（1）冲天炉的基本结构及其禁忌

1）冲天炉是铸铁熔炼中应用最广的一种炉子，不可不了解其基本结构。用于铸铁熔炼的熔炉类型较多，有冲天炉、非焦（煤粉、油、天然气）冲天炉、电炉、反射炉、坩锅炉和冲天炉与电炉双联等方法，其中以冲天炉熔炼的应用最为广泛，因为这种熔炼炉具有结构简单、设备费用少、电能消耗低、生产率高、成本低、操作和维修方便，并能连续进行生产等许多优点。

冲天炉的类型很多，但基本结构（参见图3-58）大体相同。常用的冲天炉由四部分组成：炉底部分、炉身部分（包括送风系统）、前炉部分、炉顶部分（烟囱及除尘系统），此外，还有相应的附属装置，包括上料机、称料及运料设备、炉前处理设备、修炉起重设备和通风、除尘、消音、降温设备，以及专用检测、记录仪表等。

图3-58 冲天炉结构简图

1—支柱炉脚 2—炉底板 3—炉底门 4—风口窥视孔 5—风箱 6—耐火砖 7—加料口 8—烟囱 9—除尘器 10—风口 11—过桥 12—前炉盖 13—前炉窥视孔 14—出渣口及出渣槽 15—出铁口及出铁槽

①炉底部分：由炉脚（支柱）、炉底板和炉底门组成，其中炉底门有单扇和双扇两种结构形式。炉底的作用在于对整座冲天炉和炉料柱起支撑作用，并满足熔炼结束后，打炉清理余料和修炉的要求。

②炉身部分：是冲天炉的基本组成部分，系指从炉底向上至加料口下沿各组成部分，炉料的预热及整个熔化过程都在此进行，它由炉缸、风箱和炉筒组成。其中，加料口下缘至第一排风口中心线之间的炉体高度称为有效高度，其内部空腔称为炉膛，是冲天炉主要工作区段，起容纳炉料，并确保熔炼过程在其中正常进行的作用。第一排风口中心线至炉底之间的炉体称为炉缸。有前炉的炉缸，其主要作用是保护炉底，汇聚铁液和炉渣使之经过桥（过桥是连接冲天炉及前炉的通道，由耐火砖砌成）进入前炉。无前炉的炉缸，则主要起储存铁液的作用。它的下部有流出铁液的出铁口，炉缸侧面开一工作门，作为点火及修炉时传递修炉材料用。送风系统则是指自鼓风机出口至风口出口处为止的整个系统，包括进风管、风箱、风口及鼓风机输出管道。其作用是将足够量、并具有一定压力的空气送入冲天炉炉膛。

③前炉部分：前炉安装在炉身前方，通过过桥与炉身相连。前炉由钢板制成的外壳和耐火材料砌制的炉衬两部分组成。前炉的作用是储存铁液，并使铁液的化学成分和温度更加均匀，还能减少铁液从焦炭中吸碳和吸硫的机会，从而改善铁液的质量。前炉底部开设出铁口，炉侧中下部开设出渣口，正面与过桥口对应处开设过桥窥视孔，前炉上端盖有炉盖，以减少金属液热量的散失。前炉的大小主要取决于冲天炉熔化率的高低，同时也考虑到车间生产大件需要的铁液量。一般生产中、小铸件的车间，前炉能储存0.5～0.6h所熔化的铁液量即可满足生产要求。若为适应生产大件等特殊情况，则可加大至能储存1h以上所熔化的铁液量。

④炉顶部分：包括烟囱及除尘系统。烟囱是炉身的延长部分，在加料口上部，其作用是将冲天炉内的气体、粉尘、焦炭碎粒和火花等引至炉顶，并加以收集；同时也有助加强冲天炉内的气体流动。它一般由钢板制成的外壳和耐火砖砌制的炉衬两部分组成，顶部设有除尘装置，分干法和湿法两种。干法除尘在炉顶装上火花捕集器；湿法除尘在炉顶部位装上除尘装置。

2）冲天炉加料口下沿的炉壁不得用耐火砖或耐火材料作炉衬。冲天炉加料口处的炉壁工作温度通常不高，约为350～400℃，但加料时，该处要承受炉料包括铁料的频繁强力撞击，如果用耐火材料或耐火砖筑砌成炉衬，则因其强度较低，不耐冲击，承受不了这样的重力撞击，很易损坏，导致使用寿命过短，严重影响冲天炉的正常作业。为此，加料口下700～1000mm之内的炉壁，必须由强度高、耐冲击的钢板圈或空心铸铁砖构筑，以确保有长的使用寿命。

3）冲天炉的有效高度不宜过高或过低。冲天炉的有效高度是指冲天炉第一排风口中心线到加料口下沿之间的距离。其高度（H_有）的大小与冲天炉的吨位（即冲天炉生产率，通常称熔化率，系指冲天炉每小时能够熔化金属炉料的质量，单位t/h）有关，而冲天炉的吨位又与熔化带处炉膛内径（D_内）有关。从生产实践中得出的冲天炉的有效高度H_有与冲天炉熔化带处炉膛内径D_内之间有接近正比的关系，即：H_有=（4.5～8）D_内或H_有/D_内=4.5～8.0。具体选定有效高度H_有值大小时，关键在于确定H_有/D_内比值的大小，与以下因素有关：

①炉径越大，也即吨位越高，H_有/D_内比值应越小，主要原因是炉径大、吨位高的大炉，用的铁料块度也大，如果所用的焦炭强度不足，而制定的有效高度H_有过高，加料时铁料会砸碎底焦，使炉膛中心处的风量不足而降低温度。

②大间距双排风口冲天炉，H_有按表3-73选定后应再增加300～500mm。

表3-73 冲天炉有效高度H有

③单排风口供风的冲天炉，H_有选表3-73中数值低限；三排风口或多排风口供风冲天炉，H_有选高限。

④焦炭块度大，质量好时，H_有选值适当增加；反之，H_有应选小值。

当具体制定冲天炉有效高度H_有时，如果选定的H_有过小，将导致加料口火焰大，预热带短，炉料预热不充分，热效率低，从而不可能熔制出高温优质铁液。

从冲天炉内的热交换看，冲天炉的工作过程是焦炭燃烧放出热量和金属炉料吸热熔化并过热的过程。在冲天炉内的炉气气氛、炉气温度、金属温度的变化曲线如图3-59所示。由于焦炭燃烧形成了炽热的焦炭表面和向上运动的高温气流，而从加料口投入的铁料，则自上向下移动，根据金属（铁料和铁液）受热状况和炉气变化情况，可将冲天炉内沿炉身高度方向划分为预热区、熔化区、过热区和炉缸区四个区域（见图3-59）。其中预热区是指从加料口下沿的炉料面开始，到铁料开始熔化的位置这段炉身高度。在正常操作条件下，预热区的焦炭被加热，逸出挥发分，但不燃烧；预热区下端炉气温度可达1200～1300℃，上部加料口的炉气温度会降至约为200～500℃，炉气的热量主要以对流传热方式传给铁料表面，然后铁料自身从高温表面通过传导传热方式将热量传到铁料块的内部。从其传热量来看，铁料在预热区，从初始加料时的温度约20℃，到达约1200℃开始熔化，所需传递的热量，约占铁料从20℃加热达到1400℃的总热量的65%左右，可见预热区需要高温炉气传递给炉料的热量是很大的；而熔化区则是指铁料开始熔化到熔化完毕这一段炉身高度，实际上，也就是底焦顶面高度的波动范围，其高度大致等于层焦的厚度。铁料在底焦顶面（1200～1300℃）熔化、造渣。在熔化过程中，底焦因燃烧消耗而下降，铁料也随之下移，逐步熔化。其热交换方式与预热区相似，也是以对流传热为主；过热区则是指铁料熔化后，以液滴的形式流经底焦燃烧带（即还原带和氧化带）时，炽热的焦炭与高温炉气（约1700℃）把热量传递给铁液滴，使铁液温度升高（通常可提高350℃左右）。当铁液经过炉气的最高温度区域后，尽管铁液仍继续受到过热，但随炉气温度逐渐降低，铁液温度的升高也越来越慢，一直到铁液温度等于炉气温度时，炉气和铁液之间的热交换达到了相对平衡，平衡点就是图3-59上的a点。熔化区以下到a点所在平面的区间就称为过热区（为了方便起见，过热区通常从冲天炉第一排风口中心线向上计量）。过热区的热交换方式，是以焦炭与铁液接触传导传热为主。至于炉缸区，对高温铁液来说，则是一个冷却区，因为在一般操作条件下，冲天炉炉缸内虽有焦炭，但基本无空气供给，焦炭几乎不燃烧发热。炉缸越深，冷却作用越大。

从冲天炉内的上述热交换可知，如果冲天炉有效高度H_有太矮，预热区高度也将会明显降低，高温炉气在预热区与炉料接触的时间就会显著减少，不仅会使高温炉气离开预热区时的温度提高，导致热利用率很低，而且铁料也因与高温炉气接触时间太短，得不到充分预热，本应该熔化的却熔化不了，势必会降低熔化区的高度，也会减小过热区的高度，使铁液得不到充分过热，也使铁液本身不能很好地净化，将无法熔制出合格的铸铁铁液，因此冲天炉的有效高度H_有 决不可过低。但选定的有效高度H_有 值也不宜过大，因为过大，易产生棚料，压碎焦炭，增加进风阻力，同时使加料台增高，增加了基建投资。

图3-59 冲天炉工作过程原理图

4）冲天炉内的燃烧过程是在底焦中进行的，不可忽视炉内所进行的化学反应。为使焦炭的热能得到充分利用，要求炉气中二氧化碳的比例大，焦炭的燃烧完全，但是为了保证铁液质量，还是切忌氧化性太高。冲天炉内的燃烧过程是在底焦中进行的，其燃烧反应在焦炭表面进行。因条件不同，碳和氧之间要发生四种不同反应。从而可将底焦燃烧划分为氧化带、还原带两个反应区段，如图3-59所示。其中，从主排风口到自由氧基本耗尽，CO₂浓度达到最大值的区域，叫氧化带。在氧化带这一区域，当空气供给充足时，发生完全燃烧反应：C+O₂=CO₂+34070kJ/kgC当空气供给不充足时，发生不完全燃烧反应：C+1/2O₂=CO+10270kJ/kgC当CO又遇到空气时，则会再次燃烧继续放出热量：

CO+1/2O₂=CO₂+23800kJ/kgC

以上反应均为氧化放热反应，可见，在氧化带内：

①焦炭燃烧生成的炉气，既有CO₂（二氧化碳），也有CO（一氧化碳），但主要是CO₂。

②从主排风口开始，随着炉气的上升，反应不断进行，炉气中的氧逐渐减少，CO₂不断增加；当上升到氧化带顶面时，炉气的氧基本耗尽，氧化反应终止，CO₂达到最高值。

③由于上述反应放出大量的热量，因此上升的炉气温度也不断增高，并于氧化带顶面达到最高点。

除以上氧化放热反应外，焦炭燃烧过程中还有一个还原吸热反应，即如图3-59所示的还原带——从氧化带顶面至炉气中二氧化碳和一氧化碳含量基本不变的区域发生的反应。在该区域中，CO₂与高温的焦炭发生还原吸热反应：

CO₂+C=2CO-12628kJ/m³CO₂

可见，在还原带内（参见图3-59）：

①随着还原反应的不断进行，炉气中的CO₂逐渐减少，CO不断增加，炉气温度随之下降。

②当炉气上升到底焦顶面时，与下降的金属铁料和层焦相遇，由于熔化金属料、预热焦炭，使炉气温度继续下降。此时，还原反应也基本停止，CO₂和CO的含量不再改变。

③还原带以上到加料口下沿，炉气在上升中成分不再变化，温度因预热炉料而不断下降。

可见，炉气中CO的比例越大，其化学热损失也越大。但是为了减少硅、锰等元素的氧化烧损，保证铁液冶金质量，炉气中要有一定数量的CO。炉气中CO量的多少，不仅说明焦炭燃烧的完全程度如何，同时也表明了炉气氧化性的高低，对熔炼过程的热效率和冶金作用有着重要影响。也就是说，在炉气中，CO₂的比例越大，焦炭的燃烧就越完全，焦炭的热能就越得到充分利用，同时也表明炉气的氧化性也越高。炉气中CO₂和CO的比例关系通常用燃烧系数η_v表示

η_v=[（V_CO2）/（V_CO2+V_CO）]×100%

式中 、V_CO——分别为炉气中CO₂和CO的体积分数（%）。从充分利用焦炭能量的角度来看，燃烧系数η_v越大越好，焦炭的燃烧也越完全，获得热量也越多。但是从炭燃烧热力学特性看，燃烧产物中存在着CO是不可避免的。更重要的是在冲天炉熔炼过程中，为保证铁液质量、减少合金元素氧化烧损，要求炉内为弱氧化性气氛，也即燃烧系数不能太高。通常应控制在40%～60%的范围内。

5）不可忽视炉气在冲天炉内的分布不均匀性。冲天炉开风后，由风口进入炉内的空气与底焦发生燃烧反应，产生热量。由此而生成的高温炉气穿过炉料向上流动，对炉料加热。炉气在上升过程中有自动趋于沿炉壁流动的倾向，这种现象称为炉壁效应，如图3-60所示。

炉壁效应是由于炉内阻力不均匀造成的。由炉料与炉壁形成的通道，因炉壁平滑，空隙大，行程短，曲折少，所以对气流的阻力也小；而炉料之间的气流通道，由于炉料的互相堆叠、楔合，曲折多，流程长，阻力也就大，因而在冲天炉的纵截面上，离炉壁越近，炉气的流量、流速就越大；而在炉子中心部位，则炉气流量小，流速低，致使炉气的平均流线向炉壁方向偏移，如图3-60a所示。在冲天炉横截面上（见图3-60b），在风口区前缘，由于空气流速高，流量大，形成了强烈的燃烧区；而在两个风口之间的区域，则由于空气量少，形成所谓“死区”A。此外，来自风口的空气流，因焦炭的阻力，炉壁效应，使空气难以深入炉子中心，因而也形成“死区”B。所以，在冲天炉风口区域的炉膛截面上，无论沿纵向或横向，炉气分布都是不均匀的。

这种炉气分布的不均匀，直接造成底焦燃烧不均匀，炉温分布不均匀，给熔炼带来不利影响。如：不易形成集中的高温区，不利于铁液过热，铁料熔化不均匀，料柱不能平稳下降，容易混料，影响铁液成分；增大炉壁的散热损失，降低炉子的热效率；加速炉衬侵蚀。因而应设法防止或改善，可采用适当增大焦炭块度，改变送风方式，如采用我国研制的蜗旋风箱、龙卷风口技术，风口数取奇数，非对称性布置，小风口送风、中央送风、插入式送风等，以及采用曲线炉膛等措施，均可以有效改善炉气分布。

图3-60 冲天炉内炉气分布示意图

1—炉衬 2—风口

6）冲天炉的炉膛类型不同，其炉膛内径的确定决不可脱离所需要的铁液量，也就是不可不与冲天炉熔化率密切相关。冲天炉炉膛的炉型，有当前受到较广泛采用的直筒型炉膛，其炉膛内径上下一致；也有采用炉膛内径上下有变化的曲线炉膛。后者，也即曲线炉膛，有三种类型，即倒瓶型、灯罩型、高炉型三种，如图3-61所示。不管选定何种炉型，其炉膛内径的确定，均应按生产所需铁液量或根据冲天炉熔化率来确定。当按生产所需铁液量来确定炉膛内径时，可用下式计算

式中 D_内——直筒型炉膛内径，如果为曲线型炉膛内径，则取熔化带内径（下同）（m）；

G——熔化率（t/h）；

S——熔化强度，系指每平方米炉腔（一般指熔化区）截面积的熔化率「t/（m²·h）]。熔化强度一般在6～10t/（m²·h）内选取，它与送风强度和焦耗有关，而焦耗又和所要求的出铁温度、焦炭质量有关。在设计曲线炉膛时，熔化带处的熔化强度一般可按6～8t/（m²·h）计算。对炉膛内径，也可根据熔化率参考图3-62直接选定。其中曲线炉膛三种类型（参见图3-61）有关尺寸为

D₁=（1.1～1.2）D_内

D₂=（0.7～0.8）D_内

H≥D_内

h=50～100mm

图3-61 曲线炉膛

D₂＜D_内＜D1

图3-62 冲天炉内径与合适熔化率的关系

7）我国的焦炭质量较差，块度偏小，采用的冲天炉风口区炉膛截面不可偏大。炉型影响着炉气沿炉膛截面的分布，从而影响炉内的热交换。针对我国的焦炭质量较差，块度偏小的情况，在选定冲天炉炉型时，宜采用冲天炉风口区炉膛截面缩小的炉型，而不是采用扩大的炉型，这样才有利鼓入的风容易进入炉膛中心，使底焦沿炉膛截面的燃烧比较均匀，有利于改善炉内的热交换。与直筒型炉型相比，曲线炉型其风口区炉膛截面缩小，可减少冲天炉熔化区中心下凹倾向，熔化区平均高度上移，图3-63所示是我国目前采用的炉型中的四种典型炉型。其中图3-63a、图3-63b两种炉型基本相似，风口区炉径缩小，有利于鼓入的风进入炉膛中心；同时，加料口至熔化区有一倾斜度，上小下大，既有利炉料均匀下降，防止卡料事故，也可削弱预热区内的炉壁效应，改善炉内热交换条件，从而有利铁液的过热。图3-63c所示为中央送风冲天炉的炉型，对大炉径冲天炉比较有利。其供风部位安置在炉缸中央，使燃烧区集中于炉膛中心，可削弱炉壁效应，对改善底焦燃烧和炉内热交换有利。图3-63d所示为卡腰型冲天炉，它采用小间距、大斜度（30°～45°）风口，为在炉膛中心形成集中燃烧的高温区创造条件。所以卡腰型冲天炉也可取得较好效果。从发展趋势看，随着焦炭质量改进，两排大间距风口冲天炉（图3-63b），将有更广泛的应用。

8）熔炼低碳铸铁时，炉缸的深度不宜过深。炉缸的深度是指炉底上表面中心至第一排风口中心线间的距离（见图3-58），此值与炉子结构、有无前炉、要求铁液碳含量及炉子大小有关。对于无前炉的冲天炉而言，炉缸内储存的铁液浸泡着焦炭，炉缸过浅，冷风直吹炉底，影响铁液温度；过深则铁液增碳严重。炉缸愈深，炉缸内铁液保存的时间愈长，增碳也愈严重。故熔炼低碳铸铁时，应尽量缩短炉缸的深度，小于5t/h冲天炉，一般取100～150mm。当熔炼的不是低碳铸铁时，无前炉冲天炉的炉缸深度，应根据一次最多出铁量计算。一般储存铁液量应小于炉子熔化率的30%。此时炉缸深度可按下式计算h_缸=（2/A_缸）×[（W_铁/γ_铁）+（W_渣/γ_渣）]

式中 h_缸——炉缸深度（m）；

A_缸——炉缸截面积（m²）；

W_铁——炉缸储存铁液的质量（t）；

γ_铁——铁液密度，取7t/m³；

W_渣——与铁液质量相应的炉渣质量（t），一般每吨铁液约有0.1t炉渣；

γ_渣——炉渣密度，取2t/m³。

为了避免炉渣溢入风口、风箱和鼓风吹冻炉渣，炉缸深度在计算值外应再增加100～150mm。

图3-63 我国冲天炉的四种炉型

1—冲天炉 2—风口

9）当选定冲天炉送风系统的风口比值时，为确保铁液熔炼质量，切忌不考虑供风强度或供风量、炉膛内径的大小及焦炭质量、配用风机等的差异。冲天炉风口总截面积的大小通常由风口比（n_风）确定。风口比（n_风）即风口总截面积（∑A_风）与熔化带处炉膛截面积（A_内）的比值

n_风=∑A_风/A_内

式中∑A_风和A_内的单位为m²。在能保证所需风量的基础上，风口比是控制进风速度的手段。国内许多冲天炉多采用小风口，其n_风一般为n_风=3%～7%（小风口），而大风口冲天炉的n_风=8%～20%（大风口）。根据试验，出口风速在30～50m/s范围内，对强化燃烧和改善炉内温度分布有明显的效果。风口比选择可参见表3-74、表3-75和图3-64并与下列因素有关：

①与焦炭质量和块度大小有关。标准铸造焦n_风=3%～7%，标准冶金焦n_风=6%～7%；小块焦炭和灰分质量分数高于12%时，n_风=3%～5%。这是因为适当的进风速度是焦炭良好地扩散燃烧的必要条件。焦炭的块度越小或强度越差，灰分越多，越需要较大的风速。因为进风速度高，可冲散焦炭表面上的妨碍燃烧反应的灰分，强化底焦的燃烧。再者灰分高的焦炭易于结渣，小风口送风可使焦炭直接接触冷风的区域小，使其不容易结成大块。

图3-64 冲天炉炉膛内径和风口面积选择的关系

表3-74 供风强度与极限风口比关系

表3-75 不同直径冲天炉的风口比

②与冲天炉配用风机的性能有关。采用定容式风机（罗茨式或叶式风机）时，风口比可选低限，采用定压式离心风机时应选高限。这是由于风口比选低限，也即采用较小风口后，尽管提高了进风速度，风易进入炉中心，从而可改变炉壁处炉温局部过高现象，可减少炉壁熔蚀，可延长炉子连续工作时间，但带来的主要问题是，为保证足够的送风量，就需要提高送风风压，一般要达7～14kPa，这必须使用高风压供风的鼓风机，即定容式风机才能达到；如果仍采用风压较低的离心式鼓风机，则会由于风口过小，风口阻力大，会使向炉内供风风量减少，炉况反而会恶化。因此，采用离心式鼓风机时，风口比需选高限。

③选用风机额定风量超过冲天炉最大需用量时，可选用小的风口比。

④冲天炉供风系统阻力损耗大和漏风损失多，风口比应选大一些。

10）冲天炉的风口排数，必须视焦炭质量、熔炼的铸铁合金品种等而定。如果决定采用多排风口冲天炉，其风口排数一般不宜超过4～5排。冲天炉风口排数的选择与下列因素有关：

①标准铸造焦或优质冶金焦选用大间距双排风口冲天炉。大型冲天炉和有效高度比小的冲天炉可选用单排风口送风。

②焦块小，灰分高，可选用三排甚至3～5排风口送风。

③熔炼球墨铸铁，高合金铸铁和高牌号灰铸铁推荐选用大间距双排风口送风冲天炉。

④可锻铸铁熔炼宜选用三排风口送风。

⑤鼓风机供风压力不足选用三排风口送风。

随着铸造焦的推广应用，大间距双排风口冲天炉的应用已日益广泛，而多排风口的应用已越来越少。

多排风口冲天炉是为适应我国一段时期焦炭质量较差而开发出来的，它是在适当提高进风速度的同时，采用了排距短而排数多的风口布置方式。与单排风口比，多排风口冲天炉内气流分布比较均匀，有利于铁液过热。曾经采用过的多排小风口冲天炉，其风口一般为3～5排，主风口布置在第二或第三排（风口排列顺序一般以最下排为第一排，依次上数），除主风口外，尚布置有1～3排辅助风口，这种辅助风口，排数多，进风面积小，风速高，使整个底焦燃烧剧烈。而在主风口以上靠近熔化带处设置了直径ϕ8～12mm小风口1～2排。据一些使用厂分析，这些辅助风口不仅有进一步强化主风口以上的焦炭燃烧，扩大炉内高温区，提高熔化率的作用，而且可以减轻炉气的附壁现象。但风口排数不宜过多，一般认为不宜超过4～5排（排距150～200mm）。排数过多，风口过分分散，将分散风力，易造成炉气最高温度降低和炉气氧化性高，不仅引起铁液氧化和合金元素烧损，而且也使铁液过热不足。

11）主风口尺寸一般不应小于辅助风口尺寸。一般三排或多排风口冲天炉，风口面积分配有主、辅之分，常将下面第一排风口为主风口，占风口总面积的60%～70%。其余各排统称为辅助风口，共占风口总面积的30%～40%，各排辅助风口按总数均分。为什么分为主、辅风口？这主要是让主风口尺寸增大，使其占有较多的风量，以利炉内形成较集中的高温区。其实就是两排大间距风口冲天炉，也常有主、辅风口之分。出口面积最大的一排称为主风口，其主风口在第一排（下排）称为顺置；主风口在第二排（上排）称为倒置。其风口面积分配比，顺置时一般为60/40；倒置时，则为40/60。如果第一、二排风口面积比为50/50时，则称为等置。顺置、倒置、等置的大间距双排风口冲天炉，其炉内温度场分布如图3-65所示，其风口面积分配比与风量分配比的关系见表3-76。可见风口面积比不等于风量分配比；不论倒置、等置和顺置，其第二排风口入炉风量比值均高于风口面积分配比值，第一排风口则相反；风口分配比由倒置、等置到顺置，随第二排风口面积分配比的减小，入炉风量差值增大。

12）冲天炉第一排风口向下倾斜的角度不宜太大。冲天炉是以焦炭为燃料的竖式化铁炉，为了向炉内鼓风助燃，开有一排或多排圆形或矩形风口，其风口直通炉膛内，从风口进入炉内的空气，如同一股射流射入炉内，在前进过程中被加热并和焦炭相遇而燃烧，同时在炉膛向上抽力的作用下，向上高速运动，这一过程可用图3-66来表示。假定由风口进入炉内空气的速度为V₁，炉气向上运动的速度为V₂，则二者的合成速度为V。

从图3-66a可以看出：风口角度向下，V方向直指炉中心，有利于气流推向炉中心，削弱炉壁效应，改善炉中心燃烧状况及炉气和温度的分布，有利于铁液过热。图3-66b所示为水平风口，则V的方向向上并偏向炉壁，而图3-66c所示的风口角度向上，V更靠近炉壁，助长了炉壁效应，加剧了炉壁的侵蚀，而且还恶化炉气的分布，造成炉中心的燃烧“死区”。因此，风口应向下倾斜一定的角度，但也不宜过大，否则使送风阻力增大，炉气分布不匀并大大降低熔化速度。对于浅炉缸来说，风口向下倾斜角度过大，会将炉缸铁液吹冷，并加重铁液的氧化。一般冲天炉风口向下倾斜的角度，对1～30t/h大间距双排风口冲天炉来说，其第一排风口由于距炉缸最近，向下倾斜的角度一般为5°，第二排风口为10°；三排小风口直筒型冲天炉，其第一排风口斜度也常为5°，第二、三排风口分别为10°、15°；如果第一排风口斜度为10°，则第二、三排风口分别为15°、20°。多排风口冲天炉的主风口常布置在第二排或第三排，其第一排风口斜度常为0°～5°，第二排风口如为主风口，其风口斜度常为5°～10°，如果不是主风口的，则常为0°～7°；而第三排风口中如为主风口，其斜度常为10°，如为非主风口则为5°～10°；第四排风口则大多为5°～10°；如果有第五排，则常为0°。

图3-65 大间距双排风口冲天炉不同风口面积分配比时，炉内温度场分布曲线

注：炉径ϕ620mm，h_排（排距）=0.8D_内，本试验炉排距为500mm。

表3-76 风口面积分配比与风量分配比的关系①

①在一个风箱供风的条件下，风口排距h_排=720mm，h_排/D_内=1.1时的实测结果。

②∑A_二排/∑A_一排=第二、第一排风口面积分配比。

③∑W_二排/∑W_一排=第二、第一排风口进入炉内风量比。

图3-66 风口斜度对进风流向的影响

（2）冲天炉熔炼铁液的炉料及其禁忌

1）金属炉料块度不宜过大或过小。金属炉料块度决定从预热到熔化所需时间的长短。料块越大，所需预热和熔化时间也就越长，往往造成熔化区位置下降，过热区高度缩短，因而不利于铁液的过热。而且，炉料尺寸太大，还会造成卡料，使炉料不能均匀下移，会恶化冲天炉的热交换过程。所以，减小冲天炉内金属炉料的块度，是提高铁液温度与炉子热效率的有力措施。当然，金属料块尺寸也不能太小，以免阻塞炉气正常流通，并造成严重氧化。一般最大料块（新生铁、回炉铁、废钢等金属料块）尺寸不应超过炉内径的1/3或1/4，质量不应超过批料重的1/10～1/20，废钢屑应压成团块后使用，以防氧化。铁合金块度以40～80mm为宜。块度过大，易造成成分不均；块度过小，易串料。

2）不可使用表面有泥沙和生锈的不洁净的金属炉料。金属炉料夹带泥沙和表面严重锈蚀，将阻碍料块受热，并使渣量增加，对提高铁液温度和减少硫含量均不利。所以，对不洁净的金属炉料，在使用前应除污、去锈，决不可直接使用。

3）在灰铸铁生产中，金属炉料的供应，应保持长期质量稳定，切忌频繁更换。有些生产灰铸铁件的铸造厂发现：生产铸件的工艺、生产条件均未改变，只是金属炉料来源有变化，但所生产的铸件的组织与性能却发生了很大波动。其主要原因常在于金属炉料问题，例如生铁如果改换的是具有粗大初生石墨的、碳含量很高的生铁，其生产出的灰铸铁件往往也会存在粗大的片状石墨，这是由于生铁的石墨遗传性导致的。因为普通冲天炉熔炼的过热温度有限，不可能使粗大石墨完全溶解，残留的石墨在铁液冷凝时是现成的石墨晶核，因此，石墨片仍然粗大，或者说，粗大石墨被遗传下来了。如果换用的是白口或麻口生铁，则生产的灰铸铁件，往往出现D型或E型石墨，其原因在于使用白口生铁作原材料，熔炼的铁液浇注后冷凝时，不可能有残留的石墨作为现成的晶核，需要异质晶核，同时，白口生铁阻碍石墨化的因素较强，使生核所需过冷度大，结果易出现D、E型石墨或出现麻口、白口，达不到质量要求。还要指出的是，来源不同的生铁往往带有不同的微量元素，有的有好的效果，有的会使生产的铸件出现类似网状的不正常石墨形态，使性能大大恶化，因此，决不可频繁更换原料铁的来源。也就是说，金属原材料的供应，宜保持长期稳定。

4）化学成分不同或产地来源不同的铁料切忌混合堆放或随意乱放。化学成分不同或产地来源不同的铁料，经成分化验后，不得随意堆放在一起，必须分开放置，否则，成分化验将失去意义，配料也失去意义，铁液的化学成分就没有保证；或者虽是同样的成分，但是产地不同的铁料混在一起，也将造成对石墨的遗传性及微量元素的干扰无法控制。这些似乎是小事，但往往是导致产品质量低劣，不能稳定正常生产的重要原因。因此，化学成分不同或产地来源不同的铁料禁止混合堆放或随意乱放。必须按照一定的规律、有秩序地放在炉料库的各个料槽中，并标上醒目的标签，做好入库记录，防止搞错。禁止随意在露天堆放、无人过问，造成铁料的严重锈蚀，甚至忘记其成分和产地来源。在更换配料时，或更换铁料的产地来源时，在投放新料之前，日耗库中的余铁应送回炉料库放回原处，不许随便乱扔。

5）用冲天炉熔炼铸铁时，不宜使用不合格的焦炭。冲天炉与地坑焦炭坩埚炉、反射炉等外热式熔炉不同，焦炭不在炉膛外而在炉膛内直接与铁料、铁液接触，因此，对焦炭的要求比外热式熔炉严格得多。为了保证铁液的质量，冲天炉熔炼对所用焦炭有下列要求（参见表3-77）：

①灰分含量：指焦炭中只能吸热不会发热的部分，其主要成分是硅酸铝，SiO₂约占55%，Al₂O₃约占28%，其中一部分是烟煤本身的灰分，当烟煤质量好时，其灰分含量很少，另一部分是作为煤粉的粘结剂在炼焦前掺入的粘土。改进后的粘结剂中少含粘土，可使焦炭中灰分明显减少。目前要求铸造焦炭中灰分的质量分数最多不超过12%，而且要求其含量越低越好。因为灰分防碍焦炭内的碳与空气中的氧接触，影响燃烧激烈的程度，而且造成大量的炉渣（已证实1kg灰分需用2kg石灰石造渣），不但消耗而且带走热量，降低炉温，因此灰分的质量分数不宜高。

②挥发分含量：指焦炭中，由于炼焦时干馏时间不足、未馏透而残留的碳氢化合物，由于它们的密度很小，所以占的质量分数不大。焦炭中的挥发分对于冲天炉熔炼是有害的。因为这些挥发分在400～500℃的温度下就会挥发燃烧，致使焦炭加到冲天炉内尚未下降到熔化带处其挥发分已挥发掉，而且在整个预热区内，炉气中早已没有氧气，因此挥发物只能随炉气上升到加料口，一直到离开炉料表面，遇到从加料口进入的空气才会白白地被燃烧掉；另外，在挥发分从焦炭中逸出时，会导致焦炭的碎裂而堵塞炉气流动，使炉膛中心处缺少炉气，使该处的铁料预热不足，造成熔化严重下凹，从而降低了熔化带的位置高度，影响铁液的过热。通常要求铸造焦炭挥发分含量小于1.5%，而且越低越好。

表3-77 铸造铸炭（GB/T8729—1988）

③硫含量：由于焦炭中的硫含量是导致铁液增硫的主要原因，所以要对焦炭中的硫含量单独进行化学成分分析。要求硫含量小于0.8%，而且越低越好。

④块度（mm）：焦炭块度小于50mm，冲天炉炉内空隙率剧降，供风阻力大，经济上是不合理的，也对铁液的过热不利，因此，不宜选用。推荐最佳焦炭块度为冲天炉内径的1/6～1/10，也有推荐按炉膛直径来制定底焦、层焦的块度，如表3-78所示。当然焦炭块度也不宜过大，如果过大，炉内间隙也大而表面积少，燃烧速度比小块焦炭慢得多，造成热量不集中，也不利于获得高温铁液，因此，焦炭块度应在上述范围之内。另外，焦炭块度均匀性与块度要求同样重要，焦炭应按块度筛选，分类堆放，分类使用，提高焦炭块度均匀性。

⑤显气孔率：气孔率是焦炭内气孔所含体积的百分率，要求气孔率要小于45%，否则焦炭不致密，密度小而强度低；而且气孔率越大，焦炭的反应性也越大，会因此而过多地降低炉气温度。此处所指反应性，是指焦炭还原CO₂的能力，通常用符号R表示。通过做实验，用CO₂通过900℃温度下的焦炭粒后CO的体积百分数表达R值的大小，即R=[（CO）/（2CO₂+CO）]×100%式中的分子是实际还原出的CO量，分母是100%还原时的总量。目前国内冶金焦的R在30%左右，而铸造焦的要求是R=15%～25%；由于CO₂的还原反应是吸热的，反应性R越高越不利于完全燃烧。

除上述质量要求外，有的还规定固定碳含量，因为焦炭的燃烧主要是焦炭中的固定碳与空气中氧发生的化学反应。一般要求最好采用固定碳质量分数＞85%的焦炭。不过，在我国由于铸造焦供应方面的问题，目前还有不少铸造厂采用冶金焦，其规格见表3-79。应指出的是，上述表3-77，79的技术指标中，焦炭的块度（mm）、灰分（%）、硫分（%）、强度（%）都是考核和验收的指标，水分是生产操作中的控制指标。

表3-78 推荐焦炭块度

表3-79 冶金焦炭（GB/T1996—1994）

6）用冲天炉熔炼铸铁时不可缺少合适的熔剂。用冲天炉熔炼铸铁时，常采用石灰石（CaCO₃）、氟石（也叫萤石，为CaF₂）等作熔剂，其作用是造渣、用来稀释炉渣，让其形成低熔点、流动性较好的熔渣，以便其顺利排出。因为在熔炼过程中，焦炭的灰分、铁料表面的铁锈、粘附的泥、砂及熔炼过程中金属元素烧损形成的氧化物以及侵蚀的炉衬都会发生相互作用，结成炉渣，其主要成分是SiO₂、CaO和Al₂O₃。这种炉渣粘度很高，包覆在焦炭表面，不仅阻碍燃烧，而且不利于冶金反应的顺利进行。必须加入熔剂稀释炉渣，以便其顺利排出。另外，冲天炉熔炼过程中的造渣，不仅能消除炉料中的杂质和焦炭表面的灰渣，加速燃烧反应，而且炉渣也直接参加冶金反应，影响铁液的化学成分。因为组成炉渣的氧化物，按其化学性质的不同可分为酸性（SiO₂）、碱性（CaO、MgO、MnO、FeO）和中性（Al₂O₃）三种。而炉渣的性质则取决于其所含各种氧化物的含量的对比关系，通常用炉渣碱度R来衡量。炉渣碱度R小于0.8为酸性；炉渣碱度R为0.8～1.2是中性；大于1.2是碱性，其中R=1.2～1.5，为弱碱性；R=1.8～2.5，为中碱性；R≥2.5，为强碱性。如果冲天炉熔炼过程中的炉渣碱度R是酸性，则可减少铁液化学成分中硅的烧损；如果为碱性炉渣，则可减少铁液化学成分中锰的烧损和降低铁液的硫、磷含量。炉渣碱度R的计算公式为R=（w（CaO）%+w（MgO）%）/（w（SiO₂）%）式中w（CaO）、w（MgO）、w（SiO₂）分别为炉渣中CaO、MgO、SiO₂的质量分数。

生产实际中，常用的熔剂主要是石灰石，其加入量一般按铁料质量的2%～5%或层焦重的20%～30%计算；如果使用灰多、硫高的土焦，则为层焦质量的40%～50%。石灰石的技术指标和块度要求见表3-80和表3-81。石灰石造渣的化学反应为：石灰石分解CaCO₃=CaO+CO₂-Q₁生成硅酸盐CaO+SiO₂=CaSiO₃+Q₂

当炉渣太粘时，可加入氟石（萤石）来改善其流动性。不过，氟石对炉壁有强烈的侵蚀作用，所产生的SiF₄污染环境且对人、对农作物有害，应尽量少用。

表3-80 铸造冲天炉用石灰石（质量分数，%）(www.daowen.com)

表3-8 1石灰石块度要求

（3）冲天炉熔炼铁液的操作过程及其禁忌

1）根据需要获得的铸铁牌号进行冲天炉配料计算时，不可不知熔炼过程中“五大元素”的增减率。金属炉料的配合是冲天炉成分控制中的一个重要问题，必须最大限度地满足铸铁化学成分、力学性能和低的配料成本这些基本要求。配料时，首先根据铸件的牌号、性能要求和结构特点，确定铁液的化学成分，然后参照铁料熔炼时元素变化的数据，计算出各种金属炉料的配合比例。

配料的计算方法很多，常用的有表格核算法、解联立方程式法、图解法等，均可参见有关手册资料；也有采用计算机辅助配料系统的。但不管采用那种计算方法，都必须能较准确地确定熔炼过程中铁液化学成分的变化情况，以便求出炉料应配入的元素量。而这一工作有一定难度，因为影响因素多，各个炉子不尽一样，表3-82为“五大元素”通常变化范围。“五大元素”的增减原因及增减率，从冶金反应角度分析，多数是高温物理化学反应，它们直接影响着铁液的质量。分述如下：

①碳含量通常增加：冲天炉熔炼过程中铁液碳含量的变化，是炉内渗碳与脱碳两个过程的综合结果。渗碳过程主要是焦炭中的碳不断溶于铁液，并在铁液中进行扩散导致的，它发生在金属炉料熔化以后，直至铁液排出炉缸为止的整个焦炭层内。而脱碳则主要是炉气和炉渣导致的。因为在冲天炉内，炉气氧化性强，对铁液能直接起脱碳作用，其反应如下：

〔C〕+O₂=CO₂〔C〕+CO₂=2CO

前一个反应，是在氧化带内有自由氧存在的反应；后一个反应，则是在冲天炉熔化带以下的大部分区域内的反应。炉气含O₂、CO₂的浓度越大，铁液中碳的浓度越高，则脱碳量也越大。

除炉气直接脱碳外，炉渣中的FeO也会使铁液中碳氧化，即：

（FeO）+〔C〕=〔Fe〕+CO

这一反应是吸热反应，故温度越高，渣中的FeO浓度越高，反应的趋势越大。

铸铁在冲天炉熔炼过程中，渗碳和脱碳的结果，是铁液的碳含量增加。影响铁液碳含量的主要因素有：炉料的化学成分、焦炭、供风条件、炉渣及炉子结构等。在具体确定熔化出的铁液碳含量时，铁液的碳含量与铁料碳含量之间的关系，可用下式表示：

C_铁液=K+（1-α）C_铁料

式中 C_铁液——预计冲天炉熔化出来的铁液的碳的质量分数（%）；

K ——增碳的质量分数（%），大致为1.7%～2.0%；

α ——脱碳系数，为0.4～0.6，大多数为0.5；

C_铁料——投入的铁料原始碳含量（%）。

②硅、锰含量减少：在冲天炉熔炼过程中，由于炉气呈氧化性，硅、锰和铁等金属元素都会氧化烧损。它包括直接氧化烧损和间接氧化

表3-82 冲天炉熔炼过程元素增减率

注：“+”表示该元素含量增加；“-”表示该元素含量减少。

烧损。

直接氧化烧损是指硅、锰和铁等元素与炉气中的氧化性气体——O₂、CO₂直接发生反应所造成的氧化烧损，其反应式如下：

Si+O₂=SiO₂ Si+2CO₂=SiO₂+2CO

Mn+1/2O₂=MnO Mn+CO₂=MnO+CO

Fe+1/2O₂=FeO Fe+CO₂=FeO+CO

上述六个反应，除最后一个为吸热反应以外，Si、Mn的氧化反应都是放热反应。因此，提高炉温，不利于氧化反应的进行，却有利于减少金属元素的氧化烧损。

间接氧化烧损是指硅、锰等元素与FeO作用，发生的氧化烧损，这也是冲天炉内Si、Mn等合金元素烧损的一条主要途径。其反应式如下：Si+2FeO=SiO₂+2Fe Mn+FeO=MnO+Fe

冲天炉内的氧化烧损主要是在熔化区和过热区内进行的。影响金属元素氧化烧损的主要因素有：温度、炉气与金属元素的氧化特性、金属炉料及炉渣等。一般冲天炉各元素的烧损量（相对该元素原始含量）大致为：w（Si）=10%～20%；w（Mn）=15%～25%；w（Fe）为1%～3%。

③硫含量增加：由于焦炭的增硫作用，在普通酸性冲天炉中，铸铁经熔炼后的硫含量一般都是增加的。焦炭的增硫过程有两种方式：一是焦炭中的一部分硫转化为SO₂进入炉气，被铁料和铁液吸收，其反应如下：

3Fe+SO₂=FeS+2FeO

10FeO+SO₂=FeS+3Fe₃O₄

二是铁液与焦炭接触，焦炭中的硫化物如FeS会溶入铁液，这是铸铁增硫的主要方式。焦炭中的硫约有25%～30%转入铁液。与此同时，铁液中的硫也有部分被氧化烧损，其量约占铁料原始硫含量的25%左右。综合起来，在普通酸性冲天炉熔炼过程中，铁液增硫大于脱硫，其硫含量总是增加的，常用下列公式来估算铁液的硫含量：

S_铁液=0.75S_铁料+0.3βS_焦炭

式中 S_铁液——预计铁液硫的质量分数（%）；

S_铁料——铁料原始硫含量（%）；

β——焦炭消耗率（%），焦炭耗量越大，铁液增硫就越多，如图3-67所示；

S_焦炭——焦炭中硫的质量分数（%）。

④磷在酸性冲天炉熔炼过程中，其含量基本保持不变：在酸性冲天炉内，金属炉料的磷几乎没有氧化烧损，所以，在熔炼过程中，铁液磷的质量分数基本上保持不变。铸铁磷的质量分数主要靠配料控制。

在碱性冲天炉内，通过造高碱度的氧化渣，使铁中磷氧化成P₂O₅并与CaO结合进入渣中，可以降低磷的质量分数，其反应如下：

2〔P〕+5（FeO）+4（CaO）=（4CaO·P₂O₅）+5〔Fe〕+Q

需指出的是，在冲天炉内要进行脱磷是十分困难的。因为为了能脱磷，要求渣中CaO和FeO含量要高，不仅要用石灰或石灰石，还要加铁矿石作造渣材料。此外，脱磷反应为放热反应，因此必须有低温条件相配合，且应保持必要的扩散条件才能达到。

图3-67 焦炭消耗率与增碳、增硫率的关系

2）硫是铸铁的有害元素，特别是在熔制低硫球墨铸铁、可锻铸铁时，不可忽视降低铁液硫含量的有效方法。硫在众多牌号铸铁中都是有害元素，因为硫在铸铁熔炼过程中，以FeS形式存在于铁液中，但其溶解度随温度降低而减少，在凝固过程中，FeS以网状薄膜的形态分布在γ-Fe的晶界上，从而大大降低铸铁的力学性能；另外，硫是强反石墨球化元素，铁液中硫含量的高低严重影响石墨的球化。因此，在熔炼过程中应采取有效措施减少铁液的硫含量，特别是熔制低硫的球墨铸铁、可锻铸铁等就更为突出。为了降低铁液硫含量，除了尽可能选用含硫低的焦炭和生铁外，还可采用炉内、炉外脱硫的方法。以满足铁液质量的要求。炉内脱硫，主要是在碱性冲天炉或水冷无炉衬冲天炉熔炼过程中，配以高碱度（R≥2.5）炉渣，在高温和低氧化炉气条件下，可以将铁液中硫的质量分数降至0.02%～0.04%。其铁液的脱硫反应为：

FeS+CaO=CaS+FeO

实际上，碳也参与反应，即

FeS+CaO+C=Fe+CaS+CO

为促进脱硫反应，增加反应物的浓度，如增加渣中CaO含量和降低生成物例如渣中的FeO含量，就有利于脱硫，图3-68所示为铁液增硫与渣中CaO/FeO的关系。因此，提高炉渣碱度和增强炉气还原性，是促进脱硫的基本措施。另外，脱硫是一个扩散过程，所以炉温高，熔渣粘度低，才有利于扩散。为此，可在碱性炉渣中加氟石等来稀释炉渣，也有利于加速脱硫。

图3-68 铁液增硫与渣中CaO/FeO的关系

大型水冷无炉衬热风冲天炉，由于炉渣性质不受炉衬材料的限制，主要通过熔剂加入量来调整碱度。不采用水冷措施的碱性热风冲天炉，关键是选好耐火材料。如果选用镁砖，由于其价格昂贵，从成本考虑难以接受。因此，国内有的地区在这种冲天炉的熔化带、炉缸、前炉等处使用石灰石或白云石修砌，因为这些部位很有可能和高碱度渣直接接触；而在冲天炉的其他部位仍用廉价的粘土质耐火砖砌筑。炉内脱硫采用的脱硫剂主要是石灰、电石（其主要成分是CaC₂和CaO）、白云石等。石灰价格便宜，但要求CaO含量大于85%，还要有一定块度（最好大于100mm）。电石脱硫效果好，最好从风口吹入，在脱硫的同时又可以强化燃烧，提高铁液温度，使用得当，可使铁液中硫的质量分数小于0.03%。其脱硫反应如下：

CaC₂+FeS=CaS+Fe+2C+418.6kJ

CaC₂+2CaO+3FeS=3CaS+3Fe+2CO↑

电石加入量视处理铁液硫含量高低而定，一般加入量为铁液质量分数的0.5%～1.5%，电石粒度控制在0.075～0.212mm，为扩大铁液和电石的接触面积，一般采用多孔塞气动脱硫的设备。电石脱硫是放热反应，对铁液的降温作用小。但电石价格昂贵，且易吸潮，要妥善保管。

至于炉外脱硫，则是因采用冲天炉炉内脱硫方法不能满足球墨铸铁等的生产需要，而发展出来的多种脱硫方法。过去常采用的，是在出铁槽或浇包中加入适量苏打（NaCO₃），它先进行热分解，析出CO₂使铁液剧烈翻腾，分解产物Na₂O再与铁液中FeS反应生成Na₂S而起到脱硫作用。其反应式如下：

Na₂CO₃=Na₂O+CO₂

Na₂O+FeS=Na₂S+FeO

Na₂O+MnS=Na₂S+MnO

这三个反应都是吸热反应，生成的Na₂S较稳定，又不溶于铁液，因而转入渣中达到脱硫目的。其加入量通常为铁液质量的0.3%～0.7%，大致可脱硫30%左右。

目前常用的另外的一些炉外脱硫剂主要有电石和石灰，脱硫方法有气动脱硫和摇包、回转包脱硫。摇包、回转包脱硫，都是借铁液包的摇晃和转动，使铁液和脱硫剂充分接触，以达到较高的脱硫率。其缺点是操作过程时间长，铁液降温多，目前有被气动脱硫法替代的趋势。

图3-69 喷射脱硫装置示意图

1—氮气瓶 2—料斗 3—喷射管 4—铁液包

气动脱硫法是以一定压力的氮气为动力，使加入包内的脱硫剂与铁液强烈混合，或将脱硫剂喷射入铁液之中，同时形成强烈搅拌。常用的有多孔塞气动脱硫和喷射脱硫。图3-69所示是喷射脱硫装置示意图，是以氮气为动力，将脱硫剂射入铁液，同时利用气流搅拌铁液。该法的特点是脱硫效率高，可使铁液中硫的质量分数降到0.02%以下，电石用量的质量分数约为1.5%。多孔塞气动脱硫装置示意图如图3-70所示。它是以氮气为动力，从铁液包的底部，通过多孔塞吹入铁液，氮气进入铁液后迅速膨胀，使铁液强烈搅拌，脱硫剂和铁液充分接触，达到快速高效脱硫的目的。有认为它集中了冲入法、气动法和摇包法的优点，现已成为铸造行业较广泛采用的脱硫技术。

图3-70 多孔塞气动脱硫装置示意图

1—氮气瓶 2—浇包 3—多孔塞

3）冲天炉熔炼时，底焦高度不应太高或太低。冲天炉内焦炭的燃烧、铁料熔化、铁液的过热、铁料成分的变化等大都在底焦中进行。因此，底焦高度对冲天炉熔炼正常进行至关重要。这里所称的底焦，是指由冲天炉炉底装至熔化带处的一层焦炭，也即指装入金属料以前加入冲天炉炉内的全部焦炭量；而底焦高度，则是从第一排风口中心线至底焦顶面为止的那一段高度，炉缸内的底焦量不包括在底焦高度内。

冲天炉正常熔化时，铁料应在底焦顶面熔化。在熔化过程中，底焦高度的波动范围一般就是熔化区的变动范围。保持底焦高度稳定就是保持熔化区位置的稳定。因此，合理地选择和稳定底焦高度，既可使铁料熔化快，铁液过热充分，又可减少硅、锰等元素的烧损，使化学成分稳定。

底焦的高度并不是任意选择的，它是由炉内温度分布曲线和金属的熔化温度所决定。根据炉温分布曲线和金属的熔化温度，可以找出冲天炉正常熔炼时的底焦高度h₀，如图3-71所示。若采用的底焦过高时，即h₁＞h₀，则因底焦顶面温度没有达到铁料的开始熔化温度，必须待底焦燃烧下降至h₀附近才慢慢熔化。因此底焦过高必然造成铁液熔化率降低，焦炭消耗增加。同时由于还原区的扩大，使炉气燃烧比明显降低。对铁液温度，虽然因过多的焦炭消耗会有所提高，但单纯用升高底焦的方法提高铁液温度，减少铁液供应

图3-71 底焦高度的影响

当选择的底焦高度过低时，即h₂＜h₀，则熔化区的平均位置下移，底焦顶面温度偏高，熔化速度加快，铁液过热路程缩短，使铁液温度降低；同时，也使铁料被迫在氧化性较强的区域熔化，使铁液氧化烧损严重。底焦顶面位置太低时，还会发生未熔化的铁块出现在风口区，Si、Mn烧损猛增，铁液温度急降，甚至出现冻炉事故。故底焦过低，对冲天炉熔化极为不利，应尽量加以防止。

4）具体制定底焦高度时，不可不考虑各种不同情况，不可不对估算的高度通过实践予以校核。底焦高度是影响铁液温度和化学成分的重要参数。具体制定冲天炉底焦高度时，它并不宜完全照搬其他厂的数据，也就是说它是动态的，其平衡位置受下列因素影响：

①送风强度越大，氧化区扩大，底焦高度也越高。

②风口排距、排数和斜度增加，底焦高度也相应提高。

③焦炭块度小，反应能力强，氧化带缩短，底焦高度相应降低；反之，底焦高度提高。

④层焦耗量增加，底焦高度相应提高。

关于底焦高度，既有按炉膛直径制定底焦高度的参考资料（参见表3-83），也有针对不同结构的炉子，凭经验进行估算的方法，例如：

①对于多排小风口冲天炉，其底焦高度为

h=D_max+500～700mm

式中 h——底焦高度（mm）；

D_max——最大炉膛直径（mm）。

②对于大间距双排送风冲天炉，其底焦高度为

H=L_p+800～1200mm

式中 L_p——风口间距（mm）。在熔化率小于或等于5t/h的冲天炉，或风口倒置时取高限值；在熔化率大于5t/h的冲天炉，或风口顺置时取低限值。

上述制定的底焦高度是否正确，要通过生产实践校核修正：

①观察开风后滴铁时间：如果开风6～8min后，在主排风口见到铁液下滴，说明初定底焦高度合适；超过8min才见铁液下滴，说明底焦偏高；如果时间少于5min，甚至不到4min见铁液下滴，说明底焦高度不够。

②观察炉衬侵蚀高度：在熔化区上沿，炉衬有明显侵蚀，炉壁有少量挂渣，此处就是底焦的顶面。

表3-83 冲天炉的底焦高度 （单位：mm）

5）底焦、层焦、接力焦及隔焦，作用不同，其加入量也不可一样。底焦、层焦、接力焦及隔焦都是冲天炉熔炼中所加焦炭的称谓，作用不同，其加入量也不宜相同。底焦是指由炉底装至熔化带处的焦炭，其高度大都超过1000mm；层焦是补充每熔化一批铁料底焦的消耗，以维持底焦高度在冲天炉正常工作的波动范围内，因此层焦量不能太多，其质量约为冲天炉熔化率（h/t）的1.0%～1.3%，或为层铁质量的1/8～1/10，其高度根据炉子的大小和焦炭的块度，一般控制在150～200mm或100～200mm之间；接力焦是当层焦不能补充底焦的消耗时，为了维持底焦的正常高度，每隔若干批料可多加一批层焦，类似接力赛跑的接力棒，因此称加入的这层焦炭为接力焦，又叫补焦；而隔焦则是因冲天炉工作是连续进行，为了不使两种牌号的铁液相混，当改变牌号时可将两种铁料间层焦量增加为原来的1.5～2倍，以增加批料熔化的间隔时间，这层多增加的焦炭称为隔焦。

6）铸铁采用冲天炉熔炼时，不可不知其操作过程的操作要点。冲天炉的操作工艺是决定冲天炉工作效果的基本因素，其过程工序及要点包括：

①准备炉料。

②修炉与烘炉：一般冲天炉每开一次炉，炉衬都要受到很大的侵蚀和损坏，因此在下一次开炉前，必须进行修理，包括修炉身、风口眼、炉底和前炉。修炉完毕，用木柴或烘干器慢火充分烘干，前炉必须烘透和预热，以保证第一包铁液有较高温度。

③点火与加底焦：烘炉后，加入刨花、木柴，引火点燃，分三次加入底焦，先加入底焦质量分数的40%，待全部燃着后，从风口将底焦捣实，再加入底焦质量分数的40%，待其完全燃烧后，鼓风几分钟，吹净炉灰，并测量底焦高度，再加入剩余焦炭，调整底焦至规定高度。

④装料与开风：加完底焦后，加入石灰石，其加入量为批料中石灰石量的两倍。然后加入一批金属料，以后的加料顺序为焦炭、熔剂、废钢、新生铁、铁合金、回炉铁。批料应一直加到加料口下沿为止，并在熔化过程中，使料柱始终保持这一高度。

装料完毕后，自然通风15～30min，预热炉料，然后鼓风熔化，并随即关闭观察孔。待出铁口有铁花喷出时，即用泥塞头将出铁口堵死。

⑤熔化与出渣、出铁：熔炼过程中，应及时测定铁液温度，取样检测铁液和炉渣质量。注意风量、风压变化，保持风口畅通，及时发现和排除故障，及时出铁、出渣，以保证熔化的正常进行。变换炉料牌号时，要妥善处理交界铁液，必要时需加隔焦。

⑥停风与打炉：停风前应根据铁液需求量和存铁量估算好正常投炉批料数；正常加料完毕后应加两批打炉料（也叫压炉铁，最好选用生铁锭或大块废铁作压炉铁，以便于打炉后的清理）。停料后，应适当降低风量、风压，保证最后几批料的熔化质量。前炉存铁量足够时，即可停风，待后炉铁液出完后即可打炉。对于热风炉胆冲天炉，打炉时不能停风，以冷却炉胆。

打炉前，应在炉底铺上干砂，不能有积水或潮湿。打开炉底门，用铁棒将底焦和未熔炉料捅下，用水迅速浇灭。

7）冲天炉熔炼过程中，在点火、开风、中途停风和复风、以及打炉停炉时，决不可关闭全部风口。在冲天炉熔化过程中，要严格遵守操作规程。这不仅是为了确保铁液质量，也为防止发生安全事故，确保人身、设备等的安全。因为在熔化过程中，不仅要遇上高温铁液，而且焦炭的碳在空气不足的情况下燃烧，会产生大量一氧化碳CO，二氧化碳CO₂在红热的炭上面流过时，也生成CO，必须防止CO在炉内积聚过多，重新鼓风时，引起爆炸问题。因此在点火与烘炉、开风前、中途停风时，停风后复风时，以及打炉停炉时，都必须将风口打开，利用自然通风，防止CO积聚过多，导致重新鼓风可能发生爆炸事故。

8）为判断冲天炉熔炼质量，将排出的炉渣拉成细丝，在亮处观察其颜色时，切忌炉渣呈黑色。从炉渣的颜色判断冲天炉熔化的质量，其方法是用铁棒蘸些炉渣，拉成细丝，在亮光下观察其颜色，当炉渣呈灰绿色或黄绿色玻璃状时，表示熔化炉况正常；呈淡棕色玻璃状，表示熔化正常，含锰较高；呈深咖啡色或棕色，表示铁液硫含量偏高；呈灰白色石头状或炉渣有白道或白点时，表示石灰石加入量太多；呈黑色、致密，表示炉温低、风量大、底焦低、铁液氧化；呈黑色、空松、有气泡，表示炉温低、风量过大、底焦过低、石灰石太少、铁液氧化严重，并有冻炉危险。

9）铁液的温度、化学成分，虽然大都要通过仪器进行检测，但也不可忽视凭经验靠视力观察的简易方法。在铸造生产中，为确保铸件质量，对铁液的温度、化学成分大都要进行检测，但作为生产者，尤其直接进行熔化、浇注的工人和有关技术人员，也不可忽视能凭直观快速得出有关铁液质量情况，以免造成不应有的损失。从对温度的观察看，铁液红色泛黄，一般温度应在1320℃以上；铁液呈淡黄色，其温度一般在1360℃以上；铁液淡黄发白，一般在1400℃以上；铁液白亮，1450℃；铁液白亮泛青耀眼，1500℃以上。铁液虽然白亮，但结膜快，流动性不好，说明氧化严重，温度亦不高。从观察铁液的成分看，铁液表面花纹越细，说明碳、硅含量越高，适用的铸铁牌号越低；出铁时溅出扫帚状和雪花状火花越多，说明碳、硅含量越低，适用的铸铁牌号越高。

10）制造业对铸件的内在质量提出了越来越严格的要求，从而需要冲天炉熔炼过程中有更高的温度过热铁液。为强化底焦燃烧，提高铁液温度，不可忽视采取预热送风、富氧送风这些有效措施。制造业对铸件的内在质量提出了越来越严格的要求，高牌号的铸件需要较高的过热铁液来满足工艺要求。对冲天炉熔炼来说，改善鼓入的风的质量，例如采用预热送风、富氧送风是强化冲天炉熔炼的有效措施。

①预热送风：预热送风是强化冲天炉熔炼的有效措施之一。因为采用冷风冲天炉时，根据对5t/h冲天炉的有关统计和计算，铁液吸热只占30%左右，而炉气带走的化学热占33%左右，炉气带走的物理热占18%左右，因此获得的铁液出炉温度仅1350℃。改装该炉子后，采用内热式热交换器，使送风温度达到450℃，此时，铁液吸热达到43%，炉气经热交换器后排出带走的热量降到23%，铁液出炉温度提高到1400℃。表3-84为冷、热风冲天炉熔炼技术经济指标对比，可见，使用预热送风，由于强化了底焦的燃烧，提高了炉气最高温度，从而提高了铁液温度。当热风为500℃时，铁液出炉温度可提高100℃左右。如果维持铁液温度不变，则可以减少焦炭消耗并提高熔化率。

预热送风装置的种类很多，目前采用的，多为利用冲天炉废气热的热交换器。有安装在冲天炉预热区，利用炉气的物理热作热源的密肋炉胆；有安装在加料口上方的烟囱内，使上升的炉气燃烧的直燃式热交换器；有从冲天炉加料口下方抽出炉气，除尘后，让炉气燃烧以获得高温的外热式热交换器；也有美国、德国等开发的陶粒热交换器等。

②富氧送风：普通冲天炉焦炭燃烧所需要的氧是从空气中获得的，而在空气中的79%的氮气对燃烧有害无益，它被加热后，在高温状态下被排出，造成热能损失；此外，在高温状态下，形成N0、NO₂、N₂ O（统称NOx）等，对环境造成污染。而采用富氧送风，增加了风中氧的浓度，减少了氮气的相对含量，也就减少了风量和燃烧产物（炉气）量，从而提高燃烧温度或炉温。所以富氧送风，不仅可以提高铁液温度和冲天炉的熔化率，减少硅、锰等合金元素的烧损和减少铁液的含气量，而且还可降低焦炭消耗、改善增碳效果、减少热风需求量、减少热损失等。其富氧送风的主要方法有，从送风管加入氧气、从风口吹氧和在风口下，炉膛的炉壁周围安装数个喷嘴，将氧气直接吹入炉内等。上述富氧送风方法中，氧气的供给可以是连续的，也可以是间断的。在开炉初期，或中途停风再送风时，此时炉温偏低，就可采用富氧送风来确保铁液温度稳定。加氧量一般为2%～4%，使风中氧的浓度提高到25%左右。加氧量过多，炉况不易稳定，且经济上不合理。

表3-84 冷、热风冲天炉熔炼的技术经济指标对比

注：冷风时的焦耗为14%，送风强度为100m³/m²·min，出铁温度为1400℃。

11）送风湿度大，对冲天炉的燃烧和冶金过程都会产生不良影响，易导致铸件缺陷和废品，有时不可不采取除湿措施。在我国，尤其长江流域及以南地区，冬季空气中的含水量较低，有时只为6g/m³，夏季则可高达25～30g/m³。在高湿度季节，直接鼓风时，被风带入冲天炉内的水蒸气，会与炽热的焦炭发生化学反应或在高温下分解：H₂O+C=CO+H₂ H₂O=H₂+1/2O₂

上述反应均为吸热过程，降低炉温，导致铁液温度和熔化率下降；另外，水蒸气在高温状态下，与铁液中许多元素都会发生化学反应，其反应如下：

2H₂O+Si=SiO₂+4〔H〕

H₂O+Mn=MnO+2〔H〕

H₂O+C=CO+2〔H〕

H₂O+Fe=FeO+2〔H〕

反应的结果，不仅增加了合金元素氧化烧损，而且增加了铁液氢含量，降低了铸件质量。例如氢含量增加较多时，往往会导致铸件脆性和白口倾向增大，会阻碍石墨化，增大缩孔倾向。凝固过程中氢气的析出，会使铸件气孔增加，有时会莫名其妙地出现成批废品，往往和送风湿度有关。实验研究和生产实践都已证明，除湿送风是提高铸件质量和减少焦炭消耗的有效措施。如果将空气中水含量从13g/m³减少到6.1～7.4g/m³，铁液的温度可增加20～32℃，熔化率提高15%～20%，硅、锰烧损减少5%～10%，渣中的Fe0含量减少20%～25%，铁液中的含气量降低，白口倾向减少，铸铁力学性能改善。

可采用的除湿的方法主要有三种：一是用硅胶、氟石、分子筛等吸附水分，以降低空气中的湿度，然后再通过加热，脱去硅胶等中的水分重复使用，即所谓吸附除湿法；二是采用强吸收剂氯化锂、硫酸等脱湿，可使夏季送风湿度降到正常水平（5～8g/m³）。吸收剂吸水后，也可加热脱水，再重复使用；三是利用冷冻机将空气冷到露点以下，使空气中的水蒸气凝结成水后分离排除。此法除湿效率高，费用低，容易实现程序化生产。目前，我国一些工厂采用的均为冷冻除湿法。

12）用冲天炉熔制合金铸铁时，采用的合金元素不宜不加区别，都和炉料一道直接加入炉中，或都在铁液出炉后才加入。用冲天炉熔制合金铸铁时，应根据合金元素与氧的亲和力的强弱，元素或合金的熔点，合金的加入量等决定合金元素的最适宜加入方法。为防止元素或合金在加入过程中被烧损，必须关注其与氧的亲和力。常见元素与氧亲和力的强弱顺序如下；

铜、镍、钨、钼与氧的亲和力比铁弱，铁可以保护它们免受氧化，故可在炉后投金属料时一道添加，钒、钛、铝等一般应在出铁时的铁液中也即炉前添加。从合金化中添加的元素或合金的熔点看，钛的熔点1660℃，难熔化，在炉后与铁料一道添加应较合理，但钛易氧化烧损，又不宜在炉后添加，只能在炉前添加。为解决钛的熔点太高问题，应采用熔点较低的钛合金，如高硅钛铁（熔点1250℃），在炉前加入铁液。从合金加入量看，有的元素或合金与氧亲和力大，只宜炉后加入，但加入量大，将使铁液降温太多，影响铸件质量。这方面有两种解决办法，一是炉后加，并采取适当措施；另一种方法是将该合金用坩埚或电炉熔化，再掺入铁液中。