專利名稱：電爐水冷鑄鋼爐蓋的鑄造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種冶金高溫爐窯，具體講是涉及一種用于冶金高溫爐窯的電 爐水冷鑄鋼爐蓋的鑄造方法，屬于煉鋼冶金技術領域。
背景技術：
電爐水冷爐蓋是為冶金高溫爐窯提供冷卻的設備，能夠保護冶金高溫爐窯 免受爐體內(nèi)高溫流體的侵蝕和機械磨損，延長冶金高溫爐窯壽命，保證其安全 穩(wěn)定生產(chǎn)。冷卻設備一旦出現(xiàn)問題，冶金高溫窯爐必須全面停產(chǎn)檢修，將會帶 來重大經(jīng)濟損失。所以，電爐水冷爐蓋的壽命和性能決定冶金高溫爐窯的壽命， 是冶金高溫爐窯長壽高效、節(jié)能的重要保證。
當前國內(nèi)外冶金工業(yè)普遍采用的電爐水冷爐蓋材質以鑄鐵為主，但是，鑄 鐵電爐水冷爐蓋存在諸多不足。以使用最廣泛的球墨鑄鐵電爐水冷爐蓋為例， 其存在以下不足(1)球墨鑄鐵電爐水冷爐蓋必須在冷卻通道外附加防滲碳涂 層，使通道與基體之間形成氣隙，而氣隙使得電爐水冷爐蓋傳熱阻力顯著增加， 惡化電爐水冷爐蓋的傳熱效果，增加電爐水冷爐蓋工作面溫度，加速電爐水冷 爐蓋的破損；(2)球墨鑄鐵基體上布滿了大小不同的球狀石墨(粒徑0.025 0.150mm)，球狀石墨被氧化后相當于形成了無數(shù)微小的孔洞，構成了發(fā)生裂縫 和裂紋的發(fā)源地，加速了裂縫和裂紋的擴展，從而導致電爐水冷爐蓋使用壽命 變短，增加資源消耗，不利于電爐水冷爐蓋長壽、節(jié)能；(3)在澆鑄大型球墨 鑄件時，C、 S、 P在柱狀結晶過程中容易被推向液態(tài)區(qū)，在中心等軸晶區(qū)形成一 個偏析物富集區(qū)，使鑄件表面和中心的延伸率存在較大差異，表面延伸率大于 中心部位一倍以上，促進了球墨鑄鐵裂縫或裂紋的產(chǎn)生和擴展，不利于電爐水 冷爐蓋長壽；(4)球墨鑄鐵的線膨脹系數(shù)在60(TC以下變化較平穩(wěn)，但在60(TC 以上則隨溫度的升高而發(fā)生急劇的不可逆"生長"，當溫度大于709"C時基體組 織發(fā)生了相變，膨脹系數(shù)和內(nèi)應力急劇增長，其破損速度加快；(5)球墨鑄鐵 導熱性和抗熱震性能都較差，其導熱系數(shù)僅為30w m—2 K—、不利于電爐水冷爐 蓋的高效冷卻。由于鑄鋼材料的特殊性和澆注工藝的難度，因此國外對電爐水冷鑄鋼爐蓋 在冶金工業(yè)的應用問題研究較少，其研究成果較少見諸報導。但是，由于國內(nèi) 冶金工業(yè)對電爐水冷爐蓋需求很大，并且基于鑄鋼材料的優(yōu)越性，對電爐水冷 鑄鋼爐蓋進行了初步研究。
國內(nèi)個別企業(yè)對電爐水冷鑄鋼爐蓋的生產(chǎn)進行了實踐，但結果差強人意。 主要原因包含五個方面，第一，在澆注電爐水冷爐蓋的過程中，冷卻水管極易
被高溫鋼水熔穿，廢品率高；第二，在澆注過程中，在冷卻水管外表面焊接大 量冷鐵，冷鐵在澆筑過程中熔化不完全，破壞冷卻水管和電路水冷爐蓋基體的 整體機械性能，并促使氣隙產(chǎn)生，嚴重惡化電爐水冷爐蓋的傳熱性能；箄一三， 在澆注過程中，冷卻水管內(nèi)部易發(fā)生氧化，產(chǎn)品質量大大降低；第四，鋼水潔 凈化技術在電爐水冷鑄鋼鑄鋼一次澆注成型過程中缺乏系統(tǒng)研究，產(chǎn)品性能不 穩(wěn)定；第五，冶金工業(yè)的電爐水冷爐蓋屬于厚大鑄件，而厚大鑄件的氣孔、疏 松、偏析等質量缺陷在鑄造行業(yè)一直尚未完全解決。另外，針對電爐水冷鑄鋼 爐蓋的熱處理工藝缺乏系統(tǒng)研究，尚未提出熱處理規(guī)范。因此，電爐水冷鑄鋼 爐蓋成品率很低，性能不佳，壽命也不長。
目前，有些文獻從理論上對電爐水冷鑄鋼爐蓋及其類似的爐蓋進行了研究， 主要側重于傳熱分析、建立數(shù)學模型優(yōu)化設計，對電爐水冷鑄鋼爐蓋發(fā)展起到 了積極的推動作用。但電爐水冷鑄鋼爐蓋的實際生產(chǎn)過程中存在的問題涉及到 諸多方面，其應用和推廣需要綜合考慮各個方面建立數(shù)學模型進行傳熱學計 算，基體材料的選擇，設計參數(shù)的選擇，鋼水潔凈化冶煉，鑄鋼冷卻凝固控制， 電爐水冷鑄鋼爐蓋熱處理，性能檢測和評估等。單純從某一個角度考慮并不能 很好的解決問題，需要交叉多學科的基本原理進行系統(tǒng)研究。由于上述限制， 目前對于鑄鋼在電爐水冷爐蓋上的應用還是不能達到工業(yè)應用的要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種利用新的鑄鋼 基體材料取代傳統(tǒng)的鑄鐵材料，采用新的制造工藝克服氣隙熱阻的產(chǎn)生，打破 傳統(tǒng)的氣體冷卻模式，避免使用當前不得已而采用的內(nèi)冷鐵塊，實現(xiàn)精確控制 吸熱量，保證冷卻水管外表面不發(fā)生重熔和再結晶，促使冷卻水管表面在澆注 過程中微熔，并使得冷卻水管在澆注后與基體緊密結合；優(yōu)化控制電爐水冷鑄鋼爐蓋的鑄造工藝，有效減少元素偏析；通過添加特殊合金和優(yōu)化熱處理工藝 提高電爐水冷鑄鋼爐蓋性能的電爐水冷鑄鋼爐蓋的鑄造方法。
為達到上述目的，本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是 一種電爐水冷鑄鋼爐蓋的鑄造方法，其特征在于采用鑄鋼材料澆注基體和 冷卻水管，包括以下步驟-
(1) 、采用中頻感應爐(容重3噸)冶煉鋼水，在冶煉鋼水末期，分二次加 入成渣劑，使其均勻覆蓋在鋼水表面；
(2) 、在鋼水出爐前，在感應爐內(nèi)一次性添加粒度為30-40mm的硅鐵合金塊， 采用機械噴入的方式添加；
(3) 、配制復合固體冷卻介質，配制好后，將復合固體冷卻介質在大氣環(huán) 境下，進行高溫灼燒，灼燒溫度控制在900-1300°C，去除燒結成塊的粘結物；
(4) 、配備可循環(huán)利用的液態(tài)冷卻介質，該液態(tài)冷卻介質的特點為比熱 容較大，高溫下不易揮發(fā)、不黏結、不腐蝕鑄鋼冷卻水管，不改變鑄鋼冷卻水 管的固有成分和機械性能；
(5) 、將用鑄鋼材料制成的冷卻水管(其材料為20號鋼)按要求放入澆注
模型中，在冷卻水管的兩端通過耐高溫的軟管外接高壓水泵，高壓水泵的壓力 為5-15Mpa;在鋼水澆注前，預先在冷卻水管內(nèi)通入循環(huán)的液態(tài)冷卻介質，在鋼 水澆注過程中，將復合固體冷卻介質加入到循環(huán)的液態(tài)冷卻介質中，這樣的澆 注工藝可以保證冷卻水管表面微熔；
(6) 、用加入硅鐵合金塊的鑄鋼鋼水澆注基體，將冷卻水管的中部澆注在 基體中，兩端從基體上伸出，控制鋼水過熱度在100-120攝氏度范圍；
(7) 、融合二級階梯澆注和傾斜澆注的優(yōu)勢，即在造型過程中，讓澆注模 型橫臥，冒口偏重一側造型，模型合箱后將模型冒口一側墊高，使整體砂箱與 地面成10-15度；在澆注過程中采用上下兩層內(nèi)澆口進行階梯澆注(兩層內(nèi)澆口 的間隔為10-50cm)，據(jù)此控制電爐水冷鑄鋼爐蓋基體的凝固過程，促使其形成 順序凝固；
(8) 、冷卻，卸掉模型，電爐水冷鑄鋼爐蓋制成。 前述的電爐水冷鑄鋼爐蓋的鑄造方法，其特征在于所述的冷卻水管的中部
為圓環(huán)狀，兩個端部彎曲向上，基體為帶臺階的圓環(huán)狀，直徑大的部分向上，直徑小的部分向下，冷卻水管位于基體中，與基體緊密結合，冷卻水管的兩個 端部從直徑大的部分的上側伸出。
前述的電爐水冷鑄鋼爐蓋的鑄造方法，其特征在于所述的復合固體冷卻介
質為Cr203: 45-47%， Si02: 1-2%, CaO: 0.5-1%， FeO: 20-30%， MgO: 10-15%; AL203: 10-20%;其余成分是粒度為70-IOO目的碳粉。
前述的電爐水冷鑄鋼爐蓋的鑄造方法，其特征在于所述的成渣劑，其中包 括80-85%的氧化鈣和10-15%的氧化鎂。
前述的電爐水冷鑄鋼爐蓋的鑄造方法，其特征在于所述的成渣劑，其加入 比例為lkg/噸鋼水。
前述的電爐水冷鑄鋼爐蓋的鑄造方法，其特征在于所述的硅鐵合金塊，其 成分為15-20%稀土元素、20-30%硅、50-65%金屬鐵。
前述的電爐水冷鑄鋼爐蓋的鑄造方法，其特征在于所述的硅鐵合金塊，其 添加量O. 1-0. 7kg/噸鋼水。
前述的電爐水冷鑄鋼爐蓋的鑄造方法，其特征在于所述的液態(tài)冷卻介質， 其流速為1-10 m/s。
前述的電爐水冷鑄鋼爐蓋的鑄造方法，其特征在于所述的復合固體冷卻介 質，其加入量為l-10kg/噸鋼水。
前述的電爐水冷鑄鋼爐蓋的鑄造方法，其特征在于所述的冷卻水管的橫截 面為橢圓形，所述的橢圓形的短軸和長軸的長度之比為O. 5 0. 7。
本發(fā)明的有益效果是采用本發(fā)明的鑄造方法鑄造電爐水冷鑄鋼爐蓋，可 以有效避免冷卻水管在鑄造過程中熔穿；避免電爐水冷鑄鋼爐蓋基體和冷卻水 管間產(chǎn)生氣隙；避免冷卻水管在鑄造過程中發(fā)生重熔和再結晶，破壞冷卻水管 原有的軋制性能；精確實現(xiàn)冷卻水管外表面的微熔，解決了冷卻水管在澆注過 程中熔穿和內(nèi)表面氧化問題，延長電爐水冷鑄鋼爐蓋壽命進而延長冶金高溫窯 爐的壽命，節(jié)約生產(chǎn)成本；使得冷卻水管與基體緊密結合，提高基體的冷卻效 果；控制凝固方式，實現(xiàn)順序凝固，提高電爐水冷鑄鋼爐蓋的機械性能。


圖l是本發(fā)明.的電爐水冷鑄鋼爐蓋的中心剖視圖； 圖2是本發(fā)明的電爐水冷鑄鋼爐蓋的俯視圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。 圖1是本發(fā)明的電爐水冷鑄鋼爐蓋的中心剖視圖；圖2是本發(fā)明的電爐水 冷鑄鋼爐蓋的俯視圖。
本發(fā)明的電爐水冷鑄鋼爐蓋的鑄造方法，將冷卻水管的材質選定為鑄鋼， 同時采用鑄鋼材料澆注基體，具體澆注步驟為
(1) 、采用中頻感應爐(容重3噸)冶煉鋼水，在冶煉鋼水末期，分二次加 入成渣劑，使其均勻覆蓋在鋼水表面，共計消耗成渣劑按lkg/噸鋼水的比例加 入，成渣劑包含80-85%氧化鈣和10-15%氧化鎂；
(2) 、在鋼水出爐前，在感應爐內(nèi)一次性添加粒度為30-40mm的硅鐵合金塊， 硅鐵合金塊包含15-20%稀土元素、20-30%硅和50-65%金屬鐵，采用機械噴入的 方式添加，添加量為O. 1-0.7公斤/噸鋼水；
(3) 、按成分要求配制復合固體冷卻介質，配制好后，將復合固體冷卻介 質在大氣環(huán)境下，進行高溫灼燒，灼燒溫度控制在900-130(TC，去除燒結成塊 的粘結物；
(4) 、配備可循環(huán)利用的液態(tài)冷卻介質，該液態(tài)冷卻介質的特點為比熱 容較大，高溫下不易揮發(fā)、不黏結、不腐蝕鑄鋼冷卻水管，不改變鑄鋼冷卻水 管的固有成分和機械性能；
(5) 、將用鑄鋼材料制成的冷卻水管(其材料為20號鋼)按要求放入澆注 模型中，在冷卻水管的兩端通過耐高溫的軟管外接高壓水泵，高壓水泵的壓力 為5-15Mpa;在鋼水澆注前，預先在冷卻水管內(nèi)通入循環(huán)的液態(tài)冷卻介質，其流 速范圍為1-10m/s,在鋼水澆注過程中，將復合固體冷卻介質加入到循環(huán)的液 態(tài)冷卻介質中，其加入量為1-10kg/噸鋼水，這樣的澆注工藝可以保證冷卻水 管表面微熔；
(6) 、用加入硅鐵合金塊的鑄鋼鋼水澆注基體，將冷卻水管的中部澆注在 基體中，兩端從基體上伸出，控制鋼水過熱度在100-120攝氏度范圍；
(7) 、融合二級階梯澆注和傾斜澆注的優(yōu)勢，即在造型過程中，讓澆注模 型橫臥，冒口偏重一側造型，模型合箱后將模型冒口一側墊高，使整體砂箱與 地面成10-15度；在澆注過程中采用上下兩層內(nèi)澆口進行階梯澆注(兩層內(nèi)澆口的間隔為10-50cm)，據(jù)此控制電爐水冷鑄鋼爐蓋基體的凝固過程，促使其形成 順序凝固；
(8)、冷卻，卸掉模型，電爐水冷鑄鋼爐蓋制成。
上述的冷卻水管2的中部為圓環(huán)狀，兩個端部彎曲向上，基體l為帶臺階的 圓環(huán)狀，直徑大的部分向上，直徑小的部分向下，冷卻水管2位于基體1中，與 基體l緊密結合，冷卻水管2的兩個端部從直徑大的部分的上側伸出。
在本發(fā)明中，開發(fā)了一種復合固體冷卻介質，復合固體冷卻介質的成分為 Cr203: 45-47%, Si02: 1-2%, CaO: 0.5-1%， Fe0: 20-30%， Mg0: 10-15%; AL203: 10-20%;其余成分是粒度為70-100目的碳粉。本發(fā)明打破傳統(tǒng)的氣體冷卻模式，
避免使用當前不得已而采用的對材料性能不利的內(nèi)冷鐵塊，實現(xiàn)精確控制吸熱 量，保證冷卻水管2外表面不發(fā)生重熔和再結晶，解決了冷卻水管2在澆注過程 中熔穿和氧化的問題，促使冷卻水管2表面在澆注過程中微瑢，并使得冷卻水管 2在澆注后與基體1緊密結合，維持了冷卻水管2在原有軋制條件下的晶粒形態(tài)和 結構性能，保持了冷卻水管2原有的良好的軋制性能。并且，可以根據(jù)不同的需 要，改變復合固體冷卻介質的配比，改變傳熱效率，從而控制冷卻水管2的表面 微熔，保證結合效果。
為了增加冷卻水管2的受熱面積，將冷卻水管2的橫截面設為橢圓形。并且 經(jīng)過計算，橢圓形的短軸和長軸的長度之比采用0.5 0.7，受熱面積和傳熱效 率處于一個最佳狀態(tài)。
本發(fā)明將冷卻水管2的材質和基體1的基體材質均選定為鑄鋼，并有效避免 使用防滲碳涂層及其帶來的一系列問題；在澆注過程中，開發(fā)復合固體冷卻介 質隨流體通過冷卻水管，保護冷卻水管熔而不化，促使冷卻水管表面微熔；在 澆注過程中，采用特殊澆注工藝，控制電爐水冷鑄鋼爐蓋凝固過程，形成順序 凝固的條件；添加特殊的稀土合金元素，細化晶粒，減少元素偏析，穩(wěn)定安全 生產(chǎn)，提高電爐水冷鑄鋼爐蓋性能。
本發(fā)明的電爐水冷鑄鋼爐蓋應用于冶金爐窯的主要原理是將電爐水冷鑄 鋼爐蓋置于冶金高溫爐窯的出口區(qū)域，冷卻介質(比如，水)按設計流速從電 爐水冷鑄鋼爐蓋的冷卻水管2的下部端口通過電爐水冷鑄鋼爐蓋內(nèi)部，以這種方 式，熱量從冶金高溫爐窯內(nèi)部傳給電爐水冷鑄鋼爐蓋的基體l，冷卻介質再將熱量從基體l帶出冶金高溫爐窯，使得冶金爐窯的爐殼免受高溫侵蝕，從而延長冶 金爐窯壽命。通過調節(jié)冷卻水流量和流速來調節(jié)電爐水冷鑄鋼爐蓋的冷卻性能。 上述實施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的方式所 獲得的技術方案，均落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權利要求
1、一種電爐水冷鑄鋼爐蓋的鑄造方法，其特征在于采用鑄鋼材料澆注基體和冷卻水管，包括以下步驟(1)、采用中頻感應爐冶煉鋼水，在冶煉鋼水末期，分二次加入成渣劑，使其均勻覆蓋在鋼水表面；(2)、在鋼水出爐前，在感應爐內(nèi)一次性添加粒度為30-40mm的硅鐵合金塊，采用機械噴入的方式添加；(3)、配制復合固體冷卻介質，配制好后，將復合固體冷卻介質在大氣環(huán)境下，進行高溫灼燒，灼燒溫度控制在900-1300℃，去除燒結成塊的粘結物；(4)、配備可循環(huán)利用的液態(tài)冷卻介質；(5)、將用鑄鋼材料制成的冷卻水管按要求放入澆注模型中，在冷卻水管的兩端通過耐高溫的軟管外接高壓水泵，高壓水泵的壓力為5-15Mpa；在鋼水澆注前，預先在冷卻水管內(nèi)通入循環(huán)的液態(tài)冷卻介質，在鋼水澆注過程中，將復合固體冷卻介質加入到循環(huán)的液態(tài)冷卻介質中，以保證冷卻水管表面微熔；(6)、用加入硅鐵合金塊的鑄鋼鋼水澆注基體，將冷卻水管的中部澆注在基體中，兩端從基體上伸出，控制鋼水過熱度在100-120攝氏度范圍；(7)、在造型過程中，讓澆注模型橫臥，冒口偏重一側造型，模型合箱后將模型冒口一側墊高，使整體砂箱與地面成10-15度；在澆注過程中采用上下兩層內(nèi)澆口進行階梯澆注，兩層內(nèi)澆口的間隔為10-50cm，據(jù)此控制電爐水冷鑄鋼爐蓋基體的凝固過程，促使其形成順序凝固；(8)、冷卻，卸掉模型，電爐水冷鑄鋼爐蓋制成。
2、 根據(jù)權利要求l所述的電爐水冷鑄鋼爐蓋的鑄造方法，其特征在于所述 的冷卻水管的中部為圓環(huán)狀，兩個端部彎曲向上，基體為帶臺階的圓環(huán)狀，直 徑大的部分向上，直徑小的部分向下，冷卻水管位于基體中，與基體緊密結合， 冷卻水管的兩個端部從直徑大的部分的上側伸出。
3、 根據(jù)權利要求l所述的電爐水冷鑄鋼爐蓋的鑄造方法，其特征在于所述 的復合固體冷卻介質為Cr203: 45-47%, Si02: 1-2%， CaO: 0. 5_1%， FeO: 20-30%， MgO: 10-15%; AL203: 10-20%;其余成分是粒度為70-IOO目的碳粉。
4、 根據(jù)權利要求l所述的電爐水冷鑄鋼爐蓋的鑄造方法，其特征在于所述 的成渣劑，其中包括80-85%的氧化鈣和10-15%的氧化鎂。
5、 根據(jù)權利要求1或4所述的電爐水冷鑄鋼爐蓋的鑄造方法，其特征在于所 述的成渣劑，其加入比例為lkg/噸鋼水。
6、 根據(jù)權利要求l所述的電爐水冷鑄鋼爐蓋的鑄造方法，其特征在于所述 的硅鐵合金塊，其成分為15-20%稀土元素、20-30%硅、50-65%金屬鐵。
7、 根據(jù)權利要求1或6所述的電爐水冷鑄鋼爐蓋的鑄造方法，其特征在于所 述的硅鐵合金塊，其添加量O. 1-0. 7kg/噸鋼水。
8、 根據(jù)權利要求l所述的電爐水冷鑄鋼爐蓋的鑄造方法，其特征在于所述 的液態(tài)冷卻介質，其流速為I-IO m/s。
9、 根據(jù)權利要求1或8所述的電爐水冷鑄鋼爐蓋的鑄造方法，其特征在于所 述的復合固體冷卻介質，其加入量為1-10kg/噸鋼水。
10、 根據(jù)權利要求l所述的電爐水冷鑄鋼爐蓋的鑄造方法，其特征在于所述 的冷卻水管的橫截面為橢圓形，所述的橢圓形的短軸和長軸的長度之比為O. 5 0.7。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電爐水冷鑄鋼爐蓋的鑄造方法，用鑄鋼澆注基體和冷卻水管，包括在鋼水中添加成渣劑和硅鐵合金塊；將冷卻水管放入澆注模型，在冷卻水管中通過液態(tài)冷卻介質和復合固體冷卻介質；用鑄鋼鋼水澆注基體，將冷卻水管中部澆注在基體中，兩端從基體上伸出；造型時讓澆注模型橫臥，冒口偏重一側造型，模型合箱后將模型冒口一側墊高；采用上下兩層內(nèi)澆口進行階梯澆注，形成順序凝固；冷卻，卸掉模型。本發(fā)明可有效避免冷卻水管在鑄造過程中熔穿；避免基體和冷卻水管間產(chǎn)生氣隙；避免發(fā)生重熔和再結晶，精確實現(xiàn)冷卻水管外表面的微熔，延長電爐水冷鑄鋼爐蓋壽命進而延長冶金高溫窯爐的壽命，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高電爐水冷鑄鋼爐蓋的機械性能。
文檔編號F27D1/18GK101634524SQ20091002736
公開日2010年1月27日 申請日期2009年5月31日 優(yōu)先權日2009年5月31日
發(fā)明者樊旭初, 潘宏偉, 程樹森 申請人:江蘇聯(lián)興成套設備制造有限公司