铸铁的熔炼是铸铁件生产的重要环节之一，也是决定铸铁件质量的重要因素。它的基本任务是提供化学成分和温度符合要求，非金属夹杂物与气体含量少的优质铁液。

对铸铁熔炼的基本要求可概括为优质、高产、低耗、长寿与简便五个方面。任何熔炼设备，都要力求结构简单，操作方便，安全可靠，并尽量提高机械化和自动化程度，尽量降低对周围环境的污染。

铸铁熔炼可以采用冲天炉、非焦化铁炉、电炉、坩埚炉或冲天炉与电炉双联熔炼等方法，其中以冲天炉的应用最为广泛。

1.冲天炉熔炼

（1）冲天炉的结构 冲天炉的结构如图5-2所示。冲天炉的类型比较多，但其基体结构大致相同。它由四个部分组成：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）。

（2）冲天炉操作工艺 冲天炉的操作工艺是决定冲天炉工作效果的基本因素。它包括燃料与原材料的选用、操作参数的选定、操作过程中各个环节的控制等。

图5-2 冲天炉的结构

1—炉脚 2—炉底板 3—炉底门 4—风口窥视孔 5—风箱 6—耐火砖 7—风管 8—热风胆 9—加料口 10—烟囱 11—除尘器 12—风口 13—过桥 14—前炉盖 15—前炉窥视孔 16—出渣口及出渣槽 17—出铁口及出铁槽

1)炉料的准备。冲天炉的炉料由金属料、燃料及熔剂等组成。金属料有新生铁、回炉铁、废钢及铁合金等。所有金属料必须符合规定要求，不同成分的金属料应分类管理，防止相互混杂，使用前应除污去锈并破碎。新生铁、回炉铁、废钢等金属料的料块最大尺寸不应超过炉径的1/3，重量以不超过批料重的1/10～1/20为宜。块度过大，易造成化学成分不均；块度过小，易串料。

焦炭的质量和块度对熔炼质量有很大的影响，必须符合规定。用于底焦的块度应大一些，以100～150mm为宜，层焦可小一些。

冲天炉造渣用的熔剂有石灰石（CaCO₃）、氟石（CaF₂）等。熔剂一般的块度为20～50mm。

2）修炉与烘炉。每开一次炉，炉衬都要受到很大的侵蚀和损坏，在下一次开炉前必须对其进行修理。修炉时，先铲除炉壁上的残渣挂铁，然后刷上耐火泥浆，覆上修炉材料，并敲打结实。修炉材料一般由40%～50%的耐火砂和60%～50%的硅砂以及适量的水分混合而成。修前炉则用老煤粉与耐火泥制作混合料。修好的炉壁必须紧实，尺寸正确，表面光滑。炉壁和过桥修完后，合上炉底门，先放上一层废干砂，再放一层旧型砂，并舂打结实，其厚度为200～300mm；也有全部用硅砂加入适量水分修筑炉底的，但都必须保证开炉时不漏铁液，打炉时易于松塌，且尺寸符合要求。

炉子修理完备后，可在炉底和前炉装入木柴，引火烘炉；前炉必须自然干燥一定的时间后烘炉，前炉必须烘透，以保证铁液温度，并可保证前炉在出第一包铁液时顺利打开。

3）点火加底焦。烘炉后加入木柴，引火点着，并敞开风口盖进行自然通风。待木柴烧旺后，由加料口往炉内加入1/3的底焦量；待其烧着后，再加入1/2左右的底焦量，然后鼓小风几分钟，并测量底焦高度，再加底焦至规定的高度。这里的所谓底焦量，是指装入金属炉料以前加入炉内的全部焦炭量，而底焦高度则是从第一排风口中心线起，至底焦顶面为止的那一部分高度，炉缸内的底焦是不包括在底焦高度内的。

4）装料与开风。加完底焦后，加入石灰石，其加入量约两倍于层焦和石灰石用量，以防止底焦烧结或过桥堵塞。然后，封闭冲天炉工作门，关上风口盖鼓小风三四分钟，再敞开风口自然通风，并装料。一般先熔化低牌号的铸铁，然后熔化高牌号的，再熔化低牌号的。每批金属料一般先加入废钢，然后加入新生铁、回炉铁与铁合金。加入一批金属料后再加入层焦和石灰石，必要时加入氟石（氟石有很好的造渣能力，但有毒并且污染环境，一般情况下不宜加入）。石灰石量约占层焦量的30%。为确保熔炼效果，加入炉内的焦炭、金属料与熔剂都应力求洁净，防止泥沙混杂，且尺寸符合要求；金属料的最大尺寸不得超过加料口附近炉膛直径的1/3。

装料完毕后，焖火1h左右，即可开风。开风时仍敞开一部分风口，一段时间后关闭，以免因一氧化碳积聚而发生爆炸事故。冲天炉的风量以每分钟鼓风的立方米数（标准状态）计量，故其单位为m³/min。此外，还以送风强度来衡量冲天炉风量，这是指单位炉膛截面积每分钟的风量，其单位为m³/（m²·min）。对曲线炉膛冲天炉，为反映底焦的燃烧情况，此炉膛截面积可按主风口所在的炉膛截面积计算，为求与熔化强度指标一致，也可按炉膛最大截面积计算。

5）熔化与出渣。在正常熔化过程中，应严格控制风量、风压，不得随意停风；按熔炼工艺规定的时间取样，定时测量铁液温度、风量、风压、风温等；经常观察风口、出渣口、出铁口、加料口，注意铁液温度的变化、炉渣质量、风量、风压、三角试块（圆试样）白口的变化情况，以便及时发现问题并迅速排除故障，保证熔化正常进行；按时打开出渣口。

6）停风与打炉。停风时，先打开部分风口，然后关风。停风的时机要很好地掌握，既要防止因停风过早而造成铁液量不足，也要避免因停风过晚而造成底焦与炉衬的无谓烧失。停风前应力求炉内有一两批剩余铁料。停风后即可打炉，并立即将打落的炽热焦炭与铁料用水熄灭。对于热风炉胆冲天炉，打炉后不能继续送风，应立即停风，让热风炉胆缓冷，因为此时继续送风会使热风炉胆强制冷却，这显然是不利的。

（3）冲天炉工作的一般过程 冲天炉开风后，经风口进入炉内的空气使底焦燃烧，产生热量，由此而生成的高温炉气向上流动，并使底焦面上的第一批金属炉料熔化。熔化后的铁滴，在底焦层内下落的过程中，被高温炉气和炽热焦炭进一步加热，然后经炉缸和过桥进入前炉。随着底焦的燃烧损耗和金属炉料的熔化，料层逐渐下降，而层焦和批料不断加以补偿，使熔化过程连续地进行。在炉气的热作用下，石灰石分解成二氧化碳与生石灰。后者与焦炭中的灰分和侵蚀的炉衬合成为熔点较低的炉渣。

（4）冲天炉熔炼过程中的故障及其排除方法

1）卡料。卡料也称为悬料、搁料或搭棚。料柱上部的金属炉料和下部的底焦，都可能发生卡料。

①上部卡料

a.主要特征：料面停止不动；风压显著下降；加料口有火焰出现（也称为炉头火），且逐渐变旺。

b.产生原因：金属料块过大或形状不规则；炉壁凹凸不平或炉膛直径从加料口向熔化区逐渐缩小；大量细薄废钢料熔结于炉膛壁。

c.排除方法：严格控制料块尺寸和形状；改善炉型与修炉质量，必要时在加料口处的炉膛内增高小口径铁套；注意观察下料情况，一旦出现卡料现象，立即用铁棒捅料；短时间停风或减小风量；卡料排除后适当补焦。

②下部卡料

a.主要特征：料面停止不动；风压显著上升；严重时风口区焦炭全部烧尽。

b.主要原因：炉料夹带的泥沙杂质过多；焦炭含灰量过高；熔剂块度太小，加入量太少；炉型尺寸不当。

c.排除方法：严格控制炉料净洁度；加大熔剂粒度和加入量，特别是底焦顶面上的熔剂加入量；短时间停风，以使结渣层在辐射热作用下熔融软化；从风口吹入氟石粉。

上述两种卡料故障一旦发生而又实在无法排除时，只能停风打炉。

2）落生

①主要特征：风口区出现未熔化的铁料。

②产生原因：金属块度过大；下料速度过快；底焦高度过低；卡料故障排除过晚。

③排除方法：控制金属料块度和底焦高度；掌握好风焦配合；及时排除卡料故障；短时间停风，以便已进入风口区的铁料逐渐熔化；实在无法排除时只能打炉。

3）过桥堵塞

①主要特征：前炉盖放气孔软弱无力；前炉铁液量远少于化铁量。

②产生原因：开炉初期过桥被焦炭堵塞而未被热气流充分预热；炉渣黏度太大；炉衬跌落堵塞过桥入口；过桥太长，截面尺寸太小，因而降温严重而又易堵塞。

③排除方法：前炉盖上开设放气孔，随时注意观察；开炉初期注意维护过桥畅通；适当增加熔剂量，并提高修炉质量；调整过桥尺寸，并将过桥做成后炉向前炉方向扩大的形状，以免冷铁液在过桥口积聚；一旦发现过桥堵塞，应立即打通前炉窥视孔，尽力用铁棒打通；如果堵塞时间不长，则应立即降低风量，以免炉缸内铁液积聚过多；但如果堵塞时间过长，则应立即停风，以免铁液倒灌而进入风箱，造成严重事故。(www.daowen.com)

2.工频感应电炉化铁

工频是指电源的工业频率（一般为50Hz）。直接用工频电流，按电磁感应原理熔炼金属的设备称为工频感应电炉。

工频感应电炉分为无芯和有芯两种，本书着重介绍工频感应电炉。

（1）工频感应电炉的基本结构 图5-3所示为无芯工频感应电炉的炉体结构。它由坩埚、感应圈、磁性轭铁和其他有关部分组成。

1）坩埚

①酸性坩埚。酸性坩埚由硅砂和硼酸，经磁选并去除杂质，按一定配比混制均匀后打结而成。硅砂中w（SiO₂）≥99%，w（FeO）≤0.05%。表5-5所列为无芯工频感应炉酸性炉衬材料的配比实例。

②碱性坩埚。有些工厂采用下列配比的镁砂散料制作碱性坩埚；烧结镁砂55%（10～30目80%，40～70目20%），烧结镁砂粉45%（100～140目60%，200目以上40%），密度为1.3～1.4g/cm³的卤水5%（占镁砂和镁砂粉总质量）。

③坩埚尺寸。坩埚厚度应根据炉子的大小选择（见表5-6）。坩埚过厚时炉子熔化率低，过薄时寿命不长。

图5-3 无芯工频感应电炉炉体结构

1—出铁槽 2—感应圈 3—磁性轭铁 4—坩埚 5—支架 6—倾转机构 7—炉盖 8—坩埚铁模 9—水电引入系统

表5-5 无芯工频感应电炉酸性炉衬材料配比实例

修筑坩埚时，先在感应圈内壁放置玻璃丝布和石棉纸板等绝缘材料，然后捣炉底，并在捣成的炉底上放置由钢板焊制成的坩埚铁模，再逐层捣实坩埚壁。用于捣法打结成的坩埚炉衬，需经过烘炉与烧结后才能熔化。烘炉一般采用电烘，即在空载情况下供电，使坩埚铁模逐渐升温。它既不熔化，也不软化，但能使炉衬水分逐渐均匀地蒸发。

表5-6 坩埚尺寸

2）感应圈。感应圈由截面为圆形、矩形或其他形状的空心纯铜管制成。为提高感应圈的允许电流密度，圈内通水冷却，此时允许电流密度可达20～30A/mm²，而实心纯铜圈在自然冷却时的电流密度则仅为3～4A/mm²。冷却水出水温度控制在50～55℃，冷却水升温不超过25℃。冷却水压大多为50～300kPa，水的流速大致控制在1.0～1.5m/s。感应圈的截面尺寸和形状应确保在规定的高度范围内所需的匝数，并使电能损失小，冷却强度足够。

3）磁性轭铁。磁性轭铁也称为磁轭或轭铁，由0.35mm或0.5mm厚的硅钢片叠成，起辅助导磁作用，以加强功率传递。这是无芯工频感应电炉的特有部件。轭铁通常分为6～12组，兼起支架作用，用以紧固感应圈，简化炉架结构。其截面大小取决于感应圈的每匝电压值，且截面宽度大于厚度，以利于沿炉子周围较为均匀地引导磁力线。

以上是无芯工频感应电炉的三个主要组成部分，其余部分如图5-3所示。

（2）工频感应电炉的熔炼特点

1）操作特点

①烘炉。无芯工频感应电炉借助于坩埚铁模通电烘炉，有芯工频感应电炉则需用煤气或其他外加燃料烘炉。炉衬必须缓慢加热烘烤，确保彻底烘透而又不开裂。

②加料。冷炉开炉时，无芯工频感应电炉应先加与坩埚内径相近的大块金属料作为开炉块，然后加入熔点较低而元素烧损较少的炉料，再加其他炉料（合金材料大多在最后入炉）。有芯工频感应电炉在冷炉开炉时最好直接加入铁液或块度小而熔点低的炉料，热炉开炉时最好留1/4～1/3炉的铁液启熔。

③供电。先低压供电，以预热炉料，然后提高供电功率，至铁液温度符合要求后，或停电扒渣出炉，或降低供电电压进行保温。这种炉子的铁液可较为精确地进行控制和调节。

2）铁液成分的变化

①碳、硅含量变化。工频感应电炉大多采用酸性炉衬。当铁液温度超过C-Si-O系的平衡临界温度时，炉衬中的SiO₂将被铁液中的碳还原，使铁液脱碳增硅，从而使碳当量减小，炉衬侵蚀加剧。实践表明，当铁液在1400℃以上保温时，就可能出现上述现象。温度越高，保温时间越长，铁液脱碳增硅就越强烈。工频感应电炉熔炼可锻铸铁时的炉衬侵蚀要比熔炼有高温要求的球墨铸铁时小。

②锰的变化。在酸性炉中，锰一般是烧损的，但烧损量不大，约5%。

③磷、硫的变化。磷、硫一般没有变化，但通过炉内加入碳化钙脱硫，可将铁液中的硫含量降低至0.01%（质量分数）以下。

有芯工频感应电炉熔炼时，由于金属液与外界隔绝，气相稳定，元素的氧化反应更弱，烧损更小。

此外，炉内补加的合金元素一般烧损量也较小。所以，工频感应电炉熔炼出的铁液的化学成分能够比较精确地达到预定的要求；但由于炉渣不能感应发热，渣温较低，故工频感应电炉的冶金性能较差。

3）铁液质量

①温度成分均匀。金属熔化后，由一次磁力线产生的二次磁场，与铁液中的电流相互作用，产生由坩埚中心向上面后分向两壁的电磁力。功率越大，频率越低，与感应圈相对的铁液面积越小，电磁力就越大。因此，工频感应电炉的这种电磁搅拌力比高频感应电炉与中频感应电炉大。

②铁液白口倾向大。与冲天炉相比，工频感应电炉熔炼出的铁液的白口倾向大，易于产生过冷石墨，所以铸铁的强度与硬度较高。当碳当量相同时，工频感应电炉铸铁的石墨化碳量比冲天炉铸铁的低。

总的来说，用工频感应电炉熔炼铸铁，可以正确地控制和调节铁液温度与成分，获得纯度高的低硫铁液，熔炼烧损少，噪声和污染小，而且可以充分利用各种废钢屑和废料，大块炉料可整块入炉重熔，所以有很大的优越性。

4）冲天炉与工频感应电炉双联。这种双联方式旨在进一步提高冲天炉的铁液温度，调整铁液的化学成分。冲天炉与工频感应电炉通常用流槽直接连接。在大量流水线生产中，工频感应电炉铁液往往还转入浇注炉进行保温与自动浇注。为使生产能均衡地进行，工频感应电炉的容量应按冲天炉熔化率和熔炼工作制度确定。表5-7所列数据可供参考。

表5-7 工频感应电炉的平均熔化率（参考数据）

双联熔炼是以较低的能量耗费，获得高温优质铁液的行之有效的铸铁熔炼方法。这种方法目前正在国内外迅速发展。