CN104707974A - 一种铜基体内置钢管的双金属强化冷却壁生产方法 - Google Patents

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王志斌
陈和平
潘宏伟
程树森
邢涛
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    • B22D19/16—Casting in, on, or around objects which form part of the product for making compound objects cast of two or more different metals, e.g. for making rolls for rolling mills

Abstract

本发明公开了一种铜基体内置钢管的双金属强化冷却壁生产方法，它包括如下步骤：第一、将无氧铜作为基体并在基体内铸入经过轧制的钢管；第二、加工铜基体外置的铸钢板部分；第三、将铸入钢管的铜基体和铜基体外置的铸钢板部分进行装配；本发明可以提升冷却壁的冷却能力，进而可以降低冷却水的使用量而且它还可以提高生产效率同时还降低了生产成本。

Description

一种铜基体内置钢管的双金属强化冷却壁生产方法
技术领域：
本发明涉及冶金冷却壁技术领域，更具体地说涉及一种铜基体内置钢管的双金属强化冷却壁生产方法。
背景技术：
冷却壁是冶金行业常用的冷却设备，在服役过程中，冷却壁借助一定压力和流量的冷却水，将冶金行业中高温炉窑产生的热量及时带走，保证高温炉窑长期处于安全可靠的使用温度之下，因而冷却壁对传热性能和高温条件下长期服役的要求较高。热阻是传热过程中的阻力，热阻越大传热阻力越大。对于冷却壁而言，其热阻主要包括冷却壁基体、冷却水管、基体与水管间的气隙等。经过数据分析，常用的57mm厚的铸铜冷却壁的总热阻是120mm厚的传统的铸铁冷却壁的1/49。因此，铜基体是冷却壁的最佳选择。
然而，当冷却壁的基体和冷却水管都采用金属铜时，也存在如下不足：（1）冷却水管也采用金属铜，进一步抬高了生产成本；（2）铜质冷却水管在铸造过程中容易发生熔穿和变形，生产过程成品率低；（3）铜基体在实际使用过程中由于强度低，在反复的受热膨胀、变形过程中，容易破损，进而发生漏水事故，造成安全隐患。
另外，也有个别学者提出采用轧制纯铜作为基体的冷却壁，然后通过钻孔的方式加工冷却通道。然而也存在如下不足：（1）铸造而成的铜基体需要经过轧制，进一步抬高了生产成本。（2）钻孔过程中往往发生偏孔的问题，造成冷却通道不对中，增加冷却水输入阻力，造成冷却水输送问题。（3）以钻孔的方式加工冷却通道，不能加工有拐角的通道，在冷却通道的拐角处，仍需采用焊接的方式。焊缝处容易发生前述的渗漏问题，也存在安全隐患。
发明内容：
本发明的目的就在于提供一种铜基体内置钢管的双金属强化冷却壁生产方法，它提升了冷却壁的冷却能力，进而可以降低冷却水的使用量而且它还可以提高生产效率同时还降低了生产成本。
为实现上述目的，本发明的一种铜基体内置钢管的双金属强化冷却壁生产方法，它包括如下步骤：第一、将无氧铜作为基体并在基体内铸入经过轧制的钢管：（1）、采用中频感应炉冶炼铜水，在冶炼铜水末期，分二次加入成渣剂，使其均匀覆盖在铜水表面；（2）、在铜水出炉前，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；（5）、将用轧制钢管制得的冷却水管按要求放入浇注模型中，在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；在铜水浇注前，预先在冷却水管内通入循环的液态冷却介质，在铜水浇注过程中，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铜水浇注冷却壁基体，将冷却水管的中部浇注在冷却壁基体中，两端从基体内伸出，控制铜水过热度在40-80℃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，据此控制新型冷却壁的凝固过程，促使其形成顺序凝固；（8）、冷却，卸掉模型，新型冷却壁制成。
第二、加工铜基体外置的铸钢板部分：（1）、采用中频感应炉冶炼钢水水，在冶炼钢水末期，分二次加入成渣剂，使其均匀覆盖在铜水表面；（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）、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），据此控制凝固过程，促使其形成顺序凝固；（4）、冷却，卸掉模型，完成的铜基体外置铸钢板的部分。
第三、将铸入钢管的铜基体和铜基体外置的铸钢板部分进行装配：（1）将上述已经完成的铜基体内铸入钢管部分预热到500-650℃，预热过程需要在密封良好的加热炉内完成，加热炉在升温前需通入氩气吹扫，氩气量为加热炉有效容积的1.5-2倍。加热过程中加热炉内需持续通入循环氩气，氩气流量为每分钟10-30L/min,升温速率需控制在5-10℃/min；（2）达到预热温度后，从加热炉内取出铜基体内铸入钢管的部分，将带有“燕尾”的铜基体外置铸钢板沿着铜基体内铸入钢管部分的“燕尾槽”插入，插入后将装配后的冷却壁尽快送入加热炉，在加热炉内缓慢冷却到100℃以下，取出冷却至室温；（3）冷却至室温后，在燕尾槽的空隙内，灌入碳素捣打料并捣打密实，使得上述两部分紧密接触；（4）完成新型冷却壁的生产。
作为上述技术方案的优选，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。
作为上述技术方案的优选，所述的成渣剂，其中包括80-85%的氧化钙和10-15%的氧化镁。
作为上述技术方案的优选，所述的成渣剂，其加入比例为1kg/吨铜水。
作为上述技术方案的优选，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。
作为上述技术方案的优选，所述的硅铁合金块，其添加量0.1-0.7kg/吨铜水。
作为上述技术方案的优选，所述的液态冷却介质，其流速为1-10m/s。
作为上述技术方案的优选，所述的复合固体冷却介质，其加入量为：1-10kg/吨铜水。
作为上述技术方案的优选，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。
作为上述技术方案的优选，所述的冷却水管为多根，所述铜基体和铜基体外置的铸钢板部分通过“燕尾”和“燕尾槽”相配合实现物理连接，铜基体和铜基体外置的铸钢板部分强化了采用了可强化铜基体的机械性能的双金属复合方式。
本发明的有益效果在于：本发明的提供一种铜基体内铸入钢管、铜基体外咬合铸造钢板的双金属强化冷却壁的生产方法。该双金属强化冷却壁包括无氧铜基体、经过轧制的钢冷却水管、与铜基体相互咬合的铸造钢板，冷却壁由无氧铜作为冷却壁基体，由经过轧制的钢管作为冷却水管，铜基体与冷却水管一次铸造成型；铜基体与外置的冷却钢板以物理连接的方式相互咬合，并在咬合的“燕尾槽”区域注入碳素捣打料。这种新型冷却壁具有以下优势：
1、冷却壁采用了铜基体，与普通铸铁冷却壁相比，铜的导热性能更好，整体上提升了冷却壁的冷却能力，进而可以降低冷却水的使用量；
2、与纯铜冷却壁相比，避免了冷却水管在铸造过程中容易发生熔穿，且成品率低下的问题（铜的熔点约为1083℃，钢的熔点约为1530℃，所以在铸造过程中，埋入的钢管遇到液态铜时不会发生穿）；
3、与轧制纯铜冷却壁相比，冷却水管与基体一次铸造成型减少了焊接过程，提高了生产效率，降低了生产成本；
4、在铜基体的内部埋入钢管，外部“咬合”铸钢板的方式，提高了冷却壁的抗变形的能力和机械性能，进而延长冷却壁的使用寿命；
5、铜基体与外部“咬合”的铸钢板采用物理连接的方式，产品的运输、安装都较简便。
附图说明：
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
图1为本发明生产加工完成冷却壁的结构示意图
图2为图1的剖视图
图中：1、无氧铜基体；2、冷却水管；3、外置的铸钢板
具体实施方式：
以下所述仅为体现本发明原理的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围
如图1、2所示为本发明加工完成的冷却壁，该冷却壁由无氧铜基体1、冷却水管2和外置的铸钢板3构成，该冷却壁在无氧铜基体1内铸入冷却水管2，外置的铸钢板3与无氧铜基体1通过燕尾槽实现连接，其具体实施例包括如下步骤：第一、将无氧铜作为基体并在基体内铸入经过轧制的钢管：（1）、采用中频感应炉冶炼铜水，在冶炼铜水末期，分二次加入成渣剂，使其均匀覆盖在铜水表面；（2）、在铜水出炉前，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；（5）、将用轧制钢管制得的冷却水管按要求放入浇注模型中，在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；在铜水浇注前，预先在冷却水管内通入循环的液态冷却介质，在铜水浇注过程中，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铜水浇注冷却壁基体，将冷却水管的中部浇注在冷却壁基体中，两端从基体内伸出，控制铜水过热度在40-80℃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，据此控制新型冷却壁的凝固过程，促使其形成顺序凝固；（8）、冷却，卸掉模型，新型冷却壁制成。
第二、加工铜基体外置的铸钢板部分：（1）、采用中频感应炉冶炼钢水水，在冶炼钢水末期，分二次加入成渣剂，使其均匀覆盖在铜水表面；（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）、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），据此控制凝固过程，促使其形成顺序凝固；（4）、冷却，卸掉模型，完成的铜基体外置铸钢板的部分。
第三、将铸入钢管的铜基体和铜基体外置的铸钢板部分进行装配：（1）将上述已经完成的铜基体内铸入钢管部分预热到500-650℃，预热过程需要在密封良好的加热炉内完成，加热炉在升温前需通入氩气吹扫，氩气量为加热炉有效容积的1.5-2倍。加热过程中加热炉内需持续通入循环氩气，氩气流量为每分钟10-30L/min,升温速率需控制在5-10℃/min；（2）达到预热温度后，从加热炉内取出铜基体内铸入钢管的部分，将带有“燕尾”的铜基体外置铸钢板沿着铜基体内铸入钢管部分的“燕尾槽”插入，插入后将装配后的冷却壁尽快送入加热炉，在加热炉内缓慢冷却到100℃以下，取出冷却至室温；（3）冷却至室温后，在燕尾槽的空隙内，灌入碳素捣打料并捣打密实，使得上述两部分紧密接触；（4）完成新型冷却壁的生产。
本实施例中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。
本实施例的成渣剂包括80-85%的氧化钙和10-15%的氧化镁。成渣剂加入比例为1kg/吨铜水。
本实施例中硅铁合金块成分为15-20%稀土元素、20-30%硅、50-65%金属铁。
本实施例中硅铁合金块的添加量0.1-0.7kg/吨铜水。
本实施例中液态冷却介质，其流速为1-10m/s。
本实施例中复合固体冷却介质，其加入量为：1-10kg/吨铜水。
具体到本实施例中，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；冷却水管为多根，所述铜基体和铜基体外置的铸钢板部分通过“燕尾”和“燕尾槽”相配合实现物理连接，铜基体和铜基体外置的铸钢板部分强化了采用了可强化铜基体的机械性能的双金属复合方式。
本发明可以有效避免冷却水管在铸造过程中发生变形或熔穿；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完全重熔和完全再结晶，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高温窑炉的寿命，节约生产成本；使得钢质冷却水管与铜质冷却壁基体紧密结合，提高冷却壁的抗变形能力；控制凝固方式，实现顺序凝固，提高新型冷却壁的机械性能；采用双金属复合的方式，强化了铜基体的机械性能。

Claims (10)

1.一种铜基体内置钢管的双金属强化冷却壁生产方法，其特征在于它包括如下步骤：
第一、将无氧铜作为基体并在基体内铸入经过轧制的钢管：（1）、采用中频感应炉冶炼铜水，在冶炼铜水末期，分二次加入成渣剂，使其均匀覆盖在铜水表面；（2）、在铜水出炉前，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；（5）、将用轧制钢管制得的冷却水管按要求放入浇注模型中，在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；在铜水浇注前，预先在冷却水管内通入循环的液态冷却介质，在铜水浇注过程中，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铜水浇注冷却壁基体，将冷却水管的中部浇注在冷却壁基体中，两端从基体内伸出，控制铜水过热度在40-80℃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，据此控制新型冷却壁的凝固过程，促使其形成顺序凝固；（8）、冷却，卸掉模型，新型冷却壁制成。
第二、加工铜基体外置的铸钢板部分：（1）、采用中频感应炉冶炼钢水水，在冶炼钢水末期，分二次加入成渣剂，使其均匀覆盖在铜水表面；（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）、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），据此控制凝固过程，促使其形成顺序凝固；（4）、冷却，卸掉模型，完成的铜基体外置铸钢板的部分。
第三、将铸入钢管的铜基体和铜基体外置的铸钢板部分进行装配：（1）将上述已经完成的铜基体内铸入钢管部分预热到500-650℃，预热过程需要在密封良好的加热炉内完成，加热炉在升温前需通入氩气吹扫，氩气量为加热炉有效容积的1.5-2倍。加热过程中加热炉内需持续通入循环氩气，氩气流量为每分钟10-30L/min,升温速率需控制在5-10℃/min；（2）达到预热温度后，从加热炉内取出铜基体内铸入钢管的部分，将带有“燕尾”的铜基体外置铸钢板沿着铜基体内铸入钢管部分的“燕尾槽”插入，插入后将装配后的冷却壁尽快送入加热炉，在加热炉内缓慢冷却到100℃以下，取出冷却至室温；（3）冷却至室温后，在燕尾槽的空隙内，灌入碳素捣打料并捣打密实，使得上述两部分紧密接触；（4）完成新型冷却壁的生产。
2.根据权利要求1所述的一种铜基体内置钢管的双金属强化冷却壁生产方法，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。
3.根据权利要求1所述的一种铜基体内置钢管的双金属强化冷却壁生产方法，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。
4.根据权利要求1或3所述的一种铜基体内置钢管的双金属强化冷却壁生产方法，其特征在于：所述的成渣剂，其加入比例为1kg/吨铜水。
5.根据权利要求1所述的一种铜基体内置钢管的双金属强化冷却壁生产方法，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。
6.根据权利要求1或5所述的一种铜基体内置钢管的双金属强化冷却壁生产方法，其特征在于：所述的硅铁合金块，其添加量0.1-0.7kg/吨铜水。
7.根据权利要求1所述的一种铜基体内置钢管的双金属强化冷却壁生产方法，其特征在于：所述的液态冷却介质，其流速为1-10m/s。
8.根据权利要求1或7所述的一种铜基体内置钢管的双金属强化冷却壁生产方法，其特征在于：所述的复合固体冷却介质，其加入量为：1-10kg/吨铜水。
9.根据权利要求1所述的一种铜基体内置钢管的双金属强化冷却壁生产方法，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。
10.根据权利要求1所述的一种铜基体内置钢管的双金属强化冷却壁生产方法，其特征在于：所述的冷却水管为多根，所述铜基体和铜基体外置的铸钢板部分通过“燕尾”和“燕尾槽”相配合实现物理连接，铜基体和铜基体外置的铸钢板部分强化了采用了可强化铜基体的机械性能的双金属复合方式。
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