合金熔化與精煉7

1、鑄造合金熔化及爐外精煉鑄 鐵鑄 鋼鑄造有色合金 中國目前是世界第一鑄件生產(chǎn)國，年產(chǎn)3500萬噸鑄件，占世界鑄件總產(chǎn)量的三分之一，10-15%出口。各省相繼建設(shè)鑄造工業(yè)園。 中國在古代就有高超的鑄造技術(shù)。出土的最早的鑄鐵為鐵錛,是鑄造的.出土的青銅文物都是鑄造的,也是中華五千年文明史最為輝煌的、最有代表性的、世界領(lǐng)先的。 鑄造青銅鼎;編鐘;青銅寶劍;銅鐘.武當(dāng)山金頂 在現(xiàn)代的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和人們的日常生活中許多領(lǐng)件也是鑄造的.汽車的發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋、排氣管、輪轂、變速箱、后橋、曲軸等都是鑄造的，汽車重量的50%是鑄造而成的。 沒有鑄造就沒有汽車。 國防:坦克、輪船、航空母艦、槍械、 衛(wèi)星、飛船

2、、火車 機(jī)床、軋鋼機(jī)，農(nóng)業(yè)機(jī)械 日常生活用品，都離不開鑄造。課程簡介 金屬材料(包括液態(tài)成形,固態(tài)成形)的質(zhì)量是由許多工藝過程控制影響的，其中熔煉過程是最基本,最重要的過程。包括:材料的化學(xué)成份,雜質(zhì);氣體;凈化。熔煉過程的質(zhì)量得不到保證，后面的過程也就改變不了。合金熔煉是鑄件質(zhì)量保證的第一關(guān)。本課程以液態(tài)成形合金的熔煉和精煉為主，也包括變形合金的熔煉。分三部分: 鑄鐵及其熔煉; 鑄鋼及其熔煉; 鑄造有色合金及其熔煉。第一篇.鑄鐵熔煉 第一章.鑄鐵熔煉概論 1-1.沖天爐熔煉的發(fā)展 鑄鐵鐵水的熔煉可以用沖天爐，中頻感應(yīng)電爐,電弧爐;平爐等。沖天爐是鑄鐵熔煉的主要設(shè)備。尤其在我國，沖天爐熔煉占9

3、0%以上。中頻爐熔煉正在增加。也有用沖天爐和電爐雙聯(lián)熔煉的。熔煉是鑄造的能源消耗的主要工序。長汽鑄造廠的能源消耗占全廠的50%以上。提倡短流程，小高爐鐵水+中頻爐 沖天爐熔煉熱效率低，污染大。研究用高爐鐵水澆注鑄件。電爐成本高，電容量大。鑄鐵熔煉設(shè)備沖天爐 各個工廠的沖天爐熔煉技術(shù)水平差別很大。在降低消能,提高鐵水質(zhì)量方面仍有很多工作有待研究。近年來，國內(nèi)很多工廠采用沖天爐和電爐雙聯(lián)熔煉，對提高鐵水質(zhì)量，降低鑄件廢品率有很大改進(jìn)。也有一些工廠已經(jīng)或計(jì)劃取消沖天爐，采用全電爐熔煉，對鐵水質(zhì)量(成分；溫度)控制有利，降低空氣污染，成本提高，但廢品率降低，綜合效益持平。沖天爐向大型化發(fā)展，提高綜合效

4、益。原來3-5噸/小時，現(xiàn)在有7-15噸/小時。1-2.沖天爐熔煉的基本要求 (1).鐵水質(zhì)量高:溫度高(1450-1500)，成分準(zhǔn)確，(成分-組織-性能-牌號)氣體夾雜物少，是穩(wěn)定鑄件質(zhì)量的主要條件。 (2)熔化速度快。 (3)消耗少：燃料(焦炭),電(風(fēng)機(jī))；耐火材料(爐襯) 熔劑; 合金燒損量。 (4)爐襯壽命長; (5)操作條件好：結(jié)構(gòu)簡單；操作方便；安全可靠。1-3沖天爐的結(jié)構(gòu).操作 一,沖天爐結(jié)構(gòu) (1).有效高度:加料口下沿-第一排風(fēng)口中心線,叫爐身.其高度:有效高度 (2)爐缸:第一排風(fēng)口-爐底200-300mm. (3)煙囪 (4).前爐 (5).送風(fēng)系統(tǒng).風(fēng)機(jī);風(fēng)管;風(fēng)箱

5、;風(fēng)口. (6).熱風(fēng)裝置;熱風(fēng)爐膽; 外熱式;內(nèi)熱式.二.沖天爐操作 (1).修爐:新開爐或熔化后修補(bǔ)上次損壞的爐襯. (2)點(diǎn)火:加木柴，焦炭，點(diǎn)火，加足底焦高度。1000-1500mm. (3)加熔劑，石灰石降低爐渣粘度。 (4)送風(fēng)。關(guān)工作門，加批料，層焦，熔劑，至加料口下沿(有效高度)，燜爐預(yù)熱,1小時，開風(fēng)熔煉。 空氣(冷風(fēng);熱風(fēng))經(jīng)沖天爐風(fēng)口進(jìn)入爐內(nèi)，底焦燃燒,(C+O)放出熱量，產(chǎn)生高溫爐氣，通過焦炭向上運(yùn)動，加熱金屬。底焦上面的金屬熔化，鐵水在底焦中下落，過熱升溫,進(jìn)入爐缸，經(jīng)過橋進(jìn)入前爐。隨著熔化進(jìn)行，上部的爐料預(yù)熱下行,在熔化帶熔化。爐料下行很慢,爐氣上行很快，幾十米/分

6、鐘，料層下降，在加料口不斷地加入層焦，層鐵，熔劑，熔化連續(xù)進(jìn)行,鐵水從過橋進(jìn)入前爐，有分渣器的沖天爐，爐渣從過橋分離，鐵水進(jìn)入前爐，到一定鐵水量時，從前爐的出鐵口出鐵，進(jìn)入澆包,澆注鑄件。第二章.沖天爐內(nèi)焦炭燃燒的基本規(guī)律 2-1對焦炭的質(zhì)量要求 冶金焦;化工焦;鑄造焦(質(zhì)量好,價格高) 化學(xué)組成:C;H;O;N;S;A(灰分);W(水分). 工業(yè)分析:C;揮發(fā)分; S;A;W;G(焦末), (1).固定碳高。主要靠碳燃燒放出熱量，固定碳越高，放熱越多，質(zhì)量好。固定碳是指以單質(zhì)存在的自由碳，國內(nèi)的固定碳含量為80-87%，國外90%，國內(nèi)少數(shù)地方焦C：60%，灰分高，爐渣多，鐵水溫度低。 (2

7、)揮發(fā)分少.1.0-1.5%.焦炭易炸裂,碎化,不利送風(fēng). (3)S要少.增硫,鐵水中的S主要來自焦炭,越少越好,鑄造焦含S低,重要指標(biāo)。 (4)A少(SiO2 Al2O3 CaO)不可燃，11-14%,形成爐渣，灰分越多，要求加入的熔劑越多，消耗的熱量多。 (5)要求水分少.10%，其它熱損失10%，化學(xué)熱損失30%.沖天爐最好的熱效率：50%。一般工廠的焦鐵比：1:101:12.常見的：1:8;1:6。(二)焦炭燃燒計(jì)算 1.空氣量計(jì)算 按化學(xué)反應(yīng)式，求出每種元素燃燒所需氧的體積，相加，換算出空氣量，就是焦炭燃燒所需的空氣量。 燃燒系數(shù):v=CO2/(CO2+CO) 1千克分子氧氣帶入3.

8、762千克分子氮?dú)狻、S、H、O2的分子量分別為:12;32;2;32.燃燒所需的氧量為：完全燃燒： 1千克分子碳需要1千克分子氧氣。不完全燃燒: 1千克分子碳需要的氧小于1千克分子氧。 所需氧的體積：VO2=1.867(1+v)/2 C+0.7(S-O)+5.6H m3氧氣/千克焦炭 空氣量：L=(1+3.762) VO2=8.89(1+v)/2+3.3 C+0.7(S-O)+26.7H m3氧氣/千克焦炭略去O;S;H L=4.45(1+N)C設(shè)焦炭的含碳量為80%，燃燒比為90%，1千克焦炭的理論空氣量為6.67 m3實(shí)際上，沖天爐內(nèi)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立方米空氣計(jì)算。實(shí)際送風(fēng)還要考慮漏風(fēng)量。 根據(jù)沖天爐的熔化率;焦耗量;確定總送風(fēng)量。選擇風(fēng)機(jī)，5噸沖天爐每分鐘送風(fēng)80立方米。(三)燃燒產(chǎn)物體積計(jì)算 用空氣量的計(jì)算方法，可計(jì)算出燃燒產(chǎn)物的體積。 C+O= CO(四)理論燃燒溫度的計(jì)算 不考慮熱損失，燃燒放出的熱量全部用于加熱燃燒產(chǎn)物，就是理論燃溫度，焦碳完全燃燒時,tT=2243 。不完全燃燒時，形成CO，化學(xué)損失，放出的熱量少。 vC+ vO2=v (CO2 +34000 kJ/kg焦 ) 不完全燃燒的發(fā)熱量: 34000v +10200(1-v )C =(10200+23800v )C kJ/kg焦 實(shí)際生產(chǎn)都是不完全燃燒溫度低

10、于理論溫度. tT=(10200+23800v )/(8.097+7.059 v) 燃燒系數(shù)越低，理論溫度越低，由于熱損失，實(shí)際溫度還要低于理論值。實(shí)際測得1806 。2-3焦炭層狀燃燒的基本規(guī)律 (一).層狀燃燒的一般過程 沖天爐內(nèi)焦炭燃燒屬于層狀燃燒，是固相與氣相的多相反應(yīng)過程。多相反應(yīng)的基本過程有五個： (1).擴(kuò)散：空氣中的氧分子擴(kuò)散到焦炭表面； (2).吸附(O與C結(jié)合)； (3).反應(yīng)(形成CO2) ； (4).脫附(反應(yīng)產(chǎn)物離開反應(yīng)表面)； (5).產(chǎn)物擴(kuò)散離開。 其中影響大的是擴(kuò)散和反應(yīng)兩個過程， 800 以下,溫度低,反應(yīng)過程控制燃燒過程，-動力燃燒； 800 以上,反應(yīng)速度

11、加快，擴(kuò)散過程成為主要控制因素，-擴(kuò)散燃燒。 阻礙擴(kuò)散的有層流層，灰分層，氣層。要減少層流層，(1)增加風(fēng)速，改變流動狀態(tài)，形成紊流，(改變風(fēng)口大小)；(2).提高風(fēng)溫(熱風(fēng))；(3)提高氧濃度-富氧送風(fēng)。 焦炭燃燒 反應(yīng)機(jī)制散擴(kuò)反應(yīng)800 阻礙層O2沖天爐底焦燃燒不同于層狀燃燒,(1).側(cè)送風(fēng)，形成爐壁效應(yīng)；(2).熔化帶不平，鍋形，希望越平越好。C+O2=CO2C+1/2O2=COC+CO2=2CO氧化帶與還原帶的交界處溫度最高,還原是吸熱反應(yīng)，進(jìn)入還原帶，溫度降低。(二)焦炭層中的氧化帶 主要化學(xué)反應(yīng): (1). C+O2=CO2 +34070(kJ/kg碳) F= - 394400-0

12、.84T 主要反應(yīng)，完全燃燒 (2). 2C+O2=2CO + 10270(kJ/kg碳) F= - 223600-175.44T 不完全燃燒，產(chǎn)生的熱量只有完全燃燒時的30%，形成化學(xué)熱損失。 (3). 2CO+O2=2CO2 + 23800(kJ/kg碳) F= - 566250+173.76T (4). 2CO=CO2+C + 23800(kJ/kg碳) F= - 170830+174.60T反應(yīng)的自由能越低，反應(yīng)越容易進(jìn)行，反應(yīng)自由能F與溫度有關(guān)。高溫下，CO比CO2穩(wěn)定 C+ CO2 =2 CO;還原反應(yīng): CO2+C= 2 CO的自由能降低,高溫下的氧化帶有利于形成CO，在低溫下,

13、 CO2比CO穩(wěn)定。 從動力學(xué)分析，當(dāng)氧化帶有自由氧時，主要燃燒產(chǎn)物是CO2 ，氧低時才形成CO。 溫度越高，反應(yīng)越快，高溫下，反應(yīng)不受化學(xué)反應(yīng)控制，主要是擴(kuò)散燃燒。沖天爐內(nèi)氧化帶的高度與送風(fēng)量有關(guān)，也與焦炭的塊度和反應(yīng)性有關(guān)。氧化帶的高度H=6-7個焦炭塊直徑。(三).焦炭層中的還原帶 CO2+C= 2 CO -13540 (kJ/kg碳) F= 170800-174.6T 此反應(yīng)吸熱，溫度下降。為了充分利用焦炭的熱量，要抑制換原反應(yīng)，與高爐相反。溫度越高， F越低，有利于還原反應(yīng)進(jìn)行，低于978K時，不在有還原反應(yīng)進(jìn)行，壓力增加,還原反應(yīng)下降，(還原反應(yīng)體積增大，壓力不利于體積增大)。 還

14、原反應(yīng)與焦炭的反應(yīng)性、塊度有關(guān)，焦炭的反應(yīng)性越大，塊越小，有利于還原反應(yīng)進(jìn)行。因此，鑄造焦希望反應(yīng)性小、致密、塊大。冶金焦不適合于沖天爐。 (四).燃燒比 v=CO2/(CO2+CO)X100% 氣體體積百分比 v=1時，爐溫最高,氧化性氣分， v越大，熱利用率越高，但氧化性增加，合金元素?zé)龘p加大，鐵水中O2含量增加，鐵水質(zhì)量下降，鑄件容易出現(xiàn)氣孔等缺陷。2-4.沖天爐內(nèi)焦炭的燃燒 沖天爐內(nèi)的供風(fēng)條件與層狀燃燒不同，而且沖天爐內(nèi)還有鐵和熔劑等，進(jìn)行熱交換和冶金反應(yīng)，因此，有自身的特點(diǎn)。 (一).燃燒比和炭耗量的關(guān)系 焦耗量：熔化100千克鐵水所耗焦炭量 鐵焦比：總化鐵量與總焦耗量之比(稱焦比)。 實(shí)驗(yàn)測得，焦耗量越少，燃燒比越高，氧化性加大。 影響沖天