灰铁熔炼工艺

灰铁熔炼工艺灰铁（灰口铸铁）因断口呈暗灰色得名，具有良好的铸造性能、切削加工性能、减震性及耐磨性，广泛应用于机床床身、发动机缸体、箱体等机械零件。灰铁熔炼的核心目标是获得化学成分均匀、温度达标、杂质含量低的优质铁液，为后续铸造工艺及铸件质量提供保障。本规范详细阐述灰铁熔炼的核心工艺要点、操作流程、质量控制及安全要求，适用于中小型机械制造企业的灰铁熔炼生产。一、熔炼前准备熔炼前准备是保障熔炼过程稳定、铁液质量合格的基础，主要包括原材料准备、设备检查及工艺参数确定三大核心环节。原材料准备与检验金属炉料：①生铁：选用符合标准的铸造生铁（如Z14、Z18、Z22等牌号），主要提供铁液基础成分，要求化学成分稳定，硫、磷等有害杂质含量低（硫≤0.07%，磷≤0.15%，具体按铸件牌号要求调整）；②废钢：选用洁净的低碳废钢（如钢板边角料、废机床零件等），碳质量分数≤0.3%，用于调整铁液碳含量，降低杂质含量，废钢需清除表面油污、铁锈、泥沙等杂物；③回炉料：包括浇冒口、废铸件等，成分应与目标灰铁牌号相近，占炉料总量的30%~50%，需破碎至合适尺寸（≤200mm），清除表面粘砂、氧化皮；④合金料：根据目标牌号要求，准备硅铁（FeSi75）、锰铁（FeMn65）、铬铁等合金，用于调整硅、锰等合金元素含量，合金料需干燥、无锈蚀、无油污。燃料与熔剂：①燃料：常用焦炭（固定碳≥85%，灰分≤12%，挥发分≤1.5%，硫分≤0.7%），用于冲天炉熔炼时提供热量，要求焦炭块度均匀（10~30mm，根据冲天炉容量调整），强度高、燃烧效率高；若采用电炉熔炼，需确保供电稳定；②熔剂：选用石灰石（CaCO₃）或白云石（CaCO₃·MgCO₃），用于冲天炉熔炼时造渣，吸收炉内杂质，石灰石块度10~30mm，加入量为炉料总量的3%~5%。原材料检验：所有炉料入库前需进行化学成分抽检（生铁、废钢、合金料）及外观检验（清除杂质、锈蚀），确保符合工艺要求；焦炭需检测固定碳、灰分等指标，熔剂需确保纯度达标。熔炼设备检查与调试冲天炉（常用熔炼设备）：①检查炉体：炉衬（耐火材料）无破损、剥落，炉底、炉缸、风口等部位完好；②检查送风系统：鼓风机运行正常，风管无泄漏，风量、风压可调节；③检查加料系统：加料机运行平稳，加料口密封良好；④检查出铁口、出渣口：堵塞严密，通道畅通；⑤空炉试运转：启动鼓风机，检查送风均匀性，确保设备无异常噪音、振动。电炉（中频感应电炉，适用于高精度铸件）：①检查炉体：感应线圈绝缘良好，炉衬无裂纹、脱落；②检查电气系统：供电线路、控制柜连接牢固，保护装置（过流、过热保护）完好；③检查冷却系统：冷却水循环正常，水温、水压符合要求（进水温度≤35℃，出水温度≤55℃）；④空炉调试：启动设备，检查功率输出、温度控制系统准确性。工艺参数确定炉料配比：根据目标灰铁牌号（如HT150、HT200、HT250）的化学成分要求，计算各炉料比例。例如，熔炼HT200时，典型配比（质量分数）：铸造生铁30%~40%、废钢10%~20%、回炉料40%~50%、硅铁0.8%~1.2%、锰铁0.5%~0.8%；具体配比需根据炉料实际化学成分调整。熔炼温度：根据铸件壁厚、复杂程度确定，一般为1400~1480℃；薄壁复杂铸件取上限（1450~1480℃），确保铁液流动性；厚壁铸件取下限（1400~1430℃），减少铁液氧化。冲天炉送风参数：根据炉径大小确定风量（一般为0.8~1.2m³/(min·t)），风压随炉料高度调整（通常为8~15kPa），确保焦炭充分燃烧。二、核心熔炼工艺流程灰铁熔炼主流采用冲天炉熔炼或中频感应电炉熔炼，两种工艺流程各有侧重，核心均为“炉料熔化—成分调整—铁液净化—温度控制”，具体流程如下：（一）冲天炉熔炼流程装炉点火：①先在炉底铺一层厚度为200~300mm的焦炭（底焦），点燃底焦，待底焦燃烧稳定（呈白色炽热状态）后，开始分层加入炉料；②炉料加入顺序：按“熔剂—金属炉料—焦炭”的顺序分层叠加，每层金属炉料厚度80~120mm，焦炭厚度30~50mm，熔剂均匀铺在金属炉料层上；③装炉高度：炉料装满至加料口下方100~200mm处，确保炉料柱稳定，透气性良好。送风熔化：①启动鼓风机，先开小风（风量为额定风量的50%~60%），待炉内温度升高后逐渐加大风量至额定值；②熔化过程中，定期观察炉口火焰颜色（正常为淡蓝色或橙黄色）、出渣口渣液状态，判断熔炼是否正常；若火焰发红、冒黑烟，说明送风不足或焦炭质量差，需及时调整。出渣出铁：①当炉内铁液积累到一定量（通常装炉后30~40min），先打开出渣口出渣，初期渣液较粘稠（含较多杂质），待渣液变稀薄、呈黄绿色时，说明炉内反应稳定；②出渣完成后，打开出铁口出铁，铁液流入铁水包，出铁过程中需控制出铁速度，避免铁液飞溅；③每炉出铁后，及时堵塞出铁口、出渣口，准备下一轮出铁（冲天炉为连续熔炼设备，每炉出铁间隔15~20min）。铁液调整与净化：①出铁过程中，向铁水包内加入预定量的硅铁、锰铁等合金料，利用铁液余热使其熔化，调整化学成分；②若铁液含硫量过高，可加入脱硫剂（如电石、苏打粉），加入量为铁液质量的0.3%~0.5%，搅拌均匀后静置3~5min，待脱硫渣浮起后清除；③铁液静置：出铁完成后，铁水包内铁液静置5~10min，使杂质充分上浮，提高铁液纯度。（二）中频感应电炉熔炼流程装料：①将破碎后的金属炉料（生铁、废钢、回炉料）按配比均匀装入炉内，装料高度不超过炉口200mm，避免炉料卡住或超出感应线圈范围；②装料时避免大块炉料撞击炉衬，防止炉衬破损；③若炉料潮湿，需先进行预热（100~200℃），去除水分，避免熔炼时产生蒸汽导致铁液飞溅。升温熔化：①启动中频电源，逐渐调节功率（从额定功率的30%~40%开始），使炉料缓慢升温；②炉料开始熔化后，适时用捣棒搅拌，使炉料均匀熔化，避免局部过热或未熔料堆积；③当炉料基本熔化后，加大功率至额定值，升温至1400~1430℃。成分调整：①取样检测铁液化学成分（碳、硅、锰、硫、磷），根据检测结果，向炉内加入硅铁、锰铁等合金料，搅拌均匀后再次取样检测，直至成分符合目标要求；②若需脱硫，向铁液中加入脱硫剂，搅拌后静置，清除浮渣。升温保温与出铁：①成分合格后，将铁液温度升至目标温度（1450~1480℃），保温5~10min，确保铁液温度均匀；②出铁前检查铁水包是否干燥、清洁，然后倾斜电炉，将铁液缓慢注入铁水包；出铁过程中避免铁液冲刷炉衬，防止杂质混入。三、关键工艺控制要点化学成分控制：①碳含量：灰铁碳质量分数一般为2.7%~3.6%，HT150取2.9%~3.6%，HT200取2.8%~3.4%，HT250取2.7%~3.2%；碳含量过高易导致铸件石墨粗大、强度降低，过低则铸造性能变差；②硅含量：硅是强烈的石墨化元素，质量分数一般为1.0%~2.2%，随铸件强度等级升高而降低；③锰含量：质量分数为0.5%~1.2%，可细化石墨、提高铸件强度，过量易导致铸件硬度过高、切削性能变差；④硫、磷控制：硫是有害元素，需控制在0.06%~0.12%（优质铸件≤0.06%）；磷可提高铁液流动性，但过量易导致铸件脆化，需控制在0.1%~0.3%（重要铸件≤0.1%）。熔炼温度控制：①温度过低：铁液流动性差，易导致铸件产生浇不足、冷隔等缺陷；②温度过高：铁液氧化、吸气严重，易产生气孔、夹渣、缩孔等缺陷，还会导致石墨细化过度，铸件强度降低；③控制措施：采用热电偶温度计实时监测铁液温度，冲天炉需稳定送风参数，电炉需精准调节输出功率。铁液净化控制：①减少氧化：冲天炉需保证送风充足，避免炉内出现还原不足的情况；电炉熔炼时尽量缩短高温保温时间，减少铁液与空气接触；②除渣脱硫：及时清除炉渣、铁水包内浮渣，必要时进行二次脱硫；③铁液静置：出铁后静置时间不少于5min，确保杂质充分上浮。炉衬保护：①冲天炉炉衬需定期检查，发现破损及时修补，避免铁液穿透炉衬；②电炉炉衬需避免大块炉料撞击，熔炼过程中若发现炉衬有裂纹，需立即停炉修补；③定期清理炉衬表面的积渣、积铁，延长炉衬使用寿命。四、常见问题及处理措施铁液成分不合格：①原因：炉料配比计算错误、合金料加入量不足或过量、炉料成分波动；②处理措施：重新取样检测化学成分，根据偏差量补加或调整合金料，搅拌均匀后再次检测；若偏差过大，可加入适量废钢、生铁调整碳含量。铁液温度不足：①原因：冲天炉送风不足、焦炭质量差或加入量不足；电炉输出功率不够、炉料过多；②处理措施：冲天炉加大送风量、补充优质焦炭；电炉提高输出功率，若炉料过多可先出部分铁液，减少炉内负荷。铸件产生气孔缺陷：①原因：铁液温度过高、吸气严重；炉料潮湿、含油污；铸型透气性差；②处理措施：控制熔炼温度，缩短高温保温时间；确保炉料干燥、无油污；铁液静置时加盖保温罩，减少吸气；优化铸型透气性。铸件产生夹渣缺陷：①原因：炉渣未清除干净、铁液净化不彻底；出铁过程中渣液混入铁液；②处理措施：加强出渣操作，确保炉渣充分排出；铁水包内加入除渣剂，清除浮渣；出铁时控制铁液流速，避免渣液随铁液流入铸型。冲天炉炉况不稳定（火焰异常、出铁量减少）：①原因：送风不均匀、炉料透气性差、焦炭块度不均；②处理措施：调整送风参数，确保风量稳定；清理炉内结块炉料，保证炉料柱透气性；更换块度均匀的优质焦炭。五、安全与环保要求安全操作：①操作人员需佩戴耐高温防护用品（防护面罩、防火手套、防护鞋），严禁赤手接触高温设备或铁液；②熔炼过程中，炉口、出铁口、出渣口周围禁止站人，防止铁液、渣