鑄鐵熔煉爐的發(fā)展與應(yīng)用

張伯明

1.中國鑄造協(xié)會咨詢顧問委員會 北京 100044

2.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院 北京 100083

1 國內(nèi)外鑄鐵熔煉爐的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

先要將鑄造合金熔化，然后注入鑄型、冷卻成鑄件的特性，使鑄造行業(yè)成為機(jī)械大行業(yè)中唯一要使用熔煉爐的行業(yè)。我國鑄件年產(chǎn)量約5000萬t，也就是鑄造行業(yè)每年要熔化8300萬t合金液，因此熔煉爐對鑄造行業(yè)的重要性不言而喻。不同的合金需要不同的熔煉爐來進(jìn)行熔煉，由于鑄鋼的產(chǎn)量只占10%左右、有色合金不到20%，而鑄鐵量的比例無論在世界還是在中國都超過70%，因而大家對鑄鐵熔煉爐的發(fā)展與選擇給予了更多的重視與關(guān)注。

中國是世界上最早使用礦石冶煉生鐵的國家。歷史上最大的鐵鑄件，例如公元前513年重413kg的刑鼎、公元724年唐朝重45t的蒲津鐵牛、公元953年40t的滄州鐵獅、1061年27t的當(dāng)陽鐵塔，都是中國鑄造，這也證明我國很早就掌握了具有鼓風(fēng)裝置的豎爐熔煉設(shè)備。但由于封建制度的閉關(guān)自守，沒有跟上時代的工業(yè)革命，我國近代鑄鐵的熔煉還保留在三節(jié)爐和勺爐的水平上。世界上第一臺冷風(fēng)沖天爐是由英國John Wilkison于1794年發(fā)明的，我國第一臺沖天爐是在1907年在當(dāng)時的大連鐵工所安裝的。1895年為熔煉鑄鋼，法國的Heoult發(fā)明了電弧爐，后來為了提高鐵液溫度、使用鐵屑和生產(chǎn)合金鑄鐵才開始用于鑄鐵的生產(chǎn)上。1953年建廠的“一汽”就應(yīng)用電弧爐熔煉合金鑄鐵生產(chǎn)活塞環(huán)，美國通用、福特等公司在20世紀(jì)60年代新建的鑄造廠用大噸位電弧爐批量生產(chǎn)鑄鐵。感應(yīng)電爐是美國在1921年發(fā)明的，但只有在1957年發(fā)明晶閘管后于20世紀(jì)70年代才大量應(yīng)用?！岸本褪窃谀菚r，是中國首家采用工頻感應(yīng)電爐大批量熔煉鑄鐵的。因此，可以說世界上20世紀(jì)60年代前鑄鐵的熔煉基本上都采用沖天爐，而我國在90年代初還基本上是用沖天爐熔煉的。

隨后，感應(yīng)電爐的改進(jìn)與發(fā)展，特別是對生產(chǎn)的靈活性要求，其在鑄鐵的熔煉中完全替代了電弧爐以及中小鑄鐵鑄造企業(yè)中的小型沖天爐。在西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家，由于小鑄造企業(yè)少，對環(huán)保比較重視，因此熔煉爐的轉(zhuǎn)換改造完全是從靈活性、質(zhì)量及成本的角度出發(fā)的。但我國有很多的不同之處：從20世紀(jì)90年代開始，至今已達(dá)800萬t的球墨鑄鐵離心鑄管及管件多是從原先的高爐生鐵生產(chǎn)企業(yè)使用“短流程”先進(jìn)工藝，即采用高爐鐵液與無芯感應(yīng)電爐雙聯(lián)熔煉來提供鐵液，不似國外大部分鑄管企業(yè)使用沖天爐-有芯感應(yīng)電爐雙聯(lián)熔煉工藝，可以降低生產(chǎn)成本；我國的中小鑄造企業(yè)的比例高，他們原先又都是使用沖天爐熔煉，特別是所有沖天爐都沒有安裝有效的除塵裝置，環(huán)境污染嚴(yán)重；國家工信部在中國鑄造協(xié)會支持下，推行了“鑄造準(zhǔn)入”“鑄造企業(yè)規(guī)范”，并大力貫徹保衛(wèi)藍(lán)天行動，促使一大批中小鑄造企業(yè)采取停業(yè)或采用感應(yīng)電爐替代沖天爐。因此到2016年，我國沖天爐的熔煉比例已下降到36%以下，而且近幾年還在繼續(xù)下降，這與國外的沖天爐、感應(yīng)電爐各占50%的局面有很大的不同（見表1）。

表1 幾個國家鑄鐵熔煉方式的對比 （%）

2 鑄鐵熔煉爐的選擇與特點對比

鑄鐵熔煉爐的選擇必須根據(jù)工藝及生產(chǎn)管理的要求來進(jìn)行。綜合起來，這些要求如下：

1）根據(jù)工藝要求熔化并過熱鐵液到所需要的溫度（如：出爐溫度≥1500℃）。高溫鐵液除了能保證足夠的澆注溫度外，還能提高鐵液的純凈度，消除鐵液由原材料帶來的遺傳性，改善石墨形態(tài)，在生產(chǎn)中便于使用“基鐵”來滿足不同結(jié)構(gòu)鑄件要求有不同化學(xué)成分的要求。

2）熔煉出符合鑄件材質(zhì)性能要求的成分及成分穩(wěn)定的鐵液，以確保鑄件性能的穩(wěn)定性和一致性。例如，應(yīng)將灰鑄鐵鐵液的CE和C含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的波動值控制在0.05%之內(nèi)。

3）高的鐵液純凈度。生產(chǎn)球墨鑄鐵件時原鐵液的wS≤0.02%；鐵液氧含量要低（沖天爐爐渣氧化鐵含量＜2.0%）；鐵液的含氣量、雜質(zhì)、微量元素含量要低等，這尤其對生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的球墨鑄鐵件非常重要。

4）盡量低的能耗。

5）嚴(yán)格控制污染物的排放和噪聲，做到達(dá)標(biāo)生產(chǎn)。

6）滿足生產(chǎn)要求，即能按鑄件生產(chǎn)批量和品種的要求組織生產(chǎn)。

7）運(yùn)行成本低。

8）一次性投資小。

針對這些要求來對比沖天爐和感應(yīng)電爐，就可以知道，這兩種熔煉爐都是好設(shè)備，但都不能應(yīng)用于所有場合。沖天爐雖然是最早發(fā)明的傳統(tǒng)設(shè)備，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，但它仍有很大的電爐沒有的優(yōu)點。首先，它是一種連續(xù)生產(chǎn)的熔煉設(shè)備；其次，它的生產(chǎn)率現(xiàn)在可以達(dá)到每小時100t以上，這是電爐所不能的。此外，沖天爐比電爐節(jié)能：把24℃室溫的1kg鐵料熔化到1500℃的鐵液，需要1 322 600kJ的熱量。理論上鑄造焦炭的發(fā)熱量為30 400kJ/kg。把1t的鐵料熔化到1500℃需焦炭43kg，如果沖天爐的效率是30%，則合標(biāo)煤141.26kgce，如果沖天爐的效率是40%，則需標(biāo)煤105.95kgce。1kW·h的電能可以產(chǎn)生3600kJ的熱，所以用電熔化1t、1500℃的鐵液需367.4kW·h的電，電爐的效率為70%，也就是一次耗能為173.2kgce標(biāo)煤。國內(nèi)外鑄造企業(yè)的電耗在590kW·h/t，即189.39kgce，也就是電爐熔煉鑄鐵的能耗要比沖天爐高35%。現(xiàn)在廢鋼多了，鑄造企業(yè)為降低成本，多轉(zhuǎn)向采用合成鑄鐵來生產(chǎn)鑄鐵件。由于廢鋼的熔點高，需要更多的能耗。表2是熱風(fēng)沖天爐熔煉合成鑄鐵的能耗統(tǒng)計，其能耗比上述冷風(fēng)沖天爐更小。

表2 德國熱風(fēng)沖天爐的耗能統(tǒng)計

沖天爐的另一個優(yōu)點是生產(chǎn)成本低。我們許多小鑄造企業(yè)不愿意放棄沖天爐熔煉就在于它的熔煉成本低。圖1是沖天爐與感應(yīng)電爐熔煉成本的對比。在同樣的生產(chǎn)率下，熱風(fēng)沖天爐的生產(chǎn)成本僅是電爐的73%。不同的條件，計算的結(jié)果會有區(qū)別。國內(nèi)某企業(yè)在選擇30t/h的熔煉系統(tǒng)時，應(yīng)用熱風(fēng)沖天爐時，可比應(yīng)用電爐降低生產(chǎn)成本14%，一年半就能將沖天爐投資收回。

沖天爐是連續(xù)生產(chǎn)，它的變料就很不方便，此外，它適用于大批量生產(chǎn)，如果每天只開幾小時，則生產(chǎn)成本就會上升。而電爐就有靈活性，它可以做到每爐變料，生產(chǎn)時間對生產(chǎn)成本的影響不如沖天爐大。表3 列出了兩種爐子的優(yōu)缺點對比。

兩種爐型的不同特點就決定了它們不同的應(yīng)用場合，尤其是與企業(yè)的規(guī)模，即生產(chǎn)量和生產(chǎn)品種有關(guān)。行業(yè)的共識是：如果生產(chǎn)的鑄鐵牌號單一、生產(chǎn)量大、需連續(xù)每天16h工作、而且每小時的鐵液需求量大于10t，則應(yīng)該首先考慮采用熱風(fēng)沖天爐作為主要的熔煉設(shè)備；如果鑄鐵品種比較多，量又不大，每小時僅需五六噸，每天僅需單班8h工作，則在選擇熔煉設(shè)備時應(yīng)把感應(yīng)電爐作為首選。

如果注意觀察世界鑄造企業(yè)的運(yùn)行，就不難發(fā)現(xiàn)，所有年產(chǎn)鑄鐵件10萬t以上的鑄造企業(yè)基本上都采用大型沖天爐熔煉。一個僅生產(chǎn)剎車盤的鑄造廠，使用了67t/h的沖天爐；一個生產(chǎn)小橋車發(fā)動機(jī)缸體的鑄造廠采用了80t/h的沖天爐；僅生產(chǎn)汽車底盤鑄件的企業(yè)的沖天爐是90t/h。表4是美國使用沖天爐熔煉的變化情況，即在保持生產(chǎn)鐵液量相似的條件下，沖天爐的數(shù)量越來越少，而沖天爐的容量越來越大。

圖1 熔煉成本的對比

表3 沖天爐與感應(yīng)電爐優(yōu)缺點對比

表4 美國使用沖天爐熔煉的變化

3 鑄鐵熔煉爐發(fā)展方向與思考

每一個鑄造企業(yè)的存在，首先是必須遵紀(jì)守法，當(dāng)前就必須要為保護(hù)環(huán)境而做到排放達(dá)標(biāo)。今后的顆粒物排放要求是≤20mg/m3。10年前環(huán)保還沒有嚴(yán)格要求，都認(rèn)為用感應(yīng)電爐來替代沖天爐就可以達(dá)標(biāo)，從而許多地方出現(xiàn)了對沖天爐“一刀切”的現(xiàn)象。實際上，感應(yīng)電爐和沖天爐一樣也有污染。中國鑄造協(xié)會曾對456臺感應(yīng)電爐進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其中的105臺電爐顆粒物排放都在40mg/m3以上，而一汽的30t沖天爐顆粒物排放小于5mg/m3，SO2＜5mg/m3。因此大家要注意的是，上述討論的觀點都是在排放達(dá)標(biāo)的前提下進(jìn)行的。由于對兩種熔煉設(shè)備缺少正確的認(rèn)識，再加上國內(nèi)制造大型熱風(fēng)沖天爐技術(shù)不成熟，所以不少大量生產(chǎn)的鑄造企業(yè)在“少被找麻煩”的思想指導(dǎo)下，都采用感應(yīng)電爐來改造。幸運(yùn)的是國家發(fā)改委和國家工信部有前瞻，都把開發(fā)大型熱風(fēng)沖天爐列為重點開發(fā)項目，從國家層面否定了對沖天爐的“一刀切”。

今后，沖天爐和感應(yīng)電爐將會繼續(xù)按其特點共存使用。除了我國要開發(fā)大型熱風(fēng)沖天爐技術(shù)外，世界上熔煉設(shè)備制造企業(yè)的努力方向是大力提高熔煉設(shè)備的能源利用率，同時提高設(shè)備的自動化、數(shù)字化、智能化水平。

除了感應(yīng)電爐和沖天爐外，世界上還有各不到10臺的無焦沖天爐和純氧燃?xì)饣剞D(zhuǎn)爐在鑄鐵企業(yè)中運(yùn)行，最大的容量僅8t，其總量可以忽略不計。在我國能否推進(jìn)這類熔煉設(shè)備的應(yīng)用取決于企業(yè)所在當(dāng)?shù)啬芊癖ＷC燃?xì)獾墓?yīng)和燃?xì)獾膬r格。國內(nèi)有一臺引進(jìn)的5t/h無焦沖天爐及一臺自制的回轉(zhuǎn)爐都因燃?xì)鈨r格上升而停用。

世界上都在為防止地球氣溫上升過快而努力，主要是要努力降低CO2的排放。為此，唯有德國有關(guān)部門提出在2050年后，全部采用清潔能源而不用煤電，從而也提出了屆時把燃焦沖天爐改為電爐或無焦沖天爐。但包括德國鑄造界在內(nèi)的不少行業(yè)提出了疑問，首先是到2050年能否實現(xiàn)不用現(xiàn)在還占60%左右的煤電，其次是焦炭是煤化工的副產(chǎn)品，要否應(yīng)該應(yīng)用。這個問題是30年后的議題，寫出來也是想供大家思考。