CN101634520B - 铸钢冷却板的铸造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铸钢冷却板的铸造方法,采用铸钢材料浇注冷却板基体和冷却水管,包括:在钢水中添加成渣剂和硅铁合金块;将冷却水管放入浇注模型中,冷却水管上套上管套,冷却水管中通过液态冷态介质和复合固体冷却介质;用铸钢钢水浇注冷却板基体,冷却水管的中部浇注在冷却板基体中;浇筑过程中模型横卧,冒口偏重一侧造型,合箱后将冒口一侧垫高;采用上下两层内浇口进行阶梯浇注,形成顺序凝固;冷却,卸掉模型。本发明可有效避免冷却水管在铸造过程中熔穿;避免基体和冷却水管间产生气隙;避免发生重熔和再结晶,精确实现冷却水管外表面的微熔,延长冷却板寿命进而延长冶金高温窑炉的寿命,节约生产成本,提高铸钢冷却板的冷却效果和机械性能。

Description

铸钢冷却板的铸造方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种冶金高温炉窑,具体讲是涉及一种用于冶金高温炉窑的铸钢冷却 板的铸造方法,属于冶金炼铁技术领域。
背景技术
[0002] 冷却板是为冶金高温炉窑提供冷却的设备,能够保护冶金高温炉窑免受炉体内高 温流体的侵蚀和机械磨损,延长冶金高温炉窑寿命,保证其安全稳定生产。冷却设备一旦出 现问题,冶金高温窑炉必须全面停产检修,将会带来重大经济损失。所以,冷却板的寿命和 性能决定冶金高温炉窑的寿命,是冶金高温炉窑长寿高效、节能的重要保证。
[0003] 当前国内外冶金工业普遍采用的冷却板材质以铸铁和轧制纯铜为主,但是,铸铁 或轧制纯铜冷却板存在诸多不足。以使用最广泛的球墨铸铁冷却板为例,其存在以下不足: (1)球墨铸铁冷却板必须在冷却通道外附加防渗碳涂层,使通道与基体之间形成气隙,而气 隙使得冷却板传热阻力显著增加,恶化冷却板的传热效果,增加冷却板工作面温度,加速冷 却板的破损;(2)球墨铸铁基体上布满了大小不同的球状石墨(粒径0.025〜0. 150mm), 球状石墨被氧化后相当于形成了无数微小的孔洞,构成了发生裂缝和裂纹的发源地,加速 了裂缝和裂纹的扩展,从而导致冷却板使用寿命变短,增加资源消耗,不利于冷却板长寿、 节能;(3)在浇铸大型球墨铸件时,C、S、P在柱状结晶过程中容易被推向液态区,在中心 等轴晶区形成一个偏析物富集区,使铸件表面和中心的延伸率存在较大差异,表面延伸率 大于中心部位一倍以上,促进了球墨铸铁裂缝或裂纹的产生和扩展,不利于冷却板长寿;
[4]球墨铸铁的线膨胀系数在600°C以下变化较平稳,但在600°C以上则随温度的升高而 发生急剧的不可逆“生长”,当温度大于709°C时基体组织发生了相变,膨胀系数和内应力 急剧增长,其破损速度加快;(5)球墨铸铁导热性和抗热震性能都较差,其导热系数仅为 30w · m_2 · Γ1,不利于冷却板的高效冷却。
[0004] 而纯铜轧制冷却板虽然导热性能好,但对基体材料要求苛刻,生产工艺复杂,价格 昂贵。在实际应用中,当纯铜轧制冷却板热面渣皮剥落后,冶金炉窑的大量热量被冷却板迅 速带走,存在冻结冶金高温炉窑熔池的可能;并且其热面温度超过200°C后,基体材料的抗 拉强度迅速下降。
[0005] 由于铸钢材料的特殊性和浇注工艺的难度,因此国外对铸钢冷却板在冶金工业的 应用问题研究较少,其研究成果较少见诸报导。但是,由于国内冶金工业对冷却板需求很 大,并且基于铸钢材料的优越性,对铸钢冷却板进行了初步研究。
[0006] 国内个别企业对铸钢冷却板的生产进行了实践,但结果差强人意。主要原因包含 五个方面,第一,在浇注冷却板过程中,冷却水管极易被高温钢水熔穿,废品率高;第二,在 浇注过程中,在冷却水管外表面焊接大量冷铁,冷铁在浇筑过程中熔化不完全,破坏冷却水 管和冷却板基体的整体机械性能,并促使气隙产生,严重恶化冷却板传热性能;第三,在浇 注过程中,冷却水管内部易发生氧化,产品质量大大降低;第四,钢水洁净化技术在铸钢冷 却板一次浇注成型过程中缺乏系统研究,产品性能不稳定;第五,冶金工业的冷却板属于厚大铸件,而厚大铸件的气孔、疏松、偏析等质量缺陷在铸造行业一直尚未完全解决。另外,针 对铸钢冷却板的热处理工艺缺乏系统研究,尚未提出热处理规范。因此,铸钢冷却板成品率 很低,性能不佳,寿命也不长。
[0007] 目前,有些文献从理论上对铸钢冷却板及其类似的冷却器进行了研究,主要侧重 于传热分析、建立数学模型优化设计,对铸钢冷却板发展起到了积极的推动作用。但铸钢 冷却板的实际生产过程中存在的问题涉及到诸多方面,其应用和推广需要综合考虑各个方 面:建立数学模型进行传热学计算,基体材料的选择,设计参数的选择,钢水洁净化冶炼,铸 钢冷却凝固控制,铸钢冷却板热处理,性能检测和评估等。单纯从某一个角度考虑并不能很 好的解决问题,需要交叉多学科的基本原理进行系统研究。由于上述限制,目前对于铸钢在 冷却板上的应用还是不能达到工业应用的要求。
发明内容
[0008] 为了克服现有技术存在的问题,本发明的目的在于提供一种利用新的铸钢基体材 料取代传统的铸铁材料,采用新的制造工艺克服气隙热阻的产生,打破传统的气体冷却模 式,避免使用当前不得已而采用的内冷铁块,实现精确控制吸热量,保证冷却水管不发生重 熔和再结晶,促使冷却水管外表面在浇注过程中微熔,并使得冷却水管在浇注后与基体紧 密结合;优化控制铸钢冷却板的铸造工艺,有效减少元素偏析;通过添加特殊合金和优化 热处理工艺提高铸钢冷却板性能的铸钢冷却板的铸造方法。
[0009] 为达到上述目的,本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0010] 一种铸钢冷却板的铸造方法,其特征在于采用铸钢材料浇注冷却板基体和冷却水 管,包括以下步骤:
[0011] (1)、采用中频感应炉(容重3吨)冶炼钢水,在冶炼钢水末期,分二次加入成渣 剂,使其均勻覆盖在钢水表面;
[0012] (2)、在钢水出炉前,在感应炉内一次性添加粒度为30_40mm的硅铁合金块,采用 机械喷入的方式添加;
[0013] (3)、配制复合固体冷却介质,配制好后,将复合固体冷却介质在大气环境下,进行 高温灼烧,灼烧温度控制在900-1300°C,去除烧结成块的粘结物;
[0014] (4)、配备可循环利用的液态冷却介质,该液态冷却介质的特点为:比热容较大, 高温下不易挥发、不黏结、不腐蚀铸钢冷却水管,不改变铸钢冷却水管的固有成分和机械性 能;
[0015] (5)、将用铸钢材料制成的U型冷却水管(其材料为20号钢)按要求放入浇注模 型中,在冷却水管上套上管套,在U型冷却水管的两端通过耐高温的软管外接高压水泵,高 压水泵的压力为5-15Mpa ;在钢水浇注前,预先在冷却水管内通入循环的液态冷却介质,在 钢水浇注过程中,将复合固体冷却介质加入到循环的液态冷却介质中,这样的浇注工艺可 以保证冷却水管表面微熔;
[0016] (6)、用加入硅铁合金块的铸钢钢水浇注冷却板基体,将冷却水管的中部浇注在 冷却板基体中,与冷却板基体紧密贴合,两端从冷却板基体上伸出,控制钢水过热度在 100-120摄氏度范围;
[0017] (7)、融合二级阶梯浇注和倾斜浇注的优势,即在造型过程中,让浇注模型横卧,冒口偏重一侧造型,模型合箱后将模型冒口一侧垫高,使整体砂箱与地面成10-15度;在浇注 过程中采用上下两层内浇口进行阶梯浇注(两层内浇口的间隔为10-50cm),据此控制铸钢 冷却板基体的凝固过程,促使其形成顺序凝固;
[0018] (8)、冷却,卸掉模型,铸钢冷却板制成。
[0019] 前述的铸钢冷却板的铸造方法,其特征在于所述的复合固体冷却介质为Cr203 : 45-47%, Si02 : 1-2%, CaO :0. 5-1%, FeO :20-30%, MgO : 10-15% ;AL203 : 10-20% ;其余成 分是粒度为70-100目的碳粉。
[0020] 前述的铸钢冷却壁的铸造方法,其特征在于所述的成渣剂,其中包括80-85%的氧 化钙和10-15%的氧化镁。
[0021] 前述的铸钢冷却板的铸造方法,其特征在于所述的成渣剂,其加入比例为Ikg/吨 钢水。
[0022] 前述的铸钢冷却板的铸造方法,其特征在于所述的硅铁合金块,其成分为15-20% 稀土元素、20-30%硅、50-65%金属铁。
[0023] 前述的铸钢冷却板的铸造方法,其特征在于所述的硅铁合金块,其添加量 0. 1-0. 7kg/ 吨钢水。
[0024] 前述的铸钢冷却板的铸造方法,其特征在于所述的液态冷却介质,其流速为 l-10m/s ;所述的复合固体冷却介质,其加入量为:l_10kg/吨钢水。
[0025] 前述的铸钢冷却板的铸造方法,其特征在于所述的冷却水管的横截面为椭圆形, 所述的椭圆形的短轴和长轴的长度之比为0. 5〜0. 7。
[0026] 前述的铸钢冷却板的铸造方法,其特征在于所述的冷却水管为多根,在铸造过程 中只发生表面微熔,基本不发生重熔和再结晶,保持着冷却水管原有的良好轧制性能。
[0027] 前述的冷却水管与冷却板基体接触部位的外表面上套有管套,用于保护冷却水管。
[0028] 本发明的有益效果是:采用本发明的铸造方法铸造铸钢冷却板,可以有效避免冷 却水管在铸造过程中熔穿;避免冷却板基体和冷却水管间产生气隙;避免冷却水管在铸造 过程中发生重熔和再结晶,破坏冷却水管原有的轧制性能;精确实现冷却水管外表面的微 熔,解决了冷却水管在浇注过程中熔穿和内表面氧化问题,延长冷却板寿命进而延长冶金 高温窑炉的寿命,节约生产成本;使得冷却水管与冷却板基体紧密结合,提高冷却板基体的 冷却效果;控制凝固方式,实现顺序凝固,提高铸钢冷却板的机械性能。
附图说明
[0029] 图1是本发明的铸钢冷却板的结构示意图;
[0030] 图2是本发明的铸钢冷却板的俯视剖视图。
[0031] 图中主要附图标记含义:
[0032] 1、冷却板基体 2、冷却水管 3、管套
具体实施方式
[0033] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0034] 本发明的铸钢冷却板的铸造方法,将冷却水管的材质选定为铸钢,同时采用铸钢材料浇注钢砖本体,具体浇注步骤为:
[0035] (1)、采用中频感应炉(容重3吨)冶炼钢水,在冶炼钢水末期,分二次加入成渣 剂,使其均勻覆盖在钢水表面,共计消耗成渣剂按Ikg/吨钢水的比例加入,成渣剂包含 80-85%氧化钙和10-15%氧化镁;
[0036] (2)、在钢水出炉前,在感应炉内一次性添加粒度为30_40mm的硅铁合金块,硅铁 合金块包含15-20%稀土元素、20-30%硅和50-65%金属铁,采用机械喷入的方式添加,添 加量为0. 1-0. 7公斤/吨钢水;
[0037] (3)、配制复合固体冷却介质,配制好后,将复合固体冷却介质在大气环境下,进行 高温灼烧,灼烧温度控制在900-1300°C,去除烧结成块的粘结物;
[0038] (4)、配备可循环利用的液态冷却介质,该液态冷却介质的特点为:比热容较大, 高温下不易挥发、不黏结、不腐蚀铸钢冷却水管,不改变铸钢冷却水管的固有成分和机械性 能;
[0039] (5)、将用铸钢材料制成的U型冷却水管2 (其材料为20号钢)按要求放入浇注模 型中,在冷却水管2上套上管套3,在U型冷却水管的两端通过耐高温的软管外接高压水泵, 高压水泵的压力为5-15Mpa ;在钢水浇注前,预先在冷却水管2内通入循环的液态冷却介 质,其流速范围为:l-10m/s,在钢水浇注过程中,将复合固体冷却介质加入到循环的液态冷 却介质中,其加入量为:l_10kg/吨钢水,这样的浇注工艺可以保证冷却水管2表面微熔;
[0040] (6)、用加入硅铁合金块的铸钢钢水浇注冷却板基体1,将冷却水管2的中部浇注 在冷却板基体1中,与冷却板基体1紧密贴合,两端从冷却板基体1上伸出,控制钢水过热 度在100-120摄氏度范围;
[0041] (7)、融合二级阶梯浇注和倾斜浇注的优势,即在造型过程中,让浇注模型横卧,冒 口偏重一侧造型,模型合箱后将模型冒口一侧垫高,使整体砂箱与地面成10-15度;在浇注 过程中采用上下两层内浇口进行阶梯浇注(两层内浇口的间隔为10-50cm),据此控制铸钢 冷却板基体1的凝固过程,促使其形成顺序凝固;
[0042] (8)、冷却,卸掉模型,铸钢冷却板制成。
[0043] 在本发明中,开发了一种复合固体冷却介质,复合固体冷却介质的成分为Cr203 : 45-47%,Si02 :1~2%, CaO :0. 5-1 %,FeO :20_30%, MgO : 10-15% ;AL203 : 10-20% ;其余成 分是粒度为70-100目的碳粉。本发明打破传统的气体冷却模式,避免使用当前不得已而采 用的对材料性能不利的内冷铁块,实现精确控制吸热量,保证冷却水管2外表面不发生重 熔和再结晶,解决了冷却水管2在浇注过程中熔穿和氧化的问题,促使冷却水管2表面在浇 注过程中微熔,并使得冷却水管2在浇注后与冷却板基体1紧密结合,维持了冷却水管2在 原有轧制条件下的晶粒形态和结构性能,保持了冷却水管2原有的良好的轧制性能。并且, 可以根据不同的需要,改变复合固体冷却介质的配比,改变传热效率,从而控制冷却水管2 的表面微熔,保证结合效果。
[0044] 为了增加冷却水管2的受热面积,将冷却水管2的横截面设为椭圆形。并且经过 计算,椭圆形的短轴和长轴的长度之比采用0. 5〜0. 7,受热面积和传热效率处于一个最佳 状态。在冷却水管2与冷却板基体1的接触部位的外表面上套有管套3,用于保护冷却水管。
[0045] 冷却水管2可以采用多根,附图中显示的是采用1根,并排地设置在冷却板基体1中。
[0046] 本发明将冷却水管2的材质和冷却板基体1的基体材质均选定为铸钢,并有效避 免使用防渗碳涂层及其带来的一系列问题;在浇注过程中,开发复合固体冷却介质随流体 通过冷却水管,保护冷却水管熔而不化,促使冷却水管表面微熔;在浇注过程中,采用特殊 浇注工艺,控制铸钢冷却板基体凝固过程,形成顺序凝固的条件;添加特殊的成渣剂和硅铁 合金块,细化晶粒,减少元素偏析,稳定安全生产,提高铸钢冷却板的性能。
[0047] 本发明的铸钢冷却板应用于冶金炉窑的主要原理是:将铸钢冷却板置于冶金高温 炉窑的高温区域内侧,冷却介质(比如,水)按设计流速从铸钢冷却板的冷却水管2的下部 端口通过铸钢冷却板内部,以这种方式,热量从冶金高温炉窑内部传给铸钢冷却板的冷却 板基体1,冷却介质再将热量从冷却板基体1带出冶金高温炉窑,使得冶金炉窑的炉壳免受 高温侵蚀,从而延长冶金炉窑寿命。通过调节冷却水流量和流速来调节铸钢冷却板的冷却 性能。
[0048] 上述实施例不以任何形式限制本发明,凡采用等同替换或等效变换的方式所获得 的技术方案,均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1. 一种铸钢冷却板的铸造方法,其特征在于采用铸钢材料浇注冷却板基体和冷却水 管,包括以下步骤:(1)、采用容重3吨的中频感应炉冶炼钢水,在冶炼钢水末期,分二次加入成渣剂,使其 均勻覆盖在钢水表面;(2)、在钢水出炉前,在感应炉内一次性添加粒度为30-40mm的硅铁合金块,采用机械 喷入的方式添加;(3)、配制复合固体冷却介质,配制好后,将复合固体冷却介质在大气环境下,进行高温 灼烧,灼烧温度控制在900-1300°C,去除烧结成块的粘结物;所述的复合固体冷却介质为 Cr203 :45-47%,Si02 :1~2%, CaO :0. 5-1 %,FeO :20_30%, MgO : 10-15% ;AL203 : 10-20% ; 其余成分是粒度为70-100目的碳粉;(4)、配备可循环利用的液态冷却介质,该液态冷却介质的特点为:比热容较大,高温下 不易挥发、不黏结、不腐蚀铸钢冷却水管,不改变铸钢冷却水管的固有成分和机械性能;(5)、将用20号钢制作成的U型冷却水管按要求放入浇注模型中,在冷却水管上套上管 套,在U型冷却水管的两端通过耐高温的软管外接高压水泵,高压水泵的压力为5-15Mpa ; 在钢水浇注前,预先在冷却水管内通入循环的液态冷却介质,在钢水浇注过程中,将复合固 体冷却介质加入到循环的液态冷却介质中,这样的浇注工艺可以保证冷却水管表面微熔;(6)、用加入硅铁合金块的铸钢钢水浇注冷却板基体,将冷却水管的中部浇注在冷却板 基体中,与冷却板基体紧密贴合,两端从冷却板基体上伸出,控制钢水过热度在100-120摄 氏度范围;(7)、融合二级阶梯浇注和倾斜浇注的优势,即在造型过程中,让浇注模型横卧,冒口偏 重一侧造型,模型合箱后将模型冒口一侧垫高,使整体砂箱与地面成10-15度;在浇注过程 中采用两层内浇口的间隔为10-50cm的上下两层内浇口进行阶梯浇注,据此控制铸钢冷却 板基体的凝固过程,促使其形成顺序凝固;(8)、冷却,卸掉模型,铸钢冷却板制成。
2.根据权利要求1所述的铸钢冷却板的铸造方法,其特征在于所述的成渣剂,其中包 括80-85%的氧化钙和10-15%的氧化镁。
3.根据权利要求1或2所述的铸钢冷却板的铸造方法,其特征在于所述的成渣剂,其加 入比例为Ikg/吨钢水。
4.根据权利要求1所述的铸钢冷却板的铸造方法,其特征在于所述的硅铁合金块,其 成分为15-20%稀土元素、20-30%硅、50-65%金属铁。
5.根据权利要求1或4所述的铸钢冷却板的铸造方法,其特征在于所述的硅铁合金块, 其添加量0. 1-0. 7kg/吨钢水。
6.根据权利要求1所述的铸钢冷却板的铸造方法,其特征在于所述的液态冷却介质, 其流速为1-lOm/s ;所述的复合固体冷却介质,其加入量为:l_10kg/吨钢水。
7.根据权利要求1所述的铸钢冷却板的铸造方法,其特征在于所述的冷却水管的横截 面为椭圆形,所述的椭圆形的短轴和长轴的长度之比为0. 5〜0. 7。
8.根据权利要求1所述的铸钢冷却板的铸造方法,其特征在于所述的冷却水管为多 根,在铸造过程中只发生表面微熔,基本不发生重熔和再结晶,保持着冷却水管原有的良好轧制性能。
9.根据权利要求1所述的铸钢冷却板的铸造方法,其特征在于所述的冷却水管与冷却 板基体接触部位的外表面上套有管套,用于保护冷却水管。
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