冲天炉熔炼过程控制.docx

1前言“获得优良铸件的关键在于大炉和型砂”，这是铸造届多年来的经验总结铸铁熔炼工 序的重要性在于它直接影响铸造工作的最终结果，尤其是因铁水质量造成的铸件缺陷，往 往难以或者根本无法补救，例如：化学成分不合格，造成的铸件机械性能或物理、化学性 能不能满足要求有如：铁水温度低，流动性差造成的缺浇和其他缺陷等其结果都能使 铸件成为废品据不完全统计，目前，铸造生产中的废品约有 50%是与熔炼有关而熔炼铁水的成本 有约占铸件成本的25〜35%随着工业的发展，对铁水质量的要求越来越高，为了获得优 质产品，不论在经济上还是在铸件质量上，铸铁熔炼工序都占有十分重要的地位1.1 铸铁熔炼技术的发展史[1,2,3]我国是一个历史悠久的文明古国，前任在金属发展史上做出了卓越的贡献据考古记 载：我国早在公元前八世纪到七世纪就已经掌握了冶铁和化铁的方法；公元 513 年，晋国 铸造出大型鼎湖南长沙、常德等地出土的春秋时期的铁铲、铁锨等就是例证隋、唐以 后，大型铸件的生产愈来愈多，公元 953 年五代周广顺三年，铸造出沧州大铁狮采用分 段铸造后组装而成，总重达五万余斤汉、唐两代，特别是宋代，我国铸造技术发展到较 高的水平。

湖北当阳县，玉泉寺的铁塔建于公元1061年，塔高23m，共十三层，每层八 面，总重53300kg，塔身造型精美，玲珑剔透，充分显示了我国古代铸造技术的高度成就历史记载：李曾伯在荆州每月能铸炮二千门到了明代能铸万斤的铸件，一次熔铁 10〜 20t铸件重达5〜10t以上欧洲使用铸铁，开始于十四世纪英人李约瑟认为：欧洲铸铁技术是十一至十二世纪 由中国传入的从海绵铁到生铁，西方延续了 2500 多年，我国生铁器物比国外早 1900 多 年古代铸造技术的发展余熔化炉密切相关；熔化炉需要提供合适的温度、成分、铸造性 能和机械性能的材质，才有可能铸造出优美的铸件来古代熔化炉与冶铁炉是分不开的最早是利用矿石冶炼出的铁水直接浇注铸件，以后， 由于铸件应用范围而的扩大，熔化炉与冶铁炉才铸件分开，我国有悠久的冶铁历史，在长 期生产实践中，炉型不断改进和完善为熔化炉的发展奠定了基础元至元顺年（公元1330 年）已有用于铸造的化铁炉方面的文字技术陈椿绘成的铸造铁盘，说明了当时铸造铁盘 的化铁炉详细的操作过程，“熔铸盘，各随所铸打小，用工铸造，以旧破锅镀铁为上先筑 炉，用瓶砂、白墡、碳屑、小麦穗和泥，实筑为炉其铁盘，沉重难称斤两，只以秤铁入 炉为则，每铁一斤，用碳一斤，总计其数。

熔成汁，候铁熔尽为度用柳木棒钻炉脐为一 小窍，炼熟泥为溜，放汁入盘内，逐一块以所欲模样泻铸如是汁止，用小麦穗和泥一块 于杖头上抹塞之即止盘一面，亦用生铁一、二万斤，合用铸冶工时所费不多”这段记载 及其绘图，说明了元代化铁炉的炉型、结构、耐火材料及熔炼操作技术已经发展到较高的 水平炉子容积达一、二万金所用燃料同铁的比例为 1：1.炉型结构采用上口小，下部 炉膛大的曲线炉膛、“炉脐”上的“窍”和“溜”作为出铁口，然后在口外加一流槽放铁水 当铁水放尽时，用小麦穗和泥一块置于木杖头上，塞住出铁口就可继续化铁这种化铁 炉的整个过程与近代的座炉、三节炉是相同的宋代还有一种可以移动的“行炉”炉子外呈方形，梯形木风箱与炉子一起安装在木架 上，箱盖板上安装两根杆，两人同时推拉进行鼓风这种炉子容量小，移动方便明代以 后，小作坊的铸造生产得到了法杖，为了便于出铁，采用炉身可回转的搀炉或勺炉这种 炉型迄今在小作坊中仍被采用国外铸铁熔炉也是在冶铁炉的基础上发展起来的公元 1750 年在英国出现了第一座冲 天炉，炉膛截面为圆形，高3m,设有两个风口1774年俄国设置了简单的冲天炉1803 年俄国建立了回转式竖炉国外这些古代化铁炉与我国十四世纪以前出现的古代座炉、三 节炉和勺炉类似。

我国是实现铸铁熔炼最早的国家之一在化铁炉用燃料方面，我国早起使用木炭，随着炉径和高度增大，木炭不能满足要求， 战国时代已有用煤的记载“屈茨北二百里有山，夜则火光，昼日但烟人取北石碳，冶次 山铁，恒充三十六国用”公元十二世纪，意大利人马可波罗来我国，见到用煤冶铁大为吃 惊他在《马可波罗游记》中写到：这种“黑石头”，火力大，价格便宜明代已开始用煤 炼焦，并用于冶铸煤则各处产之，臭者烧熔而闭之成石，在凿而入炉曰焦，可五日不绝 火，煎矿煮石，殊为省力这里描述了我国古代炼焦过程欧洲用煤作为专利是161 1年，焦炭是18世纪首先在英格兰采用 由此说明，我国是最早用煤和焦冶铸的国家之一1.2 近代冲天炉的发展随着生铁产量的增加，用铁铸造出各种器皿、工具、工艺品的品种，数量越来越多， 铸造业成为单独部门得到迅速发展相应的熔化生铁的炉子，由座炉、三节炉发展成竖式 型的冲天炉，熔化率由小到大，有几公斤、几吨，发展到七十年代已建立起熔化率为 10t/h 的冲天炉，采用热风、水冷无炉衬进行连续熔化，配备机械化配料、上料系统和电子计算 机控制真个熔炼过程冲天炉经历了 200 多年的发展，人们不断从改革结构和工艺方面去探求提高冲天炉铁 水温度，节约燃料和原材料以及改善劳动条件的新途径。

1) 改进送风系统 开始采用单排，以后试验了二排、三排、多排、螺旋式风口分布， 二次送风和二排大间距风口送风等风口大小形状采用过缝隙风口，矩形大风口，圆锥形 小风口等2) 热风由低温200〜300°C内热式预热送风，发展到外热式利用废气中物理和化学的 余热并辅加燃料使热风温度高达500〜1000C预热装置的形式多种多样目前多采用高 效率的热交换器，组成辐射十字对流的形式3) 加氧送风 风口喷氧、富风送氧，炉缸喷氧，前炉吹氧和出铁槽中吹氧等4) 辅加燃料 在主风口以上 600〜1000mm 处设置辅加燃料的风口，送入煤粉、重油、天然气、丙烷气等前炉内补加煤气和天然气5) 双联 冲天炉+工频炉，冲天炉+电弧炉等6) 电加热 炉缸中插入炭质电极过热铁水，炉缸设计成感应式坩埚炉加热，出铁槽中电阻式加热等7) 水冷突出风口、水冷无炉衬冲天炉8) 炉内辅加电石，碳化硅等9) 虹吸式分渣，压力分渣器等10) 冲天炉实现机械化、自动化和电子计算机在冲天炉上的应用以上的这些新工艺、新结构，各个国家根据各自的能源和生产条件因地制宜地加以选 用我国冲天炉熔炼技术的发展是在解放后迎头赶上的解放初期，国内仅有屈指可数的几台冲天炉，目前我国机械行业铸造生产中最大冲天炉达25t/h,每年熔化铁水总量计400 万吨以上。

五十年代初期，我国从勺炉，改进三节炉发展到采用现代的三排小风口冲天炉，六十 年代为适应当时生铁中硫、磷含量高的情况，国内实验和推广了各种类型热风冲天炉，水 套冲天炉工业飞跃发展，焦炭供不应求，块度小，强度低，从而实验成功多排小风口冲 天炉，中央加侧吹送风的大型冲天炉，两排大间距风口送风冲天炉以及卡腰化铁炉，使铁 水温度得到了提高，满足了铸造生产的要求此外，铸造工作者还研究实验了附加燃料的 冲天炉，包括附加煤粉、焦粉、天然气、废机油、重油等达到了部分代替焦炭，提高熔 化率的目的在缺焦地区，试验成功煤粉化铁炉、燃气化铁炉和燃油化铁炉解放三十多 年，我国铸铁熔炼炉走过了国外近百年的发展的路程目前，我们已经具有各种类型的化 铁炉，为铸造业的发展打下了良好的基础此外，六十年代逐步实现了冲天炉配料、上料机械化，较为普遍的采用电磁盘配料、 料位控制和机械上料连续生产的大型冲天炉还建立起程序控制，全盘机械化和自动化的 熔化工部，大大改善了工人的劳动条件七十年代，我们在总结科研和生产实践的基础上，开展了冲天炉完善化、典型化和系 列化(简称三化)工作，初步拟定出符合我国国庆和独具特色的冲天炉系列开展了冲天 炉检测技术的研究，炉前接触式连续或间断测温，热分析法快速定碳、定硅，同位素检测 底焦高度等，逐渐在生产中推广应用，为有效控制冲天炉工艺参数，加强科学管理提供了 手段。

近几年，国内正积极发展冲天炉—工频炉双联熔炼，研制成功冲天炉专用高效鼓风机 系列，研究冲天炉专用的铸造焦等，使我国冲天炉熔炼技术水平又有了新的提高我国已 拥有现今工业国铸造熔炼炉各种主要类型，某些经济技术指标已跨入世界先进行列但是 在焦炭块度、质量、操作管理和控制，防止环境污染和改善劳动条件方面还有大量的工作 要做1.3 冲天炉熔炼技术水平的评价[4,5]评价冲天炉熔炼技术水平需要从铁水质量、熔化效率、节约能源和材料以及劳动条件 和环境污染三个方面来考虑：1.3.1 冲天炉铁水质量和熔化效率 冲天炉铁水质量包括铁水温度、铁水成分和铁水纯净度铁水温度应根据铸铁牌号、 铸件壁厚和上产工艺来选定一般高牌号铸铁的出铁温度要求在1450°C以上1) 铁水成分允许波动范围 按配料成分要求，铁水成分允许波动范围见表 1.1表 1.1 铁水成分允许波动范围 %化学成分CSiMnPS允许波动范围±0.10±0.10±0.10<0.02<0.02(2) 元素烧损率，冲天炉元素烧损率间接反映出铁水纯净度或氧化程度，要求烧损率为:硅＜10〜20% 锰＜15〜25%低牌号取下限值，高牌号取上限值3) 铁水氧化程度的控制 见表 1.2表 1.2 铸铁铁水氧化程度控制 %铸铁类别炉渣中 FeO铸铁类别炉渣中 FeO一般灰铸铁<8.0球墨铸铁<3.0高强度孕育铸铁<5.0可锻铸铁<5.0(4) 铸铁机械性能应符合要求(5) 冲天炉熔化效率保证铁水质量的前提下，应充分发挥冲天炉熔化效率和热效率高的特点，一般熔化强 度应为8〜10t/(m?・h)。

1.3.2 节约能源和其他原材料 降低冲天炉铁水成本，应尽量减少焦耗、电耗，利用廉价金属料(如钢铁屑等)、降低耐火材料、辅助材料、熔剂及其他材料的消耗，减少熔炼过程的金属损耗1.3.3 改善劳动条件和防止环境污染 冲天炉的结构应力求简单，操作方便，安全可靠应尽量提高机械化和自动化程度， 实现集中检测控制，采取措施防止高温、噪声和废气造成的环境污染，冲天炉的操作应达 到国家有关环境保护规定的要求，见表 1.3表 1.3 冲天炉国家环境保护规定项目 指标冲天炉排出废气 含尘量 200mg/Nm3CO 含量 <2%工作场地噪声 <80dB总的来说，冲天炉具有结构简单，占地面积小、投资少、热效率高、生产成本低，生 产效率高和操作方便等优点，知道目前为止，它仍然是国内外铸铁熔炼的主要设备，随着 铸造生产的发展，冲天炉主要的发展趋势是：(1) 大型冲天炉废气净化和热风、水冷无炉衬冲天炉相结合2) 冲天炉—工频炉双联熔炼3) 冲天炉应用电子计算机控制或调节熔炼过程的主要工艺参数，实现铁水成分和温度 自动控制和调整1.4 我国冲天炉现状及发展趋势[7]我国是铸件生产大国，尤其是铸铁件，近些年发展很快，产量已多年居世界第一。

在 世界铸铁件生产中，冲天炉是最主要的熔炼设备我国约80％的铸铁件是用冲天炉熔炼的 在工业发达国家，也有60%〜70%是用冲天炉熔炼1.4.1 冲天炉的性能特点(1) 底焦中的最高温度达1700°C〜1800°C，铁液与碳大面积接触，炉料在炉内经过预 热、熔化和过热，逐渐达到高温，出炉温度1400 C以上;焦炭中的碳既是铁液增碳的来源.又 是金属氧化物的还原剂，为铁液成分的调整和控制提供了较充分的热力学和动力学条件 因而冲天炉具有非焦炭类化铁炉不可达到的良好的熔化性能和冶金性能而且，冲天炉的 性能可在较大范围内调整从而对炉料及产品牌号有很强的适应性。