專利名稱:沖天爐高增碳強還原熔化鑄鐵工藝的制作方法
本發(fā)明屬于機械制造工程中鑄造生產(chǎn)的沖天爐熔化鑄鐵工藝。
在機械制造工程的鑄件產(chǎn)量中，灰鑄鐵件約為65％以上，而其灰鑄鐵件的70～95％是用沖天爐熔化生產(chǎn)的。以我國水平計，1985年全國灰鑄鐵件產(chǎn)量約為670萬噸。目前，沖天爐生產(chǎn)一般灰鑄鐵用金屬料配比通常是原生鐵30～60％、廢機鐵和回料鐵20～50％、廢鋼5～30％，外加少量硅鐵和錳鐵。因此大量廉價廢鋼在灰鑄鐵件生產(chǎn)中用量很少，至于鑄鐵屑的用量則更少，一部份需花費人力、物力、財力和能源回收回高爐或電爐重新熔煉，一部份則白白浪費掉，形成了機械制造業(yè)中的惡性循環(huán)。
目前，沖天爐不能大量使用廢鋼生產(chǎn)一般灰鑄鐵的原因是現(xiàn)有沖天爐熔煉工藝中無高增碳效能，限制了廢鋼用量。為解決這個問題，當前的作法有一種是改造爐型提高熔化帶位置，期望達到高增碳目的，實踐結(jié)果是加大焦炭消耗量，也不易得到含碳量較高的鐵水。一種是采用高溫鼓風(fēng)，將風(fēng)溫由常溫提高到500℃～700℃鼓入爐中，使爐內(nèi)發(fā)生較明顯的增碳，熔化一般灰鑄鐵時，配料中的廢鋼用量可達40～50％，但這套高溫加熱和熱交換裝置費用昂貴，對廣大的中小型沖天爐不適應(yīng)。
在沖天爐利用鑄鐵屑生產(chǎn)一般灰鑄鐵通常的作法是將鑄鐵屑加上適量的木屑或硅鐵粉、石墨粉，或加粘結(jié)劑，如水玻璃、水泥等，或不加任何材料，壓結(jié)成塊，加入爐內(nèi)熔化。上述幾種方法的配料中鑄鐵屑加入量一般只能在10％之內(nèi)。即便如此，熔化后的結(jié)果是爐內(nèi)發(fā)生較嚴重的氧化，熔渣中的氧化亞鐵含量高達7～8％，甚至10％以上，在惡化熔渣的同時，也使鐵水嚴重的污染惡化，澆注鑄件后，廢品率大增。目前，人們無法克服用鑄鐵屑后帶來的惡性結(jié)果，所以只有極少單位在配料中小心翼翼的加入7～8％的鑄鐵屑熔化灰鑄鐵，多數(shù)單位不使用鑄鐵屑。其因主要是現(xiàn)有沖天爐熔煉工藝中沒有強還原反應(yīng)來消除熔化中的氧化危害。
綜上所述，沖天爐熔化一般灰鑄鐵配料中，通常廢鋼為HT150在0～10％、HT200在10～20％、HT250在15～30％之間，鑄鐵屑幾乎沒人使用。
本發(fā)明的目的是要提供一種改進了的具有高增碳強還原的沖天爐熔化工藝。所提供的這種工藝，能在現(xiàn)有沖天爐基礎(chǔ)上，不增加設(shè)備和燃料消耗，制造一種高增碳強還原的冶金反應(yīng)，它不但能有效的大量使用廢鋼和鑄鐵屑熔化出合格的低牌號一般灰鑄鐵鐵水，而且能在灰鑄鐵常規(guī)熔化中還原爐渣，凈化鐵水，減少合金元素?zé)龘p，提高鐵水質(zhì)量和金屬收得率。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的根據(jù)在高溫作用下，固體碳在與鐵液、渣液接觸時，鐵液發(fā)生增碳，鐵液、渣液中的氧化物發(fā)生還原的高溫物理化學(xué)反應(yīng)原理。
增碳反應(yīng)還原反應(yīng)
具體措施是在現(xiàn)有沖天爐基礎(chǔ)上，其一是加深爐缸。從過橋孔底水平線向爐底方向加深。本措施的目的主要是增碳，其次是還原。其二是在前爐中加入碳素材料，如焦炭、炭棒、碳化硅等。本措施的目的是把前爐由單純存放鐵液、渣液的儲存器，變成具有強還原和一定增碳功能的二次冶金反應(yīng)爐，主要是還原，其次是增碳。當沖天爐用大量廢鋼或鑄鐵屑配料熔化一般灰鑄鐵鐵水時，使鐵液、渣液流經(jīng)爐缸的路程和時間變長，增加了底焦中的高溫固體碳與鐵液、渣液接觸的面積和時間，加強了碳向鐵水中滲透擴散的能力，使鐵液增碳和增加了碳還原鐵液、渣液氧化物的機會。特別是向下加深爐缸，進一步削弱了鐵液、渣液在爐缸中的氧化氣氛，增強了還原反應(yīng)，部份氧化物得到一定還原。當從爐缸出來的鐵液、渣液經(jīng)過橋流入前爐時，其鐵液、渣液又與大量熾熱的碳素材料相接觸，由于前爐缺氧和碳素材料的存在，前爐內(nèi)具有強烈的還原氣氛，此刻碳素材料中的碳在高溫作用下一方面與渣液、鐵液中的FeO、MnO、SiO2等氧化物發(fā)生還原反應(yīng)，使被氧化了的Fe、Mn、Si等元素多數(shù)還原回鐵水中；另一方面，碳素材料中的固體碳，繼續(xù)向鐵水中滲透擴散，完成了鐵液、渣液進到前爐中的二次還原增碳冶煉。從而實現(xiàn)了熔化過程中的高增碳強還原反應(yīng)，在沖天爐中成功的用40～70％的大量廢鋼，或40～100％的大量鑄鐵屑配料，熔化出一般灰鑄鐵鐵水。
本發(fā)明因為只需在原沖天爐內(nèi)將爐缸向下加深一定深度。向前爐中加入一種廉價碳素材料，所以工藝特別簡單。同時，由于發(fā)明的著眼點不在于改造爐體結(jié)構(gòu)、增加設(shè)備、提高風(fēng)溫和使用金屬材料質(zhì)量，所以它對現(xiàn)沖天爐爐體結(jié)構(gòu)、使用設(shè)備、風(fēng)溫、熔化操作及使用金屬材料的厚薄、大小、銹蝕程度等，沒有特殊要求，即是廢鋼、鑄鐵屑嚴重銹蝕也無妨。另外，由于前爐加入碳素材料，變鐵液、渣液儲存器為二次還原增碳冶金反應(yīng)爐。所以，即便不大量使用廢鋼或鑄鐵屑，按常規(guī)配料熔化各種灰鑄鐵，應(yīng)用本發(fā)明，也可降低渣液、鐵液中的氧化物及氣體含量，還原部份Fe、Mn、Si等元素回鐵水中，達到凈化鐵水，減少合金元素?zé)龘p，提高金屬收得率、鑄件質(zhì)量和合格率等優(yōu)點。
發(fā)明的具體工藝細節(jié)及實施要求，由以下實施例及其附圖給出。
圖1是根據(jù)本發(fā)明提出的高增碳強還原工藝的沖天爐剖面示意圖。
該沖天爐熔化一般灰鑄鐵原使用的金屬配料為原生鐵、機鐵和回爐鐵、廢鋼、錳鐵和硅鐵。其主要結(jié)構(gòu)由爐體〔1〕、爐膛〔2〕、風(fēng)口〔3〕、風(fēng)帶〔11〕、爐缸〔4〕、爐底〔10〕、過橋〔5〕和前爐〔8〕組成。
該沖天爐的主要原技術(shù)數(shù)據(jù)是1.熔化率2噸/時；2.鐵水溫度1400～1440℃；3.總鐵焦比8～9∶1；4.風(fēng)量；21～23標米3/分(計算)；5.風(fēng)口尺寸(直徑×個數(shù)×角度)一排(下排)_16×8×5°，二排_18×8×5°，三排(上排)_16×8×5°；6.層批料金屬重量 200公斤；7.底焦高度1.5米；8.爐缸深度H＝h1＝250mm，h2＝0；9.前爐狀態(tài)容積(直徑×高)_650×550mm，熔化時，未加任何物料。
發(fā)明實施例的通用工藝細節(jié)(用廢鋼或鑄鐵屑或常規(guī)熔化)如下爐缸〔4〕深度H和爐缸向下加深深度h2的具體尺寸和確定方法H和h2的具體深度，應(yīng)根據(jù)熔化鐵水要求和使用爐料狀態(tài)所需要增碳還原的程度來進行確定，一般H在350～600mm之間；h1在350～400之間；h2在5～200mm之間。其考考計算公式如下
H＝H0-h2＝h1+h2(當h2＝0時，H＝H0＝h1)；H0——爐缸當量深度(mm)；C鐵水——鐵液中的含碳量(％)；C爐——沖天爐增碳系數(shù)，取1.75～1.85％之間；C料——金屬料中的平均含碳量(％)；C缸——爐缸增碳系數(shù)；取0.02～0.04之間；C前爐——前爐加入碳素材料后的增碳系數(shù)，取0.05～0.1％之間；h1——過橋〔5〕孔底平面與下排風(fēng)口中心水平面距離(mm)；h2——爐底〔10〕內(nèi)底平面與過橋〔5〕孔底平面間的距離(mm)，一般取h2/h1的比值為1/7～1/9之間。
注當C料在1.6～2.8范圍內(nèi)上式有效。
前爐〔8〕中加入碳素材料量、計算方法和工藝要求前爐〔8〕中加入的碳素材料，可以是焦炭、炭棒、碳化硅等，含硫和雜質(zhì)量要低，其加入量視渣液中氧化亞鐵等氧化物和雜質(zhì)含量的多少，根據(jù)還原和增碳的程度、熔化量的大小等來確定。一般加入量，以其堆積體積計為前爐容積的2～100％之間，若加入量大于前爐容積時，可分兩批加入。參考計算公式如下G(公斤)＝j(luò)×Q鐵+KQ鐵——本爐次熔化金屬料的總重量；噸j——前爐碳素材料消耗系數(shù)(公斤/噸)，若加入的碳素材料是焦炭時，j值取2～4公斤焦/噸；K——燃料消耗系數(shù)，取5～15公斤。
其加入工藝要求是碳素材料在熔化前加入前爐中，塊度適宜，在2～150mm之間。加入后，或點燃或加熱到熾熱白亮程度。
本發(fā)明實施例的前爐中加入的碳素材料是焦碳，是低硫低灰分的北京冶金焦，塊度在60～80mm之間，在用木柴烘前爐時加入，點燃并蓋上前爐蓋，打開出鐵水口和出渣口，用小鼓風(fēng)機鼓風(fēng)，將焦炭全部燃亮。沖天爐正常熔化時，前爐中的焦炭靠自重使焦塊多數(shù)浮于鐵液之上，一部份與鐵液混合，一部份與渣液混合，如渣液加焦塊〔7〕，一部份浮于渣液之上，如浮焦〔6〕。
沖天爐熔化操作規(guī)程沖天爐熔化操作時，采用閉渣或半開渣式操作，減少前爐碳素材料消耗，造成前爐強還原氣氛。出鐵水時，始終保持前爐存有部份鐵水，讓鐵水在前爐中停留一定時間，在1～60分鐘之間，以使其充分發(fā)生反應(yīng)。其他操作規(guī)程同沖天爐常規(guī)熔化灰鑄鐵操作規(guī)程。
實施例之一——沖天爐用50％的廢鋼配料熔化HT200牌號灰鑄鐵鐵水生產(chǎn)(澆注)解放牌汽車剎車輪古實施細則1.爐型及技術(shù)參數(shù)爐型和結(jié)構(gòu)見圖1。技術(shù)數(shù)據(jù)和原沖天爐相同的是(1)至(7)各項，變化的是(8)、(9)兩項。
第(8)項爐缸深度H＝430mm，較原來爐缸加深180mm，其中從過橋〔5〕孔底平面向爐底〔10〕方向加深深度h2＝30mm。h1＝400mm。
第(9)項前爐〔8〕狀態(tài)加入北京冶金焦焦炭25公斤，其堆積體積約占前爐容積的
其塊度為60～80mm，加入方法同前述“加入碳素材料工藝要求”。
2.使用金屬配料。批料重200公斤，配比為廢鋼 回爐料和廢機鐵 原生鐵 錳鐵 硅鐵50％ 10％ 40％ 0.175％ 0.375％注用的廢鋼料為1～2mm厚銹蝕嚴重的廢鋼片。配料成份測定C Si Mn P S1.91％ 2.4％ 0.7％ 0.10％ 0.08％3.熔煉操作規(guī)程按前述“沖天爐熔化操作規(guī)程進行操作”。
4.出爐鐵水成份及機械性能測定鐵水成份測定 C Si Mn3.2～3.3％ 2.2～2.3％ 0.62～0.66％P S0.10％ 0.11％增碳效果65％～72％；金屬元素?zé)龘p率硅燒損率＜8％，錳燒損率＜12％，鐵燒損率＜0.5。
機械性能(_30試棒)測定:
抗拉強度(δb) 215.6N/mm2(22kgf/mm2)；
抗彎強度(δbb)421.4N/mm2(43kg f/mm2)；硬度HB180～200。
符合GB5675-85《灰鑄鐵分類技術(shù)標準》。
5.爐渣呈淡綠色，F(xiàn)eO含量＜3％。
6.澆注鑄件及加工結(jié)果。
出爐鐵水未加孕育，澆注鑄件為解放牌汽車剎車輪古，未發(fā)現(xiàn)白口白邊現(xiàn)象，未經(jīng)熱處理和時效處理，即進行加工，切削性能良好，鑄件內(nèi)無氣孔無氧化物夾渣等缺陷，加工出的鑄件表面較原工藝光亮。
結(jié)論按本發(fā)明工藝，用50％廢鋼配料熔化出的HT200號灰鑄鐵鐵水，經(jīng)測定各項理化指標均達到GB5675-85中HT200牌號規(guī)定標準，其中機械性能還超過標準要求。在熔化過程中，增碳效果達65～72％；合金元素?zé)龘p率較常規(guī)降低5～10％；金屬收得率＞98％；爐渣中氧化亞鐵含量＜3％；其爐內(nèi)增碳還原反應(yīng)良好。
實施例之二——沖天爐用50％的鑄鐵屑配料熔化HT200牌號灰鑄鐵鐵水生產(chǎn)解放牌汽車剎車輪古實施細則1.爐型及技術(shù)參數(shù)爐型見圖1，技術(shù)參數(shù)與原沖天爐技術(shù)數(shù)據(jù)一樣的是(1)至(7)項，變化的是(8)、(9)兩項。
第(8)項爐缸深度H＝360mm，爐缸較原爐加深110mm，其中從過橋〔5〕孔底平面向爐底〔10〕方向加深深度h2＝15mm；h1＝345mm。因為大量鑄鐵屑和其他配料中含碳量較高，故不需顯著加深爐缸。
第(9)項前爐〔8〕狀態(tài)是加入北京冶金焦焦炭25公斤，其堆積體積約占前爐容積的
其塊度為60～80mm。加入方法同前述“前爐〔8〕中加入碳素材料工藝要求”。
2.使用金屬配料批料重200公斤，配比為鑄鐵屑餅 廢機鐵和回爐鐵 廢鋼 原生鐵 錳 鐵 硅 鐵50％ 10％ 10％ 30％ 0.225％ 0.45％配料成份測定C Si Mn P S2.7％ 2.5％ 0.8％ 0.10％ 0.085％本發(fā)明在沖天爐熔化中使用的鑄鐵屑配料是制成_120×50mm(直徑×高度)的鑄鐵屑餅加入的。該屑餅由鑄鐵屑、石灰粉(或石灰膏)和水組成，配方為鑄鐵屑80～98％、石灰粉(或石灰膏)1～15％水0.1～5％之間，其最佳配方為鑄鐵屑94～96％，石灰粉(或石灰膏)3～4％，水1～1.5％。鑄鐵屑餅是制作一套模具在夾板錘上壓制的。壓制后，將屑餅存放數(shù)天，讓其自然銹蝕，進一步結(jié)塊；加入爐內(nèi)。
3.熔煉操作規(guī)程按前述“沖天爐熔化操作規(guī)程”要求進行操作。
4.出爐鐵水成份及機械性能測定鐵水成份測定； C Si Mn3.25～3.35％ 2.3～2.4％ 0.71％P S0.10％ 0.12％增碳效果20～24％；金屬元素?zé)龘p率硅燒損率＜8％，錳燒損率＜12％，鐵燒損率＜0.5％；機械性能(_30試棒)測定抗拉強度(δb)225.4N/mm2(23kg f/mm2)；
抗彎強度(δbb)431.2N/mm2(44kg f/mm2)；硬度(HB)180～200。
5.爐渣呈淡綠色，F(xiàn)eO含量＜3％。
6.澆注鑄件及加工結(jié)果出爐鐵水未加孕育，澆注解放牌汽車剎車輪古，沒有白口白邊和疏松現(xiàn)象，未經(jīng)處理即進行加工，切削性能良好，鑄件組織致密，無氣孔，無氧化物夾渣等缺陷，加工出的鑄件表面較前光亮。
結(jié)論按本發(fā)明工藝，用50％鑄鐵屑配料熔化出各項理化指標均達到GB5675-85標準中HT200牌號鑄鐵規(guī)定，其中機械性能還超過標準要求。在熔化中，前爐〔8)強還原反應(yīng)充分，功能顯著，合金元素?zé)龘p率較常規(guī)低5～10％，爐渣中氧化亞鐵＜3％，鑄鐵屑熔化后的金屬收得率＞98％，成功的克服了常規(guī)工藝用鑄鐵屑熔化后帶來的惡性結(jié)果。
本發(fā)明不需要改適原沖天爐爐體結(jié)構(gòu)，不需要增加設(shè)備和燃料消耗，具有工藝簡單，易于實施，見效快之特點，可廣泛用于鑄造生產(chǎn)中。它既能大大降低企業(yè)生產(chǎn)成本(每噸HT150或HT200鐵水配料成本比常規(guī)工藝降低成本60～80元，一般降低成本在20％左右)。又有顯著的社會效益，以我國1985年灰鑄鐵件產(chǎn)量約670萬噸計，若有50％的產(chǎn)量使用本發(fā)明，僅此可節(jié)約資金二億元。
權(quán)利要求
1.一種使用金屬配料為原生鐵、廢機鐵和回爐鐵、廢鋼、鑄鐵屑、錳鐵、硅鐵的具有爐體〔1〕、爐膛〔2〕、風(fēng)口〔3〕、風(fēng)帶〔11〕、爐缸〔4〕、爐底〔10〕、過橋〔5〕和前爐〔8〕的沖天爐高增碳強還原熔化鑄鐵工藝，其特征在于在熔化工藝中加深沖天爐爐缸〔4〕和在前爐〔8〕中加入碳素材料，在熔化灰鑄鐵時，金屬配料中使用一定量廢鋼或鑄鐵屑。熔化過程中，鐵液、渣液流經(jīng)爐缸〔4〕，爐缸中的高溫固體碳，向鐵液中滲透擴散，部份氧化物發(fā)生還原，鐵液、渣液由爐缸〔4〕經(jīng)過橋〔5〕流入前爐〔8〕中，渣液中含有大量碳素材料，在高溫作用下，碳素材料中的固體碳一方面迅速與鐵液、渣液中的FeO、MnO、SiO2等氧化物發(fā)生還原反應(yīng)，部份被氧化了的Fe、Mn、Si等元素還原回鐵水中，另一方面繼續(xù)向鐵水中滲透擴散。
2.如權(quán)力要求1中所述的沖天爐熔化鑄鐵工藝，其特征在于所說的前爐〔8〕，加入碳素材料由鐵液渣液儲存器變?yōu)槎芜€原增碳冶金反應(yīng)爐的前爐〔8〕，在熔化過程中，實行閉渣或半開渣式操作，出鐵水時，始終保持前爐〔8〕中存有一定量鐵水，讓鐵水在前爐〔8〕中停留一定時間，可在1～60分鐘之間。
3.如權(quán)力要求1所述的沖天爐熔化鑄鐵工藝，其特征在于所說的前爐〔8〕中加入的碳素材料，可以是焦炭、炭棒、碳化硅等，含硫和雜質(zhì)量低，塊度適宜，在2～150mm之間。一般加入量以其堆積體積計為前爐〔8〕容積的2～100％之間，若加入量大于前爐〔8〕容積時，可分兩批加入。熔化前加入后，或點燃或加熱到熾熱程度。
4.如權(quán)力要求1所述的沖天爐熔化鑄鐵工藝，其特征在于所說的爐缸〔4〕的加深，根據(jù)熔化鐵水和使用爐料狀態(tài)所需要的增碳還原程度來進行確定，一般H在350～600mm之間，加深100～350mm之間，是從h1和h2兩個方面加深來實現(xiàn)的。其中h2的加深，是從過橋〔5〕孔底水平面向爐底〔10〕方向加深的，加深深度在5～200mm之間。
專利摘要
一種沖天爐熔化鑄鐵工藝，其特點是在原沖天爐爐內(nèi)改變部位一定尺寸、添加一種物質(zhì)，造成爐內(nèi)高增碳強還原冶金反應(yīng)，達到增碳、還原爐渣、凈化鐵水的目的。本發(fā)明可在常規(guī)沖天爐中，不改造、不增加設(shè)備和燃料消耗，用廢鋼40～70％或鑄鐵屑40～100％的配料，熔化出優(yōu)質(zhì)一般灰鑄鐵鐵水，還能有效地消除鐵水中的氧化物和氣體，減少合金元素?zé)龘p，提高金屬收得率和鑄件質(zhì)量。
文檔編號C22C33/08GK86102674SQ86102674
公開日1987年2月11日 申請日期1986年4月17日
發(fā)明者隋學(xué)禮, 李澤春, 閻群山, 毛克洪, 魏希海 申請人:青島市第一鑄造廠導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan