合金熔炼课程设计Word格式.docx
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1.8%~2.6%，Mn：
0.5%~0.8%，S:
<
0.06%,P:
0.08%Xt残：
0.02%~0.05%，Mg：
0.015%~0.025%
三、选用炉料
（一）炉料来源：
原生铁回炉铁废钢硅铁锰铁
1、原生铁，又称高炉生铁，是含碳量大于2%的铁碳合金，工业生铁含碳量一般在2.11%~4.3%，并含有C、Si、Mn、S、P等元素，是铁矿石经高炉冶炼的产品。
是冲天炉炉料的主要组成物。
2、回炉铁，是蠕墨铸铁浇注完后清理的浇冒口、废铸件。
按配料的需要加入一定量，降低铸件成本。
3、废钢，包括废钢件、钢料、刚屑等，加入废钢可以降低铁水含碳量。
4、铁合金，包括硅铁、锰铁、铬铁等铁中间化合物，可以调整铁水的化学成分或配制合金铸铁。
（二）炉料化学成分：
炉料
化学成分（质量分数）（%）
C
Si
Mn
P
S
本溪原生铁
4.13
1.82
0.74
0.14
0.12
回炉料
3.4
2.4
0.4
0.06
0.08
废钢
0.35
0.3
0.6
-
硅铁
75
0.5
0.04
0.02
锰铁
1.5
2.5
0.2
（三）常见元素在冲天炉熔炼过程中增减率：
增减
炉料C<
3.2%
炉料C>
3.6%
极限范围
+（0~60）
-（0~10）
+（0~40）
-（10~50）
+（25~100）
一般范围
+（5~40）
-（3~8）
+（10~15）
-（15~20）
+（50~75）
（四）冲天炉熔炼过程中各种牌号铸铁碳量增减率：
配料C>
3.6%或Si量较高
HT200以下
HT200以上
可锻铸铁
-（3~8）
+（5~10）
+（15~35）
+（40~50）
（五）炉前添加合金元素的回收率：
元素
添加合金
回收率
85~95
80~90
（六）炉内熔化元素烧损率：
烧损率（质量分数）（%）
+5
-15
-20
不变
+80
（七）配料计算：
原铁液含量（%）
3.33
2.7
0.9
0.07
蠕化剂按0.2%，孕育剂按0.2%~0.8%
第一步，计算炉料中个元素应有量，可用下列公式计算
X炉料=X铁液/1±
η
式中X炉料——炉料中元素含量（%）；
X铁液——铁液中元素含量（%）；
η——熔炼过程中元素增减率。
“+”号用于元素增加，“-”号用于元素减少。
①炉料中碳元素含量：
C炉料%=3.3/（1+5%）=3.14
②炉料中硅元素含量：
Si%炉料=2.7/（1-15%）=3.18
③炉料中锰元素含量：
Mn炉料%=0.9/（1-20%）=1.125
④炉料中磷元素含量：
P炉料%=0.07
⑤炉料中硫元素含量：
S炉料%=0.06/（1+80%）=0.0333
第二步，初步确定炉料配比并进行计算。
确定回炉料按20%加入，设新生铁的配比为x%，则废钢的配比为100%-20%-x%。
设炉料所需含碳量为w%，而新生铁、废钢、回炉料含碳量分别为a%，b%，c%，可按下式计算出新生铁的配比：
ax+b（100-20-x）+c20=100w
由①知w=3.14、由表格知a=4.13、b=0.35、c=3.4
代入公式得4.13x+0.35（100-20-x）+3.4×
20=3.14×
100
x=218÷
﹙4.13-0.35）=57.7
废钢的配比：
100-57.7-20=22.3
第三步，确定配比并计算铁合金的补加量。
硅铁、锰铁的补加量可按下式计算
铁合金配比=（炉料应有合金含量-炉料中所含合金含量）/[铁合金中合金含量×
﹙1-合金烧损率﹚]
式中炉料应有合金含量=（铁液要求合金量-炉前加入合金量）/（1-合金烧损率）
炉前加入合金量=炉前加入铁合金×
铁合金中合金含量×
炉料应有锰元素含量=0.9/（1-20%）=1.125
炉料中所含有锰元素量=20%×
0.4+0.577×
0.74+0.223×
0.6=0.64
锰铁配比=（1.125-0.64）÷
[﹙1-0.2﹚×
0.8]=0.76
炉前加入硅铁量=0.8%×
0.85×
0.75=0.51
炉料应有硅元素含量=（2.7-0.51）÷
﹙1-0.15﹚=2.58
炉料中所含硅元素量=0.2×
0.24+0.577×
0.018+0.223×
0.003=0.016
硅铁配比=（2.57-0.016）÷
﹙0.75×
0.85﹚=4.0
由此定出RuT420配料的成分单如下：
配比
含量
数量
本溪生铁
57.7
2.38
1.05
0.43
0.09
0.052
0.032
0.018
回炉铁
20
0.68
0.48
0.012
0.016
22.3
0.67
0.134
要求成分
合计
3.14
2.2
0.644
0.064
0.034
差额
0.19
0.256
合格
0.01
0.017
0.536
0.001
4
3
四、炉体设计
（一）冲天炉的基本结构
（1）炉底与炉基
炉底与炉基是冲天炉的支撑部分，对整座炉子和炉料起支撑作用
（2）炉体与前炉
1）炉体是冲天炉的基本组成部分，包括炉身和炉缸两部分。
炉身是指加料口下缘至第一排风口中心线之间的炉体。
炉缸是指第一排风口中心线到炉底之间的炉体，其作用是保护炉底，汇聚铁液和炉渣使之进入前炉，也可以储存铁液。
2）前炉是由前炉体和可离的炉盖构成。
其作用是储存铁液，使铁液成分和温度均匀，减少铁液在炉缸停留时间，从而降低铁液在炉缸中增碳与增硫作用，净化铁液。
（3）烟囱与除尘装置
烟囱在加料口上端，其作用是引导炉气向上流动并排出炉外，除尘装置的作用是消除或减少炉气中的烟灰和有害气体。
（4）送风系统
冲天炉的送风系统是指自鼓风机出口至风口出口为止的整个系统，包括进风管、风箱、风口、及鼓风机输出管道。
（5）热风装置
热风装置作用是加热供底焦燃烧用的空气，以强化冲天炉底焦的燃烧。
（6）鼓风机
（二）冲天炉的尺寸
所谓冲天炉的主要尺寸是指冲天炉的内径、有效高度、送风系统及前炉的主要尺寸以及它们之间的比例关系。
1）冲天炉内径：
冲天炉的许多基本尺寸都与炉膛直径有关，因此应首先选择它的大小。
D=1.12√﹙Q/S﹚米
式中：
D——冲天炉炉膛直径米。
Q——规定的冲天炉的生产2吨/时。
S——冲天炉的单位生产率吨/米2*时
冲天炉效率越大，与之适应的炉膛内径也要越大这是因为从冲天炉熔炼的普遍规律来看，冲天炉的正常单位生产率一般不论炉子的大小总在7-10吨/米2时的范围内。
因此，当炉子小而生产率高并使单位生产率大于此范围时，或炉子大、生产率低、使单位生产率小于此范围的冲天炉时，都不能获得理想的高温铁水。
冲天炉内径按下表选择：
熔化率（吨/时）
1
2
5
7
10
15
炉膛直径（mm）
φ450
φ600
φ700
φ900
φ1100
φ1300
φ1550
根据经验数据，选用熔化率为2吨/时，直筒型冲天炉的内径为600mm
2）炉壳内径和外径
①炉壳内径：
冲天炉内径±
2（炉衬厚度+绝热层厚度）
绝热层一般取0.015-0.03米
炉层厚度：
熔化率（t/h）
3.0
5.0
7.0
炉衬厚度
130
180
230
因为所选冲天炉的熔化率为2吨/时，所以这里炉衬厚度取160mm
即炉壳内径=（600±
2×
（20+160））×
0.5=（300±
180）mm
②炉壳外径与炉壳厚度的关系
炉壳外径
810
1030
1160
1600
炉壳厚度
6
8
所以炉壳外径为1030mm炉壳厚度为6mm
（三）炉身高度
冲天炉高度：
冲天炉应具备必要的高度才能保证炉料的充分预热和良好的工作条件。
高度不够，铁料预热不良，炉内铁水温度难以提高。
高度太高，容易产生架料，压碎焦炭，增加鼓风机功率消耗和增加厂房建筑等缺点。
炉身高度=炉底厚度+炉缸深度+有效高度
炉缸深度：
指炉底中心到第一排风口中心线间的距离，它与炉子结构（无前炉），熔化率，铁液含碳量有关有前炉
炉缸深度
200
220
250
280
选熔化率为2吨/时，所以炉缸深度为200mm
有效高度：
指冲天炉第一排风口中心线到加料口下沿之间的距离。
有效高度过高时，易产生架料，压碎焦炭，增加进风阻力；
过低，炉料预热不好，热效率低。
有效高度一般为炉内径的5-7倍
炉子内经
700
700-1000
高径比（H/D）
6-7
5-6
取有效高度3600mm
炉底厚度：
指炉底板上面到炉底面中心的砂床厚度，它与熔化率和工作时间有关，一般为250-350mm。
过低时，易漏铁水；
过高时，打炉困难。
所以炉底厚度选用300mm
（四）前炉
前炉内径和高度，一般烤炉储存0.5-1小时熔化的铁水量。
前炉内径=（0.8——1.1）炉膛内径
熔化率
前炉容量
0.75
1.5-2
2-3
3-5
前炉直径
560
800
950
选用前炉内径为700mm
前炉高度=（1.2-1.5）前炉内径
即前炉高度=840mm
前炉炉衬厚度
冲天炉内径
500-700
900
1100
因为选用冲天炉内径为700mm所以前炉炉衬厚度为180mm
前炉炉底厚度：
前炉炉底厚度
320
370
410
因为所选冲天炉熔化率为2吨/时，故前炉炉底厚度为370mm
出渣口与出铁口
出渣口高度=0.18q/d2+h=0.18×
2（0.7×
0.7）+0.05=0.78米
q——前炉铁水储存量
d——前炉内径
h——从铁水量水平线至出渣口之间的最小距离一般为0.05——0.1m
出渣口至过桥下沿高度=1/3出渣口高度=0.26米
出渣口至径一般为30——60mm
除铁口直径一般为20——40mm
（五）送风系统
1、风口
风口大小：
取f/F=2.5%-5%
f——风口总面积（平方米）
F——主风口处炉膛面积（平方米）
风口排数：
2-5排
风口排距
150-210
160-180
200-220
所以选择风口排距为160mm每排风口数
1-2
每排风口数
所以每排风口数选4
风口斜度，一般为0——20度，每排风口由于距离炉底较近，所以斜度要小一些取0-5度
2、风管：
风管截面积可按下列公式计算
f/F=W/60V
f/F——风管截面积与炉子截面积之比（已知）
W——冲天炉的送风强度m³
/㎡分。
一般为80~90m³
/㎡分
V——空气在风管中的流速，米/秒。
一般为10~18米/秒。
由图可知送风强度与风量大小
3、冲天炉影响铁液温度的影响因素
1）焦炭对冲天炉铁液温度的影响
①焦炭成分：
含碳量越高，发热量就越大，越有利
于铁液温度提高。
②焦炭强度与块度：
块度大，燃烧面，温度低。
块度小，燃烧快，高温区段，也不利于铁液的过热。
③反应能力：
焦炭反应能力大，会促进CO2+C=2CO反应发展，从而降低温度。
2）送风对铁液温度影响
①风量的影响：
提高冲天炉的进风量，可以提高进风速度和冲天炉内气体的流动速度，因而强化家滩燃烧，扩大氧化带及高温区高度，提高炉气温度，从而提高铁液温度，但风量提高会提高燃烧速度，加快炉料的下移速度，易造成炉料预热不足，熔化区下移，过热高度缩短，又不利于铁液过热。
冲天炉有一个合适的风量，成为最惠风。
而最惠风的大小，主要取决于焦炭消耗率。
如图铁液温度与较好与风量的关系。
②风速影响：
提高冲天炉进风速度，可消除焦炭表面阻碍燃烧反应得灰渣，强化焦炭燃烧，提高陆琪最高温度。
高速空气一深入炉子中心，可改善炉内炉气与温度的分布，减少炉衬损失，有利于铁液温度的提高。
但，风俗过高对焦炭有吹冷作用反而会恶化燃烧反应，加大元素烧损，降低铁液温度。
③风温的影响：
提高送入炉内空气的温度，由于增加氧化带的热量来源，可强化焦炭燃烧，提高燃烧速度和炉气最高温度。
同时液缩短氧化区域加剧二氧化碳的还原反应，降低炉气燃烧比。
风温越高，炉气最高温度也越高。
④风中氧气浓度的影响：
提高送风中氧气的浓度，可加速底焦的燃烧速度并增加二氧化碳浓度，因而是氧化带缩短，还原带扩大，提高铁液温度。
3）金属炉料对冲天炉铁液温度的影响
金属炉料块度越大，所需预热和熔化时间越长，易造成熔化区位置下降，过热区高度缩短，因而不利于铁液过热。
所以减少冲天炉内金属炉料块度，是提高铁液温度，炉子热效率的有效措施。
4）熔炼操作参数对铁液温度影响
①底焦高度：
太高，铁液温度高，但熔化率低。
太低铁液温度低，氧化严重，但熔化率高。
②焦炭的消耗量：
焦炭消耗量应满足如下关系：
每批层焦量=熔化每批金属料的底焦烧损量；
相当于每批层焦量的底焦燃烧时间=每批金属料的融化时间。
5）冲天炉结构参数对铁液温度的影响
①炉型的影响：
与直筒型炉型相比曲线炉型的熔化区比较平直，熔化区的平均位置较高。
②风口布置的影响：
通常，将风口布置在冲天炉炉壁的送风方向，而将风口设在炉子地步的称为底部送风或中央送风。
一般小型冲天炉常采用侧向送风，结构简单，但炉壁效应影响大。
对直径较大的炉子也可采取双排送风。
4、风箱：
风箱截面积的计算方法同风管一样，用同一公式计算。
流速为2.5~4.0米/秒。
（六）高炉内型参数
序号
项目
数值（mm）
600
炉壳内径
300
绝热层
有效高度
3600
炉身高度
4100
9
炉底厚度
前炉内径
11
前炉高度
840
12
13
出渣口高度
780
14
风口排数
160
16
风口斜度
（七）冲天炉强化熔炼的主要措施
1）预热送风：
热风能够强化底焦燃烧，提高炉温，从而提高铁液温度。
2）富氧送风：
提高空气中氧的浓度，能使碳的燃烧反应的更剧烈，同时加快反应速度，因此对冲天炉焦炭燃烧过程起强化作用。
3）除湿送风：
空气含有水分，如果不及时除去，会吸热降低炉温，还会加氢恶化铁液。
（八）冲天炉结构图
五、确定熔炼工艺过程
1、确定主要工艺参数
1）合理的送风强度是指每分钟内送入每一平方米炉膛截面积的风量。
选择80~90m³
/㎡*分之间。
2）合理熔化强度在正常情况应在7—10吨/平方米时范围内。
3）合理的底焦高度是指炉子第一排风口中心线至底焦顶面的距离。
此值的大小对冲天炉熔化有直接的影响，如果底焦太高，铁水温度不够，熔化率会降低。
底焦太高，金属料下降到底焦面上时，铁料温度还较低而不能熔化，等过量焦炭烧掉后，铁料继续下降，才能熔化。
还会使一氧化碳含量增加，加大热损失。
太低，过热区域过短，因而使铁水温度降低。
还会造成氧化严重。
因此底焦高度应使底焦顶面较炉壁开始侵蚀的平面高出100~200mm，在开炉过程中，底焦不断燃烧消耗，为保持底焦高度基本不变，则需要加入层焦量不断地补充。
2、熔炼前准备
在冲天炉的实际熔炼过程中，炉前质量的控制主要有新材料的试用，熔铁顺序安排，交界铁水的处理，炉前化学的控制等。
1）新原材料的试用
每当有新产地的原料，要正式投入使用前，必须进行试用。
也就是在熔炼开始的一两批中，用新产地的原材料按所需的铸铁级别进行配料。
除铁是，在炉前观察铁水槽中的火花形状与数量，管产三角试片的白口深度，浇注试块，以测定机械性能，并对这些资料做好记录，然后进行分析新产地的原料所得的火花形状，数量、白口和机械性能是否和原估计大致相同，以便确定能否使用后采用何种措施。
2）熔铁顺序的安排
就铁水而言，熔炼开始时温度铸件上升，在融化中期温度最高，到后期则有所下降。
因此，低牌号铸铁因流动性好，浇注温度允许低一些，故都安排在前期熔化。
高牌号铸铁由于流动性差，浇注温度要求高，因此都铎安排在熔炼的中期或后期熔化。
3、冲天炉的熔炼操作
冲天炉的操作主要包括修炉、点火、装料、开炉熔炼和停风打炉几个方面如下
1）修炉
冲天炉每次熔炼结束后，熔化带以下特别是风口区受到很大侵蚀，过桥、前炉和出铁口等处也由于受到铁水和熔渣的侵蚀，形状尺寸将发生改变。
因此必须进行修理。
修炉的材料用耐火砖，耐火泥。
修炉的耐火材料一般用50~60%的石英砂和40~50%的耐火泥加适量水搅拌而成。
用混泥机搅拌均匀，修炉时必须保证冲天炉和前炉直径、风口大小位置，形状和出铁口、出渣口大小、形状的正确性。
2）点火
在熔化开始前两小时进行点火。
先从加料口装入木刨花然后加入木材和40%的底焦，再从点火洞塞入点燃的油棉纱将木柴点燃。
这是把风口全部打开，自然通风，让底点着，待全部烧红后再加入50%的底焦，之后即可鼓风10分钟左右待全部烧红后停风，然后从风口将底焦捣实，测量底焦高度并用余下的10%的底焦来调整底焦高度，使之达到规定要求。
如果底焦高度不够，必须补加。
点火后操作者应注意不能围在加料口处浇油，以防止发生意外。
3）装料
核实好底料高度后即可进行装料。
首先在底焦面上加入不少于批料熔剂量两倍的熔剂，以便与底焦中灰分造渣。
然后缴入铁料、焦炭和熔剂。
熔剂应加在炉子的中心以减少它对炉衬的侵蚀。
所加入炉中的原材料的块度都应符合要求以避免产生故障。
为了提高铁水温度、减少氧化和使熔化过程稳定正常，炉料应尽量保证清洁。
加料量要保证均匀。
这是整个熔炼过程中极为重要的，不然就不能获得合格化学成分。
批料要加到加料口下沿为止。
4）鼓风熔炼
炉料加满后。
经过半小时的闷炉，使炉料得到稍微预热后即可正式鼓风进行熔炼。
在送风并待鼓风机运转正常后在关闭风口。
这时前炉中的出铁口和出渣口暂不关闭，保持开启状态，以便使冲天炉的部分炉气从前炉通过，以便加热过桥、前炉和出铁口、出渣口，使第一次出铁不致发生困难。
在熔炼过程中要经常从窥视孔中观察炉内情况。
如果风口处发白发亮，则说明底焦燃烧较好、炉温较高。
出风口发暗红，则说明递交燃烧较差，温度不高。
如出风口发现结渣现象时，应及时捣通，以保证均匀地进风和炉料的顺利运行。
5）停风打炉
铸件全部浇注完毕即可停风打炉。
在停风后先把剩余铁水和炉渣全部放出，再检查炉底及周围是否干净及时铺上干砂，以避免铁与水接触引起爆炸造成事故。
将余焦余铁迅速扒出炉底。
4、炉况判断常见故障排除
在冲天炉熔炼的过程中，由于各种原因，往往会发生各种故障，使得熔炼不能正常进行。
如搭棚，炉衬侵蚀，出铁口不通，过桥堵塞，炉子漏铁水等。
5、特殊处理
炉外加蠕化剂0.2%蠕化处理并加孕育剂0.2~0.8%孕育处理使铁水中石墨蠕化，用冲入法稀土蠕化操作简便材料来源广，用75硅铁孕育消除晶间偏析，减少自由渗碳体，提供石墨晶核；
延缓蠕化衰退。
六、热处理
儒墨铸铁的基体组织有三中形态：
珠光体、珠光体+铁素体、铁素体。
（1）预备热处理为了获得铁素体基体，可以按照球铁石墨化退火处理进行。
硬环化处理退火工艺：
920℃加热，保温3h，快冷，快冷速度40℃/h，冷至约700℃后在炉内缓慢冷却，500℃后出炉空冷。
对于需要进行表面热处理或整体热处理的工件需要进行预备热处理——正火处理。
正火热处理工艺：
880~900℃加热，保温2~4h，风冷，珠光体含量约80%;
约1000℃加热，保温＞2.5h，风冷，珠光体含量＞90%。
（2）淬火回火处理
①淬火：
一般加热温度为850~870℃，硅含量较高时加热温度应适当提高。
盐浴炉加热时保温时间可按1min/mm计算，在气体介质炉中按1.5min/mm计算。
形状复杂和厚度较大的铸件采用油冷，形状简单的零件可用水冷。
淬火之后的硬度≥55HRC。
②回火：
回火温度应低于550℃，以免发生石墨化。
保温时间应根据装炉量和铸件厚度确定，但不应小于1
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