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 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 2.5 铸铁熔炼工艺铸铁熔炼工艺 ?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？ ?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。 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 ?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。 ?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。 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 ?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。 ?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。 ? 优质、高产、低耗、长寿、简便优质、高产、低耗、长寿、简便 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 ?铸铁熔炼方法 ?冲天炉(Cupola)，这是目前的主要装备； ?感应电炉(Indution Furnace) ，这是目前 的主要装备； ?电弧炉(Electric Arc Furnace)，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。 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 2.5.1 铸铁的冲天炉熔炼铸铁的冲天炉熔炼 ?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。 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 2.5.1.1 冲天炉的结 构与操作 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 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 ?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。 ?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。 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 ?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。 ?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。 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 ?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。 ?其它装置：鼓风设备、加料与配料设 备、控制与调节设备等。 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 ?冲天炉操作工艺 ?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：4050%耐火泥，6050%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200300mm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。 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 ?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。 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 ?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34min，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。 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 ?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 12批剩余铁料。 ?停风后，即可开始打炉。 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 2.5.1.2 冲天炉底焦的燃烧过程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。 ? 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 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。 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 ?底焦燃烧的物理化学基础 ?焦碳 ?焦炭中含有固定碳：8087wt%，是焦炭的基本组成 部分，主要可燃物质； ?灰分：约占814wt%，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S0.8%，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。 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 ?底焦燃烧的基本反应 ?完全燃烧 C+O2=CO2+34070 kJ/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+10270 kJ/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。 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 ?二次燃烧 2CO+O2=2CO2+23800 kJ/kg(3) ?该反应在再次供氧下发生。 ?还原反应 CO2+C=2CO-13553 kJ/kg(4) ?该反应发生在高温缺氧条件下，要吸 收热量。 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 ?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 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 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转变温度； ?当温度低于705时，2CO+O22CO2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。 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 ?底焦燃烧的特点 ?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200300mm，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1.32.0倍，炉 气中的CO221%。 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 ?厚层燃烧：如冲天炉的底焦燃烧，料 层厚度一般为7001700mm。 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。 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 ?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。 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 ?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。 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 ?冲天炉内的炉气分布 ?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) 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 ?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 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 ?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。 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 ?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 来自资料搜索网(w w w .3722.c n ) 海量资料下载 ? 炉气在冲天炉内的分布是不均匀
