4.2　沖天爐熔煉

沖天爐是熔化鑄鐵的傳統(tǒng)設(shè)備。具有筒狀結(jié)構(gòu)。圖4-6示意地顯示爐內(nèi)燃料、爐料、爐氣、進(jìn)風(fēng)口、裝料口以及爐內(nèi)的溫度分布。

沖天爐的燃料通常為焦炭（有些爐子采用天然氣）。熔化開始前先在爐內(nèi)裝入一批焦炭（底焦），底焦高度根據(jù)爐內(nèi)徑而定。底焦上分層交替加入爐料和層焦。鼓風(fēng)由風(fēng)口進(jìn)入，促使底焦燃燒。并逐漸加熱與焦炭接觸的爐料使之熔化。熔化的鐵水由爐缸最下端的出鐵口或前爐中流出。

鼓風(fēng)機通過風(fēng)口向爐內(nèi)送入空氣，幫助焦炭燃燒。空氣中的氧與焦炭中的碳發(fā)生以下反應(yīng)：

（4-2）

（4-3）

反應(yīng)（4-2）放出的熱量使?fàn)t料熔化。由圖4-6可以看出，風(fēng)口以上不遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)爐溫最高，可達(dá)1800℃，稱為過熱帶。CO2氣體向上流動時，不斷與底焦區(qū)的焦炭接觸，使式（4-3）的吸熱反應(yīng)向右進(jìn)行，導(dǎo)致爐氣溫度下降。距風(fēng)口越遠(yuǎn)處，爐氣中的CO濃度越高。于是沿爐身高度，CO2濃度經(jīng)過一個最大值后逐漸下降，直到超過一定高度后，兩種氣體濃度開始保持相對穩(wěn)定。

鼓入空氣中的氧也是在風(fēng)口平面內(nèi)濃度最高，但因式（4-2）反應(yīng)消耗了氧，使氧的濃度逐漸降低。熔化帶以上的爐料和燃料，被熾熱氣流所預(yù)熱（此范圍稱為預(yù)熱帶）。預(yù)熱帶接近裝料口，裝入爐內(nèi)的爐料首先進(jìn)入預(yù)熱帶，在此區(qū)域被預(yù)熱到300～500℃，然后在下降過程中，逐步加熱、熔化、過熱，熔化的鐵水儲存在最底部的爐缸內(nèi)或流入前爐。

在沖天爐內(nèi)熔化球墨鑄鐵原鐵水，除了要求達(dá)到預(yù)期成分外，更主要的是鐵水有足夠的溫度，盡可能低的含氧量和含硫量。

制取球墨鑄鐵需要高溫鐵水。為提高鐵水溫度，除了改進(jìn)熔煉工藝以外，改進(jìn)送風(fēng)方式是有效方法。最常采用的措施有：預(yù)熱送風(fēng)、富氧送風(fēng)、除濕送風(fēng)。

預(yù)熱送風(fēng)通常是使鼓風(fēng)通過預(yù)熱器加熱到300℃以上，高溫氣流加快氧與燃料反應(yīng)，強化焦炭燃燒，使?fàn)t溫上升，提高鐵水過熱溫度。此外還能減少元素?zé)龘p，有利于脫硫。當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到450℃以上，效果更加明顯。在送風(fēng)中加入氧氣，相對減少爐氣中氮的濃度，同樣能強化燃燒反應(yīng)，提高爐氣溫度和鐵水溫度，并減少燃料消耗，提高熔化效率。除濕送風(fēng)可減少氣流中所含水蒸氣，防止水在高溫下分解產(chǎn)生吸熱反應(yīng)降低爐溫。也是提高鐵水溫度的有效措施。

熔煉球墨鑄鐵原鐵水時正確選擇爐料是重要的。最好使用國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T1412—2005）所規(guī)定的球墨鑄鐵專用生鐵。如受條件限制不能滿足要求，至少需用化學(xué)成分比較接近的低磷、低硅生鐵。

選擇沖天爐所用焦炭應(yīng)注意固定碳和灰分含量，含硫量和水分。固定碳應(yīng)在85%以上，灰分應(yīng)小于10%。硫是決定鐵水含硫量的主要因素。優(yōu)質(zhì)焦炭含硫量應(yīng)少于0.6%，熔煉球墨鑄鐵原鐵水時最好采用這種焦炭。

4.2.1　鐵水成分在沖天爐熔化過程中的變化

熔煉過程中鐵水成分發(fā)生的變化大部分取決于鐵在爐內(nèi)的氧化與還原反應(yīng)。而氧化與還原反應(yīng)則與燃料的燃燒狀態(tài)、燃燒產(chǎn)物在爐內(nèi)分布以及與爐氣與鐵的接觸狀態(tài)有關(guān)。

在沖天爐內(nèi)已經(jīng)熔化的鐵水流過過熱區(qū)時，以及在熔化區(qū)、爐缸內(nèi)鐵水都和焦炭直接接觸，焦炭內(nèi)的碳溶入鐵水，使鐵水增碳。碳增加量取決于這兩種反應(yīng)的強弱。

采用灰分少、固定碳含量高、塊度適當(dāng)、爐渣熔點低以及鐵水與焦炭接觸時間長，焦鐵比高，熱風(fēng)溫度高，爐缸深，石灰石加入量多都能促進(jìn)鐵水增碳。爐氣中的O2和CO2與鐵水中的C反應(yīng)，或者鐵水和爐渣中FeO與C反應(yīng)都生成CO逸出鐵水，會使鐵水減碳。因此，鐵水和爐渣中FeO含量較高，脫碳反應(yīng)易于進(jìn)行，碳量降低較多，降速較快。此外，爐渣堿度高、FeO活性強；鼓風(fēng)量大；底焦過高；風(fēng)口排數(shù)與氧化帶范圍大，則增強脫碳能力。

爐內(nèi)鐵水含碳量在熔化過程中自動變化。鐵水碳當(dāng)量為亞共晶時，成分變化趨勢是增碳。碳當(dāng)量為過共晶時，變化趨勢變?yōu)闇p碳。一般認(rèn)為，沖天爐熔煉過程中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化是趨向于達(dá)到共晶成分。

硅和錳含量的變化也取決于爐料氧化與還原過程。酸性沖天爐熔化期間，爐內(nèi)氣氛基本上是氧化性的。在熔化帶、過熱帶與爐缸內(nèi)鐵水與爐渣接觸，爐渣中的氧化鐵以及鐵水自身所溶解的氧都能使硅和錳受到氧化，增加爐渣及鐵水內(nèi)SiO2和MnO含量。爐氣中存在的O2、CO2以及爐渣中的FeO、鐵水中的溶解氧都能使硅和錳氧化而燒損。

爐氣中含有CO和CO2兩種氣體成分。當(dāng)鼓風(fēng)量較大，焦炭燃燒完全，生成CO能力較弱，CO2在混合氣體中的體積分?jǐn)?shù)增加，即“燃燒比”增加，可使?fàn)t渣堿度提高，硅的燒損率增加。

酸性沖天爐熔煉過程中，硅和錳燒損率分別約為10%～20%及15%～25%。堿性沖天爐熔煉時，硅增加到20%～30%，錳減少到低于10%～15%。

酸性沖天爐熔煉球墨鑄鐵時應(yīng)盡量減少鐵水增硫。增硫主要原因是焦炭中的硫轉(zhuǎn)入鐵水。沖天爐所用冶金焦炭含硫量一般約為0.6%～0.8%。焦炭中的硫約有90%在爐中與碳化合，形成CS2。CS2極易分解，在氧化性爐氛中轉(zhuǎn)化為SO2而進(jìn)入爐氣，SO2在預(yù)熱帶溫度下，即與爐料表面反應(yīng)產(chǎn)生滲硫?qū)印Ｑ趸^重的爐料滲硫量較多。可使?fàn)t氣中的硫轉(zhuǎn)入鐵水。其余的硫與鈣、鐵等化合成FeS、CaS或以CaSO4、FeSO4等硫酸鹽形式存在。FeS促使鐵水增硫。渣中的CaS與FeO生成FeS進(jìn)入鐵水也能增硫。爐氣中這兩種方式的增硫量約占總增硫量60%。

焦炭含硫量高、塊度小、加入量較多時，鐵水增硫量增加。爐渣堿度高，則脫硫能力強。球墨鑄鐵需要低硫原鐵水，在爐壁抗?fàn)t渣侵蝕能力范圍內(nèi)，爐渣堿度應(yīng)較高。

渣中FeO含量增加時，降低爐渣脫硫能力。提高爐溫有利于爐渣脫硫。在提高爐溫方面，不能單純依靠增加燃料量，采用預(yù)熱送風(fēng)是比較有效的措施，我國一些生產(chǎn)球墨鑄鐵的工廠使用熱風(fēng)、堿性水冷沖天爐取得很好的效果。

鐵水中的錳有脫硫能力。錳與FeS化合生成MnS。MnS進(jìn)入爐渣而使鐵水含硫量降低。也消耗了一部分錳。為脫硫而需加入的錳量可按下式計算：

ω（Mn）=1.73ω（S）+0.3

酸性沖天爐中內(nèi)，鐵水中的磷幾乎不會被氧化而脫除。在爐料熔化前后含磷量變化很少。堿性沖天爐熔煉可使鐵水中的磷量降低。但爐溫高對脫磷不利。

沖天爐熔煉時需要向爐內(nèi)大量鼓風(fēng)。鼓入空氣中所含氮與高溫鐵水接觸，會顯著提高鐵水的含氮量。爐溫高使溶入的氮量增多。制取高韌性鐵素體球墨鑄鐵需要注意這個問題。

除了爐料帶入的氮以外，還有一些情況能增加鐵水含氮量。

①以氮氣為載體向鐵水噴射脫硫劑。例如，高碳低硅鐵水以此種方法脫硫時，鐵水的含氮量由0.0070%～0.00995%增加到0.0188%～0.0164%。增氮量與鐵水溫度，處理時間和噴射壓力有關(guān)。

②用于造型和制芯的合成樹脂黏結(jié)劑（例如呋喃Ⅰ型樹脂、糠醇改性脲醛樹脂）氮含量很高，有的ω（N）>10%。如果鑄件清砂時未把表面殘砂清理干凈就作為回爐料使用，將會帶入氮。有些鑄件含有氮氣孔，也會使鐵水增氮。

③采用廢鋼和增碳劑生產(chǎn)球墨鑄鐵原鐵水時，需加入較多石油焦炭等增碳劑。這些物料含氮量都比較高，甚至可以達(dá)到0.6%，在高溫下這些氮極易溶入鐵水，增加鐵水中含氮量。

4.2.2　合金元素的燒損

合金元素在沖天爐熔化過程中的損耗率見表4-13。

①以釩鈦生鐵形式加入。

4.2.3　爐渣控制

沖天爐熔煉過程中，焦炭燃燒后產(chǎn)生的灰分、爐料表面沾附的泥砂和銹蝕物、爐襯被侵蝕后殘留的耐火雜質(zhì)，都會影響冶金過程。為使這些雜質(zhì)排出爐外，需要向爐內(nèi)加入熔劑，熔劑與上述雜質(zhì)形成具有一定流動性的爐渣，便于從爐內(nèi)排出。

爐渣另一重要作用是可以清除焦炭燃燒后表面灰燼，焦炭與鐵水接觸面增加，促進(jìn)鐵水增碳，又促進(jìn)焦炭燃燒。更重要的作用是控制和減少鐵水中元素的氧化減失，提高元素收得率。獲得含氧量低、化學(xué)成分準(zhǔn)確、質(zhì)量穩(wěn)定的鐵水。

組成熔劑的造渣材料主要是石灰石和石英石。石灰石（CaCO3）在爐內(nèi)高溫下分解為CaO+CO2。CO2隨爐氣排出，CaO成為爐渣的堿性組分。石英石（SiO2）是爐渣的酸性組分。爐渣以兩類組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）比值劃分為酸性渣和堿性渣。其組成物典型含量列于表4-14。

對沖天爐冶金過程有影響的爐渣主要技術(shù)指標(biāo)有：堿度、熔點與流動性、FeO含量。

堿度（A）是堿性化合物與酸性化合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比。SiO2、P2O5為酸性化合物，Al2O3為中性化合物，CaO、MgO、MnO、FeO為堿性化合物。堿度A通常以（CaO%+MgO%）/（SiO2%+Al2O3%）表示。CaO和SiO2是爐渣主要組分。為計算方便，堿度（A）也可簡化為CaO%/SiO2%比值。A<0.8為酸性爐渣，A=0.8～1.2為中性爐渣，A=1.2～1.5為弱堿性爐渣，A=1.8～2.55為中堿性爐渣，A≥2.5為強堿性爐渣。調(diào)整兩種化合物比值，可改變爐渣堿度。

堿度對爐渣性質(zhì)及爐內(nèi)的冶金反應(yīng)有影響。日常需要對爐渣進(jìn)行例行化驗。還可以觀察爐渣外觀大致判斷爐渣堿度。

爐渣堿度對鐵水質(zhì)量有顯著影響。爐渣堿度高，F(xiàn)eO含量低，脫硫能力增強。堿度高增加硅燒損。但錳的燒損減少。堿度較高、爐渣過稀、爐渣量過多都會加劇爐襯的侵蝕，縮短爐襯壽命。

爐渣中FeO含量高，爐渣氧化活性增強，鐵水中碳、硅、錳的氧化燒損增大，硫含量增加。一些合金元素也因FeO的氧化作用而遭損耗。

控制爐渣質(zhì)量通常需要化驗其中的FeO、CaO、SiO2。這些化合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可作為評定鐵水質(zhì)量的數(shù)據(jù)。但是在熔煉過程中，因化驗時間較長，來不及根據(jù)化驗結(jié)果調(diào)整爐渣，常需采用快速爐前檢驗方法來評定爐渣質(zhì)量。

黃綠色玻璃狀爐渣表示爐況正常，熔劑配比和加入量合適。

剛從放渣口排出的黑色熔渣為酸性渣，高溫狀態(tài)可拉成絲。

弱堿性渣凝固后呈玻璃狀，隨著堿度提高，逐漸顯示無光澤的黑色、黑褐色、暗灰色。顯示多孔外觀，剛出爐時拉不成絲。

堿性渣多呈黃色或灰白色，斷面多孔。

強堿性渣（堿度大于2.5）較輕，出爐后逐漸變?yōu)槿榘咨瑪嗝娑嗫祝鋮s后自動粉碎成粉末。當(dāng)堿度A>3.5冷卻后變?yōu)榛野咨姆蹱钗镔|(zhì)。

含硫較多的爐渣顯深咖啡色，呈疏松狀，隨后變黑并發(fā)泡。發(fā)現(xiàn)此種爐渣后，應(yīng)及時放出部分爐渣，以防止鐵水回硫。并重配渣料，造弱堿性爐渣。并適當(dāng)提高爐溫。

爐溫低、鐵水氧化嚴(yán)重時，爐渣為黑色玻璃狀，鐵水表面呈白亮色，不斷出現(xiàn)很厚氧化皮，流動性差，三角試片白口增加，含氣量試樣出現(xiàn)氣孔。硅、錳已經(jīng)大量氧化燒損，此時應(yīng)適當(dāng)增加層焦質(zhì)量，提高爐溫，還原FeO。

爐渣熔點定義為渣能自由流動的最低溫度。也顯示渣的黏稠度。中堿性爐渣正常的熔點約為1300～1350℃。此時爐渣容易和鐵水分離。為提高爐渣流動性，應(yīng)提高爐溫、適當(dāng)增加FeO含量、減少造渣材料中石灰石加入量（渣中堿性氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少）。但FeO含量增加，渣的氧化性增強，爐料中的元素的燒損量增加。另外堿度過高和過稀的爐渣都會加劇爐襯侵蝕，縮短爐襯壽命。

造渣材料隨層焦加入爐中，加入量通常是層焦質(zhì)量的25%～30%。