9.冲天炉和电炉熔炼的区别

冲天炉和电炉熔炼的区别

曾小弟

（杭州佳农机械数控机床有限公司）

摘要：笔者从工艺性、材质、投资、环保等方面介绍冲天炉和电炉熔炼的区别。 关键词：冲天炉；中频感应电炉 1 概述

近二年来新建铸造厂不断增加，不少企业为冲天炉熔炼还是单一感应炉熔炼方案为难。采用冲天炉和电炉熔炼那种方式更好，历来是大家争论的焦点。笔者在此从工艺、材质、投资、环保等方面浅谈冲天炉和电炉熔炼的区别，供大家参考。

铁水的内在质量要保证铸件的使用性能和可靠性，故铁水的熔炼质量是铸造生产过程中的关键环节。

在全球都在关注环境保护的今天，随着社会的发展和进步，人们环保意识的提高，对环保的要求也愈来愈高，相应的环境保护条例不断完善，以达到相应的环保要求。那么选用什么样的熔化设备显得越来越重要了。为此，我们在新建铸造项目中，要对熔化设备的选用加以论证，采用冲天炉和电炉熔炼那种方式更好，在此，笔者不敢妄加定论，但两种熔炼方法生产的铸件，在材料的品质、加工性能、工艺、投资、环保等方面确实略有差异。 2 冲天炉与电炉熔炼的各自特点 2．1冲天炉熔炼的特点 2．1．1 冲天炉熔炼优点：

1） 冲天炉是最普遍应用的铸铁熔炼设备，它用焦炭作燃料。焦炭燃烧产生的热量直接用来熔化炉料和提高铁液温度，在能源消耗方面比电孤炉和其它熔炉节省，而且设备比较简单，大小工厂皆可采用。20世纪70年代后，冲天炉设备的改造取得了重大的突破性进展，冲天炉的计算机辅助操作使冲天炉达到完全自动化生产，保持高效率，又能满足环保的要求。因此至今为止，世界各国仍采用

冲天炉作为主要的熔炼设备，与感应电炉双联，提高总的热效率，调整和均匀铁液的化学成分，适应大量生产。

2) 可连续出铁液。大型水冷无炉衬长炉龄冲天炉，可以连续工作300小时。 3) 设备费用低。冲天炉设备费用低，但要实现除烟除尘，使废气净化能满足环保的要求，除尘设备价格是冲天炉设备的5倍以上。 2．1．2 冲天炉熔炼缺点：

1) 熔炼过程中排放大量的灰尘和废气，易造成环境污染。

2) 在冲天炉熔炼过程中，由于铁液直接与焦炭接触，故会发生铁液增碳和增硫的过程。铁液吸收来自焦碳的硫，对生产球墨铸铁不利；冲天炉内炉料熔化后，硫的质量分数往往增加50％～100％， 焦碳中的硫以二种方式进入铁液。

Ａ：焦碳中一部分Ｓ转化成ＳＯ2被铁料和铁液吸收。

3Fe+SO2 →FeS+2FeO 10FeO+SO2→FeS+3Fe3O4

B：铁液和焦碳接触，焦碳中硫直接溶于铁液中。

3) 铁液的化学成分和温度波动较大。冲天炉内炉气中O2和CO2含量越多，氧化作用越强，合金元素的烧损越严重。 ①硅：A：硅被炉气的CO2氧化。

【Si】+2 CO2＝SiO2+2CO B：硅被自由氧氧化。

【Si】+ O2＝SiO2

C：硅被渣中FeO氧化。

【Si】+2（FeO）＝SiO2

根据以上反应，冲天炉熔炼时硅的烧损为15％～20％. ② 锰：D：锰被炉气的CO2氧化。

【Mn】+ CO2＝MnO+CO E：锰被炉气中自由氧氧化。

2【Mn】+ O2＝2MnO F：锰被渣中FeO间接氧化。 【Mn】+（FeO）＝ 【Fe】+ MnO

根据以上反应冲天炉熔炼时锰的烧损为15％～25％. 4)由于增加焦碳、大量炉渣，运输量增加较大。 2．2电炉熔炼特点 2．2．1电炉熔炼优点

1) 适合于各种批量和规模的生产需要。 2) 占地面积少。

3)由于感应炉熔炼时产生电磁搅拌现象，使得铁液的温度成分都均匀。 4) 铁水氧化的易控制，元素烧损少； ① 电炉熔炼时锰的烧损为5％ 。

② 碳硅含量的变化，当铁液温度超过C -Si - O的平衡临界温度时，炉衬中的Si O2被铁水中碳还原，使铁液脱碳增硅。

5) 能控制化学成分的波动范围，化学成分能够精确地达到规定要求； 6) 硫含量易控制，防止硫共晶的产生； 2．2．2电炉熔炼缺点：

1) 与冲天炉相比，铁液的白口倾向大，易于产生过冷石墨，使铸件的强度与硬度较高。

2) 熔化效率没有冲天炉高。 3) 维修比冲天炉复杂。 3 冲天炉与电炉熔化的成本比较 3.1 成本构成

熔炼成本的构成大致由下列几方面组成：设备折旧、占地面积分摊、原材料费用、运行费用、环保治理费用、人工费等。 3.2 投资比较

表1是国内近期建设的某二个铸造厂项目熔化工部设备投资比较表。

表1 熔化设备投资比较表

序 号

企业名称及生产能力 1某厂年产3万吨出

口铸件

设备投资（万元）冷风冲天炉+单一感应含加料系统微炉熔炼含加料系机控制 统微机控制

1520（应达电

炉）

备 注

设备占地面积2100m2建筑工程费用230万元通风除尘系统费用30万元

2

某厂年产3万吨铸

件

380

设备占地面积2800m2建筑工程费用310万元通风除尘系统费用360万元

①：中频炉熔炼 15T二套6000KW∕H

单班制10小时（每天每套开五单班制9小时 （每天开二个

炉共拾炉） ②：热风冲天炉 10T∕H五套 炉子）

由表1可见：就熔化工部一次性装备(含通风除尘系统)费用而言，单一

感应炉熔炼比冲天炉熔炼高209.46%，但是其占地面积及土建工程费用则要低出30～35%左右。3.3 计算举例

年产3万吨铸铁件（上表1），按一班制作业（昼夜用电分时计价）。计算依据如下：

铸件工艺出品率按75%，征地价为17万/亩；

冲天炉焦铁比为1:6，焦炭价为4200元/吨； 脱硫剂占铁液含量2%，脱硫剂3500元/吨； 石灰石占焦炭比例30%，石灰石160元/吨； 冲天炉熔化时铁损3%，生铁价5300元/吨； 电炉熔化时铁损2%；

焦炭损失按5%；冲天炉每吨铁液风机功率15Kw；冲天炉每吨铁液修炉费用为8元。

电炉修炉费用为每吨铁液18元，每吨铁液设备维修费为15元；

电炉熔炼时，每吨铁水升温至1500℃，保温至浇注时耗电量为800kWh；当地低谷电价为0.55元/kWh；

工人年薪及福利均按4.5万元/人；

设备及厂房折旧年限10年，征地年限30年，在此基础上，分析计算冲天炉熔炼每吨铁水的运行成本为：

设备折旧费为：

A=（3600000+3800000）元÷12÷（30000吨÷75%）=15.42元/吨占地面积分摊：

B=2800÷666.7×170000÷30÷（30000÷75%）=0.53元/吨原材料费用：

C=（1÷（1-3%））×5300元＋（1÷（1-3%））×1/7÷(1-5%)×4200元＋（1÷（1-3%））×1/7×30%×160元＋2%×3500元=6187.29 /吨

运行费用：

冲天炉熔化： 15Kw×0.55元+8元=16.25元/吨人工费用:

通常熔炼工平均每人每月化为180吨铁液

人工费用：45000÷12÷（180×75%）=27.78元/吨环保治理费用视具体情况考虑。

以上费用合计：6247.27元/吨铁水

单一中频感应炉熔炼时，每吨铁水的运行成本为：设备折旧费：

A=（15200000+300000）元÷12÷（30000÷75%）=32.29元/吨占地面积分摊：

B=2100÷666.7×170000元÷30÷（30000÷75%）=0.45元/吨原材料费用：

C=5300元÷（1-2%）=5408.16元/吨运行费用：

电炉熔化：D=600×0.55+18+15=473元/吨人工费用:

通常熔炼工平均每人每月化为450吨铁液

人工费为45000÷12÷（450×75%）=11.11元/吨以上合计：5925.01元/吨铁水

分析比较结果：两种熔炼方法的综合运行成本相差为322.26元/吨铁水，如果考虑到环保费用等因素，两种熔炼方式的运行成本相比，电炉熔化比冲天炉熔化便宜的多。4 环保分析

环境保护已成为我国的基本国策。

B=2800÷666.7×170000÷30÷（30000÷75%）=0.53元/吨

原材料费用：

C=（1÷（1-3%））×5300元＋（1÷（1-3%））×1/7÷(1-5%)×4200元

＋（1÷（1-3%））×1/7×30%×160元＋2%×3500元=6187.29 /吨

运行费用：

冲天炉熔化： 15Kw×0.55元+8元=16.25元/吨人工费用:

通常熔炼工平均每人每月化为180吨铁液

人工费用：45000÷12÷（180×75%）=27.78元/吨

环保治理费用视具体情况考虑。

以上费用合计：6247.27元/吨铁水

单一中频感应炉熔炼时，每吨铁水的运行成本为：

设备折旧费：

A=（15200000+300000）元÷12÷（30000÷75%）=32.29元/吨占地面积分摊：B=2100÷666.7×170000元÷30÷（30000÷75%）=0.45元/吨原材料费用： C=5300元÷（1-2%）=5408.16元/吨运行费用：

电炉熔化：D=600×0.55+18+15=473元/吨

人工费用:

通常熔炼工平均每人每月化为450吨铁液 人工费为45000÷12÷（450×75%）=11.11元/吨

以上合计：5925.01元/吨铁水

分析比较结果：两种熔炼方法的综合运行成本相差为322.26元/吨铁水，如果考虑到环保费用等因素，两种熔炼方式的运行成本相比，电炉熔化比冲天炉熔化便宜的多。

4 环保分析

环境保护已成为我国的基本国策。

冲天炉熔化是生铁与焦炭、石灰石等直接接触，通过焦炭燃烧产生的热能将生铁熔化，熔炼过程中会产生大量的CO、CO2、SO2气体和粉尘，如果直接排放，将造成大气的严重污染。同时，为了炉渣粒化，通常还会有废水需要排放，随着人类环保意识的逐渐增强和环保法规的不断健全，要满足达标排放，必须设置昂贵的冷却及除尘装置，处理后的废气浓度可控制在50mg/m3以下。另外，由于冲天炉结构的特点，打炉后一段时间内，加料口处温度通常可达800~900℃，影响操作环境和建筑安全，冲天炉的过热效率比较低。

冲天炉高温粉尘等对大气、周围环境、工人的污染和侵害是比较严重，影响工人身体健康。

据报导，从2000年至今，因为环保问题的原因，我国仅山西省先后有超过1100家焦炭生产厂家关闭停产，随着我国对环保要求越来越严，关闭数量还将

不断增加，这必将造成焦炭市场紧张，那么对铸造生产厂家造成更大的压力。

对于单一中频感应炉熔炼，由于炉料中不含焦炭、石灰石，同时加料后炉料不再受外界冲击，因此，粉尘很少，配备除尘系统后，排放标准可达10mg/m3以下，亦无需要炉渣粒化处理，所以环保设备的投入大大减少，有利于环境保护。同时也减少了操作管理及日常的维护保养工作量。

5 材料的品质分析

5．1冲天炉

1) 冲天炉出来的铁水成分无法调节，温度难控制，浇铸成的铸件质量差，成品率低，化学成分波动范围难以控制。在一般有炉衬热风冲天炉中，随着熔炼时间的延长，炉衬的烧损，炉径将不断地扩大，如补焦不及时，量不准确，将造成底焦顶面波动增大，不仅温度降低，铁水氧化烧损增加，同时增大了化学成分的波动范围，要控制碳、硅的波动是比较困难的。

2) 铁水氧化性气孔的产生：冲天炉出来的铁水中的硅、锰元素的氧化烧损是通过炉气中的氧和二氧化碳吸附于铁滴表面后熔入铁水中的，此时熔解氧为原子态。冲天炉铁水中的熔解氧，一部份与铁水中硅、锰反应生成氧化物夹杂，一部份溶解氧在石墨表面吸附，氧化石墨生成一氧化碳气。

即：石墨+[O]={CO}↑

当生成的氧化亚铁与铁水中的碳接触时，碳还原氧化亚铁，生成一氧化碳气孔。

(FeO)+(C)={CO}↑ +(Fe)

这种熔炼过程中铁水氧化生成的气孔叫熔炼性气孔。

3) 铁水硫含量的控制：在冲天炉熔炼过程中，焦炭中的硫将有60%进入铁水中。焦炭在风口区燃烧达到高温时，焦炭中的硫呈气体状态逸出，在风口区与氧反应生成二氧化硫 (SO2)气体。随着炉气上升，与铁料产生增硫途径有两个： a．当二氧化硫与尚没氧化的洁净金属炉料表面或铁滴表面吸附时，产生增硫反应： 3[Fe+SO2]=(FeS)+2(FeO)+△F2 (1)

b．对于已氧化的金属炉料表面．有如下反应：

10(FeO)+SO2=(FeS)+3 Fe3O4+△F (2) 以上两个放热反应在冲天炉条件下都可以进行，但反应式（2）顺向性比(I)大，故在金属表面氧化严重时，增硫剧烈。试验表明，金属炉料的渗硫深度可达1～3毫米。当铁料原始含硫量为0．082％时，增层内硫量可达0．45％之多。由此可知，冲天炉熔炼是增硫过程。

在冲天炉熔炼过程中能否创造条件脱硫呢?据脱硫的三大条件，即高温、高碱度、低氧化性，这在一般冲天炉内是无法满足的。

5．2感应电炉

1) 感应电炉熔炼铸铁，铁水温度可以升到1600℃，在该温度下，铁水氧化物夹杂、气孔最低，可抑制增硫，消除石墨遗传性，能够稳定化学成分。

2) 感应电炉熔炼铸铁元素烧损低，铁水中的硅、锰元素的氧化烧损大大低于冲天炉熔炼。

3) 感应电炉熔炼铸铁成分稳定、污染少、便于调整铁液成分。

4)球墨铸铁熔炼时，增硫在生产中所带来的特别突出的问题是使材质强韧性差、缺陷多。而感应电炉熔炼铸铁不存在产生增硫反应，因此感应电炉熔炼球墨铸铁材质韧性高。

6 结语

通过以上分析比较，在投资、运行成本、炉料的适应性等方面，冲天炉具有一定的优势，但在环境保护、铁水成分调整、生产组织等方面，电炉熔炼更有特

点，笔者认为：在电力条件允许、铁水材质满足工艺要求和铸件性能要求的前提下，熔化设备应优先选用电炉熔炼。但必须注意，由于熔炼方式不同，冶金条件不同，使用电炉熔炼时要将传统的冲天炉熔炼工艺作相应的变动，并制订新的熔炼工艺。同时，必须注意由于铁水在高温下长期保温，造成结晶核心的减少，会引起过冷度增加，铸件白口倾向增大，特别是对灰铁铸件。

对于一个新的铸造项目，虽然产品相同，但可能由于厂址不同，分析选用的熔化设备不同；同样一个铸造厂，可能由于生产的产品不同，而选取的熔化设备也不同。总之，一个铸造厂究竟选用什么样的熔化设备，必须用发展的眼光进行分析，要视具体情况而定，冲天炉和感应电炉的优缺点也会随着技术的不断发展而改变。

2008-5-17

姓名；曾小弟 职称；铸造高级工程师

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