铸造合金及其熔炼(铸铁熔炼)

第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)1二、铸铁熔炼铸铁熔炼是铸铁件生产的首要环节，也是决定铸铁件质量的一项重要因素。它的基本任务是提供成分和温度符合要求，非金属夹杂物与气体含量少的优质铁液。对铸铁熔炼的基本要求可概括为优质、高产、低耗、长寿与简便等五个方面，即铁液质量高、熔化速度快、熔炼耗费少，炉衬寿命长及操作条件好。铸铁熔炼可以用冲天炉、非焦化铁炉、电炉、反射炉、坩锅或冲天炉与电炉双联等方法，其中以冲天炉熔炼的应用最为广泛。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)21.冲天炉的结构（图3-12）冲天炉的类型很多，但基本结构大体相同。常用的冲天炉由四部分组成：炉底部分、炉身部分（包括送风系统）、前炉部分、炉顶部分（烟囱及除尘系统）。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)3图3-12冲天炉结构简图1—炉脚2—炉底板3—炉底门4—风口窥视孔5—风箱6—耐火砖7—加料口8—烟囱9—除尘器10—风口11—过桥12—前炉盖13—前炉窥视孔14—出渣口及出渣槽15—出铁口及出铁槽第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)42.冲天炉操作工艺冲天炉的操作工艺是决定冲天炉工作效果的基本因素。它包括燃料与原材料的选用、操作参数的选定、操作过程中各环节控制等方面的内容。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)5（1）炉料的准备冲天炉的炉料由金属料、燃料及熔剂等组成。金属料有新生铁、回炉铁、废钢及铁合金等。所有金属料的质量必须符合规定要求，不同成分的金属料应分类管理，防止相互混杂。使用前应除污去锈并破碎。新生铁、回炉铁、废钢等金属料的料块最大尺寸不应超过炉径的1/3，重量不应超过批料重的1/10～1/20，废钢屑应压成团块后使用，以防氧化。铁合金的块度以40～80mm为宜。块度过大，易造成成分不均；块度过小，易串料。焦炭的质量和块度大小对熔炼质量有很大的影响，必须符合规定。用于底焦的块度应大些，以100～150mm为宜，层焦可小些。冲天炉造渣用的熔剂有石灰石（CaCO3）、氟石（CaF2）等。熔剂的块度一般为20～50mm。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)6（2）修炉与烘炉一般冲天炉，每开一次炉、炉衬都要受到很大的侵蚀和损坏，在下一次开炉前必须进行修理。修炉时，先铲除炉壁上的残渣挂铁，然后刷上耐火泥浆水，将事先混制好的耐火泥和硅砂混和料覆上，用木锤打实。修好的炉壁必须紧实，尺寸正确，表面光滑。风口的位置、尺寸和斜度必须完全符合图纸要求。最后，合上炉底门，先放一层干砂，再放一层型砂，分别均匀捣实，其厚度为200～350mm。修炉完毕，用木柴或烘干器慢火充分烘干前、后炉。前炉必须烘透，以保证铁液温度。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)7（3）点火与加底焦烘炉后，加入木柴，引火点着，并打开主风口、出铁口、出渣口。待点火木柴全部燃着后，加入质量分数为40%的底焦，待全部燃着后，从风口将底焦捣实，再加入质量分数为40%的底焦，鼓风几分钟，并测量底焦高度，再加入剩余焦炭，调整底焦至规定高度。这里所谓的底焦，是指装入金属料以前加入炉内的全部焦炭量；而底焦高度则是从第一排风口中心线，至底焦顶面为止的那一段高度，炉缸内的底焦量不包括在底焦高度内。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)8（4）装料与开风加完底焦后，加入石灰石，其加入量为批料中石灰石量的两倍。然后加入一批金属料，以后的加料顺序为焦炭、熔剂、废钢、新生铁、铁合金、回炉铁。批料中石灰石的加入量约为层焦重量的20%～50%。批料应一直加到加料口的下沿为止，并在熔化过程中，使料柱始终保持这一高度。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)9层焦的作用是补充底焦的消耗，以维持底焦高度不变。当层焦不能补充底焦的消耗时，每隔若干批料可多加一批层焦，这层焦炭称为补焦或接力焦。如果发现铁液温度超出正常温度而熔化速度降低，则可能是底焦高度过高。反之，则可能是底焦高度过低。装料完毕后，自然通风30min左右，即可开风。开风时，仍应打开部分风口，待鼓风机运转正常后方可关闭，以免一氧化碳积聚引起爆炸。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)10（5）熔化与出渣在正常熔化过程中，应严格控制风量、风压、不得随意停风。按规定及时取样，测量铁液温度、风量、风压、风温等。经常观察风口、出渣口、出铁口、加料口，注意铁液、炉渣质量，风量、风压、三角试块白口变化。及时发现和排除故障，保证熔化正常。应按时打开出渣口出渣，一般每隔30～45min出一次渣。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)11从炉渣的颜色、状态可以判断冲天炉的熔化质量。观察酸性冲天炉炉渣时，一般用铁棒蘸些炉渣，抽拉成丝，在亮处观察。炉况正常的炉渣为黄绿色玻璃状。炉渣呈深咖啡色，说明铁液含硫偏高；炉渣上带白道或白点，说明石灰石加入量过多；炉渣呈黑色玻璃状，致密、密度大，说明铁液已严重氧化。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)12（6）停风与打炉停风前应根据铁液需求量和存铁量估算好正常投炉批料数；正常加料完毕后应加二批打炉料。停料后，应适当降低风量、风压、保证最后几批料的熔化质量。前炉存铁量足够时即可停风，待后炉铁液出完后即可打炉。对于热风炉胆冲天炉，打炉时不能停风，以冷却炉胆。打炉前，应在炉底铺上干砂不能有积水或潮湿。打开炉底门，用铁棒将底焦和未熔炉料捅下，用水浇灭。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)133.冲天炉熔炼的一般过程冲天炉熔炼的一般过程是：冲天炉开风后，由风口进入炉内的空气与底焦发生燃烧反应，产生热量。由此而生成的高温炉气穿过炉料向上流动，对炉料加热，并使底焦顶面上的第一批金属炉料熔化。熔化的铁滴，在穿过底焦层缝隙下落过程中，被高温炉气和炽热的焦炭进一步过热，然后经炉缸和过桥流入前炉。随着底焦的燃烧损耗和金属炉料的熔化，料层逐渐下降，由层焦补偿底焦，批料不断熔化，使熔炼过程连续进行。在炉气的热作用下，石灰石分解成二氧化碳和石灰。后者与焦炭中的灰分和侵蚀的炉衬结合成低熔点的炉渣。在炉气、焦炭和炉渣的作用下，金属的化学成分发生一系列变化，得到最终化学成分的铁液。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)144.冲天炉熔炼基本原理由上述冲天炉熔炼的一般过程可知，冲天炉熔炼是由底焦燃烧、热量交换和冶金反应三个基本过程组成。（1）底焦燃烧1）氧化带和还原带冲天炉内的燃烧过程是在底焦中进行的，根据焦炭燃烧的化学反应，可将底焦燃烧划分为氧化带、还原带两个反应区段，见图3-13。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)15图3-13冲天炉熔炼过程原理图第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)16氧化带——从主排风口到自由氧基本耗尽，二氧化碳浓度达到最大值的区域。该区域发生下列反应：C+O2=CO2+Q1C+1/2O2=CO+Q2CO+1/2O2=CO2+Q3第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)17以上均为氧化放热反应，根据上述反应及图3-13可见，在氧化带内：①焦炭燃烧生成的炉气，既有二氧化碳，也有一氧化碳，但主要是二氧化碳。②从主排风口开始，随着炉气的上升，反应不断进行，炉气中的氧逐渐减少，二氧化碳不断增加。当上升到氧化带顶面时，炉气的氧基本耗尽，氧化反应终止，二氧化碳达到最高值。③由于上述反应放出大量的热量，因此上升的炉气温度也不断增高，并于氧化带顶面达到最高点。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)18还原带——从氧化带顶面至炉气中二氧化碳和一氧化碳含量基本不变的区域。该区域中，二氧化碳与高温的焦炭发生还原吸热反应：CO2+C=2CO-Q4第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)19图3-13表明，在还原带内：①随着还原反应的不断进行，炉气中的二氧化碳逐渐减少，一氧化碳不断增加，炉气温度随之下降。②当炉气上升到底焦顶面时，与下降的金属铁料和层焦相遇，由于熔化金属料，预热焦炭使炉气温度继续下降。此时，还原反应也基本停止，二氧化碳和一氧化碳的含量不再改变。③还原带以上到加料口下沿，炉气在上升中成分不再变化，温度因预热炉料而不断下降。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)202）燃烧系数在炉气中，二氧化碳的比例愈大，焦炭的燃烧就愈完全，焦炭的热能就愈得到充分利用。同时表明炉气的氧化性也愈高，炉气中二氧化碳和一氧化碳的比例关系通常用燃烧系数ηv表示：式中CO2、CO——分别为炉气中CO2和CO的体积分数%。ηv愈大，焦炭的燃烧愈完全。但是，为了减少硅、锰等元素的氧化烧损，保证铁液冶金质量，炉气中要有一定数量的一氧化碳。所以，燃烧系数也不能太高。100%COCOCOvη22第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)213）炉气分布炉气在冲天炉内的分布是很不均匀的。炉气在上升过程中有自动趋于沿炉壁流动的倾向，这种现象称为炉壁效应。见图3-14。图3-14冲天炉内炉气分布示意图a）炉气沿炉膛纵截面分布b）炉气沿炉膛横截面分布第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)22炉壁效应是由于炉内阻力不均匀造成的。由炉料与炉壁形成的通道，因炉壁平滑、行程短、曲折少，阻力也就小，因而炉壁附近的炉气流量大，流速高；而炉料之间的气流通道，由于炉料互相楔合，曲折多、流程长，阻力也就大，因而在炉子中心部位炉气流量小，流速低。致使炉气自动趋于沿炉壁流动。见图2-7a。在冲天炉横截面上，见图2-7b，在风口前缘，因空气流速高，流量大，形成了强烈的燃烧区，而在两个风口之间的区域空气量少，形成“死区”A。此外，因焦炭块的阻力，使空气难以深入炉子中心，因而亦形成“死区”B。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)23这种炉气分布的不均匀，直接造成底焦燃烧不均匀，炉温分布不均匀，给熔炼带来不利影响。如：不易形成集中的高温区，不利于铁液过热；铁料熔化不均匀，料柱不能平稳下降，容易混料，影响铁液成分；增大炉壁的散热损失，降低炉子的热效率；加速炉衬侵蚀。因而，应设法防止或改善。可采用适当增大焦炭块度，改变送风方式（小风口送风、中央送风、插入式送风等），采用曲线炉膛等措施。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)24（2）热量交换冲天炉的热量交换是在高温炉气向上运动，固体炉料和液态铁液向下运动的过程中进行的。根据炉气温度和炉料、铁液的受热状态，可将冲天炉纵向划分为预热区、熔化区、过热区和炉缸区四个区域，见图3-13。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)25图3-13冲天炉熔炼过程原理图第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)261）预热区从加料口下沿料面到铁料开始熔化这段高度为预热区。预热区的炉料在下降过程中，与上升的炉气之间的热交换方式以对流为主，金属料逐渐被加热至熔化温度。预热区高度受有效高度、底焦高度、炉内料面的实际位置、炉料块度、炉料下落速度、炉气分布、铁焦比等许多因素的影响，波动很大。其中金属料的块度特别重要。金属料的块度愈大，预热所需的时间愈长，预热区高度愈大，严重时金属料块可能进入风口区，造成“落生”现象，妨碍冲天炉的正常操作。因此应限制金属料的块度。但金属料的块度也不能过小，以免造成严重氧化。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)272）熔化区从铁料开始熔化到熔化完毕，这一区域叫熔化区，实际上也就是底焦顶面高度的波动范围。熔化区内炉气与铁料之间的热交换方式仍以对流为主。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)28受炉壁效应的影响，熔化区炉气与温度分布是不均匀的，靠近炉壁处温度比炉子中心高，所以，熔化区不是一个平面区带，而是呈中心下凹的曲面。见图3-15。1—熔化区上沿2—熔化区下沿图3-15熔化区形状第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)29由于预热区的高度变动大，使熔化区的开始位置也随之有较大的波动。熔化区本身的高度则受到炉气与温度分布、焦炭烧失速度、批料重量、炉料块度等因素的影响。这些因素的变动，使铁料的受热面积、受热时间和受热强度发生改变，从而造成熔化区高度的较大波动。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)303）过热区铁料熔化后铁液滴在下落过程中，与炽热的焦炭和高温炉气相接触，温度进一步提高，称为过热。铁液经过的这一区域称为过热区。过热区内的热交换方式以接触传导传热为主。焦炭表面燃烧温度对热交换效果有着重要影响，所以，强化底焦的燃烧和提高底焦高度，是提高过热效