维普资讯 http://www.cqvip.com 焦炭性能对冲天炉铁液质量的影响 齐齐哈尔重型铸造有限责任公司 （黑龙江１６１００１） 惠玉刚柴树繁 我公司有两台５ｔ／ｈ两排大间距冷风酸性冲天炉，每 月熔化铁液１５００ ｔ左右，在生产中由于焦炭供应厂家不 固定，铁液质量一直不稳定，严重影响了铸件质量，为 此我们对焦炭质量进行了研究。过去对焦炭的认识基本 是固定碳、灰分、硫分和挥发分等，认为这些因素对冲 天熔炼有很大影响，但在实际生产中，焦炭的块度、强 度、气孔率、密度、反应性、热强度和着火点等物理性 质对铁液质量影响也非常大。 铸铁在冲天炉内的熔炼过程，实际上是金属料的重 熔过程，这一过程所需的大量热能和高温靠焦炭燃烧提 供。因此，焦炭质量的优劣将对冲天炉的铁液质量起决 定作用。但是，对于焦炭的各项性能指标（如块度、强 度、灰粉、水分、硫分、挥发分、反应性和气孔率等） 对铁液质量的影响，在国内所做的研究还不多。下面结 合近年来国内外有关这方面的理论研究和生产实践作一 简要介绍。 １．焦炭块度对铁液质量的影响 我公司购进的焦炭由于供应厂家不固定，使块度大 小不一样，对铁液温度影响很大。块度过大或过小，熔 化的铁液温度都很低，且熔化速度非常慢，有时５ｔ冲天 炉每小时熔化４ｔ左右铁液，且浇注的铸件有气孔、缩松 等铸造缺陷，为此我们对焦炭块度进行了试验研究。 （１）焦炭块度的大小与冲天炉内径大小的关系。公 司的５ｔ／ｈ两排大间距冷风酸性冲天炉炉膛是直筒形，直 径为８７０—９００ｍｍ，试验中所用焦炭块度分为７０—９０ｍｍ、 ８０—１００ｍｍ、９０—１１０ｍｍ、１００—１２０ｍｍ等４个级别，每 个块度级别进行５炉次生产试验，结果见下表。 从表中统计结果可以看出，８０—１００ｍｍ组的焦炭效 果最好。焦炭块度过小，会直接影响焦炭的燃烧，使氧 化带过分缩短，扩大了还原区，且焦炭块度越小，单位 重量焦炭的表面积越大，燃烧效率越低，ＣＯ，与ｃ之间 的气化反应加剧，导致废气潜热损失增加。另外，过小 铁液出炉测温 ５炉次铁液温度／℃ 焦炭块度／ｍｍ １ ２ ３ ４ ５ ７０—９０ １４５６ １４５３ １４４９ １４６１ １４５５ ８０—１ＯＯ １４６５ １４７９ １４７１ １４６６ １４８１ ９０一ｌｌＯ １４６１ １４５３ １４６２ １４５７ １４７０ １ＯＯ一１２Ｏ １４４８ １４５２ １４５５ １４６７ １４６３ 的焦炭还会增加送风阻力，使风不易吹到炉子中心，造 成中心燃烧恶化，增加焦耗，降低铁液温度；反之，焦 炭块度大，则其表面积小，可抑制ＣＯ２的还原反应，同 时使燃烧比增大。因此，在正常情况下，随着焦炭块度 的增大，铁液温度呈上升趋势。但是，过大的焦炭块度 将使燃烧不集中，炉气上升缓慢，风口附近冷区加大， 反而造成铁液温度下降。 （２）焦炭块度的大小除了受焦炉炉型、煤种和炼焦 工艺等先天条件影响外，尚有人为的外界条件的影响， 如焦炭从生产厂到用户存在多次倒运、不合理的装卸 等，都会使块度原本就不大的焦炭变成大量的碎块焦 末，从而降低焦炭的投炉利用率，并影响铁液质量。 （３）日本曾对焦炭的形状进行过研究，认为近似球 状的精料焦炭比细长有棱角的柱状焦炭在炉内容易下 降，透气阻力小，炉况稳定。用球状粗粒焦投炉，比用 有棱角的柱状焦熔化率提高１５％，铸件废品率也有所下 降。英国的Ｒ．Ｃａｉｒｓ将块度大小不同的焦炭用于冲天炉 熔炼进行研究，结论是焦炭块度每减少１０ｍｍ，铁液温 度下降４℃。湖南省机械研究所和沈阳铸造研究所也分 别做了不同焦炭块度试验，结论是最佳焦炭块度为：中 小型炉子为其平均内径的１／１０—１／６，大型炉为其平均 内径的１／１２—１／１０。 ２．焦炭强度对铁液质量的影响 焦炭强度的好坏对铁液质量影响非常大，在我国能 检测焦炭强度的厂家很少。我公司曾使用过一批经筛选 缸板ｌ 工 笙笪丝塑目 ｗｗⅣ．ｍａｃｈｉｎｉｓｔ．ｃ０ｍ．ｃｎ 维普资讯 http://www.cqvip.com 嘲， Ｌ— 后块度均在８０～ｌＯＯｍｍ的焦炭，灰分为ｌ１．５％，但出 炉温度在１３９０～１４００￣左右，５ｔ冲天炉每小时熔化４ｔ 左右铁液，经过分析，发现是焦炭强度不好所致。生产 中改用山西焦炭后，由于焦炭强度比较好，没有发生这 种现象。 强度高的焦炭具有下列优点： （１）可减少焦炭在运输过程中的破损，提高焦炭利 用率。 （２）减少投炉和在冲天炉内的破碎，保持焦炭的块 度和均匀度。 （３）有利于底焦燃烧，保持炉况稳定。 （４）可提高铁液温度和冲天炉的热效率。 ３．焦炭灰分对铁液质量的影响 焦炭的发热量与灰分的直接关系可用下式表示： Ｑ＝８０００（１一Ａ） 式中ｐ——焦炭发热量，ｋｃａＶｋｇ（１ｋｃａｌ＝４．１８６８× １０３Ｊ）； Ａ——焦炭中灰分含量，（％）。 灰分不仅降低了焦炭的固定碳含量，降低了焦炭的 发热量，而且熔化灰分还要消耗一部分热量。此外，灰 分还影响风口前 的燃烧（需增大熔剂量和送风速度） 及铁液与焦炭间的热交换和冶金反应。 国外的试验表明，焦炭灰分每增１％，在双排进风 操作【ｆｌ，铁液温度降低５℃，而在单排进风操作中会下 降７℃。国内在铸造焦试验中得出的结论是：灰分每减 少ｌ％，铁液温度约提高１０℃。我们也对不同灰分的焦 炭进行测试，焦炭都是山西铸造焦，经筛选块度为８０～ １００ｍｒ￣ｌ，灰分为１１．３％和１３．７％两种情况下，铁液平 均温度分别为１４７５℃和１４５３ ｏＣ。 实际生产中，最令人头疼的是焦炭灰分的不稳 定，冈为这将使铁液温度和增碳出现不可控制的波动， 从而导致铸件产生缺陷。 ４．水分、硫分和挥发分对铁液质量的影响 （１）近年来国内的试验和生产实践表明，水分对冲 灭炉熔炼有双重影响，水分过高或过低均对冲天炉不 利。但含水量多少合适，至今未有统一数字。前苏联有 人主张，焦炭水分以７％为宜，而日本人则认为５％的 焦炭水分最合适，我国铸造工作者希望焦炭水分＜４％。 实际上，在焦炭所有的性能指标中，水分最难控 目 ｚ 笠 塑 枢槭ｌ 工 ｗｗｗ．ｍａｃｈｉｎｉｓｔ． ．∞ 制。为计价方便，焦炭生产厂仅控制焦炭水分上限以便 出厂，但焦炭从生产厂到用户的过程中，水分变化很 大。因此，要严格控制投炉焦炭的水分含量，对大多数 铸造厂而言比较困难。过多的水分在炉内蒸发，不仅吸 收大量的热，而且还会增加铁液的含气量及氧化强度， 大大恶化了熔炼过程，降低铁液质量。 （２）硫是铸件中的有害元素，必须严格控制。铸件 中的硫，除了由各种金属炉料本身带入外，焦炭中约有 ３５％的硫将转入到铁液中，其关系式如下： Ｓ铁液＝０．７５Ｓ炉料＋ 焦炭 其中，ｓ铁液、ｓ炉料、Ｓ焦炭分别为铁液、金属炉料 和焦炭中的含硫量； 为吸收系数，取０．３５； 为焦炭 用量（％）。因此，铸造行业希望焦炭中的硫分越低越 好。 （３）焦炭中的挥发分主要是炭化过程中残留的挥发 性物质。焦炭中挥发分含量与固定碳含量成反比，挥发 分是焦炭成熟度的一个指标。焦炭挥发分含量高，表示 焦炭不熟，强度低，块度小。另外，挥发分中主要是Ｈ２ 和ｃｒｌ４，着火温度为５００～７００￣Ｃ，大多在冲天炉装料口 附近燃烧，对预热炉料无益，且恶化操作条件。还有随 着挥发分的析出，焦炭气孑Ｌ率增大，反应表面及反应能 力也随之加大，对熔炼过程带来不利影响。因此，作为 铸造用焦，对于挥发分应加以限制，一些工业发达国家 的铸造焦要求挥发分＜１％，我国的国家标准规定挥发 分＜１．５％。 ５．反应性和气孔率对铁液熔炼的影响 （１）焦炭的反应性是指在高温下，焦炭中的碳与二 氧化碳的气化反应能 ，即 ＣＯ２＋Ｃ＝２Ｃ０ 上述反应为口及热反应并消耗大量焦炭，因此冲天炉 炉气中排出的ＣＯ越高，焦炭的潜热损失越大。 当冲天炉使用小块焦时，由于单位重量焦炭的表面 积增火，ＣＯ，和ｃ之间的气化反应加剧，导致废气的潜 热损失增加。另外，随着焦炭灰分中碱含量的增加，气 化反应呈直线上升。 为研究焦炭反应性对冲天炉熔炼的影响，各国铸造 工作者近年来作了大量的试验研究工作，由于试验结果 不同，意见也不 一致。 （下转第５８页） 维普资讯 http://www.cqvip.com 叠 爱董 霸一黧｛ 鬃 用我公司混制好的造型用粘土砂进行配制，在型砂中加 方案四：用合脂砂制芯，砂芯整体打制。由于蜡线 入适量膨润土，人工混制。砂芯分两半打制，用铁丝作 为芯骨放入一半芯盒中，另一半边放入一根 ２．５ｒａｍ通 采购较困难，自己制作又比较麻烦，且合脂砂烘干温度 只有２２０％左右，有时石蜡挥发不充分，砂芯发气量大 还会有气泡类铸造缺陷出现。此外，我们又试验了用石 棉线代替蜡线，结果也比较理想。 考虑到该件材质为ＨＴ２００，我们通过适当控制铸型 的紧实度，在直浇道两侧设置两道阻流片，取消了冒口 （工艺如图３所示），最终铸件并未出现明显缩孔和渣孔 气针，将两半砂芯盒合在一起，木锤轻击使两半砂芯粘 合，抽出通气针，将砂芯脱出，并放在砂胎上进烘干炉 进行烘干。下芯时带铁丝的砂芯一边放在下箱，以充分 利用铁丝的加强作用。由于粘土砂易吸水回潮，此工艺 虽减少了气泡废品率，但由于砂芯强度差，又出现了漂 芯废品，铸件的综合废品率仍达到３０％以上，且清砂比 较麻烦，生产效率较低，但已可以满足生产要求。 类铸造缺陷，使铸件的工艺出品率由原来的６１．５％提高 到８６％，取得了明显的经济效益。 方案二：用合脂砂制芯，并分两半分别打制，在分 芯面开出通气槽，烘干后将两半砂芯用粘合剂粘合。对 粘合后的砂芯分芯面边进行抹缝，防止产生披缝使清理 困难，并防止铁液钻入产生呛火。该方案基本解决了气 泡类铸造缺陷，铸件废品率控制在５％以内。该方案砂 芯分两半制作，要求烘板很平，砂芯厚度很薄，常产生 变形裂纹，砂芯的损坏率很高。另外，砂芯需要粘合、 图３扇形板支座改进后工艺 抹缝和二次烘干，生产效率较低。 方案三：用合脂砂制芯，砂芯先分半后整体打制， 即先用一根蜡线放入一半边芯盒中，然后将两砂芯盒合 在一起，木锤轻击使两半砂芯粘合，将砂芯脱出，放在 砂胎上进烘干炉进行烘干（烘干中石蜡挥发形成通气 道）。该方案也基本解决了气泡类铸造缺陷，铸件废品 率控制住５％以内。 ３．结语 我们通过多次对比试验，认为对于有夹皮芯类铸件 主要是减少砂芯的发气量，同时通过设置通畅的通气 道，将砂芯中的气体顺畅排出。在制定消除铸造缺陷的 措施时一定要考虑各方面的影响因素，并要兼顾综合效 益。 ．（２００７０８１０） （上接第５６页） 美同铸造工作者协会曾进行过多次熔炼试验，以定 量考察焦炭的反应性对冲天炉熔炼效能的影响。试验表 明，焦炭反应能力低时，焦炭燃烧所产生的热量较多， 但多出的热量仪影响炉气温度；不管反应性高低，对铁 液温度和熔化率均无明显影响。 我国也进行过类似的试验研究工作，比较一致的观 点是：焦炭反应性的高低，对炉温和炉内气体中ＣＯ含 焦炭气孔率对铁液温度有着明显的影响，铁液温度 随着气孔率的增大而降低。 由于焦炭是多孔体，二氧化炭和焦炭的气化反应可 在焦炭表面或内部进行，因此气孔率对冲天炉熔炼的影 响作用与气孔组织的密度、气孑Ｌ的大小、形状、分布及 孔壁的厚薄有关。日本铸造用焦的气孔率为２５％～ ４０％，欧美国家为４５％～５２％，在我国的铸造焦国家标 准中，气孔率＜４５％。 量有很大的影响。当焦炭反应性低时，炉内温度高，日． 第二排风口上方的炉气中ＣＯ含量也较低。华中科技大 学用不同反应性的焦炭所作的熔炼对比试验表明，低反 ６．结语 在实际生产中，提高焦炭性能对冲天炉熔炼铁液的 质量具有十分重要的意义。我公司经过两年多对焦炭的 块度、强度、灰分、水分和硫分等进行严格控制，铁液 出炉温度稳定控制在１４６０￣Ｃ左右，铸件气孑Ｌ、缩松等铸 造缺陷明显降低，提高了产品质量。 （２００７０７２３） 应性的焦炭对提高铁液温度是有利的。 （２）焦炭气孔率是指焦炭气孑Ｌ所占的体积与焦块体 积之比，可借测得的假密度与真密度的值来求得，即 气孔率＝（１一假密度／真密度）×１００％ 目 ｚ堡箜 塑 ｗ ．ｍａｃｈｉｎｉｓｔ．ｃｏｍ． 札撼 热加工
