高爐鑄鋼冷卻壁的鑄造工藝設(shè)計及應(yīng)用

郭學(xué)武，郭林

（濟鋼集團重工機械有限公司，山東濟南250101）

·鑄造工藝·

高爐鑄鋼冷卻壁的鑄造工藝設(shè)計及應(yīng)用

郭學(xué)武，郭林

（濟鋼集團重工機械有限公司，山東濟南250101）

通過對高爐冷卻壁結(jié)構(gòu)分析，找出冷卻壁鑄造工藝難點，采用適量內(nèi)冷鐵，借助仿真凝固模擬驗證等措施，最終設(shè)計出合理的工藝方案，生產(chǎn)出高質(zhì)量的合格鑄件。

芯盒強度；內(nèi)冷鐵；澆注溫度；凝固模擬

鑄鋼冷卻壁是新一代高爐冷卻壁，主要使用在高爐受熱負荷較大的爐腹部位，其使用壽命的長短，質(zhì)量的好壞直接影響著煉鐵高爐的利用系數(shù)，影響著高爐的長壽高效生產(chǎn)。我廠生產(chǎn)的鑄鋼冷卻壁單重3 217 kg，尺寸要求較高，進出水管、螺栓孔的位置要求準確，要確保和爐皮開孔位置對應(yīng)一致，鑄件不得有縮孔、氣孔等鑄造缺陷，冷卻水管鑄入冷卻壁本體內(nèi)，并且要求水管與本體要能很好的冶金結(jié)合，其原理是通過循環(huán)水冷卻，來抵御周圍高溫惡劣環(huán)境，提高自身使用壽命，延長高爐使用時間。

1 工藝分析

1.1 結(jié)構(gòu)特點

冷卻壁外形尺寸為1 800 mm×737 mm×620 mm，材質(zhì)為ZG200-400，是一種呈弧形結(jié)構(gòu)的厚實類鑄造低碳鋼鑄件，冷卻壁本體內(nèi)要鑄入4根φ70 mm× 10 mmU形水管，每根U形水管上又有2個水管護管，護管也要隨水管一起鑄入冷卻壁本體內(nèi)，冷卻壁本體上要鑄出4個螺栓孔，冷卻壁熱面要鑄出鑲磚槽，形狀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 冷卻壁形狀結(jié)構(gòu)圖

1.2 工藝難度分析

1）冷卻壁本體較厚，主要壁厚為262 mm，中間又鑄入冷卻水管，會對補縮通道造成不利因素。

2）圖紙要求鑄出φ40 mm×170 mm螺栓孔，內(nèi)孔粘砂可能性較大。

3）護管水管一起鑄入本體，對保證護管與水管露出本體的尺寸控制較困難，水管與護管同心度也較難保證。

4）由于鑄件本體較厚大，既要保證水管不被熔化又要保證本體致密無縮孔、縮松缺陷難度較大。

5）由于對螺栓孔的位置精度要求較高，螺栓孔的尺寸位置控制是個難點。

6）磚槽尺寸圖紙要求較高，不加工尺寸公差為750 mm+2 mm，鑄造時難度較大。

2 鑄造工藝實施要點

通過對冷卻壁結(jié)構(gòu)的認真分析，制定初步工藝方案，采用平做立澆，以利于實現(xiàn)順序凝固，保證組織致密，且比平澆工藝出品率也有較大提高。

2.1 模型工藝

考慮到鑄件批量較大，模型采用實樣木模，在模型上要做出起模鼻，對稱4件；為保證螺栓孔位置精度，將下部螺栓孔芯頭加大，芯頭高度采用80 mm，上部在模型表面刻出螺栓孔中心線，造型時將中心線引到砂型上，下芯子時定位用。上蓋箱做出定位芯頭，為防止后道澆鋼工序合箱時碰壞芯子，上部定位芯頭斜度要適當加大一些。冷卻壁模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。模型采用紅松木材，主體板厚50 mm，木材含水率8%～12%；內(nèi)擋距300 mm～350 mm；模型要求表面光潔度達到1級,要求棱角分明。

圖2 冷卻壁模型結(jié)構(gòu)圖

2.2 芯盒及芯子

1）芯盒：為保證磚槽尺寸精度，達到圖紙精度要求，磚槽芯盒采用脫落式結(jié)構(gòu)，增加芯盒強度，防止制芯時尺寸脹大。磚槽芯子質(zhì)量直接影響鑲磚能否順利鑲進磚槽內(nèi)，為此對芯子質(zhì)量進行重點控制，采取增加芯子緊實度，保證芯子緊實度高而且均勻，在磚槽底部及尖角處采用耐火度較高的鉻鐵礦砂，厚度為5 mm～10 mm，并將整體芯子表面涂刷醇基鋯英粉涂料一遍。

2）螺栓孔芯子確定：要在整體壁厚為262 mm的冷卻壁內(nèi)鑄出φ40 mm的螺栓孔，按常規(guī)鑄造方法出砂芯是不可行的，必須另辟蹊徑。經(jīng)合理考慮工藝參數(shù)，我們設(shè)計采用無縫鋼管與砂芯相結(jié)合的方法。圓孔部位采用無縫鋼管，內(nèi)部刷涂料后填水玻璃70砂，在方孔部位采用芯子，芯子表層覆10 mm厚鉻鐵礦砂，里層用水玻璃70砂，從而克服了如此深的孔用常規(guī)鑄造方法難以實現(xiàn)的問題。

2.3 造型操作

為保證水管位置正確防止水管偏斜，專門設(shè)計造型撞箱樣板，如圖3所示。造型在撞箱時，將樣板套在水管管棒上，防止水管管棒在撞箱過程中，位置變化，從而保證水管尺寸正確。

圖3 冷卻壁造型撞箱樣板圖

2.4 冷卻水管制作

冷卻水管應(yīng)按圖紙彎曲成形，實際彎曲半徑與圖紙中所示名義的偏差允許為±2 mm，彎曲處不允許有皺紋，凹扁，起皮和傷痕，由于彎管引起的管壁變薄量應(yīng)小于原壁厚的15%。每根冷卻水管應(yīng)用整根鋼管由彎管機械冷彎而成，彎制完成后要進行打壓、通球檢驗，實驗壓力為1.6 MPa，同時用0.75 kg的木錘敲擊，經(jīng)30 min的水壓試驗無漏水、“冒汗”現(xiàn)象，壓力降不大于3%方可使用，通球的直徑為鋼管內(nèi)徑的80%，壓縮空氣正反向順理吹出為合格。

2.5 內(nèi)冷鐵設(shè)計

1）內(nèi)冷鐵重量

根據(jù)鑄造手冊,依據(jù)澆注鋼液溫度和Mo（鑄件原始模數(shù)）/Mr（鑄件加入內(nèi)冷鐵后的模數(shù)）的比值，確定被冷鐵激冷部位單位體積鑄件所需要的內(nèi)冷鐵重量,乘以鑄件被激冷體積Vo即可計算出內(nèi)冷鐵重量Gch。澆注溫度為1 550℃，Mo/Mr為1.4時，Gch＝0.23 kg·dm-3×Vo≈78 kg。

2）內(nèi)冷鐵截面尺寸

內(nèi)冷鐵的設(shè)計不僅要考慮熔合內(nèi)冷鐵的重量,還要考慮熔合內(nèi)冷鐵的最大直徑,如果選擇的內(nèi)冷鐵直徑過大,會造成內(nèi)冷鐵熔合不良,降低了產(chǎn)品的設(shè)計強度,可能造成鑄件出現(xiàn)開裂。由于熔合內(nèi)冷鐵要求冷鐵表面的熔融時間與被冷鐵激冷部位鑄件的凝固時間相等,根據(jù)該原理并結(jié)合模擬實驗數(shù)據(jù),可得出熔合內(nèi)冷鐵截面最大直徑為：22.5 mm。

3）內(nèi)冷鐵的結(jié)構(gòu)

內(nèi)冷鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅遵循順序凝固及鑄件中心部位散熱慢的原則,還要考慮鑄件質(zhì)量要求,表層與內(nèi)部允許的缺陷大小不同,因此我們設(shè)計內(nèi)冷鐵時充分考慮了這些因素,為了能使內(nèi)冷鐵與鑄件充分熔合,選用直徑φ20 mm和φ12 mm兩種規(guī)格的近似材質(zhì)的圓鋼進行組合,結(jié)構(gòu)設(shè)計成網(wǎng)格狀,從上到下由稀至密,靠近水管處用φ12 mm圓鋼，適當密一些，并且擺放時要求內(nèi)冷鐵與型壁間保持合適的間距。

2.6 澆注系統(tǒng)設(shè)計

針對澆注系統(tǒng)和冒口設(shè)置，我們設(shè)計三種方案如圖4，并利用模擬軟件，分別進行充型模擬。從模擬充型結(jié)果得出第三種澆注系統(tǒng)效果最合理，如圖4c）金屬液自下而上進入型腔，對型腔沖擊力小，沖型平穩(wěn)，砂型不易產(chǎn)生局部過熱。同時高溫金屬液在型腔上部，有利于形成順序凝固和排氣。

圖4 澆注系統(tǒng)及冒口設(shè)置方案

3 計算機仿真模擬驗證

參照圖4 c）所示工藝方案進行計算機仿真凝固模擬，模擬結(jié)果如圖5所示。從凝固模擬結(jié)果來看，縮孔都集中在冒口內(nèi)，冷卻壁本體內(nèi)無縮孔，鑄件內(nèi)部質(zhì)量良好，能夠滿足技術(shù)要求，此項工藝方案可行。

圖5 冷卻壁模擬凝固結(jié)果圖

4 合箱澆注

合箱時要檢查鑄型是否完好、冷卻水管等是否有碰壞歪斜、冷卻水管與砂箱的連接是否牢靠等，必要時可驗箱，所有不合格項都必須完全修正后再扣箱，吹凈鑄型內(nèi)及澆道內(nèi)散砂，對正箱泥號后合箱，打緊卡子，最后再將箱縫抹嚴。澆注溫度主要是考慮鋼液與水管的熔合,并且還要保證不熔化水管，如果鋼液溫度過低,則內(nèi)冷鐵與鑄件就不可能熔合好，鑄件易產(chǎn)生澆不足缺陷。但澆注溫度過高時,鋼液凝固時間過長,收縮量增大，產(chǎn)生縮孔、縮松及熔化管子的機會增加。綜合各方面的因素,并借助仿真凝固軟件進行充型凝固模擬，最終確定澆注溫度控制在1 550℃～1 570℃較為合適。為防止?jié)沧r鋼水熔化水管造成水管漏水和不通球缺陷，在澆注過程中又采取往水管內(nèi)通入氮氣，對水管進行冷卻降溫，避免管子內(nèi)壁被空氣氧化。澆注過程中采取“先慢、后快、再慢”的原則，即先慢速開澆,當鋼液接近冷卻水管位置時，加大澆速，讓鋼液快速包裹冷卻水管，當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。

5 結(jié)束語

經(jīng)過實際生產(chǎn)驗證，采取上述工藝方案生產(chǎn)的冷卻壁鑄件，表面質(zhì)量良好，沒有粘砂、縮孔等缺陷，螺栓孔、水管、護管尺寸準確，完全通過成品件樣板檢查，通過對附鑄試塊進行機械性能檢測，完全符合國家標準要求，為進一步檢驗內(nèi)在質(zhì)量，我們又對生產(chǎn)的冷卻壁隨機抽取一塊進行剖開檢查驗證，鑄件內(nèi)部無鑄造缺陷，水管與本體熔化良好，符合圖紙設(shè)計要求，鑄件剖開后的端面如圖6所示。鑄件合格率100%，該工藝對同類鑄件的工藝設(shè)計和生產(chǎn)同樣具有借鑒價值。

圖6 鑄件剖開后的端面及管子熔合情況

［1］中國機械工程學(xué)會鑄造分.鑄造手冊·鑄造工藝（第5卷）［M］.北京：機械工業(yè)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

郭學(xué)武（1963-）,男，研究員，高級工程師，副經(jīng)理。主要從事技術(shù)研究及管理工作。