铸铁的熔炼
出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《热加工手册》第341页（6899字）
铸铁的熔炼应使铁水的化学成分符合要求，保证铁水具有足够高的温度，并尽量降低熔炼铁水的能源消耗．这就要根据铸铁的特点来选择合适的熔炼设备和控制工艺．
4．4．1．1 铸铁熔炼设备
常用铸铁熔炼设备见表4-78．
表4-78 常用铸铁熔炼设备
4．4．1．2 冲天炉的结构
冲天炉是一种竖式圆筒形熔炉，金属与燃料直接接触，从风口鼓风助燃能连续熔炼．
冲天炉的种类很多，有水冷冲天炉、热风冲天炉和普通冲天炉等，基本结构相似，由后炉、前炉和送风系统等部分组成，如图4-12所示．
图4-12 冲天炉主要结构简图
1—除尘器；2—烟囱；3—送风系统；4—前炉；5—出渣口；6—出铁口；7—支柱；8—炉底板；9—加料口
4．4．1．3 冲天炉的主要设计参数
冲天炉“三化”设计系列参数如表4-79所示，二排大间距冲天炉的主要参数如表4-80所示．
表4-79 冲天炉“三化”设计系列参数
①1、2、3、5、7t冲天炉采用多排小风口曲线炉膛，10、15t冲天炉采用中央与侧吹相结合的送风方式系列标号即为炉子的标称熔化率(t／h)．
②平均直径=(炉膛最大直径+主风处炉膛直径)／2
③风口比和供风强度均按主风口处炉膛直径计．
④理论空气量按7．2m3／kg焦炭计(固定碳按80%、燃烧比ηv=1计)．
⑤鼓风机按理论空气量的约150%选用．
⑥熔化强度按平均直径计．
⑦5t冲天炉设计有活动炉缸与固定炉缸两种．
⑧15t冲天炉参数仅供参考，待成熟后再纳入系列
注：本表于1975年1月22日一机部冲天炉“三化”设计方案审查会上通过．
表4-80 二排大间距冲天炉主要参数
4．4．1．4 冲天炉熔炼基本原理
冲天炉熔炼是由底焦燃烧、热量交换和冶金反应三个基本过程组成的．
1．底焦燃烧．
焦炭的燃烧反应在焦炭的表面进行．因条件不同，碳和氧之间可发生四种不同的化学反应，如表4-81所示．
表4-81 碳和氧的四种反应
可见，炉气中CO的比例越大，其化学热损失也越大；但是，为了减少硅、锰等元素的氧化烧损，保证铁液冶金质量，炉气中要有一定数量的CO．炉气中CO量的多少，不仅说明焦炭燃烧的完全程度如何，同时也表明了炉气氧气性的高低，对熔炼过程的热效率和冶金作用有着重要的影响．炉气中CO2和CO的比例关系通常用燃烧系数(ηv)表示为：
式中 CO2、CO——分别为炉气中CO2和CO的体积百分数．
从充分利用焦炭能量的角度来看，燃烧系数愈大愈好，但从保证铁液质量、减少金属元素氧化烧损的角度来看，燃烧系数不能太高．所以炉气成分应当根据产品对铁液质量的不同要求，进行合理选择和控制．
冲天炉内的燃烧过程是在底焦中进行的，根据焦炭燃烧的化学反应，可将底焦燃烧划分为两个反应区段：
氧化带：从主排风口到自由氧基本耗荆CO2浓度达到最大值的区域，发生下列反应：
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，CO2被高温的焦炭还原，反应式如下：
冲天炉底焦燃烧反应区域划分如图4-13所示．
图4-13 冲天炉工作过程原理图
2．热量交换
冲天炉的热量交换是在高温炉气向上运动，固体炉料和铁液向下运动的过程中进行的．由于炉壁效应的影响，炉气在炉子纵截面和横截面上的分布都是不均匀的，致使温度分布也不均匀，氧化带上部CO2含量最多处，温度最高，再向上，由于CO2被还原及与炉料热交换，温度逐渐下降．
根据炉气温度和炉料、铁液的受热状态，一般将冲天炉高度方向划分为预热区、熔化区、过热区和炉缸区等几个区域，如图4-13所示．各区温度和炉料状态不同，热交换方式和效果也不相同．冲天炉内各区域情况
如表4-82所示．
表4-82 冲天炉内五大区域
3．冶金过程
金属炉料在冲天炉内被预热、熔化、过热及铁液流入前炉的过程中，金属与炉气、焦炭、炉渣相接触，发生一系列物理化学变化——冶金反应，引起铁液化学成分的变化．
4．4．1．5 冲天炉用鼓风机
在化铁炉熔炼过程中，把一定压力的空气送入熔化炉内主要靠的是风机．冲天炉熔炼主要用离心式鼓风机、罗茨式鼓风机和叶氏鼓风机．各种鼓风机的工作原理及性能特点如表4-83所示．
表4-83 鼓风机的工作原理及性能特点
冲天炉用鼓风机要求供风压力足够并且风量稳定，以保证冲天炉稳定地工作．此外，冲天炉还要求风机结构简单，维修方便，能源消耗少，噪声低．几种常见风机的比较见表4-84．
表4-84 几种风机的比较
①8-18风机输出风压系指全压，其他风机为静压．冲天炉常用鼓风机型号、规格见表4-85、表4-86、表4-87和表4-88．
表4-85 离心通风机
注：本系列产品一般嫌风压满足不了冲天炉熔炼的需要，而风量偏大，故一般现在多选用HTD系列高压离心风机．
表4-86 D型罗茨鼓风机规格
表4-87 叶氏鼓风机规格
表4-88 冲天炉专用HTD系列高压离心鼓风机
离心鼓风机型号说明如下：
罗茨鼓风机型号说明如下：
化铁炉配套鼓风机型号说明如下：
鼓风机选择是否合理，对冲天炉熔炼影响较大．一般根据冲天炉所需风量和风压，同时考虑到风带和风管等处的漏风损失和管路压力损失来选择鼓风机．
在确定离心鼓风机和罗茨鼓风机(包括叶氏鼓风机)型号时，侧重点不同，离心鼓风机的风量大、风压校应首先满足冲天炉系统的阻力要求，由风压来决定鼓风机的型号．罗茨鼓风机的风压大，风量校选择鼓风机型号时主要考虑风量．
4．4．1．6 炉料及修炉材料
1．炉料
(1)金属炉料．对金属炉料的主要技术要求如表4-89所示，有关金属炉料规格的标准如表4-90所示．铁合金的密度、块密度及熔点如表4-91所示．
表4-89 对金属炉料的主要技术要求
表4-90 金属炉料规格的有关标准
表4-91 铁合金的密度、块密度及熔点
(2)燃料和导电材料．对燃料和导电材料的主要技术要求见表4-92，其规格见表4-93～表4-95．
(3)熔剂．对熔剂的主要技术要求见表4-96，其规格见表4-97和表4-98．
2．修炉材料
常用修炉材料有耐火材料、隔热材料和黏结材料等，有关标准见表4-99、表4-100、表4-101．
表4-92 对燃料和导电材料的主要技术要求
表4-93 铸造焦炭(GB8729—88)
表4-94 冶金焦炭
表4-95 石墨电极(GB3072—82)
表4-96 对熔剂的主要技术要求
表4-97 铸造化铁炉用石灰石
表4-98 冰晶石
注：按干基计算．
表4-99 常用耐火材料标准目录
表4-100 常用隔热材料标准目录
表4-101 常用黏结材料标准目录
4．4．1．7 冲天炉熔炼的控制
1．冲天炉操作参数的选择
冲天炉熔炼过程的焦炭消耗量(简称焦耗)、风量、炉子的熔化率和铁水温度四者之间存在着一定的关系，这种关系可以通过网状图表示出来，如图4-14所示．
从网状图可以看到下列关系：
(1)冲天炉焦炭消耗量一定时，随着风量的增加，冲天炉的熔化率总是增加的，而铁水温度则先是提高，至某一最大值后开始下降．所以，对于每一种焦炭消耗量，有一个对应于最高铁水温度的合适的风量(或送风强度)，称为最佳风量．焦炭消耗量愈大，最佳风量也愈大，铁水最高温度也愈高，而炉子熔化率则下降．图中各黑点的连线即是最佳风量的连接线．试验表明，当冲天炉用最佳风量操作时，熔炼总烧损也将达到最低值．
(2)风量一定时，随着焦炭消耗量的增大，铁水温度提高，炉子熔化率下降．
(3)为达到一定的铁水温度，可以用不同焦炭消耗量与风量的配合．例如，为达到1450℃的铁水温度，可以用下列焦炭消耗量与风量的配合，并得到不同的熔化率：
图4-14 冲天炉网状图
由此可见，以d点的情况为最好，焦炭消耗量低而熔化率高．当然，从图上还可以找出很多不同的焦耗与风量的配合．但对于一定的炉子来说，为使铁水温度合乎要求所可能采用的各种风量与焦炭消耗量配合当中，有一种最佳的配合，当冲天炉用这种配合操作时，就能既节约焦炭，又多出铁水．这种风量与焦炭消耗量的最佳配合点，就是图上最佳风量的连结线(虚线)与所需铁水温度和等焦炭消耗曲线的交点．由此可见，寻求最佳的风量与焦炭消耗量配合对于改善炉子工作具有十分重要的意义．
必须指出，这张网状图是用内径为Φ500mm的直筒形冲天炉试验测定的，图上的数据只适用于与此类同的情况．但图中所反映的变化规律则是有普遍意义的．
2．冲天炉熔炼操作要点
冲天炉熔炼基本操作如表4-102所示，冲天炉熔炼操作常见故障及排除方法如表4-103所示．
表4-102 冲天炉熔炼基本操作
表4-103 冲天炉熔炼操作常见故障及排除方法
