在現(xiàn)代鑄鐵件生產(chǎn)中，仍大多數(shù)采用沖天爐熔煉（單獨或與電爐雙聯(lián)），這是由于沖天爐具有綜合能耗低、能滿足大批量連續(xù)生產(chǎn)的要求、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等優(yōu)點。隨著環(huán)保技術(shù)、控制技術(shù)及鑄造焦技術(shù)等的發(fā)展與進步，沖天爐熔煉有進一步擴大的趨勢。
　　長期以來我國沖天爐是以冶金焦、地方焦（亦稱土焦）為燃料，嚴重制約了沖天爐熔煉技術(shù)、經(jīng)濟水平的提高，成為鑄鐵件生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。二十世紀八十年代初，我國在常規(guī)焦爐上研制、生產(chǎn)鑄造焦取得重大進展，形成了較大的生產(chǎn)能力，生產(chǎn)出各種級別的鑄造焦，制定了國家標準，并在鑄造生產(chǎn)應(yīng)用中也取得了顯著效益。然而用常規(guī)焦爐生產(chǎn)的鑄造焦（簡稱常規(guī)鑄造焦，下同）是以優(yōu)質(zhì)焦煤為主要原料，在資源上受到限制。同時生產(chǎn)鑄造焦的煉焦時間比冶金焦長一倍以上，故生產(chǎn)成本增高。如何利用貯量豐富、質(zhì)量優(yōu)良的無煙煤煉制焦炭，是廣大煉焦工作者的努力方向，也是鑄造工作者的期盼。隨著煉焦技術(shù)的發(fā)展，型焦技術(shù)日益成熟與完善，它是以弱粘性煤或無煙煤為主要原料配以少量的焦煤和粘結(jié)劑，成型后再進炭化爐煉制成焦。

　　1．沖天爐熔煉對焦炭的要求
　　鑄造型焦作為沖天爐熔煉的專用燃料，在研制工作中首先必須認識它在沖天爐熔煉過程中的作用，明確對它的要求。研究結(jié)果表明，在沖天爐熔煉過程中，焦炭的作用不僅是熱量的主要提供者（占95%以上）而且是鐵水過熱區(qū)中的主要傳熱介質(zhì)，過熱的熱量絕大部分是由焦炭直接傳遞給鐵水滴（占85%以上）；同時焦炭也是鐵水增碳和增硫的來源；除此之外，焦炭在熔煉過程中，處于燃燒高溫狀態(tài)下承受上部料柱的壓力，以保持整個熔煉過程的正常、穩(wěn)定、連續(xù)的進行。根據(jù)沖天爐熔煉過程中焦炭的作用，同時考慮到?jīng)_天爐結(jié)構(gòu)及操作特點，提出對焦炭如下要求：
　　1.1 固定炭含量較高
　　為了獲得高溫鐵水，要求爐內(nèi)高溫區(qū)的最高溫度達到1800℃左右。要求焦炭中固定碳含量較高（即相應(yīng)焦炭中灰份含量較低）。研究結(jié)果表明，焦炭中灰份降低1%，鐵水溫度提高10℃左右。國外甚至有固定碳含量達95%的鑄造焦。在提高固定碳含量的同時，爐內(nèi)鐵水增碳率隨之升高，爐料中的廢鋼用量也激劇增加，對于工業(yè)欠發(fā)達、廢鋼供應(yīng)緊張的發(fā)展中國家，必須注意這一問題。我國鑄造焦標準中，主要按焦炭中灰份含量的多少，分為三個級別，以適應(yīng)不同生產(chǎn)的需要。即便是二級鑄造焦的固定碳含量也在86%以上（灰份少于12%），遠高于原來使用的地方焦和冶金焦固定碳含量。值得指出的是，為了提高固定碳含量，要求煉焦原煤的灰份含量降低，生產(chǎn)成本也相應(yīng)提高。
　　1.2 塊度較大，強度較高
　　為保證沖天爐內(nèi)焦炭燃燒區(qū)內(nèi)的形成一定的高溫區(qū)，斷面溫度分布均勻，以利于鐵水滴充分得以過熱，獲得高溫鐵水，要求鑄造焦的塊度較冶金焦大。工藝上要求焦炭塊度為沖天爐爐徑的 ～ 。在投爐后，焦炭承受鐵料塊度的沖擊而破碎，爐內(nèi)焦炭實際塊度還會降低一些，因此要求焦炭強度較高。沖天爐焦炭的破碎主要是由于金屬料塊沖擊所致，故鑄造焦采用落下強度，與此對應(yīng)的是冶金焦主要承受磨擦作用而破碎，故采用轉(zhuǎn)鼓強度。為提高塊度和強度，在常規(guī)鑄造焦生產(chǎn)中主要措施是采用結(jié)焦性能好的主焦煤，同時延長結(jié)焦時間，減少煉焦過程中產(chǎn)生的焦炭裂紋。煉焦時間的延長，焦爐產(chǎn)率下降，生產(chǎn)成本則相應(yīng)升高，結(jié)焦性能好的主焦煤資源有限，價格較高，從而進一步提高生產(chǎn)成本。
　　1.3 含硫量較低
　　焦炭中的硫，在燃燒時一部分以SO2的形式隨煙氣排出，而大部的硫（主要是礦物硫和硫化鐵硫）都轉(zhuǎn)移到鐵水和爐渣中，大量生產(chǎn)統(tǒng)計結(jié)果是，焦炭中的硫有60～70%轉(zhuǎn)移到鐵水中。對于鑄鐵件生產(chǎn)而言硫是有害元素，尤其是球鐵、蠕鐵件生產(chǎn)危害更大。沖天爐內(nèi)不可能脫硫（高爐冶煉時爐內(nèi)脫硫），因此，鑄造焦要求硫盡可能低，考慮到我國實際條件，國家標準中要求硫含量低于0.8%（特級焦小于0.6%）。為了降低焦炭中硫含量，只有選用優(yōu)質(zhì)原煤及其它原料（如石油焦等），這在資源配置和生產(chǎn)成本均帶來不利影響。
　　1.4 反應(yīng)性能低
　　沖天爐熔煉過程是將金屬料塊熔煉成一定溫度和成份的鐵水，因此通常爐內(nèi)氣氛呈弱氧化性。高爐冶煉是將鐵礦石還原成鐵，故爐內(nèi)氣氛必須是強還原性的。為此要求鑄造焦的反應(yīng)性能要低于冶金焦。煉焦工藝上采取延長結(jié)焦時間等措施是降低氣孔率。鑄造焦反應(yīng)性能的降低，一方面能提高了高溫區(qū)的范圍，同時也提高了焦炭表面燃燒溫度，這些都是對鐵水過熱十分有利的。氣孔率的降低，在降低焦反應(yīng)性能（即焦炭與CO2的反應(yīng)）的同時，也降低了焦炭的燃燒速度（即焦炭與O2的反應(yīng)）。過分降低氣孔率會使爐內(nèi)焦炭燃燒不能形成相對集中的高溫區(qū)和獲得最高的溫度值，這對于鐵水的過熱十分不利。同時氧化區(qū)過于分散，事必造成爐內(nèi)氧化性增強，元素燒損率升高，這在技術(shù)上和經(jīng)濟上都是不合理的。

　　2．鑄造型焦的特點
　　常規(guī)鑄造焦是將經(jīng)選配的煤料，裝入（堆放或經(jīng)搗結(jié)）室式焦爐內(nèi)隔絕空氣加熱至1150℃左右，使其分解和熱縮聚過程最后形成焦塊，熄焦后而成。鑄造焦生產(chǎn)過程為30多小時（冶金焦為15小時左右）。煤料在分解時產(chǎn)生大量的煤氣、焦油等化產(chǎn)品的同時，融熔狀的煤餅逐漸縮聚，形成大小不等、分布無序的裂紋。鑄造型焦的生產(chǎn)與常規(guī)焦絕然不同。首先將各種原料分別進行粉碎，經(jīng)配料并攪拌均勻后，送入成型機內(nèi)加壓成型為半成品——生型，再將生型送入炭化爐內(nèi)加熱至1100℃左右，使其充分炭化冷卻后即成為型焦。
　　2.1 組織結(jié)構(gòu)特點
　　常規(guī)焦是由粘結(jié)性煤為主的煤餅在高溫下熔融成縮聚形成的焦塊。而型焦則是以無（或極小的）粘結(jié)性煤為主的顆粒，少量粘結(jié)性煤和瀝清分布在顆粒間，在高溫炭化過程中，分解縮聚將這些非粘結(jié)顆粒牢固的聯(lián)結(jié)成為型焦，其顯微組織結(jié)構(gòu)與常規(guī)焦有明顯的區(qū)別。常規(guī)焦為整體多孔結(jié)構(gòu)，而型焦為顆粒聯(lián)結(jié)的多孔結(jié)構(gòu)。
　　宏觀結(jié)構(gòu)也有顯著差別，常規(guī)焦為無定形塊狀結(jié)構(gòu)，塊內(nèi)存在分布無序的大小裂紋，是嚴重影響焦炭強度的主要因素。型焦外形尺寸均勻一致（園柱形，中心有孔），由于原料中粘結(jié)性煤的用量少，且均勻分布在無粘結(jié)性煤的顆粒之間，在高溫炭化時，熱縮聚分散、均勻，故型焦不存在較大的裂紋（尤其是貫穿性裂紋），這對提高型焦的強度（特別是落下強度）尤為有利。此外，每塊型焦的質(zhì)量均勻一致，不存在類似常規(guī)焦中的“焦頭”現(xiàn)象。
　　2.2 性能特點
　　在完成試驗室的試驗工作基礎(chǔ)上，中試生產(chǎn)了近二百噸二級鑄造型焦。并參照國家鑄造焦標準和試驗方法，進行了全面的性能測試，其結(jié)果如表一。表中數(shù)據(jù)充分說明，鑄造型焦的各項指標均達到和超過國家二級鑄造焦的要求，其中硫含量、落下強度和顯氣孔率甚至超過特級焦的要求。
　　表一
　　型焦最突出的特點是外形尺寸均勻一致，并有中孔。由于它不存在大的裂紋（尤其是貫穿性裂紋），故抗沖擊能力強，破碎率低且落下強度達到了96.8%，型焦投入沖天爐內(nèi)塊度均勻一致，對降低爐內(nèi)阻力，穩(wěn)定爐況均十分有利。型焦的硫含量為0.46%，它是因采用優(yōu)質(zhì)無煙煤為主的配方所至。我國煤炭資源中優(yōu)質(zhì)低硫主焦煤貯量十分有限，而優(yōu)質(zhì)低硫無煙煤貯量十分豐富，型焦的生產(chǎn)對國家資源配置無疑是有利的。考慮到型焦是顆粒結(jié)構(gòu)與常規(guī)焦結(jié)構(gòu)上的差異，較大幅度地降低顯氣孔率對控制反應(yīng)能力是必要的。
　　在型焦研制過程中，考慮到它的顆粒狀結(jié)構(gòu)特點，能否隨高溫條件（1200℃以上）料柱壓力而不會破碎，以保證沖天爐燃燒區(qū)的范圍和斷面氣流、溫度分布均勻均是至關(guān)重要的。為此，我們在試驗室條件下取樣進行高溫抗壓強度試驗。因目前尚無沖天爐內(nèi)焦炭熱強度數(shù)據(jù)可參考，為此我們只好用在生產(chǎn)中實際使用的多種焦炭作對比試驗。試驗結(jié)果如下：型焦40～70公斤/厘米2；冶金焦35～80公斤/厘米2；鑄造焦（一級）55～95公斤/厘米2地方焦30～68公斤/厘米2。型焦高溫抗壓強度與冶金焦相近，優(yōu)于地方焦，而比鑄造焦（一級）差；溫度升高對抗壓強度無明顯影響。
　　型焦轉(zhuǎn)鼓試驗時，主要的破壞型式是顆粒剝落，而并非成塊的破碎，從型焦組織結(jié)構(gòu)特點分析，造成顆粒剝落的原因有三個：其一是以粘結(jié)性煤和瀝清在高溫分解和熱聚合形成顆粒間的“連結(jié)膜”不完整，或強度不夠；其二是無煙煤顆粒物的本體強度不夠，造成顆粒破碎而脫落；其三是“連接膜”與顆粒物之間的結(jié)合強度不夠或結(jié)合面不夠所致。這些都是我們在今后進一步提高型焦質(zhì)量而探索的重點。
　　
　　3．沖天爐熔煉試驗
　　型焦能否滿足沖天爐熔煉的要求，只有通過生產(chǎn)試驗來作結(jié)論。中試生產(chǎn)的型焦塊度為Φ85×Φ85×Φ13，這種塊度適應(yīng)5 沖天爐的要求（爐膛直徑為Φ900mm）。為了全面考核型焦的性能，我們選定生產(chǎn)規(guī)模較大（每天熔化量為35噸左右）、機械生產(chǎn)流水作業(yè)、爐后機械化配料、檢測設(shè)備基本配套的宜昌紡織機械廠鑄造分廠的5 冷風沖天爐上進行。由于型焦與以往所用的常規(guī)焦差別較大，為保證工廠生產(chǎn)正常運行，產(chǎn)品質(zhì)量不受影響，試驗分三階段進行。
　　3.1 冷料試驗
　　型焦顆粒狀結(jié)構(gòu)，能否承受加料過程中鐵料塊的擊打而不粉碎，這是初次接觸這種型焦的人首先提出的疑問。為此我們進行了冷料試驗，具體方法是在修砌好的沖天爐內(nèi)（關(guān)好爐底門，不墊爐底砂床），用加料機首先加入100公斤焦炭（分別為型焦和塊度相近現(xiàn)場使用的常規(guī)治金焦），再用加料機加入550公斤生鐵塊（現(xiàn)場生產(chǎn)中批料為550公斤），使其直接擊打已投入的焦炭層，然后打開爐底門，清理投入爐內(nèi)焦炭，經(jīng)分篩其結(jié)果如表二。這一試驗與生產(chǎn)實際中焦炭投爐時所承受鐵料擊打的情況更惡劣（此時鐵塊下落高度近8米），確信型焦投爐后不會粉碎。

表二

　　對于型焦顆粒狀結(jié)構(gòu)特點，它的吸水性如何？吸水后強度是否下降？在工廠條件下進行了吸水性試驗，型焦吸水率為10.75%，常規(guī)焦吸水率為6.73%。結(jié)果表明型焦吸水率比現(xiàn)場常規(guī)焦高50%左右，這就要求型焦在貯存時必須防雨。干濕強度的對比是后來在試驗室中進行的，發(fā)現(xiàn)其強度稍有下降，但均在試驗誤差的范圍之內(nèi)。
　　3.2 部分投爐熔煉試驗
　　型焦能否保證沖天爐熔煉正常進行，對鐵水溫度，鐵水成份的影響如何？為保證工廠生產(chǎn)正常運行，產(chǎn)品質(zhì)量不受太多影響，也為下一步試驗積累經(jīng)驗，在現(xiàn)場沖天爐上采取逐步增加型焦用量進行熔煉試驗。其方法是在熔煉末期，分別加入10，20，30批型焦取代常規(guī)焦（共進行三個爐次）。試驗結(jié)果表明，用型焦取代原用的常規(guī)焦后，無不利影響。特別在批數(shù)增多時，鐵水溫度上升，風壓降低，風量增大，元素燒損和爐渣爐前試驗判斷均為稍好。通過這三爐次試驗，增強了試驗的信心，決定下一步進行全部用型焦進行熔煉試驗。
　　型焦雖為顆粒組織結(jié)構(gòu)，但氣孔率低，緊實度明顯高于常規(guī)焦，用木柴點火（現(xiàn)場是如此）能否將底焦點燃、燒透（某廠曾用過其它型焦時，發(fā)現(xiàn)點火困難問題）。為此我們按現(xiàn)場原有的點火操作進行試驗，結(jié)果底焦火點正常，時間比用常規(guī)焦時還稍有縮短。
　　3.3 對比熔煉試驗
　　在生產(chǎn)現(xiàn)場進行熔煉對比試驗，只能按生產(chǎn)原有的操作工藝（如底焦高度、層佳比、批料重等）不變的條件下進行。為了盡可能避免其它因素的干擾，試驗固定在一座沖天爐上進行（現(xiàn)場原為兩座沖天爐每天輪換使用），修爐操作盡可能保持不變。由于型焦供應(yīng)量有限，對比熔煉試驗只進行了各兩爐次（即型焦和現(xiàn)場常規(guī)焦各兩爐次）。其結(jié)果匯總?cè)绫砣�（詳細記錄見試驗總結(jié)）。
對比熔煉試驗匯總表

表三

　　通過對比熔煉試驗結(jié)果，我們可以初步得出如下結(jié)論：
　　1）使用型焦后，爐內(nèi)阻力減小，因沖天爐內(nèi)阻力主要由焦炭層所產(chǎn)生，型焦的塊度均勻一致，投料過程中破碎少，故爐內(nèi)阻力下降且波�。ㄐ徒篂�8.5～9.5×103Pa，現(xiàn)場常規(guī)焦為8.8～10.5×103Pa），相應(yīng)的風量也增大且波動�。�風量計壓差，型焦為170～180×10Pa，現(xiàn)場常規(guī)焦為145～170×10Pa）。這為穩(wěn)定爐況創(chuàng)造了良好條件，為提高鐵水溫度，減少鐵水溫度和化學成份波奠定基礎(chǔ)。
　　2）使用型焦后鐵水溫度顯著提高，在保持層焦鐵比為1：12.2的情況下，出鐵溫度比現(xiàn)場常規(guī)焦提高30～20℃，溫度波動少（型焦為30℃左右，現(xiàn)場常規(guī)焦為50℃）。這對于大批量流水線生產(chǎn)是十分有利的。由于現(xiàn)場生產(chǎn)工藝所要求的鐵水溫度在1420～1440℃，用現(xiàn)場常規(guī)焦時，熔煉中途常加接力焦（每爐次3～5批）。當用型焦時，不但不用加接力焦，為了控制鐵水溫度（溫度過高，流水線上澆注時易出現(xiàn)漏箱等事故），不得已還需扣除2～3批層焦（生產(chǎn)現(xiàn)場試驗，未調(diào)整自動稱重焦炭、石灰石的裝置）。
　　3）生產(chǎn)現(xiàn)場試驗，短期內(nèi)無法判斷元素燒損的變化數(shù)據(jù)，但從爐渣全鐵含量的變化可以初步作出判斷，型焦爐渣全鐵含量為2.56～2.96%，現(xiàn)場常規(guī)焦為3.74～3.97%。鐵水化學成份分析結(jié)果中還可看出爐內(nèi)增碳率升高。
　　4）在層焦耗相同的情況下，熔化率有明顯的升高，波動少，型焦的平均實際熔率為5.80～5.92 ，而現(xiàn)場常規(guī)焦為5.22～5.77 。在比較熔煉過程中的階段（以每十批為一階段）熔化率則可明顯看出其波動情況，型焦為5.24～6.00 ，現(xiàn)場常規(guī)焦為4.66～5.79 。由于是以加料時間計算熔化率，故可能因料面的差異造成一定的誤差，以上數(shù)據(jù)仍可說明其差別，熔化率的波動時大量生產(chǎn)水上澆注影響較大。
　　5）該廠沖天爐是采用爐缸虹吸出鐵、出渣，這種結(jié)構(gòu)在大量生產(chǎn)連續(xù)作業(yè)的沖天爐上應(yīng)用極為廣泛。生產(chǎn)中往往出現(xiàn)過轎堵塞或受阻，造成出渣不通暢，甚至出現(xiàn)短期中斷，爐內(nèi)渣面上升，嚴重時使下排風口被渣堵死。一但過橋通暢后，大量爐渣突然涌出，造成安全事故，同時鐵水化學成份也會出現(xiàn)波動。該廠在使用常規(guī)焦時，每爐次都會出現(xiàn)1～3次“涌渣”現(xiàn)象，但使用型焦時卻沒有發(fā)生，爐渣始終均勻平穩(wěn)地從渣口流出。
　　6）從打爐后的殘焦中發(fā)現(xiàn)，型焦的中心孔孔徑變化規(guī)律是，型焦開始燃燒階段（外徑由Φ80減少到Φ55左右時），中心孔直徑基本保持不變（仍為Φ13），但其后階段（從Φ55左右直至燒盡），中心孔急劇擴大。由此可以推斷在底焦上段焦炭燃燒時，因焦塊大，塊間的空隙大，氣流從型焦外表面流過。而當?shù)竭_底焦下段時，焦塊逐漸減小，焦塊間的空隙也隨之減少，氣流從外表面通過阻力增大，故氣流通過中心孔的量則逐漸增加。氣流在風口區(qū)氣流透入中心的可能性增加，有利于斷面氣流和溫度的均勻分布。
　　7）型焦的吸濕性遠比常規(guī)焦大，雖然對強度的影響不明顯，但對稱量的準確性是不利的，因此在運輸、貯存中必需采取相應(yīng)措施。此外，型焦的塊度均勻一致，在備料中可以不必篩分，同時也可避免因過大的焦塊（常規(guī)焦往往有個別大塊焦），造成料斗或稱量斗的“卡料”，為機械操作帶來便利。
　　綜上所述，鑄造型焦的生產(chǎn)，不僅解決了煉焦煤源的多樣化，國家資源的合理配置探索新的途徑，同時為鑄造焦的推廣使用創(chuàng)造了條件，為提高鑄件質(zhì)量打下了堅定的基礎(chǔ)。今后我們將進一步開展深入細致的工作，生產(chǎn)符合國家標準的各個等和各種塊度的鑄造型焦，以滿足不同鑄件要求、不同大小沖天爐的要求，為促進我國鑄鐵件生產(chǎn)作出貢獻。