冲天炉与感应电炉熔炼的对比分析

宋 强 ，王录才，张 明

（1.佳木斯大学，黑龙江 佳木斯 154000；2.太原科技大学，山西 太原 030024；3.威海科兴铸造机械有限公司，山东 威海 264200）

铸铁件生产的发展过程已经充分证明，正确选择熔炼设备具有重大的意义。冲天炉作为铸铁熔炼的首要设备延续到今天，在全世界范围内仍然担负着70%左右铸铁件的熔炼任务。冲天炉技术紧跟机械制造业的发展，以节能降耗、优质高效、安全环保为目标取得了很大的进步。在工业发达国家，已经形成了以大容量、长炉龄、外热风冲天炉为主体的铸铁熔炼体系，而我国冲天炉容量小、炉龄短、常温送风的现状还很普遍。近年来，我国的冲天炉熔炼已开始走上大容量、长炉龄、外热风的发展之路，适应我国生产条件的、具有自主知识产权的长炉龄、外热风冲天炉正在满足铸造生产发展的需要。国家三部委对外热风冲天炉的推荐，指明了我国冲天炉发展的方向。我国的冲天炉熔炼正以较快的步伐向节能降耗、优质高效、安全环保的目标迈进。

感应电炉作为熔化设备在铸铁熔炼和双联熔炼中已有几十年的历史，我国制造和应用工频炉和中频炉也有了丰富的经验，在感应器结构、变频技术、集成控制、循环冷却技术等诸多方面都取得了令人瞩目的进步。采用感应炉熔化和保温的厂家有所增加。

冲天炉和感应电炉熔炼的机理不同，性能差别较大，因而对生产的适应性也不同。铸铁件的种类（牌号、产量、机械加工要求等）和生产方式、炉料的种类和状态，以及熔炼操作的水平和生产管理水平都会对熔炼设备的性能提出各自不同的要求。只有熔炼设备的性能特点与生产条件协调一致，才能实现优质高效、节能降耗、安全环保的生产过程，才能达到技术经济的高指标。

在铸铁熔炼中，采用冲天炉还是采用感应炉?怎样选择冲天炉和感应炉?只有在了解冲天炉和感应炉的熔炼特点之后才能作出正确的决定。

1 熔炼特点

1.1 冶金性能及铁液质量

冲天炉的冶金性能远优于感应炉，这是公认的。冲天炉内由1700℃以上的高温和焦炭、熔渣、炉气构成的冶金环境对铁料和铁液的成分变化发挥着积极的作用。通过工艺控制，可实现增碳增硅、大幅度减少合金元素的烧损、降低增硫率。尤其较大容量的外热风长炉龄冲天炉，稳定和提高铁液质量的能力更强。在冲天炉内，虽然铁液的过热时间仅仅几分钟，但由于铁液呈液滴和细小的流股，有充足的表面积与焦炭、熔渣、炉气接触，实现充分的吸热升温和物质传递。铁液过热温度可达1600℃以上；出炉铁液的硫含量可控制0.06%以下；铁液和熔渣的流动性很好，有利于金属氧化物从铁液向渣中转移；铁液在炉内的过热时间短，铁液中有0.005%左右的氧和0.06%左右的硫，它们的高熔点化合物可作为形核基底，出炉后，铁液中自生晶核较多，通过孕育处理细化晶粒的作用对于高牌号灰铸铁更显著。

感应炉的最高温度为1600℃左右，不及冲天炉，在使用增碳剂时，难以高度溶解分散，结晶时易形成片块状石墨；铁液的过热时间长达1h，又有电磁搅拌，可作为共晶结晶的外来晶核因溶解、反应而大量减少。硫含量约0.03%，氧含量约0.002%，因为形核基底过少，铁液的过冷度增大，在相同的碳当量下，比冲天炉高40℃～50℃，铸件的细薄处易出现白口，切削性能差；铸件的收缩倾向大，易产生裂纹，厚壁部分易产生缩松、缩孔、夹杂缺陷；采取通常的孕育手段作用不明显，须采用大剂量、强效孕育剂及多次孕育。

1.2 工艺性能

1）生产能力及对产量的适应性：目前冲天炉的熔化率从1 t/h～100t/h都在应用，如果生产需要，也可＞1 t/h和＜100t/h。任何一种规格的冲天炉，其熔化率都可在相应范围内调整而不影响其正常熔炼，调整幅度达增减10%～20%。因此单台冲天炉可以在产量上满足任何生产规模的需要。由于冲天炉的综合效益随着熔化率的增大而提高，大容量、长炉龄、外热风冲天炉的综合效益更高、因此大批大量生产更适合采用冲天炉。用于熔炼的感应炉，目前可制造的单台容量也可达到近百吨，能满足大规模生产的需要。但电力装机容量的扩大常常是诸多企业难于逾越的障碍。因此，感应炉更适合中小规模的生产。

2）对产品的适应性：冲天炉能熔炼铸铁，其中包括灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、白口铸铁和部分合金铸铁及铁合金，也可用于熔化某些矿石（石料）生产岩棉、铸石等。冲天炉的出炉铁液温度可控制在1550℃左右，能满足质量从几克到几十吨铸件的浇铸。感应炉可熔化常用的各种牌号钢铁和有色金属。仅就铸铁件生产而言，感应炉对产品的适应性优于冲天炉，感应炉能熔炼多种高合金铸铁，如高铬铸铁，而冲天炉不能。

3）对生产方式的适应性：冲天炉是连续熔炼，铁液以一定的流量从炉内连续流出；而感应炉是间断熔炼，间隔一段时间提供等于炉子容量的铁液。可见，对于平行作业的生产方式，冲天炉更适宜；而对于阶段工作制的生产方式，感应炉更适宜。采用多台感应炉组合、通过控制熔炼和出铁顺序的办法也可用于平行作业的生产方式，但多台组合将带来能耗、配套设施及占地面积的增加并加重生产管理的负担。

4）对炉料的适应性：由于冶金能力差，电炉对炉料的适应性远不如冲天炉。必须使用洁净无锈的炉料，配料的成分应满足铁液成分的要求，而不能期望通过熔炼达到铁液的成分。用低碳炉料熔制高碳铸铁时，对增碳剂的性质和增碳量均有较严格的限制，因此炉料中废钢的比例也受到限制。冲天炉对炉料的适应性很强，可全部用废钢作炉料熔炼高碳铸铁。尤其汽车废钢属轻薄料，未来将逐步成为铸造的主要金属炉料，但其不适合于电炉，而冲天炉则可以使用。使用汽车废钢对循环经济、降低铸件的炉料成本有重要意义。甚至不洁净的低质炉料也可用于冲天炉。

感应炉配料中，原生铁的比例不能高，原生铁中的粗大石墨片在感应炉的温度条件下，难于完全溶于铁液，形成细小的石墨晶粒，在铁液结晶时，作为结晶核心形成初生石墨。这些石墨呈块片状，对铸铁的力学性能有不良影响。通常感应炉原生铁用量在10%左右，超过20%，铸铁的力学性能将难于保证。生产球铁和高牌号灰铸铁时，为避免产生遗传性，回炉料的比例也不宜过高。由于对炉料适应性的差异，使得同样产品的炉料成本感应炉高于冲天炉。

1.3 对环境的影响

1）主要污染。冲天炉和感应炉的污染排放物都有灰尘和有害气体，不同的是冲天炉的灰尘中大颗粒的比例很大，其中主要是焦炭颗粒，而感应炉烟尘为微细颗粒；由于冲天炉中的焦炭燃烧，烟气中的SO2、CO2的排放量更多，烟气量也更大；冲天炉没有电磁污染，而感应炉有较强的电磁污染；热辐射污染感应炉比冲天炉更重；冲天炉的烟尘主要排放在厂房之外，感应炉的烟尘排放在厂房之内。从环境保护看，除尘装置可以较彻底地解决冲天炉的污染问题。目前发展中的烟尘反吹及炉渣粒化技术，已为冲天炉污染治理开辟了一条污染物无害化、资源化处理的可行之路，感应炉的污染治理目前尚不具备这样的优势。

2）能源需求。冲天炉以焦炭为燃料，每吨铁液的焦炭（固定碳质量分数85%）消耗量在100kg左右，完全燃烧发热量为2896 MJ；感应炉以电为能源，每吨铁液耗电能2160MJ（600kW/h）左右。如果按消耗的煤对比，1 kg焦炭需要1.25 kg煤，则每吨铁液折合消耗煤125 kg；1 kW·h电需要0.36 kg煤，则每吨铁液折合消耗煤216 kg煤。目前我国的电力结构主要是火电，感应电炉对不可再生资源的消耗超过冲天炉70%。由此而带来的污染物排放量也超过了冲天炉。而且炼焦煤的挥发份成为化工原料，电煤中可作化工原料的挥发份却被烧掉了。随着电力结构的变化，现状会得到改变，而冲天炉的能源结构也将随着改变，例如采用等离子加热送风的冲天炉，焦炭的消耗量可减少60%以上，相应的污染物排放量也将大幅度减少。以焦炭或碳床实现冶金目的，以非焦燃料如天然气、煤气、电、燃油等提供热量的冲天炉已有成功的先例，提高性能及实际应用可行性的研究也在进行中。在保持熔炼性能的前提下，改善冲天炉的能源结构将使冲天炉的优越性更加显著。

从生产能源利用率看，冲天炉的热效率约40%～60%，感应炉约为60%，冲天炉低于感应炉，但从每吨铁液消耗的资源性能源看，冲天炉却比感应炉低得多。冲天炉的热量损失包括烟气带走的物理热和CO潜藏的化学热、炉体散热、炉渣和打炉残料热量等；感应炉的热损失包括炉体和炉口散热、冷却水带走的感应圈电阻热等。对于这些损失热量的回收，冲天炉比感应炉具有更充分的可行性和更大的效益，例如目前国内已成功应用的外热风，长炉龄和烟气余热锅炉技术，，已使损失的热量大幅度减少，随着大容量冲天炉数量的上升，我国铸铁熔炼的吨铁液能耗将显著下降，赶超世界先进水平的目标是能够达到的。

1.4 设备结构及配套对熔炼的影响

不同结构及配套的冲天炉，性能有明显的差别。生产中可以根据铸件的牌号及炉料的成分、产量及生产方式等要求选择适当的冲天炉结构及配套装置。冲天炉有很强的结构和配套适应性，从常温送风常炉衬单班制人工操作冲天炉到外热风无炉衬长炉龄自动化冲天炉，有多种多样的冲天炉系统可供选择。感应炉属于坩埚炉，基本功能是熔化和过热，结构的改变对其基本功能的影响不大，因此生产中只能按感应炉的基本功能选择生产条件，而不能根据生产条件选择炉子。

双联熔炼中，铁液的质量基础在冲天炉内而不在感应炉，低温出炉的铁液不易在感应炉熔炼出优质的铁液。因此不能降低对冲天炉铁液的质量要求，尤其应保证进入感应炉的铁液有足够的温度，例如1400℃以上，否则铸件容易出现缺陷。

电炉熔化铸铁的铸件容易出现缩松、缩孔、夹杂等类缺陷。电炉铸件的收缩应力大，容易出现裂纹类缺陷。在此问题上，冲天炉有优势、电炉处于劣势。

2 设备投资

冲天炉熔炼系统的组成差别很大，以熔化率为10t/h为例，一套单班制常温送风冲天炉及加料机价格约为30万元，而一套外热风无衬长龄炉售价约350万元；不同熔炼性能、不同生产条件的冲天炉，售价也不同，为企业的合理选择提供了更多、更适宜的可行性。

感应炉的冶金功能很小，因而不同结构的感应炉熔炼性能差别不大，价格的差别主要原因在品牌及质量，对生产条件的要求比较一致，因此不能按生产条件选择炉子，只能按炉子的要求提供生产条件，也不能根据产品和炉料状况选择感应炉。一套熔炼用的10t中频感应炉，如果按一小时熔炼一炉，电力装机容量需7000kV/A，国产设备售价约250万元；尚未计及电力增容的费用和增容的可能性。

双联熔炼用的10t中频保温炉：保温在1450℃时中频电源为800kW，设备报价为：RMB78.8万元；15min升温100℃时，中频电源为2000kW，设备报价为：RMB103.7万元。

表1 某两个铸造项目熔炼工部设备投资比较表[1]

表1为国内近期建设的二家铸造项目熔炼工部设备投资比较表。由表1可见：就熔炼工部一次性装备费用而言，双联熔炼比单一感应炉熔炼低20%～40%，单一冲天炉熔炼设备投资最小。但是后两者占地面积及土建工程费用要高。

3 熔炼设备选择

正确地选择熔炼设备，对生产的综合效益影响很大。我国是铸件生产大国，但我国的铸铁熔炼设备很落后，小容量冲天炉的数量过多造成了高能耗、高材耗、高污染、低质量、低效益的局面。尤其近年来，焦炭和炉料价格的不适当上涨，环保要求的越来越严格，给本来就效益较低的中小企业的生存造成了相当大的困难。走包括改变铸铁熔炼方式在内的改革之路，提高效益、求得生存与发展的想法无疑是正确的，问题在于如何选择铸铁熔炼方式。表2主要从生产技术方面比较了冲天炉和感应炉的特点，可供参考。生产技术与综合效益是密切相关的，选择设备的根本依据是设备用于生产的综合效益。具体选择时，应根据生产的实际情况和预期发展从影响综合效益的各个方面分析计算，以得出最好的方案。

国内外铸铁熔炼方法的发展和大量的生产实践给我们提供了可以借鉴的经验，冲天炉作为铸铁熔炼主要设备的地位至少在今后几十年内不会改变，大容量、长炉龄、外热风、智能化操作的冲天炉将随着铸造业的发展而不断增加数量，以其低能耗、低材耗、低污染、高质量、高效益的优良性能在改变我国铸铁件生产落后面貌的过程中发挥关键的作用。在大批大量生产中，冲天炉—感应炉双联熔炼作为首选而应大力推广。在电力、炉料等生产条件能满足要求的前提下，中小规模生产附加值较高的铸铁件，采用感应炉熔化也是一种可行的选择。

表2 冲天炉和感应电炉技术经济特性对比

［1］冲天炉技术手册编委会.冲天炉技术手册［M］.北京：机械工业出版社，2010：652-653.

［2］宋强，宋晓刚，景刚，等.冲天炉的节能与环保［J］.铸造设备研究，2004（6）：3-7.

［3］纪朝辉，宋强，宋守范.冲天炉熔炼的发展回顾及我国应用现状［J］.铸造设备研究，2001（2）:5-8.

［4］吉耀庭.“一拖三”中频感应电炉的节能与应用［J］.铸造设备与工艺，2010（3）：12-14.