CN102021257B - 一种厚大断面高延伸率球墨铸铁冷却壁的铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及炼钢炼铁技术领域，具体涉及一种厚大断面高延伸率球墨铸铁冷却壁的铸造方法。本发明优选低钛、低硫球生铁、纯净废钢等纯净原材料，用工艺控制球化衰退，特征是优化设计了化学成分，制定了厚大断面高延伸率球墨铸铁的成分规范，其还采用定向导流装置球化处理工艺、球化前预孕育及多次强化孕育工艺、退移芯棒冷却水管弯管工艺、冷却水管除锈防渗碳防铸熔工艺、内置惰性气体冷却工艺、冷却水管的定位及铸造工艺。本发明工艺简单，生产成本远低于铸铜、铸钢材质制造的高炉冷却壁，经济效益显著，还大幅延长大型高炉寿命，高炉生产过程更加稳定顺畅，实现了延长大修期和降低检修成本的双重目的。

Description

一种厚大断面高延伸率球墨铸铁冷却壁的铸造方法

技术领域：

本发明涉及炼钢炼铁技术领域，具体涉及一种断面厚大于200mm、延伸率δ≥24%球墨铸铁材料以及生产断面厚大于200mm、高延伸率δ≥24%铁素体球墨铸铁高炉冷却壁的铸造方法,即一种厚大断面高延伸率球墨铸铁冷却壁的铸造方法。

背景技术：

随着我国钢铁工业日益迅猛发展，近十多年来，炼铁设备坚持走高炉大型化、集约节能化、自动化发展的道路。高炉长寿是现代高炉追求的目标，高炉长寿就意味着经济效益的提高，从对国内大型高炉调查来看，高炉冷却壁使用寿命低，是造成高炉一代炉役偏低的一个重要原因。

目前，大型高炉冷却壁，一般采用铸铜、铸钢、铁素体球墨铸铁材质制造。但铸铜高炉冷却壁成本投资太高、不经济，且高炉一旦出现停水等故障极易损坏；铸钢高炉冷却壁虽然有较好的使用性能，但因铸钢高炉冷却壁在制造中因冷却壁本体与内置冷却水管材质趋近一致，其浇注温度过高极易损坏冷却壁内置冷却水管，生产技术难度大，推广应用受到限制；厚壁铁素体球墨铸铁延伸率较低，尤其是心部延伸率更低，生产厚大断面球铁冷却壁的技术关键，是球化铁水经过长时间的液态保持，其在凝固过程中的抗球化衰退问题，以及冷却水管的防渗碳问题。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种大幅度提高厚壁铁素体球墨铸铁延伸率，同时确保水管与本体之间既有紧密的贴合（间隙≤0.2m），又可轻微敲击后易取出，管子表面无渗碳层，从而实现适用于生产冷却能力强、具有良好的高温强度、高温抗变形能力、抗热疲劳及抗氧化生长、耐热冲击及在循环应力作用下不产生裂纹等综合性能，符合大型高炉长寿要求的厚壁冷却壁的一种铸造方法，以适应大型高炉向低成本、集约节能化、长寿命的发展方向要求。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明优选低钛、低硫球生铁、纯净废钢等纯净原材料，采取工艺措施控制球化衰退，其特征在于：优化设计了化学成分，制定了厚大断面高延伸率球墨铸铁的成分规范：碳：3.6～3.9％、硅：2.0～2.2％、锰：0.1～0.2％、硫≤0.02％、磷≤0.05％、锑≤0.002％、残余镁：0.04～0.06％、残余稀土：0.03～0.05% ，铬 ≤0.05%、钛≤0.04%，其铸造方法包括有定向导流球化处理工艺、球化前预孕育及多次强化孕育处理工艺、退移芯棒冷却水管弯管工艺、冷却水管除锈防渗碳防铸熔工艺、内置惰性气体冷却工艺、冷却水管的定位及铸造工艺；

所述的定向导流球化处理工艺，即在球化处理包上部设置一个具有定向导流功能的装置，导流口向下延伸200mm，保证铁水注入位置的准确性，该工艺球化反应稳定，Mg吸收率高，球化效果好，同时大大改善了劳动环境；

所述的球化前预孕育及多次强化孕育工艺，铁水球化前进行预孕育处理，孕育剂加入量0.4%，细化石墨球和共晶团，稳定提高球铁机械性能。

所述的退移芯棒冷却水管弯管工艺，采用专用液压弯管机、自行设计成型退移芯棒进行弯制，对其弯制的水管进行着色探伤没有裂纹、伤痕、凹扁、起皮等缺陷，内置冷却水管通球率≥84%、弯曲部位椭圆度≤17%，弯曲部位壁厚减少率≤20%。通过规范涂刷高温防渗碳涂料，同时确保水管与壁本体之间既有紧密的贴合（间隙≤0.2m），又可轻微敲击后易取出，管子表面无渗碳层；

所述的内置惰性气体冷却工艺是通过对内置冷却水管通入惰性气体冷却工艺，促使厚壁冷却壁芯部迅速结晶冷却，即在同一冷却壁的四根冷却水管两端设计连接丝冒，丝冒顶端焊接一进出通气管，冷却壁在浇注前五分钟开始适量通入惰性气体，通气贯穿浇注过程，浇注完毕后持续通气35分钟。 

进一步，所述的冷却水管防渗碳工艺，在冷却水管1350℃左右铸入冷却壁，会与冷却壁本体铸接成一体。水管铸入前喷砂除锈—烘干—涂刷高温防渗碳涂料—烘干—再次涂刷高温防渗碳涂料。烘干温度200℃以下，不宜过高，否则涂料易起泡疏松剥落，涂料层应薄厚均匀，过薄达不到目的，过厚易在调温 浇注过程中剥落，最佳厚度应为0.2mm左右。 

进一步，所述的定向导流球化处理工艺：

第一步、使用专用5吨球化处理包，加料前将浇包用煤气烘至暗红色，球化剂、孕育剂均经预热，预热温度150～250℃。采用定向导流装置球化处理，放置球化剂一侧面积占包底2/5，深度应容纳添加的球化剂、孕育剂和覆盖剂；

第二步、加料顺序：球化剂（块度10～25mm），先加入凹坑，并舂实，再加入1.0%75#硅铁，摊平舂实，后加入专用覆盖剂覆盖，摊平舂实；

第三步、球铁包上沿应修平整，每次扒渣后要清理包沿的余渣；

第四步、在按加料顺序加入料后，将包盖座在5吨球铁包上，注意包盖导流口需对准球化剂等料的另外一侧凹槽；

第五步、出铁温度控制在1430℃-1460℃，不可过高，出铁时，铁水流至中间包盖内，并立即测出出铁槽内铁水温度及准确计量铁水。

进一步，所述的冷却水管的定位及铸造工艺：

大型高炉冷却壁结构复杂，尺寸为1765×900×487mm，单件重量约3000Kg，内部铸入四根冷却水管，八个管头，八个套管（其中四个带丝套管）；             

第一、砂箱设计及冷却水管的定位：

经对该铸件进行工艺分析，冷却壁造型需采用用三箱造型，底箱为242mm 处以上平面部分，中箱为245mm两头部及把料钩部分；上箱在两端头，主要成型脐子和进出水管部分，一方面起定位作用，另一方面确保浇注过程中有足够压力头，砂箱设计尺寸均按工艺标准中包容吃砂量及浇冒口系统设计。砂箱设计中，要确保进出水管，套管的中心距及与本体之间相对位置尺寸精度是个关键环节。按GB/T6414-1999标准规定，球墨铸铁的公差等级为GT12级，该铸件最大尺寸为1765mm，公差应为±7.5mm，而图纸设计要求水管中心距公差±3mm，如果超出设计公差范围，将会给安装带来困难。为确保关键尺寸精度，我们设计上箱专用水管定位装置：在上箱中心处平焊200×1136×30钢板，按套管中心距分别铣出大于φ121、φ108、φ100套管尺寸1mm八个圆孔，倾角与冷却壁沿炉体倾角相同，另沿上箱侧端相对应设置八套螺栓坚固装置；其作用：一是使冷却水管及型芯之间无任何芯撑、卡子，保证铸件表面光洁度，二是确保铸件进出水管的相对位置和尺寸精度；

第二、造型方法：

上、中、下箱均采用自硬树脂砂工艺造型，针对冷却壁的特殊结构，为防止冷却壁两端头部因树脂砂型钢性较大，易对型腔造成损害，以及冷却水管悬吊的特殊要求，采取树脂砂和消失模失模相结合的工艺，即消失模完全开式头部尺寸及进出水管位置的空腔部分，模型、消失模，拨料钩，冷却水管四位一体，同时操作，即简化了操作工序，又大大减少了分型制作所带来的尺寸累积误差。针对铁素体基体球墨铸铁的收缩率，选择模型、消失模的收缩率选为1.2%；

第三、合理开设浇冒口系统：

针对该冷却壁的特殊结构，为防止出现因局部过热造成的厚大部位抗球化衰退能力减弱，同时防止熔穿水管，球铁冷却壁用全封闭式浇注系统，即浇注系截面积比例F_内：F_横：F_直=1：1.2：1.5。为避免内浇口直接冲刷水管，内浇道必须开设在下箱冷却壁端部两侧，采用阶梯内浇口，内浇口不得冲击冷却水管和芯子。宽度不得超过30mm，倾斜浇注，浇注倾角8~10；

第四、冒口设置：

该铸件属大断面球墨铸件，其共晶膨胀力大。树脂砂工艺型腔其刚性强度较高，我们在刚性铸型；严格控制铁液成分、浇注温度、浇口尺寸的情况下，实施无冒口铸造来获得健全铸件，即不设补缩冒口。箱尾均匀设置扁平生气冒口50×200×15两个，另在后端脐子顶端设置φ16出气冒口四个，浇注后要求2小时松掉固定栓和水管坚固装置，型内保温时间必须>24小时。这样做的作用是：①防止铸件出现应力集中，②使铸入本体的冷却水管自由收缩，与本体基体伸缩保持一致。

进一步，所述的球化前预孕育及多次强化孕育工艺，铁水球化前进行预孕育处理后还包括有，

第一次：随流孕育，即在出铁槽内冲入0.4%75^#硅铁（粒度5～10mm），应贯穿整个出铁过程均匀加入。孕育时间：40～45s/t铁水； 

第二次：包底孕育，即包底加入1.0%75^#硅铁（粒度10～25mm），孕育时间：45～50s/t铁水。  

第三次：瞬时孕育，即在浇口杯上方加放一个瞬时孕育杯槽，浇注铁水充满浇口杯时，开始加入瞬时孕育剂，速度3KG/ min，贯穿整个浇注过程，加入量0.15%，孕育时间：30～35s/t铁水。

进一步，所述的定向导流球化处理工艺中用的球化剂为钇基重稀土镁球化剂，钇基重稀土镁复合球化剂具有很强的抗衰退能力，有效地控制球化衰退，在1150℃～1350℃保温时，球铁铁水在2.0～2.5小时，才开始显著衰退，抗衰退能力为轻稀土球化剂的2～3倍。

本发明的有益效果：

1、工艺简单，易于实现批量生产厚壁大于200mm、延伸率δ≥24%铁素体球墨铸铁长寿高炉冷却壁。

2、本发明从根本上解决了大型高炉球铁冷却壁在工作中易在热应力作用下由于塑性较低，本体开裂，从而引起水管开裂，造成漏水；二是冷却水管渗碳变脆，引起开裂漏水等疑难问题现象发生，使其具有高温工作冷却能力强、具有良好的高温强度、高温抗变形能力、抗热疲劳及抗氧化生长、耐热冲击及在循环应力作用下不产生裂纹等综合性能，大幅延长其寿命，高炉生产过程更加稳定顺畅，实现了延长大修期和降低检修成本的双重目的。

、生产成本远低于铸铜、铸钢材质制造的高炉冷却壁，经济效益显著，具有良好的市场竞争能力。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过说明书、权利要求书或者附图中所特别指出的结构来实现和获得。

具体实施方式：

1、进行厚大断面球铁冷却壁化学成份的选择。

铬（Cr）：强烈促进碳化物的形成，降低韧性塑性，具有强烈地稳定珠光体的作用。生产高韧性铁素体基体球铁，必须严格控制铬的含量  。                    

钛（Ti）：促进石墨化，有利铁素体的形成，但阻碍球化，降低球化率，严重降低力学性能，球生铁中钛含量也要严格限制，。 

碳和硅：在球铁中，碳和硅都是促进石墨化的元素，对球铁的性能有很大影响。其碳当量[CE=C+1/3（Si+P）]上限以不出现石墨漂浮为原则，下限以不出现自由渗碳体保证球化为原则。碳量的确定一方面应保证不产生石墨漂浮和碎块状石墨，同时还应充分挥石墨化的自补缩能力，保证厚大断面中心不产生缩松，选择碳量为3.6～3.9%。关于厚大断面球铁硅量的确定，文献报导差异较大，一些人认为2.8～3.0%Si可获得以铁素体为基体的组织，使延伸率达到最大。而另一些研究者认为在厚大断面球铁中，硅是应严格控制的元素，硅量过高，易产生碎块关石墨，降低球铁的强度和延伸率。且随硅量增加，球铁的导热系数降低。在确定终硅量时，主要考虑下因素：①虽然冷却壁断面厚度较大，但由于其中均布有冷却水管，并采取对内置冷却水管通入惰性气体冷却工艺，凝固时间并不太长，不易产生碎块状石墨；②不仅要保证铸态下无渗碳体，而且基体应为铁素体。因此，确定硅量的原则为在保证基体为铁素体的前提下，尽量降低硅量，经过试验和试生产，将终硅量选择为2.0～2.2%。

锰：锰是促进碳化物开成和稳定珠光体的元素，其最大危害在于晶界偏析。硫和磷：在铸铁中属有害元素，我们严格控制原材料中的含硫磷量。

残余镁和稀土：镁和稀土是球铁石墨化的关键元素，特别是对于厚大断面球铁件，凝固时间长，易发生球化衰退，从而降低球铁件的性能，我们试验研究表明，采用钇基重稀土镁复合球化剂，当Mg残余为0.03～0.04%，RE_残为0.02～0.03%，保持球化级别为1～2级，抗衰退时间60min左右；当Mg_残为0.04～0.06%，RE_残为0.03～0.05%，保持球化级别1～2级，抗衰退时间1800min，保持球化级别2～3级，抗衰退时间延迟到250min左右。依据以上试验结果高炉球铁冷却壁的具体壁厚及内部铸有冷却水管（相当于少量冷铁的具体情况，选择Mg_残为0.04～0.06%，RE_残为0.03～0.05%。

微量元素锑：我们研究了大断面球铁中加入微量元素锑来减少石墨畸变，增加石墨球数，提高机械性能，我们发现微量锑的加入大大增加了石墨球数，细化圈整了石墨球，我们认为活性元素锑起到的作用是：①中和部分残余稀土镁量；②加入的活性元素会附着在石墨球核心表面，阻止石墨核心在较长的共晶凝固时重熔或畸变，圈整了石墨球并增加了石墨球数。

锑在球铁中属于干扰球化的元素，使用范围狭窄，务必小心，不可加入过多，若与原铁水中其它微量元素累加后，超出球铁中与之中和的有效稀土量，会使大断面球铁中的石墨球畸变，形状恶化。在某一具体条件下使用微量元素有个最佳范围，我们通过长时间探索，将加入范围定为0.002%。

大型高炉高韧性球墨铸铁的最终成份为：

碳：3.6～3.9％、硅：2.0～2.2％、锰：0.1～0.2％、硫≤0.02％、磷≤0.05％、锑≤0.002％、残余镁：0.04～0.06％、残余稀土：0.03～0.05% ，铬 ≤0.05%、钛≤0.04%。余量为铁和微量伴随杂质。

熔炼原铁水成份：

C 4.0 -4.2%、Si 0.6-0.8%、Mn≤0.02%、P≤0.05%、S≤0.03%。

生铁采用低钛低铬低硫Q10生铁，并加强炉外脱硫。

2、厚大断面球铁冷却壁球化剂的选择：

大型高炉球铁冷却壁属于大断面球铁件，自然条件下其凝固时间100min左右。由于冷却凝固速度相当缓慢，用轻稀土球化剂极可造成芯部球化衰退现象。采用钇基重稀土镁球化剂可有效地控制球化衰退。钇基重稀土镁复合球化剂具有很强的抗衰退能力。在1150℃～1350℃保温时，球铁铁水在2.0～2.5小时，才开始显著衰退，抗衰退能力相当轻稀土球化剂的2～3倍。

3、冷却水管的弯制工艺：

为避免常规的制作方法――加热弯制成型，这种方法易使冷却水管弯曲处产生明显皮褶、裂纹、伤痕、凹扁、起皮等缺陷，并且造成热弯处钢管表层脱碳。我们设计如下大高炉冷却水管制作标准。

（1）冷却水管采用锅炉管20G，以保证材质本身的质量；

（2）水管弯曲采用专用液压弯管机、自行设计成型退移芯棒进行弯制，对首件进行解剖检查，同时对其弯制的水管进行着色探伤，检验结果表明，达到了预先设定的目标，即没有裂纹、伤痕、凹扁、起皮等缺陷，弯曲部位椭圆度≤17%，弯曲部位壁厚减少率≤20%；

（3）用φ50.5、φ42.5木球分别对φ75×6、φ65×6作通球检查，用0.5MPa压缩空气做实验，无阻塞现象。通球率达水管内径的0.84倍以上，超出YB4073-91中规定的标准，大幅提高了冷却效果；

（4）用1.5MPa水压进行水压实验，20分钟不得有漏水冒汗现象；

（5）冷却水管外形尺寸以样板为准进行检查，以保证水管出口的尺寸公差，水管中心线公差≤±1mm。

4、冷却水管除锈防渗碳、防铸熔工艺：

冷却壁水管在没有防渗碳，防铸熔措施的情况下，在±1350℃左右铸入冷却壁，会与冷却壁本体铸接成一体。众所周知，冷却管与球铁二者材质不同，钢管热膨胀系数远大于球铁，在急冷急热条件下，与铸件铸熔的冷却壁水管伸缩受阻会产生应力，加上钢管本身已增碳变脆，在交变应力作用下产生裂纹，导致漏水失效。因此延长高炉冷却壁寿命必须使冷却水管具有防渗碳、防熔铸能力。

研制开发新型高温防渗碳涂料。 涂料层厚度（即水管与本体之间间隙）≤0.2mm，轻微敲击后易取出，经金相检验，管子表面无渗碳层。最佳涂刷工艺：水管铸入前喷砂除锈—烘干—涂刷涂料—烘干—再次涂刷涂料。烘干温度200℃以下，不宜过高，否则涂料易起泡疏松剥落，涂料层应薄厚均匀，过薄达不到目的，过厚易在调温 浇注过程中剥落，最佳厚度应为0.2mm左右。（新型高温防渗碳涂料另案申请） 

5、铸造工艺：

大型高炉冷却壁结构复杂，尺寸为1765×900×487mm，单件重量约3000Kg，内部铸入四根冷却水管，八个管头，八个套管（其中四个带丝套管），尺寸精度和相对尺寸位置要求高，铸造工艺复杂。             

（1） 砂箱设计及冷却水管的定位

经对该铸件进行工艺分析，冷却壁造型需采用用三箱造型，底箱为242mm 处以上平面部分，中箱为245mm两头部及把料钩部分；上箱在两端头，主要成型脐子和进出水管部分，一方面起定位作用，另一方面确保浇注过程中有足够压力头，砂箱设计尺寸均按工艺标准中包容吃砂量及浇冒口系统设计。砂箱设计中，要确保进出水管，套管的中心距及与本体之间相对位置尺寸精度是个关键环节。按GB/T6414-1999标准规定，球墨铸铁的公差等级为GT12级，该铸件最大尺寸为1765mm，公差应为±7.5mm，而图纸设计要求水管中心距公差±3mm，如果超出设计公差范围，将会给安装带来困难。为确保关键尺寸精度，我们设计上箱专用水管定位装置：在上箱中心处平焊200×1136×30钢板，按套管中心距分别铣出大于φ121、φ108、φ100套管尺寸1mm八个圆孔，倾角与冷却壁沿炉体倾角相同，另沿上箱侧端相对应设置八套螺栓坚固装置。其作用：一是使冷却水管及型芯之间无任何芯撑、卡子，保证铸件表面光洁度，二是确保铸件进出水管的相对位置和尺寸精度。

（2）造型方法。

上、中、下箱均采用自硬树脂砂工艺造型，针对冷却壁的特殊结构，为防止冷却壁两端头部因树脂砂型钢性较大，易对型腔造成损害，以及冷却水管悬吊的特殊要求，采取树脂砂和消失模失模相结合的特殊工艺，即消失模完全开式头部尺寸及进出水管位置的空腔部分，模型、消失模，拨料钩，冷却水管四位一体，同时操作，即简化了操作工序，又大大减少了分型制作所带来的尺寸累积误差。针对铁素体基体球墨铸铁的收缩率，选择模型、消失模的收缩率选为1.2%。

（3）合理开设浇冒口系统。

针对该冷却壁的特殊结构，为防止出现因局部过热造成的厚大部位抗球化衰退能力减弱，同时防止熔穿水管， 

生产中，球铁冷却壁我们采取全封闭式浇注系统，即浇注系截面积比例F_内：F_横：F_直=1：1.2：1.5。为避免内浇口直接冲刷水管，内浇道必须开设在下箱冷却壁端部两侧，采用阶梯内浇口，内浇口不得冲击冷却水管和芯子。宽度不得超过30mm，倾斜浇注，浇注倾角8~10。

冒口设置：该铸件属大断面球墨铸件，其共晶膨胀力大。树脂砂工艺型腔其刚性强度较高，我们在刚性铸型；严格控制铁液成分、浇注温度、浇口尺寸的情况下，实施无冒口铸造来获得健全铸件，即不设补缩冒口。箱尾均匀设置扁平生气冒口50×200×15两个，另在后端脐子顶端设置φ16出气冒口四个，浇注后要求2小时松掉固定栓和水管坚固装置，型内保温时间必须>24小时。这样做的作用是：①防止铸件出现应力集中；②使铸入本体的冷却水管自由收缩，与本体基体伸缩保持一致。

浇注系统的设置是个关键环节，开设不当，可形成铸件厚大断面产生热节形或过热，造成抗球化衰退能力下降，球化级别降代，最终导致机械性能下降达不到设计标准，同时，采取全封闭式浇注系统和无冒口补缩，确保了铸件同时凝固，防止了铸件形成过热，心部产生缩也，并克服了铸件应力过于集中现象。

6、球化及孕育工艺：

采用的主要原材料是：生铁采用低钛低铬低硫Q10生铁；钇基重稀土镁复合球化剂及75SiFe和QT-YT钇基重稀土高效复合孕育剂。

球化工艺

采用定向导流球化处理工艺，即在球化处理包上部设置一个具有定向导流功能的装置，保证铁水注入位置的准确性，该工艺球化反应稳定，Mg吸收率高，球化效果好，同时大大改善了劳动环境。

（1）、使用专用5吨球化处理包，加料前将浇包用煤气烘至暗红色，球化剂、孕育剂均经预热，预热温度150～250℃。采用定向导流装置球化处理，放置球化剂一侧面积占包底2/5，深度应容纳添加的球化剂、孕育剂和覆盖剂。

（2）、加料顺序：钇基重稀土复合球化剂（块度10-25mm），先加入凹坑，并舂实，再加入1.0%75#硅铁，摊平舂实，后加入专用覆盖剂覆盖，摊平舂实。

（3）、球铁包上沿应修平整，每次扒渣后要清理包沿的余渣。

（4）、在按加料顺序加入料后，将包盖座在5吨球铁包上，注意包盖导流口需对准球化剂等料的另外一侧凹槽。

（5）、出铁温度控制在1430℃-1460℃，不可过高，出铁时，铁水流至中间包盖内，并立即测出出铁槽内铁水温度。

（6）、准确计量铁水。

（7）、球化处理控制铁液达1/3以上开始起爆，反应时间约为2min左右。球化结束后，及时扒渣，然后加入覆盖剂，阻止铁水与大气接触。浇注温度控制在1310℃-1330℃，浇注始终保持充满浇口杯，浇注末期应逐渐缓浇，使型腔内的气体顺利排出。

孕育工艺：

铁水球化前进行预孕育处理，孕育剂加入量0.4%，细化石墨球和共晶团，稳定提高球铁机械性能，还有：

第一次：随流孕育，即在出铁槽内冲入0.4%75#硅铁（粒度5—10mm），应贯穿整个出铁过程均匀加入。 

第二次：包底孕育，即包底加入1.0%75#硅铁（粒度10-25mm）。  

第三次：瞬时孕育，即在浇口杯上方加放一个瞬时孕育杯槽，浇注铁水充满浇口杯时，开始加入瞬时孕育剂，贯穿整个浇注过程，加入量0.15%。

球化及孕育的炉前检验

球化检验采用炉前快速金相法和三角试样法检验，要求浇注后包尾铁液应保证球化级1～2级。由三角试块断口观察若发现孕育不良，再增大随流孕育量。处理好的铁液控制在15min内（自球化反应起）浇完。浇注温度1310～1330℃，浇注时间：30～35s/t。

7、对内置冷却水管通入惰性气体冷却工艺：

促使厚壁冷却壁芯部迅速结晶冷却，即：在同一冷却壁的四根冷却水管两端设计连接丝冒，丝冒顶端焊接一进出通气管，冷却壁在浇注前五分钟开始适量通入惰性气体，通气贯穿浇注过程，浇注完毕后持续通气35分钟。

冷却壁的质量检测及结果：   

金相组织试样取自于按GB1348-88要求铸出的附铸试块，其石墨球化级别为1-2级，球径尺寸5-7级，铁素体量大于95%。冷却壁进行破坏性检验时，其中心球化级别可达到2-3级，石墨球径5级。冷却壁实物尺寸主要尺寸的精度均达到和超过了设计要求。

冷却壁的力学性能按GB1348-88检测其力学性能，主要性能指标均超过设

定及国家标准，最低抗拉强度401Mpa，延伸率24。6%

从以上数据可以看出，严格按上述工序工艺操作，生产的大高炉球铁冷却壁机械性能指标达到了较高水平，尤其是对开裂影响最大的延伸率指标大幅度超过了原使用的球铁冷却壁所制定的标准，同时，本次使用的钢管是锅炉管，并进行了着色探伤和有效的防渗碳处理，由于机械性能的大幅度提升，以及制造工艺水平的提高，将会有效地延长球铁冷却壁的使用寿命，为高炉实现长寿奠定了坚实的基础。这不仅可以节约大量的修理费用，改善冶炼指标，增加产量，而且可以充分发挥高炉前后工序的设备能力，提高整个生产的经济效益。        

检测结果的讨论及分析

1、本次研制通过对影响大型高炉长寿的主要因素、球铁冷却壁工况条件及破坏形式的分析，成为本次研制生产关键，从而确定了大型高炉厚壁球铁冷却壁远远高于设计标准的性能研究目标；

2、厚大断面球铁冷却壁的抗球化衰退的研究。我们在以往研究的基础上，完成了大断面铸件化学成份的选择，球化剂成份牌号的选用，即选用钇基重稀土复合球化剂，提高铁液的抗球化衰退能力；制定铁液熔炼、球化工艺、球化前预孕育及多次强化孕育与QT-YT钇基重稀土高效复合孕育剂相结合工艺。重点解决了厚大球铁冷却壁化学成份的选择、厚大断面球铁件抗球化衰退问题；

3、采用特殊的弯管技术，设计制作专用一次成型冷弯管机，并通过对钢管模拟流线弯曲率的研究，采用特殊芯棒技术，确保冷却水管通球率达水管内径的0.84倍以上，大幅提高了冷却效果；

4、冷却水管的除锈防渗碳、防铸熔技术的研究。我们根据往年相关涂料技术单位共同研制开发新型高温防渗碳涂料，并研究了该涂料的使用效果，将使用该涂料的“U”型试块解剖，其冷却水管外层无渗碳层，并与铸件本体不铸结，又紧密贴合，可直线段流动；

5、采用定向导流球化处理工艺，以及采用浇口杯强化瞬时随流孕育工艺，细化石墨球和共晶团，稳定提高球铁冷却壁的机械性能。

6、冷却壁铸造技术的研究。采用树脂砂与消失模相结合的工艺方法，严格铸造操作规范和工艺，保证铸后优于部级验收标准，使安钢大型高炉冷却壁的技术水平达到国内领先水平。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

这里说明一点是以上百分比均为重量百分比。

Claims (3)

1.一种厚大断面高延伸率球墨铸铁冷却壁的铸造方法，用低钛低硫球生铁、纯净废钢为纯净原材料，采取工艺措施控制球化衰退，其特征在于：优化设计了化学成分，制定了厚大断面高延伸率球墨铸铁的成分规范：碳：3.6～3.9％、硅：2.0～2.2％、锰：0.1～0.2％、硫≤0.02％、磷≤0.05％、锑≤0.002％、残余镁：0.04～0.06％、残余稀土：0.03～0.05% ，铬 ≤0.05%、钛≤0.04%，其铸造方法包括有定向导流球化工艺、球化前预孕育及多次强化孕育处理工艺、退移芯棒冷却水管弯管工艺、冷却水管除锈防渗碳防铸熔工艺、内置惰性气体冷却工艺、冷却水管的定位及铸造工艺；

所述的定向导流球化处理工艺，包括在球化处理包上部设置一个具有定向导流功能的装置，导流口向下延伸200mm，保证铁水注入位置的准确性，该工艺球化反应稳定，Mg吸收率高，球化效果好，同时大大改善了劳动环境；

所述的球化前预孕育及多次强化孕育处理工艺，包括铁水球化前进行预孕育处理，孕育剂加入量0.4%，细化石墨球和共晶团，稳定提高球铁机械性能；

所述的退移芯棒冷却水管弯管工艺，采用专用液压弯管机、自行设计成型退移芯棒进行弯制，对其弯制的水管进行着色探伤，没有裂纹、伤痕、凹扁、起皮缺陷，内置冷却水管通球率≥84%、弯曲部位椭圆度≤17%，弯曲部位壁厚减少率≤20%，通过规范涂刷高温防渗碳涂料，同时确保水管与壁本体之间既有紧密的贴合，间隙≤0.2m，又可轻微敲击后易取出，管子表面无渗碳层；

所述的冷却水管除锈防渗碳防铸熔工艺，在冷却水管1350℃铸入冷却壁，与冷却壁本体铸接成一体,水管铸入前喷砂除锈—烘干—涂刷高温防渗碳涂料—烘干—再次涂刷高温防渗碳涂料，烘干温度200℃以下，不宜过高，否则涂料易起泡疏松剥落，涂料层应薄厚均匀，过薄达不到目的，过厚易在调温、 浇注过程中剥落，最佳厚度应为0.2mm；

所述的内置惰性气体冷却工艺，是通过对内置冷却水管通入惰性气体冷却工艺，促使厚壁冷却壁芯部迅速结晶冷却，即在同一冷却壁的四根冷却水管两端设计连接丝冒，丝冒顶端焊接一进出通气管，冷却壁在浇注前五分钟开始适量通入惰性气体，通气贯穿浇注过程，浇注完毕后持续通气35分钟； 

所述的冷却水管的定位及铸造工艺，大型高炉冷却壁结构复杂，尺寸为1765×900×487mm，单件重量3000Kg，内部铸入4根冷却水管，8个管头，8个套管，其中4个带丝套管；             

第一、 砂箱设计及冷却水管的定位:

经对该铸件进行工艺分析，冷却壁造型需采用三箱造型，底箱为242mm 处以上平面部分，中箱为245mm两头部及拔料钩部分；上箱在两端头，主要成型脐子和进出水管部分，一方面起定位作用，另一方面确保浇注过程中有足够压力头，砂箱设计尺寸均按工艺标准中包容吃砂量及浇冒口系统设计，砂箱设计中，要确保进出水管，套管的中心距及与本体之间相对位置尺寸，精度是个关键环节，按GB/T6414-1999标准规定，球墨铸铁的公差等级为GT12级，该铸件最大尺寸为1765mm，公差应为±7.5mm，而图纸设计要求水管中心距公差±3mm，如果超出设计公差范围，将会给安装带来困难，为确保关键尺寸精度，我们设计上箱专用水管定位装置：在上箱中心处平焊200×1136×30钢板，按套管中心距分别铣出大于φ121、φ108、φ100套管尺寸1mm8个圆孔，倾角与冷却壁沿炉体倾角相同，另沿上箱侧端相对应设置8套螺栓坚固装置，其作用：一是使冷却水管及型芯之间无任何芯撑、卡子，保证铸件表面光洁度，二是确保铸件进出水管的相对位置和尺寸精度；

第二、造型方法：

上、中、下箱均采用自硬树脂砂工艺造型，针对冷却壁的特殊结构，为防止冷却壁两端头部因树脂砂型钢性较大，易对型腔造成损害，以及冷却水管悬吊的特殊要求，采取树脂砂和消失模相结合的工艺，即消失模完全开式头部尺寸及进出水管位置的空腔部分，模型、消失模、拨料钩、冷却水管四位一体，同时操作，简化了操作工序，大大减少了分型制作所带来的尺寸累积误差，针对铁素体基体球墨铸铁的收缩率，选择模型、消失模的收缩率选为1.2%；

第三、 合理开设浇冒口系统：

针对该冷却壁的特殊结构，为防止出现因局部过热造成的厚大部位抗球化衰退能力减弱，同时防止熔穿水管，球铁冷却壁用全封闭式浇注系统，即浇注截面积比例F_内：F_横：F_直=1：1.2：1.5，为避免内浇口直接冲刷水管，内浇道必须开设在下箱冷却壁端部两侧，采用阶梯内浇口，内浇口不得冲击冷却水管和芯子，宽度不得超过30mm，倾斜浇注，浇注倾角8~10度；

第四、冒口设置：

该铸件属大断面球墨铸件，共晶膨胀力大，树脂砂工艺型腔，刚性强度较高，我们在刚性铸型，严格控制铁液成分、浇注温度、浇口尺寸的情况下，实施无冒口铸造来获得健全铸件，即不设补缩冒口，箱尾均匀设置扁平出气冒口50×200×15两个，另在后端脐子顶端设置φ16出气冒口4个，浇注后要求2小时松掉固定栓和水管坚固装置，型内保温时间必须>24小时，这样做的作用是：①防止铸件出现应力集中，②使铸入本体的冷却水管自由收缩，与本体基体伸缩保持一致。

2. 根据权利要求1的一种厚大断面高延伸率球墨铸铁冷却壁的铸造方法，其特征在于，所述的定向导流球化处理工艺：

第一步、使用专用5吨球化处理包，加料前将浇包用煤气烘至暗红色，球化剂、孕育剂均经预热，预热温度150～250℃，采用定向导流装置球化处理，放置球化剂一侧面积占包底2/5，深度应容纳添加的球化剂、孕育剂和覆盖剂；

第二步、加料顺序：球化剂，块度10-25mm，先加入凹坑，并舂实，再加入1.0%75#硅铁，摊平舂实，后加入专用覆盖剂覆盖，摊平舂实；

第三步、球铁包上沿应修平整，每次扒渣后要清理包沿的余渣；

第四步、在按加料顺序加入料后，将包盖盖在5吨球铁包上，注意包盖导流口需对准球化剂料的另外一侧凹槽；

第五步、出铁温度控制在1430℃-1460℃，不可过高，出铁时，铁水流至中间包盖内，并立即测出出铁槽内铁水温度及准确计量铁水。

3.根据权利要求1的一种厚大断面高延伸率球墨铸铁冷却壁的铸造方法，其特征在于，所述的球化前预孕育及多次强化孕育处理工艺：铁水球化前进行预孕育处理后还包括有，

第一次：随流孕育，即在出铁槽内冲入0.4%75#硅铁，粒度5—10mm，应贯穿整个出铁过程均匀加入，孕育时间：40～45s/t铁水； 

第二次：包底孕育，即包底加入1.0%75#硅铁，粒度10-25mm，孕育时间：45～50s/t铁水；  

第三次：瞬时孕育，即在浇口杯上方加放一个瞬时孕育杯槽，浇注铁水充满浇口杯时，开始加入瞬时孕育剂，速度3kg/ min，贯穿整个浇注过程，加入量0.15%，孕育时间：30～35s/t铁水。