如何准备可用于熔炼灰铸铁的生铁和废钢？

2.5.1.1 金属炉料的准备和加工

1.对金属炉料的要求

（1）金属炉料块度 各种金属炉料的块度与单块质量应该符合表2-54的要求。

表2-54 冲天炉炉料块度与块重要求

金属炉料的最大长度应小于加料口处炉身最小炉径的1/3，单块重量不得大于层铁总质量的1/10～1/15，严禁混杂弹壳、雷管、密封管头及其他易爆物、可疑物。生铁与其他各种金属炉料必须按牌号或成分分别堆放，破断为适当块度使用。

（2）金属炉料选择

1）生铁

①熔炼灰铸铁时，应选用铸造生铁。硅的质量分数为2.0%～3.0%的铸造生铁可用于熔炼低牌号灰铸铁；硅的质量分数为1.2%～2.0%的铸造生铁可用于熔炼高牌号灰铸铁。

②熔炼球墨铸铁时，应选用球墨铸铁专用生铁，但也可选用低硅、低锰和低磷硫的铸造生铁或炼钢生铁。对于要求特别高的球墨铸铁也可选用高纯生铁。球墨铸铁所用生铁的硅的质量分数一般在0.8%～1.75%。熔炼铸态铁素体球墨铸铁件时，生铁的锰质量分数希望低于0.3%，不应超过0.5%且越低越好；熔炼珠光体、贝氏体、退火铁素体球墨铸铁件时，生铁中锰的质量分数应小于0.6%；熔制正火珠光体球墨铸铁的中小型铸件时，生铁中锰的质量分数可适当放宽，一般也不要超过0.8%；对于低温下工作的铁素体韧性球墨铸铁件和其他要求韧性较高的球墨铸铁件，应选用磷的质量分数小于0.07%的生铁。一般球墨铸铁件用生铁磷的质量分数不应大于0.1%；硫的质量分数应限制在0.05%以下；反球化元素不得过量：w（Te）＜0.01%，w（Ti）＜0.3%，w（Sn）＜0.09%，w（Sb）＜0.2%，w（Pb）＜0.2%w（Bi）＜0.05%。高纯生铁是磷、硫、钛等有害杂质元素含量低、特定微量元素含量很少的高端铸件专用生铁，主要用于风电、轨道交通、核电等对低温冲击韧度和疲劳性能等有特殊要求的球墨铸铁件生产领域。

③熔炼蠕墨铸铁时，应参照熔炼球墨铸铁的要求选用生铁。

④熔炼可锻铸铁时，一般只加入10%左右质量分数的生铁量，主要是为了降低碳含量，因此含磷、硫和铬低的铸造生铁、炼钢生铁和再生铁均能使用。

⑤熔炼合金铸铁时，应尽量选用含相应元素高的铸造生铁或特种生铁。例如，熔炼中硅耐热铸铁和高硅耐蚀铸铁时，就应选用硅的质量分数＞2.8%以上的铸造生铁；熔炼磷耐磨铸铁时，就应选用含磷高的铸造生铁；熔炼钒钛铸铁时，就应选用含钒钛的特种生铁；熔炼火车和矿车车轮用铸铁时，就应选用冷铸车轮生铁。

2）回炉料应该按铸件牌号分堆存放，化学成分接近的回炉料可以均匀混合后使用。回炉料表面黏附的泥砂必须清理干净，废铸件型腔内的砂芯必须清除干净。成分不明的外购废机铁必须通过成分分析，按化学成分分别堆放。回炉料与废机铁尺寸过大容易引发冲天炉棚料、落生、同时容易引发加料机故障，必须加强回炉料的破断处理，严格控制回炉料与废机铁的单块尺寸、单块重量。

3）废钢用来调低冲天炉配料的含碳量，一般多选用中、低碳钢废料，除了生产合金铸铁，冲天炉一般不选用成分复杂的合金钢。废钢熔点较高，容易形成“落生”，因此废钢厚度不宜大于30～50mm，单块质量不宜大于10kg。废钢必须经过分选，剔除轴承钢、模具钢、不锈钢、工具钢、耐热钢、耐磨钢、有色金属与其他不明成分金属、按化学成分分类存放。如果废钢锈蚀严重，必须除锈后使用。厚度小于3mm的纯净无锈蚀废钢，应通过机械打包后使用，打包的块度应符合对炉料的要求。

水冷冲天炉对废钢的要求一般高于常炉衬冲天炉，如果废钢锈蚀严重，或者废钢厚度太小，很容易引发炉壁黏附（挂铁）故障，大幅度增加生产成本，严重影响生产。因此一般规定水冷冲天炉的废钢厚度不小于5mm、基本无锈蚀；纯净无锈蚀废钢的厚度标准可以放宽至不小于3mm。水冷冲天炉的炉料块度要求通常高于常炉衬冲天炉，炉料块度必须均匀、大小搭配，不能忽大忽小，否则会影响连续出铁出渣装置的工作、使渣、铁无法正常分离。

废钢在冲天炉金属炉料中的质量分数在5%～60%之间。适当增大废钢配比，有利于提高铸件的机械强度，降低铸件的生产成本。

投炉铁合金块度不宜小于20mm，铁合金碎末可粘结成块使用。铁屑、钢屑必须用机械压块或者烧结成块后使用。

2.金属炉料的制备

1）生铁破碎。按标准生产的生铁锭块度均符合冲天炉使用要求，通常不需要再行破碎。超过要求块度的生铁锭可以采用人工破碎或者机械破碎，人工破碎生铁锭多使用8～12磅锤子，在坚实的泥土地面进行；机械破碎生铁锭多用固定式或移动式铁锭破断机。破碎后的生铁必须按牌号、批号、产地堆放，防止混杂。

2）回炉料的破碎与清理。冲天炉的回炉料包括铸造厂生产过程中产生的浇冒口、废铸件，同时包括外购废机铁。回炉料的破碎一般多以人工为主、辅助以简单机械进行，过大的回炉料多用落锤破碎，无法用人工破碎的厚大球墨铸铁回炉料可采用火焰切割方法破碎。回炉料破碎必须按照回炉料的种类、材质分别进行，严格防止将成分差别较大的回炉料混堆。

回炉料破碎至一定尺寸与单块质量后，如果表面黏附有泥砂或者氧化严重，则需要用清理滚筒进行表面清理。破碎清理后的回炉料分类堆放并设置标志牌。

3）废钢处理。废钢应该严格按照化学成分挑选堆放，无法确知化学成分的废钢，应经过成分分析。废钢一般用火焰切割破碎，如果废钢表面锈蚀严重或沾有油污，应该用清理滚筒或者焚烧清除。必须剔除废钢中的封闭筒体、弹壳、弹头、雷管等易爆物，防止冲天炉爆炸事故。厚度小于3mm的细薄废钢入炉前用机器打包成符合要求的块度。

钢屑使用前应剔除非铁金属和杂质，挤压或烧结成块后入炉，每块质量5～10kg。

4）铁合金破碎。铁合金一般用颚式破碎机破碎、也可以人工破碎，破碎后的铁合金应该按粒度要求筛选，筛除粒度小于2～3mm的碎末。筛出的硅合金碎末可以用作球化处理时的覆盖剂，FeSi75硅铁碎末可以作倒包或包嘴孕育剂。无法使用的铁合金碎末可以用石灰或水泥黏结成块、烘干后作为炉料使用。

破碎筛分后的铁合金应按炉后加料、感应炉加料、包内孕育、随流孕育、球化处理等不同用途，分别存放在防潮防尘的炉料箱内。

含稀土元素的铁合金可能有一定的放射性，破碎、筛分时必须加强劳动安全防护，防止稀土元素进入人体。按规定制备好的稀土合金应装入有标志的铁桶内，尽量减少放射性元素对环境的污染。

2.5.1.2 焦炭准备

1.焦炭的质量指标

（1）焦炭成分 按化学元素分析，常用焦炭成分（质量分数）为：C为82%～87%，H为1%～1.5%，O为0.4%～0.7%，N为0.5%～0.7%，S为0.7%～1.0%，P为0.01%～0.25%；按工业分析，焦炭成分为：灰分为10%～18%，挥发分为1%～3%，固定碳为80%～85%。

（2）焦炭反应性 指焦炭固定碳与CO₂反应生成CO的能力（又称还原能力）。焦炭反应性高，焦炭的热能得不到充分利用。焦炭反应性主要与制焦原料、生产工艺、挥发分含量和焦炭表面积大小有关。挥发分愈多，气孔率愈大，块度愈小，则反应性就愈高。一般铸造焦的反应性要求控制在15%～25%。

（3）焦炭强度 焦炭的机械强度包括抗冲击强度、抗压强度和抗磨损强度，尤以高温下焦炭强度更为重要。焦炭的抗冲击强度用落下强度表示，抗磨损强度常用大、小转鼓强度表示。其试验方法见本书第七章。

（4）焦炭块度与均匀性 冲天炉熔炼时，随着焦炭块度增大和均匀性增加，能明显提高铁液温度；硅、锰烧损趋于减少；而且含硫量可以适当降低。焦炭块度均匀性与分级处理有关，并受焦炭强度的影响。

（5）气孔率 焦炭气孔率是指焦炭中孔隙体积与其外形体积之比。不同用途的焦炭，对气孔率指标要求不同，一般冶金焦气孔率要求在40%～45%，铸造焦要求在30%～40%。焦炭裂纹度与气孔率的高低，与炼焦所用煤种有直接关系，如以气煤为主炼得的焦炭，裂纹多，气孔率高，强度低；而以焦煤作为基础煤炼得的焦炭裂纹少、气孔率低、强度高。尽量选用固定碳含量高、机械强度高、含硫量低、反应性低的优质焦炭，优先选用铸造焦。底焦所用焦炭的块度约为熔化带炉膛直径的1/10左右，层焦所用焦炭应该通过块度分选；焦炭中不应该混有细碎焦及焦末、泥土、石块、金属等杂物，水分含量不宜大于4%。焦炭必须存放在干燥通风的专用库房内，严格禁止露天存放。冲天炉使用焦炭前必须检测和确知焦炭的成分及含量，并作准确记录。

2.焦炭的准备

（1）筛分 散装焦炭在运输过程中，由于装卸中不可避免的冲击作用，部分焦炭被粉碎成为小块甚至成为焦末，因此入炉前焦炭应经过筛选，剔除块度小于40mm的碎焦与焦末，40mm以上的焦炭按块度分级使用。大块焦炭作底焦、小块焦炭用于层焦。

（2）控制水分 水分过高的焦炭用自动称量仪器计量时，容易引起入炉焦炭加入量不足，同时水分蒸发需要损耗一定热量，降低炉料预热效率，甚至导致冲天炉熔炼故障。如果焦炭在运输或者储存过程中受到雨雪影响，水分含量超过4%，应该经过自然晾干或烘干后再入炉使用。

（3）使用地方土焦时，大块焦炭需要使用尖头或扁头锤子、凿子破碎，尽量减少破碎过程中形成的碎焦量，并及时剔除未烧透的生焦。

2.5.1.3 熔剂及其他辅助材料

冲天炉所用的熔剂主要是石灰石、白云石等，特殊情况下也加入少量的萤石（CaF₂）。通常，石灰石的消耗量约占焦炭量的25%～30%（或占金属料的3%～4%）。

2.5.1.4 耐火材料

冲天炉选择耐火材料是根据炉子的熔化率，熔化工作性质、条件，产品质量，炉料、燃料的质量，结合炉子各个不同部位的使用条件，施工的可行性，耐火材料的价格因素等进行综合考虑。

（1）冲天炉烟囱 烟囱工作温度较低，一般情况可不砌内衬。但为防止烟气中有害气体的腐蚀，延长烟囱的寿命，也可以浇注或涂抹一层厚30～50mm的低级别半硅质或黏土质硅酸盐水泥结合的浇注料、涂抹料或砌低级别的定形砖。

（2）加料口 冲天炉的加料口在炉体的上部，工作温度一般在200～300℃之间，用低级别半硅砖、N-5、N-6黏土砖砌筑或同级别水泥结合的浇注料、可塑料、浇注捣打均可。通常用耐火砖砌筑，耐火砖施工方便。

（3）预热带 冲天炉的预热带在加料口以下，熔化带之上，工作温度200～1200℃，用较好的半硅砖、N-1、N-2、N-3、N-4黏土砖砌筑，或用同级别铝酸盐水泥、黏土、磷酸盐结合的浇注料、捣打料、可塑料均可。也可以用白泡石或红硅石经加工的砌块或捣打料、可塑料。还可以用三级高铝砖或同级别铝酸盐水泥、黏土、磷酸盐结合的浇注料、捣打料、可塑料。

（4）燃烧室 外热风冲天炉燃烧室的工作温度一般在800～1050℃，用硅酸铝纤维毡、毯与黏土砖配合砌筑，或用黏土质、高铝质轻质保温砖砌筑，或用黏土质、高铝质浇注料、喷涂料浇筑、喷筑。

上述几种材料中最常用且价格较低、施工方便、便于购买的是黏土质砖。一般多用N-3、N-4黏土砖，用N-2以上或三级高铝砖更好。热风胆处宜使用结合力强的铝酸盐水泥、黏土质或磷酸盐结合的同级别捣打料、可塑料施工。

（5）熔化带、过热带 冲天炉熔化带和过热带在第一排风口之上，预热带以下，工作温度1200～1850℃。所用耐火材料应比预热带用的耐火材料更好。使用效果最好的是Al₂O₃-SiC-C质砖或同级别的黏土、铝酸盐水泥、磷酸盐、树脂结合的浇注料、捣打料、可塑料。该种材质选用原料的级别越高，生产工艺越复杂，使用效果越好，价格也相差越大。为降低成本可综合使用上述材料。

（6）炉缸 冲天炉的炉缸在过热带以下炉底之上，工作温度在1600℃左右。炉外流槽通过过桥与炉缸相连，工作温度在1350～1550℃，这两部分也可综合使用耐火材料。炉缸和过桥所用耐火材料的级别及施工质量是炉龄长短、生产能否正常的重要保证。对于单班生产的炉子，通常采用黏土砖、三级高铝砖、白泡石、红硅石砌筑或修补，也可采用黏土骨料、细粉，高铝骨料、细粉，白泡石、红硅石骨料、细粉，与耐火黏土配成可塑料、捣打料修补。这些材料修炉、维修频繁，劳动强度大，生产效率低，能耗高。但材料价格低，维修简单易行，维修成本低。对于水冷长炉龄冲天炉，通常采用一级或特级高铝砖砌筑炉缸外层作为防护层，便于维修，成本也不高。如选用导热率高、散热好的碳砖作为防护层有利于提高炉龄。炉缸内层和过桥是炉缸的关键部位，选用耐冲刷、抗侵蚀、热稳定性好的Al₂O₃-SiC-C砖（简称“ASC”砖），或同材质树脂及磷酸盐、纯铝酸盐水泥结合的浇注料、捣打料筑炉，或回收利用炉衬拆下无变质的旧铝碳砖块加工成定形砖筑炉，都能取得很好的效果，且回收利用的成本低廉。“ASC”材料的质量及使用寿命与该料所用原料的级别、抗氧化剂的选择、精确的配料和加工工艺（高压成形、高温埋烧）密切相关。如等静压成形高温埋烧的过桥砖和10000kN摩擦压砖机压制的过桥砖相比，前者的使用寿命更长，可连续使用达半月以上。

（7）前炉、浇包 冲天炉前炉及浇包的内衬工作温度在1400℃以上，温度变化频繁，内衬长期受高温铁液冲刷及铁液带入熔渣对内衬的侵蚀等都对前炉及浇包寿命造成严重影响。

前炉及浇包衬，一般采用硅酸铝纤维毡或石棉毡板，与轻质黏土保温砖配合做保温外层。与铁液接触的内层用黏土砖N-1、N-2、N-3或2、3级高铝砖。也有内外层全部用黏土砖或高铝砖的，但保温效果较差。还可以用与黏土砖、高铝砖同级别黏土或铝酸盐水泥或磷酸盐结合的浇注料或捣打料、可塑料。为延长前炉、浇包内衬的使用寿命，采用莫来石—刚玉原料或“ASC”材料，用沥青、树脂、磷酸盐、铝酸盐水泥、黏土等结合剂结合的浇注料或捣打料、可塑料，都能使内衬的使用寿命达到半年，且随原料级别和施工质量的提高使用寿命还可以延长。