宋 強(qiáng) ，王錄才，張 明

（1.佳木斯大學(xué)，黑龍江 佳木斯 154000；2.太原科技大學(xué)，山西 太原 030024；3.威?？婆d鑄造機(jī)械有限公司，山東 威海 264200）

鑄鐵件生產(chǎn)的發(fā)展過程已經(jīng)充分證明，正確選擇熔煉設(shè)備具有重大的意義。沖天爐作為鑄鐵熔煉的首要設(shè)備延續(xù)到今天，在全世界范圍內(nèi)仍然擔(dān)負(fù)著70%左右鑄鐵件的熔煉任務(wù)。沖天爐技術(shù)緊跟機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，以節(jié)能降耗、優(yōu)質(zhì)高效、安全環(huán)保為目標(biāo)取得了很大的進(jìn)步。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，已經(jīng)形成了以大容量、長爐齡、外熱風(fēng)沖天爐為主體的鑄鐵熔煉體系，而我國沖天爐容量小、爐齡短、常溫送風(fēng)的現(xiàn)狀還很普遍。近年來，我國的沖天爐熔煉已開始走上大容量、長爐齡、外熱風(fēng)的發(fā)展之路，適應(yīng)我國生產(chǎn)條件的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的長爐齡、外熱風(fēng)沖天爐正在滿足鑄造生產(chǎn)發(fā)展的需要。國家三部委對外熱風(fēng)沖天爐的推薦，指明了我國沖天爐發(fā)展的方向。我國的沖天爐熔煉正以較快的步伐向節(jié)能降耗、優(yōu)質(zhì)高效、安全環(huán)保的目標(biāo)邁進(jìn)。

感應(yīng)電爐作為熔化設(shè)備在鑄鐵熔煉和雙聯(lián)熔煉中已有幾十年的歷史，我國制造和應(yīng)用工頻爐和中頻爐也有了豐富的經(jīng)驗，在感應(yīng)器結(jié)構(gòu)、變頻技術(shù)、集成控制、循環(huán)冷卻技術(shù)等諸多方面都取得了令人矚目的進(jìn)步。采用感應(yīng)爐熔化和保溫的廠家有所增加。

沖天爐和感應(yīng)電爐熔煉的機(jī)理不同，性能差別較大，因而對生產(chǎn)的適應(yīng)性也不同。鑄鐵件的種類（牌號、產(chǎn)量、機(jī)械加工要求等）和生產(chǎn)方式、爐料的種類和狀態(tài)，以及熔煉操作的水平和生產(chǎn)管理水平都會對熔煉設(shè)備的性能提出各自不同的要求。只有熔煉設(shè)備的性能特點(diǎn)與生產(chǎn)條件協(xié)調(diào)一致，才能實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效、節(jié)能降耗、安全環(huán)保的生產(chǎn)過程，才能達(dá)到技術(shù)經(jīng)濟(jì)的高指標(biāo)。

在鑄鐵熔煉中，采用沖天爐還是采用感應(yīng)爐?怎樣選擇沖天爐和感應(yīng)爐?只有在了解沖天爐和感應(yīng)爐的熔煉特點(diǎn)之后才能作出正確的決定。

1 熔煉特點(diǎn)

1.1 冶金性能及鐵液質(zhì)量

沖天爐的冶金性能遠(yuǎn)優(yōu)于感應(yīng)爐，這是公認(rèn)的。沖天爐內(nèi)由1700℃以上的高溫和焦炭、熔渣、爐氣構(gòu)成的冶金環(huán)境對鐵料和鐵液的成分變化發(fā)揮著積極的作用。通過工藝控制，可實現(xiàn)增碳增硅、大幅度減少合金元素的燒損、降低增硫率。尤其較大容量的外熱風(fēng)長爐齡沖天爐，穩(wěn)定和提高鐵液質(zhì)量的能力更強(qiáng)。在沖天爐內(nèi)，雖然鐵液的過熱時間僅僅幾分鐘，但由于鐵液呈液滴和細(xì)小的流股，有充足的表面積與焦炭、熔渣、爐氣接觸，實現(xiàn)充分的吸熱升溫和物質(zhì)傳遞。鐵液過熱溫度可達(dá)1600℃以上；出爐鐵液的硫含量可控制0.06%以下；鐵液和熔渣的流動性很好，有利于金屬氧化物從鐵液向渣中轉(zhuǎn)移；鐵液在爐內(nèi)的過熱時間短，鐵液中有0.005%左右的氧和0.06%左右的硫，它們的高熔點(diǎn)化合物可作為形核基底，出爐后，鐵液中自生晶核較多，通過孕育處理細(xì)化晶粒的作用對于高牌號灰鑄鐵更顯著。

感應(yīng)爐的最高溫度為1600℃左右，不及沖天爐，在使用增碳劑時，難以高度溶解分散，結(jié)晶時易形成片塊狀石墨；鐵液的過熱時間長達(dá)1h，又有電磁攪拌，可作為共晶結(jié)晶的外來晶核因溶解、反應(yīng)而大量減少。硫含量約0.03%，氧含量約0.002%，因為形核基底過少，鐵液的過冷度增大，在相同的碳當(dāng)量下，比沖天爐高40℃～50℃，鑄件的細(xì)薄處易出現(xiàn)白口，切削性能差；鑄件的收縮傾向大，易產(chǎn)生裂紋，厚壁部分易產(chǎn)生縮松、縮孔、夾雜缺陷；采取通常的孕育手段作用不明顯，須采用大劑量、強(qiáng)效孕育劑及多次孕育。

1.2 工藝性能

1）生產(chǎn)能力及對產(chǎn)量的適應(yīng)性：目前沖天爐的熔化率從1 t/h～100t/h都在應(yīng)用，如果生產(chǎn)需要，也可＞1 t/h和＜100t/h。任何一種規(guī)格的沖天爐，其熔化率都可在相應(yīng)范圍內(nèi)調(diào)整而不影響其正常熔煉，調(diào)整幅度達(dá)增減10%～20%。因此單臺沖天爐可以在產(chǎn)量上滿足任何生產(chǎn)規(guī)模的需要。由于沖天爐的綜合效益隨著熔化率的增大而提高，大容量、長爐齡、外熱風(fēng)沖天爐的綜合效益更高、因此大批大量生產(chǎn)更適合采用沖天爐。用于熔煉的感應(yīng)爐，目前可制造的單臺容量也可達(dá)到近百噸，能滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需要。但電力裝機(jī)容量的擴(kuò)大常常是諸多企業(yè)難于逾越的障礙。因此，感應(yīng)爐更適合中小規(guī)模的生產(chǎn)。

2）對產(chǎn)品的適應(yīng)性：沖天爐能熔煉鑄鐵，其中包括灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、白口鑄鐵和部分合金鑄鐵及鐵合金，也可用于熔化某些礦石（石料）生產(chǎn)巖棉、鑄石等。沖天爐的出爐鐵液溫度可控制在1550℃左右，能滿足質(zhì)量從幾克到幾十噸鑄件的澆鑄。感應(yīng)爐可熔化常用的各種牌號鋼鐵和有色金屬。僅就鑄鐵件生產(chǎn)而言，感應(yīng)爐對產(chǎn)品的適應(yīng)性優(yōu)于沖天爐，感應(yīng)爐能熔煉多種高合金鑄鐵，如高鉻鑄鐵，而沖天爐不能。

3）對生產(chǎn)方式的適應(yīng)性：沖天爐是連續(xù)熔煉，鐵液以一定的流量從爐內(nèi)連續(xù)流出；而感應(yīng)爐是間斷熔煉，間隔一段時間提供等于爐子容量的鐵液。可見，對于平行作業(yè)的生產(chǎn)方式，沖天爐更適宜；而對于階段工作制的生產(chǎn)方式，感應(yīng)爐更適宜。采用多臺感應(yīng)爐組合、通過控制熔煉和出鐵順序的辦法也可用于平行作業(yè)的生產(chǎn)方式，但多臺組合將帶來能耗、配套設(shè)施及占地面積的增加并加重生產(chǎn)管理的負(fù)擔(dān)。

4）對爐料的適應(yīng)性：由于冶金能力差，電爐對爐料的適應(yīng)性遠(yuǎn)不如沖天爐。必須使用潔凈無銹的爐料，配料的成分應(yīng)滿足鐵液成分的要求，而不能期望通過熔煉達(dá)到鐵液的成分。用低碳爐料熔制高碳鑄鐵時，對增碳劑的性質(zhì)和增碳量均有較嚴(yán)格的限制，因此爐料中廢鋼的比例也受到限制。沖天爐對爐料的適應(yīng)性很強(qiáng)，可全部用廢鋼作爐料熔煉高碳鑄鐵。尤其汽車廢鋼屬輕薄料，未來將逐步成為鑄造的主要金屬爐料，但其不適合于電爐，而沖天爐則可以使用。使用汽車廢鋼對循環(huán)經(jīng)濟(jì)、降低鑄件的爐料成本有重要意義。甚至不潔凈的低質(zhì)爐料也可用于沖天爐。

感應(yīng)爐配料中，原生鐵的比例不能高，原生鐵中的粗大石墨片在感應(yīng)爐的溫度條件下，難于完全溶于鐵液，形成細(xì)小的石墨晶粒，在鐵液結(jié)晶時，作為結(jié)晶核心形成初生石墨。這些石墨呈塊片狀，對鑄鐵的力學(xué)性能有不良影響。通常感應(yīng)爐原生鐵用量在10%左右，超過20%，鑄鐵的力學(xué)性能將難于保證。生產(chǎn)球鐵和高牌號灰鑄鐵時，為避免產(chǎn)生遺傳性，回爐料的比例也不宜過高。由于對爐料適應(yīng)性的差異，使得同樣產(chǎn)品的爐料成本感應(yīng)爐高于沖天爐。

1.3 對環(huán)境的影響

1）主要污染。沖天爐和感應(yīng)爐的污染排放物都有灰塵和有害氣體，不同的是沖天爐的灰塵中大顆粒的比例很大，其中主要是焦炭顆粒，而感應(yīng)爐煙塵為微細(xì)顆粒；由于沖天爐中的焦炭燃燒，煙氣中的SO2、CO2的排放量更多，煙氣量也更大；沖天爐沒有電磁污染，而感應(yīng)爐有較強(qiáng)的電磁污染；熱輻射污染感應(yīng)爐比沖天爐更重；沖天爐的煙塵主要排放在廠房之外，感應(yīng)爐的煙塵排放在廠房之內(nèi)。從環(huán)境保護(hù)看，除塵裝置可以較徹底地解決沖天爐的污染問題。目前發(fā)展中的煙塵反吹及爐渣?；夹g(shù)，已為沖天爐污染治理開辟了一條污染物無害化、資源化處理的可行之路，感應(yīng)爐的污染治理目前尚不具備這樣的優(yōu)勢。

2）能源需求。沖天爐以焦炭為燃料，每噸鐵液的焦炭（固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%）消耗量在100kg左右，完全燃燒發(fā)熱量為2896 MJ；感應(yīng)爐以電為能源，每噸鐵液耗電能2160MJ（600kW/h）左右。如果按消耗的煤對比，1 kg焦炭需要1.25 kg煤，則每噸鐵液折合消耗煤125 kg；1 kW·h電需要0.36 kg煤，則每噸鐵液折合消耗煤216 kg煤。目前我國的電力結(jié)構(gòu)主要是火電，感應(yīng)電爐對不可再生資源的消耗超過沖天爐70%。由此而帶來的污染物排放量也超過了沖天爐。而且煉焦煤的揮發(fā)份成為化工原料，電煤中可作化工原料的揮發(fā)份卻被燒掉了。隨著電力結(jié)構(gòu)的變化，現(xiàn)狀會得到改變，而沖天爐的能源結(jié)構(gòu)也將隨著改變，例如采用等離子加熱送風(fēng)的沖天爐，焦炭的消耗量可減少60%以上，相應(yīng)的污染物排放量也將大幅度減少。以焦炭或碳床實現(xiàn)冶金目的，以非焦燃料如天然氣、煤氣、電、燃油等提供熱量的沖天爐已有成功的先例，提高性能及實際應(yīng)用可行性的研究也在進(jìn)行中。在保持熔煉性能的前提下，改善沖天爐的能源結(jié)構(gòu)將使沖天爐的優(yōu)越性更加顯著。

從生產(chǎn)能源利用率看，沖天爐的熱效率約40%～60%，感應(yīng)爐約為60%，沖天爐低于感應(yīng)爐，但從每噸鐵液消耗的資源性能源看，沖天爐卻比感應(yīng)爐低得多。沖天爐的熱量損失包括煙氣帶走的物理熱和CO潛藏的化學(xué)熱、爐體散熱、爐渣和打爐殘料熱量等；感應(yīng)爐的熱損失包括爐體和爐口散熱、冷卻水帶走的感應(yīng)圈電阻熱等。對于這些損失熱量的回收，沖天爐比感應(yīng)爐具有更充分的可行性和更大的效益，例如目前國內(nèi)已成功應(yīng)用的外熱風(fēng)，長爐齡和煙氣余熱鍋爐技術(shù)，，已使損失的熱量大幅度減少，隨著大容量沖天爐數(shù)量的上升，我國鑄鐵熔煉的噸鐵液能耗將顯著下降，趕超世界先進(jìn)水平的目標(biāo)是能夠達(dá)到的。

1.4 設(shè)備結(jié)構(gòu)及配套對熔煉的影響

不同結(jié)構(gòu)及配套的沖天爐，性能有明顯的差別。生產(chǎn)中可以根據(jù)鑄件的牌號及爐料的成分、產(chǎn)量及生產(chǎn)方式等要求選擇適當(dāng)?shù)臎_天爐結(jié)構(gòu)及配套裝置。沖天爐有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)和配套適應(yīng)性，從常溫送風(fēng)常爐襯單班制人工操作沖天爐到外熱風(fēng)無爐襯長爐齡自動化沖天爐，有多種多樣的沖天爐系統(tǒng)可供選擇。感應(yīng)爐屬于坩堝爐，基本功能是熔化和過熱，結(jié)構(gòu)的改變對其基本功能的影響不大，因此生產(chǎn)中只能按感應(yīng)爐的基本功能選擇生產(chǎn)條件，而不能根據(jù)生產(chǎn)條件選擇爐子。

雙聯(lián)熔煉中，鐵液的質(zhì)量基礎(chǔ)在沖天爐內(nèi)而不在感應(yīng)爐，低溫出爐的鐵液不易在感應(yīng)爐熔煉出優(yōu)質(zhì)的鐵液。因此不能降低對沖天爐鐵液的質(zhì)量要求，尤其應(yīng)保證進(jìn)入感應(yīng)爐的鐵液有足夠的溫度，例如1400℃以上，否則鑄件容易出現(xiàn)缺陷。

電爐熔化鑄鐵的鑄件容易出現(xiàn)縮松、縮孔、夾雜等類缺陷。電爐鑄件的收縮應(yīng)力大，容易出現(xiàn)裂紋類缺陷。在此問題上，沖天爐有優(yōu)勢、電爐處于劣勢。

2 設(shè)備投資

沖天爐熔煉系統(tǒng)的組成差別很大，以熔化率為10t/h為例，一套單班制常溫送風(fēng)沖天爐及加料機(jī)價格約為30萬元，而一套外熱風(fēng)無襯長齡爐售價約350萬元；不同熔煉性能、不同生產(chǎn)條件的沖天爐，售價也不同，為企業(yè)的合理選擇提供了更多、更適宜的可行性。

感應(yīng)爐的冶金功能很小，因而不同結(jié)構(gòu)的感應(yīng)爐熔煉性能差別不大，價格的差別主要原因在品牌及質(zhì)量，對生產(chǎn)條件的要求比較一致，因此不能按生產(chǎn)條件選擇爐子，只能按爐子的要求提供生產(chǎn)條件，也不能根據(jù)產(chǎn)品和爐料狀況選擇感應(yīng)爐。一套熔煉用的10t中頻感應(yīng)爐，如果按一小時熔煉一爐，電力裝機(jī)容量需7000kV/A，國產(chǎn)設(shè)備售價約250萬元；尚未計及電力增容的費(fèi)用和增容的可能性。

雙聯(lián)熔煉用的10t中頻保溫爐：保溫在1450℃時中頻電源為800kW，設(shè)備報價為：RMB78.8萬元；15min升溫100℃時，中頻電源為2000kW，設(shè)備報價為：RMB103.7萬元。

表1 某兩個鑄造項目熔煉工部設(shè)備投資比較表[1]

表1為國內(nèi)近期建設(shè)的二家鑄造項目熔煉工部設(shè)備投資比較表。由表1可見：就熔煉工部一次性裝備費(fèi)用而言，雙聯(lián)熔煉比單一感應(yīng)爐熔煉低20%～40%，單一沖天爐熔煉設(shè)備投資最小。但是后兩者占地面積及土建工程費(fèi)用要高。

3 熔煉設(shè)備選擇

正確地選擇熔煉設(shè)備，對生產(chǎn)的綜合效益影響很大。我國是鑄件生產(chǎn)大國，但我國的鑄鐵熔煉設(shè)備很落后，小容量沖天爐的數(shù)量過多造成了高能耗、高材耗、高污染、低質(zhì)量、低效益的局面。尤其近年來，焦炭和爐料價格的不適當(dāng)上漲，環(huán)保要求的越來越嚴(yán)格，給本來就效益較低的中小企業(yè)的生存造成了相當(dāng)大的困難。走包括改變鑄鐵熔煉方式在內(nèi)的改革之路，提高效益、求得生存與發(fā)展的想法無疑是正確的，問題在于如何選擇鑄鐵熔煉方式。表2主要從生產(chǎn)技術(shù)方面比較了沖天爐和感應(yīng)爐的特點(diǎn)，可供參考。生產(chǎn)技術(shù)與綜合效益是密切相關(guān)的，選擇設(shè)備的根本依據(jù)是設(shè)備用于生產(chǎn)的綜合效益。具體選擇時，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)的實際情況和預(yù)期發(fā)展從影響綜合效益的各個方面分析計算，以得出最好的方案。

國內(nèi)外鑄鐵熔煉方法的發(fā)展和大量的生產(chǎn)實踐給我們提供了可以借鑒的經(jīng)驗，沖天爐作為鑄鐵熔煉主要設(shè)備的地位至少在今后幾十年內(nèi)不會改變，大容量、長爐齡、外熱風(fēng)、智能化操作的沖天爐將隨著鑄造業(yè)的發(fā)展而不斷增加數(shù)量，以其低能耗、低材耗、低污染、高質(zhì)量、高效益的優(yōu)良性能在改變我國鑄鐵件生產(chǎn)落后面貌的過程中發(fā)揮關(guān)鍵的作用。在大批大量生產(chǎn)中，沖天爐—感應(yīng)爐雙聯(lián)熔煉作為首選而應(yīng)大力推廣。在電力、爐料等生產(chǎn)條件能滿足要求的前提下，中小規(guī)模生產(chǎn)附加值較高的鑄鐵件，采用感應(yīng)爐熔化也是一種可行的選擇。

表2 沖天爐和感應(yīng)電爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性對比

［1］沖天爐技術(shù)手冊編委會.沖天爐技術(shù)手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：652-653.

［2］宋強(qiáng)，宋曉剛，景剛，等.沖天爐的節(jié)能與環(huán)保［J］.鑄造設(shè)備研究，2004（6）：3-7.

［3］紀(jì)朝輝，宋強(qiáng)，宋守范.沖天爐熔煉的發(fā)展回顧及我國應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.鑄造設(shè)備研究，2001（2）:5-8.

［4］吉耀庭.“一拖三”中頻感應(yīng)電爐的節(jié)能與應(yīng)用［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2010（3）：12-14.