专利名称：铸钢冷却板的铸造方法
技术领域：
本发明涉及一种冶金高温炉窑，具体讲是涉及一种用于冶金高温炉窑的铸 钢冷却板的铸造方法，属于冶金炼铁技术领域。
背景技术：
冷却板是为冶金高温炉窑提供冷却的设备，能够保护冶金高温炉窑免受炉 体内高温流体的侵蚀和机械磨损，延长冶金高温炉窑寿命，保证其安全稳定生 产。冷却设备一旦出现问题，冶金高温窑炉必须全面停产检修，将会带来重大 经济损失。所以，冷却板的寿命和性能决定冶金高温炉窑的寿命，是冶金高温 炉窑长寿高效、节能的重要保证。
当前国内外冶金工业普遍采用的冷却板材质以铸铁和轧制纯铜为主，但是， 铸铁或轧制纯铜冷却板存在诸多不足。以使用最广泛的球墨铸铁冷却板为例， 其存在以下不足(1)球墨铸铁冷却板必须在冷却通道外附加防渗碳涂层，使 通道与基体之间形成气隙，而气隙使得冷却板传热阻力显著增加，恶化冷却板 的传热效果，增加冷却板工作面温度，加速冷却板的破损；(2)球墨铸铁基体 上布满了大小不同的球状石墨(粒径O. 025 0. 150mm)，球状石墨被氧化后相当 于形成了无数微小的孔洞，构成了发生裂缝和裂纹的发源地，加速了裂缝和裂 纹的扩展，从而导致冷却板使用寿命变短，增加资源消耗，不利于冷却板长寿、 节能；(3)在浇铸大型球墨铸件时，C、 S、 P在柱状结晶过程中容易被推向液态 区，在中心等轴晶区形成一个偏析物富集区，使铸件表面和中心的延伸率存在 较大差异，表面延伸率大于中心部位一倍以上，促进了球墨铸铁裂缝或裂纹的 产生和扩展，不利于冷却板长寿；(4)球墨铸铁的线膨胀系数在60(TC以下变化 较平稳，但在60(TC以上则随温度的升高而发生急剧的不可逆"生长"，当温度 太于709'C时基体组织发生了相变，膨胀系数和内应力急剧增长，其破损速度加 快；(5)球墨铸铁导热性和抗热震性能都较差，其导热系数仅为30wm'2《—1，不 利于冷却板的高效冷却。而纯铜轧制冷却板虽然导热性能好，但对基体材料要求苛刻，生产工艺复 杂，价格昂贵。在实际应用中，当纯铜轧制冷却板热面渣皮剥落后，冶金炉窑
的大量热量被冷却板迅速带走，存在冻结冶金高温炉窑熔池的可能；并且其热 面温度超过20(TC后，基体材料的抗拉强度迅速下降。
由于铸钢材料的特殊性和浇注工艺的难度，因此国外对铸钢冷却板在冶金 工业的应用问题研究较少，其研究成果较少见诸报导。但是，由于国内冶金工 业对冷却板需求很大，并且基于铸钢材料的优越性，对铸钢冷却板进行了初步 研究。
国内个别企业对铸钢冷却板的生产进行了实践，但结果差强人意。主要原 因包含五个方面，第一，在浇注冷却板过程中，冷却水管极易被高温钢水熔穿， 废品率高；第二，在浇注过程中，在冷却水管外表面焊接大量冷铁，冷铁在浇 筑过程中熔化不完全，破坏冷却水管和冷却板基体的整体机械性能，并促使气 隙产生，严重恶化冷却板传热性能；第三，在浇注过程中，冷却水管内部易发 生氧化，产品质量大大降低；第四，钢水洁净化技术在铸钢冷却板一次浇注成 型过程中缺乏系统研究，产品性能不稳定；第五，冶金工业的冷却板属于厚大 铸件，而厚大铸件的气孔、疏松、偏析等质量缺陷在铸造行业一直尚未完全解 决。另外，针对铸钢冷却板的热处理工艺缺乏系统研究，尚未提出热处理规范。 因此，铸钢冷却板成品率很低，性能不佳，寿命也不长。
目前，有些文献从理论上对铸钢冷却板及其类似的冷却器进行了研究，主 要侧重于传热分析、建立数学模型优化设计，对铸钢冷却板发展起到了积极的 推动作用。但铸钢冷却板的实际生产过程中存在的问题涉及到诸多方面，其应 用和推广需要综合考虑各个方面建立数学模型进行传热学计算，基体材料的 选择，设计参数的选择，钢水洁净化冶炼，铸钢冷却凝固控制，铸钢冷却板热 处理，性能检测和评估等。单纯从某一个角度考虑并不能很好的解决问题，需 要交叉多学科的基本原理进行系统研究。由于上述限制，目前对于铸钢在冷却 板上的应用还是不能达到工业应用的要求。
发明内容
为了克服现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种利用新的铸钢基体材料取代传统的铸铁材料，采用新的制造工艺克服气隙热阻的产生，打破 传统的气体冷却模式，避免使用当前不得已而采用的内冷铁块，实现精确控制 吸热量，保证冷却水管不发生重熔和再结晶，促使冷却水管外表面在浇注过程 中微熔，并使得冷却水管在浇注后与基体紧密结合；优化控制铸钢冷却板的铸 造工艺，有效减少元素偏析；通过添加特殊合金和优化热处理工艺提高铸钢冷 却板性能的铸钢冷却板的铸造方法。
为达到上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 一种铸钢冷却板的铸造方法，其特征在于采用铸钢材料浇注冷却板基体和 冷却水管，包括以下步骤
(1) 、采用中频感应炉(容重3吨)冶炼钢水，在冶炼钢水末期，分二次加 入成渣剂，使其均匀覆盖在钢水表面；
(2) 、在钢水出炉前，在感应炉内一次性添加粒度为30-40mm的硅铁合金块，
采用机械喷入的方式添加；
(3) 、配制复合固体冷却介质，配制好后，将复合固体冷却介质在大气环 境下，进行高温灼烧，灼烧温度控制在900-130(TC，去除烧结成块的粘结物；
(4) 、配备可循环利用的液态冷却介质，该液态冷却介质的特点为比热 容较大，高温下不易挥发、不黏结、不腐蚀铸钢冷却水管，不改变铸钢冷却水 管的固有成分和机械性能；
(5) 、将用铸钢材料制成的U型冷却水管(其材料为20号钢)按要求放入浇 注模型中，在冷却水管上套上管套，在U型冷却水管的两端通过耐高温的软管外 接高压水泵，高压水泵的压力为5-15Mpa;在钢水浇注前，预先在冷却水管内通 入循环的液态冷却介质，在钢水浇注过程中，将复合固体冷却介质加入到循环 的液态冷却介质中，这样的浇注工艺可以保证冷却水管表面微熔；
(6) 、用加入硅铁合金块的铸钢钢水浇注冷却板基体，将冷却水管的中部 浇注在冷却板基体中，与冷却板基体紧密贴合，两端从冷却板基体上伸出，控 制钢水过热度在100-120摄氏度范围；
(7) 、融合二级阶梯浇注和倾斜浇注的优势，即在造型过程中，让浇注模 型横卧，冒口偏重一侧造型，模型合箱后将模型冒口一侧垫高，使整体砂箱与地面成10-15度；在浇注过程中采用上下两层内浇口进行阶梯浇注(两层内浇口
的间隔为10-50cm)，据此控制铸钢冷却板基体的凝固过程，促使其形成顺序凝 固；
(8)、冷却，卸掉模型，铸钢冷却板制成。
前述的铸钢冷却板的铸造方法，其特征在于所述的复合固体冷却介质为 Cr203: 45-47。/。， Si02: 1-2%, CaO: 0.5-1%， FeO: 20-30%， MgO: 10-15Q/o; AL203: 10-20%;其余成分是粒度为70-100目的碳粉。
前述的铸钢冷却壁的铸造方法，其特征在于所述的成渣剂，其中包括80-85% 的氧化钙和10-15%的氧化镁。
前述的铸钢冷却板的铸造方法，其特征在于所述的成渣剂，其加入比例为 lkg/吨钢水。
前述的铸钢冷却板的铸造方法，其特征在于所述的硅铁合金块，其成分为 15-20%稀土元素、20-30%硅、50-65%金属铁。
前述的铸钢冷却板的铸造方法，其特征在于所述的硅铁合金块，其添加量 0. l-O. 7kg/吨钢水。
前述的铸钢冷却板的铸造方法，其特征在于所述的液态冷却介质，其流速 为1-10 m/s;所述的复合固体冷却介质，其加入量为1-10kg/吨钢水。
前述的铸钢冷却板的铸造方法，其特征在于所述的冷却水管的横截面为椭 圆形，所述的椭圆形的短轴和长轴的长度之比为O. 5 0. 7。
前述的铸钢冷却板的铸造方法，其特征在于所述的冷却水管为多根，在铸 造过程中只发生表面微熔，基本不发生重熔和再结晶，保持着冷却水管原有的 良好轧制性能。
前述的冷却水管与冷却板基体接触部位的外表面上套有管套，用于保护冷却 水管。
本发明的有益效果是采用本发明的铸造方法铸造铸钢冷却板，可以有效 避免冷却水管在铸造过程中熔穿；避免冷却板基体和冷却水管间产生气隙；避 免冷却水管在铸造过程中发生重熔和再结晶，破坏冷却水管原有的轧制性能； 精确实现冷却水管外表面的微熔，解决了冷却水管在浇注过程中熔穿和内表面氧化问题，延长冷却板寿命进而延长冶金高温窑炉的寿命，节约生产成本；使 得冷却水管与冷却板基体紧密结合，提高冷却板基体的冷却效果；控制凝固方 式，实现顺序凝固，提高铸钢冷却板的机械性能。
图l是本发明的铸钢冷却板的结构示意图； 图2是本发明的铸钢冷却板的俯视剖视图。
图中主要附图标记含义 1、冷却板基体2、冷却水管3、管套
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的铸钢冷却板的铸造方法，将冷却水管的材质选定为铸钢，同时采 用铸钢材料浇注钢砖本体，具体浇注步骤为
(1) 、采用中频感应炉(容重3吨)冶炼钢水，在冶炼钢水末期，分二次加 入成渣剂，使其均匀覆盖在钢水表面，共计消耗成渣剂按lkg/吨钢水的比例加
入，成渣剂包含80-85%氧化钙和10-15%氧化镁；
(2) 、在钢水出炉前，在感应炉内一次性添加粒度为30-40mm的硅铁合金块， 硅铁合金块包含15-20%稀土元素、20-30%硅和50-65%金属铁，采用机械喷入的 方式添加，添加量为O. 1-0. 7公斤/吨钢水；
(3) 、配制复合固体冷却介质，配制好后，将复合固体冷却介质在大气环 境下，进行高温灼烧，灼烧温度控制在900-1300°C，去除烧结成块的粘结物；
(4) 、配备可循环利用的液态冷却介质，该液态冷却介质的特点为比热 容较大，高温下不易挥发、不黏结、不腐蚀铸钢冷却水管，不改变铸钢冷却水 管的固有成分和机械性能；
(5) 、将用铸钢材料制成的U型冷却水管2 (其材料为20号钢)按要求放入 浇注模型中，在冷却水管2上套上管套3，在U型冷却水管的两端通过耐高温的软 管外接高压水泵，高压水泵的压力为5-15Mpa;在钢水浇注前，预先在冷却水管 2内通入循环的液态冷却介质，其流速范围为1-10m/s，在钢水浇注过程中， 将复合固体冷却介质加入到循环的液态冷却介质中，其加入量为卜10kg/吨钢水，这样的浇注工艺可以保证冷却水管2表面微熔；
(6) 、用加入硅铁合金块的铸钢钢水浇注冷却板基体l，将冷却水管2的中
部浇注在冷却板基体l中，与冷却板基体l紧密贴合，两端从冷却板基体l上伸出，
控制钢水过热度在100-120摄氏度范围；
(7) 、融合二级阶梯浇注和倾斜浇注的优势，即在造型过程中，让浇注模
型横卧，冒口偏重一侧造型，模型合箱后将模型冒口一侧垫高，使整体砂箱与
地面成10-15度；在浇注过程中采用上下两层内浇口进行阶梯浇注(两层内浇口
的间隔为10-50cm)，据此控制铸钢冷却板基体l的凝固过程，促使其形成顺序凝 固；
(8) 、冷却，卸掉模型，铸钢冷却板制成。
在本发明中，开发了一种复合固体冷却介质，复合固体冷却介质的成分为 Cr203: 45-47%， Si02: 1-2%, CaO: 0.5-1%， FeO: 20-30%， MgO: 10-15%; AL203: 10-20%;其余成分是粒度为70-IOO目的碳粉。本发明打破传统的气体冷却模式， 避免使用当前不得已而采用的对材料性能不利的内冷铁块，实现精确控制吸热 量，保证冷却水管2外表面不发生重熔和再结晶，解决了冷却水管2在浇注过程 中熔穿和氧化的问题，促使冷却水管2表面在浇注过程中微熔，并使得冷却水管 2在浇注后与冷却板基体1紧密结合，维持了冷却水管2在原有轧制条件下的晶粒 形态和结构性能，保持了冷却水管2原有的良好的轧制性能。并且，可以根据不 同的需要，改变复合固体冷却介质的配比，改变传热效率，从而控制冷却水管2 的表面微熔，保证结合效果。
为了增加冷却水管2的受热面积，将冷却水管2的横截面设为椭圆形。并且 经过计算，椭圆形的短轴和长轴的长度之比采用0.5 0.7,受热面积和传热效 率处于一个最佳状态。在冷却水管2与冷却板基体1的接触部位的外表面上套有 管套3，用于保护冷却水管。
冷却水管2可以采用多根，附图中显示的是采用l根，并排地设置在冷却板 基体1中。
本发明将冷却水管2的材质和冷却板基体1的基体材质均选定为铸钢，并有 效避免使用防渗碳涂层及其带来的一系列问题；在浇注过程中，开发复合固体冷却介质随流体通过冷却水管，保护冷却水管熔而不化，促使冷却水管表面微 熔；在浇注过程中，采用特殊浇注工艺，控制铸钢冷却板基体凝固过程，形成 顺序凝固的条件；添加特殊的成渣剂和硅铁合金块，细化晶粒，减少元素偏析， 稳定安全生产，提高铸钢冷却板的性能。
本发明的铸钢冷却板应用于冶金炉窑的主要原理是将铸钢冷却板置于冶 金高温炉窑的高温区域内侧，冷却介质(比如，水)按设计流速从铸钢冷却板 的冷却水管2的下部端口通过铸钢冷却板内部，以这种方式，热量从冶金高温炉 窑内部传给铸钢冷却板的冷却板基体l，冷却介质再将热量从冷却板基体l带出 冶金高温炉窑，使得冶金炉窑的炉壳免受高温侵蚀，从而延长冶金炉窑寿命。 通过调节冷却水流量和流速来调节铸钢冷却板的冷却性能。
上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式 所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
权利要求
1、一种铸钢冷却板的铸造方法，其特征在于采用铸钢材料浇注冷却板基体和冷却水管，包括以下步骤(1)、采用中频感应炉(容重3吨)冶炼钢水，在冶炼钢水末期，分二次加入成渣剂，使其均匀覆盖在钢水表面；(2)、在钢水出炉前，在感应炉内一次性添加粒度为30-40mm的硅铁合金块，采用机械喷入的方式添加；(3)、配制复合固体冷却介质，配制好后，将复合固体冷却介质在大气环境下，进行高温灼烧，灼烧温度控制在900-1300℃，去除烧结成块的粘结物；(4)、配备可循环利用的液态冷却介质，该液态冷却介质的特点为比热容较大，高温下不易挥发、不黏结、不腐蚀铸钢冷却水管，不改变铸钢冷却水管的固有成分和机械性能；(5)、将用铸钢材料制成的U型冷却水管(其材料为20号钢)按要求放入浇注模型中，在冷却水管上套上管套，在U型冷却水管的两端通过耐高温的软管外接高压水泵，高压水泵的压力为5-15Mpa；在钢水浇注前，预先在冷却水管内通入循环的液态冷却介质，在钢水浇注过程中，将复合固体冷却介质加入到循环的液态冷却介质中，这样的浇注工艺可以保证冷却水管表面微熔；(6)、用加入硅铁合金块的铸钢钢水浇注冷却板基体，将冷却水管的中部浇注在冷却板基体中，与冷却板基体紧密贴合，两端从冷却板基体上伸出，控制钢水过热度在100-120摄氏度范围；(7)、融合二级阶梯浇注和倾斜浇注的优势，即在造型过程中，让浇注模型横卧，冒口偏重一侧造型，模型合箱后将模型冒口一侧垫高，使整体砂箱与地面成10-15度；在浇注过程中采用上下两层内浇口进行阶梯浇注(两层内浇口的间隔为10-50cm)，据此控制铸钢冷却板基体的凝固过程，促使其形成顺序凝固；(8)、冷却，卸掉模型，铸钢冷却板制成。
2、 根据权利要求l所述的铸钢冷却板的铸造方法，其特征在于所述的复合固体冷却介质为Cr203: 45-47%， Si02: 1-2%, CaO: 0.5-1%， FeO: 20-30%， MgO: 10-15%; AL203:— 10-20%;其余成分是粒度为70-IOO目的碳粉。
3、 根据权利要求l所述的铸钢冷却壁的铸造方法，其特征在于所述的成渣 剂，其中包括80-85%的氧化钙和10-15%的氧化镁。
4、 根据权利要求1或3所述的铸钢冷却板的铸造方法，其特征在于所述的成 渣剂，其加入比例为lkg/吨钢水。
5、 根据权利要求l所述的铸钢冷却板的铸造方法，其特征在于所述的硅铁 合金块，其成分为15-20%稀土元素、20-30%硅、50-65%金属铁。
6、 根据权利要求1或5所述的铸钢冷却板的铸造方法，其特征在于所述的硅 铁合金块，其添加量O.卜0.7kg/吨钢水。
7、 根据权利要求l所述的铸钢冷却板的铸造方法，其特征在于所述的液态 冷却介质，其流速为1-10m/s;所述的复合固体冷却介质，其加入量为1-10kg/ 吨钢水。
8、 根据权利要求l所述的铸钢冷却板的铸造方法，其特征在于所述的冷却 水管的横截面为椭圆形，所述的椭圆形的短轴和长轴的长度之比为O. 5 0. 7。
9、 根据权利要求l所述的铸钢冷却板的铸造方法，其特征在于所述的冷却 水管为多根，在铸造过程中只发生表面微熔，基本不发生重熔和再结晶，保持 着冷却水管原有的良好轧制性能。
10、根据权利要求l所述的铸钢冷却板的铸造方法，其特征在于所述的冷却 水管与冷却板基体接触部位的外表面上套有管套，用于保护冷却水管。
全文摘要
本发明涉及铸钢冷却板的铸造方法，采用铸钢材料浇注冷却板基体和冷却水管，包括在钢水中添加成渣剂和硅铁合金块；将冷却水管放入浇注模型中，冷却水管上套上管套，冷却水管中通过液态冷态介质和复合固体冷却介质；用铸钢钢水浇注冷却板基体，冷却水管的中部浇注在冷却板基体中；浇筑过程中模型横卧，冒口偏重一侧造型，合箱后将冒口一侧垫高；采用上下两层内浇口进行阶梯浇注，形成顺序凝固；冷却，卸掉模型。本发明可有效避免冷却水管在铸造过程中熔穿；避免基体和冷却水管间产生气隙；避免发生重熔和再结晶，精确实现冷却水管外表面的微熔，延长冷却板寿命进而延长冶金高温窑炉的寿命，节约生产成本，提高铸钢冷却板的冷却效果和机械性能。
文档编号F27D1/12GK101634520SQ20091002736
公开日2010年1月27日 申请日期2009年5月31日 优先权日2009年5月31日
发明者樊旭初, 潘宏伟, 程树森 申请人:江苏联兴成套设备制造有限公司