沖天爐及其熔煉技術(shù)

前言

沖天爐是傳統(tǒng)的鑄鐵熔煉設(shè)備，它的雛形是我國宋代開始使用的豎爐，迄今已有1000年左右的歷史。我國從青銅器時(shí)代進(jìn)入鐵器時(shí)代，大約比西方早2000年。我所見到的俄國、英國和美國講述鑄造技術(shù)發(fā)展史的著作中都認(rèn)為西方的鑄鐵技術(shù)是在公元13世紀(jì)由元朝大軍中的中國隨軍工匠傳播到歐洲的，當(dāng)然，他們同時(shí)也帶去了熔鐵的豎爐。公元前513年，我國就已經(jīng)制造了大型的精細(xì)鑄鐵件（重270kg的刑鼎），那時(shí)西方國家還只能制造青銅鑄件，離制造鑄鐵件還遠(yuǎn)得很，這是世界各國都認(rèn)同的。早期的鑄鐵件，是由鐵礦石和木炭在煉鐵爐內(nèi)冶煉得到的鐵液制成的。公元10世紀(jì)前后，由煉鐵爐衍生了專供熔化鐵塊的豎爐，這是我國鑄造工匠為人類文明作出的重要貢獻(xiàn)，是鐵器時(shí)代技術(shù)發(fā)展的重要里程碑。從文獻(xiàn)記載來看，宋代已經(jīng)使用因移動(dòng)方便而稱為“行爐”的小型熔鐵用豎爐。由豎爐發(fā)展成為現(xiàn)在的沖天爐，最早的工作是在法國、由R.H.Ferchault de Reamur完成的。也有人認(rèn)為Johr Wilkinson于1794年6月獲得英國專利的沖天爐才是歐洲最早的沖天爐。此后，在沖天爐的改進(jìn)和發(fā)展方面，英國鑄鐵研究學(xué)會(huì)（BCIRA）進(jìn)行了長(zhǎng)期的工作，他們的貢獻(xiàn)是不可磨滅的，兩排大排距風(fēng)口送風(fēng)就是由他們提出并不斷完善的。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，鑄鐵的熔煉設(shè)備開始逐步向多元化的方向發(fā)展，不再是沖天爐一統(tǒng)天下的局面，電弧爐、熔溝式感應(yīng)電爐、坩堝式感應(yīng)電爐、FAR爐、純氧回轉(zhuǎn)爐等已先后用于鑄鐵的熔煉。特別要提到的是：從20世紀(jì)60年代后期開始，中頻感應(yīng)電爐有了重大的改進(jìn)，晶閘管靜態(tài)變頻電源和逆變變頻電源的相繼問世，坩堝式感應(yīng)電爐的熱效率可達(dá)到70％，其在生產(chǎn)安排方面的靈活性也是沖天爐難以企及的。加以近年來我國在節(jié)能、減排方面的要求日益嚴(yán)格，目前看來，小型沖天爐已經(jīng)受到了感應(yīng)電爐的挑戰(zhàn)。在這種情況下，沖天爐也在不斷吸收新技術(shù)而與時(shí)俱進(jìn)，通過現(xiàn)代化、大型化、長(zhǎng)爐齡化和燃料的多樣化，并在廢氣和煙塵的治理方面不斷創(chuàng)新，從而能充分發(fā)揮其生產(chǎn)成本低、冶金質(zhì)量高的優(yōu)勢(shì)。正是因?yàn)椴粩嗟母倪M(jìn)和發(fā)展，沖天爐這一古老的傳統(tǒng)熔煉設(shè)備才能經(jīng)久而不衰。近年來，沖天爐在結(jié)構(gòu)及相關(guān)的熔煉技術(shù)方面的發(fā)展，主要在以下幾個(gè)方面：爐型結(jié)構(gòu)方面：兩排大排距風(fēng)口送風(fēng)、水冷沖天爐、免焦沖天爐、爐氣中顯熱和潛熱的再利用系統(tǒng)等。送風(fēng)方面：加氧送風(fēng)、脫濕送風(fēng)、自風(fēng)口吹人焦炭末之類的輔助燃料等。作業(yè)控制方面：風(fēng)量及風(fēng)壓控制、爐氣成分控制、鐵液溫度和成分控制、動(dòng)態(tài)熱分析控制、熔煉過程的計(jì)算機(jī)控制等。鐵液的處理方面：雙聯(lián)熔煉、孕育處理、脫硫處理、球化處理、蠕化處理等。節(jié)能減排方面：尾氣的無害化、除塵系統(tǒng)的改進(jìn)、生物炭塊的應(yīng)用、爐渣的處理。

內(nèi)容概要

本書面向廣大鑄造廠的管理者、沖天爐工程師、采購經(jīng)理與爐工，在總結(jié)繼承沖天爐傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，緊密圍繞環(huán)保、節(jié)能、降低熔化成本、提高鐵液質(zhì)量等課題，介紹了現(xiàn)代沖天爐的結(jié)構(gòu)、操作技術(shù)、配套設(shè)備、爐輔料、鑄鐵熔煉等實(shí)用技術(shù)和新技術(shù)。    本書分5篇18章，第1篇3章為沖天爐熔煉基礎(chǔ)，第2篇5章為現(xiàn)代沖天爐及操作，第3篇5章為沖天爐配套設(shè)備與爐輔料，第4篇2章為環(huán)保、節(jié)能與安全生產(chǎn)，第5篇3章為鑄鐵熔制概要。    本書不僅介紹了沖天爐的結(jié)構(gòu)，而且重點(diǎn)介紹了沖天爐操作的新技術(shù)與技巧，包括兩排大排距普通爐襯沖天爐、水冷沖天爐、爐頂熱風(fēng)沖天爐、爐外熱風(fēng)水冷沖天爐、天然氣沖天爐等。同時(shí)介紹了沖天爐除塵系統(tǒng)、沖天爐節(jié)能、鐵液成本控制等，全面反映了30年來我國沖天爐方面的技術(shù)進(jìn)步，對(duì)廣大鑄造廠的管理者、采購經(jīng)理、沖天爐工程師、爐工均有重要參考價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介

張明，男，生于1958年，陜西華縣人，工學(xué)學(xué)士，高級(jí)工程師，沖天爐技術(shù)專家。15年來長(zhǎng)期致力于沖天爐技術(shù)的研究與工程項(xiàng)目施工，迄今公開發(fā)表沖天爐項(xiàng)目研究報(bào)告、論文約50篇。

書籍目錄

序前言緒論第1篇 沖天爐熔煉基礎(chǔ)  第1章 概論    1.1 沖天爐及其選用      1.1.1 沖天爐的組成      1.1.2 類型及其適用性      1.1.3 沖天爐選用原則    1.2 沖天爐熔煉過程及其要求      1.2.1 熔煉作業(yè)過程      1.2.2 熔煉作業(yè)的基本要求      1.2.3 熔煉工序操作要點(diǎn)    1.3 沖天爐術(shù)語與熔煉指標(biāo)  第2章 基礎(chǔ)理論  第3章 熔煉控制與檢測(cè)第2篇 現(xiàn)代沖天爐及操作  第4章 兩排大排距普通沖天爐  第5章 水冷長(zhǎng)爐齡沖天爐  第6章 熱風(fēng)及爐頂熱風(fēng)沖天爐  第7章 爐外熱風(fēng)水冷沖天爐  第8章 天然氣沖天爐  第3篇 配套設(shè)備與爐輔料  第9章 供風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備  第10章 加配料及沖天爐自動(dòng)化  第11章 澆包與回轉(zhuǎn)前爐  第12章 焦炭、金屬爐料與輔料  第13章 耐火材料  第4篇 除塵、成本、節(jié)能與安全生產(chǎn)  第14章 沖天爐的爐氣除塵  第15章 成本、節(jié)能與安全生產(chǎn)  第5篇 鑄鐵熔制概要  第16章 鑄鐵化學(xué)成分  第17章 鑄鐵的熔煉  第18章 鐵液的爐前處理  附錄  參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：2 沖天爐的優(yōu)越性與局限性據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年世界鑄件總產(chǎn)量為9492萬t，我國約占世界鑄件總產(chǎn)量的1／3，總產(chǎn)量為3127萬噸，相當(dāng)于美國、俄羅斯、印度、日本產(chǎn)量的總和。其中灰鑄鐵占49.4％，球墨鑄鐵占24.6％，可鍛鑄鐵占1.8％，鑄鋼、有色金屬鑄件占24.2％。鑄鐵迄今仍然是僅次于鋼材應(yīng)用最廣泛的金屬材料，沖天爐仍然是鑄鐵熔煉的主要設(shè)備。目前越來越多的鑄鐵廠由于環(huán)境保護(hù)的原因，在工廠建設(shè)中選用了感應(yīng)電爐，我國沖天爐面臨著嚴(yán)峻的形勢(shì)，因此有必要重新認(rèn)識(shí)沖天爐。相對(duì)于電爐熔煉，沖天爐有下列的優(yōu)越性與局限性：（1）沖天爐以焦炭為燃料，爐氣產(chǎn)量大，爐渣量大，容易污染環(huán)境，污染治理費(fèi)用高于電爐。但沖天爐的熔化能力強(qiáng)，熔化熱效率高，中頻感應(yīng)電爐對(duì)鐵液的過熱效率高，沖天爐與中頻爐雙聯(lián)熔煉相輔相成，是最節(jié)能的熔煉方式。（2）沖天爐熔化成本低，但是金屬液易受焦炭污染（例如增硫），鐵液成分、鐵液溫度波動(dòng)大于電爐。（3）沖天爐內(nèi)存在冶金反應(yīng)，適用的爐料范圍廣。（4）沖天爐可以單班制、雙班制或長(zhǎng)期連續(xù)生產(chǎn)，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化流水作業(yè)，便于生產(chǎn)組織管理。（5）沖天爐應(yīng)用歷史長(zhǎng)，使用范圍廣，熔化工藝與配套設(shè)備技術(shù)成熟。（6）沖天爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，配套設(shè)備少，建造費(fèi)用低，建設(shè)周期短，設(shè)備故障少且易維修，容易在大范圍內(nèi)應(yīng)用。（7）沖天爐的熔化率范圍很大，熔化率可以達(dá)到百噸以上，而百噸以上的感應(yīng)電爐制作難度則很大。3沖天爐熔煉的基本要求提高鐵液質(zhì)量，節(jié)約能源，降低沖天爐對(duì)環(huán)境的污染，降低鐵液熔化成本等是沖天爐及其熔煉技術(shù)的基本問題與要求。（1）提高鐵液質(zhì)量鐵液質(zhì)量包含溫度、成分、鐵液中的雜質(zhì)、氣體含量、氧化程度等。提高沖天爐鐵液質(zhì)量的根本途徑為精選金屬爐料，提高焦炭的質(zhì)量，嚴(yán)格操作和管理。鐵液溫度高，不僅鐵液的流動(dòng)性好，而且其中的雜質(zhì)少，氣體含量低，氧化程度低。溫度反映了鐵液的綜合質(zhì)量，屬鐵液質(zhì)量的最重要指標(biāo)。沖天爐鐵液出爐溫度：高級(jí)優(yōu)質(zhì)鑄件應(yīng)在1500～1550℃之間；普通鑄件應(yīng)不低于1450℃。用沖天爐與電爐雙聯(lián)熔化生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄件，不可忽視沖天爐的冶金作用，降低沖天爐鐵液的出爐溫度。沖天爐鐵液的化學(xué)成分應(yīng)該符合鑄件要求，同時(shí)應(yīng)成分穩(wěn)定，波動(dòng)小，碳、硅、錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)波動(dòng)范圍應(yīng)小于±0.10％，硫、磷波動(dòng)應(yīng)小于±0.02％。元素?zé)龘p率間接反映鐵液的純凈度或氧化程度，要求硅燒損小于10％～20％，錳燒損小于15％～25％。爐渣中的氧化亞鐵含量反映鐵液的氧化程度，爐渣中。FeO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般要求小于1.5％～5％。鐵液中的氧、氫、氮等氣體降低鑄鐵的力學(xué)性能，容易造成鑄造缺陷，同時(shí)對(duì)石墨化和熱處理也有一定影響。一般情況下，鐵液中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)小于0.0002％，氮應(yīng)小于0.002％～0.008％，氧應(yīng)小于0.007％。（2）降低鐵液成本鐵液成本包括熔化設(shè)備折舊費(fèi)用、金屬爐料成本、燃料及動(dòng)力費(fèi)用、爐襯費(fèi)用、污染治理與排放費(fèi)用、人工費(fèi)用、管理費(fèi)用等。

圖書封面

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