沖天爐熔煉過程控制

本文格式為Word版，下載可任意編輯——沖天爐熔煉過程控制山東建筑大學畢業(yè)論文

1前言

“獲得優(yōu)良鑄件的關(guān)鍵在于大爐和型砂〞，這是鑄造屆多年來的經(jīng)驗總結(jié)。鑄鐵熔煉工序的重要性在于它直接影響鑄造工作的最終結(jié)果，特別是因鐵水質(zhì)量造成的鑄件缺陷，往往難以或者根本無法補救，例如：化學成分不合格，造成的鑄件機械性能或物理、化學性能不能滿足要求。有如：鐵水溫度低，滾動性差造成的缺澆和其他缺陷等。其結(jié)果都能使鑄件成為廢品。

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前，鑄造生產(chǎn)中的廢品約有50%是與熔煉有關(guān)。而熔煉鐵水的成本有約占鑄件成本的25～35%。隨著工業(yè)的發(fā)展，對鐵水質(zhì)量的要求越來越高，為了獲得優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，不管在經(jīng)濟上還是在鑄件質(zhì)量上，鑄鐵熔煉工序都占有十分重要的地位。1.1鑄鐵熔煉技術(shù)的發(fā)展史[1,2,3]

我國是一個歷史悠久的文明古國，前任在金屬發(fā)展史上做出了卓越的貢獻。據(jù)考古記載：我國早在公元前八世紀到七世紀就已經(jīng)把握了冶鐵和化鐵的方法；公元513年，晉國鑄造出大型鼎。湖南長沙、常德等地出土的春秋時期的鐵鏟、鐵锨等就是例證。隋、唐以后，大型鑄件的生產(chǎn)愈來愈多，公元953年五代周廣順三年，鑄造出滄州大鐵獅。采用分段鑄造后組裝而成，總重達五萬余斤。漢、唐兩代，特別是宋代，我國鑄造技術(shù)發(fā)展到較高的水平。湖北當陽縣，玉泉寺的鐵塔。建于公元1061年，塔高23m，共十三層，每層八面，總重53300kg，塔身造型精致，玲瓏剔透，充分顯示了我國古代鑄造技術(shù)的高度成就。

歷史記載：李曾伯在荊州每月能鑄炮二千門。到了明代能鑄萬斤的鑄件，一次熔鐵10～20t。鑄件重達5～10t以上。

歐洲使用鑄鐵，開始于十四世紀。英人李約瑟認為：歐洲鑄鐵技術(shù)是十一至十二世紀由中國傳入的。從海綿鐵到生鐵，西方延續(xù)了2500多年，我國生鐵器物比國外早1900多年。

古代鑄造技術(shù)的發(fā)展余熔化爐密切相關(guān)；熔化爐需要提供適合的溫度、成分、鑄造性能和機械性能的材質(zhì)，才有可能鑄造出幽美的鑄件來。

古代熔化爐與冶鐵爐是分不開的。最早是利用礦石冶煉出的鐵水直接澆注鑄件，以后，由于鑄件應用范圍而的擴大，熔化爐與冶鐵爐才鑄件分開，我國有悠久的冶鐵歷史，在長期生產(chǎn)實踐中，爐型不斷改進和完善為熔化爐的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。元至元順年（公元1330年）已有用于鑄造的化鐵爐方面的文字技術(shù)。陳椿繪成的鑄造鐵盤，說明白當時鑄造鐵盤的化鐵爐詳細的操作過程，“熔鑄盤，各隨所鑄打小，用工鑄造，以舊破鍋鍍鐵為上。先筑

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爐，用瓶砂、白墡、碳屑、小麥穗和泥，實筑為爐。其鐵盤，沉重難稱斤兩，只以秤鐵入爐為則，每鐵一斤，用碳一斤，總計其數(shù)。熔成汁，候鐵熔盡為度。用柳木棒鉆爐臍為一小竅，煉熟泥為溜，放汁入盤內(nèi)，逐一塊以所欲模樣瀉鑄。如是汁止，用小麥穗和泥一塊于杖頭上抹塞之即止。盤一面，亦用生鐵一、二萬斤，合用鑄冶工時所費不多〞。這段記載及其繪圖，說明白元代化鐵爐的爐型、結(jié)構(gòu)、耐火材料及熔煉操作技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到較高的水平。爐子容積達一、二萬金。所用燃料同鐵的比例為1：1.爐型結(jié)構(gòu)采用上口小，下部爐膛大的曲線爐膛、“爐臍〞上的“竅〞和“溜〞作為出鐵口，然后在口外加一流槽放鐵水。當鐵水放盡時，用小麥穗和泥一塊置于木杖頭上，塞住出鐵口。就可繼續(xù)化鐵。這種化鐵爐的整個過程與近代的座爐、三節(jié)爐是一致的。

宋代還有一種可以移動的“行爐〞。爐子外呈方形，梯形木風箱與爐子一起安裝在木架上，箱蓋板上安裝兩根桿，兩人同時推拉進行鼓風。這種爐子容量小，移動便利。明代以后，小作坊的鑄造生產(chǎn)得到了法杖，為了便于出鐵，采用爐身可回轉(zhuǎn)的攙爐或勺爐。這種爐型迄今在小作坊中仍被采用。

國外鑄鐵熔爐也是在冶鐵爐的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。公元1750年在英國出現(xiàn)了第一座沖天爐，爐膛截面為圓形，高3m，設(shè)有兩個風口。1774年俄國設(shè)置了簡單的沖天爐。1803年俄國建立了回轉(zhuǎn)式豎爐。國外這些古代化鐵爐與我國十四世紀以前出現(xiàn)的古代座爐、三節(jié)爐和勺爐類似。我國是實現(xiàn)鑄鐵熔煉最早的國家之一。

在化鐵爐用燃料方面，我國早起使用木炭，隨著爐徑和高度增大，木炭不能滿足要求，戰(zhàn)國時代已有用煤的記載“屈茨北二百里有山，夜則火光，晝?nèi)盏珶煛Ｈ巳”笔?，冶次山鐵，恒充三十六國用〞。公元十二世紀，意大利人馬可波羅來我國，見到用煤冶鐵大為驚詫。他在《馬可波羅游記》中寫到：這種“黑石頭〞，火力大，價格低廉。明代已開始用煤煉焦，并用于冶鑄?！懊簞t各處產(chǎn)之，臭者燒熔而閉之成石，在鑿而入爐曰焦，可五日不絕火，煎礦煮石，殊為省力。〞這里描述了我國古代煉焦過程。

歐洲用煤作為專利是1611年，焦炭是18世紀首先在英格蘭采用。由此說明，我國是最早用煤和焦冶鑄的國家之一。1.2近代沖天爐的發(fā)展

隨著生鐵產(chǎn)量的增加，用鐵鑄造出各種器皿、工具、工藝品的品種，數(shù)量越來越多，鑄造業(yè)成為單獨部門得到迅速發(fā)展。相應的熔化生鐵的爐子，由座爐、三節(jié)爐發(fā)展成豎式型的沖天爐，熔化率由小到大，有幾公斤、幾噸，發(fā)展到七十年代已建立起熔化率為10t/h的沖天爐，采用熱風、水冷無爐襯進行連續(xù)熔化，配備機械化配料、上料系統(tǒng)和電子計算

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機控制真?zhèn)€熔煉過程。

沖天爐經(jīng)歷了200多年的發(fā)展，人們不斷從改革結(jié)構(gòu)和工藝方面去探求提高沖天爐鐵水溫度，儉約燃料和原材料以及改善勞動條件的新途徑。

(1)改進送風系統(tǒng)開始采用單排，以后試驗了二排、三排、多排、螺旋式風口分布，二次送風和二排大間距風口送風等。風口大小形狀采用過縫隙風口，矩形大風口，圓錐形小風口等。

(2)熱風由低溫200～300℃內(nèi)熱式預熱送風，發(fā)展到外熱式利用廢氣中物理和化學的余熱并輔加燃料使熱風溫度高達500～1000℃。預熱裝置的形式多種多樣。目前多采用高效率的熱交換器，組成輻射十字對流的形式。

(3)加氧送風風口噴氧、富風送氧，爐缸噴氧，前爐吹氧和出鐵槽中吹氧等。(4)輔加燃料在主風口以上600～1000mm處設(shè)置輔加燃料的風口，送入煤粉、重油、自然氣、丙烷氣等。前爐內(nèi)補加煤氣和自然氣。

(5)雙聯(lián)沖天爐+工頻爐，沖天爐+電弧爐等。

(6)電加熱爐缸中插入炭質(zhì)電極過熱鐵水，爐缸設(shè)計成感應式坩堝爐加熱，出鐵槽中電阻式加熱等。

(7)水冷突出風口、水冷無爐襯沖天爐。(8)爐內(nèi)輔加電石，碳化硅等。(9)虹吸式分渣，壓力分渣器等。

(10)沖天爐實現(xiàn)機械化、自動化和電子計算機在沖天爐上的應用。

以上的這些新工藝、新結(jié)構(gòu)，各個國家根據(jù)各自的能源和生產(chǎn)條件因地制宜地加以選用。

我國沖天爐熔煉技術(shù)的發(fā)展是在解放后迎頭趕上的。解放初期，國內(nèi)僅有屈指可數(shù)的幾臺沖天爐，目前我國機械行業(yè)鑄造生產(chǎn)中最大沖天爐達25t/h，每年熔化鐵水總量計400萬噸以上。

五十年代初期，我國從勺爐，改進三節(jié)爐發(fā)展到采用現(xiàn)代的三排小風口沖天爐，六十年代為適應當時生鐵中硫、磷含量高的狀況，國內(nèi)試驗和推廣了各種類型熱風沖天爐，水套沖天爐。工業(yè)飛躍發(fā)展，焦炭供不應求，塊度小，強度低，從而試驗成功多排小風口沖天爐，中央加側(cè)吹送風的大型沖天爐，兩排大間距風口送風沖天爐以及卡腰化鐵爐，使鐵水溫度得到了提高，滿足了鑄造生產(chǎn)的要求。此外，鑄造工還研究試驗了附加燃料的沖天爐，包括附加煤粉、焦粉、自然氣、廢機油、重油等。達到了部分代替焦炭，提高熔

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化率的目的。在缺焦地區(qū)，試驗成功煤粉化鐵爐、燃氣化鐵爐和燃油化鐵爐。解放三十多年，我國鑄鐵熔煉爐走過了國外近百年的發(fā)展的路程。目前，我們已經(jīng)具有各種類型的化鐵爐，為鑄造業(yè)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。

此外，六十年代逐步實現(xiàn)了沖天爐配料、上料機械化，較為普遍的采用電磁盤配料、料位控制和機械上料。連續(xù)生產(chǎn)的大型沖天爐還建立起程序控制，全盤機械化和自動化的熔化工部，大大改善了工人的勞動條件。

七十年代，我們在總結(jié)科研和生產(chǎn)實踐的基礎(chǔ)上，開展了沖天爐完善化、典型化和系列化（簡稱三化）工作，初步擬定出符合我國國慶和獨具特色的沖天爐系列。開展了沖天爐檢測技術(shù)的研究，爐前接觸式連續(xù)或休止測溫，熱分析法快速定碳、定硅，同位素檢測底焦高度等，逐漸在生產(chǎn)中推廣應用，為有效控制沖天爐工藝參數(shù)，加強科學管理提供了手段。

近幾年，國內(nèi)正積極發(fā)展沖天爐—工頻爐雙聯(lián)熔煉，研制成功沖天爐專用高效鼓風機系列，研究沖天爐專用的鑄造焦等，使我國沖天爐熔煉技術(shù)水平又有了新的提高。我國已擁有現(xiàn)今工業(yè)國鑄造熔煉爐各種主要類型，某些經(jīng)濟技術(shù)指標已跨入世界先進行列。但是，在焦炭塊度、質(zhì)量、操作管理和控制，防止環(huán)境污染和改善勞動條件方面還有大量的工作要做。

1.3沖天爐熔煉技術(shù)水平的評價[4,5]

評價沖天爐熔煉技術(shù)水平需要從鐵水質(zhì)量、熔化效率、儉約能源和材料以及勞動條件和環(huán)境污染三個方面來考慮：1.3.1沖天爐鐵水質(zhì)量和熔化效率

沖天爐鐵水質(zhì)量包括鐵水溫度、鐵水成分和鐵水純凈度。鐵水溫度應根據(jù)鑄鐵牌號、鑄件壁厚和上產(chǎn)工藝來選定。一般高牌號鑄鐵的出鐵溫度要求在1450℃以上。

(1)鐵水成分允許波動范圍

按配料成分要求，鐵水成分允許波動范圍見表1.1

表1.1鐵水成分允許波動范