高爐用水冷鋼磚的鑄造工藝研究

鄧守梁，萬(wàn)黎明

本溪鋼鐵（集團(tuán)）機(jī)械制造有限責(zé)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(zhì)量的優(yōu)劣直接影響高爐爐壁的耐用性，對(duì)高爐一代爐齡的長(zhǎng)短至關(guān)重要。水冷鋼磚結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)要求高，尺寸及表面質(zhì)量要求嚴(yán)格。由于使用時(shí)零件內(nèi)部要通循環(huán)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(wú)“冒汗”現(xiàn)象）。針對(duì)該鑄件結(jié)構(gòu)的特殊性，結(jié)合我廠的實(shí)際情況，制定合理的鑄造工藝，在生產(chǎn)中嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，生產(chǎn)出符合技術(shù)要求的鑄鋼件。

2 水冷鋼磚材質(zhì)及結(jié)構(gòu)分析

1）水冷鋼磚材質(zhì)為ZG270-500[1]，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 水冷鋼磚化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2）水冷鋼磚鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜（見(jiàn)圖1），且要求進(jìn)行0.5MPa的水壓試驗(yàn)，保壓1h無(wú)“冒汗”現(xiàn)象。水冷鋼磚輪廓尺寸為1022.7mm×600mm×868mm，內(nèi)部是封閉空腔，外部鑲嵌有兩根總高度為400mm的φ40mm×6mmA3無(wú)縫鋼管，鋼管外襯護(hù)管。無(wú)縫鋼管及護(hù)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(nèi)部且貫穿整個(gè)鑄件有兩個(gè)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(yán)格，否則會(huì)影響爐壁的固定和組裝。鑄件壁厚最大處150mm、最薄處30mm。對(duì)鑄鋼件來(lái)說(shuō)，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(wú)冷卻水管的弧形表面鑄入兩個(gè)鍛爪吊環(huán)，以便于高爐安裝時(shí)吊裝。

圖1 水冷鋼磚結(jié)構(gòu)

3 鑄造工藝

3.1 鑄造工藝方案設(shè)計(jì)

根據(jù)該鑄件的結(jié)構(gòu)，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(shè)置明冒口。將鑲嵌的無(wú)縫鋼管及護(hù)管朝下，T形結(jié)構(gòu)的護(hù)管及加長(zhǎng)的上下芯頭將無(wú)縫鋼管固定在砂型中。為保證兩個(gè)細(xì)長(zhǎng)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(chǎn)生的氣體被順利排除（水分及其他高溫復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體），以及便于串皮砂芯的固定和澆注后鑄件內(nèi)部廢砂清理，在水冷鋼磚的兩側(cè)加工面中部各設(shè)置兩個(gè)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(qiáng)度固定在砂型中[2]。

圖2 鑄造工藝

3.2 工藝參數(shù)的選擇

由于此鑄鋼件材質(zhì)為ZG270-500的復(fù)雜結(jié)構(gòu)厚大件，取線(xiàn)收縮率為2%，加工余量取10mm，為滿(mǎn)足圓弧整體組裝需要，在弦長(zhǎng)尺寸方向上取-3mm的工藝修正參數(shù)。

3.3 澆注系統(tǒng)及冒口的設(shè)置

為使鋼液在較短的時(shí)間內(nèi)充滿(mǎn)型腔，設(shè)置內(nèi)澆道兩道, 采用耐火陶瓷管?？紤]鑄件壁厚不均，采用順序凝固的原則，兩道內(nèi)澆道在中箱設(shè)置成階梯狀。根據(jù)鋼液上升速度＞15mm/s的要求計(jì)算充型時(shí)間，同時(shí)選用開(kāi)放式澆注系統(tǒng)，各截面積比為 ∑F直:∑F橫:∑F內(nèi)=1:1.2:1.4。

按照鑄鋼件冒口模數(shù)的計(jì)算原則，M冒＞M件，M件＝V/S散熱計(jì)算后，選用φ250mm圓形冒口2個(gè)，冒口高450mm，斜度1:10，均布在上表面壁厚處，這樣冒口能對(duì)鑄件的體收縮進(jìn)行補(bǔ)縮，澆注后使位于下箱的凸臺(tái)最先凝固，然后逐漸向上凝固，從而實(shí)現(xiàn)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(wú)縫鋼管的處理

在造型前，對(duì)無(wú)縫鋼管及護(hù)管采用噴丸進(jìn)行除銹處理，為防止無(wú)縫鋼管及護(hù)管在高溫鋼液的作用下產(chǎn)生變形，用耐火度較高的干鎂砂將鋼管充滿(mǎn)并搗實(shí)。

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(zhì)量，針對(duì)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(diǎn)，為防止鑄件脹箱，保證尺寸精度，型砂及2#、3#砂芯選擇強(qiáng)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(jié)劑配比的水玻璃砂。具體的型芯砂配比見(jiàn)表2[3]。

表2 型芯砂配比 （%）

4.2 鑄型、砂芯的干燥

為防止?jié)沧⑦^(guò)程中型芯砂中的氣體對(duì)鑄件質(zhì)量的影響，將鑄型和砂芯入烘干窯進(jìn)行干燥處理，干燥溫度曲線(xiàn)如3所示。干燥后鑄型要及時(shí)合型澆注，防止鑄型放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而吸潮。

圖3 型芯干燥溫度曲線(xiàn)

5 熔煉、澆注工藝要點(diǎn)

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(shí)必須保證熔煉過(guò)程脫碳量在0.2%~0.4%。在熔化期，當(dāng)爐料熔化60%后，加入適量的小塊礦石、螢石及石灰進(jìn)行造渣[4]。鋼液熔清后溫度在1580℃時(shí)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(zhì)量分?jǐn)?shù)）一般在0.25%以下開(kāi)始凈沸騰，10min后加入錳鐵進(jìn)行預(yù)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(diào)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(zhèn)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(bǔ)縮效率（也可以采用保溫冒口或加冒口發(fā)熱劑）。

6 鑄件的終處理

1）水冷鋼磚鑄件澆注后，要及時(shí)松箱，以減少收縮阻力。

2）根據(jù)水冷鋼磚鑄件壁厚、重量大、體積小的特點(diǎn)，為防止開(kāi)箱過(guò)早引起鑄件產(chǎn)生裂紋，根據(jù)計(jì)算選擇型內(nèi)保溫時(shí)間＞20h[1]。

3）鑄件的熱處理：為消除鑄件內(nèi)的鑄造應(yīng)力，改善鑄件切削加工性能，提高其綜合力學(xué)性能，必須進(jìn)行鑄件的熱處理。我們采用完全退火方法，退火曲線(xiàn)如圖4所示。完全退火可以有效地改善鑄件內(nèi)部組織的不均勻性，消除過(guò)熱組織及魏氏體組織，細(xì)化晶粒。

圖4 退火處理曲線(xiàn)

7 生產(chǎn)結(jié)果

1）按上述鑄造工藝方案試生產(chǎn)了一套水冷鋼磚，用檢查樣板檢測(cè)外形尺寸及螺栓孔位置等，均符合圖樣和相關(guān)技術(shù)協(xié)議要求。

2）用水壓0.5MPa進(jìn)行泄漏試驗(yàn)，保壓1h后均無(wú)“冒汗”現(xiàn)象。

8 結(jié)束語(yǔ)

1）通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐，我們掌握了采用水玻璃硅砂進(jìn)行此類(lèi)復(fù)雜鑄鋼件的鑄造技術(shù)，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(chǎn)，減少了由于該產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題而造成的休工時(shí)間，受到了用戶(hù)的好評(píng)。

2）通過(guò)對(duì)鑄件進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析，利用現(xiàn)有的生產(chǎn)條件，制定科學(xué)合理的工藝方案，在生產(chǎn)中選擇合理工藝參數(shù)，控制熔煉過(guò)程各環(huán)節(jié)操作質(zhì)量，可以生產(chǎn)出高標(biāo)準(zhǔn)要求的水冷鋼磚鑄件。