高炉铸钢冷却壁的铸造工艺设计及应用

２０１０年第６期　铸造设备与工艺　２０１０年　１２月　ＦＯＵＮＤＲＹ　Ｅ０ＵＩＰＭＥＮＴ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｄｃｅ．２０１０　Ｎｏ６　・铸造工艺・　高炉铸钢冷却壁的铸造工艺设计及应用　郭学武。郭林　（济钢集团重工机械有限公司，山东济南２５０１０１）　摘要：通过对高炉冷却壁结构分析，找出冷却壁铸造工艺难点，采用适量内冷铁，借助仿真凝固模拟验证　等措施，最终设计出合理的工艺方案，生产出高质量的合格铸件。　关键词：芯盒强度；内冷铁；浇注温度；凝固模拟　中图分类号：ＴＧ２４　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—６６９４（２０１０）０６—００１５－０３　Ｃａｓｔｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｃａｓｔ　Ｓｔｅｅｌ　Ｃｏｏｌｉｎｇ　Ｓｔａｖｅ　ＧＵＯ　Ｘｕｅ—ｗｕ，ＧＵＯ　Ｌｉｎ　（Ｊｉｇａｎｇ　Ｇｒｏｕｐ　Ｈｅａｖｙ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｃｏ．Ｌｔｄ，ＳｈａｎＤｏｎｇ　，ｍ　２５０１０１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：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．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｒｏ　ｂｏｘ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｉｎｎｅｒ　ｃｈｉｌｌｅｒ，ｐｏｕｔｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　铸钢冷却壁是新一代高炉冷却壁，主要使用在　高炉受热负荷较大的炉腹部位，其使用寿命的长　短。质量的好坏直接影响着炼铁高炉的利用系数．　影响着高炉的长寿高效生产。我厂生产的铸钢冷却　壁单重３　２１７　ｋｇ，尺寸要求较高，进出水管、螺栓孔　的位置要求准确，要确保和炉皮开孔位置对应一　致，铸件不得有缩孔、气孔等铸造缺陷，冷却水管铸　入冷却壁本体内，并且要求水管与本体要能很好的　冶金结合，其原理是通过循环水冷却，来抵御周围　图１冷却壁形状结构图　高温恶劣环境，提高自身使用寿命，延长高炉使用　时间　１．２工艺难度分析　１工艺分析　１）冷却壁本体较厚，主要壁厚为２６２　ｉｆｌｍ，中间　又铸人冷却水管，会对补缩通道造成不利因素。　１．１结构特点　２）图纸要求铸出　４０　ｍｍ　ｘ１７０　ｍｍ螺栓孔．　冷却壁外形尺寸为１　８００　ｍｍｘ７３７　ｍｍｘ６２０　ｍｍ，　内孔粘砂可能性较大。　材质为ＺＧ２００—４００，是一种呈弧形结构的厚实类铸　３）护管水管一起铸入本体，对保证护管与水管　造低碳钢铸件，冷却壁本体内要铸人４根ｃｂ７０　ｍｍ￣　露出本体的尺寸控制较困难，水管与护管同心度也　１０　ｍｍＵ形水管，每根Ｕ形水管上又有２个水管护　较难保证。　管，护管也要随水管一起铸入冷却壁本体内，冷却　４）由于铸件本体较厚大，既要保证水管不被熔　壁本体上要铸出４个螺栓孔，冷却壁热面要铸出镶　化又要保证本体致密无缩孔、缩松缺陷难度较大。　砖槽，形状结构如图１所示。　５）由于对螺栓孔的位置精度要求较高。螺栓孔　的尺寸位置控制是个难点。　收稿日期：２０１０—０８～２０　作者简介：郭学武（１９６３～），男，研究员，高级工程师，副经理。主要从　６）砖槽尺寸图纸要求较高．不加工尺寸公差为　事技术研究及管理工作。　７５０　ｍｍ＋２　ｍｍ，铸造时难度较大。　・　１５　・　Ｄｅｅ．２０１０№６　铸造设备与工艺　２０１０年第６期　２铸造工艺实施要点　造型撞箱样板，如图３所示。造型在撞箱时，将样板　套在水管管棒上，防止水管管棒在撞箱过程中，位　通过对冷却壁结构的认真分析，制定初步工艺　方案，采用平做立浇，以利于实现顺序凝固，保证组　织致密，且比平浇工艺出品率也有较大提高。　２．１模型工艺　考虑到铸件批量较大，模型采用实样木模，在模　型上要做出起模鼻，对称４件；为保证螺栓孑Ｌ位置精　度，将下部螺栓孔芯头加大，芯头高度采用８０　ｍｍ．　上部在模型表面刻出螺栓孔中心线，造型时将中心　线引到砂型上，下芯子时定位用。上盖箱做出定位　芯头，为防止后道浇钢工序合箱时碰坏芯子，上部　定位芯头斜度要适当加大一些。冷却壁模型结构如　图２所示。模型采用红松木材，主体板厚５０　ｍｍ，木　材含水率８％～１２％；内挡距３００　ｍｍ～３５０　ｍｍ：模型　要求表面光洁度达到１级，要求棱角分明。　图２冷却壁模型结构图　２．２芯盒及芯子　１）芯盒：为保证砖槽尺寸精度，达到图纸精度　要求，砖槽芯盒采用脱落式结构，增加芯盒强度，防　止制芯时尺寸胀大。砖槽芯子质量直接影响镶砖能　否顺利镶进砖槽内，为此对芯子质量进行重点控　制，采取增加芯子紧实度，保证芯子紧实度高而且　均匀，在砖槽底部及尖角处采用耐火度较高的铬铁　矿砂，厚度为５　ｍｍ一１０　ｍｍ，并将整体芯子表面涂刷　醇基锆英粉涂料一遍。　２）螺栓孔芯子确定：要在整体壁厚为２６２　ｍｍ　的冷却壁内铸出ｑｂ４０　ｍｍ的螺栓孑Ｌ，按常规铸造方　法出砂芯是不可行的。必须另辟蹊径。经合理考虑　工艺参数，我们设计采用无缝钢管与砂芯相结合的　方法。圆孔部位采用无缝钢管，内部刷涂料后填水玻　璃７０砂．在方孔部位采用芯子，芯子表层覆１０　ｍｍ　厚铬铁矿砂，里层用水玻璃７Ｏ砂，从而克服了如此　深的孔用常规铸造方法难以实现的问题。　２．３造型操作　为保证水管位置正确防止水管偏斜。专门设计　・　１６・　置变化，从而保证水管尺寸正确。　图３冷却壁造型撞箱样板图　２．４冷却水管制作　冷却水管应按图纸弯曲成形，实际弯曲半径与　图纸中所示名义的偏差允许为±２　ｍｍ。弯曲处不允　许有皱纹，凹扁，起皮和伤痕，由于弯管引起的管壁　变薄量应小于原壁厚的１５％。每根冷却水管应用整　根钢管由弯管机械冷弯而成，弯制完成后要进行打　压、通球检验，实验压力为１．６　ＭＰａ，同时用０．７５　ｋｇ　的木锤敲击，经３０　ｍｉｎ的水压试验无漏水、“冒汗”　现象，压力降不大于３％方可使用，通球的直径为钢　管内径的８０％，压缩空气正反向顺理吹出为合格。　２．５内冷铁设计　１）内冷铁重量　根据铸造手册，依据浇注钢液温度和Ｍｏ（铸件　原始模数）／Ｍｒ（铸件加入内冷铁后的模数）的比值，　确定被冷铁激冷部位单位体积铸件所需要的内冷　铁重量，乘以铸件被激冷体积　Ｄ即可计算出内冷　铁重量Ｇｃｈ。浇注温度为１　５５０℃，Ｍｏ／Ｍｒ为１．４　时，Ｇｃｈ＝Ｏ．２３　ｋｇ・ｄｍ４￣Ｖｏ￣７８　ｋｇ。　２）内冷铁截面尺寸　内冷铁的设计不仅要考虑熔合内冷铁的重量，　还要考虑熔合内冷铁的最大直径，如果选择的内冷　铁直径过大，会造成内冷铁熔合不良，降低了产品的　设计强度，可能造成铸件出现开裂。由于熔合内冷铁　要求冷铁表面的熔融时间与被冷铁激冷部位铸件　的凝固时间相等。根据该原理并结合模拟实验数据，　可得出熔合内冷铁截面最大直径为：２２．５　ｍｍ。　３）内冷铁的结构　内冷铁结构设计不仅遵循顺序凝固及铸件中　心部位散热慢的原则，还要考虑铸件质量要求，表层　与内部允许的缺陷大小不同，因此我们设计内冷铁　时充分考虑了这些因素，为了能使内冷铁与铸件充　分熔合，选用直径４２０　ｍｍ和　１２　ｍｍ两种规格　２０１０年第６期　郭学武，郭林：高炉铸钢冷却壁的铸造工艺设计及应用堡　堡垒　兰茎　的近似材质的圆钢进行组合，结构设计成网格状，从　上到下由稀至密，靠近水管处用　１２　ｍｍ圆钢，适　当密一些。并且摆放时要求内冷铁与型壁间保持合　适的间距。　２．６浇注系统设计　箱，打紧卡子，最后再将箱缝抹严。浇注温度主要是　考虑钢液与水管的熔合，并且还要保证不熔化水管，　如果钢液温度过低，则内冷铁与铸件就不可能熔合　好，铸件易产生浇不足缺陷。但浇注温度过高时，钢　液凝固时间过长，收缩量增大，产生缩孔、缩松及熔　化管子的机会增加。综合各方面的因素，并借助仿真　凝固软件进行充型凝固模拟。最终确定浇注温度控　制在１　５５０℃～１　５７０　ｃＣＩ较为合适。为防止浇注时钢　水熔化水管造成水管漏水和不通球缺陷，在浇注过　针对浇注系统和冒口设置．我们设计三种方案　如图４，并利用模拟软件，分别进行充型模拟。从模　拟充型结果得出第三种浇注系统效果最合理，如图　４ｃ）金属液自下而上进人型腔，对型腔冲击力小，冲　型平稳，砂型不易产生局部过热。同时高温金属液　在型腔上部，有利于形成顺序凝固和排气。　ｂ）　ｃ）　浇注系统及冒口设置方案　３计算机仿真模拟验证　参照图４　ｃ）所示工艺方案进行计算机仿真凝　固模拟，模拟结果如图５所示。从凝固模拟结果来　看，缩孑Ｌ都集中在冒口内，冷却壁本体内无缩孔，铸　件内部质量良好，能够满足技术要求，此项工艺方　案可行　温度，℃　ｌ５５０　图５冷却壁模拟凝固结果图　４合箱浇注　合箱时要检查铸型是否完好、冷却水管等是否　有碰坏歪斜、冷却水管与砂箱的连接是否牢靠等．　必要时可验箱，所有不合格项都必须完全修正后再　扣箱，吹净铸型内及浇道内散砂，对正箱泥号后合　程中又采取往水管内通人氮气。对水管进行冷却降　温。避免管子内壁被空气氧化　浇注过程中采取“先　慢、后快、再慢”的原则，即先慢速开浇，当钢液接近　冷却水管位置时，加大浇速，让钢液快速包裹冷却　水管，当钢液液面超过冷却水管时，再慢速浇注，　至钢液进入冒口高度２／３时，改由冒口补注直到浇　注结束。　５结束语　经过实际生产验证，采取上述工艺方案生产的　冷却壁铸件，表面质量良好，没有粘砂、缩孔等缺　陷，螺栓孔、水管、护管尺寸准确，完全通过成品件　样板检查，通过对附铸试块进行机械性能检测，完　全符合国家标准要求，为进一步检验内在质量，我　们又对生产的冷却壁随机抽取一块进行剖开检查　验证，铸件内部无铸造缺陷，水管与本体熔化良好，　符合图纸设计要求，铸件剖开后的端面如图６所　示。铸件合格率１００％，该工艺对同类铸件的工艺设　计和生产同样具有借鉴价值　图６铸件剖开后的端面及管子熔合情况　参考文献　［１］中国机械工程学会铸造分．铸造手册・铸造工艺（第５卷）［Ｍ］　北京：机械工业出版社，２００３．　・　１７　・