优化设计在冲天炉配料中的应用

第十章计算机在冲天炉中的应用冲天炉是熔化铸铁的主要设备，由于冲天炉具有生产率高、热效率高、适应性强、结构简单、操作方便、设备投资少、占用车间面积少和省电等特点，因此国内外的铸造业广泛地应用冲天炉。

为了获得高温、优质的铁水，提高热效率，减少元素的烧损，稳定生产率，需要对冲天炉熔炼过程的主要参数进行检测和自动控制。

一般通过计算机对铁水的温度及化学成分、风量、风压和炉气成分等进行检测，以诊断冲天炉的运行状况。

可以用计算机进行最低成本的优化配料计算，将优化配料的结果指导炉后炉料配料控制系统，对炉料进行定量控制。

可以用计算机对冲天炉熔炼过程的送风量、送风湿度、送风温度、加氧送风等进行优化控制。

10.1 铁水成分快速热分析冲天炉炉前快速热分析测定铁水的主要成分C、Si,从而可以指导调整铁水的成分，指导炉前球化、孕育处理。

反馈到炉后指导配料控制系统，对炉料进行定量控制。

①基本原理铁碳二元相图与其冷却曲线的关系如图10-1所示。

图10-1铁碳二元相图与其冷却曲线铁水成分热分析法是根据铁碳合金双重相图，相图中的液相线与固相线分别表示不同含碳量的铁碳合金的凝固开始温度T L与凝固终了温度T S。

合金凝固时，由于结晶潜热的释放，减慢了冷却速度。

显然利用冷却曲线的变化能够确定铁碳二元合金的成分。

对于过共晶成分的铁水，由于初生相为石墨，而石墨的结晶潜热很少，以致于无法测得其液相线温度，因此，一般认为现有的快速热分析仪不能测过共晶铁水的成分。

炉前快速热分析，要求尽快地预报铁水成分，因而实际用的样杯都比较小，试样一般要求在3～5min内凝固完毕，其冷却速度比测定相图的冷却速度大的多，因而用实际样杯测得的特征点会偏离相图上的特征点。

工业上应用的铸铁不是纯的铁碳二元合金，除含碳外，还含有硅、锰、磷、硫等多种元素。

这些元素都从不同方面影响铁碳二元合金相图上的特征点。

因此，需要精确的多元相图作为工业铸铁热分析的基础，可惜这样的相图无法得到，因此只好通过大量实验，回归分析出碳、硅含量与测得的液相线温度和固相线温度等之间的经验关系。

大比例废钢铸造电炉与冲天炉质量控制解决方案与增碳配料工艺铸造人自己的学习平台，扫二维码或长按二维码进入一、大比例废钢铸造，出现产品质量不稳定的原因在哪里？作为废钢铸造的倡导者和力推者，笔者坚信使用废钢作为铸造主原料，将是中国铸造未来的大趋势，因为，使用废钢作为铸造主原料，既有利于环保事业，又能达到降低污染物排放量的目的，这是利国利民的冶炼材料，是非常经济的铸造原材料。

但是，使用废钢作为铸造的主要熔炼材料，有几点注意事项是铸造厂必须遵守的原则：一、废钢的选择应与铸件质量要求进行深度吻合在铸造生产当中，选择废钢作为主要原材料时，一定要兼顾废钢材质与铸件质量要求的统一性。

比如铸造厂要做高强灰铸铁，做灰铁300牌号，这时候，铸造厂在选择废钢时，首先要根据灰铸铁300的元素要求，来选择废钢。

高牌号灰铁的化学成分是低碳、低硅，高锰。

所以，做灰铁300铸件，选择废钢时，首选废钢是高锰，低硫，低磷材质的废钢，这样就可以节约下来生产中另外添加锰铁的环节，又可获得理想的铸造效果。

对症下药，因才选材，是废钢铸造当中重要的注意事项，不然，就算工艺流程对，选错了材料，生产出来铸件也会出现大问题。

比如，生产铁素体铸铁，你所选的废钢材质却是高锰，或者合金钢，那后果就非常严重，加工件就会出加工不动的问题，使产品全部报废。

因此，废钢铸造的第一关就是选材。

就跟耗厨师做菜一样，想做好一道美味佳肴，选择食材非常重要。

二、废钢除锈与分捡废钢做铸造主材料，有其优势的一面，也有弊端。

优势方面大家都了解的差不多了，咱们就说说使用废钢做铸造材料的弊端，然后，兴利除弊。

废钢，因为源自社会各行各业，各种渠道，又是废旧物品，在使用与报废当中，二次污染情况严重，如油漆，锈迹，油污等等污染常常附着在废钢上面。

如果废钢是轻度污染和锈蚀，可简单处理一下，即可投入电炉中。

如果废钢污染程度较重，那么，对废钢进行除锈，除油处理，就非常必要了。

如果购买的废钢材质杂乱，其中有许多合金杂物，那么，对所购买的废钢进行分选，就是必须要做的一道工序了。

通过提高吹入空气温度来提高冲天炉效率的一项技术摘要：冲天炉的效率与铸造技术的提高和发展紧密相连，其中重要的改进之一是提高焦碳燃烧的预热空气，这项研究的主要目的是为了评估提高焦碳温度所能获得的结果：从焦碳的消耗，产量的提高和硅的损失来看能量节约。

然而，如果没有关于不同材料性能的一些技术限制，节约能量是不能实现的。

此外,为了达到高效率和低成本的平衡，应将成本考虑在内，这些分析已经在论文中得以体现。

这项工作目前的结果是可以把焦碳的消耗降低大约5%，可适当的节约成本。

同时, 在600-700℃范围内的温度以前从未被使用过，目的是为了回收废气中的能量。

关键词:铸造；冲天炉；分析；过程最优化1、引言在中频熔炉被引进用于熔化铁之前，还没有发明出理想的熔炼设备。

在规范的生产过程中，金属组成的更高规格和球墨铸铁的引进，要求非常低的含硫量，几乎可以代替现有的冲天炉。

除此之外，社会对环境的更高敏感性使它的生存更加重要，尤其对于那些没有意识到冲天炉不仅是一个熔炼设备而且是一个废物回收者的人来说[1]。

然而，仍有另一个支持冲天炉在环境保护方面的因素：现代的冲天炉熔化每吨金属料要比电炉要求更低的初始能量[2]。

这就意味着，考虑到整个环境它们更加清洁和对生态环境无害[3，4]。

在产品生产率和能量效率方面，有些可行的方法来改善冲天炉的效率[5，6]。

这些可行的方法之一就是通过增加吹入空气的温度来获得明显的能效改进。

作为一个理想的假说，在没有增加额外投资的情况下，预热空气可得到尽可能高的温度[7]。

冲天炉中产生的能量来自于焦碳的燃烧，但其中只有40%的能量贡献于金属熔化和超过熔化温度的过热，而其余能量都损失于冷却系统，进入冲天炉的热空气通过烟道排出。

在空气通过喷嘴进入燃烧室之前，使用预热空气有助于节约能量。

然而，对这个温度的提高有某些限定条件，如材料抗力和成本，燃烧条件的冶金作用等。

图1是表明冲天炉内能量分布示意图，图中W0是从焦碳燃烧得到能量的过程；W1是从硅、锰得到能量的过程；W10是熔化金属中包含的能量；W11是炉渣和湿空气的分解和加热损失的能量；W12是冲天炉冷却系统损失的能量；W13是上加料口损失的能量；W14气体显热和发热量损失的能量；WR通过吹入预热空气而获得的能量。

外热风水冷长炉龄大吨位冲天炉研发建设方案一、实施背景随着中国经济的快速发展，钢铁、有色金属等基础工业的规模不断扩大，对冶炼设备的需求也日益提升。

尤其是对于大吨位的冲天炉设备，由于其炉龄长、高效能、低能耗等特点，市场需求持续增长。

然而，当前国内大吨位冲天炉设备主要由国外引进，存在一定的技术壁垒。

因此，开展外热风水冷长炉龄大吨位冲天炉的研发与建设，对于提升我国冶炼装备制造水平，满足工业发展需求，具有重要意义。

二、工作原理外热风水冷长炉龄大吨位冲天炉的工作原理主要涉及热力学和材料科学的相关知识。

设备运行时，外热风通过进风口进入炉膛，与炽热的焦炭进行充分混合，提供冶炼所需的热量。

同时，水冷系统对炉衬进行保护，防止其因高温而损坏。

长炉龄的特点主要依赖于优质的材料选择和先进的加工工艺。

三、实施计划步骤1.研发团队组建：组织机械设计、热工、材料科学等领域的专业人员，组建研发团队。

2.文献调研：搜集与外热风水冷长炉龄大吨位冲天炉相关的国内外文献资料，进行深入研究。

3.初步设计：根据文献调研结果，进行初步设计，包括炉型结构、热工参数、材料选择等。

4.详细设计：进行详细的机械设计，制定加工工艺，编写操作手册。

5.样品试制：按照设计图纸制作样品，进行实地测试。

6.优化改进：根据测试结果进行优化改进，提高设备的性能与稳定性。

7.工业化推广：完成优化改进后，进行工业化推广，满足市场需求。

四、适用范围本设备适用于钢铁、有色金属等基础工业的冶炼环节。

其长炉龄特点使其在连续生产的环境中具有显著优势。

同时，由于其高效、节能的特性，可广泛应用于大型钢铁、有色金属冶炼企业。

此外，还可应用于相关科研院所，作为研究冶金过程的实验设备。

五、创新要点1.外热风结构设计：通过优化炉型结构，提高外热风的利用率，增强设备的热量供给能力。

2.水冷系统的改进：采用先进的水冷技术，提高炉衬的冷却效果，延长其使用寿命。

3.长炉龄材料选择：选用高耐温、高强度材料，满足设备在高温、高压下的运行需求。

目录内容摘要 (2)关键词 (2)Abstract (2)Key words (2)1．电动机的选择 (3)1．1 原始数据 (3)1．2 确定电动机的功率 (3)1．3 确定电动机转速 (3)2. 计算分配各级传动比 (4)2．1 总传动比 (4)2．2 分配各级传动比 (4)3．运动参数及动力参数计算 (4)3．1 计算各轴转速（r/min） (4)3．2 计算各轴功率（KW） (4)3．3 计算各轴转矩（N/m） (4)4．齿轮传动的设计计算与与校核 (4)4．1 齿轮的选材 (4)4．2 按齿面接触疲劳强度设计 (5)4．3 确定齿轮的主要参数和几何尺寸 (5)4．4 校核齿根弯曲疲劳强度 (6)5．轴I的设计计算 (6)5．1 轴I材料的选择和尺寸的确定 (6)5．2 齿轮上作用力的大小，方向 (7)5．3 轴I的校核 (8)6．用PLC实现冲天炉自动加料控制电路 (8)6．1 PLC的概述 (8)6．2 PLC的基本结构 (9)6．3送料小车的作用 (11)6．4 控制要求 (11)6．5 运料小车控制的主回路的设计 (12)6．6运料小车控制电路的设计 (13)6．7 分析控制要求，确定输入、输出设备 (13)6．8 分配I/O接口 (14)6．9 逻辑设计 (14)参考文献 (16)致谢 (17)内容摘要：天炉是铸造行业使用最广泛的熔炼设备。

目前在国内大部分铸造车间中，冲天炉熔炼生产中的配料、加料等工作都是由一线工人手工完成的，高温、烟尘、震动、噪音等既恶化了工作环境，又增加了工人的劳动强度，同时配料准确度难以保证，生产数据难以实时处理。

不仅工人的劳动条件恶劣，还由于在熔炼过程中，时而发生空料，断料等故障，造成熔炼过程不稳定，甚至导致重大事故发生。

由此而产生的铁水化学反应波动大，冶金质量差等问题，严重影响着铸件的成品率。

冲天炉加料系统已成为制约铸造生产自动化、铸造管理现代化过程中的一个重要环节。

近几年，由于环境保护趋严的现实要求，冲天炉逐渐被电炉所代替，原因是冲天炉排放二氧化碳（一氧化碳）、硫化物、硝化物及烟尘严重。

在这里，对我公司分别使用冲天炉、电炉熔炼的铸铁质量进行比较后谈一谈冲天炉熔炼铁液的优点及存在的必要性；同时介绍冲天炉污染的解决办法。

一、冲天炉熔化铁液的连续性在操作得当的情况下，使用冲天炉熔炼，可根据铸件的大小、壁厚、成分、温度等要求，任意取出需要的铁液量；亦可根据材质及壁厚的要求，控制不同的增碳量及温度来满足铸件的要求，生产效率高。

而相比于冲天炉，电炉则受到一定的限制，特别是铁液量，如果生产大件，必须安装大容量的熔炼电炉。

二、冲天炉与电炉熔炼铸件强度和加工性能的比较1、强度的比较从表1、表3来看，在CE相当时，电炉加Cu 0.5%，冲天炉在不加任何合金的情况下，冲天炉铸件的强度比电炉铸件的高出75 MPa，即高出1.5个牌号级别。

(表1/表3 引用于中铸协公众号)从表1、表3来看，电炉熔炼要满足HT300牌号，就要降低CE。

在CE降低0.15%并加Cu 0.5%情况下，电炉熔炼铸铁强度达到320MPa，即与冲天炉相比，强度仍要下降半个牌号以上。

另外，在CE、温度相同的情况下，冲天炉铁液比电炉铁液的流动性好，这就是说，冲天炉铁液减少了冷隔和浇不足的缺陷，并且缩孔、缩松倾向也少。

2、硬度和加工性能比较由于分公司电炉生产硬度检测缺失，无法对比。

但对济南某机床厂电炉生产和本公司冲天炉生产的同种大型床身、立柱、工作台比较来看，在硬度基本相同的情况下，冲天炉铸铁比电炉铸铁的刀具磨损要减少一半以上，并且机加工效率大大提高。

欧洲客户正是因本公司冲天炉铸铁件加工性能好、缺陷低而忠诚合作10多年。

日本、新加坡等地客户也是因本公司冲天炉铸铁件比其他公司采购的铸件加工性能好、硬度适中而忠诚合作20多年。

三、冲天炉铁液对铸造缺陷的影响在相同材料牌号的情况下，冲天炉熔炼可在高CE条件下满足材料牌号的要求，这就减少了铸件缩孔、缩松缺陷产生的可能性，不需要加大冒口和多冒口铸造，甚至可不加冒口，提高铁液利用率，也不用或少用冷铁，也不用合金或加入少量合金。

冲天炉熔炼几个问题的处理(2008-06-30 20:35:26)目前，各铸造公司（厂）随着生产量不断扩大，冲天炉的吨位在提高，铸件日生产量也在逐步上升。

在冲天炉熔炼过程中，经常会碰到一些较难解决的问题，笔者根据自己多年的实践经验，介绍一些解决办法，供同行参考。

1 熔化带以上的耐火砖易掉落问题国内一般铸造厂家的冲天炉大多数都有炉衬，而为了防止耐火砖的缝隙渗漏铁液，一般情况下总是砌内外二层耐火砖，并且使里外两层火砖的缝隙错开。

然而，如果在熔化带以上砌内外二层耐火砖，由于支撑法兰经过多次熔化很容易被侵蚀(因为法兰是钢板，靠近法兰的耐火砖侵蚀后，法兰也容易侵蚀)，致使上层耐火砖(内层砖)失去支撑，受到撞击、震动时很容易掉落，有时还会伤人。

经过改进，我们把熔化带以上的耐火砖，做成整体。

这样，即使法兰化掉三分之二，耐火砖也不易掉落。

2 过桥、出铁口易被侵蚀问题随着铸件日产量的提高，及铁液过热温度的升高，冲天炉的过桥、出铁口很容易被侵蚀扩大。

过桥侵蚀扩大以后容易造成铁液氧化，以及过桥渗漏；而且出铁口侵蚀扩大以后，容易造成铁液堵塞不住，易烫伤人，影响冲天炉的正常生产。

我们采取以下措施来防止。

（1）在修搪过桥、出铁口的普通耐火泥中，增加10％~20％的刚玉砂（Al2O3）来提高这两处的高温强度，这种方法简单、可靠、成本低。

（2）在出铁温度比较高（≥1 500℃），熔化时间比较长（≥20h）时，采用联矿的#126或#127耐火材料，效果比较理想，但成本较高。

我们采用以上两种方法，克服了生产中过桥、出铁口易出现故障的问题。

3 固定式前炉容量的选择在我国采用固定式前炉的铸造厂家还是比较多的，一般情况下都考虑前炉可以多储存铁液，来均匀批料的化学成分。

因此大多数铸造厂家选择的前炉容量都为批料重量的5~10倍，这样一来前炉的容量是扩大了，但是也不利于前炉的炉渣尽快排出，特别是对生产球墨铸铁是非常不利的。

因为炉渣中的w(S)为0．1％~0．3％，而原铁液的w（S）量一般情况下低于0．1％，炉渣长时间停留在前炉内，越积越厚，从过桥流到前炉的铁液要穿过厚的渣层，原铁液的w （S）也随之升高。