專利名稱：一種金屬基體冷卻壁的鑄造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所要保護的技術(shù)方案屬于鑄造工藝技術(shù)領(lǐng)域，具體地說為以高熔點金屬鋼為基體的冷卻壁的鑄造方法。
背景技術(shù)：
煉鋼高爐、流槽等設(shè)備中大量使用冷卻壁砌就。作為新一代高爐冷卻壁的鑄鋼冷卻壁與目前普遍采用的球墨鑄鐵冷卻壁相比，具有延伸率高，抗拉強度高、熔點高、抗熱沖擊性及整體導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點，而且鑄鋼冷卻壁基體與冷卻管道融為一體，消除了球墨鑄鐵冷卻壁中基體與冷卻管之間的間隙，減少了熱阻，從而提高了高爐的使用壽命。鑄鋼冷卻壁的基體材質(zhì)為熔點很高的低碳合金鋼，一般都選用與基體材質(zhì)相同或相近的低碳鋼熱軋無縫鋼管作為冷卻管道，以取得良好的導(dǎo)熱效果。由于冷卻管道的形狀根據(jù)冷卻壁的具體使用場合往往設(shè)計成復(fù)雜不規(guī)則的形狀，所以一般只能采用鑄造工藝生產(chǎn)，然而在鑄造過程中，即使采用常用的氣冷、油冷等冷卻方式來降低冷卻管道溫度，但由于鑄鋼鋼水溫度很高，還是很容易使冷卻管道發(fā)生變形和熔穿，特別是可能在澆注過程中因急劇膨脹的熱氣流來不及排放而引起爆炸的危險，長期以來這一鑄造難題一直沒有得到很好解決，有些冷卻管道形狀比較復(fù)雜的鑄鋼冷卻壁甚至無法生產(chǎn)出來。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題就是提供一種生產(chǎn)鑄鋼冷卻壁等金屬基體熔點高的鑄造冷卻壁的方法，用以克服現(xiàn)有技術(shù)中冷卻管道易變形和熔穿的弊病。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣的一種金屬基體冷卻壁的鑄造方法，在冷卻管道中填充滿冷卻介質(zhì)，冷卻介質(zhì)主要包括剛玉粉、鐵粉、電極粉混合成的粉末，它們之間的重量比例為剛玉粉∶鐵粉∶電極粉＝1∶0.14～0.21∶0.04～0.10。以上固體冷卻介質(zhì)在生產(chǎn)過程中具備了以下綜合性能1、蓄熱能力大，有極強的急劇冷卻的作用；2、熱膨脹系數(shù)小，熱穩(wěn)定性好，3、不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，不生成氣體；4、不熔化，不粘連管壁，常溫下容易清理，所以具有簡單、穩(wěn)定、可靠、安全的特點。
冷卻壁基體為低碳鋼或低碳合金鋼，用低碳鋼熱軋材質(zhì)鋼管作為冷卻管道，在冷卻管道中填充滿冷卻介質(zhì)，冷卻介質(zhì)主要包括剛玉粉、鐵粉、電極粉混合成的粉末，它們之間的重量比例為剛玉粉∶鐵粉∶電極粉＝1∶0.14～0.21∶0.04～0.10。當(dāng)冷卻介質(zhì)為剛玉粉∶鐵粉∶電極粉＝1∶0.17～0.19∶0.05～0.07為佳。用此方法可按設(shè)計要求制成各種成品率高達(dá)95％以上的鑄鋼冷卻壁。低碳鋼或低碳合金鋼采用氧化法冶煉成澆注鋼液過程中，控制好鋼液化學(xué)成分，特別是控制好氧化終點碳的含量是冶煉操作的關(guān)鍵。將氧化終點碳的含量控制在0.08-0.12％范圍內(nèi)，保證鋼水的脫碳量在0.30％上，使碳-氧反應(yīng)充分，沸騰均勻，最大限度地降低鋼液中的夾雜物和氣體含量。澆注溫度和速度是影響冷卻水管“熔而不化”的重要因素之一。澆注溫度過高，鋼液熱量大，易將壁管熔穿；澆注溫度過低，鋼液熱量小，壁管不熔合或熔合不充分。經(jīng)試驗將澆注溫度控制在1560-1580℃之間，可保證壁管熔合良好。澆注速度應(yīng)遵循“先慢、后快、再慢”的原則，并與管壁“結(jié)晶—熔化—再結(jié)晶”的過程相對應(yīng)。即先慢速開澆，當(dāng)鋼液接近冷卻水管位置時，加大澆注，讓鋼液快速包裹冷卻水管；當(dāng)鋼液液面超過冷卻水管時，再慢速澆注，至鋼液進入冒口高度2/3時，改由冒口補注直到澆注結(jié)束。
本發(fā)明采用底注開放式澆注系統(tǒng)，澆口對面端部設(shè)置有保溫冒口，澆注時鑄型處于水平位置，澆注結(jié)束后，立即將冒口端墊高，以強化冒口對鑄件的補縮。水平澆注工藝可使冷卻水管各部位在同一澆注時間內(nèi)同時承受相同的鋼水靜壓力和高溫熔蝕。因此，冷卻水管不會因局部過熱而變形或熔穿。側(cè)傾澆注工藝增強了冒口對鑄件的補縮能力，但容易使底部的冷卻水管因在鋼液中浸泡溶蝕時間過長而變形或熔穿。該工藝兼顧有水平澆注工藝和傾斜工藝之優(yōu)點。
本發(fā)明通過在冷卻管道中填充上述的冷卻介質(zhì)，可以使鋼水等高熔點的澆注液沿著由冷卻管道向壁體外側(cè)的方向凝固。可以保證冷卻管道在鋼水等澆注、凝固過程中，在1600℃高溫狀態(tài)下達(dá)到“熔而不化”的臨界狀態(tài)，即管外壁與澆注液熔合為一體，消除了熱阻，同時內(nèi)壁不熔化，不變形。應(yīng)用該制造技術(shù)可工業(yè)化生產(chǎn)各種結(jié)構(gòu)的鑄鋼冷卻壁，從而為鑄鋼冷卻壁完全取代鑄鐵冷卻壁提供了保證，能大幅度提高高爐壽命，由此降低高爐大修成本，確保高爐順行，提高利用系數(shù)。


圖1為各實施例澆注的鑄鋼冷卻壁結(jié)構(gòu)解剖示意圖。
圖2為鑄鋼冷卻壁澆注方式示意圖。
具體實施例方式
各實施例的冷卻介質(zhì)配方如下表(重量份比例)

以上配方中采用的鐵粉符合GB/4136-1984要求，電極粉型號為GB/T3518-1983，剛玉粉型號為GB/T2479-1996。
按照GB/T3651-1983的要求測量冷卻介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，測得各實施例結(jié)果如下

上表表明各實施例1、蓄熱能力大，有極強的急劇冷卻的作用；2、熱膨脹系數(shù)小，熱穩(wěn)定性好，3、不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，不生成氣體；而且實驗證明均不熔化，不粘連管壁，實施例4-8的效果更好。
取實施例4-8按下述鑄造澆注工藝過程澆注鑄鋼冷卻壁澆注工藝流程為首先制作木模，同時根據(jù)設(shè)計要求將20#低碳鋼熱軋無縫鋼管冷彎制成蛇形冷卻水管并經(jīng)噴砂除銹處理，組裝成一整體后，接著合箱，冷卻水管中充滿冷卻介質(zhì)，利用電爐冶煉的25#低碳鋼鋼液澆注成型，完畢后清砂，最后進行熱處理。
在上述的過程中，如圖2所示采用底注開放式澆注系統(tǒng)7，澆注系統(tǒng)7的澆口置于冷卻水管1之間，以避免高溫鋼液直接沖涮冷卻水管1，澆口對面端部設(shè)置有保溫冒口6。保溫冒口6采用大孔出流，平穩(wěn)充型的方式。澆注時鑄型處于水平位置，澆注結(jié)束后，立即將冒口端墊高。
電爐氧化法冶煉中氧化終點碳的含量控制在0.08-0.12％范圍內(nèi)，通過精料入爐，提高鋼水溫度，強化脫碳操作，保證鋼水的脫碳量在0.30％上。澆注溫度控制在1560-1580℃之間。先慢速開澆，當(dāng)鋼液接近冷卻水管位置時，加大澆注，讓鋼液快速包裹冷卻水管；當(dāng)鋼液液面超過冷卻水管時，再慢速澆注，至鋼液進入冒口高度2/3時，改由冒口補注直到澆注結(jié)束。為了充分發(fā)揮低碳微合金化鑄鋼的潛力，必須進行適當(dāng)?shù)臒崽幚?。冷卻壁澆注后，經(jīng)過24h保溫，消除鑄造內(nèi)應(yīng)力，細(xì)化組織，進一步改善微合金化對基體的強化作用，提高鋼的熱屈服強度、抗熱疲勞性及抗氧化性。
將澆注好的冷卻壁分別進行以下實驗。圖1中冷卻水管1、螺栓孔2、冷卻水管取樣位置3、芯部試樣取樣位置4、基體5。
實驗一附鑄試塊實驗每塊冷卻壁上附鑄三塊試塊，附鑄試塊的位置參照GB1348-88的規(guī)定放在冷卻壁側(cè)面的中心部位；附鑄試塊的制備參照GB1348-88中4.1.2的規(guī)定，試塊形狀和尺寸參照GB1348-88中表7的規(guī)定；附鑄試塊機械性能應(yīng)該達(dá)到；抗拉強度σb≥400N/mm2；延伸率δ5≥20％。
所得結(jié)果如下σb、δ5均為各個實施例取三塊冷卻壁的算術(shù)平均值。

實驗二解剖實驗對澆鑄好的冷卻壁按圖1虛線所示進行解剖。在冷卻水管取樣位置3處取20mm長的鑄件內(nèi)部鋼管，相應(yīng)鑄件外亦取20mm長鋼管。沿冷卻壁高度方向四等分的中心處即芯部試樣取樣位置4處各取一試樣。共取3塊試樣。試樣尺寸為180*40*40mm解剖檢驗的結(jié)果應(yīng)達(dá)到如下要求1、抗拉強度σb≥370N/mm2；2、從芯部試樣取樣位置4處取出三塊試塊的延伸率δ5平均不低于18％，任一試塊的最小延伸率不得低于16％；3、冷卻水管不能被熔穿，鑄鋼內(nèi)部沒有缺陷；4、管子位移量應(yīng)小于5mm。實驗結(jié)果如下芯部試樣的力學(xué)性能如下表

該表中鑄造冷卻壁1、鑄造冷卻壁2、鑄造冷卻壁3是指以實施例4-8作為冷卻介質(zhì)分別鑄造的三塊鑄鋼冷卻壁，最小延伸率是指每塊鑄造冷卻壁中取出的三塊芯部試樣中測得的延伸率最小的數(shù)值。
各個實施例經(jīng)肉眼觀察和金相分析，每塊冷卻管道外壁與壁體熔為一體，內(nèi)壁完好無損，鑄件內(nèi)部無裂紋，砂眼、縮孔等缺陷，管子無燒穿。管子金相組織由內(nèi)到外應(yīng)無明顯變差，無滲碳層。
實施例4-8中管子最大位移量為1.5mm。
實驗三通球試驗與打壓試驗冷卻壁制作完畢后，進行通球試驗與打壓試驗，通球直徑為水管的0.7-0.75倍，打壓試驗水壓為1.0Mpa，用0.75kg手錘敲擊冷卻壁各個部位，冷卻壁無漏水冒汗現(xiàn)象，30分鐘后，壓力降不大于3％才為合格。
現(xiàn)將各個實施例制成的冷卻壁管內(nèi)通0.75倍管徑的鋼球，均暢通無阻，經(jīng)2Mpa水壓實驗，保壓2小時，均無滲漏，用0.75kg手錘敲擊冷卻壁各個部位，冷卻壁均無漏水冒汗現(xiàn)象，30分鐘后，壓力均降為0％。
實驗四冷卻壁表面質(zhì)量檢驗冷卻壁內(nèi)側(cè)不允許有任何形式的缺陷，如砂眼、麻面、氣孔、裂紋等；冷卻壁外側(cè)的面上，鑄造缺陷深度不超過5mm，單個缺陷的直徑不大于10mm，在100*100mm2內(nèi)不多于2處，缺陷面積不超過其所在面積的3％。
檢查各個實施例制成的冷卻壁管冷卻壁，內(nèi)側(cè)均無缺陷；冷卻壁外側(cè)的面上，鑄造缺陷深度最大為2mm，直徑最大單個缺陷的直徑為2mm，在100*100mm2內(nèi)缺陷數(shù)量最多的為1處，缺陷面積最大的為其所在面積的0.5％。
權(quán)利要求
1.一種金屬基體冷卻壁的鑄造方法，其特征在于在冷卻管道中填充滿冷卻介質(zhì)，冷卻介質(zhì)主要包括剛玉粉、鐵粉、電極粉混合成的粉末，它們之間的重量比例為剛玉粉∶鐵粉∶電極粉＝1∶0.14～0.21∶0.04～0.10。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬基體冷卻壁的鑄造方法，其特征在于冷卻壁基體為低碳鋼或低碳合金鋼，用低碳鋼熱軋鋼管作為冷卻管道，在冷卻管道中填充滿冷卻介質(zhì)，冷卻介質(zhì)主要包括剛玉粉、鐵粉、電極粉混合成的粉末，它們之間的重量比例為剛玉粉∶鐵粉∶電極粉＝1∶0.14～0.21∶0.04～0.10。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種金屬基體冷卻壁的鑄造方法，其特征在于冷卻介質(zhì)為剛玉粉∶鐵粉∶電極粉＝1∶0.17～0.19∶0.05～0.07。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種金屬基體冷卻壁的鑄造方法，其特征在于低碳鋼或低碳合金鋼采用氧化法冶煉成澆注鋼液過程中，將氧化終點碳的含量控制在0.08-0.12％范圍內(nèi)，保證鋼水的脫碳量在0.30％以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種金屬基體冷卻壁的鑄造方法，其特征在于澆注溫度控制在1560-1580℃之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種金屬基體冷卻壁的鑄造方法，其特征在于先慢速開澆，當(dāng)鋼液接近冷卻水管位置時，加大澆注，讓鋼液快速包裹冷卻水管；當(dāng)鋼液液面超過冷卻水管時，再慢速澆注，至鋼液進入冒口高度2/3時，改由冒口補注直到澆注結(jié)束。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種金屬基體冷卻壁的鑄造方法，其特征在于采用底注開放式澆注系統(tǒng)，澆口對面端部設(shè)置有保溫冒口，澆注時鑄型處于水平位置，澆注結(jié)束后，立即將冒口端墊高。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種以高熔點金屬鋼為基體的冷卻壁的鑄造方法。即在冷卻管道中填充滿冷卻介質(zhì)，冷卻介質(zhì)主要包括剛玉粉、鐵粉、電極粉混合成的粉末，它們之間的重量比例為剛玉粉∶鐵粉∶電極粉＝1∶0.14～0.21∶0.04～0.10。以上固體冷卻介質(zhì)與現(xiàn)有的制造冷卻壁的冷卻介質(zhì)比較，具有蓄熱能力大，冷卻作用更強；熱膨脹系數(shù)小，熱穩(wěn)定性好，不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，不生成氣體；不熔化，不粘連管壁，常溫下容易清理的優(yōu)點，克服了鑄造過程中冷卻管道易發(fā)生變形和熔穿的缺陷。
文檔編號B22C9/24GK1513622SQ0311346
公開日2004年7月21日 申請日期2003年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月12日
發(fā)明者朱童斌, 李小靜, 蘇允隆, 何云, 石瑋, 王黎明 申請人:馬鞍山鋼鐵股份有限公司