合金熔化与精炼7

1、铸造合金熔化及炉外精炼铸 铁铸 钢铸造有色合金 中国目前是世界第一铸件生产国，年产3500万吨铸件，占世界铸件总产量的三分之一，10-15%出口。各省相继建设铸造工业园。 中国在古代就有高超的铸造技术。出土的最早的铸铁为铁锛,是铸造的.出土的青铜文物都是铸造的,也是中华五千年文明史最为辉煌的、最有代表性的、世界领先的。 铸造青铜鼎;编钟;青铜宝剑;铜钟.武当山金顶 在现代的工业、农业、国防和人们的日常生活中许多领件也是铸造的.汽车的发动机缸体、缸盖、排气管、轮毂、变速箱、后桥、曲轴等都是铸造的，汽车重量的50%是铸造而成的。 没有铸造就没有汽车。 国防:坦克、轮船、航空母舰、枪械、 卫星、飞船

2、、火车 机床、轧钢机，农业机械 日常生活用品，都离不开铸造。课程简介 金属材料(包括液态成形,固态成形)的质量是由许多工艺过程控制影响的，其中熔炼过程是最基本,最重要的过程。包括:材料的化学成份,杂质;气体;净化。熔炼过程的质量得不到保证，后面的过程也就改变不了。合金熔炼是铸件质量保证的第一关。本课程以液态成形合金的熔炼和精炼为主，也包括变形合金的熔炼。分三部分: 铸铁及其熔炼; 铸钢及其熔炼; 铸造有色合金及其熔炼。第一篇.铸铁熔炼 第一章.铸铁熔炼概论 1-1.冲天炉熔炼的发展 铸铁铁水的熔炼可以用冲天炉，中频感应电炉,电弧炉;平炉等。冲天炉是铸铁熔炼的主要设备。尤其在我国，冲天炉熔炼占9

3、0%以上。中频炉熔炼正在增加。也有用冲天炉和电炉双联熔炼的。熔炼是铸造的能源消耗的主要工序。长汽铸造厂的能源消耗占全厂的50%以上。提倡短流程，小高炉铁水+中频炉 冲天炉熔炼热效率低，污染大。研究用高炉铁水浇注铸件。电炉成本高，电容量大。铸铁熔炼设备冲天炉 各个工厂的冲天炉熔炼技术水平差别很大。在降低消能,提高铁水质量方面仍有很多工作有待研究。近年来，国内很多工厂采用冲天炉和电炉双联熔炼，对提高铁水质量，降低铸件废品率有很大改进。也有一些工厂已经或计划取消冲天炉，采用全电炉熔炼，对铁水质量(成分；温度)控制有利，降低空气污染，成本提高，但废品率降低，综合效益持平。冲天炉向大型化发展，提高综合效

4、益。原来3-5吨/小时，现在有7-15吨/小时。1-2.冲天炉熔炼的基本要求 (1).铁水质量高:温度高(1450-1500)，成分准确，(成分-组织-性能-牌号)气体夹杂物少，是稳定铸件质量的主要条件。 (2)熔化速度快。 (3)消耗少：燃料(焦炭),电(风机)；耐火材料(炉衬) 熔剂; 合金烧损量。 (4)炉衬寿命长; (5)操作条件好：结构简单；操作方便；安全可靠。1-3冲天炉的结构.操作 一,冲天炉结构 (1).有效高度:加料口下沿-第一排风口中心线,叫炉身.其高度:有效高度 (2)炉缸:第一排风口-炉底200-300mm. (3)烟囱 (4).前炉 (5).送风系统.风机;风管;风箱

5、;风口. (6).热风装置;热风炉胆; 外热式;内热式.二.冲天炉操作 (1).修炉:新开炉或熔化后修补上次损坏的炉衬. (2)点火:加木柴，焦炭，点火，加足底焦高度。1000-1500mm. (3)加熔剂，石灰石降低炉渣粘度。 (4)送风。关工作门，加批料，层焦，熔剂，至加料口下沿(有效高度)，焖炉预热,1小时，开风熔炼。 空气(冷风;热风)经冲天炉风口进入炉内，底焦燃烧,(C+O)放出热量，产生高温炉气，通过焦炭向上运动，加热金属。底焦上面的金属熔化，铁水在底焦中下落，过热升温,进入炉缸，经过桥进入前炉。随着熔化进行，上部的炉料预热下行,在熔化带熔化。炉料下行很慢,炉气上行很快，几十米/分

6、钟，料层下降，在加料口不断地加入层焦，层铁，熔剂，熔化连续进行,铁水从过桥进入前炉，有分渣器的冲天炉，炉渣从过桥分离，铁水进入前炉，到一定铁水量时，从前炉的出铁口出铁，进入浇包,浇注铸件。第二章.冲天炉内焦炭燃烧的基本规律 2-1对焦炭的质量要求 冶金焦;化工焦;铸造焦(质量好,价格高) 化学组成:C;H;O;N;S;A(灰分);W(水分). 工业分析:C;挥发分; S;A;W;G(焦末), (1).固定碳高。主要靠碳燃烧放出热量，固定碳越高，放热越多，质量好。固定碳是指以单质存在的自由碳，国内的固定碳含量为80-87%，国外90%，国内少数地方焦C：60%，灰分高，炉渣多，铁水温度低。 (2

7、)挥发分少.1.0-1.5%.焦炭易炸裂,碎化,不利送风. (3)S要少.增硫,铁水中的S主要来自焦炭,越少越好,铸造焦含S低,重要指标。 (4)A少(SiO2 Al2O3 CaO)不可燃，11-14%,形成炉渣，灰分越多，要求加入的熔剂越多，消耗的热量多。 (5)要求水分少.10%，其它热损失10%，化学热损失30%.冲天炉最好的热效率：50%。一般工厂的焦铁比：1:101:12.常见的：1:8;1:6。(二)焦炭燃烧计算 1.空气量计算 按化学反应式，求出每种元素燃烧所需氧的体积，相加，换算出空气量，就是焦炭燃烧所需的空气量。 燃烧系数:v=CO2/(CO2+CO) 1千克分子氧气带入3.

8、762千克分子氮气、C、S、H、O2的分子量分别为:12;32;2;32.燃烧所需的氧量为：完全燃烧： 1千克分子碳需要1千克分子氧气。不完全燃烧: 1千克分子碳需要的氧小于1千克分子氧。 所需氧的体积：VO2=1.867(1+v)/2 C+0.7(S-O)+5.6H m3氧气/千克焦炭 空气量：L=(1+3.762) VO2=8.89(1+v)/2+3.3 C+0.7(S-O)+26.7H m3氧气/千克焦炭略去O;S;H L=4.45(1+N)C设焦炭的含碳量为80%，燃烧比为90%，1千克焦炭的理论空气量为6.67 m3实际上，冲天炉内Fe、Si、Mn也要氧化，需要氧，所以一般可按每千克

9、焦炭需要7立方米空气计算。实际送风还要考虑漏风量。 根据冲天炉的熔化率;焦耗量;确定总送风量。选择风机，5吨冲天炉每分钟送风80立方米。(三)燃烧产物体积计算 用空气量的计算方法，可计算出燃烧产物的体积。 C+O= CO(四)理论燃烧温度的计算 不考虑热损失，燃烧放出的热量全部用于加热燃烧产物，就是理论燃温度，焦碳完全燃烧时,tT=2243 。不完全燃烧时，形成CO，化学损失，放出的热量少。 vC+ vO2=v (CO2 +34000 kJ/kg焦 ) 不完全燃烧的发热量: 34000v +10200(1-v )C =(10200+23800v )C kJ/kg焦 实际生产都是不完全燃烧温度低

10、于理论温度. tT=(10200+23800v )/(8.097+7.059 v) 燃烧系数越低，理论温度越低，由于热损失，实际温度还要低于理论值。实际测得1806 。2-3焦炭层状燃烧的基本规律 (一).层状燃烧的一般过程 冲天炉内焦炭燃烧属于层状燃烧，是固相与气相的多相反应过程。多相反应的基本过程有五个： (1).扩散：空气中的氧分子扩散到焦炭表面； (2).吸附(O与C结合)； (3).反应(形成CO2) ； (4).脱附(反应产物离开反应表面)； (5).产物扩散离开。 其中影响大的是扩散和反应两个过程， 800 以下,温度低,反应过程控制燃烧过程，-动力燃烧； 800 以上,反应速度

11、加快，扩散过程成为主要控制因素，-扩散燃烧。 阻碍扩散的有层流层，灰分层，气层。要减少层流层，(1)增加风速，改变流动状态，形成紊流，(改变风口大小)；(2).提高风温(热风)；(3)提高氧浓度-富氧送风。 焦炭燃烧 反应机制散扩反应800 阻碍层O2冲天炉底焦燃烧不同于层状燃烧,(1).側送风，形成炉壁效应；(2).熔化带不平，锅形，希望越平越好。C+O2=CO2C+1/2O2=COC+CO2=2CO氧化带与还原带的交界处温度最高,还原是吸热反应，进入还原带，温度降低。(二)焦炭层中的氧化带 主要化学反应: (1). C+O2=CO2 +34070(kJ/kg碳) F= - 394400-0

12、.84T 主要反应，完全燃烧 (2). 2C+O2=2CO + 10270(kJ/kg碳) F= - 223600-175.44T 不完全燃烧，产生的热量只有完全燃烧时的30%，形成化学热损失。 (3). 2CO+O2=2CO2 + 23800(kJ/kg碳) F= - 566250+173.76T (4). 2CO=CO2+C + 23800(kJ/kg碳) F= - 170830+174.60T反应的自由能越低，反应越容易进行，反应自由能F与温度有关。高温下，CO比CO2稳定 C+ CO2 =2 CO;还原反应: CO2+C= 2 CO的自由能降低,高温下的氧化带有利于形成CO，在低温下,

13、 CO2比CO稳定。 从动力学分析，当氧化带有自由氧时，主要燃烧产物是CO2 ，氧低时才形成CO。 温度越高，反应越快，高温下，反应不受化学反应控制，主要是扩散燃烧。冲天炉内氧化带的高度与送风量有关，也与焦炭的块度和反应性有关。氧化带的高度H=6-7个焦炭块直徑。(三).焦炭层中的还原带 CO2+C= 2 CO -13540 (kJ/kg碳) F= 170800-174.6T 此反应吸热，温度下降。为了充分利用焦炭的热量，要抑制换原反应，与高炉相反。温度越高， F越低，有利于还原反应进行，低于978K时，不在有还原反应进行，压力增加,还原反应下降，(还原反应体积增大，压力不利于体积增大)。 还

14、原反应与焦炭的反应性、块度有关，焦炭的反应性越大，块越小，有利于还原反应进行。因此，铸造焦希望反应性小、致密、块大。冶金焦不适合于冲天炉。 (四).燃烧比 v=CO2/(CO2+CO)X100% 气体体积百分比 v=1时，炉温最高,氧化性气分， v越大，热利用率越高，但氧化性增加，合金元素烧损加大，铁水中O2含量增加，铁水质量下降，铸件容易出现气孔等缺陷。2-4.冲天炉内焦炭的燃烧 冲天炉内的供风条件与层状燃烧不同，而且冲天炉内还有铁和熔剂等，进行热交换和冶金反应，因此，有自身的特点。 (一).燃烧比和炭耗量的关系 焦耗量：熔化100千克铁水所耗焦炭量 铁焦比：总化铁量与总焦耗量之比(称焦比)。 实验测得，焦耗量越少，燃烧比越高，氧化性加大。 影响冲天