铸造合金及其熔炼---第5章 铸铁的熔炼

1、第五章第五章 铸铁的熔炼铸铁的熔炼n第一节：冲天炉熔炼的基本原理第一节：冲天炉熔炼的基本原理n第二节：冲天炉强化熔炼的主要措施第二节：冲天炉强化熔炼的主要措施n第三节：冲天炉熔炼过程中化学成分变化第三节：冲天炉熔炼过程中化学成分变化n第四节：铁液的脱硫处理第四节：铁液的脱硫处理n第五节：冲天炉熔炼过程的参数选择测量第五节：冲天炉熔炼过程的参数选择测量n第六节：感应电炉熔炼第六节：感应电炉熔炼第一节第一节 冲天炉熔炼的基本原理冲天炉熔炼的基本原理n铸铁熔炼过程：铸铁熔炼过程：n料：料：FeCFeC 底焦底焦n热：预热热：预热熔化熔化过热过热前前炉炉渣水分离渣水分离Fe水水n 一：铸铁熔炼的基本要

2、求一：铸铁熔炼的基本要求 n要求：要求： 优质优质 高产高产 低耗低耗 长寿长寿 简便简便 n 1、铁液质量高：、铁液质量高： 铁液温度要高：铁液温度要高： 1400-15001400-1500 化学成分：波动范围小，化学成分：波动范围小，C C 、S(50%) S(50%) 增加增加 Si(10%Si(10%- -20%)20%) 、 Mn(15%-25%) Mn(15%-25%) 烧损烧损n 2、高产：熔化率大（）、高产：熔化率大（）n每小时熔化炉料的重量每小时熔化炉料的重量 反应冲天炉的熔化能力反应冲天炉的熔化能力 与铸造能力相与铸造能力相适用公称值：适用公称值：1.2.3.5.8.10

3、n 3、 低耗：燃料的消耗少低耗：燃料的消耗少铁焦比：铁焦比：=m铁铁/m焦焦一般：一般：10越高越好越高越好n 4 、长寿：炉衬寿命要求、长寿：炉衬寿命要求n 5、 操作简便操作简便 自动化、机械化自动化、机械化二、冲天炉的基本结构二、冲天炉的基本结构n1炉底部分炉底部分 n2炉体部分炉体部分n3炉顶部分炉顶部分 n4送风系统送风系统 n5前炉部分前炉部分 n6辅助装置辅助装置 三、冲天炉焦炭燃烧的基本规律三、冲天炉焦炭燃烧的基本规律n1、焦炭燃烧的一般过程、焦炭燃烧的一般过程n 1）加热着火）加热着火n 2）动力燃烧）动力燃烧n 3）扩散燃烧）扩散燃烧n2、焦炭层中的氧化带、焦炭层中的氧化

4、带 图图5-3 O2 CO2 393kJn 1/2O2 CO 109kJn C O 1 / 2 O2 C O2 284kJn nG0 自发进行自发进行n 图图5-4n3、焦炭中的还原带、焦炭中的还原带n CO2+=CO -175kJn 978K以上进行以上进行 图图5-4n G0 不需动力不需动力n4、炉气燃烧比、炉气燃烧比n 燃烧比：燃烧比：VCO2( CO2+CO)100%n愈高愈好，但从热力学的角度看，不可避免的存在着愈高愈好，但从热力学的角度看，不可避免的存在着CO，而且为了，而且为了保证铁液质量，要求炉内成弱氧化性较好，因此，燃烧比一般控制在保证铁液质量，要求炉内成弱氧化性较好，因此

5、，燃烧比一般控制在40%-60%范围内。范围内。四、冲天炉的炉气及炉温分布四、冲天炉的炉气及炉温分布n1、冲天炉内的炉气分布、冲天炉内的炉气分布 图图5-5n 附壁效应附壁效应n2、冲天炉内温度分布、冲天炉内温度分布n 图图5-6n 炉气温度与炉气温度与CO2浓度有浓度有n 一致性，一致性， CO2分布分布n 如图如图5-7五、冲天炉内的热交换五、冲天炉内的热交换n 预热预热 熔化熔化 过热过热 炉缸炉缸n1、 预热带：预热带：n以对流传热为主以对流传热为主n 传递热量大，传递热量大，n 预热区高度变化大预热区高度变化大n2、熔化区、熔化区n 以对流传热为主，以对流传热为主，n 区域呈凹形分布

6、，区域呈凹形分布，n 区域高度波动大区域高度波动大n （底焦燃烧下降）（底焦燃烧下降）n3、过热区、过热区n1）以接触传热为主，）以接触传热为主，n2）传热强度大）传热强度大n3）此区炉气温度、高度）此区炉气温度、高度n 决定过热度大小决定过热度大小n t=ah(tmax-tm)n4、炉缸、炉缸n 降温，焦炭不燃烧降温，焦炭不燃烧六、影响铁液温度的主要因素六、影响铁液温度的主要因素n1、焦炭对炉内铁液温度的影响、焦炭对炉内铁液温度的影响n 1）焦炭成分）焦炭成分n 2）焦炭强度与块度）焦炭强度与块度n 块大，燃烧慢，热不集中，温度低块大，燃烧慢，热不集中，温度低n 块小，燃烧快，高温区短，不利

7、过热块小，燃烧快，高温区短，不利过热n 一般，表一般，表5-3n 3）反应能力）反应能力 焦炭还原二氧化碳的能力焦炭还原二氧化碳的能力n 大，降温。要求低好。大，降温。要求低好。 n2、送风对冲天炉铁液温度的影响、送风对冲天炉铁液温度的影响n1）风量的影响）风量的影响 图图5-10n 大，强化燃烧，有利过热大，强化燃烧，有利过热n 太大，焦炭燃烧快，料下落快，预热不足太大，焦炭燃烧快，料下落快，预热不足n 最惠送风量最惠送风量n2）风速的影响）风速的影响n 快，强化燃烧，能吹到炉子中间较少附壁效应，快，强化燃烧，能吹到炉子中间较少附壁效应，n 但，过快，对碳有吹冷作用，降温但，过快，对碳有吹冷

8、作用，降温n 图图5-11n3）风温的影响）风温的影响n 强化焦炭燃烧，提高铁液温度，但，加剧还原反应，降强化焦炭燃烧，提高铁液温度，但，加剧还原反应，降低燃烧比图低燃烧比图5-12n4）风中氧气浓度的影响）风中氧气浓度的影响n 有利提高温度有利提高温度n3、金属炉料的影响、金属炉料的影响n 纯净，块度：纯净，块度： 大，不利过热。小，不透风大，不利过热。小，不透风n4、操作参数对铁液温度的影响、操作参数对铁液温度的影响n1）底焦高度）底焦高度 n 太高：焦耗大，熔化率低，铁液温度高太高：焦耗大，熔化率低，铁液温度高n 太低：铁液温度低，氧化严重太低：铁液温度低，氧化严重n2）焦炭消耗量）焦炭

9、消耗量n 焦炭消耗量焦炭消耗量=层焦量层焦量n3）批料量）批料量 图图5-13n 小：小： 熔化时间短，熔化区小，过热区扩大，熔化时间短，熔化区小，过热区扩大，n 提高铁液温度提高铁液温度n 太小：以造成铁焦混杂、串料，温度成分波动太小：以造成铁焦混杂、串料，温度成分波动n5、冲天炉结构参数对铁液温度、冲天炉结构参数对铁液温度的影响的影响n 1）炉型的影响）炉型的影响 图图5-14n 曲线炉膛：曲线炉膛： （1）提高送风强度）提高送风强度 （2） 改善炉子中心的燃烧状况改善炉子中心的燃烧状况 （3） 提高冲天炉的熔化率提高冲天炉的熔化率 2）风口布置的影响）风口布置的影响 侧送风：单排、双排、

10、多，侧送风：单排、双排、多， 风口下斜风口下斜 5-100 中央送风中央送风第二节第二节 冲天炉强化熔炼的主要措施冲天炉强化熔炼的主要措施n一、预热送风一、预热送风 表表5-4n1、作用：、作用：1）可提高铁液温度，减少焦耗）可提高铁液温度，减少焦耗n 2）缩短氧化区增大还原区，减少）缩短氧化区增大还原区，减少C、Si、Mn的烧损的烧损n 3）减小风口冷风区）减小风口冷风区n2、方法：内热式：热风胆、方法：内热式：热风胆 图图5-18（升温（升温150-200）n 外热式：图外热式：图5-17 （升温（升温400-500）n3、热风胆要求：、热风胆要求：1）点火后底焦不能一次加入）点火后底焦不

11、能一次加入n 2）停炉前加入几批压炉铁，打炉后通风）停炉前加入几批压炉铁，打炉后通风n 3）因故停炉，炉胆继续通风）因故停炉，炉胆继续通风n二、高氧送风二、高氧送风n 1、作用：、作用：1）提高容化率）提高容化率n 2）提高铁水温度）提高铁水温度n 3）降低焦铁比）降低焦铁比n2、方法：、方法：1）向风管中引入氧气）向风管中引入氧气 图图5-19n 2）从风口吹氧）从风口吹氧n 3） 炉缸处吹氧炉缸处吹氧n三、除湿送风三、除湿送风n 1、影响：、影响：1）吸热、降温，）吸热、降温，n 2）氧化消耗）氧化消耗C、Si、Mn，n 3）增加氢，恶化铁液质量）增加氢，恶化铁液质量n 2、除湿方法：、除

12、湿方法：1）用冷却器除湿，）用冷却器除湿，n 2）用吸湿法除湿）用吸湿法除湿第三节：冲天炉熔炼过程中化学成分变化第三节：冲天炉熔炼过程中化学成分变化n一、冲天炉内冶金反应的基本规律一、冲天炉内冶金反应的基本规律n1、冲天炉内炉气组成、冲天炉内炉气组成n 炉气：炉气： CO 2 、CO 反应：反应：Fe+ CO 2 =Feo+COn2、冲天炉内炉气的性质、冲天炉内炉气的性质n 炉气：炉气： CO 2 、CO 是氧化、还原还要看二者比例，由图可知，是氧化、还原还要看二者比例，由图可知，n 炉气是氧化性的炉气是氧化性的二、冲天炉内炉渣的形成及作用二、冲天炉内炉渣的形成及作用n1、渣的成分、渣的成分n

13、（1）来源：）来源： 1 1、炉衬剥落，、炉衬剥落，2 2、炉料中杂质、灰份、粘结物等，、炉料中杂质、灰份、粘结物等，3 3、炉、炉料的氧化损烧，料的氧化损烧，4 4、加入炉料中的熔剂、加入炉料中的熔剂n（2 2）渣量：）渣量：6-10%6-10%，n（3 3）成分：）成分： SiO2 CaO Al2O3n2 2、炉渣的性质：炉渣的性质：n （1）组成：）组成：1酸性氧化物酸性氧化物 ：SiO2 P2O5 Cr2O3n2碱性氧化物碱性氧化物 ：CaO MnO MgOn3中性氧化物中性氧化物 ：Al2O3 Fe2O3n（2）一般）一般 k=碱碱/酸酸= CaO SiO2 n 2.5高碱性高碱性n

14、3、渣的作用、渣的作用n 清除焦炭的灰渣，有利继续燃烧。清除焦炭的灰渣，有利继续燃烧。n清除渣滓，脱硫、磷清除渣滓，脱硫、磷三、冲天炉内铁液化学成分变化三、冲天炉内铁液化学成分变化n（一）含（一）含C量的变化量的变化n1、Fe液增碳液增碳n 接触增碳接触增碳n D：扩散系数，：扩散系数，n 与温度有关，温度高，快与温度有关，温度高，快n2、Fe液脱碳液脱碳nC+O2=CO2 ， C+CO2=CO FeO+C=Fe+COn 碳作用较强碳作用较强 脱碳作用较弱脱碳作用较弱n3、影响铁液含碳量的主要因素、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理论上：铁液含碳量变化趋于饱和程度Co

15、 （共晶成分）。（共晶成分）。 当当Fe料低于料低于Co时增碳，反之减碳。时增碳，反之减碳。 但同样条件下，含碳量愈低但同样条件下，含碳量愈低 熔化后含熔化后含C量也愈低。量也愈低。 有前炉增碳量小，无前炉增碳量大。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：铁液含碳量与铁料含碳量之间的关系： c铁液铁液=k+(1-) c铁料铁料 增碳分数增碳分数1.7%-2.0%， 脱碳系数脱碳系数0.4-0.6n（二）含硅量含锰量的变化n1、Fe液中液中Si、Mn氧化过程氧化过程n）与炉气中的氧性气体直接作用：）与炉气中的氧性气体直接作用：nSiO2 SiO2 Si2 CO 2 S

16、iO2 2 CO nMn O2 MnO 2Mn CO 2 MnOCO n）与）与FeO作用发生间接氧化：作用发生间接氧化：nSi FeO SiO2 Fe Mn FeO MnO Fe n 主要氧化形式主要氧化形式n2、影响、影响 Si Mn 烧损的因素烧损的因素 1） 炉温：提高炉温可减少炉温：提高炉温可减少Si Mn 的烧损的烧损 （因其烧损是放热反应）（因其烧损是放热反应） 2 ）炉气：）炉气： 氧化性愈强（氧化性愈强（ CO 2愈多）愈易烧损愈多）愈易烧损 3） 金属炉料：金属炉料： Si、 Mn含量愈高含量愈高 愈易烧损愈易烧损 4）炉渣：）炉渣： 酸性炉中酸性炉中Mn的烧损大，碱性炉中

17、的烧损大，碱性炉中Si的烧损大的烧损大 3、冲天炉内、冲天炉内Si Mn 烧损率烧损率 Si烧损烧损 10%10%-20%-20% Mn烧损烧损15%-25%15%-25%（易形成（易形成MnSMnS烧损）烧损）Fe烧损烧损 1%-1%-% %n（三）含硫量的变化（三）含硫量的变化n1、Fe液的增液的增 n 来源：炉料、焦炭，来源：炉料、焦炭，n2、影响增硫的主要因素、影响增硫的主要因素n 1）炉料的含硫量）炉料的含硫量 含硫少，增硫快。含硫少，增硫快。n 2）焦炭的消耗率）焦炭的消耗率 焦炭的消耗多，增硫多焦炭的消耗多，增硫多n 3）焦炭含硫量）焦炭含硫量 一般不大于一般不大于0.8%n3、

18、影响铁液脱硫的主要因素、影响铁液脱硫的主要因素n 1）提高炉渣）提高炉渣碱度碱度，增多炉渣，增多炉渣n 2） 提高炉温提高炉温 脱硫吸热脱硫吸热n 3） 增加炉气还原性增加炉气还原性 FeS+CaO=CaS+FeO（氧化性大）（氧化性大）n（四）含磷量的变化（四）含磷量的变化 基本不变基本不变第四节第四节 铁液的脱硫处理铁液的脱硫处理n 炉内脱硫、炉外脱硫炉内脱硫、炉外脱硫n一、炉内脱硫一、炉内脱硫n1、碱性冲天炉、碱性冲天炉 炉衬炉衬 CaO、MgOn 特点：脱硫效果好，寿命短，少用特点：脱硫效果好，寿命短，少用n 水冷无炉衬冲天炉：脱硫效果较好水冷无炉衬冲天炉：脱硫效果较好n2、脱硫剂：石

19、灰、脱硫剂：石灰CaO 便宜、效果差、降温便宜、效果差、降温n 电石电石CaC2 有加热作用、效果好、常用有加热作用、效果好、常用n 白云石（白云石（CaMg(CO 3 ) 2n n二、炉外脱硫二、炉外脱硫n 苏打、电石、石灰苏打、电石、石灰n1、苏打脱硫、苏打脱硫 NaCO3Na2O+CO2n Na2O+FeSNa2S+FeOn 降温、污染环境、现代少用。降温、污染环境、现代少用。n2、电石脱硫、电石脱硫 CaC2+FeSCaS+Fe+Cn 需搅拌、工艺复杂、现代常用。需搅拌、工艺复杂、现代常用。n3、石灰脱硫、石灰脱硫 CaO+FeSCaS+FeOn 价格便宜、效果差、降温、要求高的出炉温

20、度价格便宜、效果差、降温、要求高的出炉温度n三、炉外脱硫方法三、炉外脱硫方法n1、气动脱硫、气动脱硫 喷射脱硫法喷射脱硫法 图图5-31n 吹气脱硫法吹气脱硫法 图图5-32n 多孔塞气动脱硫法多孔塞气动脱硫法 图图5-33n2、摇包脱硫法、摇包脱硫法 图图5-34n 转包脱硫法转包脱硫法 图图5-35第五节：冲天炉熔炼过程的参数选择及测量第五节：冲天炉熔炼过程的参数选择及测量n一、冲天炉熔炼操作参数的选择与计算一、冲天炉熔炼操作参数的选择与计算n 焦耗、风量、铁液温度、熔化率焦耗、风量、铁液温度、熔化率 1、冲天炉的网形图、冲天炉的网形图 描绘：焦耗、风量、描绘：焦耗、风量、 铁液温度、熔化

21、率铁液温度、熔化率 之间关系的实验图之间关系的实验图 图图5-36 图图5-37 由图可知：由图可知： n由图可知：由图可知：n （）当焦碳消耗量一定时：熔化率随送风量的增大（）当焦碳消耗量一定时：熔化率随送风量的增大而提高而提高 。铁液温度送风量的增大而提高但大到一定后要。铁液温度送风量的增大而提高但大到一定后要下降下降n （）当送风量一定时：焦碳消耗量增大，铁液温度（）当送风量一定时：焦碳消耗量增大，铁液温度提高，熔化率下降提高，熔化率下降n （）若保持熔化率一定时：可以用高焦耗大风量操（）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。作，温度高。也可

22、用低焦耗小风量操作，温度底。n （）若保持一定的铁液温度：（）若保持一定的铁液温度：n 可以用不同搭配的焦耗率和送风量达到可以用不同搭配的焦耗率和送风量达到n 即大焦耗、小送风，小焦耗、大送风。即大焦耗、小送风，小焦耗、大送风。n 据上找出最佳工艺点：据上找出最佳工艺点：n2、冲天炉的风量计算、冲天炉的风量计算n 1）按最惠送风强度计算：）按最惠送风强度计算：n q=n 2） 按焦碳消耗量和燃烧比计算：按焦碳消耗量和燃烧比计算：n 4450/60(1+ v)c溶溶 n焦炭消耗率，焦炭消耗率， 焦炭中含固定碳量。焦炭中含固定碳量。n3、冲天炉层焦量、层铁量的选定、冲天炉层焦量、层铁量的选定n 1

23、）层焦量）层焦量n 按炉膛内堆积厚度计算，（按炉膛内堆积厚度计算，（140-200mm）n PK=Fh n 按层铁焦比计算按层铁焦比计算n PK=W层铁层铁/K W层铁层铁=1/10熔化率熔化率4、底焦高度的选择、底焦高度的选择及控制及控制（1 1）底焦）底焦：第一排风口至底焦的顶面（熔：第一排风口至底焦的顶面（熔化带得上表面）之间的高度化带得上表面）之间的高度（2）高度：适当。）高度：适当。n 1过高：熔化率降低，碳消耗增大，铁过高：熔化率降低，碳消耗增大，铁液温度稍高，但不合理液温度稍高，但不合理n 2过低：熔化带降低过低：熔化带降低 ，过热不足，温度，过热不足，温度低，易氧化。低，易氧化

24、。（3）高度确定：观察风口，开风）高度确定：观察风口，开风6-8min见铁滴最合适，小于见铁滴最合适，小于5min，太低。大于，太低。大于10min太高。太高。 观察炉衬的侵蚀高度。观察炉衬的侵蚀高度。（4）控制：通过层焦来控制其高度。）控制：通过层焦来控制其高度。 n5、冲天炉熔剂量的计算、冲天炉熔剂量的计算 石灰石、氟石石灰石、氟石n 经验：经验：Pc=(0.20.4)Pk （层焦量）（层焦量）n Pf=(0.20.3)Pc（有害少加）（有害少加）二、冲天炉的配料计算二、冲天炉的配料计算n1、冲天炉用金属炉料：、冲天炉用金属炉料：n 原生铁、原生铁、 废钢废钢 、 回炉铁回炉铁 、铁合金、

25、铁合金 等等n （硅铁（硅铁 、锰铁）、锰铁）n2、计算方法：、计算方法：n 试算法、表格法、图解法、试算法、表格法、图解法、 电子计算机计算。电子计算机计算。n 最常用最常用 ：试算法：试算法n3、原则：（配料）、原则：（配料）n 1）满足成分及力学性能要求）满足成分及力学性能要求n 2）立足我国及本地区现有原料）立足我国及本地区现有原料n 3）多用回炉铁）多用回炉铁 少用废钢及原生铁少用废钢及原生铁n 4）尽量减少炉料种类）尽量减少炉料种类n 5）铁料以）铁料以100kg搭配，搭配，n 核算后换算配料核算后换算配料n1、必须具有四个方面的原始资料、必须具有四个方面的原始资料n 1）铸件要求的化学成分）铸件要求的化学成分n 2）各种炉料的化学成分）各种炉料的化学成分n 3）熔炼