毕业论文-QT500—7球墨铸铁熔炼工艺设计.docx

QT500-7球墨铸铁熔炼工艺设计摘 要合金熔炼是铸造生产中的重要环节。当前，铸造生产中的废品约有50% 与熔炼有关， 熔炼铁液的成本约占铸件成本的25%30% ，合金熔炼对铸件质量和成本有着很大的影响。我们应该针对不同的铸件材质及技术要求选择不同的熔炼方法。本设计题目为QT500-7球墨铸铁熔炼工艺设计，体现了球墨铸铁熔炼的设计要求、内容及方向，有一定的设计意义。通过对该牌号球墨铸铁的设计，进一步加强了设计者熔炼工艺设计的基础知识，为设计其它牌号铸铁的熔炼做好了铺垫和吸取了更深刻的经验。本设计运用铸造合金熔炼的基础知识，首先分析了QT500-7球墨铸铁的成分及性能要求，为选取熔炼设备及炉料做好了准备；然后选取熔炼设备，计算炉料的比例用量；最后设定球化、孕育方法，确定浇注温度参数，进行质量检测及分析。本设计着重点在于使用冲天炉-感应电炉双联熔炼球墨铸铁。由冲天炉熔化铁液并进行化学成分含量的初步确定；在感应电炉中高温精炼，调整铁液的化学成分至规定的范围；进一步清除非金属夹杂物和降低气体含量；提高铁液温度至符合出炉球化要求；最终球化及孕育处理，出炉检测。关键词：球墨铸铁 双联熔炼 球化处理 孕育处理QT500-7 Ductile Iron Smelting Process DesignAbstractAlloy melting is an important part in casting production. At present， about 50% of the waste in the foundry production is related to the smelting. The cost of the molten iron is about 25% - 30% of the cost of the casting. We should choose different smelting methods for different casting materials and technical requirements.This design topic is QT500-7 nodular cast iron smelting process design， reflects the design requirements， content and direction of ductile iron smelting， there is a certain design significance. Through the design of this type of ductile iron， further strengthen the designers of the basic knowledge of smelting process design for the design of other grades of cast iron to pave the way and draw a more profound experience.The design and use of casting alloy melting of basic knowledge， the first analysis of the QT500-7 nodular cast iron composition and performance requirements for the selection of smelting equipment and charge ready； then select smelting equipment， calculation burden ratio； finally set the ball， inoculation method， to determine the parameters of casting temperature， quality detection and analysis.This design is focused on the use of cupola induction furnace duplex melting of nodular cast iron. By cupola melting iron liquid and preliminary identification of chemical components； in the induction furnace high temperature refining， adjustment of the liquid metal chemical composition to the specified range； further clear non metallic inclusions and reduce the gas content； improve the temperature of molten metal to meet released the ball of the requirements； and eventually the ball and inoculation treatment， detection of released.Key words: Ductile iron， Tecastiron， Spheroidize， Inoculation treatment目 录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1球墨铸铁的出现11.2国内外球墨铸铁的发展11.3球墨铸铁的应用21.4熔炼工艺及发展31.5课题来源及意义42 熔炼工艺方案的确定52.1熔炼技术要求及分析52.1.1技术要求52.1.2材料性能及分析52.2工艺方案63 冲天炉熔炼工艺设计83.1冲天炉熔炼特性及原理83.1.1冲天炉熔炼概述83.1.2冲天炉熔炼的技术要求83.1.3冲天炉的燃烧过程原理103.2炉料的计算133.2.1球墨铸铁原铁液的配比要求133.2.2QT500-7原始资料的确定133.2.3确定元素增减率及增减后成分143.2.4确定配料比并校核143.2.5炉料计算153.3熔炼工艺及参数163.3.1装炉163.3.2炉前控制163.3.3铁液出炉163.3.4脱硫处理163.4熔炼过程的化学反应174电炉熔炼工艺设计204.1感应电炉的熔炼特点204.1.1感应电炉构造及工作原理204.1.2感应电炉熔炼的优缺点及其应用204.2熔炼工艺及参数214.2.1二次脱硫214.2.2脱磷处理214.2.3精炼调整224.3球化工艺224.3.1球化剂224.3.2QT500-7球化剂的选用244.3.3 QT500-7的球化处理工艺244.3.4球化剂加入量的确定264.4孕育工艺274.4.1孕育剂274.4.2孕育处理工艺284.5出液浇注294.5.1浇注温度对性能的影响294.5.2球铁的浇注温度295质量检验及分析305.1质量检测305.1.1炉前三角试片检验法305.1.2火苗判断法305.1.3炉前快速金相法305.1.4炉前光谱分析法305.2缺陷分析305.2.1球化不良315.2.2球化衰退325.2.3石墨漂浮326 结 论34致谢36参考文献37V毕业论文1 绪 论铸造是机电装备制造业中铸件生产的工艺过程。铸造合金熔炼是将固体金属熔炼成液体金属，浇入特制的砂型或金属型以及由其他材料特制的铸型中，待液体金属冷凝后从铸型中取出，经过清理成为铸件。在机电装备中，铸件重量占其总重量的50%80%。在国家高端重型设备、机床、高铁轨道交通机车车辆、汽车、农机、船舶、军工国防、航空航天、化工，电力等工业，每年需要提供给国内外大量铸铁、铸钢、有色合金铸件。其中生产铸钢的电弧炉已向大容量、超高功率方向发展。我国北方重工设计的铸钢厂房达8万平方米，采用双层重型吊车，安装40t电弧炉和50tLF、50tVOD精炼炉双联，并预留安装80t电弧炉和100tLF钢包精炼炉。1.1球墨铸铁的出现20世纪40年代，H.Morrogh和W.J.Williams研制成功球墨铸铁，使铸铁进入一个新的发展时期，这引起人们极大的重视，球墨铸铁从此得到迅速发展与推广。球墨铸铁是一种广泛应用于各工业部门的重要结构材料，它的出现使铸铁材料的性能发生了质的飞跃，因此在国内外发展都很快，许多方面已取代了锻钢、铸钢及可锻铸铁的应用，成为产量仅次于灰铸铁的铸造合金材料。球墨铸铁是指向原铁液中加入球化剂和孕育剂，通过球化及孕育处理，改变一次结晶时石墨的形核和生长条件，使铁液在凝固时碳以球状石墨的形式形核和生长，凝固后铸铁的组织中得到球状石墨的铸铁。影响铸态球墨铸铁生产稳定性的因素很多，要稳定地生产球墨铸铁，必须把握好化学成分设计，原铁液熔炼、球化处理、孕育处理、炉前处理、浇注、清理及热处理和铸件质量检验等环节。以往球铁均需通过各种不同的热处理手段方能达到相应的牌号要求，从而耗费能源、污染环境、增加成本、延长生产周期、加重工人劳动强度，因此生产铸态球铁便成为近年来国内外球铁生产方面的一个重要发展方向。1.2国内外球墨铸铁的发展我国关于球墨铸铁领域的研究与应用发展的比较快，从 1950 年研制成功至今，我国球墨铸铁年产量不断突破新高，2009 年已经达到 870 万吨，居世界第一位。我国球墨铸铁领域的科研工作者经过几十年的努力在球墨铸铁的生产过程中取得多项技术突破和创新。国内外科技研发人员从石墨的形核机理分析球化处理和孕育处理工艺对石墨形核和长大的影响，超声波技术，热分析技术和计算机技术的应用，合金化技术，磁场处理技术以及半固态处理技术的研发均取得了丰厚的成果。随着研究者对球墨铸铁的研究越来越深入，球墨铸铁已经在许多领域得到广泛应用。球墨铸铁相关领域的快速发展能体现在工业生产和制造方面与日常生活及应用方面都得益于研究人员对球墨铸铁基础方面的研究所付出的努力。20 世纪 70 年代初期，中国、美国、芬兰几乎同时宣布已经成功研制了奥氏体-贝氏体球墨铸铁(ADI)。奥氏体-贝氏体球墨铸铁具有高强度、高韧性、高耐磨性的特点，其抗拉强度高达1000 MPa。奥氏体-贝氏体球墨铸铁具有很高的经济效益和社会效益，正在逐步取代合金钢，用于制造力学性能要求较高的齿轮和各种结构件。GF 公司近年发布消息，声称已经成功研制了以硅和硼作为合金化元素并且在铸态下具有高强度和高韧性的球墨铸铁，即 SiboDur 球墨铸铁。SiboDur 球铁在具有高强度的同时保证了高韧性，其综合力学性能远高于传统珠光体-铁素体球铁，在制造承受冲击载荷较大的铸件过程中具有广阔的应用前景。我国研究人员成功研制了铝与硅合金化的耐热球墨铸铁 RQTAL5Si5，适用于各种高温工作环境。RQTAL5Si5 耐热球墨铸铁高温作业寿命比灰铸铁高 2 倍，比普通耐热铸铁高 1 倍，并与日本研发的 Cr25Ni13Si2 耐热钢的使用寿命相当。1.3球墨铸铁的应用球墨铸铁具有较高的强度和韧性，其在国内外发展的非常快，年产量已经超过可锻铸铁与铸钢。球墨铸铁铸件具有高强度、高韧性和低价格等优点，非常符合汽车零件的生产要求。典型的零件有球墨铸铁曲轴模板，轮毂等。向铁液中加入适量的钇基重稀土复合球化剂，再通过强制冷却、顺序凝固、延后孕育等工序处理可防止大型球墨铸铁结构件中心部位产生石墨畸变和疏松等缺陷，现已通过该方法成功地制作了 37 吨重的大型结构件，16.5 吨重的柴油机体、截面为 800 mm 的球墨铸铁轧辊等。用奥氏体球墨铸铁制作的泵体被用于海水淡化装置中，在具备良好的耐蚀性能和力学性能。现已有净重 510 t 的球墨铸铁件用于海水淡化装置。经过高速离心铸造制成的球墨铸铁管具有良好的材机械性能、延展性能和密封效果，主要用于市政、工矿企业给水、输气和输油等。采用铸态工艺生产球墨铸铁件能减少热处理设备的投资，简化生产工艺，缩短生产周期，节约能源，节省工时，减少热处理对环境的污染，避免热处理过程中铸件的变形及氧化，减少废品，提高铸件尺寸精度本文针对铸态QT550-7球墨铸铁熔炼工艺过程，从化学成分、铁液熔炼，球化处理、孕育处理等方面介绍熔炼过程的控制。1.4熔炼工艺及发展我国是铸件生产大国，年产铸件3500万t以上，全国有两万家铸造厂。但针对当前铸造行业能熟炼掌握铸造生产的能工巧匠匮乏，严重影响铸件质量的提高。据数据统计，我国用于灰铸铁件热时效的能耗每吨铸件为40100kg标准煤，而用于球墨铸铁件退火、正火的能耗每吨铸件为100180kg标准煤。我国球墨铸铁件中高韧性铁素体球铁和高强度珠光体球铁占有很大的比重，通常是采用退火、正火处理。采用铸态球墨铸铁生产技术省去了退火、正火处理工序，节约能源，避免了因高温处理而带来的铸件变形、氧化等缺陷。所以，推广应用铸态球墨铸铁生产技术，对于铸造行业的节能降耗减少排放，以及提高经济效益都具有非常重要的意义。铸造合金熔炼是铸造生产工艺过程中极为重要的核心工艺环节，掌握铸铁、铸钢、有色合金熔炼配料计算方法，是获得化学成分合格铸件的关键，运用好配料计算方法，对节约金属材料和燃料，降低能耗，低碳减排，降低铸件成本，提高经济效益和社会效益，有着重要实际意义。在球墨铸铁的熔炼中，影响铸态球墨铸铁熔炼生产稳定性的因素很多，要稳定地生产球墨铸铁，必须把握好化学成分设计，原铁液熔炼、球化处理、孕育处理、炉前处理、浇注、清理及热处理和铸件质量检验等环节。采用铸态工艺生产球墨铸铁件能减少热处理设备的投资，简化生产工艺，缩短生产周期，节约能源，节省工时，减少热处理对环境的污染，避免热处理过程中铸件的变形及氧化，减少废品，提高铸件尺寸精度本文针对铸态QT500-7球墨铸铁熔炼工艺过程，从化学成分、铁液熔炼，球化处理、孕育处理等方面介绍熔炼过程的控制。随着工业生产的不断发展，对铁液的熔炼质量提出了更高的要求。用较常见的冲天炉熔炼法，已不能完全适应。为了充分利用冲天炉的熔化效率高和感应电炉或电弧炉对铁液过热能力强、控制化学成分容易的优点，所以采用冲天炉一感应电炉或冲天炉一电弧炉双联熔炼。此法适用于熔炼高级灰口铸铁、合金铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁等。1.5课题来源及意义本论文课题来源于某铸造厂 QT500-7球墨铸铁熔炼工艺研究。本论文使其了解球墨铸造的发展和球墨铸铁件的发展、应用现状及存在的问题，熟悉球墨铸件的熔炼设备、炉料计算、熔体处理工艺等。通过论文，加深了对铸铁熔炼专业理论知识的理解，提高了的铸造合金熔炼岗位适应能力，为就业打下良好专业基础。2 熔炼工艺方案的确定合金熔炼是铸造生产中的重要环节。当前，铸造生产中的废品约有50% 与熔炼有关， 熔炼铁液的成本约占铸件成本的25%30% ，合金熔炼对铸件质量和成本有着很大的影响。我们应该针对不同的铸件材质及技术要求选择不同的熔炼方法。2.1熔炼技术要求及分析2.1.1技术要求铸件材质：QT500-7熔炼方式：流水生产，双联熔炼技术要求：化学成分、金相组织、力学性能达标2.1.2材料性能及分析QT500-7为铁素体型球墨铸铁，强度与韧性中等，被切削性尚好。低温时，韧性向脆性转变，但低温冲击值较高，且有一定抗温度急变性和耐蚀性。广泛用于内燃机的机油泵齿轮，汽轮机中温气缸隔板，水轮机的阀门体，铁路机车车辆轴瓦，机器座架传动轴等。QT500-7 球墨铸铁的基体组织是珠光体 + 铁素体（珠光体25%35%、铁素体65%75%）， 石墨等级45 级；其抗拉强度 b (MPa):500，条件屈服强度 0.2 (MPa):320，伸长率 (%):7，硬度 :170230HB。化学成份如表2-1表2-1 QT500-7化学成分含量（质量分数，%）化学元素CSiMnSPMg稀土含量RE成分含量3.553.852.342.860.60.0250.080.020.040.030.05其中各元素对QT500-7 组织性能的影响如下：（1）碳和硅碳和硅是促进石墨化元素。在一定的冷却速度和孕育条件下， 碳当量增加可以提高球铁的石墨化程度，碳以碳化物的形态存在的数量减少，以石墨形态存在的数量增加。选择含碳量应保证球墨铸铁具有良好的铸造性能和力学性能。高碳量有助于获得健全铸件。碳能促进镁的吸收，改善球化效果，能够促进石墨化，减小白口倾向，增加石墨核心，使石墨细化， 提高石墨球的圆整度； 可以提高铁液的流动性，增加凝固时的体积膨胀，减少铸件的缩孔体积和缩松面积， 使铸件致密。过高的碳容易产生石墨飘浮、碎块状石墨等铸造缺陷，使铸件综合性能降低。针对QT500-7，碳当量可以在4.5%4.8%，含碳量选取3.6%4.0%；硅量2.4%2.9%。（2）锰锰是形成碳化物能力比较强的元素。在一次结晶过程中锰增加铸铁过冷倾向， 促进形成碳化物(Fe，Mn)3C。在共析转变过程中，锰降低共析转变温度，稳定并细化珠光体。对于铸态铁素体要防止一次渗碳体及过多的珠光体， 根据炉料条件要求一般锰量低于0.5%。（3） 硫和磷硫与镁、稀土亲和力很强，消耗铁液中的球化元素，形成MgS、稀土硫化物渣，降低球化率；硫高易造成球化元素残留量而导致球化不良，还易形成皮下气孔、夹渣等缺陷，严重影响球铁的性能。故要求铁液中含硫量尽可能的低。含硫量要控制在0.03%以下。Fe-P 二元合金中磷， 在-Fe 中最大溶解度为2.8%。球铁中，由于其它成分的影响，磷的溶解度很小，当含磷量超过溶解度极限时，磷以磷共晶形态析出。由于成分、冷却速度、偏析等原因，球铁含磷1%时就可以出现磷共晶。2.2工艺方案优质的铁液是获得优质球墨铸铁的关键，可以说我国球墨铸铁生产和国外工业先进国家的差距主要表现在铁液熔炼的质量方面。其中既有设备条件的因素，也有技术水平的因素。适用于球墨铸铁生产的优质铁液应该是高温，低硫、磷含量，低的杂志含量（如氧及反球化元素含量等）。球墨铸铁的球化、孕育处理过程中要加入大量的处理剂，这使得铁液温度要降低50100。此时，为了保证浇注温度，铁液必须有较灰铸铁高的多的出炉温度，如至少应在14501470以上。国外通常要求在1500以上。其次，由于处理剂带入硅，因此要求原铁液有较低的含硅量（质量分数小于1.2%1.4%），这就要求选用专供球墨铸铁生产用的低硅生铁。为了扩大球墨铸铁用生铁来源、也可选用低硅团块状球化剂。低含硫量的铁液是对球墨铸铁生产的又一要求，这除了对原材料的含硫量加以限制外，还包括对冲天炉使用焦炭含硫量的要求。为了获得满意的低硫、高温铁液，采用冲天炉-感应电炉或冲天炉-电弧炉双联熔炼，中间配合有效的脱硫措施是十分有益的。根据技术要求结合实际，我们采用双联熔炼，双联法熔炼是较先进熔炼铸铁方法之一。随着工业生产的不断发展，对铁液的熔炼质量提出了更高的要求。用较常见的冲天炉熔炼法，已不能完全适应。为了充分利用冲天炉的熔化效率高和感应电炉或电弧炉对铁液过热能力强、控制化学成分容易的优点，所以采用冲天炉-感应电炉或冲天炉-电弧炉双联熔炼。此法适用于熔炼高级灰口铸铁、合金铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁等。由于冲天炉感应电炉的双联熔炼技术在铁液的过热和净化方面具有非常明显的优势，近些年来得到长足发展，尤其是高效热风、长寿命冲天炉与感应电炉的双联熔炼得到普及和推广，极大地改善了铸造熔炼的节能与减排，也大大地提高了铸铁件的冶金质量。所以我们选用冲天炉-感应电炉的双联熔炼技术。冲天炉-感应电炉双联熔炼的主要特性：能较可靠地实现铁液供求平衡， 最大限度地发挥熔化炉的能力， 可回用冷铁液和浇注剩余铁液，方便生产组织；铁液温度、成分较稳定， 并能进行成分调整、合金化、脱硫处理， 一种成分铁液浇注多种牌号产品；能缓建冲天炉熔炼与生产需要量间的矛盾， 可在保温炉内调整铁液成分，获得高温低硫铁液，降低铁液成本，取得较好的经济效益。3 冲天炉熔炼工艺设计3.1冲天炉熔炼特性及原理当前我国的铸铁生产中，铸铁的熔炼仍然是以冲天炉为最主要的熔炼设备， 而其中又以中小型冲天炉占主要地位。冲天炉熔炼可连续出铁液，适合于各种批量和规模的生产需要；设备费用低，占地面积少；可提供优质的铁液，铁液品质稳定， 特别是对高牌号的铸件。不足之处是熔炼过程排放大量的灰尘和废气， 易造成环境污染；铁液吸收焦炭中的硫，对生产球墨铸铁不利；铁液的化学成分和温度波动较大。由于可以进行连续熔化，铁液实际利用率较高；在炉内进行的造渣反应允许使用各种金属炉料；当满足了炉内焦炭、风量的适当配合，建立了焦炭燃烧的基本热力学条件时，设定并选择良好的焦炭、风接触界面的动力学条件， 就可对炉料施以正常的熔炼。3.1.1冲天炉熔炼概述熔炼时，在炉膛内先将焦炭加到风口以上一定高度并将其点燃（这部分焦炭称为底焦）。空气由风口吹入炉内，使焦炭激烈地燃烧。底焦上面加铁料，铁料被加热熔化，熔化后的铁液即沿底焦间隙向下流动。由于底焦温度高，铁液向下流动的过程中继续被加热，使铁液温度进一步提高，最后流入前炉储存。一批铁料熔化后，由于底焦的燃烧消耗，必须补加一批焦炭，这时加入的焦炭称为层焦。在熔炼过程中，为了保证炉内焦炭的正常燃烧，应清除焦炭表面的杂质，这有利于炉内冶金反应的进行，因此需要随焦炭加入一定量的石灰石熔剂。加层焦后继续加铁料。为了使铁料在熔化前能够得到充分的预热，层焦和铁料应一批一批地不断向炉内加入，直到加料口下沿，使铁料料面稳定在一定的高度上。根据车间的生产要求，炉后不断加料，炉前不断出铁，直到熔化任务完成为止。在冲天炉内，铁料主要的熔化区域称为“熔化带”。“熔化带”以上到加料口之间是铁料进行预热的地方，故称为“预热带”。熔化带以下到第一排风口之间事铁液进一步加热升温的地方，故称为“过热带”。3.1.2冲天炉熔炼的技术要求冲天炉熔炼是铸铁熔炼的主要方法之一。对冲天炉熔炼的技术要求是优质（铁液）、高产、低耗、长寿与操作便利五个方面。(1)铁液质量要高铁液质量包括铁液温度和铁液化学成分两个方面。1)铁液温度高。在铸铁熔炼中，铁液温度通常作为一个基本的技术指标进行控制。铁液温度的高低对铸件质量影响很大。高温铁液流动性好，可以顺利地充满铸型，也有利于气体和杂质从铁液中排除，避免产生冷隔、气孔等缺陷。铁液温度根据铸铁的牌号、铸件结构、工艺特点等合理确定。铁液温度的控制不仅要达到必要的高温，而且要保证必要的稳定性。因为温度的忽高忽低不仅给浇注工作带来困难，而且对铁液的成分、力学性能的稳定是不利的。2)化学成分波动小。为了保证铸铁获得所需要的组织和性能，铁液必须准确地达到所要求的化学成分，因此冲天炉所熔化出的铁液的化学成分也应控制在规定的范围内。元素的损耗率可分为绝对损耗率和相对损耗率。例如，铁料中的化学成分为si=2.2%，Mn=1.0%，熔化后化验铁液中的化学成分为si=2.0%，Mn=0.75%，计算硅、锰成分的损耗率。硅绝对损耗率=2.2%2.0%=0.2%锰绝对损耗率=1.0%0.75% =0. 25%硅相对损耗率=2.2%2.0%2.2%100%=9%锰相对损耗率 =1.0%0.75%1.0%100%=25%在冲天炉中熔化时，硅的相对损耗率为9%20%，锰为15%25%。在熔化时，硅、锰的损耗率应尽量低，否则浪费了铁料中的合金元素，同时也易造成由于化学成分的波动而引起的铸件性能的变化。碳、硫、磷及合金元素的损耗率，皆应根据铸铁的熔炼要求加以规定。(2)冲天炉的熔化率要高 冲天炉的镕化率是指化铁炉每小时能够熔化金属炉料的质量，单位为t/h。冲天炉公称熔化牢表示该冲天炉在正常工作时其平均融化率的整数值，通常以此值代表该冲天炉的大小。冲天炉的公称熔化率为2t/h，3t/h，5t/h，8t/h。 为了便于比较不同大小冲天炉的熔化能力，常需要算出冲天炉的熔化强度（每平方米炉膛面积每小时熔化金属炉料的质量）q=QA式中q熔化强度，单位为t/(m2h)； Q熔化率，单位为t/h； A冲天炉熔化带处断面积，单位为m2。 冲天炉的熔化强度一般为69 t/(m2h)，也有超过10 t/(m2h)的。(3)燃料的消耗率要低 冲天炉熔炼时，其燃料消耗的多少一般用铁焦比来表示，计算式为=m铁m焦式中 铁焦比； m铁铁料质量； m焦焦炭质量。 有时也用焦炭消耗率来表示焦炭消耗的多少，计算式为=m铁m焦国内冲天炉的铁焦比一般为810，即焦炭消耗率为10%12.5%。在保证铁液质量的前提下，应努力提高铁焦比，降低焦炭消耗量。(4)炉衬寿命长 延长炉衬寿命不仅有利干节约耐火材料，减少修炉工时，而且是提高熔炼设备利用率、便于实现熔炼操作机械化及稳定炉子工作过程的重要条件。(5)操作条件要好 任何熔炼设备，要力求结构简单、操作方便、安全可靠，并尽量提高其机械化与自动化程度，尽量减少对环境的污染。3.1.3冲天炉的燃烧过程原理(1)焦炭的燃烧反应在冲天炉内，焦炭山两大部分组成：一部分是底焦，即炉底以上1 2m厚的焦炭；另一部分是层焦，它与金属炉料及熔剂分批分层加入炉内。开始送风后，空气经风口进入炉内口只与底焦层巾的焦炭发生燃烧反应，而层焦只处于预热、干燥及挥发物排出过程，未发生燃烧反应。层焦与底焦层接触后，一方面补充底焦，另一方面也开始发生燃烧反应。在底焦层内，根据燃烧订式不同可分为氧化带及还原带，如图1-6所示。氧化带即风口平面至人炉空气中氧消耗到l%的区间。当空气由风口进入炉内时，即与炽热的焦炭中的碳发生完全燃烧反应，即：C+O2=CO2+408841J/mol在氧较少的部位，发生不完全燃烧反应，即：2C+O2=2CO+123218J/mol当不完全燃烧反应的产物CO与炉气中的氧接触时，即发生二次燃烧反应2CO+O2=2CO2+285623J/mol由图3-1所示冲天炉炉气成分及温度曲线可知：冲天炉内的焦炭燃烧是在底焦层的氧化带和还原带内进行的，实质上是焦炭中的碳与入炉空气中的氧之间的反应，底焦燃烧所消耗的焦由层焦补充，以维持底焦层内的燃烧反应能够继续进行。图3-1 冲天炉炉气成分及温度曲线因此，在氧化带内，由于炉中有自由氧存在，焦炭中的碳与炉气中的氧直接或间接的发生反应，其结果是产生大量的热，使得焦炭和炉气的温度急剧上升到1800左右甚至更高。与此同时，焦炭大量地被消耗，炉气中的氧含量从入炉空气含量的21%降到因化学反应平衡及热分解反应所限制的1 %左右；而炉中的CO2则由燃烧反应形成，由0%升到 20%左右，此时炉气带着大量的热量向上运动，进入还原带。还原带从氧化带顶面开始，到炉气中CO2降低至基本停止的区间，由于氧化带上升的炉气温度高，炉气中的CO2与焦炭发生还原反应，即CO2+C=2CO-162406J/mol上式是吸热反应，它从炉气郑吸收大量的热量，使炉气温度急剧下降，炉气中的CO2随还原反应的进行而减少，与此同时炉气中CO随之上升当炉气温度下降到1200左右时。还原反应基本停止。当炉气继续上升时，其温度因炉料吸热而不断下降，但炉气中的CO和CO2含量不会发生明显变化，燃烧反应基本结束。(2)焦炭的燃烧特点 焦炭是将配置的煤在隔绝空气的条件下，长时间（20h左右）高温（最高达1300左右）加热炼制的人工燃料。它具有较高的强度和交大的块度，其含硫量和灰度可通过配煤加热控制和调节，以满足使用要求。工业上使用的焦炭分为高炉炼铁用焦炭冶金炭，占焦量的90%以上；为满足冲天炉的特殊要求专门炼制用于冲天炉的焦炭铸造炭。一般铸造焦的固定碳的质量分数大于80%，灰分的质量分数为7%14%，琉分的质量分数小于0.8%，挥发分的质量分数小于2%，其余为水分。焦炭的块度一般为6080mm。块状焦炭在炉内燃烧时，无论是在氧化带内进行氧化反应，还是在还原带内进行还原反应，均属于多相反应，即固相的焦炭表面的碳与气相中的O2或CO2 之间发生反应。其反应速度取决于焦炭表面进行化学反应的速度与气相中反应物（即CO2或CO）向焦炭表面扩散速度之间的关系。若化学反应速度远大于扩散速度，则该反应速度取决于扩散速度，该反应在扩散区进行；反之，反应在动力区内进行。对于焦炭的氧化反应而言，扩散区的温度在800度左右，而焦炭的着火点温度在700度左右，因此氧化带的反应再扩散区内进行。在扩散区内进行的燃烧反应速度取决于扩散速度，即炉气中的O2或CO2向炽热焦炭表面附面层的扩散速度，如图3-2所示，所以附面层厚度是影响其扩散速度的制约因素。图3-2 燃烧的焦炭表面的气体及传热示意图=CReRe=vd式中附面层厚度，单位为mmC常数，受气体成分等因素影响Re雷诺数v流体的流速密度，单位为kg/m3黏性系数，PaSd特征长度，流体流过圆形管道时，d为管道直径。 由上述公式可知，减少附面层厚度的关键是增大雷诺数Re或提高气流速v，因此增大送风量对提高焦炭燃烧速度是有利的。应该注意的是，此处仅从气体流动特性来分析附面层的影响因素，而在实际的燃烧条件下，焦炭灰份的多少及性质等还会影响附面层的厚度，增加送风量往往只能在一定的范围内有效。3.2炉料的计算3.2.1球墨铸铁原铁液的配比要求熔炼时首先根据球墨铸铁的牌号和铸件的壁厚，确定处理后铁液的需要成分，再按照球化和墨化处理时的化学成分变化，定出原铁液的成分，再按照生产中冲天炉熔炼时的元素变化规律，根据前面所述灰铸铁的配料方法计算出配料用量。配料时要注意焦炭的含硫量，适当加入脱硫剂，所用新生铁和回炉料都要控制硫含量，以免将来对铸件造成缺陷，在炉前要对原铁液进行化学成分分析或采用白口数检验，原铁液成分要与预定的一致，白口数在三角试片上应看不到白口或只看到较低的白口数。对原铁液成分的要求，碳在球化处理中要减少0.1%0.2%，球墨铸铁原铁液的含碳量一般在3.7%4.0%，因球化剂和孕育剂均有硅，这些硅要进入铁液中，所以原铁液的含硅量不宜过高，球铁中如含硅量过高，会出现脆性，根据不同的要求，一般原铁液的含硅量取下限值。硫应尽量降低，原铁液的含硫量应愈低愈好，或预先采取一些脱硫措施。磷在球墨铸铁中超过0.1%就形成磷共晶，使冲击韧性和伸长率降低，球墨铸铁中含磷量不应大于0.07%0.10%，因此对球铁的原铁液来说，含磷量也应愈低愈好，所以生产球铁应用低硫、低磷的生铁。3.2.2QT500-7原始资料的确定QT500-7 球墨铸铁的化学成份初步确定如表3-1:表3-1 QT500-7化学成分含量（质量分数，%）化学元素CSiMnSPMg稀土含量RE成分含量3.553.852.342.860.60.0250.080.020.040.030.05查铸造手册铸铁可知各金属炉料的化学成分见表3-2表3-2 各金属炉料的化学成分（质量分数，%）炉料名称化学成分CSiMnSP新生铁4.151.030.350.020.04回炉铁3.752.340.450.0060.018硅铁75锰铁65废钢0.150.350.500.050.053.2.3确定元素增减率及增减后成分参考3.2.1球墨铸铁原铁液的配比要求，对成分要求进行确定；查阅冲天炉熔炼技术及生产应用书籍得出冲天炉熔炼各元素增减率；考虑元素增减后的炉料成分余量；见表3-3表3-3 各元素增减率和考虑元素增减后的炉料成分类别CSiMnPS设计成分（%）3.72.40.50.070.025元素增减率A（%）-5-10-150+75考虑元素增减后的炉料成分（%）3.892.640.570.070.0063.2.4确定配料比并校核根据生产条件，确定球墨铸铁回炉铁配比为30%，设炉料总重量为100%，其中新生铁为x%，则废钢为（100-30-x）%=（70-x）%，可根据各种炉料的含碳量列出下式：4.15x+0.15(70-x)+3.7530=3.891004.15x+10.5-0.15x+112.5=3894.00x=266解得x=66.5而废钢为：（70-66.5）%=3.5%将计算结果填入计算表内（表3-4）进行校核。表3-4 炉料计算表（质量分数，%）炉料名称配比CSiMnSP原料炉料原料炉料原料炉料原料炉料原料炉料新生铁66.54.152.761.030.680.350.230.020.0130.040.027回炉铁303.751.122.340.700.450.140.0060.0020.0180.005废钢3.50.150.010.350.010.500.020.050.0020.050.002合计1003.891.390.390.0170.034炉料3.892.640.570.0060.07差额合格-1.25-0.18+0.011合格计算铁合金加入量：硅铁= 1.2575 =1.67%锰铁= 0.1865 =0.27%校核结果显示，铁液中硫含量超标，我们应在冲天炉和感应电弧炉中进行脱硫措施。3.2.5炉料计算设冲天炉熔化率为5t/h，炉料以500kg计，层铁焦比为10:1，则炉料如下：新生铁=500kg66.5%=332.5kg回炉铁=500kg30%=150kg废钢=500kg3.5%=17.5kg硅铁=500kg1.67%=8.35kg锰铁=500kg0.27%=1.35kg层焦=500kg10%=50kg3.3熔炼工艺及参数将计算好的炉料放入冲天炉中熔炼，因为球墨铸铁对合金元素含量要求严格，我们采用碱性冲天炉进行熔炼，熔炼工艺及参数分为以下几步：3.3.1装炉炉底、炉壁烘干后，铺上刨花，再装入木材，然后打开风口，点火。加入底焦总量的40%60%，等全部烧着后再加入余下底焦，随后短时鼓风，吹净灰分，趟透过桥，并从风口处观察和测量底焦高度、进行调整。装料时注意炉料均匀分布，在熔化过程中使炉料料柱与装料口平齐。严格按配料规定加料。加料应过秤，称量允差为5%，并做好装料记录。装料顺序：焦碳、熔剂、回炉铁及铁屑、生铁、铁合金、废钢。焦碳加入量根据焦耗及铁液温度进行调整。严格遵守各种牌号铸铁的炉料配比，不能随意变更炉料。装料完毕，应加压铁，压铁层数不能超过两层。无论开始送风或停止送风都应先把风口盖打开，方能开动或停止风机。 3.3.2炉前控制点火前应打开风口，开炉前应准备好炉前用的各种工具及各种炉前处理合金。应保持风量计的完好正常，开风后15分钟内应随时注意风量、风压及加氧量等数值与波动。送氧应在开风5分钟以后，铁料开始熔化时进行，送氧后风量相应减少到规定值。风眼必须经常保持明亮，遇有严重结渣，应马上清除，清理风口时不能停风，不能同时捅两个风口，注意铁液熔化速度及温度，以便随时调整风量，加氧风口应随时注意氧枪喷嘴与焦碳距离变化，发现异常及时调节。出铁槽应经常保持清洁，不应有冷铁在内。风带内进风口附近的铁渣应在开风前清理干净。处理交界铁液时，前批料应在后批料下来前出清。交界铁液降级使用，浇注不重要铸件。熔化后期应减小风量，不能任意停风。中途停氧之后应补足底焦并调整风量到正常值，同时将氧枪喷嘴与焦碳距离调到最大。3.3.3铁液出炉 经过一段时间的熔炼后，铁液逐渐积聚在前炉中，达到一定的容量时就可以打开出铁口出铁，如果铁液已经到达出渣口，则可先打开出渣口放渣，然后再出铁液，出铁前先把铁液包放入前炉坑内。每次出铁要使出铁口凿清耐火泥和铁渣，使流出的铁液流平稳流畅，这样铁液的搅拌减少，减少了空气卷入铁液的机会。若见炉渣由出铁口同时流出，就说明前炉内已无铁液存在，立即用泥塞塞住出铁口。3.3.4脱硫处理冲天炉的熔炼中，硫是参与整个过程的，在整个过程中硫是增加的，硫的来源除由铁料带入外，大部分是来自焦炭，因为在冲天炉中，炉料是与焦炭直接接触的，于是焦炭中的硫在高温下直接被吸收在铁液中，因此必须采取脱硫处理，最简单的脱硫方法是在后炉加焦炭时加入适当的石灰石。石灰石量为焦炭量的20%50%。石灰石对铁液亦起造渣作用，以清除杂质。焦炭中的硫经燃烧后生成二氧化硫气体，在冲天炉的预热区和熔化区内，SO2与固体铁料相作用，发生下列反应3Fe+SO2FeS+2FeO+86700kcal/kg分子生成的液态FeS一部分进入渣中而去除，一部分熔入铁液中，但渣中的FeS与渣的其他化合物有着平衡关系，如果有过多的FeS进入，其中一部分S就会回如铁液中，所以不能靠硫自然进渣而去除，必须用其他方法加以除掉，方法是造碱性渣，即提高氧化钙的含量，在炉后加石灰石，石灰石在高温下分解即产生氧化钙。CaCO3CaO+CO2FeS+CaOCaS+FeOFeS+CaO+CFe+CaS+CO生成的CaS进入渣中而被去除。氧化钙属碱性，而一般的酸性冲天炉炉衬多为SiO2，与碱性CaO易发生作用而使炉衬急剧侵蚀，所以石灰石的加入量不能过多，因此酸性冲天炉脱硫效果没有碱性冲天炉高。3.4熔炼过程的化学反应 在冲天炉熔炼过程中，自金属炉料投入炉内到铁液放出炉外，始终存在着冶金反应。在预热区，金属炉料与炉气中的CO2，CO，SO2等气体接触，发生下列反应：Fe+CO2 =Fe+CO3Fe+SO2 =FeS+2FeO10FeO+SO2 =FeS+3Fe3O4Fe+CO =FeO+C由于预热区的金属炉料呈块状，温度相对于其它区域的一些， 反应仅在料块表面进行， 相对于整个冲天炉熔炼过程而言， 所占比例很少。若金属炉料质量很差（如比表面积大的轻薄料），预热区的上述反映就不能忽视。在熔化区内，料块逐层融化，其表面与炽热如气接触，冶金反应十分强烈，主要有以下反应：Fe+CO2 =FeO+COMe+CO2 =MeO+COSi+2CO2 =SiO2+2COC+CO2 =2CO这些反应造成金属的化学成分发生变化， 尤其是当底焦高度过低时，炉气中的CO2含量较高，上述反应更为剧烈，使金属严重氧化。为了避免这种氧化，冲天炉底焦层必须保留足够的还原带，以便形成一定的还原反应，减少炉中CO2含量，降低炉气的氧化性，以满冶金反应的要求。这与充分利用热能的要求相矛盾，故在一般情况下，冲天炉的炉料是在弱氧化性气氛的条件下熔化的。对于轻薄材料为主的冶金冲天炉，必须进一步降低CO2含量，使炉气呈还原性，以便炉料不仅不被氧化，甚至还可以 将炉料表面的锈蚀部分（即FeO）还原，提高金属回收率。当铁液滴通过过热区时，一方面是其表面积大、液滴内外扩散及对流容易进行，因而成分易于均匀；另一方面液滴不仅与炉气及炽热的焦块表面接触，而且与炉渣滴接触。因此，除与CO2发生反应外，在氧化带还发生下列冶金反应：C+O2 =CO22Fe（或Si、2Mn）+O2=2FeO（或SiO2、2MnO）S+O2=SO2在炽热的焦炭表面接触时发生下列传质过程：C焦C金FeS焦FeS金当液滴与炉渣接触时，炉渣中的FeO与液滴中的组分发生下列反应：Si+2FeO =SiO2+2FeMe+ FeO =MeO+ Fe这两个反应对Si、Me而言是氧化反应，对铁而言是还原反应。由于Si、Me含量少，对铸铁性能影响大，故在实际生产中还是将上述反应归为氧化反应之列。当液滴进入炉内以及在汇集储存过程中，没有气体流动和燃烧反应（是氧化反应，还是还原反应）。如气中几乎没有O2和CO2，只有CO和N2存在，故液滴只与焦炭。炉渣和炉气中的CO接触，此时除焦炭、炉渣的氧化和熔化外，没有CO2、O2的氧化反应。但当温度等因素适合时，可能发生下列还原反应：FeO+C=Fe+COSiO2+2C=Si+2COMnO+C=Mn+CO从以上分析可知， 选举现在的冲天炉熔炼过程的主要反应是Fe、Si、Mn与CO、CO2、O2、FeO及C之间的氧化还原反应，其他反应都处于次要地位。4 电炉熔炼工艺设计感应电炉熔炼是利用交流电感应的作用，使坩埚内的金属炉料本身发出热量，将其融化，并进一步是液体金属过热的一种熔炼方法。感应电炉是目前对金属材料加热效率最高、速度最快，低耗、节能环保型的感应加热设备。由于现代工业的迅速发展，对铸造生产提出了优质、精化和节能的三大要求。高牌号灰铸铁、优质的球墨铸铁和蠕墨铸铁、高合金特种铸铁都需要由高温、洁净、低硫，写化学成分准确而少干扰元素的原金属为前提，感应电炉正好提供了符合上述要求的熔炼条件。而且，节能低耗、减排防污和环境保护以成为我国铸造业创新发展的主流。因此目前在机械、冶金、汽车、动力、化工、铸管等部门的核心铸件生产中，采用感应电炉熔炼或冲天炉-感应电炉双联已十分普遍。4.1感应电炉的熔炼特点4.1.1感应电炉构造及工作原理 感应电炉是利用电流感应产生热量来加热和熔化铁料的熔炉。炉子的构造分为有芯式和无芯式两种，在无芯式感应电炉中，坩埚内的铁料在交变磁场的作用下产生感应电流，并因此产生热量，而将其自身熔化和使铁液过程热。在有芯式感应电炉中，需要加入用其它熔炉（如冲天炉）熔化的铁液，在环形铁芯内产生的交变磁场使沟槽内的铁液过程，并利用沟槽中铁液与其上面熔池中的