燃料炉控制技巧：竖式燃气加热引发化学反应

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：竖式炉的燃气加热方式容易引起炉内局温度部偏高，从而催生一系列化学反应。如炉内的O2和CO2在高温下都很容易与炉衬耐火材料的主要成分SiC反应而形成SiO2，这不仅加快了炉衬耐火材料的损耗，也造成铜液中夹杂大量的SiC和SiO2颗粒。因此，熔炼操作时应准确地控制熔炼温度，主要是通过控制燃烧速率来控制炉内各区段的温度。

1.反射炉

反射炉属于传统的火法冶炼设备，它是利用高温火焰的热量来熔化合金。传热的方式有两种：第一，加热到高温的炉顶、炉壁的辐射传热；第二，高温火焰的直接传热。反射炉的优点是结构简单、操作方便；对原料和燃料的适应性强；炉膛容量大，可熔化不易破碎的大块回炉料。主要缺点是熔体与炉气直接接触容易氧化；熔池表面积大使得挥发和烧损严重；熔体上下层没有对流，温度和成分不均匀，需采取强制搅拌措施；炉气带走的热量多，蓄热损失大，燃料和耐火材料消耗量都较大；生产的劳动强度大，设备占地面积也大。

反射炉的结构等可参考第1章。

2.竖式熔炼炉

竖式炉是一种与冲天炉相似的圆筒形熔炼炉，炉料从炉顶装入后与由下而上的炉气接触而融化。与反射炉相比，它最大的优点在于熔炼速度快，并且可以实现连续熔炼。其缺点是不能进行除杂质的精炼操作，要求使用低杂质的优质原料和低硫气化燃料。

（1）竖式熔炼炉的结构

竖式炉由炉基、炉体、燃烧系统、烟囱等部分组成，其结构可参考第1章中的内容。在炉顶上部侧面设置下料炉口，炉料经装料车由上部连续加入炉料。炉膛下部周围配置多个可控高速喷枪，通常以天然气、甲烷、丙烷或石油液化气等气体为燃料，若以低硫液体如煤油等作燃料，则需先汽化再使用。为防止烧嘴火焰中没有完全燃烧的氧将铜氧化，烧嘴上安有一个调节混合气体比例的装置，对进入烧嘴的燃烧气和空气的比例进行调节，使混合气呈弱还原性，使没有燃烧的氧对熔融铜的污染减至极小。喷枪喷出的高温火焰由下向上运动，炉料在下降过程中被火焰加热并在熔化室内熔化，随后形成液流经出铜槽流出。排出的炉气则经炉顶导入换热器，用于预热燃气和空气。通常炉子的内径比电解铜板的对角线稍大，或以能够装入阴极铜为原则。最初的竖式炉高6m，为了使炉料吸收更多的炉气余热以提高热效率，改进后的炉子高度有所增加。

（2）炉衬

竖式炉的炉衬最外层由高铝质可浇注耐火材料组成，中间层为高铝砖结构，最内层则通常由碳化硅或氮化硅材质的耐火砖砌筑。采用这种复合结构的炉衬既可以减少热量损失，又可以节约成本。表4-19列举了一些碳化硅材料的性能。

表4-19 一些碳化硅材料的性能

炉衬砌筑完成后经24h的自然干燥后即可烘炉。烘炉时，先用短时（半小时以内）低效率燃烧来预热炉衬和炉料。当炉料温度上升到熔点附近时，即可转换成高负荷燃烧以加快熔化速度。当炉子达到正常的熔化效率之后，随着炉料的增加，相应调整各个喷嘴的火焰并密切监视炉内状况和熔体质量的变化。

停炉时，燃料停供1～2min以后应停止出铜，用喷嘴继续向炉内供风以强制冷却炉料，应避免冷却而导致熔体过度氧化。

竖式炉的燃气加热方式容易引起炉内局温度部偏高，从而催生一系列化学反应。如炉内的O₂和CO₂在高温下都很容易与炉衬耐火材料的主要成分SiC反应而形成SiO₂，这不仅加快了炉衬耐火材料的损耗，也造成铜液中夹杂大量的SiC和SiO₂颗粒。因此，熔炼操作时应准确地控制熔炼温度，主要是通过控制燃烧速率来控制炉内各区段的温度。

炉衬最容易损坏的部位是炉膛最下层，也是温度最高的喷嘴周围的区域，当出现轻微的损坏时，可进行局部维修。温度较低的炉膛上部则主要遭受固体炉料的重力冲击，为安全起见，应根据炉膛容量和实际产量适时对炉衬进行中修和大修。

3.坩埚熔炼炉

鼓风式坩埚熔炼炉的结构可参考第1章的内容，它以燃烧焦炭释放的能量来熔化坩埚内的合金。坩埚置于填砖上，周围填满焦炭，燃烧所需的空气由鼓风机从坩埚底部送入。这类熔炼炉的成本较低，炉体结构简单，适合于规模较小的铜合金熔炼车间。由于焦炭燃烧时产生的火焰与熔体液面直接接触，导致温度难以精确控制，且合金质量较低。

除了焦炭等固体燃料外，柴油也是常用的液体熔炼燃料。此外，电阻坩埚熔炼炉则是利用电阻丝散发的热量来熔化合金。这两种熔炼炉的结构等均可参考第1章。

燃料炉控制技巧：竖式燃气加热引发化学反应

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