一种金属基体冷却壁的铸造方法 技术领域：
本发明所要保护的技术方案属于铸造工艺技术领域，具体地说为以高熔点金属钢为基体的冷却壁的铸造方法。
背景技术：
炼钢高炉、流槽等设备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，而且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。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，特别是可能在浇注过程中因急剧膨胀地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，有些冷却管道形状比较复杂的铸钢冷却壁甚至无法生产出来。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题就是提供一种生产铸钢冷却壁等金属基体熔点高的铸造冷却壁的方法，用以克服现有技术中冷却管道易变形和熔穿的弊病。
本发明的技术方案是这样的：一种金属基体冷却壁的铸造方法，在冷却管道中填充满冷却介质，冷却介质主要包括刚玉粉、铁粉、电极粉混合成的粉末，它们之间的重量比例为刚玉粉∶铁粉∶电极粉＝1∶0.14～0.21∶0.04～0.10。以上固体冷却介质在生产过程中具备了以下综合性能：1、蓄热能力大，有极强的急剧冷却的作用；2、热膨胀系数小，热稳定性好，3、不产生化学反应，不生成气体；4、不熔化，不粘连管壁，常温下容易清理，所以具有简单、稳定、可靠、安全的特点。
冷却壁基体为低碳钢或低碳合金钢，用低碳钢热轧材质钢管作为冷却管道，在冷却管道中填充满冷却介质，冷却介质主要包括刚玉粉、铁粉、电极粉混合成的粉末，它们之间的重量比例为刚玉粉∶铁粉∶电极粉＝1∶0.14～0.21∶0.04～0.10。当冷却介质为刚玉粉∶铁粉∶电极粉＝1∶0.17～0.19∶0.05～0.07为佳。用此方法可按设计要求制成各种成品率高达95％以上的铸钢冷却壁。低碳钢或低碳合金钢采用氧化法冶炼成浇注钢液过程中，控制好钢液化学成分，特别是控制好氧化终点碳的含量是冶炼操作的关键。将氧化终点碳的含量控制在0.08-0.12％范围内，保证钢水的脱碳量在0.30％上，使碳-氧反应充分，沸腾均匀，最大限度地降低钢液中的夹杂物和气体含量。浇注温度和速度是影响冷却水管“熔而不化”的重要因素之一。浇注温度过高，钢液热量大，易将壁管熔穿；浇注温度过低，钢液热量小，壁管不熔合或熔合不充分。经试验将浇注温度控制在1560-1580℃之间，可保证壁管熔合良好。浇注速度应遵循“先慢、后快、再慢”的原则，并与管壁“结晶—熔化—再结晶”的过程相对应。即先慢速开浇，当钢液接近冷却水管位置时，加大浇注，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。
本发明采用底注开放式浇注系统，浇口对面端部设置有保温冒口，浇注时铸型处于水平位置，浇注结束后，立即将冒口端垫高，以强化冒口对铸件的补缩。水平浇注工艺可使冷却水管各部位在同一浇注时间内同时承受相同的钢水静压力和高温熔蚀。因此，冷却水管不会因局部过热而变形或熔穿。侧倾浇注工艺增强了冒口对铸件的补缩能力，但容易使底部的冷却水管因在钢液中浸泡溶蚀时间过长而变形或熔穿。该工艺兼顾有水平浇注工艺和倾斜工艺之优点。
本发明通过在冷却管道中填充上述的冷却介质，可以使钢水等高熔点的浇注液沿着由冷却管道向壁体外侧的方向凝固。可以保证冷却管道在钢水等浇注、凝固过程中，在1600℃高温状态下达到“熔而不化”的临界状态，即管外壁与浇注液熔合为一体，消除了热阻，同时内壁不熔化，不变形。应用该制造技术可工业化生产各种结构的铸钢冷却壁，从而为铸钢冷却壁完全取代铸铁冷却壁提供了保证，能大幅度提高高炉寿命，由此降低高炉大修成本，确保高炉顺行，提高利用系数。
附图说明：
图1为各实施例浇注的铸钢冷却壁结构解剖示意图。
图2为铸钢冷却壁浇注方式示意图。
【具体实施方式】
各实施例的冷却介质配方如下表：(重量份比例) 实施例编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 刚玉粉 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 铁粉 0.14 0.15 0.16 0.17 0.17 0.18 0.19 0.19 0.20 0.21 电极粉 0.04 0.09 0.08 0.07 0.05 0.06 0.07 0.05 0.10 0.04
以上配方中采用的铁粉符合GB/4136-1984要求，电极粉型号为GB/T3518-1983，刚玉粉型号为GB/T2479-1996。
按照GB/T3651-1983的要求测量冷却介质的导热系数，测得各实施例结果如下： 编 号 导热系数w/mk 线膨胀系数％ 比热容J/kg.k 蓄热系数J/m2ks 25 ℃ 800 ℃ 1200 ℃ 25 ℃ 800 ℃ 1200 ℃ 25 ℃ 800 ℃ 1200 ℃ 25 ℃ 800 ℃ 1200 ℃ 1 5.09 6.16 9.00 0.23 0.70 1.12 0.60 1.02 1.18 3.00 4.10 4.88 2 5.11 6.24 9.13 0.23 0.70 1.12 0.63 1.10 1.24 3.06 4.14 4.93 3 5.11 6.29 9.18 0.24 0.71 1.12 0.67 1.14 1.28 3.07 4.18 4.98 4 5.21 6.42 9.36 0.24 0.71 1.12 0.73 1.18 1.37 3.15 4.26 5.06 5 5.22 6.42 9.36 0.25 0.74 1.13 0.72 1.16 1.34 3.14 4.25 5.03 6 5.22 6.42 9.36 0.24 0.72 1.12 0.73 1.18 1.38 3.15 4.26 5.06 7 5.23 6.42 9.36 0.25 0.72 1.12 0.73 1.18 1.38 3.15 4.26 5.06 8 5.23 6.42 9.37 0.25 0.73 1.13 0.71 1.15 1.36 3.14 4.26 5.04 9 5.25 6.44 9.37 0.29 0.78 1.20 0.73 1.19 1.39 3.16 4.28 5.07 10 5.23 6.43 9.37 0.28 0.77 1.18 0.73 1.18 1.39 3.15 4.26 5.06
上表表明各实施例1、蓄热能力大，有极强的急剧冷却的作用；2、热膨胀系数小，热稳定性好，3、不产生化学反应，不生成气体；而且实验证明均不熔化，不粘连管壁，实施例4-8的效果更好。
取实施例4-8按下述铸造浇注工艺过程浇注铸钢冷却壁：
浇注工艺流程为：首先制作木模，同时根据设计要求将20#低碳钢热轧无缝钢管冷弯制成蛇形冷却水管并经喷砂除锈处理，组装成一整体后，接着合箱，冷却水管中充满冷却介质，利用电炉冶炼的25#低碳钢钢液浇注成型，完毕后清砂，最后进行热处理。
在上述的过程中，如图2所示采用底注开放式浇注系统7，浇注系统7的浇口置于冷却水管1之间，以避免高温钢液直接冲涮冷却水管1，浇口对面端部设置有保温冒口6。保温冒口6采用大孔出流，平稳充型的方式。浇注时铸型处于水平位置，浇注结束后，立即将冒口端垫高。
电炉氧化法冶炼中氧化终点碳的含量控制在0.08-0.12％范围内，通过精料入炉，提高钢水温度，强化脱碳操作，保证钢水的脱碳量在0.30％上。浇注温度控制在1560-1580℃之间。先慢速开浇，当钢液接近冷却水管位置时，加大浇注，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。为了充分发挥低碳微合金化铸钢的潜力，必须进行适当的热处理。冷却壁浇注后，经过24h保温，消除铸造内应力，细化组织，进一步改善微合金化对基体的强化作用，提高钢的热屈服强度、抗热疲劳性及抗氧化性。
将浇注好的冷却壁分别进行以下实验。图1中冷却水管1、螺栓孔2、冷却水管取样位置3、芯部试样取样位置4、基体5。
实验一：附铸试块实验：
每块冷却壁上附铸三块试块，附铸试块的位置参照GB1348-88的规定放在冷却壁侧面的中心部位；附铸试块的制备参照GB1348-88中4.1.2的规定，试块形状和尺寸参照GB1348-88中表7的规定；附铸试块机械性能应该达到；抗拉强度σb≥400N/mm2；延伸率δ5≥20％。
所得结果如下：
σb、δ5均为各个实施例取三块冷却壁的算术平均值。实施例编号 实施例4 实施例5 实施例6 实施例7 实施例8 σb(N/mm2) 501 495 499 490 495 δ5(％) 25 26 24 25 24
实验二：解剖实验
对浇铸好的冷却壁按图1虚线所示进行解剖。在冷却水管取样位置3处取20mm长的铸件内部钢管，相应铸件外亦取20mm长钢管。沿冷却壁高度方向四等分的中心处即芯部试样取样位置4处各取一试样。共取3块试样。试样尺寸为180*40*40mm解剖检验的结果应达到如下要求：1、抗拉强度σb≥370N/mm2；2、从芯部试样取样位置4处取出三块试块的延伸率δ5平均不低于18％，任一试块的最小延伸率不得低于16％；3、冷却水管不能被熔穿，铸钢内部没有缺陷；4、管子位移量应小于5mm。实验结果如下：
芯部试样的力学性能如下表：编号 指标 铸造冷却壁1 铸造冷却壁2 铸造冷却壁3实施例4 σb(N/mm2) 431 442 440 δ5(％) 20 21 19 最小延伸率(％) 18 19 17实施例5 σb(N/mm2) 435 432 437 δ5(％) 20 21 20 最小延伸率(％) 19 19 20实施例6 σb(N/mm2) 440 438 439 δ5(％) 19 20 20 最小延伸率(％) 18 17 19实施例7 σb(N/mm2) 435 430 435 δ5(％) 20 20 20 最小延伸率(％) 19 18 18实施例8 σb(N/mm2) 430 425 430 δ5(％) 20 21 21 最小延伸率(％) 20 19 20
该表中铸造冷却壁1、铸造冷却壁2、铸造冷却壁3是指以实施例4-8作为冷却介质分别铸造的三块铸钢冷却壁，最小延伸率是指每块铸造冷却壁中取出的三块芯部试样中测得的延伸率最小的数值。
各个实施例经肉眼观察和金相分析，每块冷却管道外壁与壁体熔为一体，内壁完好无损，铸件内部无裂纹，砂眼、缩孔等缺陷，管子无烧穿。管子金相组织由内到外应无明显变差，无渗碳层。
实施例4-8中管子最大位移量为1.5mm。
实验三：通球试验与打压试验
冷却壁制作完毕后，进行通球试验与打压试验，通球直径为水管的0.7-0.75倍，打压试验水压为1.0Mpa，用0.75kg手锤敲击冷却壁各个部位，冷却壁无漏水冒汗现象，30分钟后，压力降不大于3％才为合格。
现将各个实施例制成的冷却壁管内通0.75倍管径的钢球，均畅通无阻，经2Mpa水压实验，保压2小时，均无渗漏，用0.75kg手锤敲击冷却壁各个部位，冷却壁均无漏水冒汗现象，30分钟后，压力均降为0％。
实验四：冷却壁表面质量检验：
冷却壁内侧不允许有任何形式的缺陷，如砂眼、麻面、气孔、裂纹等；冷却壁外侧的面上，铸造缺陷深度不超过5mm，单个缺陷的直径不大于10mm，在100*100mm2内不多于2处，缺陷面积不超过其所在面积的3％。
检查各个实施例制成的冷却壁管冷却壁，内侧均无缺陷；冷却壁外侧的面上，铸造缺陷深度最大为2mm，直径最大单个缺陷的直径为2mm，在100*100mm2内缺陷数量最多的为1处，缺陷面积最大的为其所在面积的0.5％。