专利名称：电炉水冷铸钢炉盖的铸造方法
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电 炉水冷铸钢炉盖的铸造方法，属于炼钢冶金技术领域。
背景技术：
电炉水冷炉盖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，电炉水冷炉盖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电炉水冷炉盖材质以铸铁为主，但是，铸 铁电炉水冷炉盖存在诸多不足。以使用最广泛的球墨铸铁电炉水冷炉盖为例， 其存在以下不足(1)球墨铸铁电炉水冷炉盖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，而气隙使得电炉水冷炉盖传热阻力显著增加， 恶化电炉水冷炉盖的传热效果，增加电炉水冷炉盖工作面温度，加速电炉水冷 炉盖的破损；(2)球墨铸铁基体上布满了大小不同的球状石墨(粒径0.025 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，从而导致电炉水冷炉盖使用寿命 变短，增加资源消耗，不利于电炉水冷炉盖长寿、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，不利于电炉水 冷炉盖长寿；(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"，当温度大于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30w m—2 K—、不利于电炉水冷炉 盖的高效冷却。由于铸钢材料的特殊性和浇注工艺的难度，因此国外对电炉水冷铸钢炉盖 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 冶金工业对电炉水冷炉盖需求很大，并且基于铸钢材料的优越性，对电炉水冷 铸钢炉盖进行了初步研究。
国内个别企业对电炉水冷铸钢炉盖的生产进行了实践，但结果差强人意。 主要原因包含五个方面，第一，在浇注电炉水冷炉盖的过程中，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，破坏冷却水管和电路水冷炉盖基体的 整体机械性能，并促使气隙产生，严重恶化电炉水冷炉盖的传热性能；箄一三， 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 净化技术在电炉水冷铸钢铸钢一次浇注成型过程中缺乏系统研究，产品性能不 稳定；第五，冶金工业的电炉水冷炉盖属于厚大铸件，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，针对电炉水冷铸钢 炉盖的热处理工艺缺乏系统研究，尚未提出热处理规范。因此，电炉水冷铸钢 炉盖成品率很低，性能不佳，寿命也不长。
目前，有些文献从理论上对电炉水冷铸钢炉盖及其类似的炉盖进行了研究， 主要侧重于传热分析、建立数学模型优化设计，对电炉水冷铸钢炉盖发展起到 了积极的推动作用。但电炉水冷铸钢炉盖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， 电炉水冷铸钢炉盖热处理，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， 目前对于铸钢在电炉水冷炉盖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，保证冷却水管外表面不发生重熔和再结晶，促使冷却水管表面在浇注 过程中微熔，并使得冷却水管在浇注后与基体紧密结合；优化控制电炉水冷铸钢炉盖的铸造工艺，有效减少元素偏析；通过添加特殊合金和优化热处理工艺 提高电炉水冷铸钢炉盖性能的电炉水冷铸钢炉盖的铸造方法。
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 一种电炉水冷铸钢炉盖的铸造方法，其特征在于采用铸钢材料浇注基体和 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°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基体，将冷却水管的中部浇注在 基体中，两端从基体上伸出，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)，据此控制电炉水冷铸钢炉盖基体的凝固过程，促使其形成 顺序凝固；
(8) 、冷却，卸掉模型，电炉水冷铸钢炉盖制成。 前述的电炉水冷铸钢炉盖的铸造方法，其特征在于所述的冷却水管的中部
为圆环状，两个端部弯曲向上，基体为带台阶的圆环状，直径大的部分向上，直径小的部分向下，冷却水管位于基体中，与基体紧密结合，冷却水管的两个 端部从直径大的部分的上侧伸出。
前述的电炉水冷铸钢炉盖的铸造方法，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。
前述的电炉水冷铸钢炉盖的铸造方法，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。
前述的电炉水冷铸钢炉盖的铸造方法，其特征在于所述的成渣剂，其加入 比例为lkg/吨钢水。
前述的电炉水冷铸钢炉盖的铸造方法，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。
前述的电炉水冷铸钢炉盖的铸造方法，其特征在于所述的硅铁合金块，其 添加量O. 1-0. 7kg/吨钢水。
前述的电炉水冷铸钢炉盖的铸造方法，其特征在于所述的液态冷却介质， 其流速为1-10 m/s。
前述的电炉水冷铸钢炉盖的铸造方法，其特征在于所述的复合固体冷却介 质，其加入量为l-10kg/吨钢水。
前述的电炉水冷铸钢炉盖的铸造方法，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。
本发明的有益效果是采用本发明的铸造方法铸造电炉水冷铸钢炉盖，可 以有效避免冷却水管在铸造过程中熔穿；避免电炉水冷铸钢炉盖基体和冷却水 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，延长电炉水冷铸钢炉盖寿命进而延长冶金高温窑 炉的寿命，节约生产成本；使得冷却水管与基体紧密结合，提高基体的冷却效 果；控制凝固方式，实现顺序凝固，提高电炉水冷铸钢炉盖的机械性能。
图l是本发明.的电炉水冷铸钢炉盖的中心剖视图； 图2是本发明的电炉水冷铸钢炉盖的俯视图。
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。 图1是本发明的电炉水冷铸钢炉盖的中心剖视图；图2是本发明的电炉水 冷铸钢炉盖的俯视图。
本发明的电炉水冷铸钢炉盖的铸造方法，将冷却水管的材质选定为铸钢， 同时采用铸钢材料浇注基体，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) 、按成分要求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，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1-10kg/吨钢水，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基体，将冷却水管的中部浇注在 基体中，两端从基体上伸出，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)，据此控制电炉水冷铸钢炉盖基体的凝固过程，促使其形成 顺序凝固；
(8)、冷却，卸掉模型，电炉水冷铸钢炉盖制成。
上述的冷却水管2的中部为圆环状，两个端部弯曲向上，基体l为带台阶的 圆环状，直径大的部分向上，直径小的部分向下，冷却水管2位于基体1中，与 基体l紧密结合，冷却水管2的两个端部从直径大的部分的上侧伸出。
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%， Fe0: 20-30%， Mg0: 10-15%; AL203: 10-20%;其余成分是粒度为70-100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瑢，并使得冷却水管 2在浇注后与基体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。
本发明将冷却水管2的材质和基体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，控制电炉水冷铸钢炉盖凝固过程，形成顺序 凝固的条件；添加特殊的稀土合金元素，细化晶粒，减少元素偏析，稳定安全 生产，提高电炉水冷铸钢炉盖性能。
本发明的电炉水冷铸钢炉盖应用于冶金炉窑的主要原理是将电炉水冷铸 钢炉盖置于冶金高温炉窑的出口区域，冷却介质(比如，水)按设计流速从电 炉水冷铸钢炉盖的冷却水管2的下部端口通过电炉水冷铸钢炉盖内部，以这种方 式，热量从冶金高温炉窑内部传给电炉水冷铸钢炉盖的基体l，冷却介质再将热量从基体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电炉水冷铸钢炉盖的冷却性能。 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、一种电炉水冷铸钢炉盖的铸造方法，其特征在于采用铸钢材料浇注基体和冷却水管，包括以下步骤(1)、采用中频感应炉冶炼钢水，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；(5)、将用铸钢材料制成的冷却水管按要求放入浇注模型中，在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，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基体，将冷却水管的中部浇注在基体中，两端从基体上伸出，控制钢水过热度在100-120摄氏度范围；(7)、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，据此控制电炉水冷铸钢炉盖基体的凝固过程，促使其形成顺序凝固；(8)、冷却，卸掉模型，电炉水冷铸钢炉盖制成。
2、 根据权利要求l所述的电炉水冷铸钢炉盖的铸造方法，其特征在于所述 的冷却水管的中部为圆环状，两个端部弯曲向上，基体为带台阶的圆环状，直 径大的部分向上，直径小的部分向下，冷却水管位于基体中，与基体紧密结合， 冷却水管的两个端部从直径大的部分的上侧伸出。
3、 根据权利要求l所述的电炉水冷铸钢炉盖的铸造方法，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。
4、 根据权利要求l所述的电炉水冷铸钢炉盖的铸造方法，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。
5、 根据权利要求1或4所述的电炉水冷铸钢炉盖的铸造方法，其特征在于所 述的成渣剂，其加入比例为lkg/吨钢水。
6、 根据权利要求l所述的电炉水冷铸钢炉盖的铸造方法，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。
7、 根据权利要求1或6所述的电炉水冷铸钢炉盖的铸造方法，其特征在于所 述的硅铁合金块，其添加量O. 1-0. 7kg/吨钢水。
8、 根据权利要求l所述的电炉水冷铸钢炉盖的铸造方法，其特征在于所述 的液态冷却介质，其流速为I-IO m/s。
9、 根据权利要求1或8所述的电炉水冷铸钢炉盖的铸造方法，其特征在于所 述的复合固体冷却介质，其加入量为1-10kg/吨钢水。
10、 根据权利要求l所述的电炉水冷铸钢炉盖的铸造方法，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。
全文摘要
本发明涉及一种电炉水冷铸钢炉盖的铸造方法，用铸钢浇注基体和冷却水管，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，在冷却水管中通过液态冷却介质和复合固体冷却介质；用铸钢钢水浇注基体，将冷却水管中部浇注在基体中，两端从基体上伸出；造型时让浇注模型横卧，冒口偏重一侧造型，模型合箱后将模型冒口一侧垫高；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，延长电炉水冷铸钢炉盖寿命进而延长冶金高温窑炉的寿命，节约生产成本，提高电炉水冷铸钢炉盖的机械性能。
文档编号F27D1/18GK101634524SQ20091002736
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