熔炼过程是怎么样的你知道吗？

铁屑回收在生铁价格越来越高的今天。怎么合理的利用铁屑是每个铸造厂考虑的课题。

1铁屑的特性

1.1铁屑的微观形态

观察铸件的机加工过程，可以看出，铁屑是在剪力与压力下，从铸件本体上剥离、压碎、成卷、断裂而形成的。在10倍放大镜下，铁屑好象一把铁刷子，而每“一根”铁刷“毛”上，又像鸡毛开花一样，伴生附着许多小片。这些小片小毛，近根部的细而密，在端部的粗而疏，还有的像石墨片一样，游离在刷毛之间。

1.2铁屑的表面积

在10倍放大镜下，游离的碎片目测体积大约有3.5mm×3.5mm×0.5mm大小，缩小10倍，当是0.35mm×0.5mm×0.05mm。以此为根据计算：

(1)每片表面积S=2×0.352+4×0.35×0.05=0.315(mm2)

(2)每片体积y=0.352×0.05=6.125×10-3(mm3)

(3)每片重量W=rV=7.1×6.125×10-3=0.04348(mg)

1kg铁有W的n数量：lkg=106mg

n=106／W=106／0．04348=23×100个

(4)1kg铁屑的表面积：

∑nS=nS=23×106×0.315=7.245×106=7.245(mm2)

(5)面包铁到铁屑表面积放大倍数：

面包铁y：200×100×50=l(em3)

S=200×100×2+600×50=7×104(mm2)

W=rV=7.1kg

7.1kg铁屑的表面积=7.1nS=51．4×106(mm2)

15．14×106

倍数K==7357×104

1.3铁屑的密度

铁锭密度7．1g／cm3

铁屑的堆密度3．02g／cm3

每1m3铁屑，空气空间占(7．1-3．02)／7．1=57％。这57％的空间，一部分是铁屑块之间的插空，从实践中我们了解，铁屑块的插空是很小的。这些空间，实际上，大部分是放大镜观察的刷毛之间的空间，尤其是片状之间的空间。

大致可以认为，铁屑的微观空间是：每片铁屑0．35mm×0．35mm×0．05mm；两片这样的铁屑之间，其空间也是0.35mm×0.35mm×0.05mm(≤57％)。

2冲天炉中回用铁屑

2.1配料单与化验单(见表1，2，3)

表1HT200配料单

编号铸铁名生铁回炉料铁屑块废铁70Si—Fe60Mn-Fe

1无铁屑18580O353.52.7

2有铁屑18550353543

表2炉子的烧损经验数与配料单计算结果

元素SiMnC

炉子烧损(％)-20-25+12

配料成分(％)2.060.953.0

表3化验结果：两种编号铸铁的化学成分(％)

编号铸铁名CSiMnSP

1无铁屑3.621.670.710.080.09

2有铁屑3.391.610.60.0870.01

2．2铁液的氧化

2．2．1加铁屑铁液氧化的宏观表现

铁液发白耀眼，流动性不好，也容易粘包；渣多而又不集中漂浮；浇注后直浇道铁液不稳定，有时反而上涨；炉渣由浅变深，有时甚至发黑；开渣操作时，火星多。

2．2．2在冲天炉不同高度的氧化机理

(1)预热带：只要有一定CO：浓度即发生氧化。这种氧化正常也有发生，但由于铁屑表面积大，氧化的速度要比正常时大数百倍：

Fe+CO2=FeO+CO-Q

(2)到了氧化带，C02浓度提高，并有了自由02,氧化反应趋于剧烈：

2Fe+02=2FeO+Q

(3)到了熔化带，自由O2多，风压高，温度高，灼热的铁屑表面，短时间内五大元素同时与O2接触，引起剧烈的燃烧。举上海某厂为例，铁屑专用炉上的元素烧损统计见表4。

表4上海某厂铁屑专用炉上的元素烧损统计

元素SiMnFe

带锈铁屑饼(％)-37.3-44.3-6.3

新铁屑饼(％)-30.9-43.2-5．I

2．2．3温度、自由能与氧化物稳定性的关系

铁屑回收根据冶金反应原理，利用氧化反应自由能变化与温度的关系曲线(如图2)。可以查到，在铁液温度区段(1250℃-1550℃)，氧化物稳定性的排列次序是：

圈2氧化反应自由能变化与温度的关系

S02

其中C02与MnO、SiO2在这一区段，直线是交叉的，交叉点的温度分别约为1360℃与1485℃。

可以看出，若不对铁液进行认真的处理，铁屑燃烧形成的高温稳定氧化物，将严重危害铁液的质量。

2．3铁液氧化引起的质量问题

2．3．1元素烧损

利用上述配料单与化验单，计算元素的烧损情况：

(1)Si的烧损

每批料300kg(加铁屑的是305kg)Si的平衡式：(批料+炉后加入)×(1一烧损)=化验结果

Q×(1-X)=K

K1.61%×300

K=1-=1-—=27.2%

Q2.06%×305+0.5×0.7

注：①公式中2.06×305是表2编号2的配料；

②K=1．61％×300是指35kg铁屑换30kg铁液，因此料加305kg得铁液300kg：

③0.5×0.7是比原配料单多加的4-3.5=O.5kg70SiFe

(2)Mn的烧损(注释同Si)

K0.6%×300

X=1-=1-=41．5％

Q0.95%×305+0.3×0.6

(3)C的烧损

K3.39%×300

X=1-=1=11．1％

Q3%×305

本冲天炉常规增C12％，实际增C11．1％，多烧损O．9％。

(4)Fe的烧损

炉渣中Fe含量9.8％，Fe原子量56，O原子量16，合FeO=9.8％×(56+16)／56=12.6％。这12．6％包括铁屑的氧化和正常状态下的氧化。按照加入35kg铁屑大约回收30kg铁液估计，损失(35-30)／35=14.3％，该14.3％Fe变成FeO应为14.3％×(56+16)／56=18．4％。估计这18.4％的FeO有一半进入炉渣，有一半风耗。

2．3．2气孔夹渣

铸件浇注后，直浇道顶面铁液不稳，上下串动，有时上涨，铸件加工后发现有析出性气孔。其原因是：

①根据图2，当铁液温度>1360℃时，铁液中的C要还原MnO等氧化物，形成较稳定的CO。当温度降低后，有的CO能被还原成C，有的则因铸件冷却，来不及析出，以CO气泡残留在铸件中。

②铁液的含氧量还与炉渣中FeO含量有直接关系。有资料介绍，当炉渣中FeO>8％时，铁液含氧量明显增加，这也是造成铸件气孔的途径，尤其是锈蚀的铁屑，含气量更大。有资料介绍，仅含2.5％FeO的铁屑比新铁屑，其铁液含气量高3倍。

夹渣形成的机理也可以借用图2氧化物的稳定顺序表来分析。据资料介绍，在1cm3铁液中，稳定的氧化物(主要是Si02)其数量达500万个，其中70％尺寸在0.2一1μm之间，实践中，铸件上平面加工后出现云状亮斑，用手提式硬度计测量，压痕直径φ2.2mm，估计HB400以上(超出换算表范围)。

为消除铁液夹渣含气，可在炉前加入0．1％-0.3％的稀土合金。

2．3．3白口倾向

发现箱体件白口倾向为6％左右，有不同程度的表皮发硬，有3％因打刀、断钻、断丝锥而报废。规律性的部位都在下箱与侧箱加工面，尤其在铁液流的前锋。

本体硬度，正常区HBl70-190，硬区HB220-240。本体金相见图3所示，硬区是渗碳体、莱氏体及异形石墨。

(a)不加铁屑正常组织(b)加铁屑的白口飞边

图3铸铁的显微组织

2．4解决措施

2．4．1缩小铁屑表面积

为了缩小铁屑表面积，加入冲天炉中的铁屑要成块，成块的方法有如下两种：

(1)烧结成块

生产时，先在炉底铺垫少量钢屑，以免漏底；再在上面加满铁屑，在铁屑上面加引火柴，如刨花锯末等，在抽气下点燃，以后就靠铁屑自身氧化燃烧并熔化，形成烧结铁。到第二炉时，可将发红的烧结铁代替引火柴放在上面，利用余热点燃第二炉。如此反复。

利用该法，可组成转盘式八工位组合机。烧结铁由于在充足的氧化气氛中燃烧熔化，终含C量只有0．9％，类似高碳钢；因为没有合适的造渣，铁中夹有大量夹渣物与气体。

(2)铁屑块

铁屑块是将铁末用压力机压制成型的。铁屑块的密度，与其受外力有关，也就是与成型设备有关(见表5)。

表5各种成型方法制成的铁屑块密度

成型设备夹板锤摩擦压力机专用油压机I面包铁

密度／g·cm-34.9——5.15.4——5.65.8——6.1I7.0——7.2

对铁屑块强度的简单检验办法是：平面朝下，从lm高自由落到水泥地上。密度<5g／cm3的会碎；密度5-5．5g／cm3的会裂；密度5．5-6．0g／cm3不变。　　为了在冲天炉中不被砸碎，加料方法是：中心漏底加料时，将其加在原料铁上，铁屑块坐在铁块上下落，第二斗加焦炭石子覆盖，第三斗铁料又落到焦炭上，这样可避免自碎和被砸碎。　　2．4．2加电石泥缩小其表面积，延缓氧化时间　　用电石泥(CaO与Ca(OH)2))拌铁屑打块，待自干自硬后再入炉，有以下好处：　　(1)作为一种粘结剂，增加了铁屑块的强度：加电石泥的块，密度4．8g／cm3(不加的密度5．0g／cm3)，都从1m处落下，前者无裂纹，后者有裂纹或碎开。　　(2)CaO填死铁屑的自由表面：电石泥很细很薄，它能钻人两铁屑之间的缝隙，被铁屑表面所吸附。CaO的熔点2572℃，它很好的保护了铁屑在活跃的气相区的氧化，一直保护到熔化带。加电石泥的铁屑块，其炉渣明显由黑变回到灰绿色，炉前三角试样白口也正常。　　(3)破坏了主要的氧化物SiO2的稳定性：结合生成CaSi04降低了熔点，提高了流动性，并聚集上浮。　　(4)另外，CaO还有形成CaS脱S以及消除焦炭表面酸性氧化物(如Si02)的能力。　　2．4．3提高炉温　　还是从图2分析，提高铁液温度，CO的稳定性高于SiO2、MnO等，也就是C还原了上述氧化物中的0，使其免受氧化。过热的铁液温度动力粘度降低，渣气容易上浮，从而避免了夹渣带气，净化了铁液。　　2．4．4炉前控制：　　正常HT200的三角试样白口宽度1-2mm，加铁屑的2．5-3mm。生产发现由于铁液的氧化，白口与麻口之间的分隔线不直，白口宽度难定量。　　在600kg铁液中加入1．Okg70SiFe再孕育，能使白口减到2mm，且有直的清晰的分界线，改善了加工性能。　　3还原炉(铁屑专用炉)法　　切屑量大，或者为了降低成本，好用钢、铁屑专用还原炉。　　3．1还原炉的基本结构　　(1)炉体：本炉是直筒型，内径φ760mm，总高不到3．5m，料从侧口加入；主炉体用酸性耐火砖砌筑，炉门设在贮铁液池的正上方，此处也是单个水冷风嘴的入口；侧面设有人孔，用于架柴点火。　　(2)炉缸：炉缸用中性材料打结，配料：焦炭粉80％，煤焦油13％，沥青7％。先用大铁锅将煤焦油与沥青熬开，再加人焦炭粉炒拌均布。在较干的状态下打结。　　炉缸在小车上打结烘干后推入炉底，用千斤顶顶起，与主炉体之间的结合面，也用同一材料，在顶起压力下密封。　　(3)热风管屋：炉体上口进入风管屋，该屋3．2m×l．6m×2．0m，用耐火砖砌成，屋顶起拱，加料口直接通到屋中。　　风管用φ160×5不锈钢管。直管段1m，共计28段，用180℃弯管串联连接，总长45．6m。管子之间相隔400mm，任何一处漏风都可钻进人去焊补。　　废气从屋山底部排人烟囱，烟囱由1l节大油桶串焊组成。烟囱使风管屋形成一定的负压，烟火就不容易从加料口窜出。用40m3 /min的鼓风机供风，冷风经加热后，由水冷热风嘴送人炉内。废气带着灰渣，从炉口进入小屋，由于断面突然扩大，灰渣沉降屋底，屋底设有4扇放灰活门。　　(4)冷却水：冷却水主管φ1．5〃，开些小孔，水从高位水箱通过主管，直喷炉皮顺淌，到一层平台水槽中，再溢流到冷却池；另一股水从水箱直通风嘴，　　再回到水池。　　冷却水池的水，同时用于冲渣，使渣发泡。发泡渣形同海绵，可用做保温材料。　　3．2还原炉的特点　　(1)炉缸大而深，利于增碳　　炉缸直径φ920mm，底焦高度1000mm，无前炉。铁液与焦炭有长时间接触，有利于增碳，以补偿由于切屑表面积大、氧化烧损严重而引起的脱C及由此而带来的白口倾向。　　(2)热风、高温及还原性气氛，以抵制氧化　　炉身较短，没有很高的预热带，废气温度高，用以加热风管；加上焦铁比高，一般l：(3——3．5)(次焦)，可得到560℃的热风。按图2自由能与温度关系曲线，温度高氧化物的稳定性差，氧化反应不利。当炉温高于临界温度1485℃时，炉中还能增硅(Si02被C还原)。　　利用图6曲线(原资料碳到16为止)，顺曲线向左延伸可以估计，在焦铁比1：5(20％)时，燃烧比ην大约只有10％，按公式：　　图6炭耗量与燃烧比的关系　　K=CO／C02=1／ην-1　　可以估出，当ην=0．1时，K=9，此时CO占90％，显然炉气是强还原性的。　　以铁为例，在强还原性气氛中，主要按下式还原：　　FeO+CO=Fe+C02　　也就是说，在强还原性气氛中，就是铁锈也可以还原成铁。这样，我们可以认为，在冲天炉中很敏感的带锈铁屑，在还原炉中尚可以被利用。　　(3)连续作业时间长　　由于熔化带炉外水冷，开炉周期可长达3-5个月。炉子易损坏的地方有三处：一是热风管烧损开焊，二是炉膛侵蚀，炉皮发红，三是渣口冻结。　　热风管易损坏的区段是高温区的炉口附近。因此在大修补充热风管时，应将新管置于该区，中途开焊也可停炉保温，挡住炉口冒热焊补。由于单风嘴，风口面积大，风压低，风顶不到对面炉衬，高温区在炉膛中心，对炉皮侵蚀不严重。冷却水要均匀，且有一定流量，不使炉皮有干燥暴露的地方，寿命就长。渣口冻结，现场不难处理。　　(4)结构简单，易于建造　　从结构简图可以看出，该炉比冲天炉容易建造，关键原因是高度矮；其次不用风箱，只一个风嘴。其中投资大的就是45．6m不锈钢风管，其次是一个承重平台。热风管屋可用废耐火砖，甚至有的用两层红砖砌筑。烟囱可以用废油桶焊制。　　(5)对原材料要求低　　由于炉缸是中性的，炉气是还原性的，因此可以直接加入散状钢屑，铁屑块及薄和锈的废钢铁。由于炉身矮，铁屑块的撞击也较轻，对其密度强度要求相对也低。　　还原炉铁液一般用于浇注污水盖、配重铁等不加工件。当然，假如能用电石泥拌的铁屑块，较好的焦炭，精确的配料，再加上炉前控制的孕育，也可以重熔出低牌号铸铁。　　4 中频炉法　　与冲天炉、铁屑炉相比，中频炉化铁屑是好的。冲天炉大部分是氧化性的，铁屑炉是还原性的，它们都处在化学反应与冶金反应中，不稳定；中频炉单纯是重熔，物理现象比较稳定，散料、块料都可以，比较通用。　　4．1 中频炉熔化原理　　由专用变压器输出高压、大电流、50HZ交流电——通过整流器，电抗器变成直流——再通过逆变器成单相中频交流电——通过感应线圈及热电容器组成的LC振荡电路，产生强磁场——感应线圈直径内的磁力线，穿过铁磁物质(炉料)产生高温，使其熔化。　　线圈外磁场被磁轭封闭，以节省能量。感应器分单线圈与双线圈。双线圈并联感应器有上下两个“短磁场”，特别有利于散铁屑的熔化。　　电炉重熔纯粹是物理现象，除特殊情形外(增C及长期过热等)，化学成分几乎不变。　　4．2熔化效率与能耗　　(1)与炉型的关系　　有芯与无芯：只有无芯炉适合于熔化。有芯炉其熔沟(加热热源)设在炉子下部，直接加入炉料或者将炉料加在铁液中，二者都不适用。　　炉子大小：小炉子能耗高。一是散热面积大；二是磁力线有效部分(感应器围绕炉膛部分)与无用部分(炉顶、炉底及炉外部分)的比例小。　　有无磁轭：国产小炉子(≤1t)大部分是铝外壳的，无磁轭，线圈外磁力线漏磁，消耗能量，所以铝壳炉耗电比有磁轭的高约20％-40％。　　磁场的配置：中频炉的热源是磁力线，磁力线的配置取决于感应线圈的配置。并联双线圈比单级线圈节能，这也与有效磁力线与无效磁力线的比有关。5t／3000kW应达电炉，吨铁屑熔化耗电约530kW·h，比用冲天炉、铁屑专用炉及国产电炉能耗低。　　(2)散料与块料　　根据中频炉熔化原理，能量要通过铁磁炉料的磁力线起作用，所以，炉料密度越大越节能。由此可知，节能顺序与堆密度有关：密实的小面积包铁>插空的回炉料>块状铁屑>散状铁屑。

(3)加料顺序与加料量

冷炉(首炉)启动时，好下面是块料，磁力线密度大，易加上功率。铁屑块，尤其是散铁屑，逐步加入铁液中，生产率高，也节电。满料比少料节电，但不能棚料。

(4)操作

效率与节能，与操作关系大，这好比家庭烧稀饭，什么时候快火，什么时候慢火，与操作关系甚大。一台5t／3000kW电炉，不经意多加热1min，耗电50kW·h。

除控制室操作之外，在炉台上加料看炉的操作也甚重要，尤其国产电炉。由于感应器影响磁力线分布，散铁屑会在炉体上部及炉口部位的炉壁吸附酹成了一个坚固漏斗，铁屑不易下去，造成铁磁炉料不连续，磁力线漏散；更有甚者，下面熔化，上面下不去——棚料，这些都影响熔化效率与能耗。

4．3中频炉化铁屑的安全问题

(1)爆炸：报警系统是针对炉膛与感应线圈之间的距离，也就是炉壁厚度而设的，所以，若报警系统失灵，炉壁烧穿，铁液窜出，会烧漏感应器水冷铜管，铁液与水相遇，瞬时产生大量蒸汽会引起爆炸。此外，铁屑块含油含水太多，突然加入铁液中，瞬时汽

化也会爆出大量铁液。

(2)铁液骤发：铁屑含油含水，加入铁液后，虽然未引起爆炸，但气、汽持续不断冒出，不但使渣、也会使铁液骤发。若炉料较满，骤发之铁液会灌人风箱，后果也非常危险。因此被切屑液或油污污染的铁屑，应进行离心甩干、烘干、晒干等干燥处理。

(3)棚料与结壳：我们在这两方面都发生过大的事故。棚料，指的是固态炉料被插在炉壁上像一个园棚，棚下是铁液，铁液与固态炉料之间是空腔。结壳，是指铁液表面的渣及半固态炉料因温度低，结成硬壳。硬壳与铁液之间或无窄间，或有很少的空间。

二者有共同之处：

下部：铁液磁力线密度大，接受所加功率的绝大部分，容易超高温。

中部：由于堆密度小的炉料化成铁液，炉料中空气被析出并被封闭在空腔中，温度又高，根据气体定律，(P=T／V)压力会升高。

上部：磁力线密度低、漏散、甚至没有，温度低形成盖。

我们的两次事故：一次，棚料下发现铁液过热，慌忙倾炉，炉口棚料严实，铁液从薄弱环节突入风箱；另一次，保温中见铁液结壳，就加大功率企图依此化开结壳，结果超高温铁液熔融炉底，造成漏炉。

5结语

铸铁铁屑回用的办法有三种：一是冲天炉：氧化性或弱还原性气氛，应将铁屑成块，中填粘结剂或造渣剂，尽量减少其表面。二是铁屑炉：在还原性气氛中熔化，在高碳相中增碳，虽比冲天炉有改进，但能耗高，成分难掌握，难生产高牌号铸铁。三是中频无芯感应炉：这是一种物理重熔，化学成分基本不变，散料块料都适用；只要掌握得好，既安全又环保，是

化铁屑好的手段。