合金熔化与精炼2

1、辛勤才有果实第三章.冲天炉熔炼的基本原理n在焦炭燃烧规律的基础上,结合冲天炉的特点,讨论冲天炉内的炉气分布和温度分布;热交换和冶金反应.n3-1.冲天炉内炉气与温度分布n(一).炉气分布n 冲天炉内,炉径方向的炉气分布不均匀,靠近炉壁焦炭缝隙大,阻力小,风量多,称为炉壁效应.另外,风口在圆周方向是不连续的,风口前沿的气流速度大,两个风口之间气流少,甚至无风.炉径大时,炉子中心风速小,风速大的地方燃烧快,温度高,无风的地方不燃烧,降温,温度低.由于气流分布的不均匀,造成炉内温度分布的不均匀.气流分布n炉内气流分布n炉壁效应.n 在炉子高度方向,炉气中二氧化碳的浓度有最高区.与层状燃烧相似,在径向

2、上不均匀.二氧化碳的浓度最高区,对应温度的最高区.由于还原反应吸热,温度下降.n炉气温度与CO2分布有关,因此在炉子截面上温度分布也不均匀,靠近炉壁温度高,等温线下移,熔化带下移,形成倒锅形,对铁水过热不利.n气流与温度分布3-2.冲天炉内热交换n从加料口开始,金属炉料下行,与上行的炉气进行热交换.可分成三个区:n(一).预热区: 加料口下沿至熔化带上边n此区内金属为固体,温度逐渐提高,从20-1200 ,此区热交换有3个特点:n(1).热交换以对流为主,炉料下行很慢,气流速度很快.从加料口下行到熔化带需要30分钟时间.主要是金属表面与炉气对流传热,为了保证有效预热,提高热效率,设计冲天炉时要

3、有一定的有效高度.保持加满料,H/D=68.n(2)传热快.在预热区,金属的温度从室温预热到熔化的温度,吸收的总热量占铸铁熔化总热量的65%.n(3).影响因素多,受到有效高度.(炉子设计);底焦高度的影响,也受料块大小,熔化速度和铁焦比的影响,预热效果不同,料块小,预热均匀,同时有利于吸收炉气热量,因此希望金属炉料块小,但太小时,对气流的阻力大,氧化严重,细料重压.(二)熔化区的热交换n从炉料熔化开始,到金属料熔化完了.特点:n(1).以对流换热为主,与预热区相似,吸收熔化潜热和少量过热的热量.熔化区的高度与料块大小有关。料块越大,批料量越多,熔化时间越长,熔化带下移,减少过热距离,铁水温度

4、低.n(2)炉气分布不均,熔化带呈凹形,中心熔化慢.n(3)高度波动大.熔化带的形状n.(三)过热区的热交换. 过热区是熔化带下沿到第一排风口.特点:n(1)铁水与焦炭接触,以传导传热为主,辐射传热为辅.n(2)传热时间短.30秒左右,传热强度大,温度提高150-250 .(1200 1450 .)n 预热区 熔化区 过热区n传热时间 30分钟 5-7分钟 30秒n吸热量 840KJ 230KJ 150-210KJn过热区,铁水的过热效率低,预热的效率是20%; 熔化带的效率是60%;过热区是7%.因为时间短.因此采用冲天炉和电炉双联法.n冲天炉熔化,电炉过热.(3)过热效率与炉气最高温度有关

5、,与过热区长度有关.炉气温度高,受热强度大,过热时间长,底焦高度高,过热温度高,铁水温度就高,总的过热效率与过热面积有关.n(四)炉缸区.n 炉缸区有焦炭,但无氧气,不燃烧,铁水经过时要降温,在开渣口操作时,焦炭燃烧,有利于铁水过热,一般在开炉初期可以适当开渣口操作,有利于提高前期的铁水温度,带前炉的炉缸小于200mm.n3-3影响冲天炉热交换的主要因素n 提高铁水温度是冲天炉的重要技术指标,要获得高温铁水,必须扩大过热面积,提高炉气最高温度,扩大高温区.影响因素主要有:送风,焦炭,炉料;操作和炉形.一.组织好合理燃烧强化燃烧;均匀燃烧;包括送风和焦炭两个因素.(一)风的影响n(1)风量的影响

6、.n 风量小时,燃烧不充分,适当增加风量,提高气流速度,有利于燃烧反应,获得高温.但如果风量过大,燃烧太快,料层下降快,过热区减少,熔化速度增加,不利于铁水过热.应根据风焦平衡,确定最佳风量,(最惠风量),主要取决于:焦炭消耗量(焦耗量);焦耗量越大,最惠风量也越大.n 焦耗量越高,铁水温度也越高,n焦耗量一定,有最惠风量(2)风速的影响.n指风口出口处的平均流速,一般为60-80m/s,风速高,加强扩散燃烧,吹掉灰分,风穿到炉子中心,均匀燃烧,.如果风速过高,有吹冷作用,增加元素烧损.增加风速,需要增加风机功率.风速的选择与焦炭的灰分.块度有关,灰份少,块大时,可选低风速,铸造焦可用3040

7、m/s,我国多采用小风口,风口比(风口总截面积与熔化带炉膛横截面积之比):1/301/40,风速高,因为焦炭质量差.国外多用大风口,风速低,焦炭质量好.(大风口:10%).n(3).风温的影响.n 预热送风,内热式(热风炉胆),外热式(一氧化碳燃烧)风温大于400 ,有明显的效果. 相同的风量,风温高时,体积大,风速高,强化扩散燃烧. 有利于提高铁水温度.风温提高100 .铁水温度提高10 .送热风,炉壁也不容易挂渣,n(4)富氧送风.n 送风中加氧,加速燃烧反应,能提高铁水温度.富氧,减少了带入的氮气量,减少物理热损失,有利于提高铁水温度.加入1%的氧,提高铁水温度10 .加3%的氧相当于4

8、00 的热风.(二)焦炭的影响n 焦炭的成分;块度;反应性.n(三)炉料.n(1).料块:块大,预热不好,熔化带下移,过热高度不够,不利于提高铁水温度.n(2)炉料干净,无杂质。铁锈,消耗热量.n(四)操作的影响n(1).底焦高度.开炉时,在出铁口7-10分钟见到铁水为正常.底焦过高,造成空烧;底焦过低,熔化带下移,过热不足,铁水温度低,甚至冻炉,化不出铁水.风焦平衡,保持熔化带稳定,过热高度稳定,铁水温度就稳定.测定底焦高度.(2)批料量的影响:批料量越小,熔化带越薄,底焦波动小,层焦厚度150mm.(五)炉型的影响(1).冲天炉炉型 主要有:直筒型;倒锥型;灯罩型;多数为曲线炉膛.熔化带的

9、直径大,下部直径小,提高过热区的效率.改善底部的气流分布,克服炉壁效应,减少底焦用量.炉膛的最大直径与最小直径不能相差太大,否则,修炉困难,容易棚料,d/D=0.8.目前使用较多的有四种炉型, 二排大间距冲天炉 三排小风口冲天炉 中央送风冲天炉 (5吨以上的) 卡腰式冲天炉(主要用于小炉子) 常见的冲天炉炉型大型冲天炉水冷无炉衬,炉气除尘;预热送风;-长汽铸造厂的12吨冲天炉雨淋式水冷冲天炉(2)冲天炉风口n 风口布置:送风方式主要有:侧送风;(多排风口;二排风口)中央送风;5吨以上的冲天炉.强化中心燃烧,减少炉衬烧损,多用侧送风.n 风口排数:多排,两排;一排,多为二排大间距,焦炭好,可以减

10、少排数,小焦炭用多排风口.为了使还原带的CO燃烧,可设二次送风.要严格控制二次送风量,否则形成新的熔化带.n 风口位置:以二排风口为例,风口出口面积最大的一排为主风口,占总送风量的60-70%.主风口在下第一排的为正置,主风口在上面的为倒置,两排风口一样大的为等置.n东大,主张正置,南京工学院主张倒置,华中主张等置.认为倒置可以缩小还原带高度,促进完全燃烧,国外主要用正置,主风口的位置是高温区.焦炭好用正置,n 风口斜度:风口向下倾斜5-15度,克服炉壁效应,上排斜度大.卡腰炉倾斜30度.n大型冲天炉(100吨)风口用水冷铜风口,突入底焦,风可以打入炉子中心.冲天炉内的气流分布(3)冲天炉有效

11、高度有效高度影响预热,一般是冲天炉直径的5-7倍,大炉子取小值,高度过大,结构复杂,容易棚料操作方面:上料及时,保证预热,风眼畅通,炉料称量准确.冲天炉内的冶金反应原理不讲.关于冲天炉熔炼的几个问题n1.铁水的化学成分控制n(1).铁水的化学成分依据铸件的牌号控制:C;Si,Mn.根据炉内化学成分的变化趋势,考虑元素的烧损量,进行配料,炉料主要用生铁,废钢,回炉料和铁合金.Si铁:75%Si;Mn铁:55%Mn,冲天炉内,Si的烧损量为:1015%,Mn的烧损量为:1520%.铁水含碳量低时,熔炼过程要增碳.配料时,含碳量低于要求的碳量;铁水含碳量高时,熔炼过程要降碳. C(铁水)=1.7%+

12、1/2C(炉料)n(2)P量在炉内不能控制,选用炉料时考虑.n(3)对于一般的灰铸铁,不进行特殊处理,球墨铸铁要求含硫量低,需要脱硫处理.冲天炉熔化,焦炭中含硫,使铁水增硫,铸造焦含硫低.2.加入熔剂(石灰石:CaCO3)n 冲天炉熔炼必须加入熔剂,石灰石CaCO3,石灰石在800以上分解, CaCO3 =CaO+CO2 , CaO+SiO2+Al2O3 ,形成炉渣,三个组元比例不同时,渣的熔点不同,焦炭中的灰分主要是: CaO, SiO2 , Al2O3 ,不加入熔剂时,熔点高,渣的流动性差,加入石灰石,降低渣的粘度,顺利排出炉外.石灰石用量,根据焦炭的含灰量而定.固定碳越低,灰分越多,需要

13、加入的石灰石越多.石灰石量为焦炭量的三分之一.风量控制n 冲天炉的风量应能保证冲天炉的合理燃烧,根据炉子的熔化率,焦炭消耗量,选择风机,风量和风压.送风强度:每平方米炉膛截面积送风量:按焦炭消耗量:每千克碳用风量.例如.熔化率3吨的冲天炉,每分钟化铁水50千克.按铁焦比6:1算,每分钟用焦炭8千克,每千克焦炭完全燃烧用7立方米风,每分钟应送风:56立方米风.风机应选3600立方米/小时.考率漏风等因素, 可选4200立方米风/小时的风机.n 风压:冲天炉越大,送风的风压也越大,9001800mm水柱, 1mm水柱=9.8Pa,风量风压都可以测量,有专用仪表. 炉气分析:测定冲天炉内CO2浓度,

14、确定焦炭完全燃烧程度.有取样分析的分析仪,也有自动连续分析仪.n 铁水温度测量:铁水温度是重要技术指标.用热电偶或红外测温仪.有数字显示温度.n 铁水连续测温在过桥处,连续给出铁水温度.n冲天炉的微机控制:以风量控制图为依据,测出相关数据,经控制模型计算,控制风量,达到合理燃烧的最佳状态n 测定的参数:风量;风压;铁水温度;熔化率;焦炭耗量;炉气成分等.n目前尚不理想.中频感应电炉熔炼铁水n靠电磁感应加热,熔化,升温.熔化速度快,不用焦炭,污染少,不增硫.铁水质量好,铸件废品率低.操作容易.循环水冷却.n缺点:投资大,电费贵.许多工厂在晚上用低峰电.n用冲天炉熔化,电炉过热,比较合理.双联熔炼

15、.天燃气化铁炉;煤粉化铁炉;油炉化铁n水冷无炉衬冲天炉.没有耐火材料炉衬,水冷挂渣,有内水冷式和外水冷式.可连续熔化一周.普通冲天炉可连续用24小时.n酸性冲天炉;以硅砖砌的炉衬,渣子为酸性,炉衬寿命长,但炉内不能脱硫,加脱硫剂时(钙),炉衬侵蚀快.n碱性冲天炉.以镁砖砌的炉衬,渣子为碱性,炉衬寿命短,但炉内能脱硫,加脱硫剂氧化钙,造碱性渣,炉衬耐热冲击性差.炉衬寿命短.n碱度 :(CaO+MgO)/SiO2n0.8 -酸性; 0.81.2-中性; 1.21.5-碱性n 冲天炉技术指标: 铁焦比; 熔化率; 熔化强度; 送风强度; 送风量; 焦耗量; 元素烧损量, 炉渣碱度.复习题n1.冲天炉熔炼对铁水质量有哪些要求?