铸造合金及其熔炼---第5章 铸铁的熔炼

第五章铸铁的熔炼第一节：冲天炉熔炼的基本原理第二节：冲天炉强化熔炼的主要措施第三节：冲天炉熔炼过程中化学成分变化第四节：铁液的脱硫处理第五节：冲天炉熔炼过程的参数选择测量第六节：感应电炉熔炼第一节冲天炉熔炼的基本原理铸铁熔炼过程：料：Fe→C→Fe→C→底焦热：预热→熔化→过热→前炉→渣水分离→Fe水一：铸铁熔炼的基本要求要求：优质高产低耗长寿简便1、铁液质量高：铁液温度要高：1400-1500℃化学成分：波动范围小，C、S(50%)增加Si(10%-20%)、Mn(15%-25%)烧损2、高产：熔化率大（Ｑ）每小时熔化炉料的重量反应冲天炉的熔化能力与铸造能力相适用．公称值：1.2.3.5.8.10．3、低耗：燃料的消耗少铁焦比：α=m铁/m焦一般：８－10越高越好4、长寿：炉衬寿命要求5、操作简便自动化、机械化二、冲天炉的基本结构1炉底部分2炉体部分3炉顶部分4送风系统5前炉部分6辅助装置三、冲天炉焦炭燃烧的基本规律1、焦炭燃烧的一般过程1）加热着火2）动力燃烧3）扩散燃烧2、焦炭层中的氧化带图5-3Ｃ＋O2＝CO2393kJＣ＋1/2O2＝CO109kJCO＋1/2O2＝CO2284kJ△G﹤0自发进行图5-43、焦炭中的还原带CO2+Ｃ=CO-175kJ978K以上进行图5-4△G﹤0不需动力4、炉气燃烧比燃烧比：ηV＝CO2／(CO2+CO)ⅹ100%愈高愈好，但从热力学的角度看，不可避免的存在着CO，而且为了保证铁液质量，要求炉内成弱氧化性较好，因此，燃烧比一般控制在40%-60%范围内。四、冲天炉的炉气及炉温分布1、冲天炉内的炉气分布图5-5附壁效应2、冲天炉内温度分布图5-6炉气温度与CO2浓度有一致性，CO2分布如图5-7五、冲天炉内的热交换预热熔化过热炉缸1、预热带：以对流传热为主传递热量大，预热区高度变化大2、熔化区以对流传热为主，区域呈凹形分布，区域高度波动大（底焦燃烧下降）3、过热区1）以接触传热为主，2）传热强度大3）此区炉气温度、高度决定过热度大小△t=ah(tmax-tm)4、炉缸降温，焦炭不燃烧六、影响铁液温度的主要因素1、焦炭对炉内铁液温度的影响1）焦炭成分2）焦炭强度与块度块大，燃烧慢，热不集中，温度低块小，燃烧快，高温区短，不利过热一般，表5-33）反应能力焦炭还原二氧化碳的能力大，降温。要求低好。2、送风对冲天炉铁液温度的影响1）风量的影响图5-10大，强化燃烧，有利过热太大，焦炭燃烧快，料下落快，预热不足最惠送风量2）风速的影响快，强化燃烧，能吹到炉子中间较少附壁效应，但，过快，对碳有吹冷作用，降温图5-113）风温的影响强化焦炭燃烧，提高铁液温度，但，加剧还原反应，降低燃烧比图5-124）风中氧气浓度的影响有利提高温度3、金属炉料的影响纯净，块度：大，不利过热。小，不透风4、操作参数对铁液温度的影响1）底焦高度太高：焦耗大，熔化率低，铁液温度高太低：铁液温度低，氧化严重2）焦炭消耗量焦炭消耗量=层焦量3）批料量图5-13小：熔化时间短，熔化区小，过热区扩大，提高铁液温度太小：以造成铁焦混杂、串料，温度成分波动5、冲天炉结构参数对铁液温度的影响1）炉型的影响图5-14曲线炉膛：（1）提高送风强度（2）改善炉子中心的燃烧状况（3）提高冲天炉的熔化率2）风口布置的影响侧送风：单排、双排、多，风口下斜5-100中央送风第二节冲天炉强化熔炼的主要措施一、预热送风表5-41、作用：1）可提高铁液温度，减少焦耗2）缩短氧化区增大还原区，减少C、Si、Mn的烧损3）减小风口冷风区2、方法：内热式：热风胆图5-18（升温150-200℃）外热式：图5-17（升温400-500℃）3、热风胆要求：1）点火后底焦不能一次加入2）停炉前加入几批压炉铁，打炉后通风3）因故停炉，炉胆继续通风二、高氧送风1、作用：1）提高容化率2）提高铁水温度3）降低焦铁比2、方法：1）向风管中引入氧气图5-192）从风口吹氧3）炉缸处吹氧三、除湿送风1、影响：1）吸热、降温，2）氧化消耗C、Si、Mn，3）增加氢，恶化铁液质量2、除湿方法：1）用冷却器除湿，2）用吸湿法除湿第三节：冲天炉熔炼过程中化学成分变化一、冲天炉内冶金反应的基本规律1、冲天炉内炉气组成炉气：CO2、CO反应：Fe+CO2=Feo+CO2、冲天炉内炉气的性质炉气：CO2、CO是氧化、还原还要看二者比例，由图可知，炉气是氧化性的二、冲天炉内炉渣的形成及作用1、渣的成分（1）来源：1、炉衬剥落，2、炉料中杂质、灰份、粘结物等，3、炉料的氧化损烧，4、加入炉料中的熔剂（2）渣量：6-10%，（3）成分：SiO2CaOAl2O32、炉渣的性质：（1）组成：1酸性氧化物：SiO2P2O5Cr2O32碱性氧化物：CaOMnOMgO3中性氧化物：Al2O3Fe2O3（2）一般k=碱/酸=CaO／SiO20.8酸性0.8—1.2中性1.2—1.5碱性2.5高碱性3、渣的作用清除焦炭的灰渣，有利继续燃烧。清除渣滓，脱硫、磷三、冲天炉内铁液化学成分变化（一）含C量的变化1、Fe液增碳接触增碳D：扩散系数，与温度有关，温度高，快2、Fe液脱碳C+O2=CO2，C+CO2=COFeO+C=Fe+CO碳作用较强脱碳作用较弱3、影响铁液含碳量的主要因素理论上：铁液含碳量变化趋于饱和程度Co（共晶成分）。当Fe料低于Co时增碳，反之减碳。但同样条件下，含碳量愈低熔化后含C量也愈低。有前炉增碳量小，无前炉增碳量大。铁液含碳量与铁料含碳量之间的关系：ωc铁液=k+(1-α)ωc铁料ｋ增碳分数1.7%-2.0%，α脱碳系数0.4-0.6（二）含硅量含锰量的变化1、Fe液中Si、Mn氧化过程１）与炉气中的氧性气体直接作用：Si＋O2＝SiO2Si＋2CO2＝SiO2＋2COMn＋O2＝MnO2Mn＋CO2＝MnO＋CO２）与FeO作用发生间接氧化：Si＋FeO＝SiO2＋FeMn＋FeO＝MnO＋Fe主要氧化形式2、影响SiMn烧损的因素1）炉温：提高炉温可减少SiMn的烧损（因其烧损是放热反应）2）炉气：氧化性愈强（CO2愈多）愈易烧损3）金属炉料：Si、Mn含量愈高愈易烧损4）炉渣：酸性炉中Mn的烧损大，碱性炉中Si的烧损大3、冲天炉内SiMn烧损率Si烧损10%-20%Mn烧损15%-25%（易形成MnS烧损）Fe烧损1%-３%（三）含硫量的变化1、Fe液的增Ｓ来源：炉料、焦炭，2、影响增硫的主要因素1）炉料的含硫量含硫少，增硫快。2）焦炭的消耗率焦炭的消耗多，增硫多3）焦炭含硫量一般不大于0.8%3、影响铁液脱硫的主要因素1）提高炉渣碱度，增多炉渣2）提高炉温脱硫吸热3）增加炉气还原性FeS+CaO=CaS+FeO（氧化性大）（四）含磷量的变化基本不变第四节铁液的脱硫处理炉内脱硫、炉外脱硫一、炉内脱硫1、碱性冲天炉炉衬CaO、MgO特点：脱硫效果好，寿命短，少用水冷无炉衬冲天炉：脱硫效果较好2、脱硫剂：石灰CaO便宜、效果差、降温电石CaC2有加热作用、效果好、常用白云石（CaMg(CO3)2二、炉外脱硫苏打、电石、石灰1、苏打脱硫NaCO3—Na2O+CO2Na2O+FeS—Na2S+FeO降温、污染环境、现代少用。2、电石脱硫CaC2+FeS—CaS+Fe+C需搅拌、工艺复杂、现代常用。3、石灰脱硫CaO+FeS—CaS+FeO价格便宜、效果差、降温、要求高的出炉温度三、炉外脱硫方法1、气动脱硫喷射脱硫法图5-31吹气脱硫法图5-32多孔塞气动脱硫法图5-332、摇包脱硫法图5-34转包脱硫法图5-35第五节：冲天炉熔炼过程的参数选择及测量一、冲天炉熔炼操作参数的选择与计算焦耗、风量、铁液温度、熔化率1、冲天炉的网形图描绘：焦耗、风量、铁液温度、熔化率之间关系的实验图图5-36图5-37由图可知：由图可知：（１）当焦碳消耗量一定时：熔化率随送风量的增大而提高。铁液温度送风量的增大而提高但大到一定后要下降（２）当送风量一定时：焦碳消耗量增大，铁液温度提高，熔化率下降（３）若保持熔化率一定时：可以用高焦耗大风量操作，温度高。也可用低焦耗小风量操作，温度底。（４）若保持一定的铁液温度：可以用不同搭配的焦耗率和送风量达到即大焦耗、小送风，小焦耗、大送风。据上找出最佳工艺点：2、冲天炉的风量计算1）按最惠送风强度计算：q=Ｑ／Ｆ2）按焦碳消耗量和燃烧比计算：Ｑ＝4450/60(1+ηv)βαcＱ溶β焦炭消耗率，α焦炭中含固定碳量。3、冲天炉层焦量、层铁量的选定1）层焦量按炉膛内堆积厚度计算，（140-200mm）PK=Fhρ按层铁焦比计算PK=W层铁/KW层铁=1/10熔化率4、底焦高度的选择及控制（1）底焦：第一排风口至底焦的顶面（熔化带得上表面）之间的高度（2）高度：适当。1过高：熔化率降低，碳消耗增大，铁液温度稍高，但不合理2过低：熔化带降低，过热不足，温度低，易氧化。（3）高度确定：观察风口，开风6-8min见铁滴最合适，小于5min，太低。大于10min太高。观察炉衬的侵蚀高度。（4）控制：通过层焦来控制其高度。5、冲天炉熔剂量的计算石灰石、氟石经验：Pc=(0.2—0.4)Pk（层焦量）Pf=(0.2—0.3)Pc（有害少加）二、冲天炉的配料计算1、冲天炉用金属炉料：原生铁、废钢、回炉铁、铁合金等（硅铁、锰铁）2、计算方法：试算法、表格法、图解法、电子计算机计算。最常用：试算法3、原则：（配料）1）满足成分及力学性能要求2）立足我国及本地区现有原料3）多用回炉铁少用废钢及原生铁4）尽量减少炉料种类5）铁料以100kg搭配，核算后换算配料1、必须具有四个方面的原始资料1）铸件要求的化学成分2）各种炉料的化学成分3）熔炼中各种元素的增减率表5-9、104）在炉前加入元素的回收率表5-112、计算：1）计算炉料中各元素应具有的量X炉料=X铁液/（1+-η）元素C料=2（C铁液-1.8）2）初步确定炉料配比原生铁、废钢、回炉铁①首先确定回炉铁一般，HT在30%左右，QT、KT、RuT可稍低。②再确定原生铁、废钢的比例假设原生铁x%，回炉铁y%，则废钢100-x-y，设炉料的含碳量w%，而原生铁、废钢、回炉铁的含碳量分别是a、b、c，则有，ax+b(100-x-y)+cy=w100，可计算出原生铁的配比x，进而计算出废钢的配比100-x-y。③根据炉料配比核算其他成分确定铁合金的补加量铁合金配比=（料应有量-料实有量）/铁合金中含有量*回收率3）根据计算确定配料比，填写配料单配料单格式：冲天炉配料姓名----，时间----牌号：批料量：其中：原生铁、回炉铁、废钢、硅铁、锰铁。计算方法写出配料单：冲天炉配料单姓名------时间--------牌号：HT200批料量：300kg其中：Z18原生铁135kg，回炉铁120kg，废钢45kg，FeSi453.6kg，FeMn65C72.1kg