北京科技大学铸造合金及制备工艺2.5-铸铁熔炼-冲天炉熔炼

铸造合金及制备工艺北京科技大学材料成形与控制工程系毛卫民2.5铸铁熔炼工艺¦铸铁熔炼是铸铁制备的重要环节，是决定铸铁件质量的一个重要因素。¦铸铁熔炼需要什么基本要求？f铁水质量高铁水温度和化学成分合乎要求；非金属夹杂物与气体含量低；注意：上述两方面的指标随铸铁牌号、铸件质量要求、铸件尺寸与形状、生产条件与操作水平而变化。f熔化速度快在确保铁水质量的前提下，提高熔化速度，对降低生产成本是有利的。f熔炼耗费少在保证铁水质量的前提下，应尽量降低燃料（焦碳）、电力、耐火材料、熔剂等的消耗，尽量降低熔炼过程中铁及合金元素的烧损。f炉衬寿命长延长炉衬寿命既可节约耐火材料、减少修炉工时，还可提高设备利用率、稳定炉况。f操作条件好力求结构简单，操作方便，安全可靠，尽可能提高机械化和自动化程度，尽力消除污染。Æ优质、高产、低耗、长寿、简便¦铸铁熔炼方法f冲天炉(Cupola)，这是目前的主要装备；f感应电炉(IndutionFurnace)，这是目前的主要装备；f电弧炉(ElectricArcFurnace)，使用较少，东风汽车公司的50厂使用部分电弧炉。下面分别介绍铸铁的冲天炉和感应电炉熔炼工艺及设备。2.5.1铸铁的冲天炉熔炼¦冲天炉具有结构简单、设备费用少、电能消耗低、生产效率高、生产成本低、操作维修方便等优点，因此，铸铁的冲天炉熔炼应用广泛，约占铸铁熔炼数量的70%，但冲天炉的铁水温度较低，铁水成分波动较大，工作条件较差，污染较严重。¦冲天炉的炉料：生铁、回炉料、废钢、铁合金、焦碳、石灰石。2.5.1.1冲天炉的结构与操作¦冲天炉结构：一般结构如左图所示。冲天炉结构示意图1-进水管，2-除尘装置，3-烟囱，4-加料口，5-加料口铁圈，6-加料平台，7-热风炉胆，8-热风管，9-进风管，10-炉膛，11-风箱，12-风口，13-过桥，14-前炉，15-出渣口，16-堵出铁口装置，17-出铁口，18-炉底门，19-炉脚，20-打炉小车f炉底与炉基：炉底与炉基为冲天炉的基础部分，对冲天炉及炉中的料柱起支承作用。f炉体与前炉冲天炉的炉体由炉缸和炉身组成。.炉缸：从第一排风口中心至炉底；.炉身：从第一排风口中心线至加料口下缘，炉身高度也称为有效高度，是冲天炉的主要工作区域；前炉：位于冲天炉前面的储存铁水和无热源的容器。.前炉的作用：储存铁水，均匀铁水成分与温度；减少铁水在炉缸内的停留时间，减少炉缸对铁水的增碳与增硫；有利于渣、铁分离，净化铁水。.前炉的缺点：降低铁水温度，增加修炉工作，占据车间面积，增加设备投资。f烟囱与除尘装置烟囱：冲天炉加料口以上的部分，引导气流向上运动，经炉顶排出炉外。除尘装置：减少冲天炉废气中的烟灰与有害气体，有湿法与干法除尘，上图所示冲天炉为湿法除尘。f送风系统冲天炉送风系统：从鼓风机的出口至风口的出口为送风系统。冲天炉风管应尽量缩短，减少曲折，避免管道截面突变。f热风装置内热式：利用冲天炉炉气的热量预热空气，热风装置安装在炉内，如上图的密筋炉胆式热风装置。外热式：全部或部分利用外加燃料加热空气，热风装置安装在炉外。f其它装置：鼓风设备、加料与配料设备、控制与调节设备等。¦冲天炉操作工艺f修炉与烘炉先清除残渣挂铁，然后刷上泥浆水，覆上打炉材料，敲结实，尺寸正确，表面光滑。修炉材料：40~50%耐火泥，60~50%石英砂及适量水。修前炉材料：老煤粉与耐火泥混合。炉底修筑：先放一层干砂，再放一层旧型砂，打结实，约200~300mm厚；或用石英砂修筑。烘炉：修毕炉子，在炉底和前炉装入木柴，烘烤必须烘透。f点火与加底焦烘炉后，再加入木柴，点火（敞开风口），烧旺后，由加料口加入三分之一的底焦；待这些底焦烧着后，再加入二分之一的底焦，鼓小风数分钟；测底焦高度，并加至预定高度。f装料与开风加毕底焦后，加入两倍于层料石灰石量的石灰石；封闭工作门，关上风口鼓小风3~4min，再敞开风口；加装层料。层料顺序：废钢、生铁、回炉料、铁合金；再加层焦与石灰石(石灰石约占焦炭重量的30%)。装料完毕后，焖炉一小时，再开风熔化；开风时仍敞开部分风口，然后关闭全部风口，以免因一氧化碳积聚爆炸。先生产低牌号铸铁，再生产高牌号铸铁，最后也生产低牌号铸铁。f停风与打炉停风时，先打开部分风口，再停风；若停风过早，铁水量不足；若停风过晚，底焦与炉衬无谓烧蚀；停风前应使炉内有1~2批剩余铁料。停风后，即可开始打炉。2.5.1.2冲天炉底焦的燃烧过程¦中天炉开风后，空气与底焦反应燃烧→热气流上升，熔化金属炉料→金属液滴与气流和底焦作用，进一步过热，进入炉缸或前炉；熔化后，层料下降，使熔化不断进行；在热气流下，石灰石不断分解，与灰分、炉料的夹杂物及铁锈和侵蚀的炉衬形成炉渣；在炉气、焦炭和炉渣的作用下，铁水成分发生了一定的变化。Æ冲天炉内同时进行三个主要过程——底焦的燃烧、熔化过程、冶金过程，而前者是决定后两者的基础，是控制冲天炉工作的根本因素。¦底焦燃烧的物理化学基础f焦碳焦炭中含有固定碳：80~87wt%，是焦炭的基本组成部分，主要可燃物质；灰分：约占8~14wt%，这是焦碳中不可燃烧的部分，主要是SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3等；硫分：一般焦炭含S＜0.8%，S可以燃烧放热，但形成SO2、H2S而污染环境；硫溶于铁水会使铁水增硫；挥发分：焦炭中的挥发分＜2wt%，焦化过程中残留的H2、CH4等物质；若挥发分高，表明焦化不完全，焦碳强度差，容易使焦碳碎裂，造成块度过小，所以铸造用焦碳要求挥发分低；水分：焦炭中的水分＜4%，这是焦碳中的无益部分，燃烧时吸热，增加冲天炉的热损失。f底焦燃烧的基本反应完全燃烧C+O2=CO2+34070kJ/kg·℃(1)式中1kcal=4.1868kJ。℃.这是底焦燃烧的基本反应，在氧气充足的条件下进行。不完全燃烧2C+O2=2CO+10270kJ/kg·℃(2).该反应的热量只及完全燃烧的30%左右，不仅增加了焦碳的消耗，炉气的温度也不高；在氧气不足的条件下发生该反应。二次燃烧2CO+O2=2CO2+23800kJ/kg·℃(3).该反应在再次供氧下发生。还原反应CO2+C=2CO-13553kJ/kg·℃(4).该反应发生在高温缺氧条件下，要吸收热量。f将以上四种反应的自由能⊿F、平衡常数Kp绘于左图中。碳-氧系各反应的⊿F、Kp与温度的关系由上图可得出以下几点结论：反应(1)、(2)、(3)的自由能变化曲线1、2、3相交于a点，此点为978K，即705℃，这点温度是上述三个反应的转变温度；当温度低于705℃时，2CO+O2→2CO2的△F最负，即低温时CO2比CO稳定；当温度高于705℃时，曲线2最低，即高温下CO比CO2更稳定；随着温度升高，Kp均下降(因是放热反应)；因为冲天炉内氧化带的温度都＞705℃，所以有利于形成CO。¦底焦燃烧的特点f层状燃烧：在实际燃烧中，焦炭都呈现一定的厚度，所以焦炭燃烧都是层状燃烧，可分为薄层燃烧和厚层燃烧。薄层燃烧：如熔化铝合金的焦炭炉、烧水的锅炉、家庭做饭的煤炉等，焦炭或原煤的厚度只有200~300mm，这些薄层燃烧都接近完全燃烧，空气使用量为理论需求风量的1.3~2.0倍，炉气中的CO2≈21%。厚层燃烧：如冲天炉的底焦燃烧，料层厚度一般为700~1700mm。当焦炭或原煤属于厚层燃烧时，其燃烧过程要比薄层燃烧复杂得多，见后面的分析。f底焦燃烧特点底焦燃烧时既有氧化带，以C+O2=CO2反应为主；又有还原带，以C+CO2=2CO反应为主，更吸收热量，而薄层燃烧只有氧化带，即C+O2=CO2；氧化带中含有较高的自由氧，炉气含有少量的CO和大量的CO2，炉气呈氧化性气氛；焦炭燃烧放出大量的热量，CO2达到最大值，炉气温度也达到最大值。还原带中自由氧极低，炉气的CO2减少、CO增多，炉气温度下降；炉气中主要有CO、CO2、N2、极少量O2，炉气仍呈氧化性，但比氧化带的氧化性要弱。氧化带：从主排风口至自由氧基本耗尽、CO2浓度达到最大的区域。还原带：从氧化带顶面至炉气中CO2和CO含量基本不变的区域。¦冲天炉内的炉气分布f为了便于分析，沿冲天炉纵截面和横截面剖开，如下图所示。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1-炉衬2-风口(a)(b)f炉气的纵截面分布：炉气比较集中在炉壁附近，离炉壁越近，气流速度越大，这就是所谓的炉壁效应。为什么会这样？炉气沿炉膛纵截面分布炉壁比较平坦，空隙大，行程短，气流阻力小，所以炉气自动趋于沿炉壁流动，导致炉内气流分布不均匀；炉子内部炉料之间的通道曲折、缝隙小、流程长、气流阻力大，结果造成炉壁附近炉气量大，流速高，而炉子中心正相反。f炉气的横断面分布在风口前沿，空气流速高、流量大，会形成强烈的燃烧带，而两两风口之间则会形成“死区”A；炉气因固体焦炭块的阻力而逐渐失去动能，常造成炉膛截面中心区域的“死区”B。炉气沿炉膛横截面分布Æ炉气在冲天炉内的分布是不均匀的，推断中心存在一个死料柱；可采用多排风口、曲线炉膛、小风口、增加边料层厚度、加大边界阻力、增大风量等措施予以改善。¦冲天炉内炉气温度的分布f炉气温度沿高度的分布：在高度方向上，冲天炉内的炉气温度分布不均匀，如下图所示；冲天炉内炉气成分与温度沿炉膛高度的变化f炉气温度沿径向的分布将冲天炉的炉膛剖开，炉气的CO2浓度分布如左图所示。炉气温度的变化趋势与CO2的分布趋势一致，故可由该图推断炉膛内炉气温度的径向分布。冲天炉内炉气CO2的等浓度线CO2最高浓度区集中在炉壁附近，距风口400~500mm；而炉膛中心的CO2浓度低，呈下凹曲面，所以冲天炉内高温区位于炉壁附近，等温面也具有下凹曲面。冲天炉温度分布的这种状况是不理想的。2.5.1.3冲天炉的熔化过程¦炉料的熔化过程f冲天炉底焦燃烧，产生高温炉气；炉气上升，与炉料进行热交换；炉料不断下降，经过预热区预热；到达金属熔点时，即进入熔化区，固态金属转变为液滴下落，熔剂与灰分形成熔渣下落；液滴在下落过程中，继续与炉气、炽热的焦炭进行热交换，产生过热，最后得到高温铁水。¦预热区内炉料的预热f预热区：自加料口下缘的料面至熔化区上端(此处约1200℃)。f在预热区内，炉气最高温度约1300℃；炉气离开预热区的温度一般为200~300℃，有时≤100℃；因为炉气速度较大，所以炉料与炉气主要以对流换热为主。f预热区的换热量很大，约占总换热量的65%。¦熔化区内炉料的熔化f熔化区：从预热区下缘至金属炉料熔化完毕的区域称为熔化区。f金属炉料的表层首先过热，开始熔化成液滴并下落，然后炉料逐层熔化，直到全部化掉。f熔化区吸热量：金属炉料要吸收约230kJ/kg的熔化潜热，还要吸收使铁料熔化所必需的一定的过热热量，这时仍以对流换热为主。¦过热区内铁水的过热f过热区：金属炉料熔化完毕至第一排风口平面之间的高度称为过热区。f过热区的实际位置应伸入到熔化区内一定的高度，因熔化的液滴在离开金属炉料的表面时就立即进行过热运行，经过过热区，铁水温度达到1400℃以上。f过热区的换热量：金属液滴与炽热的底焦接触进行强烈的传导换热(占过热区传热量的75%)，而与炉气的对流换热和辐射换热只占过热区传热量的25%(其中焦炭辐射换热占18.4%，炉气对流换热占6.4%，炉气辐射换热占0.2%)。¦炉缸区内的热交换f低温区炉缸：炉缸内虽有焦炭，但基本上没有氧气供给，几乎不会燃烧发热，所以炉缸对铁水来说是个低温区，铁水会被冷却，所以炉缸越深，对铁水的冷却作用越大。f例外：当冲天炉工作时，打开渣口，部分空气将进入炉缸，使炉缸内的焦炭燃烧，有利于提高铁水温度；开渣口或前炉放气操作，对开炉初期可以在一定程度上提高铁水温度；当熔炼稳定后，这种操作对铁水温度无明显影响，如果控制不当，还会增加元素烧损和铁水氧化。2.5.1.4冲天炉内的冶金反应过程¦冲天炉熔炼中铁水碳量的变化f含碳量的变化过程冲天炉熔化铁水时，铁水的含碳量将经历渗碳与脱碳两个过程。渗碳.铁水渗碳发生在金属炉料熔化之后，直至铁水流出炉缸为止的整个底焦层内，所以铁水增碳主要是焦炭中的碳不断溶入铁水，并向铁水内