合金材料与熔炼05资料

合金材料及熔炼蔡启舟Tel:027-87558190Email:[e-mail]材料成型及控制工程专业选修课2第四章铸造合金的熔炼3优质铸件获得的基本条件合格成分高质量的铸型优质的合金液严格的检验4铸造合金的冶炼方法选择依据：质量,效率,成本金属名称熔炼方式及设备铸铁冲天炉、电炉(工频,中频,电弧炉)铸钢电弧炉、中频电炉铝合金电炉(工频,中频,电阻炉)、油炉、焦炭炉铜合金电炉(工频,中频,电阻炉)、油炉、焦炭炉5优点:成本低(为电炉1/3),效率高(最大100t/h)缺点:温度及成分不可调,增硫夹杂物增多用于铸铁(灰铁、球铁、蠕铁等)4.1冲天炉熔炼6冲天炉熔炼炉料燃料——焦炭铁料——生铁、回炉料、废钢、硅铁、锰铁辅料——石灰石7冲天炉熔炼过程主要包括燃烧过程、热交换过程和冶金反应过程84.1.1冲天炉的燃烧过程(1)焦炭的燃烧反应焦炭由两部分组成：底焦——炉底以上(1~2)m厚的焦炭层，层焦——它与金属炉料及熔剂分批分层加入炉内。开始送风后，空气经风口进入炉内只与底焦层中的焦炭发生燃烧反应，而层焦只处于预热、干燥及挥发物排出过程，而未发生燃烧反应。层焦与底焦层接触后，一方面补充底焦，另一方面也开始发生燃烧反应。9冲天炉内炉气成分与温度沿高度变化氧化带的燃烧反应22C+O=CO+408841J/mol22C+O=2CO+123218J/mol222CO+O=2CO+285623J/mol氧气较少：不完全燃烧产物与O2反应：10还原带的燃烧反应：2CO+C=2CO-162406J/mol11(2)焦炭燃烧特点及其影响因素铸造焦：一般铸造焦的固定碳含量80%，灰分7%~14%，硫分0.8%，挥发分2%，以及水分。12影响冲天炉内焦炭燃烧过程的因素，主要是送入炉内空气的数量和质量(即温度，含氧量等)，焦炭的质量(即灰分、块度等)①焦炭质量的影响焦炭灰分含量、灰分组成焦炭的块度焦炭的强度反应能力气孔率及气孔形态特征13②空气对燃烧过程的影响送风强度(送风量大小，m3/m2·min)空气温度空气中的含氧量空气湿度22C+HO=CO+H-130720J/mol14(3)炉气燃烧比2V2CO=100%CO+CO2CO+C=2CO-162406J/mol燃烧比越小，燃料的利用率越低，化学热损失占全部发热量的份额也就越大。15(4)冲天炉的底焦高度变化规律在冲天炉正常稳定熔炼时，每熔化一批金属炉料底焦高度因燃烧而降低(h)，当这批料熔化完毕时，批料上的层焦则补充到底焦顶面。若层焦的厚度正好为(h)时，底焦顶面又回复到原来的高度，这样不断的反复保持了冲天炉稳定正常的连续熔炼。因此，正常熔炼的底焦高度始终在层焦厚度(h)范围内波动，其平均底焦高度稳定不变。当冲天炉送风量或焦耗变化时，则底焦高度必然变化，进而使熔炼过程相应变化。16若风量不变、层焦用量增加时(即焦耗增大)，原来熔化一批金属炉料消耗的底焦少于补充的层焦，使底焦高度上升，但这样并不会造成底焦高度无限升高，经过3~5批料后，底焦高度会在一个新的高度上稳定下来。当层焦量减少时，底焦高度会逐渐下降，经过3~5批料后，底焦高度也会在某个较低的高度上稳定下来。所以通过改变层焦加入量可以调整底焦高度，并控制和调整熔炼过程。17冲天炉焦耗不变时，当送风量增加时，燃烧速度加快，熔化一批料所消耗的底焦量增多，若层焦量不变时，必然造成底焦高度会逐渐下降，通过3~5批料的过渡以后，增加送风量所燃烧的焦炭量与补充的层焦量相等，底焦高度就会重新在某个较低的高度上稳定下来。当送风量减少时，由于消耗的底焦量少于层焦补充量，底焦高度就会逐渐升高，通过3~5批料过渡后，底焦便在某个较高的高度上稳定下来。184.1.2冲天炉的热交换过程(1)预热区的热交换(QkAtt气料）炉气给热以对流传热为主Q—炉料吸收的热量；k--对流换热系数，A--料块表面积，τ--炉料在预热带中的停留时间t气，t料—分别是炉气温度和炉料温度。19(2)熔化区的热交换熔化区的热交换：块状固体与1300℃左右的炉气进行的热交换仍然是在料块表面进行，并以对流换热方式为主。其影响因素和预热区相同，只是料块温度始终保持不变，料块在熔化带停留的时间较短(6~12分钟)。为了尽可能减少因炉料的熔点差异造成熔化带范围太大，造成铁水成分波动带来的不利影响，在操作工艺上对不同炉料块度分别作了限制(如废钢块度比回炉料块度要小)，在加料顺序上也作了规定(如先加废钢后加回炉料)。20(3)过热区的热交换1234()QAtkkkkA——换热面积；τ——换热时间，与实际底焦高度有关；Δt——温度差，即热源(炉气或焦炭表面)与液滴之间的温度差；k1、k2、k3、k4------分别为炉气对流、炉气辐射、焦炭辐射和接触换热方式的换热系数。2122(3)汇集区的热交换当液滴通过过热区后，即进入炉缸区(下排风口平面至炉底面区域)，由于该区没有燃烧反应所必须的空气和CO，因此．不可能进行氧化反应和还原反应，焦炭既不放热也不吸热。但进入汇集贮存区的铁水温度将因炉壁和炉底耐火材料吸热而降低。通常铁水在炉缸、过桥和前炉内降温约(60~100)℃，对于贮存时间较长或小型冲天炉的降温更为严重。23从以上分析可知：过热区是冲天炉热交换最薄弱的环节。冲天炉的总热效率为35%左右，其中预热带热效率为50%~60%，熔化带为50%左右，但过热带的热效率仅为6%~8%。因此，几乎所有冲天炉的强化措施，无论是从工艺或结构还是其它方面的措施，都是围绕着提高过热区热效率进行的。虽然如此，如果预热区和熔化区的热交换过于薄弱，使块料预热不充分，熔化位置低于正常高度，导致过热高度缩短也会影响总过热效率，故对这两个区域也都应重视。244.1.3冲天炉的冶金反应(1)冲天炉各个区域的冶金反应22234Fe+CO=FeO+CO3Fe+SO=FeS+2FeO10FeO+SO=FeS+3FeOFe+CO=FeO+C①预热区金属炉料与炉气中的CO2、CO、SO2等气体接触，在料块表面发生如下反应：若金属炉料质量很差(如比表面积大的轻薄料、切屑等的用量大)，上述反应则不能忽视，特别是铁的氧化和增硫反应。2522222Fe+CO=FeO+COMn+CO=MnO+COSi+2CO=SiO+2COC+CO=2CO②熔化区块料逐层熔化，其表面与炽热炉气接触，冶金反应强烈。这些反应造成金属的化学成分发生变化。尤其是当底焦高度过低时，炉气中的CO2含量较高，上述反应更为剧烈，使金属严重氧化。26222222C+O=COFeSiMn+O=FeOSiOMnOS+O=SO或、或、③过热区在与炽热的焦炭表面接触时发生下列传质过程：CCFeSFeS焦金焦金当金属液滴通过过热区时，一方面是表面积大、液滴内外扩散及对流容易进行。因而成分易于均匀；另一方面液滴不仅与炉气及炽热的焦块表面接触，而且与炉渣滴接触。因此，除与CO2发生反应外，在氧化带还发生下列冶金反应：272Si+2FeO=SiO+2FeMn+FeO=MnO+Fe当液滴与沪渣滴接触时，炉渣中的FeO与液滴中的组分发生下列反应：这两种反应对于Si、Mn而言是氧化反应．而对Fe而言则是还原反应。由于Si、Mn元素含量少，对铸铁的性能影响大，价格高，故在实际生产中还是将上述反应归为氧化反应之列。28④炉缸内2FeO+C=Fe+COSiO+2C=Si+2COMnO+C=Mn+CO该区没有气体流动和燃烧反应，炉气中几乎没有O2和CO2，只有CO和N2存在，故液滴和铁水只与焦炭、炉渣和炉气中的CO接触。此时除焦炭、炉渣的氧化和溶解外，没有CO2，O2的氧化反应。但当温度等因素合适时可能发生下列还原反应：冲天炉熔炼过程的主要反应是Fe、Si、Mn与CO、CO2、O2、FeO及C之间的氧化还原反应、其它反应都处于次要地位。29(2)冲天炉熔炼过程中合金元素的变化规律①炉渣冲天炉内炉渣来源于炉衬的侵蚀、焦炭的灰分、炉料带入的杂质、金属元素烧损所形成的氧化物以及加入炉内的熔剂(CaCO3)。石灰石(CaCO3)在高温下分解而得到石灰(CaO)，CaO和其它夹杂物反应而形成低熔点的复杂化合物，即炉渣。冲天炉内的渣量一般占金属料质量的6~10%。30酸性：SiO2、P2O5碱性：CaO、MgO、MnO、FeO中性：Al2O3、Fe2O32CaO%+MgO%SiO%R31②含碳量的变化铁水的增碳——铁滴和焦炭接触界面上。[C]+O2→CO2+Q[C]+CO2→2CO–QFeO+[C]→[Fe]+CO-Q铁水的脱碳——炉气对铁水的直接脱碳和炉气通过FeO对铁水的间接脱碳。32在冲天炉熔炼过程中，由于炉料含碳量通常低于铸铁的共晶碳量，因此一般总是增碳的。凡是有利于提高铁液温度，增加铁液与焦炭接触的时间和面积，减弱炉气氧化性的措施，都将有利于增碳。冲天炉内铁液的增碳起因于铁液与焦炭的直接接触。当采用煤粉化铁和天然气化铁等铁液不接触焦炭的熔炼方法时，往往非但不增碳，甚至反而会减碳。因此，采用煤粉化铁是变增碳为减碳的一条重要途径。33③含硅量和含锰量的变化在冲天炉熔炼中，硅和锰的正常烧损认为是不可避免的。但应掌握它们的烧损规律。在正常熔炼条件下：酸性冲天炉硅的烧损率为10~15%，锰的烧损率为15~20%。碱性冲天炉硅的烧损率为20~25%，锰的烧损率为10~15%。34④含硫量的变化铁液中硫的来源有两个途径，一是炉料中固有的硫，再就是铁液从焦炭中吸收的硫分。酸性冲天炉熔炼条件下不具有脱硫的能力。碱性冲天炉，特别是预热送风碱性冲天炉熔炼，能有效地脱硫。所以，在一般的酸性冲天炉中，铸铁经熔炼后，含硫量往往是增加的。35⑤含磷量的变化冲天炉熔炼中，磷的变化不大。既不渗磷，也不能去磷。在一般酸性冲天炉内，这些元素的变化趋向是：碳、硫增加，硅、锰烧损，含磷不变。这些元素变化的大小，取决于炉料、焦炭、炉气与炉渣的状况，以及它们在具体操作条件下的相互作用。值得注意的是，铁液温度对铁液成分的变化具有决定性影响，高温是控制碳量、减少硫量、降低烧损的基本条件。所以，从实际情况出发，正确处理降低焦耗与减少熔耗的矛盾，是完成冲天炉熔炼任务必须解决的根本问题之一。364.1.4冲天炉强化熔炼的主要措施(1)预热送风预热送风是强化冲天炉熔炼的有效措施之一。热风能够强化底焦燃烧，提高炉温，从而提高铁液温度。37采用热风使炉温提高，不仅可以减少硅、锰等合金元家的氧化烧损，而且可以提高增碳率，降低增硫率，特别是高温热风时效果尤为显著，因此，采用高温热风可以增加炉料中废钢的比例，甚至可以用100%的废钢，还可以用钢铁屑等低质材料作为炉料，其配入量可达50%以上。38预热送风系统中最基本的部分是热交换器。利用废气余热的热风冲天炉的热交换器一般是装在冲灭炉内，故称为内热式。而利用废气燃烧的热风冲天炉的热交换器一般是装在冲天炉外，故称为外热式。39富氧送风是在送风过程个加入一定比例的氧气，以提高送风中氧的浓度来强化冲炉熔炼的方法。加入质量分数3%的氧即能起到相当于400℃热风的作用。提高冲天炉的熔化速率，能相应降低焦铁比，适当减小送风量，从而节约燃料费用和动力费用由于提高了炉温，使得铁液中的硅、锰烧损率减小。富氧送风除了提高铁液过热温度外，还具有下述良好作用：(2)富氧送风40富氧送风方法有三种方式41(3)除湿送风H2O+C→CO+H2H2O→H2+1/2O2吸热反应222SiOSiMnMnOHO++[H]CCOFeFeO水的危害：增加铁液的含氢量，恶化铁液质量，石墨化因难42冲天炉除湿送风方法很多，有吸附除湿、吸收除湿和冷冻除湿等方法。434.2电弧炉熔炼4.2.1电弧炉炼钢的特点炼钢的目的和要求包括4个方面。将炉料熔化成钢液，并提高其过热温度，保证浇注的需要。将钢液中的硅、锰和碳(冶炼合金钢时，还包括有合金元素)的含量，控制在规格范围以内。降低钢液中的有害