高炉铸钢冷却壁的铸造工艺设计及应用

郭学武，郭林

（济钢集团重工机械有限公司，山东济南250101）

·铸造工艺·

高炉铸钢冷却壁的铸造工艺设计及应用

郭学武，郭林

（济钢集团重工机械有限公司，山东济南250101）

通过对高炉冷却壁结构分析，找出冷却壁铸造工艺难点，采用适量内冷铁，借助仿真凝固模拟验证等措施，最终设计出合理的工艺方案，生产出高质量的合格铸件。

芯盒强度；内冷铁；浇注温度；凝固模拟

铸钢冷却壁是新一代高炉冷却壁，主要使用在高炉受热负荷较大的炉腹部位，其使用寿命的长短，质量的好坏直接影响着炼铁高炉的利用系数，影响着高炉的长寿高效生产。我厂生产的铸钢冷却壁单重3 217 kg，尺寸要求较高，进出水管、螺栓孔的位置要求准确，要确保和炉皮开孔位置对应一致，铸件不得有缩孔、气孔等铸造缺陷，冷却水管铸入冷却壁本体内，并且要求水管与本体要能很好的冶金结合，其原理是通过循环水冷却，来抵御周围高温恶劣环境，提高自身使用寿命，延长高炉使用时间。

1 工艺分析

1.1 结构特点

冷却壁外形尺寸为1 800 mm×737 mm×620 mm，材质为ZG200-400，是一种呈弧形结构的厚实类铸造低碳钢铸件，冷却壁本体内要铸入4根φ70 mm× 10 mmU形水管，每根U形水管上又有2个水管护管，护管也要随水管一起铸入冷却壁本体内，冷却壁本体上要铸出4个螺栓孔，冷却壁热面要铸出镶砖槽，形状结构如图1所示。

图1 冷却壁形状结构图

1.2 工艺难度分析

1）冷却壁本体较厚，主要壁厚为262 mm，中间又铸入冷却水管，会对补缩通道造成不利因素。

2）图纸要求铸出φ40 mm×170 mm螺栓孔，内孔粘砂可能性较大。

3）护管水管一起铸入本体，对保证护管与水管露出本体的尺寸控制较困难，水管与护管同心度也较难保证。

4）由于铸件本体较厚大，既要保证水管不被熔化又要保证本体致密无缩孔、缩松缺陷难度较大。

5）由于对螺栓孔的位置精度要求较高，螺栓孔的尺寸位置控制是个难点。

6）砖槽尺寸图纸要求较高，不加工尺寸公差为750 mm+2 mm，铸造时难度较大。

2 铸造工艺实施要点

通过对冷却壁结构的认真分析，制定初步工艺方案，采用平做立浇，以利于实现顺序凝固，保证组织致密，且比平浇工艺出品率也有较大提高。

2.1 模型工艺

考虑到铸件批量较大，模型采用实样木模，在模型上要做出起模鼻，对称4件；为保证螺栓孔位置精度，将下部螺栓孔芯头加大，芯头高度采用80 mm，上部在模型表面刻出螺栓孔中心线，造型时将中心线引到砂型上，下芯子时定位用。上盖箱做出定位芯头，为防止后道浇钢工序合箱时碰坏芯子，上部定位芯头斜度要适当加大一些。冷却壁模型结构如图2所示。模型采用红松木材，主体板厚50 mm，木材含水率8%～12%；内挡距300 mm～350 mm；模型要求表面光洁度达到1级,要求棱角分明。

图2 冷却壁模型结构图

2.2 芯盒及芯子

1）芯盒：为保证砖槽尺寸精度，达到图纸精度要求，砖槽芯盒采用脱落式结构，增加芯盒强度，防止制芯时尺寸胀大。砖槽芯子质量直接影响镶砖能否顺利镶进砖槽内，为此对芯子质量进行重点控制，采取增加芯子紧实度，保证芯子紧实度高而且均匀，在砖槽底部及尖角处采用耐火度较高的铬铁矿砂，厚度为5 mm～10 mm，并将整体芯子表面涂刷醇基锆英粉涂料一遍。

2）螺栓孔芯子确定：要在整体壁厚为262 mm的冷却壁内铸出φ40 mm的螺栓孔，按常规铸造方法出砂芯是不可行的，必须另辟蹊径。经合理考虑工艺参数，我们设计采用无缝钢管与砂芯相结合的方法。圆孔部位采用无缝钢管，内部刷涂料后填水玻璃70砂，在方孔部位采用芯子，芯子表层覆10 mm厚铬铁矿砂，里层用水玻璃70砂，从而克服了如此深的孔用常规铸造方法难以实现的问题。

2.3 造型操作

为保证水管位置正确防止水管偏斜，专门设计造型撞箱样板，如图3所示。造型在撞箱时，将样板套在水管管棒上，防止水管管棒在撞箱过程中，位置变化，从而保证水管尺寸正确。

图3 冷却壁造型撞箱样板图

2.4 冷却水管制作

冷却水管应按图纸弯曲成形，实际弯曲半径与图纸中所示名义的偏差允许为±2 mm，弯曲处不允许有皱纹，凹扁，起皮和伤痕，由于弯管引起的管壁变薄量应小于原壁厚的15%。每根冷却水管应用整根钢管由弯管机械冷弯而成，弯制完成后要进行打压、通球检验，实验压力为1.6 MPa，同时用0.75 kg的木锤敲击，经30 min的水压试验无漏水、“冒汗”现象，压力降不大于3%方可使用，通球的直径为钢管内径的80%，压缩空气正反向顺理吹出为合格。

2.5 内冷铁设计

1）内冷铁重量

根据铸造手册,依据浇注钢液温度和Mo（铸件原始模数）/Mr（铸件加入内冷铁后的模数）的比值，确定被冷铁激冷部位单位体积铸件所需要的内冷铁重量,乘以铸件被激冷体积Vo即可计算出内冷铁重量Gch。浇注温度为1 550℃，Mo/Mr为1.4时，Gch＝0.23 kg·dm-3×Vo≈78 kg。

2）内冷铁截面尺寸

内冷铁的设计不仅要考虑熔合内冷铁的重量,还要考虑熔合内冷铁的最大直径,如果选择的内冷铁直径过大,会造成内冷铁熔合不良,降低了产品的设计强度,可能造成铸件出现开裂。由于熔合内冷铁要求冷铁表面的熔融时间与被冷铁激冷部位铸件的凝固时间相等,根据该原理并结合模拟实验数据,可得出熔合内冷铁截面最大直径为：22.5 mm。

3）内冷铁的结构

内冷铁结构设计不仅遵循顺序凝固及铸件中心部位散热慢的原则,还要考虑铸件质量要求,表层与内部允许的缺陷大小不同,因此我们设计内冷铁时充分考虑了这些因素,为了能使内冷铁与铸件充分熔合,选用直径φ20 mm和φ12 mm两种规格的近似材质的圆钢进行组合,结构设计成网格状,从上到下由稀至密,靠近水管处用φ12 mm圆钢，适当密一些，并且摆放时要求内冷铁与型壁间保持合适的间距。

2.6 浇注系统设计

针对浇注系统和冒口设置，我们设计三种方案如图4，并利用模拟软件，分别进行充型模拟。从模拟充型结果得出第三种浇注系统效果最合理，如图4c）金属液自下而上进入型腔，对型腔冲击力小，冲型平稳，砂型不易产生局部过热。同时高温金属液在型腔上部，有利于形成顺序凝固和排气。

图4 浇注系统及冒口设置方案

3 计算机仿真模拟验证

参照图4 c）所示工艺方案进行计算机仿真凝固模拟，模拟结果如图5所示。从凝固模拟结果来看，缩孔都集中在冒口内，冷却壁本体内无缩孔，铸件内部质量良好，能够满足技术要求，此项工艺方案可行。

图5 冷却壁模拟凝固结果图

4 合箱浇注

合箱时要检查铸型是否完好、冷却水管等是否有碰坏歪斜、冷却水管与砂箱的连接是否牢靠等，必要时可验箱，所有不合格项都必须完全修正后再扣箱，吹净铸型内及浇道内散砂，对正箱泥号后合箱，打紧卡子，最后再将箱缝抹严。浇注温度主要是考虑钢液与水管的熔合,并且还要保证不熔化水管，如果钢液温度过低,则内冷铁与铸件就不可能熔合好，铸件易产生浇不足缺陷。但浇注温度过高时,钢液凝固时间过长,收缩量增大，产生缩孔、缩松及熔化管子的机会增加。综合各方面的因素,并借助仿真凝固软件进行充型凝固模拟，最终确定浇注温度控制在1 550℃～1 570℃较为合适。为防止浇注时钢水熔化水管造成水管漏水和不通球缺陷，在浇注过程中又采取往水管内通入氮气，对水管进行冷却降温，避免管子内壁被空气氧化。浇注过程中采取“先慢、后快、再慢”的原则，即先慢速开浇,当钢液接近冷却水管位置时，加大浇速，让钢液快速包裹冷却水管，当钢液液面超过冷却水管时，再慢速浇注，至钢液进入冒口高度2/3时，改由冒口补注直到浇注结束。

5 结束语

经过实际生产验证，采取上述工艺方案生产的冷却壁铸件，表面质量良好，没有粘砂、缩孔等缺陷，螺栓孔、水管、护管尺寸准确，完全通过成品件样板检查，通过对附铸试块进行机械性能检测，完全符合国家标准要求，为进一步检验内在质量，我们又对生产的冷却壁随机抽取一块进行剖开检查验证，铸件内部无铸造缺陷，水管与本体熔化良好，符合图纸设计要求，铸件剖开后的端面如图6所示。铸件合格率100%，该工艺对同类铸件的工艺设计和生产同样具有借鉴价值。

图6 铸件剖开后的端面及管子熔合情况

［1］中国机械工程学会铸造分.铸造手册·铸造工艺（第5卷）［M］.北京：机械工业出版社，2003.

Casting Process Design and Application for Cast Steel Cooling Stave

GUO Xue-wu,GUO Lin
（Jigang Group Heavy Machinery Co.Ltd,ShanDong Jinan 250101，China）

Based on the structure of cooling stave，the difficulties in casting process of cooling stave were studied.Using proper cold chiller，taking measures of solidification simulation test，the reasonable process procedure was designed and the high quality casting were produced.

core box strength，inner chiller,pouring temperature，solidification simulation

TG24

A

1674-6694（2010）06-0015-03

2010-08-20

郭学武（1963-）,男，研究员，高级工程师，副经理。主要从事技术研究及管理工作。