合金熔炼课程设计

《铸造合金及其熔炼》

课程设计报告

题目：上端盖RuT420的配料及熔炼

姓名：

学号:

班级：材料成型及控制工程1104班学院：机械工程学院

指导老师：

日期：2015年1月 13日

山东理工大学

目录

一零件原始要求……………………………………………………………

零件名称，结构及尺寸要求，材料，机械性能要求

二选材………………………………………………………………………

材料牌号成分，力学性能

三选用炉料…………………………………………………………………

炉料来源炉料配比计算

四.炉体设计……………………………………………………………………

冲天炉炉径设计炉身高度有效高度前炉送风系统画图

五．确定熔炼工艺过程………………………………………………………

确定主要工艺参数熔炼前准备冲天炉熔炼操作炉况判断及常见故障特殊处理

六．热处理……………………………………………………………………七．参考资料…………………………………………………………………

一、零件原始要求

（一）零件名称：上端盖

（二）零件特点：轮廓尺寸Φ420*157 属于小型端盖圆盘类，形状简单，壁厚均匀，在15.7-18之间，铸件毛重34.3kg，精度不高，采用湿砂型铸造。

（三）要求铸铁牌号：RuT420.抗拉强度：σb≥420Mpa

融化率：冲天炉融化率为2吨每小时

（四）零件的结构及尺寸：

二、选材

（一）牌号：RuT420

（二）标准：GB/T9439-2010

（三）化学成分选择：C：3.5%~3.9%，Si：1.8%~2.6%，Mn：0.5%~0.8%，S:<0.06%,P:<0.08% Xt残：0.02%~0.05%，Mg：0.015%~0.025%

三、选用炉料

（一）炉料来源：原生铁回炉铁废钢硅铁锰铁

1、原生铁，又称高炉生铁，是含碳量大于2%的铁碳合金，工业生铁含碳量一般在2.11%~4.3%，并含有C、Si、Mn、S、P等元素，是铁矿石经高炉冶炼的产品。是冲天炉炉料的主要组成物。

2、回炉铁，是蠕墨铸铁浇注完后清理的浇冒口、废铸件。按配料的需要加入一定量，降低铸件成本。

3、废钢，包括废钢件、钢料、刚屑等，加入废钢可以降低铁水含碳量。

4、铁合金，包括硅铁、锰铁、铬铁等铁中间化合物，可以调整铁水的化学成分或配制合金铸铁。

（二）炉料化学成分：

（三）常见元素在冲天炉熔炼过程中增减率：

（四）冲天炉熔炼过程中各种牌号铸铁碳量增减率：

（五）炉前添加合金元素的回收率：

（六）炉内熔化元素烧损率：

（七）配料计算：

蠕化剂按0.2%，孕育剂按0.2%~0.8%

第一步，计算炉料中个元素应有量，可用下列公式计算

X炉料=X铁液/1±η

式中 X炉料——炉料中元素含量（%）；

X铁液——铁液中元素含量（%）；

η——熔炼过程中元素增减率。

“+”号用于元素增加，“-”号用于元素减少。

①炉料中碳元素含量：C炉料%=3.3/（1+5%）=3.14

②炉料中硅元素含量：Si%炉料=2.7/（1-15%）=3.18

③炉料中锰元素含量：Mn炉料%=0.9/（1-20%）=1.125

④炉料中磷元素含量：P炉料%=0.07

⑤炉料中硫元素含量：S炉料%=0.06/（1+80%）=0.0333 第二步，初步确定炉料配比并进行计算。

确定回炉料按20%加入，设新生铁的配比为x%，则废钢的配比为100%-20%-x%。设炉料所需含碳量为w%，而新生铁、废钢、回炉料含碳量分别为a%，b%，c%，可按下式计算出新生铁的配比：ax+b

（100-20-x）+c20=100w

由①知w=3.14、由表格知a=4.13、b=0.35、c=3.4

代入公式得4.13x+0.35(100-20-x)+3.4×20=3.14×100

x=218÷﹙4.13-0.35)=57.7

废钢的配比：100-57.7-20=22.3

第三步，确定配比并计算铁合金的补加量。硅铁、锰铁的补加量可按下式计算

铁合金配比=（炉料应有合金含量-炉料中所含合金含量）/[铁合金中合金含量×﹙1-合金烧损率﹚]

式中炉料应有合金含量=（铁液要求合金量-炉前加入合金量）/（1-合金烧损率）

炉前加入合金量=炉前加入铁合金×铁合金中合金含量×回收率

炉料应有锰元素含量=0.9/（1-20%）=1.125

炉料中所含有锰元素量=20%×0.4+0.577×0.74+0.223×0.6=0.64 锰铁配比=（1.125-0.64）÷[﹙1-0.2﹚×0.8]=0.76

炉前加入硅铁量=0.8%×0.85×0.75=0.51

炉料应有硅元素含量=（2.7-0.51）÷﹙1-0.15﹚=2.58

炉料中所含硅元素量=0.2×0.24+0.577×0.018+0.223×0.003=0.016

硅铁配比=（2.57-0.016）÷﹙0.75×0.85﹚=4.0

由此定出RuT420配料的成分单如下：

四、炉体设计

（一）冲天炉的基本结构

（1）炉底与炉基

炉底与炉基是冲天炉的支撑部分，对整座炉子和炉料起支撑作用（2）炉体与前炉

1）炉体是冲天炉的基本组成部分，包括炉身和炉缸两部分。炉身是指加料口下缘至第一排风口中心线之间的炉体。炉缸是指第一排风口中心线到炉底之间的炉体，其作用是保护炉底，汇聚铁液和炉渣使之进入前炉，也可以储存铁液。

2）前炉是由前炉体和可离的炉盖构成。其作用是储存铁液，使铁液成分和温度均匀，减少铁液在炉缸停留时间，从而降低铁液在炉缸中增碳与增硫作用，净化铁液。

（3）烟囱与除尘装置

烟囱在加料口上端，其作用是引导炉气向上流动并排出炉外，除

尘装置的作用是消除或减少炉气中的烟灰和有害气体。

（4）送风系统

冲天炉的送风系统是指自鼓风机出口至风口出口为止的整个系统，包括进风管、风箱、风口、及鼓风机输出管道。

（5）热风装置

热风装置作用是加热供底焦燃烧用的空气，以强化冲天炉底焦的燃烧。

（6）鼓风机

（二）冲天炉的尺寸

所谓冲天炉的主要尺寸是指冲天炉的内径、有效高度、送风系统及前炉的主要尺寸以及它们之间的比例关系。

1）冲天炉内径：冲天炉的许多基本尺寸都与炉膛直径有关，因此应首先选择它的大小。

D =1.12√﹙Q/S﹚米

式中：D——冲天炉炉膛直径米。

Q——规定的冲天炉的生产2吨/时。

S——冲天炉的单位生产率吨/米2*时

冲天炉效率越大，与之适应的炉膛内径也要越大这是因为从冲天炉熔炼的普遍规律来看，冲天炉的正常单位生产率一般不论炉子的大小总在7-10吨/米2时的范围内。因此，当炉子小而生产率高并使单位生产率大于此范围时，或炉子大、生产率低、使单位生产率小于此范围的冲天炉时，都不能获得理想的高温铁水。

冲天炉内径按下表选择：

根据经验数据，选用熔化率为2吨/时，直筒型冲天炉的内径为600mm 2）炉壳内径和外径

①炉壳内径：冲天炉内径±2（炉衬厚度+绝热层厚度） 绝热层一般取0.015-0.03米 炉层厚度： 因为所选冲天炉的熔化率为2吨/时，所以这里炉衬厚度取160mm 即 炉壳内径=（

600±2×（20+160））×0.5=（300±180）mm ②炉壳外径与炉壳厚度的关系 所以炉壳外径为1030mm 炉壳厚度为6mm （三）炉身高度

冲天炉高度：冲天炉应具备必要的高度才能保证炉料的充分预热和良好的工作条件。高度不够，铁料预热不良，炉内铁水温度难以提高。高度太高，容易产生架料，压碎焦炭，增加鼓风机功率消耗和增加厂房建筑等缺点。

炉身高度=炉底厚度+炉缸深度+有效高度

炉缸深度：指炉底中心到第一排风口中心线间的距离，它与炉子结构（无前炉），熔化率，铁液含碳量有关有前炉

选熔化率为2吨/时，所以炉缸深度为200mm

有效高度：指冲天炉第一排风口中心线到加料口下沿之间的距离。有效高度过高时，易产生架料，压碎焦炭，增加进风阻力；过低，炉料预热不好，热效率低。

有效高度一般为炉内径的5-7倍

取有效高度3600mm

炉底厚度：指炉底板上面到炉底面中心的砂床厚度，它与熔化率和工作时间有关，一般为250-350mm。过低时，易漏铁水；过高时，打炉困难。

所以炉底厚度选用300mm

（四）前炉

前炉内径和高度，一般烤炉储存0.5-1小时熔化的铁水量。

前炉内径=（0.8——1.1）炉膛内径

选用前炉内径为700mm

前炉高度=（1.2-1.5）前炉内径

即前炉高度=840mm

前炉炉衬厚度

因为选用冲天炉内径为700mm所以前炉炉衬厚度为180mm

前炉炉底厚度：

因为所选冲天炉熔化率为2吨/时，故前炉炉底厚度为370mm

出渣口与出铁口

出渣口高度=0.18q/d2+h=0.18×2（0.7×0.7）+0.05=0.78米q——前炉铁水储存量

d——前炉内径

h——从铁水量水平线至出渣口之间的最小距离一般为0.05——

0.1m

出渣口至过桥下沿高度=1/3出渣口高度=0.26米

出渣口至径一般为30——60mm

除铁口直径一般为20——40mm

（五）送风系统

1、风口

风口大小：取f/F=2.5%-5%

f——风口总面积（平方米）

F——主风口处炉膛面积（平方米）

风口排数：2-5排

风口排距

所以选择风口排距为160mm每排风口数

所以每排风口数选4

风口斜度，一般为0——20度，每排风口由于距离炉底较近，所以斜度要小一些取0-5度

2、风管：风管截面积可按下列公式计算

f/F=W/60V

式中：f/F——风管截面积与炉

子截面积之比（已知）

W——冲天炉的送风强度

m3/㎡分。一般为80~90m3/㎡分

V——空气在风管中的流速，米/秒。一般为10~18米/秒。

由图可知送风强度与风量大小

3、冲天炉影响铁液温度的影响因素

1）焦炭对冲天炉铁液温度的影响

①焦炭成分：含碳量越高，发热量就越大，越有利

于铁液温度提高。

②焦炭强度与块度：块度大，燃烧面，温度低。块度小，燃烧快，高温区段，也不利于铁液的过热。

③反应能力：焦炭反应能力大，会促进CO2+C=2CO反应发展，从而降低温度。

2）送风对铁液温度影响

①风量的影响：提高冲天炉的进风量，可以提高进风速度和冲天炉内气体的流动速度，因而强化家滩燃烧，扩大氧化带及高温区高度，提

高炉气温度，从而提高铁液温度，但风量提高会提高燃烧速度，加快炉料的下移速度，易造成炉料预热不足，熔化区下移，过热高度缩短，又不利于铁液过热。冲天炉有一个合适的风量，成为最惠风。而最惠风的大小，主要取决于焦炭消耗率。如图铁液温度与较好与风量的关系。

②风速影响：提高冲天炉进风速度，可消除焦炭表面阻碍燃烧反应得灰渣，强化焦炭燃烧，提高陆琪最高温度。高速空气一深入炉子中心，可改善炉内炉气与温度的分布，减少炉衬损失，有利于铁液温度的提高。但，风俗过高对焦炭有吹冷作用反而会恶化燃烧反应，加大元素烧损，降低铁液温度。

③风温的影响：提高送入炉内空气的温度，由于增加氧化带的热量来源，可强化焦炭燃烧，提高燃烧速度和炉气最高温度。同时液缩短氧化区域加剧二氧化碳的还原反应，降低炉气燃烧比。风温越高，炉气最高温度也越高。

④风中氧气浓度的影响：提高送风中氧气的浓度，可加速底焦的燃烧速度并增加二氧化碳浓度，因而是氧化带缩短，还原带扩大，提高铁液温度。

3）金属炉料对冲天炉铁液温度的影响

金属炉料块度越大，所需预热和熔化时间越长，易造成熔化区位置下降，过热区高度缩短，因而不利于铁液过热。所以减少冲天炉内金属炉料块度，是提高铁液温度，炉子热效率的有效措施。4）熔炼操作参数对铁液温度影响

①底焦高度：太高，铁液温度高，但熔化率低。太低铁液温度低，

氧化严重，但熔化率高。

②焦炭的消耗量：焦炭消耗量应满足如下关系：每批层焦量=熔化

每批金属料的底焦烧损量；相当于每批层焦量的底焦燃烧时间=每批金属料的融化时间。

5）冲天炉结构参数对铁液温度的影响

①炉型的影响：与直筒型炉型相比曲线炉型的熔化区比较平直，

熔化区的平均位置较高。

②风口布置的影响：通常，将风口布置在冲天炉炉壁的送风方向，

而将风口设在炉子地步的称为底部送风或中央送风。一般小型冲天炉常采用侧向送风，结构简单，但炉壁效应影响大。对直径较大的炉子也可采取双排送风。

4、风箱：风箱截面积的计算方法同风管一样，用同一公式计算。流速为2.5~4.0米/秒。

（六）高炉内型参数

（七）冲天炉强化熔炼的主要措施

1）预热送风：热风能够强化底焦燃烧，提高炉温，从而提高铁液温度。

2）富氧送风：提高空气中氧的浓度，能使碳的燃烧反应的更剧烈，同时加快反应速度，因此对冲天炉焦炭燃烧过程起强化作用。

3）除湿送风：空气含有水分，如果不及时除去，会吸热降低炉温，还会加氢恶化铁液。

（八）冲天炉结构图

五、确定熔炼工艺过程

1、确定主要工艺参数

1）合理的送风强度是指每分钟内送入每一平方米炉膛截面积的风量。选择80~90m3/㎡*分之间。

2）合理熔化强度在正常情况应在7—10吨/平方米时范围内。

3）合理的底焦高度是指炉子第一排风口中心线至底焦顶面的距离。此值的大小对冲天炉熔化有直接的影响，如果底焦太高，铁水温度不够，熔化率会降低。底焦太高，金属料下降到底焦面上时，铁料温度

还较低而不能熔化，等过量焦炭烧掉后，铁料继续下降，才能熔化。还会使一氧化碳含量增加，加大热损失。太低，过热区域过短，因而使铁水温度降低。还会造成氧化严重。

因此底焦高度应使底焦顶面较炉壁开始侵蚀的平面高出100~200mm，在开炉过程中，底焦不断燃烧消耗，为保持底焦高度基本不变，则需要加入层焦量不断地补充。

2、熔炼前准备

在冲天炉的实际熔炼过程中，炉前质量的控制主要有新材料的试用，熔铁顺序安排，交界铁水的处理，炉前化学的控制等。

1）新原材料的试用

每当有新产地的原料，要正式投入使用前，必须进行试用。也就是在熔炼开始的一两批中，用新产地的原材料按所需的铸铁级别进行配料。除铁是，在炉前观察铁水槽中的火花形状与数量，管产三角试片的白口深度，浇注试块，以测定机械性能，并对这些资料做好记录，然后进行分析新产地的原料所得的火花形状，数量、白口和机械性能是否和原估计大致相同，以便确定能否使用后采用何种措施。

2）熔铁顺序的安排

就铁水而言，熔炼开始时温度铸件上升，在融化中期温度最高，到后期则有所下降。因此，低牌号铸铁因流动性好，浇注温度允许低一些，故都安排在前期熔化。高牌号铸铁由于流动性差，浇注温度要求高，因此都铎安排在熔炼的中期或后期熔化。

3、冲天炉的熔炼操作

冲天炉的操作主要包括修炉、点火、装料、开炉熔炼和停风打炉几个方面如下

1）修炉

冲天炉每次熔炼结束后，熔化带以下特别是风口区受到很大侵蚀，过桥、前炉和出铁口等处也由于受到铁水和熔渣的侵蚀，形状尺寸将发生改变。因此必须进行修理。修炉的材料用耐火砖，耐火泥。修炉的耐火材料一般用50~60%的石英砂和40~50%的耐火泥加适量水搅拌而成。用混泥机搅拌均匀，修炉时必须保证冲天炉和前炉直径、风口大小位置，形状和出铁口、出渣口大小、形状的正确性。

2）点火

在熔化开始前两小时进行点火。先从加料口装入木刨花然后加入木材和40%的底焦，再从点火洞塞入点燃的油棉纱将木柴点燃。这是把风口全部打开，自然通风，让底点着，待全部烧红后再加入50%的底焦，之后即可鼓风10分钟左右待全部烧红后停风，然后从风口将底焦捣实，测量底焦高度并用余下的10%的底焦来调整底焦高度，使之达到规定要求。如果底焦高度不够，必须补加。点火后操作者应注意不能围在加料口处浇油，以防止发生意外。

3）装料

核实好底料高度后即可进行装料。首先在底焦面上加入不少于批料熔剂量两倍的熔剂，以便与底焦中灰分造渣。然后缴入铁料、焦炭和熔剂。熔剂应加在炉子的中心以减少它对炉衬的侵蚀。所加入炉中的原材料的块度都应符合要求以避免产生故障。为了提高铁水温度、减少