铸造合金及其熔炼课程设计

铸造合金及其熔炼课程设计说明书

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目录

一，零件的原始要求 (1)

1，零件的名称、结构及尺寸要求、材料、机械性能要求二，选材 (3)

1，确定炉料的牌号，成分等

三，选用炉料……………………………………………‥4 1，原生铁、回炉铁、废钢、硅铁、锰铁

2，炉料配比计算

四，选用高炉 (8)

1，炉体设计

2，画图

五，确定熔炼工艺过程 (16)

1，确定主要工艺参数

2，熔炼前的准备

3，冲天炉熔炼操作

4，冲天炉判断、常见故障排除

5，各种特殊处理（孕育处理、球化处理）

六，热处理 (22)

1，有关热处理参数、工艺

七，参考资料 (23)

知识储备

1、灰铸铁的组织和性能

[组织]：可看成是碳钢的基体加片状石墨。按基体组织的不同灰铸铁分为三类：铁素体基体灰铸铁；铁素体一珠光体基体灰铸铁；珠光体基体灰铸铁。

[力学性能]：灰铸铁的力学性能与基体的组织和石墨的形态有关。灰铸铁中的片状石墨对基体的割裂严重，在石墨尖角处易造成应力集中，使灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性远低于钢，但抗压强度与钢相当，也是常用铸铁件中力学性能最差的铸铁。同时，基体组织对灰铸铁的力学性能也有一定的影响，铁素体基体灰铸铁石墨片粗大，强度和硬度最低，故应用较少；珠光体基体灰铸铁的石墨片细小，有较高的强度和硬度，主要用来制造较重要铸件；铁素体一珠光体基体灰铸铁的石墨片较珠光体灰铸铁稍粗大，性能不如珠光体灰铸铁。故工业上较多使用的是珠光体基体的灰铸铁。

[其他性能]：良好的铸造性能、良好的减振性、良好的耐磨性能、良好的切削加工性、低的缺口敏感性

灰铸铁的热处理：

1.消除内应力退火

2.改善切削加工性退火

3.表面淬火

灰铸铁密度

灰铸铁分≥HT250与≤HT220，其密度分别为7.35g/cm³与7.2g/cm³。

灰铸铁的熔点是1100~1300摄氏度

2、湿型铸造 主要用于中小型铸铁件生产，生产率高，生产周期短，适合于大批量生产，砂型无需烘干，节省燃料、变形小、生产成本低。但消耗紧实功较大，铸造缺陷较多。

一、零件的原始要求

1、零件名称：轴承内盖（丰收1100型脱粒机）

2、零件特点：轮廓尺寸 15529mm φ? 属于小型圆盘类铸件， 形状比简单，壁厚比较均匀，在10-12mm 之间，铸件毛重1.6kg 受力不大，要求精度不高，采用湿型铸造。

3、要求铸铁牌号：灰铸铁HT150。 抗拉强度：

150b

MPa σ

≥

熔化率:冲天炉熔化率为2吨每小时

4、零件的结构及尺寸：

二、选材

1、牌号：HT150

2 标准：GB 9439-88

3、化学成分选择：C：3.3% ~ 3.5% ，Si：2.2% ~ 2.4%，Mn：0.5%~0.8%

P：≤0.15% ，S：≤0.12%

三、选用炉料

随着经济全球化的不断发张。铸造业也随同形式大规模的开发，冶金炉料用户要求品质也在不断的提升细化。

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，是冲天炉炉料的主要组成物。

②回炉铁，包括浇冒口、废铸件。按配料的需要加入一定量的回炉铁，可降低铸件成本。

③废钢，包括废钢件、钢料、钢屑等，加入废钢可以降低铁水的含碳量。

④铁合金，包括硅铁、锰铁、铬铁等，可以调整铁水的化学成分或配制合金铸铁。

2、炉前添加合金元素的回收率：

3、炉内熔化元素增减率：

4、配料计算：

第一步，计算炉料中各元素应有的含量，可用下公式计算。

η

±=

1铁液炉料

X X

式中 炉料X ——炉料中元素含量（%）

铁液X ——铁液中元素含量（%） η——熔炼过程中元素增减量。

“

+”号用于元素增加，“-”号用于元素减少。

经计算的炉料中各元素的含量为

c

==3.4%=3.24%1+15%

C

c η

ωω+（原铁液）

炉料

i i

i =

2.25%

2.65%1115%

S S S ηω

ω

=

=+-（原铁液）

炉料

n n

0.65%

===0.80%1120%

M Mn M η

ωω+-（原铁液）

炉料

0.15%

=

0.15%10

10.12%

=

0.067%180%

1p P p

S S S

ηηωωω

ω

==-+==++（原铁液）

炉料

（原铁液）

炉料

第二步：初步确定加入废钢的量（B): B=15%

(3)应用代数方法计算出本溪生铁和灰铁回炉铁的加入量(A 和E ）：

设本溪生铁用量为（A ）为X ，

则灰铁回炉铁（E)的用量为（100%-B-X)=100%-15%-X 因为本溪生铁配入的含碳量为 c

ω炉料A

=4.13%x

回炉铁配入的含碳量为 c

ω炉料E

=3.30%(85%-)x

废钢配入的含碳量为 0.35%15%0.0525%B

c

ω=?=炉料

即：

A

c

c

c

+B c ωωωω=

+

炉料

炉料炉料E

炉料

0.0525%3.24%=4.20%X+3.30%(85%-)+x

得X=42% 本溪生铁用量为（A ）为X=42%

则灰铁回炉铁（E)的用量为85%-X=85%-42%=43%

第四步：核算硅、锰量以便确定铁合金加入百分数（D 和F ）

核算硅量，确定硅铁加入量，由本溪生铁、灰铁回炉铁和废钢配入的硅量

Si Si B Si '

Si A ωωωω炉料

炉料炉料炉料E =++

=42%×1.82%+43%×2.20%+15%×0.3% =1.75%

要求炉料应配入的硅量为：

Si ω

炉料

=2.25%

尚缺硅量，可确定加入硅铁补充，即加入硅铁的量为

75%

'Si Si D ω

ω=

炉料

炉料

- 2.25% 1.75%0.78%75%(115%)

-==?- 核算锰量，确定锰铁加入量为F

由本溪生铁、灰铁回炉铁、废钢和硅铁配入的锰量为

'

Mn Mn Mn Mn Mn ωωωωω++炉料

本溪生铁回炉铁废钢硅铁=+

=42%×0.74%+43%×0.75%+15%×0.6%+0.78%×0.5%=0.73% 在需要的范围之内，故不需要再加硅铁，即F=0 第五步。核算硫，磷是否在要求的范围之内， 核算磷量

有前面计算知允许加入的磷量为

=0.15%P ω

炉料

由本溪生铁、灰铁回炉铁、废钢和硅铁配入的磷量为

'

P P P P P ωωωωω++炉料

本溪生铁回炉铁废钢硅铁=+

=42%×0.14%+43%×0.08%+15%×0+0.78%×0.04%=0.094%

所以

'

P P ωω

炉料

炉料

<

可见，炉料中配入的磷量已控制在要求的范围之内。 核算硫量

由前面计算得知，允许炉料配入的硫量为

0.12%S ω

=炉料

由本溪生铁、灰铁回炉铁、废钢和硅铁配入的硫量为

'

S S S S S ωωωωω++炉料

本溪生铁回炉铁废钢硅铁=+

=42%×0.12%+43%×0.10%+15%×0+0.78%×0.02%=0.094%

所以

'

S S ωω

炉料

炉料

<

可见，炉料中配入的硫量已控制在要求的范围之内。

通过以上计算得各炉料的加入质量百分比分别为：本溪生铁用量为42%,回炉铁用量为43%,废钢用量为15%，75%硅铁合金用量为0.78%，锰铁用量0

四 炉体设计

1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至炉底之间的炉体，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）前炉可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的增碳与增硫作用，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除炉外，除尘装置的作用是消除或减少炉气中的烟灰及有害气体。 （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。 （5）热风装置

热风装置的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）风机。

2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，因此应首选择它的大小。

S

Q

D 12.1 米 式巾： D 一—冲天炉炉膛直径 米。 Q ——规定的冲天炉的生产2 时吨/。 S ——冲天炉的单位生产率 2/米吨·时

冲天炉的生产率越大，与之相适应的炉膛内径也要越入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—102/米吨时的范围内。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 熔化率（t/h ） 1.5 3.0 5.0 7.0

炉衬厚度 130 180 230 230 因为所选冲天炉的熔化率为2吨/小时，所以这里炉衬厚度取为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

熔化率（t/h） 1 2 3 5

炉壳外径 810 1030 1160 1600

炉壳厚度 6 6 6 8

所以炉壳外径为1030mm ，炉壳厚度为6 mm

二炉身高度

冲天炉的高度：冲天炉应具有必要的高度才能保证炉料的充分预热和良好的工作条件。高度不足，铁料预热不良，炉内铁水温度难以提高。但高度太高，容易产生搭棚、压碎焦炭，增加鼓风机功率消耗和增加厂房建筑等缺点，这也是不必要的

冲天炉的炉身高度=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（有无前炉),熔化率及铁液含碳量有关

有前炉

熔化率（t/h）2 3 4 5

炉缸深度200 220 250 280

所选冲天炉的熔化率为2吨/小时，所以选取的炉缸深度为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，易产生棚料，压碎焦炭，增加进风阻力；过低时，炉料预热不好，热效率低。

有效高度一般为炉内径的5--7倍

炉子内径 <700 700--1000

高径比（H/D） 6--7 5--6

得，有效高度=3600mm

炉底厚度

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。

所以炉底厚度选为300mm

四前炉

前炉内径和高度，一般考虑贮存0.5--1小时熔化的铁水量。

前炉内径=(0.8--1.1)炉膛内径

熔化率 1 2 3 5

前炉容量 0.75 1.5--2 2--3 3--5

前炉内径 560 700 800 950

所以这里所选前炉内径为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

冲天炉内径 500--700 900 1100

前炉炉衬厚度180 230 250

因为所选冲天炉内径为700mm，所以前炉炉衬厚度为180mm

前炉炉底厚度

熔化率 1 2 3

前炉炉底厚度 320 370 410

因为所选冲天炉熔化率为2吨/小时，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 ——前炉铁水贮存量

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

出渣口直径一般为30--60mm

出铁口直径一般为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（m2）

F——主风口处炉膛面积（m2）

风口排数：2-5排

风口排距

熔化率 1 2 3 5

风口排距 150-210 160-180 160-180 200-220 所以选取风口排距为160mm

每排风口数

熔化率 1--2 3 5

每排风口数 4 6 8

所以每排风口数选为4

风口斜度，一般为0o--20o，第一排风口由于距离炉底较近，所以斜度要小一些取为0--5o

2、 风管：风管截面积可按下列公式计算 V

W F

f 60=

式中： F

f ——风管截面积与炉子截面积之比(应已知)

W ——冲天炉的送风强度 分米米?23/。其数值一般为100～160分米米?23/

V ——空气在风管中的流速， 米／秒。一般为10～18米／秒。

3 、风箱：风箱截面积的计算方法同风管一样，用同一公式计算。其中空

气在风箱中的流速为2.5～4.0米／秒。

4、高炉内型参数

序号 项目

数值（mm ） 1 冲天炉内径

600 2 炉壳内径300 3 炉壳外径 1030 4 炉壳厚度 6 5 绝热层厚度 2 6 炉缸深度 200 7 有效高度 3600 8 炉身高度 4100 9 炉底厚度 300 10 前炉内径 700 11 前炉高度 840 12 前炉炉底厚度 370 13 出渣口高度 780 14 风口排数 4 15 风口排距 160 16 风口斜度 5 17

六 冲天炉结构图

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，越有利于铁液的温度。

○

21焦炭强度与块度：块度大，燃烧慢，温度低。块度小，燃烧快，高温区短，也不利于铁液的过热。 ○3反应能力：焦炭反应能力大，会促进CO C CO 2=+反应发展，从而降低炉温。 2）送风对冲天炉铁液温度的影响

○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速，因而强化焦炭燃烧，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，称为最惠风量。而最惠风量的大小，主要取决于焦炭消耗率。如图液温度与焦耗和风量的关系

○2风速的影响：提高冲天炉进风速度，可消除焦炭表面阻碍燃烧反应的灰渣，强化焦炭燃烧，提高炉气最高温度。高速空气易深入路子中心，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，风速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，提高燃烧燃烧速度和炉气最高温度。同时也缩短氧化区域加剧

co的还

2

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，可加速底焦的燃烧素的并增加

co浓度，因而是氧化带缩短，还原带扩大，提高铁液温度。

2

3）金属炉料对冲天炉铁液温度的影响

金属炉料块度越大，所需预热和融化时间越长，易造成熔化区位置下降，过热区高度缩短，因而不利于铁液的过热。所以减少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。

4）熔炼操作参数对冲天炉铁液温度的影响。

○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，但融化速率高。

○2焦炭消耗量：焦炭消耗量应满足如下关系：每批层焦量=融化每批金属料的底焦烧损量；相当于每批层焦的底焦烧失时间=每批金属料的融化时间。

○3批料量：当焦炭比例不变时，较少批料量可使每批炉料的融化时间缩短，融化区域减少，熔化区平均位置提高，从而扩大过热区域，有利于提高铁液温度。但批料层过薄，易造成铁焦严重混杂和串料，使铁液温度与成分波动。

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融化区比较平直，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风，而将风口设在炉子底部的称为底部送风或中央送风。一般小型冲天炉常用侧向送风，结构简单，但炉壁效应的影响大。对于直径较大的炉子也可采取双排送风口。

4、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，同时加快反应的速度，因此对冲天炉焦炭燃烧过程起到强化作用。

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

3/之间

在120～110分

米

米?2

，而发生事故

五、熔炼工艺过程

（一）制定主要工艺参数

1 合理的送风强度

所谓送风强度，系指每一分钟内送入每一平方米炉膛截面积的风量。单位是3/。

米?2

分

米

3/之间

正常情况下，送风强度应在120~110分

米

米?2

2 合理的熔化强度

冲天炉熔炼的另一个主要工艺参数是熔化强度。在正常

情况下，熔化强度应在7~10时

/范围。

吨?2

米

3 合理的底焦高废

所谓底然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，铁水温度提高不多，熔化率就会降低。这是由于底焦太高，当金属料下降到底焦面上时，铁料温度还较低而不能熔化，要等过量

焦炭烧掉后，铁料继续下降，才能熔化。另外，底焦太高，还会造成炉气中一氧化碳含量的增加而加大热损失。如果底焦太低，铁料熔化后，过热路程短，因而使铁水温度降低。同时，在底焦很低的情况下，会使铁料在氧化区熔化，造成严重氧化，而发生事故。

因此底焦高度应使底焦顶面较炉壁开始侵蚀的平面高出100~200毫米，在开炉过程中，底焦在不断地燃烧消耗，为保持底焦高度基本不变，则需要加入层焦不断地补充。如果底焦消耗量与层焦的补充量大体相等时，底焦面将基本上保持不变。如果补充量不足，则随着熔化时间的延长底焦面将下降，从面造成铁水温度的降低和铁水的大量氧化。反之，如果补充量大于消耗量，则底焦面将高出熔化区顶面，这样就使铁料的熔化时断时续而降低了熔化率，同时也降低了焦铁比。适当的层焦应根据焦炭质量、铁水温度和溶化率来确定。

（二）熔炼前的准备

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

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，用新产地的原料按所需的铸铁级别进行配料。出铁时，在炉前观察铁水槽中的火花形状与数量，观察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到的火花形状，数员、白口深度和机械性能是否和原估计大致相同，以便确定能否使用或采取何种措施。

2 熔铁顺序的安排

就铁水温度而言，熔炼开始时温度逐渐上升，在熔化中期温度最高，而到后期则有所下降。因此，低牌号的铸铁因流动性比较好，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，饶注温度要求较高，因此大多安排在熔炼的中期或者后期熔化。

（三）炉前质量的控制

1 根据铁水火花判断铁水质量

出铁槽中铁水的火花越多，说明铁水中碳、硅含量越。

低，锰量越高，三角试片的白口深度越大，硬度越高。具体分析有：第一种是暗红色的流线型火花，它飞的比较高，这种火花越多、越长，飞的越高，则表示铁水中的含碳量越低。

第二种是亮白色的团絮状火花，这种火花越多、越大，飞的越高，则表示铁水中的含硅量越低。

第三种是细小的针状火花，它很亮，飞的很低，在出铁口周围，这种火花越多表示铁水中的含锰量越高。

2 根据三角试片判断铁水质量

三角试片尖端与底边的厚度不同，因而冷却速度不一样，它的断面组织也就不一样。根据断面组织情况可以迅速地判断铁水的化学成分和机械性能。如表5-1

3 根据炉渣的颜色判断铁水质量

用铁棒将炉渣拉成细丝，在阳光下，观察其颜色，如炉渣呈淡绿色玻璃状，且流动性很好，说明炉子熔化正常。如呈深黑色，坚实致密而且很重流动性就差，说明炉温低，风量大，有氧化情况，要及时补加焦炭，降低风量。如炉渣呈深黑色，轻而发泡，则说明炉温低，氧化严重，风量过大，熔剂太少，要立即追加焦炭，降低风量，增加石灰石用量。如炉渣呈灰白色石头状，重而粘稠，则说明石灰石用量太多，使炉壁侵蚀严重，必须减少其用量。

4 打炉前料住高度的判断

打炉前期随着熔化过程的进行，料柱降低，料口开始出观蓝色火焰，然后火焰由蓝变成暗红色。随着炉料的继续下降，暗红色的火炮焰变为红色，这时炉料大约还剩—半左右。随着时间的推移，火焰逐渐变亮而发白，并有火花出现，这时炉料约还有三分之一。随后，火花逐渐变多，火光更亮，这时炉料还剩1~2批左右。在火花大量出现之后，开始逐渐减少，最后消逝，而火光也逐渐暗淡下来，达时炉料已全部熔化。

（四）冲天炉熔炼操作

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，现分别叙述如下：

1 修炉