铸铁熔炼炉的发展与应用

张伯明

1.中国铸造协会咨询顾问委员会 北京 100044

2.中国农业机械化科学研究院 北京 100083

1 国内外铸铁熔炼炉的发展与应用现状

先要将铸造合金熔化，然后注入铸型、冷却成铸件的特性，使铸造行业成为机械大行业中唯一要使用熔炼炉的行业。我国铸件年产量约5000万t，也就是铸造行业每年要熔化8300万t合金液，因此熔炼炉对铸造行业的重要性不言而喻。不同的合金需要不同的熔炼炉来进行熔炼，由于铸钢的产量只占10%左右、有色合金不到20%，而铸铁量的比例无论在世界还是在中国都超过70%，因而大家对铸铁熔炼炉的发展与选择给予了更多的重视与关注。

中国是世界上最早使用矿石冶炼生铁的国家。历史上最大的铁铸件，例如公元前513年重413kg的刑鼎、公元724年唐朝重45t的蒲津铁牛、公元953年40t的沧州铁狮、1061年27t的当阳铁塔，都是中国铸造，这也证明我国很早就掌握了具有鼓风装置的竖炉熔炼设备。但由于封建制度的闭关自守，没有跟上时代的工业革命，我国近代铸铁的熔炼还保留在三节炉和勺炉的水平上。世界上第一台冷风冲天炉是由英国John Wilkison于1794年发明的，我国第一台冲天炉是在1907年在当时的大连铁工所安装的。1895年为熔炼铸钢，法国的Heoult发明了电弧炉，后来为了提高铁液温度、使用铁屑和生产合金铸铁才开始用于铸铁的生产上。1953年建厂的“一汽”就应用电弧炉熔炼合金铸铁生产活塞环，美国通用、福特等公司在20世纪60年代新建的铸造厂用大吨位电弧炉批量生产铸铁。感应电炉是美国在1921年发明的，但只有在1957年发明晶闸管后于20世纪70年代才大量应用。“二汽”就是在那时，是中国首家采用工频感应电炉大批量熔炼铸铁的。因此，可以说世界上20世纪60年代前铸铁的熔炼基本上都采用冲天炉，而我国在90年代初还基本上是用冲天炉熔炼的。

随后，感应电炉的改进与发展，特别是对生产的灵活性要求，其在铸铁的熔炼中完全替代了电弧炉以及中小铸铁铸造企业中的小型冲天炉。在西方工业发达国家，由于小铸造企业少，对环保比较重视，因此熔炼炉的转换改造完全是从灵活性、质量及成本的角度出发的。但我国有很多的不同之处：从20世纪90年代开始，至今已达800万t的球墨铸铁离心铸管及管件多是从原先的高炉生铁生产企业使用“短流程”先进工艺，即采用高炉铁液与无芯感应电炉双联熔炼来提供铁液，不似国外大部分铸管企业使用冲天炉-有芯感应电炉双联熔炼工艺，可以降低生产成本；我国的中小铸造企业的比例高，他们原先又都是使用冲天炉熔炼，特别是所有冲天炉都没有安装有效的除尘装置，环境污染严重；国家工信部在中国铸造协会支持下，推行了“铸造准入”“铸造企业规范”，并大力贯彻保卫蓝天行动，促使一大批中小铸造企业采取停业或采用感应电炉替代冲天炉。因此到2016年，我国冲天炉的熔炼比例已下降到36%以下，而且近几年还在继续下降，这与国外的冲天炉、感应电炉各占50%的局面有很大的不同（见表1）。

表1 几个国家铸铁熔炼方式的对比 （%）

2 铸铁熔炼炉的选择与特点对比

铸铁熔炼炉的选择必须根据工艺及生产管理的要求来进行。综合起来，这些要求如下：

1）根据工艺要求熔化并过热铁液到所需要的温度（如：出炉温度≥1500℃）。高温铁液除了能保证足够的浇注温度外，还能提高铁液的纯净度，消除铁液由原材料带来的遗传性，改善石墨形态，在生产中便于使用“基铁”来满足不同结构铸件要求有不同化学成分的要求。

2）熔炼出符合铸件材质性能要求的成分及成分稳定的铁液，以确保铸件性能的稳定性和一致性。例如，应将灰铸铁铁液的CE和C含量（质量分数）的波动值控制在0.05%之内。

3）高的铁液纯净度。生产球墨铸铁件时原铁液的wS≤0.02%；铁液氧含量要低（冲天炉炉渣氧化铁含量＜2.0%）；铁液的含气量、杂质、微量元素含量要低等，这尤其对生产质量稳定的球墨铸铁件非常重要。

4）尽量低的能耗。

5）严格控制污染物的排放和噪声，做到达标生产。

6）满足生产要求，即能按铸件生产批量和品种的要求组织生产。

7）运行成本低。

8）一次性投资小。

针对这些要求来对比冲天炉和感应电炉，就可以知道，这两种熔炼炉都是好设备，但都不能应用于所有场合。冲天炉虽然是最早发明的传统设备，随着技术的不断进步，但它仍有很大的电炉没有的优点。首先，它是一种连续生产的熔炼设备；其次，它的生产率现在可以达到每小时100t以上，这是电炉所不能的。此外，冲天炉比电炉节能：把24℃室温的1kg铁料熔化到1500℃的铁液，需要1 322 600kJ的热量。理论上铸造焦炭的发热量为30 400kJ/kg。把1t的铁料熔化到1500℃需焦炭43kg，如果冲天炉的效率是30%，则合标煤141.26kgce，如果冲天炉的效率是40%，则需标煤105.95kgce。1kW·h的电能可以产生3600kJ的热，所以用电熔化1t、1500℃的铁液需367.4kW·h的电，电炉的效率为70%，也就是一次耗能为173.2kgce标煤。国内外铸造企业的电耗在590kW·h/t，即189.39kgce，也就是电炉熔炼铸铁的能耗要比冲天炉高35%。现在废钢多了，铸造企业为降低成本，多转向采用合成铸铁来生产铸铁件。由于废钢的熔点高，需要更多的能耗。表2是热风冲天炉熔炼合成铸铁的能耗统计，其能耗比上述冷风冲天炉更小。

表2 德国热风冲天炉的耗能统计

冲天炉的另一个优点是生产成本低。我们许多小铸造企业不愿意放弃冲天炉熔炼就在于它的熔炼成本低。图1是冲天炉与感应电炉熔炼成本的对比。在同样的生产率下，热风冲天炉的生产成本仅是电炉的73%。不同的条件，计算的结果会有区别。国内某企业在选择30t/h的熔炼系统时，应用热风冲天炉时，可比应用电炉降低生产成本14%，一年半就能将冲天炉投资收回。

冲天炉是连续生产，它的变料就很不方便，此外，它适用于大批量生产，如果每天只开几小时，则生产成本就会上升。而电炉就有灵活性，它可以做到每炉变料，生产时间对生产成本的影响不如冲天炉大。表3 列出了两种炉子的优缺点对比。

两种炉型的不同特点就决定了它们不同的应用场合，尤其是与企业的规模，即生产量和生产品种有关。行业的共识是：如果生产的铸铁牌号单一、生产量大、需连续每天16h工作、而且每小时的铁液需求量大于10t，则应该首先考虑采用热风冲天炉作为主要的熔炼设备；如果铸铁品种比较多，量又不大，每小时仅需五六吨，每天仅需单班8h工作，则在选择熔炼设备时应把感应电炉作为首选。

如果注意观察世界铸造企业的运行，就不难发现，所有年产铸铁件10万t以上的铸造企业基本上都采用大型冲天炉熔炼。一个仅生产刹车盘的铸造厂，使用了67t/h的冲天炉；一个生产小桥车发动机缸体的铸造厂采用了80t/h的冲天炉；仅生产汽车底盘铸件的企业的冲天炉是90t/h。表4是美国使用冲天炉熔炼的变化情况，即在保持生产铁液量相似的条件下，冲天炉的数量越来越少，而冲天炉的容量越来越大。

图1 熔炼成本的对比

表3 冲天炉与感应电炉优缺点对比

表4 美国使用冲天炉熔炼的变化

3 铸铁熔炼炉发展方向与思考

每一个铸造企业的存在，首先是必须遵纪守法，当前就必须要为保护环境而做到排放达标。今后的颗粒物排放要求是≤20mg/m3。10年前环保还没有严格要求，都认为用感应电炉来替代冲天炉就可以达标，从而许多地方出现了对冲天炉“一刀切”的现象。实际上，感应电炉和冲天炉一样也有污染。中国铸造协会曾对456台感应电炉进行调查，发现其中的105台电炉颗粒物排放都在40mg/m3以上，而一汽的30t冲天炉颗粒物排放小于5mg/m3，SO2＜5mg/m3。因此大家要注意的是，上述讨论的观点都是在排放达标的前提下进行的。由于对两种熔炼设备缺少正确的认识，再加上国内制造大型热风冲天炉技术不成熟，所以不少大量生产的铸造企业在“少被找麻烦”的思想指导下，都采用感应电炉来改造。幸运的是国家发改委和国家工信部有前瞻，都把开发大型热风冲天炉列为重点开发项目，从国家层面否定了对冲天炉的“一刀切”。

今后，冲天炉和感应电炉将会继续按其特点共存使用。除了我国要开发大型热风冲天炉技术外，世界上熔炼设备制造企业的努力方向是大力提高熔炼设备的能源利用率，同时提高设备的自动化、数字化、智能化水平。

除了感应电炉和冲天炉外，世界上还有各不到10台的无焦冲天炉和纯氧燃气回转炉在铸铁企业中运行，最大的容量仅8t，其总量可以忽略不计。在我国能否推进这类熔炼设备的应用取决于企业所在当地能否保证燃气的供应和燃气的价格。国内有一台引进的5t/h无焦冲天炉及一台自制的回转炉都因燃气价格上升而停用。

世界上都在为防止地球气温上升过快而努力，主要是要努力降低CO2的排放。为此，唯有德国有关部门提出在2050年后，全部采用清洁能源而不用煤电，从而也提出了届时把燃焦冲天炉改为电炉或无焦冲天炉。但包括德国铸造界在内的不少行业提出了疑问，首先是到2050年能否实现不用现在还占60%左右的煤电，其次是焦炭是煤化工的副产品，要否应该应用。这个问题是30年后的议题，写出来也是想供大家思考。