铸造合金及制备工艺

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。
"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。
f底焦燃烧的基本反应 "完全燃烧 (1) C+O2=CO2+34070 kJ/kg·℃ 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 (2) 2C+O2=2CO+10270 kJ/kg·℃ .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。
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。
¦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。
¦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%) 。
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
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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。
¦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230 kJ/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。
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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(Indution Furnace) ，这是目前 的主要装备； f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。
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。
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。
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。
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。
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。
"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。
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。
¦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%。
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。
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¦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。
"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。
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
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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。
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 (b) (a)
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。