第七章 铸铁的熔炼

南昌航空大学铸造工程系第七章铸铁熔炼概述冲天炉熔炼的基本原理冲天炉内炉气与温度分布提高冲天炉铁水温度的措施冲天炉的冶金反应冲天炉熔炼的控制冲天炉铁水的炉外脱硫感应电炉熔炼南昌航空大学铸造工程系§7-1概述南昌航空大学铸造工程系铸铁熔炼的目的获得优质铁水优质铁水：合适的温度准确的成分少的含气量低杂质含量南昌航空大学铸造工程系冲天炉熔炼法优点经济简便、生产率高、成本低；连续生产。缺点成分不易控制；热量未充分利用；操作要有更高要求。铸铁熔炼的方法、特点及选择南昌航空大学铸造工程系优点可准确控制铁水成分；获得高温铁水；金属烧损较少，铁水质量较高；环境较好，劳动强度低。缺点耗电量大。电炉（电弧炉、感应炉）熔炼南昌航空大学铸造工程系（1）双联熔炼把熔化炉与保温（精炼）炉组合成一套熔炼设备装置。（2）三联熔炼把熔化炉、保温炉与精炼炉组合成一套熔炼装置。冲天炉—感应炉—电弧炉。适合于大批量、机械化生产。其它熔炼方法南昌航空大学铸造工程系§7-2冲天炉熔炼的基本原理南昌航空大学铸造工程系铸铁熔炼的基本要求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，具体要求如下：铁水质量高熔化速度快熔炼耗费少炉衬寿命长操作条件好冲天炉的基本结构1.炉底与炉基2.炉体与前炉3.烟囱与除尘装置4.送风系统5.热风装置南昌航空大学铸造工程系南昌航空大学铸造工程系南昌航空大学铸造工程系冲天炉熔炼原理与特点原理焦炭燃烧产生的热量将金属料熔化；金属液滴被炙热的焦炭过热。热量的传递上升的炉气将热量传给金属炉料。特点效率高，成本低，铁水质量差。南昌航空大学铸造工程系§7-3冲天炉内炉气与温度分布南昌航空大学铸造工程系热量的产生焦炭中的碳与风中的氧发生下列反应：C+O2=CO2Q=34070kJ/kg(C)2C+O=2COQ=10270kJ/kg(C)2CO+O=2CO2Q=23800kJ/kg(C)CO2+C=2COQ=-12628kJ/kg(C)南昌航空大学铸造工程系表征焦炭层燃烧完全程度的指标称为炉气燃烧比，用ηv表示：ηv=CO2/(CO2+CO)×100%ηv越大，表明焦炭燃烧越完全。ηv越小，燃料利用率越低，从充分利用能源的角度出发，燃烧比越高越好。炉气中CO与CO2的比越低，炉子对金属元素氧化越强，如ηv太高，则对金属的氧化性太强。因而冲天炉操作时，应有个合适的ηv值，不应追求太高的ηv。炉气燃烧比南昌航空大学铸造工程系焦炭是烟煤经粉碎、干馏后所得的残余物。组成固定碳＞80%以上；灰分：8-16%；其他成分——挥发物1.5%；S1.2%；水分7%。分类铸造用焦、冶金焦、地方土焦。要求除了对固定碳、灰分及其他成分要求以外，还要求块度大小合适，力求均匀；气孔率要小；反应性要低。焦炭的组成种类南昌航空大学铸造工程系炉壁效应冲天炉内的炉气有自动趋于沿炉壁流动的倾向。产生原因主要是由于炉内阻力分布不均匀造成的，其产生的结果是：炉壁附近的炉气流量大，流速高，而炉子中心则流量小，流速低。冲天炉内炉气的分布图7-2炉气与温度的分布炉内温度沿炉子高度的分布是不均匀的。炉气温度的变化与炉气中二氧化碳含量变化基本有一致的趋向。南昌航空大学铸造工程系冲天炉内温度的分布（续）冲天炉内靠近炉壁附近温度高，等温曲线呈下凹分布，即分布不均匀特点。（沿炉膛截面）图7-4南昌航空大学铸造工程系§7-4提高冲天炉铁水温度的措施南昌航空大学铸造工程系焦炭的质量固定碳的含量固定碳量越高放热量越大，高质量的焦炭中固定碳应大于90％。灰分含量灰分含量越少产生的渣量越少。硫含量铁水中硫主要来源于焦炭，故焦炭中硫含量越低越好。南昌航空大学铸造工程系反应能力C还原CO2的能力，反应能力越大，吸收的热量越多，炉温越低。焦炭块度块度越小，炉气越容易沿炉壁向上流动(炉壁效应)，使熔化区呈凸形，熔化区的平均高度下降，炉温降低。一般是块度越大越好。焦炭强度强度低，焦炭容易被破碎，无法抵抗料柱的压力。焦炭的质量（续）南昌航空大学铸造工程系焦铁比层焦比层焦量与层铁量的比值总焦铁比总焦量与总铁量的比值焦铁比越高，炉温越高，生产率越低。层焦量少时，无法补充底焦燃烧的损失，使底焦高度下降，铁水过热时间短，铁水温度下降。层焦量大时，使底焦过高，多余的焦炭被烧掉后金属料才开始熔化，炉料预热充分，铁水温度高。南昌航空大学铸造工程系风的影响—送风量风量小，焦炭燃烧不充分；风量大，底焦燃烧过快，底焦高度下降，风带走的物理热增多；结果是铁水温度下降。一般用送风强度(单位炉膛截面、单位时间的送风量)表示送风量，合适的风量为：100～140m3/(m2.min)南昌航空大学铸造工程系风的影响—风速风吹向炽热焦炭所起的作用：加速氧向焦炭表面的扩散；吹掉焦炭表面上的附着物；吹掉表面上的CO，使CO继续在气相中燃烧；气体带走热量，使焦炭表面温度下降；合适的风速：30～80m/s南昌航空大学铸造工程系冲天炉的风口(1)风口比风口的总截面积/主风口处炉膛的截面积。优质焦炭取较大值，否则取较小值炉堂内径/mm50060070080090010011001120风口比5～85～86～96～97～108～119～1212～15南昌航空大学铸造工程系1.基本概念：炉气燃烧比、炉壁效应2.铸铁熔炼的方法主要有哪些？3.提高冲天炉铁水温度的措施有哪些？4.冲天炉熔炼的加热原理是什么？5.冲天炉内温度变化和二氧化碳变化有什么关系？6.可锻铸铁的生产主要包括那两个步骤？7.蠕墨铸铁生产包括哪两个关键工艺？8.如果生产薄壁铸铁件,并要求较高的塑性和韧性,你认为采用哪一种铸铁比较合适，为什么?课前思考题南昌航空大学铸造工程系炉气分布与熔化区的形状冲天炉的风口—风口的位置南昌航空大学铸造工程系风口位置与炉气分布状态南昌航空大学铸造工程系改进炉膛形状南昌航空大学铸造工程系风温的影响(1)风温与铁水温度的关系风温越高焦炭的燃烧温度越高01002003004005001360140014401480152013601400144014801520铁水温度0C风温oC热风炉简况南昌航空大学铸造工程系富氧送风富氧送风：增加风中氧的浓度，强化焦炭的燃烧；风中氧的浓度增加4％，相当于400℃风温的作用。特点：控制方便、应用灵活、效果明显。南昌航空大学铸造工程系§7-5冲天炉内的冶金反应南昌航空大学铸造工程系1、组成O2、CO2、CO、N2、H2O、SO22、性质对Fe来讲，都是氧化性的（主要是O2、CO2）。3、作用炉气不仅是热交换中的传热介质，而且还是冶金反应中的氧化介质。冲天炉内的气相（炉气）南昌航空大学铸造工程系炉渣的成分分解而得到的石灰(CaO)其它夹杂物反应而形成低熔点的复杂化合物，即炉渣。主要成分是SiO2、CaO、Al2O3，占80-90%。性质分为酸性、中性和碱性炉渣。作用去杂质，不仅能清除焦炭表面的灰渣，有利于炉内的燃烧反应，并使焦炭在炉内冶金反应中起更大的作用。直接参与冶金反应，影响铁水成分的变化。冲天炉内的渣相南昌航空大学铸造工程系炉料中元素的变化规律碳、硫增加温度越高越严重。硅、锰烧损酸性炉衬时锰为15～25％，硅的烧损为10～20％，温度越高烧损越少。磷基本不变南昌航空大学铸造工程系含碳量的变化渗碳渗碳过程主要是焦炭中的碳不断溶入铁水,并在铁水内扩散的过程。脱碳在炉气中O2和CO2作用下碳的烧损。Si、Mn变化a.直接烧损Si+O2→SiO2+QMn+O2→MnO2+Qb.间接氧化烧损Si+2FeO→2Fe+SiO2Mn+FeO→Fe+MnOC、Si、Mn的变化南昌航空大学铸造工程系Ｓ的变化铁水接触炉气与焦炭增硫。部分硫会氧化烧失。P的变化磷的变化不大Ｓ、P的变化南昌航空大学铸造工程系§7-6冲天炉熔炼的控制南昌航空大学铸造工程系配料计算目的以铁水成分与温度为目标，确定生铁、废钢、铁合金、焦炭、石灰石等材料的比例。方法经验法凭借操作者的经验确定炉料的配比。配碳计算冲天炉内碳的变化最大，所以一般冲天炉的配料只计算碳量。精确配料－－计算机配料南昌航空大学铸造工程系炉前快速分析热分析－－测定碳当量凝固开始温度与碳当量有对应关系，测出冷却曲线后，由计算机算出碳当量。南昌航空大学铸造工程系炉前快速分析（续）快速金相在很短的时间内得到金相组织，由此确定孕育处理效果以及球化处理效果，由于时间相对较长，故很少使用。直读光谱可在1～3分钟内分析出十几种或几十种元素的含量，并且很准确，由于很贵，国内用的不多。南昌航空大学铸造工程系环保的治理二氧化硫的处理粉尘的去除氟污染的治理一氧化碳的处理二氧化碳排放量的控制南昌航空大学铸造工程系§7-7冲天炉铁水的炉外脱硫南昌航空大学铸造工程系冲天炉内的脱硫能力脱硫所需要的主要条件：高温、高碱度渣；铁水与渣要充分接触。冲天炉内的情况：铁水温度较低；铁水与渣的接触面积相对较小；酸性炉内不能造碱性渣，脱硫效果很弱。南昌航空大学铸造工程系脱硫剂与脱硫反应(1)脱硫剂：脱硫效果好的脱硫剂有CaC2与CaO(2)脱硫反应：CaC2+FeS→CaS+Fe+CCaC2+2CaO+3FeS→3CaS+3Fe+2CO↑南昌航空大学铸造工程系脱硫方法出铁槽连续脱硫南昌航空大学铸造工程系喷粉脱硫南昌航空大学铸造工程系§7-8感应电炉熔炼南昌航空大学铸造工程系感应电炉的结构南昌航空大学铸造工程系有芯感应电炉结构南昌航空大学铸造工程系感应炉熔炼原理与特点原理产生的感应电流使金属熔化与升温。特点效率低，成本高，铁水质量好。无芯感应炉适合于冶炼；有芯感应炉适合于保温(不能熔化固态金属料)。南昌航空大学铸造工程系(1)、碳、硅含量变化在酸性炉衬中，铁液脱碳增硅。(2)、锰的变化在酸性炉中，锰一般是烧损的，烧损量约为5%。(3)、磷、硫含量的变化磷、硫一般没有变化。感应炉中铁液成分的变化南昌航空大学铸造工程系温度成分均匀铁液的强力搅拌使成分与温度均匀。但与此同时，铁液中的杂质往往不易上浮去除，因而炉料应尽量洁净。铁液白口倾向大与冲天炉铁液相比，工频炉铁液的白口倾向大，易于产生过冷石墨，所得铸铁的强度与硬度较高。当碳当量相同时，工频炉铸铁的石墨化碳量比冲天炉铸铁的低。铁液质量南昌航空大学铸造工程系冲天炉与电炉双联冲天炉完成熔化任务电炉完成铁水的升温与调整成分特点：效率高；成本合适；铁水质量好。广泛用于球铁的生产。南昌航空大学铸造工程系1.基本概念：炉气燃烧比、炉壁效应2.铸铁熔炼的方法主要有哪些？3.提高冲天炉铁水温度的措施有哪些？4.冲天炉熔炼过程中铁液中碳、硫、硅、锰、磷的含量发生了什么变化？5.冲天炉与电炉双联的原理和特点？思考题