐膛內(nèi);另外一些煤粉化鐵爐,出現(xiàn)了固定安裝在燃燒室體上的燃?xì)?、燃油點(diǎn)火噴咀[14、17]。目前尚未發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)的燃?xì)狻⑷加忘c(diǎn)火噴咀,有使用電子點(diǎn)火裝置的記錄,點(diǎn)火燒咀應(yīng)為人工輔助點(diǎn)燃。
火焰檢測(cè)器是一種檢測(cè)火焰的電子器件,一般與點(diǎn)火裝置配合使用,廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)爐窯。目前尚未發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)的煤粉化鐵爐存在設(shè)置火焰檢測(cè)器的文獻(xiàn)記錄。當(dāng)時(shí)所有的煤粉化鐵爐均設(shè)置有看火孔,通過(guò)操作者的觀察,判斷點(diǎn)火是否成功。
煤粉化鐵爐內(nèi)煤粉的燃燒狀態(tài)與燃焦沖天爐內(nèi)的焦炭有明顯的區(qū)別。煤粉化鐵爐的煤粉燃燒需要嚴(yán)格控制空氣和煤粉的比例(氣煤比),空氣不足或者過(guò)量均會(huì)影響到爐溫和鐵液溫度。影響氣煤比的因素很多,包括煤粉中的固定碳的含量、揮發(fā)分的化學(xué)成分及其各種揮發(fā)分的含量、灰分與水分含量,甚至包括空氣的溫度、壓力和濕度。另外,控制氣煤比涉及煤粉、空氣的計(jì)量或定量設(shè)備的準(zhǔn)確性、電氣控制部分的儀表及其控制算法,等等。
雖然煤粉化鐵爐的燃燒控制一直受到人們的重視,但中國(guó)煤粉化鐵爐的燃燒控制技術(shù)一直處于落后狀態(tài),缺乏必要的燃燒控制系統(tǒng),絕大多數(shù)煤粉化鐵爐的燃燒依據(jù)爐工的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制。
1981年初,可以發(fā)現(xiàn)湛江市機(jī)械研究所和湛江市農(nóng)機(jī)廠合作在《鑄工》雜志上連續(xù)發(fā)表了好幾篇煤粉化鐵爐自動(dòng)化控制的文章;他們以當(dāng)時(shí)廣泛使用的動(dòng)圈式指示調(diào)節(jié)儀為核心,研制出了按體積控制煤粉化鐵爐風(fēng)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置、煤粉化鐵爐燃燒控制程序,同時(shí)包括自動(dòng)電點(diǎn)火裝置、加料自動(dòng)控制系統(tǒng)等[18-20]。
1981年,當(dāng)時(shí)的一機(jī)部曾對(duì)湛江的一臺(tái)煤粉化鐵爐進(jìn)行過(guò)技術(shù)鑒定[21],因此推測(cè)當(dāng)時(shí)湛江市機(jī)械研究所可能承擔(dān)了一機(jī)部煤粉化鐵爐的研制任務(wù),研制任務(wù)的主要課題應(yīng)該就是煤粉化鐵爐的燃燒控制??上У氖?,煤粉化鐵爐在1981年的發(fā)展已顯式微,目前尚未發(fā)現(xiàn)湛江市機(jī)械研究所研制的煤粉化鐵爐燃燒控制系統(tǒng)推廣應(yīng)用的任何文獻(xiàn)記錄。
從1970年到1971年《鑄造機(jī)械》和《鑄造》編輯部刊發(fā)的一些消息或調(diào)查,可以看到中國(guó)煤粉化鐵爐在此期間的井噴式發(fā)展。
1971年《鑄造機(jī)械》第4期刊登了一組關(guān)于煤粉化鐵的專題文章[22],介紹了南京、廣東的一些煤粉化鐵爐,其編后語(yǔ)稱:“我國(guó)工人階級(jí)創(chuàng)造的、具有偉大戰(zhàn)略意義的煤粉化鐵新技術(shù),已在全國(guó)普遍開(kāi)花結(jié)果,這項(xiàng)新技術(shù)的鞏固、推廣和提高工作,也在迅猛發(fā)展,形勢(shì)一片大好!”
1971年《鑄造機(jī)械》編輯部在第5期刊發(fā)的“急令:煤粉化鐵水 備戰(zhàn)、備荒、為人民—煤粉化鐵動(dòng)態(tài)[23]”一文中稱:“廣東省東莞縣為了加快發(fā)展地方工業(yè),推廣煤粉化鐵,不到一年就改建和新建了33座煤粉爐?!薄罢憬榱死帽臼¢L(zhǎng)廣煤化鐵,省、市主管部門(mén)領(lǐng)導(dǎo)親自在紹興鑄造廠組織試驗(yàn),取得成功后,又在省內(nèi)九個(gè)地區(qū)擴(kuò)大試驗(yàn),然后推廣應(yīng)用。目前全省已建成了50多座煤粉化鐵爐?!?/p>
《鑄工》雜志于1970年第1期轉(zhuǎn)載了一機(jī)部情報(bào)所《技術(shù)革新簡(jiǎn)報(bào)》一則關(guān)于煤粉化鐵爐簡(jiǎn)報(bào),該文稱[24]:“這項(xiàng)新技術(shù)一出現(xiàn),就顯示出強(qiáng)大的生命力,發(fā)展很快?,F(xiàn)在已有上海燎原鑄造廠、南京第四機(jī)床廠、南京線路器材廠、南京新生工廠、青島生建機(jī)械廠、廣東省化工機(jī)械廠(江門(mén)市)、鄭州機(jī)床廠等單位推廣應(yīng)用?!?/p>
1971年《鑄工》增刊集中刊發(fā)了大連紅旗造船廠、青島生建機(jī)械廠、廣東江門(mén)紅星機(jī)械廠、南昌柴油機(jī)廠、廣西玉林朵油機(jī)廠、上海油機(jī)廠、廣東省東莞縣寮步公社農(nóng)械廠、廣東東莞機(jī)電廠、廣東江門(mén)化機(jī)廠、紹興新光五金社廠、北京金屬結(jié)構(gòu)廠等工廠使用煤粉化鐵爐的經(jīng)驗(yàn)和消息,并稱“煤粉化鐵爐像雨后春筍在全國(guó)各地不斷勝利誕生”[25]。
在1971年《鑄工》增刊中,編輯部搜集、刊載了“國(guó)內(nèi)一些工廠煤粉化鐵情況[8]”,其中介紹了黑龍江、吉林、遼寧、河北、河南、山東、江蘇、上海、浙江、安徽、湖北、江西、廣東、廣西、貴州、陜西、甘肅等17個(gè)省市60個(gè)有代表性的工廠煤粉沖天爐的使用情況,其中熔化率最大的煤粉化鐵爐為第一重型機(jī)械廠的7.5 t/h臥式煤粉沖天爐。
為什么中國(guó)煤粉化鐵爐在此期間得到了井噴式的發(fā)展?在1970年到1972年涉及煤粉化鐵爐的歷史文獻(xiàn)中,可以頻繁發(fā)現(xiàn)“節(jié)省焦炭、支援鋼鐵”、“反帝反修”、“準(zhǔn)備打仗”等。這些字樣記錄了當(dāng)時(shí)的社會(huì)現(xiàn)狀,可以說(shuō)明中國(guó)煤粉化鐵爐在此期間得到井噴式發(fā)展的原因。鋼鐵工業(yè)發(fā)展速度過(guò)快導(dǎo)致焦炭供應(yīng)緊張、當(dāng)時(shí)國(guó)際形勢(shì)變化莫測(cè)等等原因,使這種自成體系、方便靈活、適合于戰(zhàn)爭(zhēng)生產(chǎn)的煤粉化鐵爐,不僅受到了工業(yè)行政部門(mén)的高度重視,也是許多鑄造廠的無(wú)奈選擇。
涉及煤粉化鐵爐的歷史文獻(xiàn)絕大多數(shù)集中于1970年到1972年之間,時(shí)間最晚的出現(xiàn)于1985年,涉及廈門(mén)鑄造廠煤粉化鐵爐的除塵和余熱利用[26];另外一篇涉及一臺(tái)煤粉化鐵爐改作退火窯使用[27],透露了這種熔化爐的式微。此后的公開(kāi)刊物中,再無(wú)煤粉化鐵爐的任何記錄,研究呈沉寂狀態(tài)。該爐的式微與沉寂,與中國(guó)焦炭的市場(chǎng)供應(yīng)改善直接相關(guān),興亦焦炭、衰亦焦炭。
1970年9月,南昌柴油機(jī)廠在建成的煤粉化鐵爐上,成功地將分子篩制氧新技術(shù)用于煤粉化鐵爐進(jìn)行加氧送風(fēng)[11]。南昌柴油機(jī)廠是江西省較早使用煤粉化鐵爐的工廠,同時(shí)是文獻(xiàn)記錄中,中國(guó)唯一將加氧送風(fēng)技術(shù)用于煤粉化鐵爐的工廠。
據(jù)河北工業(yè)大學(xué)錢(qián)立先生1979年的研究,附加煤粉沖天爐1973年由孝感地區(qū)柴油機(jī)廠在其多排小風(fēng)口沖天爐上最先試驗(yàn)成功;到1979年,附加煤粉的熔化技術(shù)應(yīng)用于卡腰護(hù)、中央送風(fēng)沖天爐、兩排大間距沖天爐,爐子噸位包括1 t/h至15 t/h,天津、北京、遼寧、山東、河北等省市均有應(yīng)用[28]。按照附加煤粉沖天爐的出現(xiàn)時(shí)間,煤粉化鐵爐的相關(guān)技術(shù)可能對(duì)附加煤粉沖天爐產(chǎn)生過(guò)一些影響,兩者或者存在一定技術(shù)傳承關(guān)系。
在現(xiàn)有的歷史文獻(xiàn)中,尚未發(fā)現(xiàn)北京、內(nèi)蒙、山西、新疆、西藏、青海、云南等七省區(qū)存在使用煤粉化鐵爐的記錄。
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Historical retrospect on pulverized coal blast furnace for smelting iron
ZHANG Ming
(Weihai Kexing Foundry Machinery Co., Ltd., Weihai 264205, Shandong,China)
China’s 1970 years history has been reviewed in detail pulverized coal blast furnace for smelting Iron including the historical background and details of technology evolution.
pulverized coal blast furnace; history
TG232;
A;
1 006-9658(201 6)06-0001-05
10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.06.001
2015-11-06
稿件編號(hào):1511-1119
張明(1958—),男,高級(jí)工程師,主要從事燃焦沖天爐、燃?xì)饣F爐的技術(shù)研究和項(xiàng)目規(guī)劃工作.