冲天炉配料计算方法优化版

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：冲天炉配料计算是按照铁液的化学成分要求，计算金属炉料中各种元素的质量分数，配料计算涉及铸件化学成分要求、金属炉料选配、金属元素在冲天炉内的增损率等多方面的问题。冲天炉配料计算必须考虑各种化学元素在冲天炉中的烧损率，通过增加或减少炉料中有关元素的含量控制铁液化学成分。在冲天炉内，铁、锰元素一般呈减少趋势，部分铁、锰元素氧化进

冲天炉配料计算是按照铁液的化学成分要求，计算金属炉料中各种元素的质量分数，配料计算涉及铸件化学成分要求、金属炉料选配、金属元素在冲天炉内的增损率等多方面的问题。冲天炉的炉料配比不仅应该满足技术要求，还应该满足以低廉成本进行生产的成本指标要求。

本节通过普通灰铸铁的配料计算，介绍铸铁配料的基本原理和方法。这些原理和方法，也适合于球墨铸铁、合金铸铁等其他各种铸铁的配料计算。

1.金属炉料的选配原则

（1）低成本在充分满足铸件力学性能、化学成分要求的前提下，尽量选用质优价廉、运输距离短的金属炉料，尽可能降低铸件生产成本。由于铁合金的品位越高则合金元素的回收率越低，因此入炉铁合金宜选用低品位铁合金。

（2）平衡选配本厂回炉料充分考虑铸造生产过程中的炉料平衡，优先使用本厂所产生的回炉料，保证工厂回炉料的产用平衡。灰铸铁配料时可以选用部分球墨铸铁或可锻铸铁回炉料，但球墨铸铁配料时一般不选用灰铸铁回炉料，否则可能造成球墨铸铁液含硫量超标。

（3）根据铸件性能要求选用生铁生铁是炉料的主要部分，应该根据铸件机械性能和成分要求选用生铁。生产碳硅含量高的普通灰铸铁时，宜选配碳硅含量高、熔点低的生铁，以减少炉后硅铁的加入量，降低生产成本；生产孕育铸铁时，为了使原铁液的含硅量低、便于孕育处理，一般宜选配含硅量低的生铁；生产可锻铸铁时，为了获得低碳、低硅铁液，宜选配一定量的炼钢生铁；生产球墨铸铁时，为了获得高碳、低硅、低锰、低硫磷铁液，宜选配球墨铸铁专用生铁。生铁选择还需要特别注意生铁中微量元素的影响。

（4）炉料成分满足对铸件化学成分与机械性能要求配好的炉料成分在熔炼过程中会因为冶金反应发生变化，而这些变化的程度是与炉料的成分有关的。铸件的机械性能取决于它的金相组织，而化学成分是金相组织的物质基础，因此，只有炉料成分满足所需铁液成分及随后的处理要求，才能保证达到对铸件力学性能的要求。

2.配料的基本计算

（1）元素烧损率与炉料目标成分的计算如果已知铁液所要求的某元素的质量分数、该元素在冲天炉内的烧损率，可按照下式计算炉料中该元素的质量分数：

w（料）=w（液）/（100±ε）

式中 w（料）——炉料中元素的质量分数（%）；

w（液）——元素在铁液中的质量分数（%）；

ε——元素在冲天炉内的烧损率（%），+号用于元素在冲天炉内熔增，-号用于元素在冲天炉内的烧损。

例如要求铁液中锰元素的质量分数为0.8%，锰的烧损率为20%，可以按上式计算出，炉料中锰的目标质量分数为0.8/（100-20）=0.01=1.0%；要求铁液中硫的质量分数小于0.12%，硫的烧损率为-50%（即熔增率为50%），则炉料中硫的质量分数应小于0.12/（100+50）=0.0008=0.08%。

（2）某炉料带入混合料中元素的质量分数

w_LX（a）=w_X（a）w_L（X）（2-61）

式中 w_LX（a）——第X种炉料带入混合炉料中a元素的质量分数（%）

w_X（a）——第X种炉料中a元素的质量分数（%）；

w_L（X）——第X种炉料在混合炉料中的质量分数（%）。

多种炉料配料时，混合炉料中a元素的质量分数可按照下式计算

w_L（a）=w_L1（a）+w_L2（a）+w_L3（a）+…… （2-62）

式中 w_L（a）——混合料中a元素的质量分数（%）；

w_L1（a）——第1种炉料带入混合炉料中a元素的质量分数（%）；

w_L2（a）——第2种炉料带入混合炉料中a元素的质量分数（%）；

w_L3（a）——第3种炉料带入混合炉料中a元素的质量分数（%）。

……

例如混合炉料中，生铁的质量分数为50%、废钢的质量分数为10%、回炉料的质量分数为40%，碳在生铁中的质量分数为3.5%、碳在废钢中的质量分数为0.2%，碳在回炉料中的质量分数为3.8%，按照上述有关计算式可以算出：

生铁带入混合炉料中碳元素的质量分数为50%×3.5%=1.75%、废钢带入混合炉料中碳元素的质量分数为10%×0.2%=0.02%、回炉料带入混合炉料中碳元素的质量分数为40%×3.8%=1.52%；混合炉料中碳元素的质量分数为1.75%+0.02%+1.52%=3.29%。

（3）两种及两种以上炉料的配合计算如果100kg混合炉料由甲、乙两种炉料配合形成，要求混合炉料中a元素的质量分数为w_L（a），可以按二元一次方程组求出1、2两种炉料的用量。

如果100kg混合炉料由1、2、3三种炉料配合形成，要求混合炉料中a元素的质量分数为w_L（a），则无法用三元一次方程组求出甲、乙、丙三种炉料的用量，试分析如下：

设第1种炉料的用量为w_L（1）（kg），a元素的质量分数为w₁（a）（%），第2种炉料的用量为w_L（2）（kg）、，a元素的质量分数为w₂（a）（%）、第3种炉料的用量为w_L（3）（kg），a元素的质量分数为w₃（a）（%），则

w_L（1）+w_L（2）+w_L（3）=100

w_L（1）w_L1（a）+w_L（2）w_L2（a）+w_L（3）w_L3（a）=100w_L（a）

上述方程组包含三个未知数，但只有两个等式，无法用代数方法直接求解，需要用假定值消去多余的未知数，然后利用二元一次方程计算剩余两种炉料的配合量，不同的假定值可以得到不同的炉料配合。冲天炉配料的各种计算方法总是基于该数学方法，广泛地使用试算法进行计算，炉料配方往往不具备唯一性，同样的炉料成分要求，可以有各种不同的炉料配合方案。

3.配料计算常用数据

（1）铁液的化学成分铁液的化学成分与铸铁品种、铁液处理工艺、铸件壁厚、铁液中的微量元素、铸件在铸型中的冷却速度等多种因素有关，即便同样的铸件不同铸造厂采用的铁液成分也有一定差别。普通灰铸铁件铁液的化学成分可以参考表2-47选取。

表2-47 普通灰铸铁的化学成分

（2）元素在炉内的烧损率与变化趋势炉料在冲天炉内熔炼过程中，其中各种化学元素的含量会发生一定程度的变化，大部分元素呈减少趋势，个别元素呈增加趋势。冲天炉配料计算必须考虑各种化学元素在冲天炉中的烧损率，通过增加或减少炉料中有关元素的含量控制铁液化学成分。

在冲天炉内，铁、锰元素一般呈减少趋势，部分铁、锰元素氧化进入炉渣；硅元素在绝大多数冲天炉中呈减少趋势，但在无前炉的湿炉底热风冲天炉中硅元素可能呈增加趋势；碳元素可能呈减少趋势、也可能呈增加趋势，碳的增损由炉料中的含碳量、熔炼温度、炉内气氛等多种因素确定。

冲天炉内金属元素的增损率与冲天炉的熔炼工艺参数有关，采用热风冲天炉、提高冲天炉的操作水平可以有效降低铁、硅、锰与其他金属元素的烧损率，同时可以使金属元素的增损率稳定在一定范围内、缩小铁液成分的波动范围，提高冲天炉熔炼的经济效益。

表2-48列出了常见元素在一般冲天炉中的烧损率，表2-49说明了冲天炉熔炼工艺参数的变化对常见元素烧损率的影响。应该根据生产实际，通过长期统计分析、逐步积累归纳元素在炉内烧损的更准确数据，用于指导本厂的配料计算。

表2-48 常见元素在冲天炉内的烧损率

表2-49 冲天炉工艺参数对元素烧损率的影响

4.试算法配料

（1）试算法配料的八个基本步骤

第一步：按照铸件牌号和结构，确定铁液化学元素的目标范围值，同时以目标范围值的中值作为配料的计算依据，将有关数据填入配料计算表中。

第二步：根据冲天炉内各种化学元素烧损率统计数据，确定炉料中各种化学元素的配料目标值，将有关数据填入配料计算表中。

第三步：收集配料所用废钢、生铁、回炉料、铁合金等金属炉料化学成分的平均值，将有关数据填入配料计算表中。

第四步：按照工厂所产生回炉料的实际比例，确定每100kg金属炉料中回炉料的量a（kg）。

第五步：列二元一次方程组

a+x+y=100

aC_回+xC_铁+yC_钢=100C_目

解上列二元一次方程组得到

x=（100C_目+aC_钢-100C_钢-aC_回）/（C_铁-C_钢）（2-63）

y=（aC_回+100C_铁-aC_铁-C_目）/（C_铁-C_钢）（2-64）

式中 a——100kg炉料中回炉料的量（kg）；

x——100kg炉料中生铁的量（kg）；

y——100kg炉料中废钢的量（kg）；

C_目——100kg炉料中碳的质量分数平均目标值（%）；

C_回——回炉料中碳的质量分数平均值（%）；

C_铁——生铁中碳的质量分数平均值（%）；

C_钢——废钢中碳的质量分数平均值（%）。

第六步：核算按第五步计算初步确定的回炉料量a、生铁量x、废钢量y中的硅、锰元素含量。如果炉料中硅、锰含量不足，分别计算硅铁与锰铁用量，用硅铁、锰铁补足硅、锰；如果硅、锰含量超过需要，则回到第四步调整回炉料量a，重新开始计算直至硅、锰满足要求。

第七步：核算上述配比炉料中的硫、磷含量。如果硫、磷含量超出要求，则回到第四步调整回炉料a量，重新开始计算直至硫磷满足要求。

第八步：将上述最终计算结果填入配料计算表中，并算出层铁中各种金属炉料的量。

根据生产实际条件，第四步也可以先确定生铁或废钢加入量，然后试算回炉料加入量和废钢或生铁加入量。

（2）HT200试算法配料示例假设所选用的各种金属炉料中化学元素的平均值、各元素在冲天炉中的烧损率等数据见表2-50。

表2-50 HT200配料所用炉料的化学成分

如果HT200铸件的平均壁厚为25mm，按照表2-51可以确定铁液中各元素的目标含量范围、平均目标含量等，见表2-51（1）、（2）项。按照表2-51所示各元素在冲天炉中的烧损率，可以算出炉料中各元素的目标含量，如表2-51（4）项。

表2-51 HT200试算法配料计算例表

按照试算法的几个基本步骤，确定每100kg炉料中回炉料的量a=40kg，同时设生铁的量为xkg、废钢的量为ykg，炉料的目标碳含量为3.24kg，可以列出下列二元一次方程组

40+x+y=100

3.3%×40+3.8%x+0.2%y=3.24

解上述二元一次方程组，可以得到

x=（3.24+40×0.002-100×0.002-40×0.033）/（0.038-0.002）=50（kg）

y=（40×0.033+100×0.038-40×0.038-3.24）/（0.038-0.002）=10（kg）

将计算结果填入表2-51（6、7、8）中。通过计算该炉料配比中各元素的实际含量（9）、实际含量与目标量的偏差（10），发现硅量、锰量低于目标值，炉料中需要添加硅铁、锰铁合金。

接着计算硅铁、锰铁加入量，由于目前每100kg炉料中缺少0.93kg硅元素、0.43kg锰元素，而硅铁合金的硅含量为45%、锰铁合金的锰元素含量为56%，因此可以算出两种铁合金的加入量分别为0.93/0.45=2.07kg、0.43/0.56=0.77kg，如表2-51（11、12）所示。

最后核算硫、磷含量，由于炉料中的硫磷含量低于炉料中硫磷的目标值，因此上述炉料配比不需作进一步调整，否则需要从第四步开始重新调整和计算。

通过上述计算得到，该HT200铸铁每100kg炉料中，回炉料为40kg、废钢为10kg、生铁为50kg、硅铁为2.07kg，锰铁为0.77kg。

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