高爐用水冷鋼磚的鑄造工藝研究

鄧守梁，萬黎明

本溪鋼鐵（集團）機械制造有限責任公司 遼寧本溪 117000

1 序言

水冷鋼磚是高爐重要的部件之一，其質量的優劣直接影響高爐爐壁的耐用性，對高爐一代爐齡的長短至關重要。水冷鋼磚結構復雜，技術要求高，尺寸及表面質量要求嚴格。由于使用時零件內部要通循環水冷卻，因此要求鑄件必須有足夠的耐壓性（水壓0.5MPa保壓1h無“冒汗”現象）。針對該鑄件結構的特殊性，結合我廠的實際情況，制定合理的鑄造工藝，在生產中嚴格控制工藝參數，生產出符合技術要求的鑄鋼件。

2 水冷鋼磚材質及結構分析

1）水冷鋼磚材質為ZG270-500[1]，化學成分見表1。

表1 水冷鋼磚化學成分（質量分數） （%）

2）水冷鋼磚鑄件結構復雜（見圖1），且要求進行0.5MPa的水壓試驗，保壓1h無“冒汗”現象。水冷鋼磚輪廓尺寸為1022.7mm×600mm×868mm，內部是封閉空腔，外部鑲嵌有兩根總高度為400mm的φ40mm×6mmA3無縫鋼管，鋼管外襯護管。無縫鋼管及護管在高溫鋼液的作用下極易變形，鑄件尺寸精度難以控制。在鑄件內部且貫穿整個鑄件有兩個高860mm的固定用螺栓孔（鑄孔），為鋼磚的安裝定位孔，因此孔的位置精度及尺寸精度要求嚴格，否則會影響爐壁的固定和組裝。鑄件壁厚最大處150mm、最薄處30mm。對鑄鋼件來說，壁厚極不均勻，形成縮孔、縮松、裂紋等鑄造缺陷的傾向大。鑄件表面70%為不加工表面，且需在無冷卻水管的弧形表面鑄入兩個鍛爪吊環，以便于高爐安裝時吊裝。

圖1 水冷鋼磚結構

3 鑄造工藝

3.1 鑄造工藝方案設計

根據該鑄件的結構，采用三箱造型工藝方案，如圖2所示。鑄件的厚平面朝上，以便于在厚平面處設置明冒口。將鑲嵌的無縫鋼管及護管朝下，T形結構的護管及加長的上下芯頭將無縫鋼管固定在砂型中。為保證兩個細長螺栓孔的位置和尺寸公差，要求用鋼管和方形管焊接制成具有激冷作用的冷鐵管，在木模樣上做出冷鐵管芯頭座，先將隨形冷鐵管固定在木模上中再造型，用100mm高的芯頭保證冷鐵管位置公差。為保證1#串皮砂芯產生的氣體被順利排除（水分及其他高溫復雜化學反應產生的氣體），以及便于串皮砂芯的固定和澆注后鑄件內部廢砂清理，在水冷鋼磚的兩側加工面中部各設置兩個φ120mm的工藝孔，落砂清理后用絲堵封閉焊接。吊裝用鍛爪事先安裝在木模樣上，造型后靠型砂強度固定在砂型中[2]。

圖2 鑄造工藝

3.2 工藝參數的選擇

由于此鑄鋼件材質為ZG270-500的復雜結構厚大件，取線收縮率為2%，加工余量取10mm，為滿足圓弧整體組裝需要，在弦長尺寸方向上取-3mm的工藝修正參數。

3.3 澆注系統及冒口的設置

為使鋼液在較短的時間內充滿型腔，設置內澆道兩道, 采用耐火陶瓷管。考慮鑄件壁厚不均，采用順序凝固的原則，兩道內澆道在中箱設置成階梯狀。根據鋼液上升速度＞15mm/s的要求計算充型時間，同時選用開放式澆注系統，各截面積比為 ∑F直:∑F橫:∑F內=1:1.2:1.4。

按照鑄鋼件冒口模數的計算原則，M冒＞M件，M件＝V/S散熱計算后，選用φ250mm圓形冒口2個，冒口高450mm，斜度1:10，均布在上表面壁厚處，這樣冒口能對鑄件的體收縮進行補縮，澆注后使位于下箱的凸臺最先凝固，然后逐漸向上凝固，從而實現自下而上的順序凝固，最終將縮孔集中在冒口中，從而獲得組織致密的鑄件。

3.4 鑄入無縫鋼管的處理

在造型前，對無縫鋼管及護管采用噴丸進行除銹處理，為防止無縫鋼管及護管在高溫鋼液的作用下產生變形，用耐火度較高的干鎂砂將鋼管充滿并搗實。

4 型砂的選擇及鑄型、砂芯的干燥

4.1 型砂的選擇

為保證鑄件表面質量，針對水冷鋼磚的壁厚較大、體積小、重量大（1.7t）、散熱表面積小且蓄熱大的特點，為防止鑄件脹箱，保證尺寸精度，型砂及2#、3#砂芯選擇強度高的酯固化水玻璃硅砂。為保證1#串皮芯清砂方便，1#砂芯選用低黏結劑配比的水玻璃砂。具體的型芯砂配比見表2[3]。

表2 型芯砂配比 （%）

4.2 鑄型、砂芯的干燥

為防止澆注過程中型芯砂中的氣體對鑄件質量的影響，將鑄型和砂芯入烘干窯進行干燥處理，干燥溫度曲線如3所示。干燥后鑄型要及時合型澆注，防止鑄型放置時間過長而吸潮。

圖3 型芯干燥溫度曲線

5 熔煉、澆注工藝要點

采用電弧爐熔煉，入爐料必須是低磷、少銹、干燥的廢鋼料，再配一定量的鑄造生鐵。配料時必須保證熔煉過程脫碳量在0.2%~0.4%。在熔化期，當爐料熔化60%后，加入適量的小塊礦石、螢石及石灰進行造渣[4]。鋼液熔清后溫度在1580℃時加入礦石氧化。在氧化期，保證脫碳量在0.2%~0.4%，以便有效地去除鋼液中的氣體和夾雜物；wP必須控制在0.025%以下，氧化末期終碳含量（質量分數）一般在0.25%以下開始凈沸騰，10min后加入錳鐵進行預脫氧。為保證脫氧效果，還原期作為造渣材料的電石，加入量在1~1.5kg/t鋼液，才能保證在白渣下脫氧。30min后調整鋼液成分及溫度，出爐溫度控制在（1590±10）℃，澆注溫度控制在1550~1560℃。澆注前必須鎮靜3~10min，保證低溫、快澆。澆注后冒口加蓋覆蓋劑并搗30min左右，以提高冒口的補縮效率（也可以采用保溫冒口或加冒口發熱劑）。

6 鑄件的終處理

1）水冷鋼磚鑄件澆注后，要及時松箱，以減少收縮阻力。

2）根據水冷鋼磚鑄件壁厚、重量大、體積小的特點，為防止開箱過早引起鑄件產生裂紋，根據計算選擇型內保溫時間＞20h[1]。

3）鑄件的熱處理：為消除鑄件內的鑄造應力，改善鑄件切削加工性能，提高其綜合力學性能，必須進行鑄件的熱處理。我們采用完全退火方法，退火曲線如圖4所示。完全退火可以有效地改善鑄件內部組織的不均勻性，消除過熱組織及魏氏體組織，細化晶粒。

圖4 退火處理曲線

7 生產結果

1）按上述鑄造工藝方案試生產了一套水冷鋼磚，用檢查樣板檢測外形尺寸及螺栓孔位置等，均符合圖樣和相關技術協議要求。

2）用水壓0.5MPa進行泄漏試驗，保壓1h后均無“冒汗”現象。

8 結束語

1）通過生產實踐，我們掌握了采用水玻璃硅砂進行此類復雜鑄鋼件的鑄造技術，所鑄造的水冷鋼磚已在高爐上使用，能保證高爐的正常生產，減少了由于該產品質量問題而造成的休工時間，受到了用戶的好評。

2）通過對鑄件進行詳細的結構分析，利用現有的生產條件，制定科學合理的工藝方案，在生產中選擇合理工藝參數，控制熔煉過程各環節操作質量，可以生產出高標準要求的水冷鋼磚鑄件。