本发明属于机械制造工程中铸造生产的冲天炉熔化铸铁工艺。 在机械制造工程的铸件产量中，灰铸铁件约为65％以上，而其灰铸铁件的70～95％是用冲天炉熔化生产的。以我国水平计，1985年全国灰铸铁件产量约为670万吨。目前，冲天炉生产一般灰铸铁用金属料配比通常是：原生铁30～60％、废机铁和回料铁20～50％、废钢5～30％，外加少量硅铁和锰铁。因此大量廉价废钢在灰铸铁件生产中用量很少，至于铸铁屑的用量则更少，一部份需花费人力、物力、财力和能源回收回高炉或电炉重新熔炼，一部份则白白浪费掉，形成了机械制造业中的恶性循环。
目前，冲天炉不能大量使用废钢生产一般灰铸铁的原因是：现有冲天炉熔炼工艺中无高增碳效能，限制了废钢用量。为解决这个问题，当前的作法有：一种是改造炉型提高熔化带位置，期望达到高增碳目的，实践结果是加大焦炭消耗量，也不易得到含碳量较高的铁水。一种是采用高温鼓风，将风温由常温提高到500℃～700℃鼓入炉中，使炉内发生较明显的增碳，熔化一般灰铸铁时，配料中的废钢用量可达40～50％，但这套高温加热和热交换装置费用昂贵，对广大的中小型冲天炉不适应。
在冲天炉利用铸铁屑生产一般灰铸铁通常的作法是：将铸铁屑加上适量的木屑或硅铁粉、石墨粉，或加粘结剂，如水玻璃、水泥等，或不加任何材料，压结成块，加入炉内熔化。上述几种方法的配料中铸铁屑加入量一般只能在10％之内。即便如此，熔化后的结果是：炉内发生较严重的氧化，熔渣中的氧化亚铁含量高达7～8％，甚至10％以上，在恶化熔渣的同时，也使铁水严重的污染恶化，浇注铸件后，废品率大增。目前，人们无法克服用铸铁屑后带来的恶性结果，所以只有极少单位在配料中小心翼翼的加入7～8％的铸铁屑熔化灰铸铁，多数单位不使用铸铁屑。其因主要是现有冲天炉熔炼工艺中没有强还原反应来消除熔化中的氧化危害。
综上所述，冲天炉熔化一般灰铸铁配料中，通常废钢为HT150在0～10％、HT200在10～20％、HT250在15～30％之间，铸铁屑几乎没人使用。
本发明的目的是要提供一种改进了的具有高增碳强还原的冲天炉熔化工艺。所提供的这种工艺，能在现有冲天炉基础上，不增加设备和燃料消耗，制造一种高增碳强还原的冶金反应，它不但能有效的大量使用废钢和铸铁屑熔化出合格的低牌号一般灰铸铁铁水，而且能在灰铸铁常规熔化中还原炉渣，净化铁水，减少合金元素烧损，提高铁水质量和金属收得率。
本发明是这样实现的：根据在高温作用下，固体碳在与铁液、渣液接触时，铁液发生增碳，铁液、渣液中的氧化物发生还原的高温物理化学反应原理。
增碳反应：
还原反应：
具体措施是：在现有冲天炉基础上，其一是加深炉缸。从过桥孔底水平线向炉底方向加深。本措施的目的主要是增碳，其次是还原。其二是在前炉中加入碳素材料，如焦炭、炭棒、碳化硅等。本措施的目的是把前炉由单纯存放铁液、渣液的储存器，变成具有强还原和一定增碳功能的二次冶金反应炉，主要是还原，其次是增碳。当冲天炉用大量废钢或铸铁屑配料熔化一般灰铸铁铁水时，使铁液、渣液流经炉缸的路程和时间变长，增加了底焦中的高温固体碳与铁液、渣液接触的面积和时间，加强了碳向铁水中渗透扩散的能力，使铁液增碳和增加了碳还原铁液、渣液氧化物的机会。特别是向下加深炉缸，进一步削弱了铁液、渣液在炉缸中的氧化气氛，增强了还原反应，部份氧化物得到一定还原。当从炉缸出来的铁液、渣液经过桥流入前炉时，其铁液、渣液又与大量炽热的碳素材料相接触，由于前炉缺氧和碳素材料的存在，前炉内具有强烈的还原气氛，此刻碳素材料中的碳在高温作用下一方面与渣液、铁液中的FeO、MnO、SiO2等氧化物发生还原反应，使被氧化了的Fe、Mn、Si等元素多数还原回铁水中；另一方面，碳素材料中的固体碳，继续向铁水中渗透扩散，完成了铁液、渣液进到前炉中的二次还原增碳冶炼。从而实现了熔化过程中的高增碳强还原反应，在冲天炉中成功的用40～70％的大量废钢，或40～100％的大量铸铁屑配料，熔化出一般灰铸铁铁水。
本发明因为只需在原冲天炉内将炉缸向下加深一定深度。向前炉中加入一种廉价碳素材料，所以工艺特别简单。同时，由于发明的着眼点不在于改造炉体结构、增加设备、提高风温和使用金属材料质量，所以它对现冲天炉炉体结构、使用设备、风温、熔化操作及使用金属材料的厚薄、大小、锈蚀程度等，没有特殊要求，即是废钢、铸铁屑严重锈蚀也无妨。另外，由于前炉加入碳素材料，变铁液、渣液储存器为二次还原增碳冶金反应炉。所以，即便不大量使用废钢或铸铁屑，按常规配料熔化各种灰铸铁，应用本发明，也可降低渣液、铁液中的氧化物及气体含量，还原部份Fe、Mn、Si等元素回铁水中，达到净化铁水，减少合金元素烧损，提高金属收得率、铸件质量和合格率等优点。
发明的具体工艺细节及实施要求，由以下实施例及其附图给出。
图1是根据本发明提出的高增碳强还原工艺的冲天炉剖面示意图。
该冲天炉熔化一般灰铸铁原使用的金属配料为原生铁、机铁和回炉铁、废钢、锰铁和硅铁。其主要结构由炉体〔1〕、炉膛〔2〕、风口〔3〕、风带〔11〕、炉缸〔4〕、炉底〔10〕、过桥〔5〕和前炉〔8〕组成。
该冲天炉的主要原技术数据是：
1.熔化率：2吨/时；2.铁水温度：1400～1440℃；3.总铁焦比：8～9∶1；4.风量；21～23标米3/分(计算)；5.风口尺寸(直径×个数×角度)：一排(下排)_16×8×5°，二排_18×8×5°，三排(上排)_16×8×5°；6.层批料金属重量： 200公斤；7.底焦高度：1.5米；8.炉缸深度：H＝h1＝250mm，h2＝0；9.前炉状态：容积(直径×高)：_650×550mm，熔化时，未加任何物料。
发明实施例的通用工艺细节(用废钢或铸铁屑或常规熔化)如下：炉缸〔4〕深度H和炉缸向下加深深度h2的具体尺寸和确定方法：
H和h2的具体深度，应根据熔化铁水要求和使用炉料状态所需要增碳还原的程度来进行确定，一般H在350～600mm之间；h1在350～400之间；h2在5～200mm之间。其考考计算公式如下：H＝H0-h2＝h1+h2(当h2＝0时，H＝H0＝h1)；H0——炉缸当量深度(mm)；C铁水——铁液中的含碳量(％)；C炉——冲天炉增碳系数，取1.75～1.85％之间；C料——金属料中的平均含碳量(％)；C缸——炉缸增碳系数；取0.02～0.04之间；C前炉——前炉加入碳素材料后的增碳系数，取0.05～0.1％
之间；h1——过桥〔5〕孔底平面与下排风口中心水平面距离(mm)；h2——炉底〔10〕内底平面与过桥〔5〕孔底平面间的距离(mm)，
一般取h2/h1的比值为1/7～1/9之间。
注：当C料在1.6～2.8范围内上式有效。
前炉〔8〕中加入碳素材料量、计算方法和工艺要求：
前炉〔8〕中加入的碳素材料，可以是焦炭、炭棒、碳化硅等，含硫和杂质量要低，其加入量视渣液中氧化亚铁等氧化物和杂质含量的多少，根据还原和增碳的程度、熔化量的大小等来确定。一般加入量，以其堆积体积计为前炉容积的2～100％之间，若加入量大于前炉容积时，可分两批加入。参考计算公式如下：
G(公斤)＝j×Q铁+K
Q铁——本炉次熔化金属料的总重量；吨
j——前炉碳素材料消耗系数(公斤/吨)，若加入的碳素材料是
焦炭时，j值取2～4公斤焦/吨；
K——燃料消耗系数，取5～15公斤。
其加入工艺要求是：碳素材料在熔化前加入前炉中，块度适宜，在2～150mm之间。加入后，或点燃或加热到炽热白亮程度。
本发明实施例的前炉中加入的碳素材料是焦碳，是低硫低灰分的北京冶金焦，块度在60～80mm之间，在用木柴烘前炉时加入，点燃并盖上前炉盖，打开出铁水口和出渣口，用小鼓风机鼓风，将焦炭全部燃亮。冲天炉正常熔化时，前炉中的焦炭靠自重使焦块多数浮于铁液之上，一部份与铁液混合，一部份与渣液混合，如渣液加焦块〔7〕，一部份浮于渣液之上，如浮焦〔6〕。
冲天炉熔化操作规程：
冲天炉熔化操作时，采用闭渣或半开渣式操作，减少前炉碳素材料消耗，造成前炉强还原气氛。出铁水时，始终保持前炉存有部份铁水，让铁水在前炉中停留一定时间，在1～60分钟之间，以使其充分发生反应。其他操作规程同冲天炉常规熔化灰铸铁操作规程。
实施例之一——冲天炉用50％的废钢配料熔化HT200牌号灰铸铁铁水生产(浇注)解放牌汽车刹车轮古实施细则：
1.炉型及技术参数：炉型和结构见图1。技术数据和原冲天炉相同的是(1)至(7)各项，变化的是(8)、(9)两项。
第(8)项炉缸深度：H＝430mm，较原来炉缸加深180mm，其中从过桥〔5〕孔底平面向炉底〔10〕方向加深深度h2＝30mm。h1＝400mm。
第(9)项前炉〔8〕状态：加入北京冶金焦焦炭25公斤，其堆积体积约占前炉容积的其块度为60～80mm，加入方法同前述“加入碳素材料工艺要求”。
2.使用金属配料。批料重200公斤，配比为：
废钢 回炉料和废机铁 原生铁 锰铁 硅铁
50％ 10％ 40％ 0.175％ 0.375％
注：用的废钢料为1～2mm厚锈蚀严重的废钢片。配料成份测定：C Si Mn P S
1.91％ 2.4％ 0.7％ 0.10％ 0.08％
3.熔炼操作规程：按前述“冲天炉熔化操作规程进行操作”。
4.出炉铁水成份及机械性能测定：
铁水成份测定： C Si Mn
3.2～3.3％ 2.2～2.3％ 0.62～0.66％
P S
0.10％ 0.11％
增碳效果：65％～72％；
金属元素烧损率：硅烧损率＜8％，锰烧损率＜12％，铁烧损率
＜0.5。
机械性能(_30试棒)测定:
抗拉强度(δb)： 215.6N/mm2(22kgf/mm2)；
抗弯强度(δbb)：421.4N/mm2(43kg f/mm2)；
硬度HB：180～200。
符合GB5675-85《灰铸铁分类技术标准》。
5.炉渣：呈淡绿色，FeO含量＜3％。
6.浇注铸件及加工结果。
出炉铁水未加孕育，浇注铸件为解放牌汽车刹车轮古，未发现白口白边现象，未经热处理和时效处理，即进行加工，切削性能良好，铸件内无气孔无氧化物夹渣等缺陷，加工出的铸件表面较原工艺光亮。
结论：按本发明工艺，用50％废钢配料熔化出的HT200号灰铸铁铁水，经测定各项理化指标均达到GB5675-85中HT200牌号规定标准，其中机械性能还超过标准要求。在熔化过程中，增碳效果达65～72％；合金元素烧损率较常规降低5～10％；金属收得率＞98％；炉渣中氧化亚铁含量＜3％；其炉内增碳还原反应良好。
实施例之二——冲天炉用50％的铸铁屑配料熔化HT200牌号灰铸铁铁水生产解放牌汽车刹车轮古实施细则：
1.炉型及技术参数：炉型见图1，技术参数与原冲天炉技术数据一样的是(1)至(7)项，变化的是(8)、(9)两项。
第(8)项：炉缸深度H＝360mm，炉缸较原炉加深110mm，其中从过桥〔5〕孔底平面向炉底〔10〕方向加深深度h2＝15mm；h1＝345mm。因为大量铸铁屑和其他配料中含碳量较高，故不需显著加深炉缸。
第(9)项：前炉〔8〕状态是加入北京冶金焦焦炭25公斤，其堆积体积约占前炉容积的其块度为60～80mm。加入方法同前述“前炉〔8〕中加入碳素材料工艺要求”。
2.使用金属配料：批料重200公斤，配比为：
铸铁屑饼 废机铁和回炉铁 废钢 原生铁 锰 铁 硅 铁
50％ 10％ 10％ 30％ 0.225％ 0.45％
配料成份测定：C Si Mn P S
2.7％ 2.5％ 0.8％ 0.10％ 0.085％
本发明在冲天炉熔化中使用的铸铁屑配料是制成_120×50mm(直径×高度)的铸铁屑饼加入的。该屑饼由铸铁屑、石灰粉(或石灰膏)和水组成，配方为：铸铁屑80～98％、石灰粉(或石灰膏)1～15％水0.1～5％之间，其最佳配方为：铸铁屑94～96％，石灰粉(或石灰膏)3～4％，水1～1.5％。铸铁屑饼是制作一套模具在夹板锤上压制的。压制后，将屑饼存放数天，让其自然锈蚀，进一步结块；加入炉内。
3.熔炼操作规程：按前述“冲天炉熔化操作规程”要求进行操作。
4.出炉铁水成份及机械性能测定：
铁水成份测定； C Si Mn
3.25～3.35％ 2.3～2.4％ 0.71％
P S
0.10％ 0.12％
增碳效果：20～24％；
金属元素烧损率：硅烧损率＜8％，锰烧损率＜12％，铁烧损率
＜0.5％；
机械性能(_30试棒)测定：
抗拉强度(δb)：225.4N/mm2(23kg f/mm2)；
抗弯强度(δbb)：431.2N/mm2(44kg f/mm2)；
硬度(HB)：180～200。
5.炉渣：呈淡绿色，FeO含量＜3％。
6.浇注铸件及加工结果：
出炉铁水未加孕育，浇注解放牌汽车刹车轮古，没有白口白边和疏松现象，未经处理即进行加工，切削性能良好，铸件组织致密，无气孔，无氧化物夹渣等缺陷，加工出的铸件表面较前光亮。
结论：按本发明工艺，用50％铸铁屑配料熔化出各项理化指标均达到GB5675-85标准中HT200牌号铸铁规定，其中机械性能还超过标准要求。在熔化中，前炉〔8)强还原反应充分，功能显著，合金元素烧损率较常规低5～10％，炉渣中氧化亚铁＜3％，铸铁屑熔化后的金属收得率＞98％，成功的克服了常规工艺用铸铁屑熔化后带来的恶性结果。
本发明不需要改适原冲天炉炉体结构，不需要增加设备和燃料消耗，具有工艺简单，易于实施，见效快之特点，可广泛用于铸造生产中。它既能大大降低企业生产成本(每吨HT150或HT200铁水配料成本比常规工艺降低成本60～80元，一般降低成本在20％左右)。又有显著的社会效益，以我国1985年灰铸铁件产量约670万吨计，若有50％的产量使用本发明，仅此可节约资金二亿元。