CN101634523B - 铸钢冷却壁的铸造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铸钢冷却壁的铸造方法，采用铸钢材料浇注钢砖本体和冷却水管，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，在冷却水管中通过液态冷态介质和复合固体冷却介质；用铸钢钢水浇注钢砖本体，将冷却水管的中部浇注在钢砖本体中；在浇筑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；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；避免钢砖本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，延长冷却壁寿命进而延长冶金高温窑炉的寿命，节约生产成本，提高钢砖本体的冷却效果和机械性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种冶金高温炉窑，具体讲是涉及一种冶金高温炉窑的铸钢冷却壁的铸造方法，属于冶金炼铁技术领域。
背景技术
冷却壁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，冷却壁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。
当前国内外冶金工业普遍采用的冷却壁材质以铸铁和轧制纯铜为主，但是，铸铁或轧制纯铜冷却壁存在诸多不足。以使用最广泛的球墨铸铁冷却壁为例，其存在以下不足：(1)球墨铸铁冷却壁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，而气隙使得冷却壁传热阻力显著增加，恶化冷却壁的传热效果，增加冷却壁工作面温度，加速冷却壁的破损；(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，从而导致冷却壁使用寿命变短，增加资源消耗，不利于冷却壁长寿、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，不利于冷却壁长寿；(4)球墨铸铁的线膨胀系数在600℃以下变化较平稳，但在600℃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℃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·K-1，不利于冷却壁的高效冷却。
而纯铜轧制冷却壁虽然导热性能好，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，当纯铜轧制冷却壁热面渣皮剥落后，冶金炉窑的大量热量被冷却壁迅速带走，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℃后，基体材料的抗拉强度迅速下降。
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壁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壁需求很大，并且基于铸钢材料的优越性，对铸钢冷却壁进行了初步研究。
国内个别企业对铸钢冷却壁的生产进行了实践，但结果差强人意。主要原因包含五个方面，第一，在浇注冷却壁过程中，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壁基体的整体机械性能，并促使气隙产生，严重恶化冷却壁传热性能；第三，在浇注过程中，冷却通道内部易发生氧化，产品质量大大降低；第四，钢水洁净化技术在铸钢冷却壁一次浇注成型过程中缺乏系统研究，产品性能不稳定；第五，冶金工业的冷却壁属于厚大铸件，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，针对铸钢冷却壁的热处理工艺缺乏系统研究，尚未提出热处理规范。因此，铸钢冷却壁成品率很低，性能不佳，寿命也不长。
目前，有些文献从理论上对铸钢冷却壁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，对铸钢冷却壁发展起到了积极的推动作用。但铸钢冷却壁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，铸钢冷却壁热处理，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壁上的应用还是不能达到工业应用的要求。
发明内容
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；优化控制铸钢冷却壁的铸造工艺，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壁性能的铸钢冷却壁的铸造方法。
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：
一种铸钢冷却壁的铸造方法，其特征在于采用铸钢材料浇注钢砖本体和冷却水管，包括以下步骤：
(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，使其均匀覆盖在钢水表面；
(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℃，去除烧结成块的粘结物；
(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钢砖本体，将冷却水管的中部浇注在钢砖本体中，两端从钢砖本体上伸出，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)，据此控制铸钢冷却壁钢砖本体的凝固过程，促使其形成顺序凝固；
(8)、冷却，卸掉模型，铸钢冷却壁制成。
前述的铸钢冷却壁的铸造方法，其特征在于所述的复合固体冷却介质为Cr2O3：45-47％，SiO2：1-2％，CaO：0.5-1％，FeO：20-30％，MgO：10-15％；AL2O3：10-20％；其余成分是粒度为70-100目的碳粉。
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。
前述的铸钢冷却壁的铸造方法，其特征在于所述的成渣剂，其加入比例为1kg/吨钢水。
前述的铸钢冷却壁的铸造方法，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。
前述的铸钢冷却壁的铸造方法，其特征在于所述的硅铁合金块，其添加量0.1-0.7kg/吨钢水。
前述的铸钢冷却壁的铸造方法，其特征在于所述的液态冷却介质，其流速为1-10m/s。
前述的铸钢冷却壁的铸造方法，其特征在于所述的复合固体冷却介质，其加入量为：1-10kg/吨钢水。
前述的铸钢冷却壁的铸造方法，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。
前述的铸钢冷却壁的铸造方法，其特征在于所述的冷却水管为多根。
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壁，可以有效避免冷却水管在铸造过程中熔穿；避免冷却壁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，延长冷却壁寿命进而延长冶金高温窑炉的寿命，节约生产成本；使得冷却水管与钢砖本体紧密结合，提高钢砖本体的冷却效果；控制凝固方式，实现顺序凝固，提高铸钢冷却壁的机械性能。
附图说明
图1是本发明的铸钢冷却壁的结构示意图；
图2是图1的A向视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的铸钢冷却壁的铸造方法，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：
(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，使其均匀覆盖在钢水表面，共计消耗成渣剂按1kg/吨钢水的比例加入，成渣剂包含80-85％氧化钙和10-15％氧化镁；
(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；
(3)、按成分要求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℃，去除烧结成块的粘结物；
(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，其流速范围为：1-10m/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：1-10kg/吨钢水，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钢砖本体，将冷却水管的中部浇注在钢砖本体中，两端从钢砖本体上伸出，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)，据此控制铸钢冷却壁钢砖本体的凝固过程，促使其形成顺序凝固；
(8)、冷却，卸掉模型，铸钢冷却壁制成。
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Cr2O3：45-47％，SiO2：1-2％，CaO：0.5-1％，FeO：20-30％，MgO：10-15％；AL2O3：10-20％；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在浇注后与钢砖本体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。
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。
冷却水管2可以采用多根，附图中显示的是采用4根，并排地设置在钢砖本体1中。
本发明将冷却水管2的材质和钢砖本体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，控制铸钢冷却壁凝固过程，形成顺序凝固的条件；添加特殊的稀土合金元素，细化晶粒，减少元素偏析，稳定安全生产，提高铸钢冷却壁性能。
本发明的铸钢冷却壁应用于冶金炉窑的主要原理是：将铸钢冷却壁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壁的冷却水管2的下部端口通过铸钢冷却壁内部，以这种方式，热量从冶金高温炉窑内部传给铸钢冷却壁的钢砖本体1，冷却介质再将热量从钢砖本体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壁的冷却性能。
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)
1.一种铸钢冷却壁的铸造方法，其特征在于采用铸钢材料浇注钢砖本体和冷却水管，包括以下步骤：
(1)、采用中频感应炉冶炼钢水，在冶炼钢水末期，分二次加入成渣剂，使其均匀覆盖在钢水表面；
(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℃，去除烧结成块的粘结物；所述的复合固体冷却介质为Cr2O3：45-47％，SiO2：1-2％，CaO：0.5-1％，FeO：20-30％，MgO：10-15％；AL2O3：10-20％；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；
(5)、将用铸钢材料制成的U型冷却水管按要求放入浇注模型中，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，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钢砖本体，将冷却水管的中部浇注在钢砖本体中，两端从钢砖本体上伸出，控制钢水过热度在100-120摄氏度范围；
(7)、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，据此控制铸钢冷却壁钢砖本体的凝固过程，促使其形成顺序凝固；
(8)、冷却，卸掉模型，铸钢冷却壁制成。
2.根据权利要求1所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。
3.根据权利要求1或2所述的铸钢冷却壁的铸造方法，其特征在于所述的成渣剂，其加入比例为1kg/吨钢水。
4.根据权利要求1所述的铸钢冷却壁的铸造方法，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所述的铸钢冷却壁的铸造方法，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所述的铸钢冷却壁的铸造方法，其特征在于所述的液态冷却介质，其流速为1-10m/s。
7.根据权利要求1或6所述的铸钢冷却壁的铸造方法，其特征在于所述的复合固体冷却介质，其加入量为：1-10kg/吨钢水。
8.根据权利要求1所述的铸钢冷却壁的铸造方法，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。
9.根据权利要求1所述的铸钢冷却壁的铸造方法，其特征在于所述的冷却水管为多根。
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