国内外铸铁熔炼方式综述

阿杜

国内外铸铁熔炼方式综述
8 L) M! d) p( L四川汽车制造厂 陆 强
/ L# ?( s, X/ O% z4 m% P- n摘要：本文对当前国内外现有的铸铁熔炼设备及工艺进行了简要介绍，并对它们各自的特点及适用范围进行了分析比较，并对铸铁熔炼设备及工艺的选用提出了一般性原则。
4 `8 q8 i2 W0 u键词：铸铁熔炼 熔炼设备
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& U" U9 B" e% y! T4 e, O  随着国内外基础工业水平的不断提高，铸铁熔炼设备的种类越来越多，熔炼工艺也日趋多样化，这就对铸铁生产厂家更加合理地选用熔炼设备及其工艺提供了方便。熟悉各种铸铁熔炼设备，了解相应熔炼工艺的特点，是铸铁生产厂家实现最佳选择的必要前提。
  一．铸铁熔炼设备的种类：
就世界范围而言，用于铸铁熔炼的设备有十多种之多。根据消耗能源的不同，分为冲天炉和电炉两大类。其中，冲天炉又分为燃焦冲天炉和无焦冲天炉，而成功使用的无焦冲天炉又有燃气冲天炉和燃油冲天炉。铸铁熔炼设备的种类 ：
' g  X6 c1 F9 J0 V  １．普通冷风冲天炉
  ２．冷风加二次送风冲天炉
& `% K7 D  |6 t0 q$ F  n  ３．冷风加分段送风冲天炉冷风冲天炉
2 `1 v! i& F: ]7 Z6 w0 P% X  ４．冷风＋二次送风＋分段送风冲天炉铸 燃焦冲天炉
  ５．冷风＋辅助天燃气冲天铁炉熔炼冲天炉
  6.热风冲天炉： a．热风有炉衬冲天炉； b．热风无炉衬冲天炉
  7.无焦冲天炉 a．燃气冲天炉;b．燃油冲天炉
  8.感应电炉 １．有芯感应电炉 ２．无芯感应电炉
8 B3 G' y& w2 S$ J' h0 [- q* l  9.电弧炉
# V$ C2 v5 f3 t0 z4 _  二．各种铸铁熔炼炉的性能比较：
: Z( n0 b& t; C/ w1 v; `  １．冷风冲天炉：普通冷风冲天炉是我国七十年代之前传统的铸铁熔炼设备。由于没有采用二次送风或分段送风，它的热效率一般都相当低，主要特点是：容量小，一般在７t/h以下；在燃烧带产生的大量ＣＯ（可达１３％以上）没有经过二次燃烧而随废气排出，不仅能耗增加，尤其铁水温度无法提高，即使在比较理想的状况下，铁水温度也不会超过1475℃；金属炉料中要搭配大量的生铁。因此，这类冲天炉只能小批量生产一些劣质铸铁件。
  在普通冷风冲天炉的基础上，进行二次送风，使熔化带里产生的ＣＯ在风眼以上1.8米左右处进行二次燃烧，可使排出的废炉气中ＣＯ含量降低到４％以下，不仅可以有效地提高热效率，而且铁水温度明显提高（往往可达1500℃)，为后续的铁水处理提供了方便。在二次送风基础上发展起来的分段送风、二次送风加分段送风工艺也可达到类似的效果。
* R9 C+ K3 ^) Q: c/ [+ p  附加天燃气和富氧送风也是为提高铁水温度和降低能耗在普通冷风冲天炉上采取的手段。在使用劣质焦碳或天燃气来源便利的情况下，附加天燃气可以使铁水温度提高20℃左右，但不能降低废气中的ＣＯ含量，而富氧送风可改善燃烧环境，提高热效率，使同等条件下炉气中的ＣＯ含量明显降低，从而达到降低能耗，提高铁水温度的目的。
冷风冲天炉的主要特性参见下表(略)：
  同时，冷风冲天炉几乎都是有炉衬冲天炉，连续工作周期短，修筑炉衬往往要花费很多耐火材料和人工，并使得铸造生产的环境恶化。
! v# `% c3 g+ R/ q& }) g. Q* b9 M  由于上述缺陷，对于大批量生产的企业，冷风冲天炉正逐渐被其它熔炼设备和工艺所代替。有资料表明，现在全世界使用的冷风冲天炉已降到整个铸铁熔炼设备的30%以下。
  2．热风冲天炉：热风冲天炉在七十年末最先由西欧设计开发并投入实际使用，引入我国是在八十年代中期。它的最主要特点是利用冲天炉燃烧后的废气将空气预热到500℃以上再送入冲天炉，极大地提高了热效率，从而使铁水温度很容易地升到1530℃以上；它不仅允许在金属炉料中大量加入废钢（废钢的成本往往较生铁要低），而且焦耗低，Ｃ、Ｓi 等元素烧损少，有较好的冶炼环境，对铁水的后期处理带来了极大方便。热风冲天炉已成为当今最受欢迎的铸铁熔炼设备。
% G& _+ k9 v1 u  r热风冲天炉分为有炉衬和无炉衬两种。一般来说，容量较大（大于７吨／小时）时设计为无炉衬冲天炉，而容量较小时为有炉衬冲天炉。
图１(略)所示为德国ＫＧＴ公司设计制造的典型无炉衬冲天炉。它的炉胆和熔化带为无炉衬钢结构，只有上端排气环附近铺有隔热材料，因为开炉进入正常熔炼阶段后，此处的温度可达1200℃ 以上， 所有炉壳采用喷雾水淋冷却，用铜制造的风觜伸入炉内大约350~400mm，并用循环水冷却，炉井部分用石黑砖砌筑，出铁．出碴口与炉井间设计成虹吸过桥。
4 _# j. g' J3 f! [- z  热风无炉衬冲天炉有一系列的优点：铁水温度高达1550℃以上，为铁．焦．碴之间的反应提供了稳定的冶金条件，耐火材料消耗很少，废钢加入比例高（往往可不加生铁，可实现长周期生产（可不间断连续作业达６个星期以上。其缺点主要是在喷淋冷却炉壳的过程中要损失能量。热风温度的高低主要取决于换热器的热效率。传统的换热器（如密筋炉胆等方式）主要以热辐射和对流的方式进行，热效率很低，其预热后的空气温度很少能达到500℃以上，充其量也只能称之为“温风”。德国ＫＧＴ公司设计的换热器采取了与之完全不同的称之为直接换热的方式，它是由连在一起的两个相对密闭的容器组成（其原理如图２所示）。小陶瓷丸由上端进入第一个容器，在均匀通过分配盘（一种多孔板）时与高温废气发生热交换，使温度达到900℃以上。在小瓷丸经过下部容器的时候，在另一个分配盘附近与反向流动的新鲜空气均匀接触，将热量传给空气，并把它加热到800℃以上。在这一过程中，热效率常达85%以上（具体取决于瓷丸的流量和流速），这是为其它换热方式所不能相比的。
. q- h  V; U8 Y, r$ v! P- D* ]+ _  ３．无焦冲天炉：无焦冲天炉在我国基本没有应用，但对于电力不足而煤碳资源匮乏的地区，无焦冲天炉有着非常广泛的应运前景。无焦冲天炉以液体矿物或天燃气为燃料，避免了焦炭中的Ｓ、Ｐ等有害元素进入铁水，所以在球铁生产中可避免脱Ｓ的麻烦。天燃气冲天炉的燃烧方式与传统的燃焦冲天炉有着很大的同（燃气 冲天炉的示意图如图３）。但在具体操作过程中，由于废钢的熔点远远高于生铁，所以应当控制废钢的加入量在15%以下。否则会造成炉内“搭桥”而使生产出现停顿，同时容易出现大量增碳也是需要解决的总是之一。
  德国某一铸造厂使用天然气冲天炉的运行数据如下：
7 m3 E# _  C+ n  熔化率： 8~10 吨／小时
  铁水温度：1440~1540℃
  天燃气消耗：70~80M3/t 铁
  元素烧损：Fe 1~2%,
  C 10~15%,
  Si 12~18%,
( P6 d/ K7 J1 ?6 q; `  Mn 10~15%.
. p2 Q! h! ?0 w# a  熔炼过程中基本无烟尘可见。
4 d' z) R5 a: }$ {" K  目前在世界上应运较成熟的无焦冲天炉有四类：
  U; L0 U2 x! Q9 W1 }; Z  （１）比利时的弗拉文（Flaven)炉。
) r% H, j; T: l0 j* M; u- t& W  （２）英国的塔夫（Ttaft)炉。
% e; g# o9 Y3 w# x  f  （３）苏联的潘扎（Panza)炉。
  （４）德国ＫＧＴ公司的Cupola-2000.。
; {2 d8 d5 l$ q7 |1 g  总体来讲，无焦冲天炉的开发应运并不象燃焦冲天炉那样成熟，然而在生产成本、冶金条件，环境保护等方面都有它的优势。
  ４．电炉：电炉——尤其是感应电炉，目前仍然是铸铁熔炼的主要设备，并且有应运范围不断扩大的趋势。
4 J, w" O9 E/ ^) i; o4 ^  在生产中大量使用的电炉主要是感应电炉，包括：（１）工频炉；（２）中频炉；（３）变频炉。电弧炉虽可用于铸铁熔炼，但由于成本较高，熔炼过程中铁水局部过热严重，元素烧损量大，如何提高铁水中的碳当量成为电弧炉炼铁的主要问题之一，因此很少把电弧炉用于铸铁熔炼。
    感应电炉一般分为有芯感应电炉和无芯感应电炉。在我国，无芯感应电炉使用更为广泛。
采用感应电炉进行铸铁熔炼的主要优点在于：（１）便于控制铁水温度；（２）元素烧损少；（３）容易调整原铁水化学成份；（４）避免了由于焦炭造成的Ｓ．Ｐ等有害元素增加；（５）环境污染小等等。
  感应电炉可以单独进行熔炼而生产出优质铸铁，但大多数情况下，它往往与冲天炉等其它熔炼设备一起构成双联熔炼，在其中起着调整温度．调整原铁水化学成份以及均衡熔炼能力的作用。在作保温炉使用时，感应电炉的容量一般为冲天炉生产率的３ 倍左右。
  三．选用铸铁熔炼设备的一般原则：
2 m& l+ A: R% {% v4 Z  在选用熔炼设备的时候，不仅要考虑熔炼设备与其它生产设备的能力配套，而且要考虑以下几个方面的问题；
( b* ]' `7 P: Q3 ~& X  １．生产规模：对于小批 量生产（月产铸２００吨以下）的企业，如对铸件质量要求不高，则选用传统的小吨位冷风冲天炉即可。要生产优质铸件，则可选用小型感应电炉单独熔炼或与冲天炉构成双联熔炼。对于需要大批量生产优质铸件的企业，可尽量选用热风无炉衬冲天炉并与大容量感应电炉构成双联熔炼。
8 B, c+ d, N3 ?  s: n  ２．炉料的来源及质量：炉料的来源和质量直接影响铸铁的熔炼过程，尤其是焦碳和铁料的质量更是生产优质低成本铸件的关键所在。对于废钢来源充足，焦炭质量较好地区，可直接采用热风冲天炉单独熔炼，否则应考虑双联熔炼。
" l# F; Z+ B  U8 ^- H9 M7 z, }3 N  ３．能源种类：如前所述，用于铸铁熔炼的能源有焦炭、电力、燃油及天然气等，不仅要考虑价格因素，也要考虑能源是否充足。例如电力不足的地区，即使电费便宜，也不能保证生产的正常进行。因此，选用熔炼设备往往要受到能源的限制。
) k! t! v* E6 \/ U  ４．铸件的结构及质量要求：结构复杂的薄壁铸铁件总是要求较高的浇注温度，而优质铸件也要经过多次的铁水处理，这也是选择熔炼设备必须考虑的因素之一。
) C6 m$ N' f1 h! _0 ~5 y  ５．环境保护要求：环境保护已成为我国的基本国策。尤其对位于城市附近的生产厂家，一定要选用环境污染小的熔炼设备或另外采取相应环保措施。