專利名稱：帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的鑄造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高溫冷卻裝置，具體講是涉及一種用于冶金高溫爐窯的帶 水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的鑄造方法，屬于冶金煉鐵技術領域。
背景技術：
爐喉鋼磚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。冷卻設備一旦出現(xiàn)問題，冶金高溫窯爐必須全面停產檢修，將會帶來重 大經濟損失。所以，爐喉鋼磚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。
當前國內外冶金工業(yè)普遍采用的爐喉鋼磚材質以鑄鐵為主，但是，鑄鐵爐 喉鋼磚存在諸多不足。以使用最廣泛的球墨鑄鐵爐喉鋼磚為例，其存在以下不 足(1)球墨鑄鐵爐喉鋼磚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，而氣隙使得爐喉鋼磚傳熱阻力顯著增加，惡化爐喉鋼磚的傳熱 效果，增加爐喉鋼磚工作面溫度，加速爐喉鋼磚的破損；(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，從而導致爐喉鋼磚使用壽命變短，增加資源消耗，不利于爐喉鋼磚長 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 紋的產生和擴展，不利于爐喉鋼磚長壽；(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600。C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 30wm—2《—1，不利于爐喉鋼磚的高效冷卻。由于鑄鋼材料的特殊性和澆注工藝的難度，因此國外對鑄鋼爐喉鋼磚在冶 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，由于國內冶金 工業(yè)對爐喉鋼磚需求很大，并且基于鑄鋼材料的優(yōu)越性，對鑄鋼爐喉鋼磚進行 了初步研究。
國內個別企業(yè)對鑄鋼爐喉鋼磚的生產進行了實踐，但結果差強人意。主要 原因包含五個方面，第一，在澆注爐喉鋼磚過程中，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，破壞冷卻水管和爐喉鋼磚基體的整體機械性能， 并促使氣隙產生，嚴重惡化爐喉鋼磚傳熱性能；第三，在澆注過程中，冷卻通 道內部易發(fā)生氧化，產品質量大大降低；第四，鋼水潔凈化技術在鑄鋼爐喉鋼 磚一次澆注成型過程中缺乏系統(tǒng)研究，產品性能不穩(wěn)定；第五，冶金工業(yè)的爐 喉鋼磚屬于厚大鑄件，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，針對鑄鋼爐喉鋼磚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，鑄鋼爐喉鋼磚成品率很低，性能不佳，壽命也不長。
目前，有些文獻從理論上對鑄鋼爐喉鋼磚及其類似的冷卻器進行了研究， 主要側重于傳熱分析、建立數(shù)學模型優(yōu)化設計，對鑄鋼爐喉鋼磚發(fā)展起到了積 極的推動作用。但鑄鋼爐喉鋼磚的實際生產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，鑄鋼爐喉 鋼磚熱處理，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 在爐喉鋼磚上的應用還是不能達到工業(yè)應用的要求。

發(fā)明內容
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冷鐵塊，實現(xiàn)精確控制 吸熱量，保證冷卻水管不發(fā)生重熔和再結晶，促使冷卻水管外表面在澆注過程 中微熔，并使得冷卻水管在澆注后與鋼磚基體緊密結合；優(yōu)化控制帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的鑄造工藝，有效減少元素偏析；通過添加特殊合金和優(yōu)化熱處理 工藝提高帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚性能的帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的鑄造方法。 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 一種帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的鑄造方法，其特征在于采用鑄鋼材料澆注鋼 磚基體和冷卻水管，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900-130(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U形冷卻水管(其材料為20號鋼)按要求放入澆 注模型中，鋼磚基體也為U形，在冷卻水管的兩端設置保護套管，在U形冷卻水 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鋼磚基體，將冷卻水管的中部澆 注在鋼磚基體中，兩端從鋼磚基體的U形的兩個端部伸出，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澆口進行階梯澆注(兩層內澆口 的間隔為10-50cm)，據(jù)此控制鋼磚基體的凝固過程，促使其形成順序凝固；
(8) 、冷卻，卸掉模型，帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚制成。前述的帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的鑄造方法，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。
前述的帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的鑄造方法，其特征在于所述的冷卻水管的 橫截面為橢圓形，其短軸和長軸的長度之比為O. 5 0. 7。
前述的帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的鑄造方法，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。
前述的帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的鑄造方法，其特征在于所述的成渣劑，其 加入比例為lkg/噸鋼水。
前述的帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的鑄造方法，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。
前述的帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的鑄造方法，其特征在于所述的硅鐵合金塊， 其添加量O. 1-0. 7kg/噸鋼水。
前述的帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的鑄造方法，其特征在于所述的液態(tài)冷卻介 質，其流速為1-10m/s;所述的復合固體冷卻介質，其加入量為1-10kg/噸鋼 水。
前述的帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的鑄造方法，其特征在于所述的冷卻水管為 多根，冷卻水管端部的外表面上的保護套管根據(jù)冷卻水管的根數(shù)而定，每個冷 卻水管的兩個端部分別套有保護套管，在鑄造過程中只發(fā)生表明微熔，基本不 發(fā)生重熔和再結晶，保持著冷卻水管原有的良好軋制性能。
前述的帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的鑄造方法，其特征在于所述的鋼磚基體的U 形的兩個端部加工有定位螺栓孔和十字測溫孔，定位螺栓孔為多個，便于與高 溫爐窯穩(wěn)固接觸。
本發(fā)明的有益效果是采用本發(fā)明的鑄造方法鑄造帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚， 可以有效避免冷卻水管在鑄造過程中熔穿；避免鋼磚基體和冷卻水管間產生氣 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焙穿和 內表面氧化問題，延長帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚壽命進而延長冶金高溫窯爐的壽命，節(jié)約生產成本；使得冷卻水管與鋼磚基體緊密結合，提高鋼磚基體的冷卻 效果；控制凝固方式，實現(xiàn)順序凝固，提高帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的機械性能。


圖l是本發(fā)明的帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的結構示意圖； 圖2是圖1的A向視圖。
圖中主要標記含義
1、鋼磚基體，2、冷卻水管，3、保護套管，4、十字測溫孔，5、定位螺栓
孔
具體實施例方式
下面結合附圖和具體的實施例對本發(fā)明做進一步的說明。 圖l是本發(fā)明的帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的結構示意圖；圖2是圖1的A向視圖。 本發(fā)明的帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的鑄造方法，將冷卻水管的材質選定為鑄 鋼，同時采用鑄鋼材料澆注鋼磚基體，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) 、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U形冷卻水管(其材料為20號鋼)按要求放入澆 注模型中，鋼磚基體也為U形，在冷卻水管的兩端設置保護套管3，在U形冷卻水 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，預先在冷卻水管內通入循環(huán)的液態(tài)冷卻介質，其流速范圍為l-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l-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鋼磚基體，將冷卻水管的中部澆 注在鋼磚基體中，兩端從鋼磚基體的U形的兩個端部伸出，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澆口進行階梯澆注(兩層內澆口 的間隔為10-50cm)，據(jù)此控制鋼磚基體的凝固過程，促使其形成順序凝固;
(8) 、冷卻，卸掉模型，帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚制成。
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%, FeO: 20-30%， MgO: 10-15%; AL203: 10-20%;其余成分是粒度為70-IOO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熔，并使得冷卻水管 2在澆注后與鋼磚基體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)。
冷卻水管2可以采用多根，附圖中顯示的是采用4根，并排地設置在鋼磚基 體1中。保護套管3的個數(shù)根據(jù)冷卻水管的根數(shù)而定，每根冷卻水管2的兩個端部 分別套有保護套管3。
為了增加安裝的穩(wěn)固性和測溫功能，在鋼磚基體1的U形的兩個端部加工定 位螺栓孔5和十字測溫孔4，定位螺栓孔5為多個，便于與高溫爐窯穩(wěn)固接觸。本發(fā)明將冷卻水管2的材質和鋼磚基體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，控制帶水冷的鑄鋼鑄鋼爐喉鋼磚的鋼磚基 體l的凝固過程，形成順序凝固的條件；添加特殊的硅鐵合金塊和成渣劑，細化 晶粒，減少元素偏析，穩(wěn)定安全生產，提高帶水冷的鑄鋼鑄鋼爐喉鋼磚性能。
本發(fā)明的帶水冷的鑄鋼鑄鋼爐喉鋼磚應用于冶金爐窯的主要原理是將帶 水冷的鑄鋼鑄鋼爐喉鋼磚置于冶金高溫爐窯的高溫區(qū)域內側，冷卻介質(比如， 水)按設計流速從帶水冷的鑄鋼鑄鋼爐喉鋼磚的冷卻水管2的下部端口通過鑄鋼 冷卻壁內部，以這種方式，熱量從冶金高溫爐窯內部傳給帶水冷的鑄鋼鑄鋼爐 喉鋼磚的鋼磚基體l，冷卻介質再將熱量從鋼磚基體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)帶水冷的鑄鋼鑄鋼爐喉鋼磚的冷卻性能。
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。
權利要求
1、一種帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的鑄造方法，其特征在于采用鑄鋼材料澆注鋼磚基體和冷卻水管，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U形冷卻水管按要求放入澆注模型中，鋼磚基體也為U形，在冷卻水管的兩端設置保護套管，在U形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鋼磚基體，將冷卻水管的中部澆注在鋼磚基體中，兩端從鋼磚基體的U形的兩個端部伸出，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澆口進行階梯澆注，兩層內澆口的間隔為10-50cm，據(jù)此控制鋼磚基體的凝固過程，促使其形成順序凝固；(8)、冷卻，卸掉模型，帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚制成。
2、 根據(jù)權利要求l所述的帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的鑄造方法，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70-100目的碳粉。
3、根據(jù)權利要求l所述的帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的鑄造方法，其特征在于所述的冷卻水管的橫截面為橢圓形，其短軸和長軸的長度之比為O. 5 0. 7。
4、 根據(jù)權利要求l所述的帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的鑄造方法，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所述的帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的鑄造方法，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所述的帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的鑄造方法，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所述的帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的鑄造方法，其特征在 于所述的硅鐵合金塊，其添加量O.卜O. 7kg/噸鋼水。
8、 根據(jù)權利要求l所述的帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的鑄造方法，其特征在于 所述的液態(tài)冷卻介質，其流速為1-10 m/s;所述的復合固體冷卻介質，其加入 量為1-10kg/噸鋼水。
9、 根據(jù)權利要求l所述的帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的鑄造方法，其特征在于 所述的冷卻水管為多根，冷卻水管端部的外表面上的保護套管根據(jù)冷卻水管的 根數(shù)而 定，每個冷卻水管的兩個端部分別套有保護套管。
10、根據(jù)權利要求l所述的帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的鑄造方法，其特征在于 所述的鋼磚基體的U形的兩個端部加工有定位螺栓孔和十字測溫孔，定位螺栓孔 為多個。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的鑄造方法，采用鑄鋼材料澆注鋼磚基體和冷卻水管，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中，在冷卻水管中通過液態(tài)冷態(tài)介質和復合固體冷卻介質；用鑄鋼鋼水澆注鋼磚基體，冷卻水管的中部澆注在鋼磚基體中；讓澆注模型橫臥，冒口偏重一側造型，合箱后將模型冒口一側墊高；采用上下兩層內澆口進行階梯澆注；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；避免鋼磚基體和冷卻水管間產生氣隙；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，延長爐喉鋼磚壽命進而延長冶金高溫窯爐的壽命，節(jié)約生產成本，提高帶水冷的鑄鋼爐喉鋼磚的冷卻效果和機械性能。
文檔編號F27D1/12GK101634522SQ20091002736
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