一种冷却壁及其加工方法与流程

本发明涉及冷却壁技术领域，更具体地说，涉及一种冷却壁及其加工方法。

背景技术：

炼铁高炉中大量使用冷却壁砌就，作为新一代高炉冷却壁的铸钢冷却壁与目前普遍采用的球墨铸铁冷却壁相比，具有延伸率高、抗拉强度高、熔点高、抗热冲击性及整体导热性能好等优点。铸铁冷却壁基体与冷却水管材质相差很大，受基体材质和铸造工艺的限制，基体与冷却水管之间存在0.1～0.3mm的气隙，导致热阻增大。然而，铸钢冷却壁基体与冷却水管材质相同或相近，特别的铸造技术使冷却水管的外壁与基体熔合为一体无缝隙，而内壁不熔化、不变形。铸钢冷却壁基体与冷却管道融为一体，消除了球墨铸铁冷却壁中基体与冷却管之间的间隙，减少了热阻，从而提高了高炉的使用寿命。用机械解剖和金相显微镜观察熔合交界区域无气隙和夹层，其组织为冶金结合组织。

铸钢冷却壁的基体材质为熔点很高的低碳合金钢，一般都选用与基体材质相同或相近的低碳钢热轧无缝钢管作为冷却管道，以取得良好的导热效果。由于冷却管道的形状根据冷却壁的具体使用场合往往设计成复杂不规则的形状，所以一般只能采用铸造工艺生产，然而在铸造过程中，即使采用常用的气冷、油冷等冷却方式来降低冷却管道温度，但由于铸钢钢水温度很高，还是很容易使冷却管道发生变形和熔穿，特别是可能在浇铸过程中因急剧膨胀的热气流来不及排放而引起爆炸的危险，长期以来这一铸造难题一直没有得到很好解决。目前，在铸钢冷却壁的铸造过程中，防止冷却水管熔穿，并使其“熔而不化”，是铸造工艺中的最大难点，防熔穿措施主要有两种：

(1)从外部防止冷却水管熔穿。从外部防止冷却水管熔穿，可以在水管外焊制一层随型内冷铁笼，或在水管外表涂刷隔热涂层。此类方法虽然可以从一定程度上防止水管熔穿，但是如果设计不当，将会严重影响冷却水管和冷却壁本体之间的熔合率，使水管的散热能力极大地降低，这也削弱了铸钢冷却壁导热性能好的优势。

(2)从内部防止冷却水管熔穿。从内防止水管熔穿，可以在冷却水管内部通入气体/固体冷却介质。通气可以使用氮气或者其他稀有气体，通气能够防止水管内壁在浇铸过程中被氧化，并且保护冷却水管使其“熔而不穿”。几乎所有形状的冷却水管都可以用通气的方式来冷却，但是通气需要额外的通气设备，并且通气时的气压、流速等诸多参数需要根据具体情况，反复摸索才能得出。灌入固体冷却介质到冷却水管中是一种比较简易并且可靠的方法，对灌入的固体介质的要求是：蓄热能力大，有较强的激冷作用；热膨胀系数小，热稳定性好；不发生化学反应，不生成气体；不熔化、不粘连管壁、易清理。通常使用多种材料混合而成，但是，固体冷却介质的配比对于实现“熔而不穿”至关重要，且受多方面因素的影响，反复摸索才能得出。

通过专利检索，关于铸钢冷却壁的生产方法已有相关的技术方案公开。如中国专利申请号：2014105920452，申请日：2014年10月29日，发明创造名称为：一种高炉用铸钢冷却壁及其制造方法，其步骤为：步骤一：将弯管前的冷却水管的一端堵住，从冷却水管的另一端装填耐高温填料；将装填耐高温填料后的冷却水管在弯管机上按弯头顺序进行冷弯操作；步骤二：型砂的准备包括面砂和背砂的准备；步骤三、利用型砂进行造型；铸钢冷却壁的浇铸钢水出钢温度控制在1610～1620℃，浇铸温度控制在1550～1560℃之内；步骤四、后续处理。该申请案使得冷却水管与铸钢冷却壁本体无缝隙熔合在一起，在高温钢水包熔下冷却水管的管壁也不会熔穿，但该申请案需要配置专门的耐高温填料，导致生产成本有所上升，行业内仍希望有一种更优化的方案来解决冷却水管的熔穿问题。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中高炉冷却壁容易发生冷却水管熔穿、影响冷却效果的不足，提供了一种冷却壁及其加工方法，通过严格控制加工过程，有效防止冷却水管熔穿，使其达到“熔而不化”且“无缝隙熔合”的技术效果，有效保障冷却壁的冷却效果。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种冷却壁的加工方法，包括以下步骤：

步骤一、冷却壁木模制作：按照冷却壁本体的结构形状制作冷却壁木模；

步骤二、砂型制作及冷却水管的排布：将冷却壁木模放入砂箱中，振实型砂造型，然后取出冷却壁木模形成型腔，将冷却水管排布在该型腔内；

步骤三、向型腔中注入钢液开始浇铸，钢液流动方向为由下向上逐渐浇铸；

步骤四、浇铸后冷却成型：浇铸结束后先自然冷却20～24h，再开箱自然冷却2～3h，冷却壁本体成型并取出；

步骤五、对冷却壁本体进行清砂处理，去除表面浮砂；

步骤六、对冷却壁本体进行试压测试和通球检测。

更进一步地，步骤一中冷却壁木模上开设有嵌砖槽的内侧面长宽尺寸均比冷却壁本体大1.6％～1.8％，冷却壁木模远离嵌砖槽的外侧面长宽尺寸均比冷却壁本体大2.1％～2.2％。

更进一步地，步骤二中铺设的冷却水管下部沿长度方向间隔点焊固定有冷铁。

更进一步地，步骤三中钢液浇铸前先镇定3～5min。

更进一步地，冷铁为长方体片状结构，单片长度为5～6cm，宽度为4～5cm，冷却水管下部冷铁的总长度l1为冷却水管延伸长度l2的1/35～1/20。

更进一步地，冷铁的厚度h1为冷却水管壁厚h2的1/2～2/3。

更进一步地，冷却水管下部的冷铁倾斜设置，且与水平面之间夹角α为5°～10°。

更进一步地，冷却水管下部相邻两块冷铁倾斜方向相对，多片冷铁在冷却水管下部形成间隔反向式设置。

更进一步地，步骤三中钢液浇铸温度为1500℃～1580℃。

本发明的一种冷却壁，包括冷却壁本体，该冷却壁本体采用如上所述的加工方法制成。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种冷却壁的加工方法，通过在冷却水管底部巧妙点焊片状冷铁，使其与浇铸温度、冷却水管内耐高温填料等因素等配合，在保障冷铁充分完全熔化的同时，对冷却水管管壁也具有良好的保护作用，使其熔而不化，与最终冷却壁本体之间良好无缝隙熔合，保障了冷却壁本体的良好冷却效果。

(2)本发明的一种冷却壁的加工方法，冷铁为长方体片状结构，冷铁的厚度h1为冷却水管壁厚h2的1/2～2/3，冷却水管下部冷铁的总长度l1为冷却水管延伸长度l2的1/35～1/20，采用这种间隔薄片式结构极大地避免了钢液一时之间难以将其完全熔化的风险，保障钢液既能将冷铁完全融化，又能避免将冷却水管熔穿，使其达到“熔而不化”且“无缝隙熔合”的良好效果。

(3)本发明的一种冷却壁的加工方法，冷却水管下部的冷铁倾斜设置，且与水平面之间夹角α为5°～10°，相邻两块冷铁倾斜方向相对，多片冷铁在冷却水管下部形成间隔反向式设置，使得钢液逐渐向上漫延时，沿冷铁的倾斜方向由外向内逐渐将其熔化，一方面有助于加速冷铁的完全熔化，另一方面冷却水管下部沿宽度方向钢液的温度较大范围内都能得到逐渐式降温，防止钢液最终将上部冷却水管熔穿，尤其是避免对冷却水管底部及侧壁边缘的高温冲刷。

附图说明

图1为本发明的一种冷却壁的加工方法流程图；

图2为本发明中冷却水管下方冷铁的位置示意图；

图3为本发明中冷却水管下方冷铁的排布示意图；

图4为本发明中冷却壁的试压检测状态示意图；

图5为图4的左视示意图；

图6为本发明中测压组件的结构示意图。

示意图中的标号说明：1、冷却壁本体；101、嵌砖槽；102、第一冷却水管；111、冷铁；2、测压组件；201、固定环；202、顶紧件；203、连接杆；204、顶片；205、压盖；206、压紧件。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

本实施例的一种冷却壁的加工方法，包括以下步骤：

步骤一、冷却壁木模制作及检测：按照冷却壁本体1的结构形状制作冷却壁木模，并对该冷却壁木模的形状尺寸精度进行检测，选择合格品进入下一工序；冷却壁本体1的结构如图4所示，按图4中方位而言，冷却壁本体1下部的底面为内侧工作面，冷却壁本体1的内侧面上开设有嵌砖槽101，用于镶嵌耐火砖；需要说明的是，冷却壁木模上开设有嵌砖槽101的内侧面长宽整体尺寸均比冷却壁本体1大1.6％，冷却壁木模远离嵌砖槽101的外侧面长宽整体尺寸均比冷却壁本体1大2.1％，冷却壁木模的预扩式设计有效避免了后续浇铸及冷却过程中因钢液的收缩而导致的冷却壁本体1尺寸精度不高的问题，有助于保障冷却壁本体1的加工精度。

步骤二、砂型制作及冷却水管的排布：将检测合格的冷却壁木模放入合适的砂箱中，并设置相应的浇道系统，然后振实型砂造型，取出冷却壁木模则在砂箱内形成与冷却壁本体1形状相同的型腔，将冷却水管排布在该型腔内，冷却水管内部均已填充有可耐高温的填充料，具体可填充铬矿砂；本实施例的冷却水管可采用单层或多层设计，如图4所示为单层管设计，包括第一冷却水管102。

步骤三、冷却水管排布结束后，浇道系统向型腔中注入钢液开始浇铸，与型腔相通的分浇道的浇铸口位于型腔的底部，钢液流动方向为在型腔内由下向上逐渐浇铸，如图2所示箭头方向为钢液流动浇铸方向；浇铸温度控制为1500°，浇铸温度过高，钢液热量过大，极易将冷却水管熔穿，而浇铸温度过低，钢液热量过小，又容易导致冷却水管的不熔合或熔合不充分；浇铸用钢液出浇包后先镇定(静置)3min，然后才开始进入浇道浇铸，能有效排气并将杂质沉降，减少后续铸造缺陷；浇铸时采用“两头慢、中间快”的浇铸方式，先慢速开浇，当钢液接近冷却水管位置时，加速浇铸，让钢液快速包裹冷却水管，避免产生冷隔现象，当钢液液面超过冷却水管时，逐渐降速浇铸，至钢液进入冒口中后，改由冒口补注直到浇铸结束。

值得说明的是，虽然冷却水管内填充有铬矿砂之类的可耐高温填料，但钢液高温浇铸时还是极易使冷却水管发生变形甚至熔穿，尤其是冷却水管蛇形排布时，其形状复杂、弯曲角度大，受钢液冲刷时更易产生变形熔穿问题，为此行业内始终在寻找对冷却水管能更好保护的浇铸方式。

本实施例为避免钢液对冷却水管的高温熔穿，采用在第一冷却水管102底部加设冷铁111的方式来对靠近冷却水管的钢液温度进行适当冷却降温，缓解其对冷却水管的高温冲刷。

行业内采用冷铁直接焊接在冷却水管外表面进行浇铸其实早有应用，但应用效果却良莠不齐，冷铁的设置方式、排布位置等各方面因素都对最终的浇铸效果有显著影响，行业内也经常出现冷铁在浇铸过程中熔化不完全、破坏冷却水管和冷却壁的整体机械性能、促使气隙产生、严重恶化冷却壁传热性能等问题，给生产实践造成诸多难题。发明人基于此一直致力于对如何精确控制冷铁对钢液冷却效果的研究，保障钢液既能将冷铁完全融化，又能避免将冷却水管熔穿，使其达到“熔而不化”且“无缝隙熔合”的良好效果。经过多年潜心研究及实践验证，发明人终于有了惊喜的发现！

本实施例中的冷铁111为片状结构，具体为长方体片状结构(如图3)，冷铁111的厚度h1为冷却水管壁厚h2的1/2，长方体片状的冷铁111单片长度为6cm，宽度为4cm，冷却水管下部均匀间隔设有至少一块冷铁111，冷却水管下部冷铁111的总长度l1为冷却水管延伸长度l2的1/20，如图3所示，第一冷却水管102的平直段底部点焊有4片冷铁111。采用这种间隔薄片式结构极大地避免了钢液一时之间难以将其完全熔化的风险，发明人多次验证发现这种薄片规格冷铁111浇铸时能彻底熔化并无残留。

为进一步保障冷铁111对钢液的均匀性冷却效果，防止冷却水管出现片段式熔穿、与冷却壁本体1熔合状态不一等现象，如图2所示，冷却水管下部的冷铁111倾斜设置，且与水平面之间夹角α为5°，且如图3所示，冷却水管下部相邻两块冷铁111倾斜方向相对，多片冷铁111在冷却水管下部形成间隔反向式设置。冷铁111的倾斜设置使得钢液逐渐向上漫延时，沿冷铁111的倾斜方向由外向内逐渐将其熔化，一方面有助于加速冷铁111的完全熔化，另一方面冷却水管下部沿宽度方向(图2中左右方向)钢液的温度较大范围内都能得到逐渐式降温，防止钢液最终将上部冷却水管熔穿，尤其是避免对冷却水管底部及侧壁边缘的高温冲刷；且多片冷铁111在冷却水管下部形成间隔反向式设置(如图3所示)，既防止两片冷铁111重合影响其完全熔化，又对冷却水管两侧宽度方向的钢液均进行适当的温降，钢液在冷却水管下方范围内温降均匀性及温降范围都有所改善，对实现冷却水管熔而不穿的效果甚为重要。

本实施例通过在冷却水管底部巧妙点焊片状冷铁111，使其与浇铸温度、冷却水管内耐高温填料等因素等配合，在保障冷铁111充分完全熔化的同时，对冷却水管管壁也具有良好的保护作用，使其熔而不化，与最终冷却壁本体1之间良好无缝隙熔合，保障了冷却壁本体1的良好冷却效果。

步骤四、浇铸后冷却成型：浇铸结束后先自然冷却24h，再开箱自然冷却2h，从而消除铸造内应力，细化组织，并防止冷却壁本体1变形，成型后，取出冷却壁本体1并做后续清理。

步骤五、对冷却壁本体1进行清砂处理，去除表面浮砂，并回收冷却水管内填充的铬矿砂；

步骤六、对冷却壁本体1进行试压测试和通球检测，测试合格后再对冷却壁本体1进行精整处理，完善其表面质量，最终得到一种冷却壁。

过球测试时，球的直径为冷却水管内径的0.75～0.76倍，将球放入冷却水管一端，用高压风管通风过球，使球从冷却水管的另一端飞出即为合格。本实施例加工出的冷却壁性能优良，试压和过球测试的合格率均接近100％，作业人员经大量实践验证均未发现冷却水管熔穿或漏水现象，应用安全性得到有效保障。

本实施例加工出的冷却壁，包括冷却壁本体1，如图4所示，冷却壁本体1的内侧面开设有供镶嵌耐火砖的嵌砖槽101，冷却壁本体1的外侧面上则分别开设有相对应的进水口和出水口，内部冷却水管的端部对应通过进/出水口延伸至冷却壁本体1的外侧，试压测试时则采用测压组件2进行，两个测压组件2配合作为一组使用，如图5所示，分别对应套设在一根冷却水管的进水端和出水端，通过检测进水端和出水端的压降进行判断。

如图6所示，测压组件2包括套设在外侧冷却水管上的固定环201，固定环201的侧壁上沿周向环绕设有顶紧件202(具体可采用顶紧螺栓)，固定环201上方通过连接杆203固连有压盖205，压盖205上方设有压紧件206(具体可采用压紧螺栓)，压盖205下方则设有顶片204，使用时将测压组件2套设在冷却水管上，顶紧件202从多向顶紧冷却水管侧壁，顶片204压在冷却水管的进水端/出水端并通过压紧件206压紧，顶片204内还设有密封垫，压在冷却水管进水端的顶片204与高压水管相连，通过该高压水管向该冷却水管内注水，高压水管上设有压力表；压在该冷却水管出水端的顶片204则与排水管相连，值得注意的是，本实施例中该排水管上相邻设有两个测压元件，且两个测压元件分别与上位机电连接。具体地，该测压元件可采用压力变送器，将压力信号转换为模拟信号并传输给上位机，上位机将接收的信号进行显示与自动化处理，将该冷却水管进水端和出水端的水压进行比较，一旦压降超出一定范围则说明冷却水管内部有漏水等异常现象，上位机内还设有报警装置，一旦发生异常则及时报警，提醒作业人员。本实施例通过压力信号的转换与上位机的自动化数据处理，无需作业人员直接去读取/计算压力数据，既减轻了劳动强度，又避免了因人工读取/计算错误而引起的检测误差，提高了检测精度。

本实施例在排水管上设置两个测压元件，与传统的设置单个测压元件相比能极大地提高试压测试的准确性，便于及时发现两个测压元件是否均处于正常工作状态，两个测压元件的压差超出一定范围时，则说明有测压元件处于异常状态，此时可以对测压元件的准确性进行检测确认，如此能够有效避免因单个测压元件损坏未及时发现而导致的检测误差，两个测压元件共同设置还能在某一测压元件损坏时仍可以保持正常检测，不影响检测进度。

实施例2

本实施例的一种冷却壁的加工方法，基本同实施例1，所不同的是：

本实施例步骤一中中冷却壁木模上开设有嵌砖槽101的内侧面长宽整体尺寸均比冷却壁本体1大1.8％，冷却壁木模远离嵌砖槽101的外侧面长宽整体尺寸均比冷却壁本体1大2.2％。

本实施例中冷铁111的厚度h1为冷却水管壁厚h2的2/3，长方体片状的冷铁111单片长度为5cm，宽度为5cm，冷却水管下部冷铁111的总长度l1为冷却水管延伸长度l2的1/35，冷却水管下部的冷铁111倾斜设置，且与水平面之间夹角α为10°。

本实施例步骤三中钢液浇铸前先镇定5min，钢液浇铸温度为1580℃。

本实施例步骤四中浇铸结束后先自然冷却20h，再开箱自然冷却3h。

实施例3

本实施例的一种冷却壁的加工方法，基本同实施例1，所不同的是：

本实施例步骤一中中冷却壁木模上开设有嵌砖槽101的内侧面长宽整体尺寸均比冷却壁本体1大1.7％，冷却壁木模远离嵌砖槽101的外侧面长宽整体尺寸均比冷却壁本体1大2.2％。

本实施例中长方体片状的冷铁111单片长度为5.5cm，宽度为4.5cm，冷却水管下部冷铁111的总长度l1为冷却水管延伸长度l2的1/30，冷却水管下部的冷铁111倾斜设置，且与水平面之间夹角α为8°。

本实施例步骤三中钢液浇铸前先镇定4min，钢液浇铸温度为1550℃。

本实施例步骤四中浇铸结束后先自然冷却22h，再开箱自然冷却2.5h。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。