1.1 天然气竖炉的熔化特性

天然气竖炉与燃焦冲天炉的结构和熔化过程非常接近，但其熔化特性相对于燃焦冲天炉有以下特点：
1）天然气竖炉内不存在焦炭，炉内铁液不存在增碳的可能性，铁液中的含碳量总是呈现下降趋势。碳烧损的质量分数与炉料中碳的质量分数有关，当炉料中碳的质量分数为3%时，碳的烧损率在5%左右；当炉料中碳的质量分数为4%时，烧损率在12%～13%左右。由于铁液中碳含量的原因，天然气竖炉一般很难成为独立的铸铁熔化设备，该炉需要与电炉组成双联熔化系统。
2）天然气燃烧的理论燃烧温度低于焦炭，天然气竖炉铁液的出炉温度一般低于燃焦冲天炉，一般在1400℃～1450℃之间。
3） 天然气竖炉的结构与熔化原理毕竟不同于燃焦冲天炉，其炉衬材料、炉料、加料、操作控制等，与燃焦冲天炉有明显区别。
4）天然气竖炉中硅、锰等元素的烧损率相当于燃焦冲天炉。表1为C、Si、Mn各元素在天然气竖炉中的一般烧损率，供参考。
表1天然气竖炉的元素烧损率

合金元素	C		Si	Mn
	炉料碳质量分数3%	炉料碳质量分数4%
烧损率 （质量分数/%）	5	12.5	13-18	20-25

1.2天然气竖炉结构

1.3 炉衬与炉料

1）炉衬及其修补
天然气竖炉水冷炉栅以上1 m 左右、炉栅以下的炉缸等处的炉衬，一般使用刚玉型耐火浇注材料或捣打料，其中包含一定量的炭化硅（SiC）和少量的TiO₂或Cr₂O₃。天然气竖炉预热段、烟囱段的炉衬材料，相同于燃焦冲天炉。天然气竖炉修筑炉衬时，需要使用捣打模或浇注模，用风镐或振动棒等工具对炉衬材料进行紧密捣振。炉膛中水冷炉栅、烧嘴等处孔洞，一般用直径适当的聚苯乙烯管材或钢管制作捣打或浇注模。刚玉型耐火材料在加热中有几次相变伴随明显的体积膨胀，在烘烤升温过程中必须严格遵守其升温、保温工艺曲线。天然气竖炉连续熔化15d后，需对炉衬进行一次修补。修补主要集中在水冷炉栅附近，炉栅以上的修补量大于炉栅以下。炉衬侵蚀量大的部位一般需要模具，用捣打料、浇注料修补。捣打料修补后需要特别注意逐步提高烘烤温度，防止温度突升引起所修补炉衬的散裂，前期用小功率进行预热和烘烤，持续烘烤最少为10h，然后在加料前改用大功率烘烤。修补量小的部位一般用可塑料修补，可塑料对烘烤温度和时间没有特别要求。水冷炉栅外表面用含Gr₂O₃ 的可塑料包敷、修砌，施工非常方便和快捷。
2）耐火球
天然气竖炉的水冷炉栅上需要铺垫一定厚度的耐火球（俗称陶瓷球）。耐火球对熔渣有一定的抗化学侵蚀能力，与铁液和熔渣之间不浸润，同时需有足够的高温强度。目前的天然气竖炉普遍使用直径150mm 的耐火球作为炉栅垫铺层，每个耐火球的质量约为3.8kg。耐火球在炉栅上的铺垫厚度在400mm～600mm之间。炉栅上耐火球的装填高度及批料中耐火球的加入量决定铁液温度。耐火球层的高度在500mm～600mm 时，铁液出炉温度在1500℃左右；高度在300mm～350mm 时，铁液温度在1400℃左右，以此类推。水冷炉栅上铺垫的耐火球厚度与燃焦冲天炉的底焦高度有类似的作用，耐火球层厚度越大，铁液温度越高，熔化率越低。需要的铁液温度越高，耐火球的消耗量越大。炉栅上铺垫的耐火球，可以使用上次熔炼结束后从炉内取出的旧耐火球。另外，可以用焦炭替代耐火球。
3）金属炉料与熔剂
天然气竖炉的金属炉料相同于燃焦冲天炉，包括生铁、回炉料、废钢等三种，但一般要求废钢的质量分数不超过金属炉料的20%。 天然气竖炉对金属炉料的纯净度及其稳定性有一定特别要求，否则容易导致熔化故障。金属炉料应该洁净、无泥砂杂质，全部经过抛丸处理。如果使用经抛丸处理的金属炉料，天然气竖炉尾气中的粉尘浓度可达10mg/m³ 左右。
熔剂的作用对天然气竖炉的平稳运行有至关重要的作用，忽视熔剂会导致该炉熔化的严重失败。天然气竖炉的熔剂包括石灰石、白云石、碎玻璃（玻璃瓶、建筑玻璃）等，其中碎玻璃的熔点比较低，与炉内物质作用容易形成低熔点炉渣。石灰石、白云石的粒度在25 mm～50 mm 之间。熔剂的加入量由金属炉料的清洁度决定，其质量分数一般为金属炉料的2%～6%。
天然气竖炉理想炉渣中各成分的质量分数分别为：50%～55% SiO₂、15%～20% CaO、10%～15% Al₂O₃、10% FeO，该成分炉渣的流动性。

1.4 熔化操作

天然气竖炉为装备有电脑控制系统的现代自动化设备，启动时会首先自动检测系统内各点的状态。例如，炉体环境中天然气的浓度，天然气、助燃空气、冷却水的压力，加料系统和其他部分的状态等。如果任意一个点存在安全隐患或有不正常状态，自动控制系统在发出声光警报信号的同时，一直处于闭锁状态，不能点火。
1）点火启动
天然气竖炉点火前必须首先启动鼓风机、冷却水泵，开启有关阀门，同时必须确认天然气、助燃空气、冷却水的流量和压力符合要求。水冷炉栅、水冷炉壁的冷却水流量、压力、温度、风量、风压，燃气压力等，可以通过工控机屏幕上的有关显示值加以确认。如果任一个参数存在问题，则燃烧系统不能点火，控制系统会自动给出故障提示。
点火时通过工控机操作界面，首先设定加热功率为额定功率的40%，开启鼓风机，按复位按钮消除所有报警。将其中一个烧嘴的选择旋钮切换到ON位置，然后将燃烧、点火旋钮切换到ON，烧嘴即自动点火，在触摸屏界面上可观察所选定的烧嘴是否点火成功。
烧嘴控制器在打开燃气先导阀后有一小段延时，因此点火变压器一般延时电点火。如果延时期间火焰检测器未检测到火焰，会导致烧嘴控制器锁定。如果一个或四个烧嘴处于锁定状态，可按红色的烧嘴复位按钮使烧嘴控制器复位。如果烧嘴点火期间烧嘴控制器反复锁定，表明天然气的压力不稳定、烧嘴的燃气阀门未打开；或者点火变压器连线错误；或者火焰检测器存在故障，需要根据具体原因逐一排除。
2）炉膛预热
天然气竖炉在加入金属料前，必须对炉膛、水冷炉栅上的耐火球进行预热。如果不经预热而直接加料熔化，铁液及炉渣极易凝固在出铁口导致熔化无法继续。     在炉膛预热前，确保燃气炉的出铁口、备用出铁口处于封堵状态。炉膛预热温度一般以耐火球层的温度为准，耐火球的预热温度至少要高出金属炉料熔点150℃。炉膛预热一般需要45min～70min，预热功率由小逐步增大。
炉膛预热期间，在加料平台上观察加料口的火焰可以判断燃烧是否正常。如果火焰高度为加料口的1/3，颜色为淡绿色，表明烧嘴燃烧良好；如果火焰长且呈黄色，表明CO含量高，天然气浓度过高；如果加料口没有火焰，表明没有CO及天然气浓度过低。
3）装料和加料
加料前首先将燃烧功率由额定功率的40%增加到70%，然后进一步增加到85%，同时设定在空气中加氧的体积分数，并将氧气供应旋钮打到自动档，当各烧嘴稳定燃烧后即可开始向炉内装料。
天然气竖炉前2 批炉料中一般不加入废钢，其后的批料中可按需要加10%～20%的优质废钢。天然气竖炉装料，加料动作必须连续、快速、平稳，一直将炉料加到冲天炉设定的料面高度。每100 kg 金属炉料中，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金属炉料中耐火球的量，取决于所要求的铁液温度，增加批料中耐火球的量，会逐步引起炉栅上耐火材料垫层厚度增加，有利于得到高温铁液。
在装料和加料过程中，需要特别注意炉内料面的平整性，防止料面倾斜导致某种炉料在炉内不均匀分布。耐火球很容易沿倾斜的料面滚落到炉膛某一侧，导致炉栅垫上耐火球层厚度不均匀。另外，熔剂必须均匀分布在金属炉料中，防止熔剂集中分布于炉膛某一侧。
如果熔剂在炉内分布不均，会造成炉膛某一侧炉衬材料的过度侵蚀，而另一侧的黏性熔渣会降低天然气竖炉的熔化速度及铁液温度。如果耐火球在炉料中分布不均，会引起炉栅上耐火材料垫层厚度不均、倾斜，导致熔化故障。
4）燃烧控制
天然气竖炉的助燃空气、氧气及所使用的天然气的流量必须经过精确的测量和控制，三种气体的流量必须符合燃烧学的一般规律，严格保持在预定的比例范围内，以获得的燃烧温度。在助燃空气内加3%～4%的氧气，有助于提高天然气的燃烧温度。燃气流量控制中至关重要的是，燃气不能过量供应，燃气过量会导致液态熔渣向上、穿过炉料层从加料口喷出，导致熔化无法继续。熔化期间的送风强度一般控制在45 m³/（min·m²）～55 m³/（min·m²）之间，否则熔渣很容易从加料口喷出。
在天然气竖炉的触摸屏控制界面上，可以设定燃烧功率、燃烧混合气体中天然气的体积分数、空气中加氧的体积分数等，控制系统可按设定的燃烧参数自动给定有关气体的流量。空气、天然气、氧气的流量除了系统自动控制外，也可以手动调节。
5）炉膛压力
批炉料加到炉内后，炉膛压力急速上升，后续加入的炉料导致炉压增加的幅度逐渐缓慢。当炉料达到预定料面后炉压达到值，随着料面高度的正常波动以及炉料的密度变化，炉膛压力在值附近缓慢波动。
炉压可以反映天然气竖炉的一些重要信息，在熔化期间不断地检查炉压非常重要。如果炉压急剧下降，表明炉内料位下降；如果炉压过高，表明燃烧功率设定值过高，可适当调低燃气炉的燃烧功率；熔化期间如果炉压增加，表明炉料的密度较大。如果燃烧功率下调后炉压仍然较高，说明炉料中的熔剂加入量过多或者过少，应该及时调整熔剂的加入量。如果熔剂加入量得不到及时调整，熔渣会从加料口喷吹出来，最终导致本次熔炼的终止。
6）出铁口监控
批炉料加入到炉内后大约30min，铁液开始从出铁口流出，炉渣在1h～1.5h 后流出炉外。炉栅上的耐火材料球直径变小后，从炉栅缝隙下落后进入炉缸，可能进入、阻塞出铁口（或称过桥口）。熔化期间确认出铁、出渣口畅通非常重要，如果出铁、出渣口阻塞，必须尽快疏通。如果出铁口频繁阻塞，可以加大出铁口尺寸。铁水流出过桥后，熔渣流出时间的长短，取决于过桥的有关尺寸，即出铁口的顶端与铁水流槽底之间的高度差。此高度差应尽可能小，以减少炉缸内积聚的熔渣量。
7）停炉操作
停炉前最后三批金属炉料中一般不加入废钢，以确保停炉后水冷炉栅上的耐火球床干净、无滞留的未熔化废钢。当批料加到炉内后，随料面逐步下降炉压开始逐步下降，在熔炼结束时炉压接近于零。停止加料后，只要熔渣不从加料口喷吹出来，几个烧嘴应尽可能满功率运行。
当出铁口无铁液流出时及时关闭氧气阀，同时将燃烧功率降低到额定功率的40%一直到*停止燃气供应。当炉缸内残留的铁液排出后，阻塞出铁口、打开备用出铁口进一步放出残存在炉缸内的少量铁液和炉渣。当炉缸中残留的铁液、炉渣被排放干净后，关闭天然气供应，继续保持鼓风机以70%的额定流量对燃气烧嘴进行30min 冷却，然后关闭鼓风机。
8）紧急情况处理
熔炼过程中不管什么原因出现紧急状况，首先降低烧嘴的燃烧功率到额定值的30%～40%，使得操作人员有足够的时间来评估、处理紧急情况。天然气竖炉可以在40%功率状况下持续1h，直至问题得以解决。
如果紧急状况需要*停止熔炼，必须首先停止天然气的供应，然后停止氧气、空气的供应。紧急状况处理完后，可以重新将烧嘴点燃，将燃烧功率恢复到额定值的40%，然后缓慢增加功率到预定值。