合金熔化與精煉2

1、辛勤才有果實(shí)第三章.沖天爐熔煉的基本原理n在焦炭燃燒規(guī)律的基礎(chǔ)上,結(jié)合沖天爐的特點(diǎn),討論沖天爐內(nèi)的爐氣分布和溫度分布;熱交換和冶金反應(yīng).n3-1.沖天爐內(nèi)爐氣與溫度分布n(一).爐氣分布n 沖天爐內(nèi),爐徑方向的爐氣分布不均勻,靠近爐壁焦炭縫隙大,阻力小,風(fēng)量多,稱為爐壁效應(yīng).另外,風(fēng)口在圓周方向是不連續(xù)的,風(fēng)口前沿的氣流速度大,兩個(gè)風(fēng)口之間氣流少,甚至無風(fēng).爐徑大時(shí),爐子中心風(fēng)速小,風(fēng)速大的地方燃燒快,溫度高,無風(fēng)的地方不燃燒,降溫,溫度低.由于氣流分布的不均勻,造成爐內(nèi)溫度分布的不均勻.氣流分布n爐內(nèi)氣流分布n爐壁效應(yīng).n 在爐子高度方向,爐氣中二氧化碳的濃度有最高區(qū).與層狀燃燒相似,在徑向

2、上不均勻.二氧化碳的濃度最高區(qū),對(duì)應(yīng)溫度的最高區(qū).由于還原反應(yīng)吸熱,溫度下降.n爐氣溫度與CO2分布有關(guān),因此在爐子截面上溫度分布也不均勻,靠近爐壁溫度高,等溫線下移,熔化帶下移,形成倒鍋形,對(duì)鐵水過熱不利.n氣流與溫度分布3-2.沖天爐內(nèi)熱交換n從加料口開始,金屬爐料下行,與上行的爐氣進(jìn)行熱交換.可分成三個(gè)區(qū):n(一).預(yù)熱區(qū): 加料口下沿至熔化帶上邊n此區(qū)內(nèi)金屬為固體,溫度逐漸提高,從20-1200 ,此區(qū)熱交換有3個(gè)特點(diǎn):n(1).熱交換以對(duì)流為主,爐料下行很慢,氣流速度很快.從加料口下行到熔化帶需要30分鐘時(shí)間.主要是金屬表面與爐氣對(duì)流傳熱,為了保證有效預(yù)熱,提高熱效率,設(shè)計(jì)沖天爐時(shí)要

3、有一定的有效高度.保持加滿料,H/D=68.n(2)傳熱快.在預(yù)熱區(qū),金屬的溫度從室溫預(yù)熱到熔化的溫度,吸收的總熱量占鑄鐵熔化總熱量的65%.n(3).影響因素多,受到有效高度.(爐子設(shè)計(jì));底焦高度的影響,也受料塊大小,熔化速度和鐵焦比的影響,預(yù)熱效果不同,料塊小,預(yù)熱均勻,同時(shí)有利于吸收爐氣熱量,因此希望金屬爐料塊小,但太小時(shí),對(duì)氣流的阻力大,氧化嚴(yán)重,細(xì)料重壓.(二)熔化區(qū)的熱交換n從爐料熔化開始,到金屬料熔化完了.特點(diǎn):n(1).以對(duì)流換熱為主,與預(yù)熱區(qū)相似,吸收熔化潛熱和少量過熱的熱量.熔化區(qū)的高度與料塊大小有關(guān)。料塊越大,批料量越多,熔化時(shí)間越長,熔化帶下移,減少過熱距離,鐵水溫度

4、低.n(2)爐氣分布不均,熔化帶呈凹形,中心熔化慢.n(3)高度波動(dòng)大.熔化帶的形狀n.(三)過熱區(qū)的熱交換. 過熱區(qū)是熔化帶下沿到第一排風(fēng)口.特點(diǎn):n(1)鐵水與焦炭接觸,以傳導(dǎo)傳熱為主,輻射傳熱為輔.n(2)傳熱時(shí)間短.30秒左右,傳熱強(qiáng)度大,溫度提高150-250 .(1200 1450 .)n 預(yù)熱區(qū) 熔化區(qū) 過熱區(qū)n傳熱時(shí)間 30分鐘 5-7分鐘 30秒n吸熱量 840KJ 230KJ 150-210KJn過熱區(qū),鐵水的過熱效率低,預(yù)熱的效率是20%; 熔化帶的效率是60%;過熱區(qū)是7%.因?yàn)闀r(shí)間短.因此采用沖天爐和電爐雙聯(lián)法.n沖天爐熔化,電爐過熱.(3)過熱效率與爐氣最高溫度有關(guān)

5、,與過熱區(qū)長度有關(guān).爐氣溫度高,受熱強(qiáng)度大,過熱時(shí)間長,底焦高度高,過熱溫度高,鐵水溫度就高,總的過熱效率與過熱面積有關(guān).n(四)爐缸區(qū).n 爐缸區(qū)有焦炭,但無氧氣,不燃燒,鐵水經(jīng)過時(shí)要降溫,在開渣口操作時(shí),焦炭燃燒,有利于鐵水過熱,一般在開爐初期可以適當(dāng)開渣口操作,有利于提高前期的鐵水溫度,帶前爐的爐缸小于200mm.n3-3影響沖天爐熱交換的主要因素n 提高鐵水溫度是沖天爐的重要技術(shù)指標(biāo),要獲得高溫鐵水,必須擴(kuò)大過熱面積,提高爐氣最高溫度,擴(kuò)大高溫區(qū).影響因素主要有:送風(fēng),焦炭,爐料;操作和爐形.一.組織好合理燃燒強(qiáng)化燃燒;均勻燃燒;包括送風(fēng)和焦炭兩個(gè)因素.(一)風(fēng)的影響n(1)風(fēng)量的影響

6、.n 風(fēng)量小時(shí),燃燒不充分,適當(dāng)增加風(fēng)量,提高氣流速度,有利于燃燒反應(yīng),獲得高溫.但如果風(fēng)量過大,燃燒太快,料層下降快,過熱區(qū)減少,熔化速度增加,不利于鐵水過熱.應(yīng)根據(jù)風(fēng)焦平衡,確定最佳風(fēng)量,(最惠風(fēng)量),主要取決于:焦炭消耗量(焦耗量);焦耗量越大,最惠風(fēng)量也越大.n 焦耗量越高,鐵水溫度也越高,n焦耗量一定,有最惠風(fēng)量(2)風(fēng)速的影響.n指風(fēng)口出口處的平均流速,一般為60-80m/s,風(fēng)速高,加強(qiáng)擴(kuò)散燃燒,吹掉灰分,風(fēng)穿到爐子中心,均勻燃燒,.如果風(fēng)速過高,有吹冷作用,增加元素?zé)龘p.增加風(fēng)速,需要增加風(fēng)機(jī)功率.風(fēng)速的選擇與焦炭的灰分.塊度有關(guān),灰份少,塊大時(shí),可選低風(fēng)速,鑄造焦可用3040

7、m/s,我國多采用小風(fēng)口,風(fēng)口比(風(fēng)口總截面積與熔化帶爐膛橫截面積之比):1/301/40,風(fēng)速高,因?yàn)榻固抠|(zhì)量差.國外多用大風(fēng)口,風(fēng)速低,焦炭質(zhì)量好.(大風(fēng)口:10%).n(3).風(fēng)溫的影響.n 預(yù)熱送風(fēng),內(nèi)熱式(熱風(fēng)爐膽),外熱式(一氧化碳燃燒)風(fēng)溫大于400 ,有明顯的效果. 相同的風(fēng)量,風(fēng)溫高時(shí),體積大,風(fēng)速高,強(qiáng)化擴(kuò)散燃燒. 有利于提高鐵水溫度.風(fēng)溫提高100 .鐵水溫度提高10 .送熱風(fēng),爐壁也不容易掛渣,n(4)富氧送風(fēng).n 送風(fēng)中加氧,加速燃燒反應(yīng),能提高鐵水溫度.富氧,減少了帶入的氮?dú)饬?減少物理熱損失,有利于提高鐵水溫度.加入1%的氧,提高鐵水溫度10 .加3%的氧相當(dāng)于4

8、00 的熱風(fēng).(二)焦炭的影響n 焦炭的成分;塊度;反應(yīng)性.n(三)爐料.n(1).料塊:塊大,預(yù)熱不好,熔化帶下移,過熱高度不夠,不利于提高鐵水溫度.n(2)爐料干凈,無雜質(zhì)。鐵銹,消耗熱量.n(四)操作的影響n(1).底焦高度.開爐時(shí),在出鐵口7-10分鐘見到鐵水為正常.底焦過高,造成空燒;底焦過低,熔化帶下移,過熱不足,鐵水溫度低,甚至凍爐,化不出鐵水.風(fēng)焦平衡,保持熔化帶穩(wěn)定,過熱高度穩(wěn)定,鐵水溫度就穩(wěn)定.測定底焦高度.(2)批料量的影響:批料量越小,熔化帶越薄,底焦波動(dòng)小,層焦厚度150mm.(五)爐型的影響(1).沖天爐爐型 主要有:直筒型;倒錐型;燈罩型;多數(shù)為曲線爐膛.熔化帶的

9、直徑大,下部直徑小,提高過熱區(qū)的效率.改善底部的氣流分布,克服爐壁效應(yīng),減少底焦用量.爐膛的最大直徑與最小直徑不能相差太大,否則,修爐困難,容易棚料,d/D=0.8.目前使用較多的有四種爐型, 二排大間距沖天爐 三排小風(fēng)口沖天爐 中央送風(fēng)沖天爐 (5噸以上的) 卡腰式?jīng)_天爐(主要用于小爐子) 常見的沖天爐爐型大型沖天爐水冷無爐襯,爐氣除塵;預(yù)熱送風(fēng);-長汽鑄造廠的12噸沖天爐雨淋式水冷沖天爐(2)沖天爐風(fēng)口n 風(fēng)口布置:送風(fēng)方式主要有:側(cè)送風(fēng);(多排風(fēng)口;二排風(fēng)口)中央送風(fēng);5噸以上的沖天爐.強(qiáng)化中心燃燒,減少爐襯燒損,多用側(cè)送風(fēng).n 風(fēng)口排數(shù):多排,兩排;一排,多為二排大間距,焦炭好,可以減

10、少排數(shù),小焦炭用多排風(fēng)口.為了使還原帶的CO燃燒,可設(shè)二次送風(fēng).要嚴(yán)格控制二次送風(fēng)量,否則形成新的熔化帶.n 風(fēng)口位置:以二排風(fēng)口為例,風(fēng)口出口面積最大的一排為主風(fēng)口,占總送風(fēng)量的60-70%.主風(fēng)口在下第一排的為正置,主風(fēng)口在上面的為倒置,兩排風(fēng)口一樣大的為等置.n東大,主張正置,南京工學(xué)院主張倒置,華中主張等置.認(rèn)為倒置可以縮小還原帶高度,促進(jìn)完全燃燒,國外主要用正置,主風(fēng)口的位置是高溫區(qū).焦炭好用正置,n 風(fēng)口斜度:風(fēng)口向下傾斜5-15度,克服爐壁效應(yīng),上排斜度大.卡腰爐傾斜30度.n大型沖天爐(100噸)風(fēng)口用水冷銅風(fēng)口,突入底焦,風(fēng)可以打入爐子中心.沖天爐內(nèi)的氣流分布(3)沖天爐有效

11、高度有效高度影響預(yù)熱,一般是沖天爐直徑的5-7倍,大爐子取小值,高度過大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,容易棚料操作方面:上料及時(shí),保證預(yù)熱,風(fēng)眼暢通,爐料稱量準(zhǔn)確.沖天爐內(nèi)的冶金反應(yīng)原理不講.關(guān)于沖天爐熔煉的幾個(gè)問題n1.鐵水的化學(xué)成分控制n(1).鐵水的化學(xué)成分依據(jù)鑄件的牌號(hào)控制:C;Si,Mn.根據(jù)爐內(nèi)化學(xué)成分的變化趨勢,考慮元素的燒損量,進(jìn)行配料,爐料主要用生鐵,廢鋼,回爐料和鐵合金.Si鐵:75%Si;Mn鐵:55%Mn,沖天爐內(nèi),Si的燒損量為:1015%,Mn的燒損量為:1520%.鐵水含碳量低時(shí),熔煉過程要增碳.配料時(shí),含碳量低于要求的碳量;鐵水含碳量高時(shí),熔煉過程要降碳. C(鐵水)=1.7%+

12、1/2C(爐料)n(2)P量在爐內(nèi)不能控制,選用爐料時(shí)考慮.n(3)對(duì)于一般的灰鑄鐵,不進(jìn)行特殊處理,球墨鑄鐵要求含硫量低,需要脫硫處理.沖天爐熔化,焦炭中含硫,使鐵水增硫,鑄造焦含硫低.2.加入熔劑(石灰石:CaCO3)n 沖天爐熔煉必須加入熔劑,石灰石CaCO3,石灰石在800以上分解, CaCO3 =CaO+CO2 , CaO+SiO2+Al2O3 ,形成爐渣,三個(gè)組元比例不同時(shí),渣的熔點(diǎn)不同,焦炭中的灰分主要是: CaO, SiO2 , Al2O3 ,不加入熔劑時(shí),熔點(diǎn)高,渣的流動(dòng)性差,加入石灰石,降低渣的粘度,順利排出爐外.石灰石用量,根據(jù)焦炭的含灰量而定.固定碳越低,灰分越多,需要

13、加入的石灰石越多.石灰石量為焦炭量的三分之一.風(fēng)量控制n 沖天爐的風(fēng)量應(yīng)能保證沖天爐的合理燃燒,根據(jù)爐子的熔化率,焦炭消耗量,選擇風(fēng)機(jī),風(fēng)量和風(fēng)壓.送風(fēng)強(qiáng)度:每平方米爐膛截面積送風(fēng)量:按焦炭消耗量:每千克碳用風(fēng)量.例如.熔化率3噸的沖天爐,每分鐘化鐵水50千克.按鐵焦比6:1算,每分鐘用焦炭8千克,每千克焦炭完全燃燒用7立方米風(fēng),每分鐘應(yīng)送風(fēng):56立方米風(fēng).風(fēng)機(jī)應(yīng)選3600立方米/小時(shí).考率漏風(fēng)等因素, 可選4200立方米風(fēng)/小時(shí)的風(fēng)機(jī).n 風(fēng)壓:沖天爐越大,送風(fēng)的風(fēng)壓也越大,9001800mm水柱, 1mm水柱=9.8Pa,風(fēng)量風(fēng)壓都可以測量,有專用儀表. 爐氣分析:測定沖天爐內(nèi)CO2濃度,

14、確定焦炭完全燃燒程度.有取樣分析的分析儀,也有自動(dòng)連續(xù)分析儀.n 鐵水溫度測量:鐵水溫度是重要技術(shù)指標(biāo).用熱電偶或紅外測溫儀.有數(shù)字顯示溫度.n 鐵水連續(xù)測溫在過橋處,連續(xù)給出鐵水溫度.n沖天爐的微機(jī)控制:以風(fēng)量控制圖為依據(jù),測出相關(guān)數(shù)據(jù),經(jīng)控制模型計(jì)算,控制風(fēng)量,達(dá)到合理燃燒的最佳狀態(tài)n 測定的參數(shù):風(fēng)量;風(fēng)壓;鐵水溫度;熔化率;焦炭耗量;爐氣成分等.n目前尚不理想.中頻感應(yīng)電爐熔煉鐵水n靠電磁感應(yīng)加熱,熔化,升溫.熔化速度快,不用焦炭,污染少,不增硫.鐵水質(zhì)量好,鑄件廢品率低.操作容易.循環(huán)水冷卻.n缺點(diǎn):投資大,電費(fèi)貴.許多工廠在晚上用低峰電.n用沖天爐熔化,電爐過熱,比較合理.雙聯(lián)熔煉

15、.天燃?xì)饣F爐;煤粉化鐵爐;油爐化鐵n水冷無爐襯沖天爐.沒有耐火材料爐襯,水冷掛渣,有內(nèi)水冷式和外水冷式.可連續(xù)熔化一周.普通沖天爐可連續(xù)用24小時(shí).n酸性沖天爐;以硅磚砌的爐襯,渣子為酸性,爐襯壽命長,但爐內(nèi)不能脫硫,加脫硫劑時(shí)(鈣),爐襯侵蝕快.n堿性沖天爐.以鎂磚砌的爐襯,渣子為堿性,爐襯壽命短,但爐內(nèi)能脫硫,加脫硫劑氧化鈣,造堿性渣,爐襯耐熱沖擊性差.爐襯壽命短.n堿度 :(CaO+MgO)/SiO2n0.8 -酸性; 0.81.2-中性; 1.21.5-堿性n 沖天爐技術(shù)指標(biāo): 鐵焦比; 熔化率; 熔化強(qiáng)度; 送風(fēng)強(qiáng)度; 送風(fēng)量; 焦耗量; 元素?zé)龘p量, 爐渣堿度.復(fù)習(xí)題n1.沖天爐熔煉對(duì)鐵水質(zhì)量有哪些要求?