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1、合金材料及熔炼,蔡启舟 Tel: 027-87558190 Email: caiqizhou,材料成型及控制工程专业选修课,2,第四章 铸造合金的熔炼,3,优质铸件获得的基本条件 合格成分 高质量的铸型 优质的合金液 严格的检验,4,铸造合金的冶炼方法,选择依据：质量,效率,成本,5,优点: 成本低(为电炉1/3), 效率高(最大100t/h) 缺点: 温度及成分不可调, 增硫 夹杂物增多,用于铸铁(灰铁、球铁、蠕铁等),4.1 冲天炉熔炼,6,冲天炉熔炼炉料,燃料焦炭 铁料生铁、回炉料、废钢、硅铁、锰铁 辅料石灰石,7,冲天炉熔炼过程主要包括燃烧过程、热交换过程和冶金反应过程,8,4.1.1
2、 冲天炉的燃烧过程,(1) 焦炭的燃烧反应,焦炭由两部分组成： 底焦炉底以上(12)m厚的焦炭层， 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只与底焦层中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，而未发生燃烧反应。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。,9,冲天炉内炉气成分与温度沿高度变化,氧化带的燃烧反应,氧气较少：,不完全燃烧产物与O2反应：,10,还原带的燃烧反应：,11,(2) 焦炭燃烧特点及其影响因素,铸造焦：一般铸造焦的固定碳含量80%，灰分7%14%，硫分0.8%，挥发分2%，以及水分。,12,影响冲天炉内
3、焦炭燃烧过程的因素，主要是送入炉内空气的数量和质量(即温度，含氧量等)，焦炭的质量(即灰分、块度等), 焦炭质量的影响,焦炭灰分含量、灰分组成 焦炭的块度 焦炭的强度 反应能力 气孔率及气孔形态特征,13, 空气对燃烧过程的影响,送风强度(送风量大小，m3/m2min ) 空气温度 空气中的含氧量 空气湿度,14,(3) 炉气燃烧比,燃烧比越小，燃料的利用率越低，化学热损失占全部发热量的份额也就越大。,15,(4) 冲天炉的底焦高度变化规律,在冲天炉正常稳定熔炼时，每熔化一批金属炉料底焦高度因燃烧而降低(h)，当这批料熔化完毕时，批料上的层焦则补充到底焦顶面。若层焦的厚度正好为(h)时，底焦顶
4、面又回复到原来的高度，这样不断的反复保持了冲天炉稳定正常的连续熔炼。因此，正常熔炼的底焦高度始终在层焦厚度(h)范围内波动，其平均底焦高度稳定不变。 当冲天炉送风量或焦耗变化时，则底焦高度必然变化，进而使熔炼过程相应变化。,16,若风量不变、层焦用量增加时(即焦耗增大)，原来熔化一批金属炉料消耗的底焦少于补充的层焦，使底焦高度上升，但这样并不会造成底焦高度无限升高，经过35批料后，底焦高度会在一个新的高度上稳定下来。,当层焦量减少时，底焦高度会逐渐下降，经过35批料后，底焦高度也会在某个较低的高度上稳定下来。所以通过改变层焦加入量可以调整底焦高度，并控制和调整熔炼过程。,17,冲天炉焦耗不变时
5、，当送风量增加时，燃烧速度加快，熔化一批料所消耗的底焦量增多，若层焦量不变时，必然造成底焦高度会逐渐下降，通过35批料的过渡以后，增加送风量所燃烧的焦炭量与补充的层焦量相等，底焦高度就会重新在某个较低的高度上稳定下来。,当送风量减少时，由于消耗的底焦量少于层焦补充量，底焦高度就会逐渐升高，通过35批料过渡后，底焦便在某个较高的高度上稳定下来。,18,4.1.2 冲天炉的热交换过程,(1) 预热区的热交换,炉气给热以对流传热为主,Q炉料吸收的热量； k对流换热系数，A料块表面积， 炉料在预热带中的停留时间 t气，t料分别是炉气温度和炉料温度。,19,(2) 熔化区的热交换,熔化区的热交换：块状固
6、体与1300左右的炉气进行的热交换仍然是在料块表面进行，并以对流换热方式为主。其影响因素和预热区相同，只是料块温度始终保持不变，料块在熔化带停留的时间较短(612分钟)。 为了尽可能减少因炉料的熔点差异造成熔化带范围太大，造成铁水成分波动带来的不利影响，在操作工艺上对不同炉料块度分别作了限制(如废钢块度比回炉料块度要小)，在加料顺序上也作了规定(如先加废钢后加回炉料)。,20,(3) 过热区的热交换,A换热面积； 换热时间，与实际底焦高度有关； t温度差，即热源(炉气或焦炭表面)与液滴之间的温度差； k1、k2、k3、k4分别为炉气对流、炉气辐射、焦炭辐射和接触换热方式的换热系数。,21,22
7、,(3) 汇集区的热交换,当液滴通过过热区后，即进入炉缸区 (下排风口平面至炉底面区域)，由于该区没有燃烧反应所必须的空气和CO，因此不可能进行氧化反应和还原反应，焦炭既不放热也不吸热。但进入汇集贮存区的铁水温度将因炉壁和炉底耐火材料吸热而降低。通常铁水在炉缸、过桥和前炉内降温约 (60100) ，对于贮存时间较长或小型冲天炉的降温更为严重。,23,从以上分析可知：过热区是冲天炉热交换最薄弱的环节。冲天炉的总热效率为35%左右，其中预热带热效率为50%60%，熔化带为50%左右，但过热带的热效率仅为6%8%。因此，几乎所有冲天炉的强化措施，无论是从工艺或结构还是其它方面的措施，都是围绕着提高过
8、热区热效率进行的。虽然如此，如果预热区和熔化区的热交换过于薄弱，使块料预热不充分，熔化位置低于正常高度，导致过热高度缩短也会影响总过热效率，故对这两个区域也都应重视。,24,4.1.3 冲天炉的冶金反应,(1) 冲天炉各个区域的冶金反应, 预热区,金属炉料与炉气中的CO2、CO、SO2等气体接触，在料块表面发生如下反应：,若金属炉料质量很差(如比表面积大的轻薄料、切屑等的用量大)，上述反应则不能忽视，特别是铁的氧化和增硫反应。,25, 熔化区,块料逐层熔化，其表面与炽热炉气接触，冶金反应强烈。,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
9、，使金属严重氧化。,26, 过热区,在与炽热的焦炭表面接触时发生下列传质过程：,当金属液滴通过过热区时，一方面是表面积大、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：,27,当液滴与沪渣滴接触时，炉渣中的FeO与液滴中的组分发生下列反应：,这两种反应对于Si、Mn而言是氧化反应而对Fe而言则是还原反应。由于Si、Mn元素含量少，对铸铁的性能影响大，价格高，故在实际生产中还是将上述反应归为氧化反应之列。,28, 炉缸内,该区没有气体流动和燃烧反应，炉气中几乎没有O2和CO2，只
10、有CO和N2存在，故液滴和铁水只与焦炭、炉渣和炉气中的CO接触。此时除焦炭、炉渣的氧化和溶解外，没有CO2，O2的氧化反应。但当温度等因素合适时可能发生下列还原反应：,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、其它反应都处于次要地位。,29,(2) 冲天炉熔炼过程中合金元素的变化规律, 炉渣,冲天炉内炉渣来源于炉衬的侵蚀、焦炭的灰分、炉料带入的杂质、金属元素烧损所形成的氧化物以及加入炉内的熔剂(CaCO3)。石灰石(CaCO3)在高温下分解而得到石灰(CaO)，CaO和其它夹杂物反应而形成低熔点的复杂化合物，即炉渣。冲天炉内的渣量一般占金属料
11、质量的610%。,30,酸性：SiO2、P2O5 碱性：CaO、MgO、MnO、FeO 中性：Al2O3、Fe2O3,31, 含碳量的变化,铁水的增碳铁滴和焦炭接触界面上。,C + O2 CO2 +Q C +CO2 2CO Q FeO + C Fe + CO -Q,铁水的脱碳炉气对铁水的直接脱碳和炉气通过FeO对铁水的间接脱碳。,32,在冲天炉熔炼过程中，由于炉料含碳量通常低于铸铁的共晶碳量，因此一般总是增碳的。 凡是有利于提高铁液温度，增加铁液与焦炭接触的时间和面积，减弱炉气氧化性的措施，都将有利于增碳。 冲天炉内铁液的增碳起因于铁液与焦炭的直接接触。 当采用煤粉化铁和天然气化铁等铁液不接触
12、焦炭的熔炼方法时，往往非但不增碳，甚至反而会减碳。因此，采用煤粉化铁是变增碳为减碳的一条重要途径。,33, 含硅量和含锰量的变化,在冲天炉熔炼中，硅和锰的正常烧损认为是不可避免的。但应掌握它们的烧损规律。 在正常熔炼条件下： 酸性冲天炉硅的烧损率为1015%，锰的烧损率为1520%。 碱性冲天炉硅的烧损率为2025%，锰的烧损率为1015%。,34, 含硫量的变化,铁液中硫的来源有两个途径，一是炉料中固有的硫，再就是铁液从焦炭中吸收的硫分。 酸性冲天炉熔炼条件下不具有脱硫的能力。 碱性冲天炉，特别是预热送风碱性冲天炉熔炼，能有效地脱硫。所以，在一般的酸性冲天炉中，铸铁经熔炼后，含硫量往往是增加
13、的。,35, 含磷量的变化,冲天炉熔炼中，磷的变化不大。既不渗磷，也不能去磷。,在一般酸性冲天炉内，这些元素的变化趋向是：碳、硫增加，硅、锰烧损，含磷不变。这些元素变化的大小，取决于炉料、焦炭、炉气与炉渣的状况，以及它们在具体操作条件下的相互作用。值得注意的是，铁液温度对铁液成分的变化具有决定性影响，高温是控制碳量、减少硫量、降低烧损的基本条件。所以，从实际情况出发，正确处理降低焦耗与减少熔耗的矛盾，是完成冲天炉熔炼任务必须解决的根本问题之一。,36,4.1.4冲天炉强化熔炼的主要措施,(1) 预热送风,预热送风是强化冲天炉熔炼的有效措施之一。热风能够强化底焦燃烧，提高炉温，从而提高铁液温度。
14、,37,采用热风使炉温提高，不仅可以减少硅、锰等合金元家的氧化烧损，而且可以提高增碳率，降低增硫率，特别是高温热风时效果尤为显著，因此，采用高温热风可以增加炉料中废钢的比例，甚至可以用100%的废钢，还可以用钢铁屑等低质材料作为炉料，其配入量可达50%以上。,38,预热送风系统中最基本的部分是热交换器。利用废气余热的热风冲天炉的热交换器一般是装在冲灭炉内，故称为内热式。而利用废气燃烧的热风冲天炉的热交换器一般是装在冲天炉外，故称为外热式。,39,富氧送风是在送风过程个加入一定比例的氧气，以提高送风中氧的浓度来强化冲炉熔炼的方法。加入质量分数3%的氧即能起到相当于400热风的作用。,提高冲天炉的
15、熔化速率， 能相应降低焦铁比，适当减小送风量，从而节约燃料费用和动力费用 由于提高了炉温，使得铁液中的硅、锰烧损率减小。,富氧送风除了提高铁液过热温度外，还具有下述良好作用：,(2) 富氧送风,40,富氧送风方法有三种方式,41,(3) 除湿送风,H2O + C CO + H2 H2O H2 +1/2O2,吸热反应,水的危害：,增加铁液的含氢量，恶化铁液质量，石墨化因难,42,冲天炉除湿送风方法很多，有吸附除湿、吸收除湿和冷冻除湿等方法。,43,4.2 电弧炉熔炼,4.2.1 电弧炉炼钢的特点,炼钢的目的和要求包括4个方面。 将炉料熔化成钢液，并提高其过热温度，保证浇注的需要。 将钢液中的硅、
16、锰和碳(冶炼合金钢时，还包括有合金元素)的含量，控制在规格范围以内。 降低钢液中的有害元素磷和硫，使其含量降低到规定限度以下。 清除钢液中的非金属夹杂物和气体，使钢液纯净。,44,45,高温电弧加热，故容易控制炉气的气氛为氧化性或还原性。 炉渣的温度很高、化学性质活泼，使钢渣之间的化学反应能够进行。 电弧炉依照所采用的炉衬耐火材料的性质而分为碱性电弧炉和酸性电弧炉。碱性电弧炉具有较高的脱磷和脱硫能力，对炉料的适应能力强。 电弧炉作为炼钢设备的最大优点是热效率高，特别是在熔化炉料方面，其热效率高达75%。 电弧炉炼钢的缺点是钢液容易吸收氢气。在电弧的高温作用下，空气中的水分子离解为离子氢和离子氧，在炉渣覆盖不严密的条件下，氢易侵入钢液而使钢液增氢。,46,4.2.2 碱性电弧炉炼钢,(1) 氧化法炼钢,氧化法炼钢的工艺过程包括补炉、装料、熔化期、氧化期、还原期和出钢。, 补炉,修补被浸蚀和被
