高炉用水冷钢砖的铸造工艺研究

邓守梁，万黎明

本溪钢铁（集团）机械制造有限责任公司 辽宁本溪 117000

1 序言

水冷钢砖是高炉重要的部件之一，其质量的优劣直接影响高炉炉壁的耐用性，对高炉一代炉龄的长短至关重要。水冷钢砖结构复杂，技术要求高，尺寸及表面质量要求严格。由于使用时零件内部要通循环水冷却，因此要求铸件必须有足够的耐压性（水压0.5MPa保压1h无“冒汗”现象）。针对该铸件结构的特殊性，结合我厂的实际情况，制定合理的铸造工艺，在生产中严格控制工艺参数，生产出符合技术要求的铸钢件。

2 水冷钢砖材质及结构分析

1）水冷钢砖材质为ZG270-500[1]，化学成分见表1。

表1 水冷钢砖化学成分（质量分数） （%）

2）水冷钢砖铸件结构复杂（见图1），且要求进行0.5MPa的水压试验，保压1h无“冒汗”现象。水冷钢砖轮廓尺寸为1022.7mm×600mm×868mm，内部是封闭空腔，外部镶嵌有两根总高度为400mm的φ40mm×6mmA3无缝钢管，钢管外衬护管。无缝钢管及护管在高温钢液的作用下极易变形，铸件尺寸精度难以控制。在铸件内部且贯穿整个铸件有两个高860mm的固定用螺栓孔（铸孔），为钢砖的安装定位孔，因此孔的位置精度及尺寸精度要求严格，否则会影响炉壁的固定和组装。铸件壁厚最大处150mm、最薄处30mm。对铸钢件来说，壁厚极不均匀，形成缩孔、缩松、裂纹等铸造缺陷的倾向大。铸件表面70%为不加工表面，且需在无冷却水管的弧形表面铸入两个锻爪吊环，以便于高炉安装时吊装。

图1 水冷钢砖结构

3 铸造工艺

3.1 铸造工艺方案设计

根据该铸件的结构，采用三箱造型工艺方案，如图2所示。铸件的厚平面朝上，以便于在厚平面处设置明冒口。将镶嵌的无缝钢管及护管朝下，T形结构的护管及加长的上下芯头将无缝钢管固定在砂型中。为保证两个细长螺栓孔的位置和尺寸公差，要求用钢管和方形管焊接制成具有激冷作用的冷铁管，在木模样上做出冷铁管芯头座，先将随形冷铁管固定在木模上中再造型，用100mm高的芯头保证冷铁管位置公差。为保证1#串皮砂芯产生的气体被顺利排除（水分及其他高温复杂化学反应产生的气体），以及便于串皮砂芯的固定和浇注后铸件内部废砂清理，在水冷钢砖的两侧加工面中部各设置两个φ120mm的工艺孔，落砂清理后用丝堵封闭焊接。吊装用锻爪事先安装在木模样上，造型后靠型砂强度固定在砂型中[2]。

图2 铸造工艺

3.2 工艺参数的选择

由于此铸钢件材质为ZG270-500的复杂结构厚大件，取线收缩率为2%，加工余量取10mm，为满足圆弧整体组装需要，在弦长尺寸方向上取-3mm的工艺修正参数。

3.3 浇注系统及冒口的设置

为使钢液在较短的时间内充满型腔，设置内浇道两道, 采用耐火陶瓷管。考虑铸件壁厚不均，采用顺序凝固的原则，两道内浇道在中箱设置成阶梯状。根据钢液上升速度＞15mm/s的要求计算充型时间，同时选用开放式浇注系统，各截面积比为 ∑F直:∑F横:∑F内=1:1.2:1.4。

按照铸钢件冒口模数的计算原则，M冒＞M件，M件＝V/S散热计算后，选用φ250mm圆形冒口2个，冒口高450mm，斜度1:10，均布在上表面壁厚处，这样冒口能对铸件的体收缩进行补缩，浇注后使位于下箱的凸台最先凝固，然后逐渐向上凝固，从而实现自下而上的顺序凝固，最终将缩孔集中在冒口中，从而获得组织致密的铸件。

3.4 铸入无缝钢管的处理

在造型前，对无缝钢管及护管采用喷丸进行除锈处理，为防止无缝钢管及护管在高温钢液的作用下产生变形，用耐火度较高的干镁砂将钢管充满并捣实。

4 型砂的选择及铸型、砂芯的干燥

4.1 型砂的选择

为保证铸件表面质量，针对水冷钢砖的壁厚较大、体积小、重量大（1.7t）、散热表面积小且蓄热大的特点，为防止铸件胀箱，保证尺寸精度，型砂及2#、3#砂芯选择强度高的酯固化水玻璃硅砂。为保证1#串皮芯清砂方便，1#砂芯选用低黏结剂配比的水玻璃砂。具体的型芯砂配比见表2[3]。

表2 型芯砂配比 （%）

4.2 铸型、砂芯的干燥

为防止浇注过程中型芯砂中的气体对铸件质量的影响，将铸型和砂芯入烘干窑进行干燥处理，干燥温度曲线如3所示。干燥后铸型要及时合型浇注，防止铸型放置时间过长而吸潮。

图3 型芯干燥温度曲线

5 熔炼、浇注工艺要点

采用电弧炉熔炼，入炉料必须是低磷、少锈、干燥的废钢料，再配一定量的铸造生铁。配料时必须保证熔炼过程脱碳量在0.2%~0.4%。在熔化期，当炉料熔化60%后，加入适量的小块矿石、萤石及石灰进行造渣[4]。钢液熔清后温度在1580℃时加入矿石氧化。在氧化期，保证脱碳量在0.2%~0.4%，以便有效地去除钢液中的气体和夹杂物；wP必须控制在0.025%以下，氧化末期终碳含量（质量分数）一般在0.25%以下开始净沸腾，10min后加入锰铁进行预脱氧。为保证脱氧效果，还原期作为造渣材料的电石，加入量在1~1.5kg/t钢液，才能保证在白渣下脱氧。30min后调整钢液成分及温度，出炉温度控制在（1590±10）℃，浇注温度控制在1550~1560℃。浇注前必须镇静3~10min，保证低温、快浇。浇注后冒口加盖覆盖剂并捣30min左右，以提高冒口的补缩效率（也可以采用保温冒口或加冒口发热剂）。

6 铸件的终处理

1）水冷钢砖铸件浇注后，要及时松箱，以减少收缩阻力。

2）根据水冷钢砖铸件壁厚、重量大、体积小的特点，为防止开箱过早引起铸件产生裂纹，根据计算选择型内保温时间＞20h[1]。

3）铸件的热处理：为消除铸件内的铸造应力，改善铸件切削加工性能，提高其综合力学性能，必须进行铸件的热处理。我们采用完全退火方法，退火曲线如图4所示。完全退火可以有效地改善铸件内部组织的不均匀性，消除过热组织及魏氏体组织，细化晶粒。

图4 退火处理曲线

7 生产结果

1）按上述铸造工艺方案试生产了一套水冷钢砖，用检查样板检测外形尺寸及螺栓孔位置等，均符合图样和相关技术协议要求。

2）用水压0.5MPa进行泄漏试验，保压1h后均无“冒汗”现象。

8 结束语

1）通过生产实践，我们掌握了采用水玻璃硅砂进行此类复杂铸钢件的铸造技术，所铸造的水冷钢砖已在高炉上使用，能保证高炉的正常生产，减少了由于该产品质量问题而造成的休工时间，受到了用户的好评。

2）通过对铸件进行详细的结构分析，利用现有的生产条件，制定科学合理的工艺方案，在生产中选择合理工艺参数，控制熔炼过程各环节操作质量，可以生产出高标准要求的水冷钢砖铸件。