冲天炉研究
铁器时代的早期，铸铁件是由铁矿石和木炭在炼铁炉内冶炼得到的铁液制成的。后来，随着铸铁件生产数量的增多，不得不面对如何处理废旧铸件和回炉料的问题。同时，还希望能简便地制作少量铸件，在这样的条件下，就出现了以废旧铁件和回炉料为原料的熔炉。世界上最早的熔炉，是我国宋代开始使用的竖炉，迄今大约有1000年左右。后来又发展成为便于移动的行炉。这是我国铸造工匠为人类文明作出的重要贡献，是铁器时代技术发展的重要里程碑。
公元13世纪前后，我国的铸铁技术由元朝大军中的随军工匠传播到欧洲，同时也带去了熔铁的竖炉。欧洲最早的冲天炉是在竖炉的基础上形成的，有记载说，1730年首先出现在法国，是由R. H. Ferchault de Reamur制作的。但是，多数人认为：John Wilkinson于1794年6月获得英国专利的冲天炉才是欧洲最早的冲天炉。
19世纪和20世纪，在冲天炉的改进方面出现了很多可喜的成果：19世纪初期，Otto Gmelin研发了水冷冲天炉；1890年，Sheehan研制了双排风口冲天炉；1890年，荷兰的Cameron首先推出了内热式热风冲天炉，随之又出现了多种不同形式的热风冲天炉。
此后，在冲天炉的改进和发展方面，英国铸铁研究学会（BCIRA）进行了长期的研究工作，他们的贡献是不可磨灭的，两排大间距风口冲天炉就是由他们提出、并不断完善的。
长期以来，冲天炉一直是传统的铸铁熔炼设备。后来，随着科学技术的进步，铸铁的熔炼设备开始逐步向多元化的方向发展，不再是冲天炉一统天下的局面，电弧炉、熔沟式感应电炉、坩埚式感应电炉、免焦冲天炉、纯氧回转炉等都已先后用于铸铁的熔炼。
特别要提到的是：从20世纪60年代后期开始，中频感应电炉有了重大的改进，晶闸管静态变频电源和逆变变频电源的相继问世，坩埚式感应电炉在熔炼铸铁方面的应用发展很快，其主要优点是：
1、熔炼铸铁的热效率可达到70％，而冲天炉熔炼的热效率只是40%左右； 2、冲天炉熔炼1吨铁液所排放的废气约为1200m3（质量约1吨），其中包括：
有害气体CO、SO2，温室气体CO2和粉尘。与之相比，感应电炉熔炼产生的废气量是微不足道的；
3、与冲天炉相比，感应电炉在生产安排方面的灵活性也是冲天炉难以企及的 特别是，近年来在节能、减排方面的要求日益严格，因而，不少人认为：冲天炉的应用已经是江河日下，被感应电炉取代是不可逆转的趋势。
但是，实际情况并非如此，如果我们对铸铁熔炼设备的发展作比较全面的分析，特别是从低碳经济角度考量，就会看到；冲天炉这一传统的熔炼设备仍然有旺盛的生命力，有广阔的发展空间。
虽然，对于中、小型铸造厂而言，用感应电炉取代冲天炉是非常合适的，但是，铸造业是高能耗行业，今后，生产企业必将向集群化、大型化发展。中、小型铸造厂的产量在铸件总产量中所占的份额不会是很大的。
目前，各工业国家铸铁行业所用的熔炼设备中，如果就熔炉的数量而言，当然感应电炉远多于冲天炉。但冲天炉大都是大型的，而且都是长炉龄的，生产能力很强，如果就铸铁件的产量而言，则还是冲天炉熔炼的居多。据手头现有的资料： 1、2003～2007五年间欧盟各国铸造焦炭的用量一直保持在150万吨左右，且略有增长，说明冲天炉的应用并未衰落；
2、2006年法国生产的各种铸铁件，以冲天炉为熔炼设备（包括双联）的占60.6％；
3、据美国铸造师学会出版的《冲天炉手册（第6版）》所列的数据，美国以冲天炉为熔炼设备生产的各类铸铁件仍在铸铁件总量中占70%左右的份额。 目前，我国是全世界铸件产量最高的国家，2007年，我国各类铸铁件的产量，高于美、俄、日、德四大工业国家铸铁件产量的总和，而且，在我国当前的条件下，用冲天炉为熔炼设备生产的铸铁件约在80％以上。正确地认识和掌握冲天炉，对于提高铸件的冶金质量、降低生产成本，乃至节能、减排，都是至关重要的，也是我国由铸造大国走向铸造强国必须切实解决的课题。 为了比较全面地认识冲天炉，应该从以下几个主要方面来分析。
一、冲天炉始终都在改进和发展
在各种熔炼设备竞相发展的情况下，冲天炉也在不断吸收新技术而日臻完善，实
现了现代化、大型化、长炉龄化和燃料的多样化，并在炉气显热、潜热的利用和废气、烟尘的治理方面不断有所创新，从而能充分发挥其生产成本低、冶金质量高的优势。近年来，冲天炉在结构及相关的熔炼技术方面的发展，主要在以下几方面。
炉型结构方面有：两排大间距风口鼓风；水冷冲天炉；免焦冲天炉；炉气中显热和潜热的再利用系统等。
鼓风方面有：富氧送风；脱湿送风；自风口吹入天然气、焦炭末之类的辅助燃料等。
作业控制方面有：风量及风压控制；炉气成分控制；铁液温度和成分控制；动态热分析控制；熔炼过程的计算机控制等。
节能减排方面有：炉气显热、潜热的利用；尾气的无害化；除尘系统的改进；替代燃料的应用；炉渣的循环利用等。
二、对金属炉料的适应能力强
近年来，为了实现装备的轻量化，各行业，特别是汽车行业，所用的钢材中，合金钢所占的比例越来越多。以美国通用汽车公司为例，2003年所用钢材中碳钢占65%，2010年降低到10%。从资源的充分利用、各种装备的轻量化、工艺技术的进步等方面看来，当然是好事，而且这种趋势今后仍将继续，但是，废钢中这类合金元素的增多，却给铸铁业带来了许多棘手的问题，不能不采取必要的应对措施。用感应电炉熔炼铸铁时，炉料中铸造生铁锭的用量很少，废钢所占的份额增多，而钢材中的合金元素对铸铁（尤其是球墨铸铁）的性能却大都有负面影响，成了干扰元素。
另一方面，在冲天炉熔炼过程易于脱除的低沸点元素，如Pb（1755℃）、Sb（1640℃）、Bi（1481℃）、Te（989.8℃）、As（615℃升华）、Cd（767℃）、Zn（419.5℃）等，用感应电炉熔炼时就较难以脱除，从而易于显现其负面影响。
三、能耗和碳消费量 1、从能耗方面考虑
冲天炉熔炼铸铁，用于熔化铁料和使铁液过热的能量，一般都只是焦炭总能量的
40%左右，能源的利用率是相当低的。
每吨铁液耗用焦炭量平均约为125㎏。焦炭的热值按30 MJ/㎏计算，则熔炼每吨铁液的能耗约为3750 MJ。
用坩埚式中频感应电炉熔炼，热效率可达到70%，如每吨铁液的电耗平均按600 kW?h计算，结果是：1 kW?h的能量相当于3.6 MJ，熔炼每吨铁液的能耗为2160 MJ。
从能耗的对比看来，感应电炉熔炼铸铁的能耗只是冲天炉熔炼能耗的57.6%。只从能耗考虑，当然是感应电炉远优于冲天炉。 2、按碳消费量考量
如果考虑到电是二次能源，而且，目前的电能，绝大部分是由煤转化的。按碳消费量来评估，情况就大不一样了。
发电厂产出每kW?h电能的耗煤量平均为0.37㎏标准煤。按此推算，感应电炉熔炼，每吨铁液的碳消费量为222㎏标准煤，其中还不包括输电过程中的各种损失。 冲天炉熔炼，每吨铁液耗用的焦炭量平均为125㎏。固定碳含量为84%的焦炭，热值大致与标准煤相当。按此推算，每吨铁液的碳消费量只有125㎏标准煤，大约比用感应电炉熔炼的少43.7%。
由此看来，用冲天炉熔炼，碳消费量比用感应电炉熔炼低得多。
当然，焦炭也是二次能源，是由焦煤炼制而成的，但是，炼焦的副产品煤焦油是重要的化工原料，焦炉煤气是优质燃料，两者的价值高于焦炭。从能源的综合利用看来，以焦炭为燃料、用冲天炉熔炼铸铁，当然不失为一种可取的选择。 此外，冲天炉废气中的显热和潜热约占所用焦炭总能量40～45%，如果将这些热量充分加以利用，就更能体现出冲天炉熔炼的优势。目前，在利用冲天炉废气的热量方面，已经有多种行之有效的方法。
四、在采用替代燃料、节省资源方面冲天炉还有广阔的创新空间 1、生物碳块的应用正在研究开发中
废木屑、树皮、秫秸、树叶等废料，都是含碳材料，如果加以利用，不仅是可再生资源，而且还是消纳废弃垃圾。不少国家都已经着手研究将这类废弃材料制成生物碳块，用作冲天炉燃料，以替代焦炭。生物碳块的制造工艺大致是：先将上
述废料粉碎，加入少量粘结剂，混匀，然后在高压下制成团块，再将其置高温下使之碳化。据报道，按照初步试验的结果，目前已可在冲天炉中替代15%的焦炭。 几年前，法国就已生产这种生物碳块，日本、美国和巴西也正在进行研制和试验。
2、采用高灰分焦炭，降低生产成本
冲天炉采用冷风作用的条件下，采用低灰分、高固定碳的铸造焦炭，对于提高炉温、保证冲天炉熔炼的冶金质量。是非常必要的。70年代末，我本人就曾受铸造学会的委托，起草“正确认识铸造焦炭的重要性和关于组织生产的建议”，提交国家有关部门考虑、审议。
现在，生产条件有了重大的变革以后，原先们的一些观念和认识也不得不随之修正。
热风作业的冲天炉，如果再从风口吹入氧气和辅助燃料，炉内温度可大幅度提高。在这样的条件下，可以将铸造厂收集的粉尘乃至粒状废弃物自风口吹入冲天炉，予以消纳。上世纪90年代以来，Georg Fischer 公司，Kuttner-GHW公司， Air Product公司等都在这方面进行了研究工作，效果都是肯定的。
既然当前的冲天炉连灰尘和粒状废弃物都可以消纳，采用高灰分焦炭有又何不可呢？有必要提请大家注意的是：2009年，日本经济产业省为支持战略性基础技术的研究开发，在各基础性行业中，都核定了一些由政府提供资金的研究课题。与铸造相关的课题共有22项，其中有一项就是“开发冲天炉使用高灰分焦炭的高效作业技术”。这一项目由政府投资2亿日元，由日本铸造协会管理，伊藤铁工所等两家企业承担。目标是：在确保冲天炉冶金质量和生产效率的前提下，使用高灰分焦炭，以降低生产成本。
我国焦煤资源丰富，目前是世界上焦炭产量最高的国家，但是我国焦煤的“内灰”含量高，“可洗性”不佳，炼制低灰分焦炭的工艺繁琐，代价很高。如果我们能在强化冲天炉熔炼的基础上，解决这个问题，意义将是深远的，同时也会进一步增强冲天炉的竞争能力。
3、采用铸造型焦
型焦用于高炉炼铁早已经受到了广泛的关注，铸造行业在冲天炉作业中用型焦代