鑄鋼冷卻壁的鑄造方法
2023-11-03 05:34:37 1
專利名稱：鑄鋼冷卻壁的鑄造方法
技術領域：
本發明涉及一種冶金高溫爐窯，具體講是涉及一種冶金高溫爐窯的鑄鋼冷 卻壁的鑄造方法，屬於冶金煉鐵技術領域。
背景技術：
冷卻壁是為冶金高溫爐窯提供冷卻的設備，能夠保護冶金高溫爐窯免受爐 體內高溫流體的侵蝕和機械磨損，延長冶金高溫爐窯壽命，保證其安全穩定生 產。冷卻設備一旦出現問題，冶金高溫窯爐必須全面停產檢修，將會帶來重大 經濟損失。所以，冷卻壁的壽命和性能決定冶金高溫爐窯的壽命，是冶金高溫 爐窯長壽高效、節能的重要保證。
當前國內外冶金工業普遍採用的冷卻壁材質以鑄鐵和軋制純銅為主，但是， 鑄鐵或軋制純銅冷卻壁存在諸多不足。以使用最廣泛的球墨鑄鐵冷卻壁為例， 其存在以下不足(1)球墨鑄鐵冷卻壁必須在冷卻通道外附加防滲碳塗層，使 通道與基體之間形成氣隙，而氣隙使得冷卻壁傳熱阻力顯著增加，惡化冷卻壁
的傳熱效果，增加冷卻壁工作面溫度，加速冷卻壁的破損；(2)球墨鑄鐵基體 上布滿了大小不同的球狀石墨(粒徑0.025 0. 150mm)，球狀石墨被氧化後相當 於形成了無數微小的孔洞，構成了發生裂縫和裂紋的發源地，加速了裂縫和裂 紋的擴展，從而導致冷卻壁使用壽命變短，增加資源消耗，不利於冷卻壁長壽、 節能；(3)在澆鑄大型球墨鑄件時，C、 S、 P在柱狀結晶過程中容易被推向液態 區，在中心等軸晶區形成一個偏析物富集區，使鑄件表面和中心的延伸率存在 較大差異，表面延伸率大於中心部位一倍以上，促進了球墨鑄鐵裂縫或裂紋的 產生和擴展，不利於冷卻壁長壽；(4)球墨鑄鐵的線膨脹係數在60(TC以下變化 較平穩，但在60(TC以上則隨溫度的升高而發生急劇的不可逆"生長"，當溫度 大於709'C時基體組織發生了相變，膨脹係數和內應力急劇增長，其破損速度加 快；(5)球墨鑄鐵導熱性和抗熱震性能都較差，其導熱係數僅為30wm'2《—1，不 利於冷卻壁的高效冷卻。而純銅軋製冷卻壁雖然導熱性能好，但對基體材料要求苛刻，生產工藝復 雜，價格昂貴。在實際應用中，當純銅軋製冷卻壁熱面渣皮剝落後，冶金爐窯 的大量熱量被冷卻壁迅速帶走，存在凍結冶金高溫爐窯熔池的可能；並且其熱 面溫度超過20(TC後，基體材料的抗拉強度迅速下降。
由於鑄鋼材料的特殊性和澆注工藝的難度，因此國外對鑄鋼冷卻壁在冶金 工業的應用問題研究較少，其研究成果較少見諸報導。但是，由於國內冶金工 業對冷卻壁需求很大，並且基於鑄鋼材料的優越性，對鑄鋼冷卻壁進行了初步 研究。
國內個別企業對鑄鋼冷卻壁的生產進行了實踐，但結果差強人意。主要原 因包含五個方面，第一，在澆注冷卻壁過程中，冷卻水管極易被高溫鋼水熔穿， 廢品率高；第二，在澆注過程中，在冷卻水管外表面焊接大量冷鐵，冷鐵在澆 築過程中熔化不完全，破壞冷卻水管和冷卻壁基體的整體機械性能，並促使氣 隙產生，嚴重惡化冷卻壁傳熱性能；第三，在澆注過程中，冷卻通道內部易發 生氧化，產品質量大大降低；第四，鋼水潔淨化技術在鑄鋼冷卻壁一次澆注成 型過程中缺乏系統研究，產品性能不穩定；第五，冶金工業的冷卻壁屬於厚大 鑄件，而厚大鑄件的氣孔、疏鬆、偏析等質量缺陷在鑄造行業一直尚未完全解 決。另外，針對鑄鋼冷卻壁的熱處理工藝缺乏系統研究，尚未提出熱處理規範。 因此，鑄鋼冷卻壁成品率很低，性能不佳，壽命也不長。
目前，有些文獻從理論上對鑄鋼冷卻壁及其類似的冷卻器進行了研究，主 要側重於傳熱分析、建立數學模型優化設計，對鑄鋼冷卻壁發展起到了積極的 推動作用。但鑄鋼冷卻壁的實際生產過程中存在的問題涉及到諸多方面，其應 用和推廣需要綜合考慮各個方面建立數學模型進行傳熱學計算，基體材料的 選擇，設計參數的選擇，鋼水潔淨化冶煉，鑄鋼冷卻凝固控制，鑄鋼冷卻壁熱 處理，性能檢測和評估等。單純從某一個角度考慮並不能很好的解決問題，需 要交叉多學科的基本原理進行系統研究。由於上述限制，目前對於鑄鋼在冷卻 壁上的應用還是不能達到工業應用的要求。
發明內容
為了克服現有技術存在的問題，本發明的目的在於提供一種利用新的鑄鋼基體材料取代傳統的鑄鐵材料，採用新的製造工藝克服氣隙熱阻的產生，打破傳統的氣體冷卻模式，避免使用當前不得已而採用的內冷鐵塊，實現精確控制吸熱量，保證冷卻水管不發生重熔和再結晶，促使冷卻水管外表面在澆注過程中微熔，並使得冷卻水管在澆注後與基體緊密結合；優化控制鑄鋼冷卻壁的鑄造工藝，有效減少元素偏析；通過添加特殊合金和優化熱處理工藝提高鑄鋼冷卻壁性能的鑄鋼冷卻壁的鑄造方法。
為達到上述目的，本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種鑄鋼冷卻壁的鑄造方法，其特徵在於採用鑄鋼材料澆注鋼磚本體和冷卻水管，包括以下步驟
(1) 、採用中頻感應爐(容重3噸)冶煉鋼水，在冶煉鋼水末期，分二次加入成渣劑，使其均勻覆蓋在鋼水表面；
(2) 、在鋼水出爐前，在感應爐內一次性添加粒度為30-40mm的矽鐵合金塊，採用機械噴入的方式添加；
(3) 、配製複合固體冷卻介質，配製好後，將複合固體冷卻介質在大氣環境下，進行高溫灼燒，灼燒溫度控制在900-1300°C，去除燒結成塊的粘結物；
(4) 、配備可循環利用的液態冷卻介質，該液態冷卻介質的特點為比熱容較大，高溫下不易揮發、不黏結、不腐蝕鑄鋼冷卻水管，不改變鑄鋼冷卻水管的固有成分和機械性能；
(5) 、將用鑄鋼材料製成的U型冷卻水管(其材料為20號鋼)按要求放入澆注模型中，在U型冷卻水管的兩端通過耐高溫的軟管外接高壓水泵，高壓水泵的壓力為5-15Mpa;在鋼水澆注前，預先在冷卻水管內通入循環的液態冷卻介質，在鋼水澆注過程中，將複合固體冷卻介質加入到循環的液態冷卻介質中，這樣的澆注工藝可以保證冷卻水管表面微熔；
(6) 、用加入矽鐵合金塊的鑄鋼鋼水澆注鋼磚本體，將冷卻水管的中部澆注在鋼磚本體中，兩端從鋼磚本體上伸出，控制鋼水過熱度在100-120攝氏度範圍；
(7) 、融合二級階梯澆注和傾斜澆注的優勢，即在造型過程中，讓澆注模型橫臥，冒口偏重一側造型，模型合箱後將模型冒口一側墊高，使整體砂箱與地面成10-15度；在澆注過程中採用上下兩層內澆口進行階梯澆注(兩層內澆口
的間隔為10-50cm)，據此控制鑄鋼冷卻壁鋼磚本體的凝固過程，促使其形成順序凝固；
(8)、冷卻，卸掉模型，鑄鋼冷卻壁製成。
前述的鑄鋼冷卻壁的鑄造方法，其特徵在於所述的複合固體冷卻介質為Cr203: 45-47%， Si02: 1-2%， CaO: 0.5-1%, FeO: 20-30%， MgO: 10-15%; AL203:10-20%;其餘成分是粒度為70-100目的碳粉。
前述的鑄鋼冷卻壁的鑄造方法，其特徵在於所述的成渣劑，其中包括80-85%的氧化鈣和10-15%的氧化鎂。
前述的鑄鋼冷卻壁的鑄造方法，其特徵在於所述的成渣劑，其加入比例為lkg/噸鋼水。
前述的鑄鋼冷卻壁的鑄造方法，其特徵在於所述的矽鐵合金塊，其成分為15-20%稀土元素、20-30%矽、50-65%金屬鐵。
前述的鑄鋼冷卻壁的鑄造方法，其特徵在於所述的矽鐵合金塊，其添加量0. 1-0. 7kg/噸鋼水。
前述的鑄鋼冷卻壁的鑄造方法，其特徵在於所述的液態冷卻介質，其流速為I-IO m/s。
前述的鑄鋼冷卻壁的鑄造方法，其特徵在於所述的複合固體冷卻介質，其加入量為l-10kg/噸鋼水。
前述的鑄鋼冷卻壁的鑄造方法，其特徵在於所述的冷卻水管的橫截面為橢圓形，所述的橢圓形的短軸和長軸的長度之比為O. 5 0. 7。
前述的鑄鋼冷卻壁的鑄造方法，其特徵在於所述的冷卻水管為多根。
本發明的有益效果是採用本發明的鑄造方法鑄造鑄鋼冷卻壁，可以有效避免冷卻水管在鑄造過程中熔穿；避免冷卻壁基體和冷卻水管間產生氣隙；避免冷卻水管在鑄造過程中發生重熔和再結晶，破壞冷卻水管原有的軋制性能；精確實現冷卻水管外表面的微熔，解決了冷卻水管在澆注過程中熔穿和內表面氧化問題，延長冷卻壁壽命進而延長冶金高溫窯爐的壽命，節約生產成本；使得冷卻水管與鋼磚本體緊密結合，提高鋼磚本體的冷卻效果；控制凝固方式，實現順序凝固，提高鑄鋼冷卻壁的機械性能。
圖l是本發明的鑄鋼冷卻壁的結構示意圖；圖2是圖1的A向視圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
本發明的鑄鋼冷卻壁的鑄造方法，將冷卻水管的材質選定為鑄鋼，同時採用鑄鋼材料澆注鋼磚本體，具體澆注步驟為
(1) 、採用中頻感應爐(容重3噸)冶煉鋼水，在冶煉鋼水末期，分二次加入成渣劑，使其均勻覆蓋在鋼水表面，共計消耗成渣劑按lkg/噸鋼水的比例加
入，成渣劑包含80-85%氧化鈣和10-15%氧化鎂；
(2) 、在鋼水出爐前，在感應爐內一次性添加粒度為30-40mm的矽鐵合金塊，矽鐵合金塊包含15-20%稀土元素、20-30%矽和50_65%金屬鐵，採用機械噴入的方式添加，添加量為O. 1-0. 7公斤/噸鋼水；
(3) 、按成分要求配製複合固體冷卻介質，配製好後，將複合固體冷卻介質在大氣環境下，進行高溫灼燒，灼燒溫度控制在900-1300°C，去除燒結成塊的粘結物；
(4) 、配備可循環利用的液態冷卻介質，該液態冷卻介質的特點為比熱容較大，高溫下不易揮發、不黏結、不腐蝕鑄鋼冷卻水管，不改變鑄鋼冷卻水管的固有成分和機械性能；
(5) 、將用鑄鋼材料製成的U型冷卻水管(其材料為20號鋼)按要求放入澆注模型中，在U型冷卻水管的兩端通過耐高溫的軟管外接高壓水泵，高壓水泵的壓力為5-15Mpa;在鋼水澆注前，預先在冷卻水管內通入循環的液態冷卻介質，其流速範圍為1-10m/s，在鋼水澆注過程中，將複合固體冷卻介質加入到循環的液態冷卻介質中，其加入量為1-10kg/噸鋼水，這樣的澆注工藝可以保證冷卻水管表面微熔；
(6) 、用加入矽鐵合金塊的鑄鋼鋼水澆注鋼磚本體，將冷卻水管的中部澆注在鋼磚本體中，兩端從鋼磚本體上伸出，控制鋼水過熱度在100-120攝氏度範圍；
(7) 、融合二級階梯澆注和傾斜澆注的優勢，即在造型過程中，讓澆注模型橫臥，冒口偏重一側造型，模型合箱後將模型冒口一側墊高，使整體砂箱與地面成10-15度；在澆注過程中採用上下兩層內澆口進行階梯澆注(兩層內澆口
的間隔為10-50cm)，據此控制鑄鋼冷卻壁鋼磚本體的凝固過程，促使其形成順序凝固-,
(8) 、冷卻，卸掉模型，鑄鋼冷卻壁製成。
在本發明中，開發了一種複合固體冷卻介質，複合固體冷卻介質的成分為Cr203: 45-47%， Si02:卜2%， CaO: 0. 5-1%， FeO: 20-30%， MgO: 10—15%; AL203:10-20%;其餘成分是粒度為70-IOO目的碳粉。本發明打破傳統的氣體冷卻模式，避免使用當前不得已而採用的對材料性能不利的內冷鐵塊，實現精確控制吸熱量，保證冷卻水管2外表面不發生重熔和再結晶，解決了冷卻水管2在澆注過程中熔穿和氧化的問題，促使冷卻水管2表面在澆注過程中微熔，並使得冷卻水管2在澆注後與鋼磚本體1緊密結合，維持了冷卻水管2在原有軋制條件下的晶粒形態和結構性能，保持了冷卻水管2原有的良好的軋制性能。並且，可以根據不同的需要，改變複合固體冷卻介質的配比，改變傳熱效率，從而控制冷卻水管2的表面微熔，保證結合效果。
為了增加冷卻水管2的受熱面積，將冷卻水管2的橫截面設為橢圓形。並且經過計算，橢圓形的短軸和長軸的長度之比採用0.5 0.7，受熱面積和傳熱效率處於一個最佳狀態。
冷卻水管2可以採用多根，附圖中顯示的是採用4根，並排地設置在鋼磚本體1中。
本發明將冷卻水管2的材質和鋼磚本體1的基體材質均選定為鑄鋼，並有效避免使用防滲碳塗層及其帶來的一系列問題；在澆注過程中，開發複合固體冷卻介質隨流體通過冷卻水管，保護冷卻水管熔而不化，促使冷卻水管表面微熔；在澆注過程中，採用特殊澆注工藝，控制鑄鋼冷卻壁凝固過程，形成順序凝固的條件；添加特殊的稀土合金元素，細化晶粒，減少元素偏析，穩定安全生產，提高鑄鋼冷卻壁性能。本發明的鑄鋼冷卻壁應用於冶金爐窯的主要原理是將鑄鋼冷卻壁置於冶金高溫爐窯的高溫區域內側，冷卻介質(比如，水)按設計流速從鑄鋼冷卻壁的冷卻水管2的下部埠通過鑄鋼冷卻壁內部，以這種方式，熱量從冶金高溫爐窯內部傳給鑄鋼冷卻壁的鋼磚本體l，冷卻介質再將熱量從鋼磚本體l帶出冶金高溫爐窯，使得冶金爐窯的爐殼免受高溫侵蝕，從而延長冶金爐窯壽命。通過調節冷卻水流量和流速來調節鑄鋼冷卻壁的冷卻性能。
上述實施例不以任何形式限制本發明，凡採用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在本發明的保護範圍內。
權利要求
1、一種鑄鋼冷卻壁的鑄造方法，其特徵在於採用鑄鋼材料澆注鋼磚本體和冷卻水管，包括以下步驟(1)、採用中頻感應爐冶煉鋼水，在冶煉鋼水末期，分二次加入成渣劑，使其均勻覆蓋在鋼水表面；(2)、在鋼水出爐前，在感應爐內一次性添加粒度為30-40mm的矽鐵合金塊，採用機械噴入的方式添加；(3)、配製複合固體冷卻介質，配製好後，將複合固體冷卻介質在大氣環境下，進行高溫灼燒，灼燒溫度控制在900-1300℃，去除燒結成塊的粘結物；(4)、配備可循環利用的液態冷卻介質；(5)、將用鑄鋼材料製成的U型冷卻水管按要求放入澆注模型中，在U型冷卻水管的兩端通過耐高溫的軟管外接高壓水泵，高壓水泵的壓力為5-15Mpa；在鋼水澆注前，預先在冷卻水管內通入循環的液態冷卻介質，在鋼水澆注過程中，將複合固體冷卻介質加入到循環的液態冷卻介質中，以保證冷卻水管表面微熔；(6)、用加入矽鐵合金塊的鑄鋼鋼水澆注鋼磚本體，將冷卻水管的中部澆注在鋼磚本體中，兩端從鋼磚本體上伸出，控制鋼水過熱度在100-120攝氏度範圍；(7)、在造型過程中，讓澆注模型橫臥，冒口偏重一側造型，模型合箱後將模型冒口一側墊高，使整體砂箱與地面成10-15度；在澆注過程中採用上下兩層內澆口進行階梯澆注，兩層內澆口的間隔為10-50cm，據此控制鑄鋼冷卻壁鋼磚本體的凝固過程，促使其形成順序凝固；(8)、冷卻，卸掉模型，鑄鋼冷卻壁製成。
2、 根據權利要求l所述的鑄鋼冷卻壁的鑄造方法，其特徵在於所述的複合 固體冷卻介質為Cr203: 45-470/(!， Si02: 1-2%， CaO: 0.5-1%， FeO: 20-30%， MgO: 10-15%; AL203: 10-20%;其餘成分是粒度為70-IOO目的碳粉。
3、 根據權利要求l所述的鑄鋼冷卻壁的鑄造方法，其特徵在於所述的成渣 劑，其中包括80-85%的氧化鈣和10-15%的氧化鎂。
4、 根據權利要求1或3所述的鑄鋼冷卻壁的鑄造方法，其特徵在於所述的成 渣劑，其加入比例為lkg/噸鋼水。
5、 根據權利要求l所述的鑄鋼冷卻壁的鑄造方法，其特徵在於所述的矽鐵 合金塊，其成分為15-20%稀土元素、20-30%矽、50-65%金屬鐵。
6、 根據權利要求1或5所述的鑄鋼冷卻壁的鑄造方法，其特徵在於所述的矽 鐵合金塊，其添加量O. 1-0. 7kg/噸鋼水。
7、 根據權利要求l所述的鑄鋼冷卻壁的鑄造方法，其特徵在於所述的液態 冷卻介質，其流速為卜IO m/s。
8、 根據權利要求1或7所述的鑄鋼冷卻壁的鑄造方法，其特徵在於所述的復 合固體冷卻介質，其加入量為1-10kg/噸鋼水。
9、 根據權利要求l所述的鑄鋼冷卻壁的鑄造方法，其特徵在於所述的冷卻 水管的橫截面為橢圓形，所述的橢圓形的短軸和長軸的長度之比為O. 5 0. 7。
10、 根據權利要求l所述的鑄鋼冷卻壁的鑄造方法，其特徵在於所述的冷卻 水管為多根。
全文摘要
本發明涉及一種鑄鋼冷卻壁的鑄造方法，採用鑄鋼材料澆注鋼磚本體和冷卻水管，包括在鋼水中添加成渣劑和矽鐵合金塊；將冷卻水管放入澆注模型中，在冷卻水管中通過液態冷態介質和複合固體冷卻介質；用鑄鋼鋼水澆注鋼磚本體，將冷卻水管的中部澆注在鋼磚本體中；在澆築過程中讓澆注模型橫臥，冒口偏重一側造型，模型合箱後將模型冒口一側墊高；採用上下兩層內澆口進行階梯澆注，形成順序凝固；冷卻，卸掉模型。本發明可有效避免冷卻水管在鑄造過程中熔穿；避免鋼磚本體和冷卻水管間產生氣隙；避免發生重熔和再結晶，精確實現冷卻水管外表面的微熔，延長冷卻壁壽命進而延長冶金高溫窯爐的壽命，節約生產成本，提高鋼磚本體的冷卻效果和機械性能。
文檔編號F27D1/12GK101634523SQ200910027368
公開日2010年1月27日 申請日期2009年5月31日 優先權日2009年5月31日
發明者樊旭初, 潘宏偉, 程樹森 申請人:江蘇聯興成套設備製造有限公司