铸锻厂冲天炉熔炼工艺培训教材.doc

冲天炉熔炼工艺培训教材本章的主要内容分三大部分：冲天炉熔炼工艺基础知识、铸锻厂冲天炉简介、冲天炉熔炼控制要点。适用的工序：冲天炉熔炼工序。 一、冲天炉熔炼工艺基础知识1.1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。图14.1所示为冲天炉工作过程原理图。分渣器风嘴炉缸层焦铁料底焦底焦高度图14.1 冲天炉工作过程原理图1.1.1 底焦燃烧焦炭的燃烧反应在焦炭的表面进行，因条件不同，碳和氧之间要发生四种不同反应。C + O2 CO2 （1）C + 1/2 O2 CO （2）CO + 1/2 O2 CO2 （3）CO2 + C 2CO （4） 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、锰等元素的烧损，保证铁液冶金质量，炉气中要有一定量的CO。炉气中的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化性的高低，对熔炼过程的热效率和冶金作业有着重要影响。冲天炉内焦炭燃烧的快慢主要由扩散速度决定。凡是能提高气流速度、加大焦炭与气流的接触面积、提高风温和增加氧气含量的措施，均可提高扩散速度，强化焦炭的燃烧。冲天炉内的燃烧过程是在底焦中进行，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：氧化带从风口到自由氧基本耗尽，CO2浓度达到最大值的区域，氧化带发生上述（1）、（2）、（3）反应。还原带从氧化带顶面至炉气中CO2 和CO含量基本不变得区域，还原带发生上述（4）反应。O2图14.2 冲天炉内炉气成分及区域划分示意图图熔炼过程中，为使消耗的底焦得到层焦的补充，送风量必须与焦炭的消耗量相适应。1.1.2 热量交换 冲天炉的热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。一般将冲天炉沿炉身高度方向划分为预热区、熔化区、过热区和炉缸区，如图14.2所示。1.预热区是指从料面到铁料开始熔化的位置的这段区域。炉气与炉料之间的热传导方式以空气对流为主。2.熔化区是指从铁料开始熔化到熔化完毕这一区域，实际上也就是底焦顶面高度的波动范围，其高度大致等于层焦的厚度。熔化区的热交换方式仍以对流为主。3.过热区铁料熔化后铁液滴下落过程中，与高温炉气及炽热的焦炭接触，温度得到进一步提高。传热方式以热传导为主。4.炉缸区内无空气供给，焦炭几乎不燃烧，所以高温铁水来说，炉缸是个冷却区，熔炼稳定后，对铁液温度则无明显影响。1.1.3 冶金过程金属炉料在冲天炉内被预热、熔化、过热及铁液流出冲天炉的过程中，金属与炉气、焦炭、炉渣相接触，发生一系列物理化学变化，即冶金反应，引起铁液化学成分的变化。1.1.3.1 造渣熔炼过程中，铁料表面的铁锈及粘附的泥沙、焦炭中的灰分、金属元素氧化烧损形成的氧化物以及侵蚀剥落的炉衬材料等相互作用，结成炉渣。造渣的化学反应为： 石灰石分解： CaCO3 CaO+ CO2 （5）生成硅酸盐： CaO +SiO2 CaO SiO2 （6） 石灰石作为熔剂有清除炉料中的杂质和焦炭表面的灰尘、加速燃烧反应得作用。同时，炉渣能直接参加冶金反应，影响铁液的化学成分。1.1.3.2 熔炼过程中铁液化学成分的变化1. 碳量的变化碳在铸铁中是以石墨、碳化物及组成可变的固溶体的形式存在。在冲天炉熔炼条件下，引起铸铁含碳量变化的因素有两个截然相反的过程。一是焦炭中碳向铁液内溶解使碳量增加；二是铁液中的碳被炉气、炉渣和溶解的氧所氧化而使碳量降低。铁液的最终含碳量则取决于这两个不同过程的综合结果。碳的溶解主要发生在熔化以后，特别是过热带内。影响碳的溶解过程的主要因素：（1） 焦炭的质量和块度，焦炭的含碳量高，灰量小，块度小都有利于铁液增碳。（2） 铁液在炉内停留时间的长短。（3） 铁液温度，随着温度的升高，碳在铁液中的溶解度增大，铁液易于增碳。（4） 铁液的最终含碳量趋向于共晶成分，当金属炉料的平均含碳量低于共晶碳量时，铁液就增碳，反之则脱碳。铸铁中的碳被氧化烧损主要发生在熔化以后，其被氧化烧损的主要形式为：C + CO2 2 CO （7）2C + O2 2 CO （8）FeO + C Fe + 2 CO （9）影响碳氧化烧损的主要因素：（1） 炉气的燃烧比越大，氧化性越强越有利于烧损脱碳。（2） 随着炉渣中FeO含量的增加，脱碳过程加剧，使铁液含碳量降低。（3） 炉内温度升高，对碳的烧损具有双重作用。一般来说，铁液的最终含碳量将随炉温的升高而升高。2. 铁液中含硅量的变化冲天炉炉气中O2和 CO2含量越多，氧化作用越强，合金元素的烧损越严重。温度也是影响合金元素烧损的重要因素，各元素与氧的亲和力都随着温度的升高而降低。这也是富氧送风和预热送风能减少元素氧化烧损的根本原因。冲天炉熔炼过程中铁液中的含硅量受硅的氧化和二氧化硅还原两个过程的制约。铁液中的硅被氧化有四种方式：（1）硅被炉气中的CO2氧化Si+CO2 SiO2+ 2CO （10）这是一个放热反应，随炉温的升高而减弱。（2）在冲天炉风口区被自由氧氧化Si+ O2 SiO2 （11）这是一个放热反应，随炉温的升高而减弱。（3）被渣中的FeO氧化Si+ 2（FeO）2Fe+ SiO2 （12）这是一个放热反应，随炉温的升高而减弱。（4） 被铁液中的溶解氧氧化 Si+ 2O SiO2 （13）SiO2在冲天炉内不可能被炉气还原，只可能被铁液中的碳直接还原。 SiO2+2C Si+ 2CO（可逆反应） （14）影响硅烧损的因素：（1） 炉气中CO2增加，即燃烧比增加，将加剧炉气对硅的氧化趋势，减少SiO2被还原的可能性。（2） 降低炉渣中FeO的含量是减少硅氧化烧损的关键措施。（3） 铁液的含硅量越高，被氧化的程度越高。（4） 提高炉温有利于抑制硅的氧化，促进SiO2的还原。3. 铁液中含锰量的变化铁液中锰的变化与硅相似，也受到氧化和还原两个不同过程的影响。锰在冲天炉被氧化有四种不同的形式：（1）锰被炉气中的CO2氧化 Mn+CO2 MnO+ CO （15）这是一个放热反应，随炉温的升高而减弱。（2）在风口附近，铁液中的锰必然被炉气中的自由氧氧化 2 Mn+ O2 2MnO （16）这是一个放热反应，随炉温的升高而减弱。（3）被渣中的FeO氧化Mn+ FeOFe+ MnO （17）这是一个放热反应，随炉温的升高而减弱。这种间接氧化也同样是冲天炉内锰被氧化烧损的主要方式。（4）铁液中的溶解氧也会使锰氧化 Mn+ O MnO （18）进入熔渣中的MnO不可能被炉气中的CO还原，只可能被焦炭中的碳或溶解在铁液中的碳还原。 MnO +C Mn+ CO （19）MnO +C Mn+ CO （20）影响锰烧损的因素与影响硅烧损的因素相似。4. 铁液中含硫量的变化铁液中的硫主要来自焦炭，焦炭中的硫以两种方式进入铁液。（1） 焦炭中的一部分硫转化为SO2进入炉气，被铁料和铁液吸收：3Fe + SO2 FeS + 2FeO （21）10 FeO + SO2 FeS + 3Fe3O4 （22）当铁料和铁液氧化严重时，后一反应更加剧烈，即增硫更严重。（2） 铁液与焦炭接触，焦炭中的硫直接溶于铁液，增硫多少与焦炭质量（含硫量）、焦炭用量及熔炼工艺有关。在高温时锰和硫有较大的亲和力会发生下列反应：Mn +S MnS （23）Mn +FeS MnS+Fe （24）生成的MnS熔点高，密度小，进入渣中，起脱硫作用。所以，锰是影响铁液含硫量的一个重要的合金元素。5. 铁液中含磷量的变化冲天炉熔炼中，磷的含量变化不大，铸铁的含磷量主要靠配料控制。1.2 冲天炉熔炼铁液质量要求1.2.1 化学成分 铁液的主要化学成分必须满足不同牌号铸铁的规范要求。铸锻厂冲天炉熔炼铁水化学成分工艺范围见表1：表1 铸锻厂冲天炉熔炼铁水化学成分工艺范围原铁水C（%）Si（%）Mn（%）S（%）P（%）熔炼车间灰铸铁3.203.351.501.700.61.00.10.07熔炼车间球墨铸铁3.503.801.401.600.30.60.060.06树脂砂车间灰铸铁3.253.401.451.650.61.00.10.071.2.2出炉温度 铁液出炉温度不仅要满足浇注铸件的需要，保证得到无冷隔缺陷、轮廓清晰的铸件，还应满足高牌号铸铁炉前处理及强度性能的需要。在同样化学成分的灰铸铁中，铁液过热温度的提高，可使灰铸铁的抗拉强度、硬度、相对强度、相对硬度等质量指标有不同程度的提高。1.2.3有害成分 铁液中的硫、磷及其它干扰铸铁正常结晶和组织的微量元素如Ti、Pb等必须控制在限量以下。二、铸锻厂冲天炉简介铸锻厂现有两只10T/H外水冷冲天炉、五只10T/H双排大间距冷风冲天炉和两只7/H 外水冷冲天炉。图14.3为冲天炉主要结构简图，以双排大间距冷风冲天炉为例。外水冷冲天炉与双排大间距冷风冲天炉的主要区别在于前者为压力分渣器，优点是：避免了一些采用炉内分渣装置的水冷长龄冲天炉由于炉缸较深导致原铁液含硫量较高，降低原铁液质量的弊端。同时也可避免由于连续出铁出渣槽的冲天炉的炉缸较浅、炉缸的容量有限，冲天炉过桥意外阻塞时，铁液、炉渣很容易倒灌进入风口、造成事故的弊端。图14.3冲天炉主要结构简图铸锻厂冲天炉基本尺寸见表2。表2 冲天炉基本尺寸树脂砂车间7T/H冲天炉10T/H双排大间距冷风冲天炉10T/H冷风水冷冲天炉后炉尺寸（mm）风口尺寸尺寸排数第一排3285060750451050第二排2880060700501000排距700800900炉膛尺寸炉缸尺寸76020100010110010炉膛最大尺寸98020121010134010炉缸高度460300前炉尺寸（mm）炉径110020100010122020出铁口直径353535分渣器出铁口至过桥高度450460460分渣器尺寸（mm）炉径400450出铁口直径8040120出渣口直径8060残铁口直径3535过桥尺寸807580出铁口至过桥距离500240观察口直径40三、冲天炉熔炼控制要点3.1冲天炉熔炼操作控制要点（表3为各个冲天炉熔炼工艺参数）表3 冲天炉熔炼工艺参数冲天炉底焦高度（mm） 层焦（kg）层铁（kg）送风强度（m3/m2min）风压（mmHg）风量（m3/min）10T/H(北冲天炉)2100230010011580013015012016016010T/H(南冲天炉)2100230010012010001301501201601537T/H210023008009011010T/H（FA）2100230014016012001401703.1.1 熔炼前的准备（1）检查送风系统、动力设备是否正常，熔炼场地是否通畅，排除不安全因素。（2）检查测温、测风等仪器、仪表是否正常。（3）检查熔炼用设施、工具的齐全、完好性。（4）检查原材料的数量和质量，核对配料通知单。3.1.2 熔化和控制（1）经常观察风口状况，风口要明亮、通畅，捅风口要仔细，应保持风口尺寸大小。 (2) 按照冲天炉配料通知单EEQR4.9-28进行配料, 配料顺序：铁料（生铁回炉料废钢），辅料（焦炭石灰石硅铁锰铁）。(3) 变换铸铁牌号时，要加隔离焦，注意处理交接铁液，交接铁液一般不能浇注铸件。（4）出渣要及时，并观察炉渣状态。（5）不得随意停风，视停风时间长短适当补加焦炭。3.1.3 停风（1）加料完毕，再加一批压炉铁。（2）停料后的熔化中，相应减少风量。32 现场质量控制-炉前检测：铁液成分的在线检测，要求迅速、准确提供铁液成分的检测结果，以便在线及时调整铁液的化学成分，避免“死后验尸”造成的损失。一般化学分析方法难以适应在线检测的速度要求，铸铁的热分析法以其快速、简便、准确和费用低等优点，在铁液成分、铸件质量预测等方面得到了越来越广泛的应用。但是热分析法只能提供C、Si的数据，