金属液高效熔炼及处理工艺

优质高效铸造生产工艺及装备、材料成套技术中的第1小类技术为“金属液优质高效熔炼及处理工艺”，可供采用的工艺技术见表4-3。

表4-3 金属液优质高效熔炼及处理工艺

1.长炉龄水冷无（薄）炉衬冲天炉熔炼

（1）技术原理及主要内容 我国现有冲天炉约4万多台，铸铁熔炼70%使用冲天炉，但70%以上的冲天炉是每天打炉的3～5t/h的小型冲天炉。本项技术是一种适于组织大批量铸铁件生产的现代先进炉型及熔炼方式，可连续使用数周至十余周而无需修炉。由于避免传统冲天炉每天重复开炉-打炉-点炉的落后生产方式，铁液成分、温度等质量稳定，且可显著节能减排。

其主要技术特征是：无炉衬（≥10t的大型冲天炉）或薄炉衬（≤7t的中小型冲天炉）水冷炉壁；水冷金属风口。

根据生产纲领及具体情况，可分别采用冷风、炉顶（胆）热风、炉外热风等三种送风方式，在我国都有成功使用实例。

中小型冲天炉（≤7t）采用薄炉衬，在预热带至水冷风口之间敷设65mm厚（一砖厚）的高级耐火砖。≥10t的大型冲天炉采用无炉衬技术，即预热带至水冷风口区之间无炉衬，熔化过程中利用炉壁外的冷却水作用，使炉壁内侧形成约40～70mm的保护渣层，保证炉壳不发红、软化。

（2）使用效果

1）炉膛尺寸稳定，风口伸入炉内的位置稳定，可连续为铸铁件生产提供优质铁液，提高铸铁件质量和成品率；如采用外热风，铁液温度稳定达1500°C以上，化学成分稳定：w（C）±0.1%，w（Si）±0.1%。

2）大大降低打炉、修炉、点炉的能耗及人工成本，减轻修炉恶劣的工作环境及繁重的体力劳动。

3）显著降低炉衬的耐火材料消耗，吨铁液的炉衬综合费用降低80%以上。

4）减少CO₂排放，热风炉还可使CO排放趋近为0。

（3）适用范围 铸铁件的大批量流水生产。生产高牌号灰铸铁和球墨铸铁件时，常与中频感应电炉双联。

2.外热风冲天炉熔炼

（1）技术原理及主要内容 充分利用冲天炉废气中的物理热（200～350°C）及其中CO再燃烧的化学热，利用通风机的负压作用由冲天炉加料口下方将冲天炉废气引入燃烧室，在空气助燃下，令废气中CO充分燃烧，形成800°C左右的高温炉气，将送往冲天炉的空气（鼓风）加热到400°C以上（最高可达600～800°C），实现预热送风，加炔焦炭燃烧速度，提高热效率。

（2）使用效果。铁液质量高且稳定，可稳定达1500°C以上，C、Si含量（质量分数）误差在±0.1%；节能减排效果明显，以10t冲天炉为例，与常温送风冲天炉相比，在相同性能指标下，每熔炼1t铁液，可节约焦炭30%以上，少消耗石灰石20kg，减少CO₂排放量4.5m³，排放烟气中CO几乎为0，减少炉渣排放23kg。

（3）适用范围 大中型（≥5t）冲天炉的铸铁件批量生产。

3.冲天炉-感应电炉双联熔炼

（1）技术原理及主要技术内容 冲天炉具有连续熔炼、熔炼效率高的优点，但因过热效率低，因而铁液温度较低，成分易波动，将其与感应电炉双联，发挥了感应电炉过热热效率高（为60%，比冲天炉的7%高得多）和成分温度较易调节方面的优势。

冲天炉与感应电炉之间的连接方式，可由中间包转运铁液，也可通过流槽直接将冲天炉铁液流入感应电炉。后者，为防止熔渣进入感应电炉流槽上需设置渣铁分离器。

要根据感应电炉的功能目标恰当设计感应电炉容量与冲天炉容量之比：其容量比在侧重精炼过热时为0.5～1.8；侧重保温时为1～3；以贮存铁液为主时为4～6。

（2）使用效果

在各种铸铁熔炼工艺中是最为先进的工艺，与冲天炉单熔相比，具有以下优质高效、节能降耗效果：

1）原铁液的质量最先进、稳定：铁液温度可稳定达到1500°C以上，成分波动范围最小，且易于调节。

2）降低能耗15%～20%，另外可回收冷铁液，提高铁液的利用率。

3）如适当降低冲天炉出铁温度（由过热效率极高的感应电炉去完成过热任务），可相应提高冲天炉的熔化率。

4）能可靠实现铁液的供求平衡，把停工损失减至最小，并可最大限度的发挥出冲天炉的熔炼能力。

5）在两班工作时，可利用感应电炉存储铁液，使次日上班就有铁液供浇注使用，提高工作效率。

与感应电炉单熔相比，化学成分及温度调节更容易掌握，波动范围小。

（3）适用范围。大量流水生产高牌号灰铸铁件及优质球墨铸铁件。

4.多供电（“一拖二”或“一拖三”）中频感应电炉熔化

（1）技术原理及主要内容 感应电炉熔化的原理是利用电磁感应将金属炉料直接加热至熔化，分工频（50Hz）感应电炉及中频（常用频率为900～3000Hz）感应电炉两种。与工频感应电炉相比，中频感应电炉具有功率大、熔化速度快、操作方便、不用起熔块等优点，特别是采用可控硅变频电源替代发电机组后，由于电源频率和电力输入能自动适应炉内炉料的状态，可自动变频运行，因而节能效果好，已逐步取代工频感应电炉成为感应熔化的主要设备。

中频感应电炉熔化的最新进展为：采用具有无功补偿功能的可控硅晶闸管反馈串联谐振电路及高电压大电流整流逆变技术、运行功率分配技术等，形成一台变频电源（变压器）可同时向两台或三台感应电炉供电进行连续长时间相同或不同作业的熔炼方式。

（2）使用效果

1）中频感应电炉熔化与冲天炉熔炼（铸铁件生产）、电弧炉熔炼（铸钢件生产）、坩埚炉熔炼（有色金属件生产）相比，元素烧损很小，节材效果显著，操作简便，优质高效，金属液成分及温度调整十分容易，烟尘排放量及浓度大幅度降低，熔炉周围热辐射小，显著改善了作业环境及对大气的污染。

2）中频感应电炉熔化与工频感应电炉熔化相比，熔化速度快，节约电能10%～15%。

3）多供电（“一拖二”或“一拖三”）中频电源与单供电（“一拖一”）相比，节能15%～25%，同时节省设备占用厂房面积15%～25%。

（3）使用范围 中小型高牌号灰铸铁、球墨铸铁、铸钢（特别是熔模铸造）件生产厂。

5.电弧炉强化脱氧（加氧助熔和复合脱氧剂的沉淀脱氧）工艺

（1）技术原理及主要内容 氧化是电弧炉炼钢过程中不可缺少的精炼手段，借助氧化作业，实现脱磷、脱氢、脱氮、清除非金属夹杂物等。但是氧化作业终了后，必须将氧完全脱除，否则将会严重损害钢液质量。所以在不采用炉外精炼的生产条件下，强化脱氧是确保铸钢件内在质量和改善表面质量的重要措施。其主要技术内容有：

1）氧化期加氧助熔，充分发挥氧化精炼的作用及效果。

2）预脱氧。氧化作业终了后，加入锰铁和硅铁进行沉淀脱氧。

3）炉内保持还原性气氛，确保出钢前，炉渣中FeO含量（质量分数）<0.5%。按工艺要求造还原渣，每次开启炉门，均应向渣面上撒焦炭粉和硅铁粉混合物（低碳钢只用硅铁粉），出钢前检测FeO含量（圆杯试样或仪器检测）。

4）复合脱氧剂的钢包内终脱氧。铝与硅钙合金或硅钙钡合金脱氧效果最好。

（2）使用效果 实施强化脱氧，可取得如下效果：

1）避免因碳-氧反应而产生的气孔缺陷；

2）避免凝固过程产生的FeO偏析于晶界，从而提高钢的力学性能，尤其是塑性和韧性。

3）大幅减少铸钢件表面的宏观夹杂物缺陷，提高铸钢件的表面质量。如吨铸件焊补用焊条消耗量大幅减少；铸件清理、精整工作量大幅降低。

（3）适用范围 不采用炉外精炼的中、小型电弧炼钢炉。

6.纯净铸钢炉外精炼工艺

（1）技术原理及主要内容 炉外精炼工艺过程是先在普通电弧炉或感应电炉中进行钢的初炼（熔化炉料和脱磷、脱氢、脱氮等），而将其后的精炼（脱碳、脱硫、脱氧等）移在专门的精炼设备中完成。

炉外精炼的具体方法（工艺）有：

1）氩氧脱碳精炼（AOD）法。

2）真空吹氧脱碳精炼（VOD）法。

3）钢包电弧加热精炼（LF）法。

4）钢包喷粉精炼（SL）法。

5）钢包精炼（ASEA-SAF）法。

（2）使用效果

1）优质高效。实现“清洁铸钢”要求，大幅提高钢的纯净度及铸钢件的力学性能和使用性能及一次检验合格率。炉外精炼的本质特征是在炉外以真空和惰性气泡来代替在电炉内以一氧化碳气泡实现精炼过程，不仅可免除采用脱氧剂进行脱氧的工艺要求，还使钢的纯净度及产品合格率大幅度提高。

2）缩短炼钢时间，节能效果显著。由于显著缩短炼钢还原期时间，可使还原期能耗降低50%，电炉熔化率提高50%。

3）减少合金元素烧损，节材效果显著。合金元素改在炉外精炼过程加入，在真空或惰性气体作用下，合金元素损耗极其轻微，收得率极高。(www.xing528.com)

（3）使用范围 用于超低碳不锈铸钢件、热强及耐热铸钢件、承压铸钢件、超高强度铸钢件的生产。

7.铝合金炉料预热、熔化、保温一体化熔炼

（1）技术原理及主要内容 又称铝合金连续熔炼系统，是以常规的气体燃料（天然气、石油气）反射炉为基础，集预热、熔化、保温于一体的铝合金熔炼保温系统。其主要特点是：

1）利用熔化废气对炉料预热及除污。炉料从炉顶加料口加入，利用熔化废气对炉料预热同时除掉附着在炉料上的油污和水污，从而降低铝液的含氢量、熔炼能耗及铝的烧损率。

2）短流程，熔化、保温一体化。炉料在熔化室熔化后即刻流入保温池，回炉料中难熔的钢铁嵌件或其他高温材料则被留在熔化室底而易于分离排除，确保铝液纯净。

3）炉衬采用优质耐火材料，可三班连续运行，4～8年不用更换。

（2）使用效果 与常规反射炉相比：

1）铝液纯净，含氢量低，质量（温度、成分）稳定，铸件一次检验合格率高。

2）节能20%～50%（熔化吨铝液能耗由120～150kg降至75～95kg标煤）。

3）铝的烧损率由3%降至0.8%～1.5%，烟尘排放大幅降低。

4）易于重熔浇冒口等回炉料。

（3）适用范围 大批量铝合金铸件（如缸体、缸盖、活塞、轮毂、气动元件等）生产。

8.高炉铁液直接生产铸铁件（短流程铸造）

（1）技术原理及主要内容 高炉铁液作为金属炉料直接进入中频感应电炉（或者先入混铁炉再到中频感应电炉）进行温度、成分调整合格后，直接作为铸造生产的原铁液经适当球化、孕育处理后浇注离心铸管或异型铸件，免去常规铸铁件生产中生铁锭重熔环节，是一种优质高效、低耗清洁的短流程铸造工艺。

（2）使用效果

1）优质高效。铁液连续供应，质量稳定，成分、温度易于调节，类似冲天炉-感应电炉双联，但可免去冲天炉熔炼环节，铸件成本可降低10%左右。

2）节能减排效果十分显著。以年产10万吨铸铁件计，与冲天炉熔炼相比较：

①年节约14466吨标准煤。

②年减少合金元素烧损10%，增加经济效益3900万元。

③年减少烟气排放量12800万m³，其中：减少烟尘：448～1920t；CO：1280～15300t；SO₂：12.8～76.8t；HF：128～448t。

（3）适用范围 球墨铸铁及灰铸铁离心铸管生产及某些球墨铸铁、灰铸铁异型铸件生产。

9.铸铁原铁液预处理技术

（1）技术原理及主要内容 球墨铸铁生产特别是高牌号球墨铸铁生产中，原铁液的含硫、氧量对球化质量及力学性能有很大的影响。在球化处理前，加入一定量的预处理剂，对原铁液进行预处理，使铁液中的硫、氧含量降低并减少波动，同时形成较多的结晶核心，可显著的降低球化剂消耗，球化效果稳定，石墨球细小，提高球墨铸铁件的力学性能，特别是其低温韧性和塑性。

（2）使用效果 可降低球化剂加入量20%，并显著提高球化效果，提高球墨铸铁件的力学性能，特别是伸长率、冲击韧性及低温性能。

（3）适用范围 高牌号球墨铸铁件生产，特别适用于要求低温冲击韧性的风电、铁路机车球墨铸铁铸件（QT350-22L、QT400-18L）生产。

10.铸铁件原铁液瞬时孕育

（1）技术原理及主要内容 孕育处理是铸铁生产中提高强度、改善石墨的形状、大小及分布，减小白口倾向、细化共晶团的有效手段。在铸铁生产中得到普遍应用。

但是孕育作用随铁液保持时间的延长而衰退。因此，除了在原铁液出炉时需进行一次孕育外，在铁液进入铸型的同时或瞬间，应再进行一次孕育，以保证孕育效果，称为瞬时孕育。瞬时孕育的方式主要有：浮硅孕育、随流孕育、型内孕育及浇口杯孕育等。

（2）使用效果

1）显著减少因孕育衰退造成白口增多、力学性能不合格而产生的废品。

2）对于球墨铸铁和蠕墨铸铁，还可增强球化、蠕化效果，防止球化、蠕化衰退。

3）生产铸态铁素体球墨铸铁的有效措施之一。

（3）适用范围 普遍适用于高牌号（HT250及以上）灰铸铁件及球墨铸铁件、蠕墨铸铁件生产。

11.高吸收率新型球化处理工艺

（1）技术原理及主要内容 在球墨铸铁生产中，传统的冲入法球化处理工艺虽然操作简便但是因为稀土镁球化剂反应时直接与空气接触，因而存在镁吸收率低（只有30%～40%）、球化质量不稳定且产生严重镁光、烟尘污染等问题，几种新型球化处理工艺（盖包法、喂丝法、转包法等）的技术原理在于球化剂进行球化反应时与空气实现不同程度的隔绝，从而达到稳定球化质量、节材减排的效果。主要方法有：

1）盖包法。在传统的冲入法处理包上安装盖式中间包承接原铁液，通过中间包底部浇口直径控制铁液流量，从而提高镁的吸收率，减轻镁光与烟雾。

2）喂丝法。采用喂丝机将芯线（芯线是0.2～0.4mm厚钢板包裹稀土镁合金粉末制成）以一定速度插入原铁液中，使球化反应在包底进行，以提高镁的吸收率，并减少镁光及烟雾。

3）转包法。转包横卧，装有纯镁的反应室位于转包底部上方。浇入高温（1500°C）原铁液后，转包直立，铁液通过反应室上下孔进入反应室将镁气化。通过反应室孔的尺寸和位置，自动调整反应室内镁蒸汽压力和反应速度，控制镁蒸汽逸出铁液的速度，提高镁的吸收率。

（2）使用效果

1）盖包法操作简便，与冲入法相比，镁光及烟尘显著减轻，镁吸收率为40%～50%。

2）喂丝法与冲入法相比，镁光与烟尘显著减轻，镁吸收率可达45%～55%。

3）转包法与冲入法相比，镁光与烟尘大幅度减轻，镁吸收率可达60%～70%，且可成功处理含硫量高（w（S）≤0.15%）的原铁液。

（3）适用范围 喂丝法宜用于大型球墨铸铁件生产厂，转包法适用于中小球墨铸铁件大批量连续生产企业，盖包法应用范围较广，包盖的结构应随生产条件不同作相应改变。

12.铝合金惰性气体无毒精炼及锶长效变质的一次处理工艺

（1）技术原理及主要内容 铝合金液浇注前须进行精炼（除氢）及变质（细化初生硅和共晶硅）处理。综合采用惰性气体（氮气或氩气）精炼及锶变质剂（含锶5%或10%AL-Sr合金）变质的处理工艺，是一种优质高效、节能环保型精炼-变质一次性处理工艺，其主要特点是：实现无毒精炼变质，避免使用含氯精炼剂（氯气、氯化锌、六氯乙烷、四氯化碳等）及含氯、氟等有害元素的钠盐变质剂存在的严重大气污染；并可实现精炼-变质一次同步完成，变质有效时间长（可达6～8h），质量好，成本低，可节能40%～50%。

（2）使用效果

1）优质高效。精炼-变质同步完成，质量稳定。

2）杜绝含氯精炼剂及含氯、氟变质剂存在的严重大气污染（CI₂、HCI、AlCl₂）。

3）精炼-变质一次同步完成，节能40%～50%。

（3）适用范围 大批量铝合金铸件（缸体、缸盖、活塞、轮毂、气动元件等）生产。

13.金属液过滤净化技术

（1）技术原理及主要内容 在浇注系统的适当位置（如：浇口杯或直浇道的某个截面）事先安放泡沫陶瓷过滤片或直孔过滤片，在浇注时，液态金属流经过滤片，由于其是立体三维结构，强度高，过滤效果好，可以有效地去除金属液中的夹杂物，明显降低铸件夹杂类废品率，提高其力学性能和机械加工性能。

（2）使用效果

1）显著降低铸件夹渣类废品率，平均废品率可降低1.5%。

2）提高铸件力学性能及机械加工性能。

（3）适用范围 各种铸造合金砂型铸造各种铸造方法。

14.铸态球墨铸铁成套生产技术

（1）技术原理及主要内容 球墨铸铁由于具有十分优异的综合力学性能，获得越来越广泛的应用。在石墨的球化等级大致相同的条件下，其综合力学性能及牌号高低主要取决于基体组织。根据球墨铸铁国家标准，其综合力学性能共分19个等级（牌号）。除五个奥铁体基体组织的牌号（QDT800-10～QDT1400-1）必须通过等温淬火及QT900-2牌号必须通过正火（或淬火）+回火热处理获得外，其余13个以不同比例铁素体和珠光体为基体的牌号均可以通过严格控制化学成分（C、Si、Mn、P、S五大元素）、添加合金元素、采用复合孕育、控制铸件冷却速度等综合措施，使铸件铸态即可达到标准要求的基体组织和综合力学性能，从而分别取消正火、不完全正火或退火等热处理工序，实现优质高效和节能减排。其中易于实现稳定生产的球墨铸铁牌号为：QT400-15、QT450-10、QT500-7、QT550-5、QT600-3、QT700-2等六个等级。

（2）使用效果 取消热处理工序后（本项成套技术不需增加硬件措施，只需调整化学成分及生产工艺），每吨球墨铸铁铸件平均可节约标煤100～180kg，节约热处理费用约600元，还可减轻环境污染及员工的体力消耗。取消热处理对大型球墨铸铁件（如风电铸件）更有现实意义，可节省大型热处理设备投资。

（3）适用范围 上述六个牌号等级的球墨铸铁件应大力采用；另外七个牌号等级应通过工艺试验优化工艺参数后积极采用。