煉鐵高爐球鐵冷卻壁的鑄造

唐定忠

（柳州鋼鐵集團(tuán)有限公司工程技術(shù)公司，廣西 柳州545002）

冷卻壁是煉鐵高爐內(nèi)的重要組成部件，所起作用主要是確保爐型的穩(wěn)定和爐況完好，消除熱應(yīng)力并使?fàn)t襯遠(yuǎn)離爐內(nèi)高溫區(qū)，延長(zhǎng)高爐壽命[1]。目前 ，國(guó)內(nèi)煉鐵高爐的冷卻壁按材質(zhì)分有灰鑄鐵、球墨鑄鐵、鑄鋼和鑄銅四種；按本體結(jié)構(gòu)形式分為光面冷卻壁和鑲磚冷卻壁（見圖1）。

圖1　鑲磚冷卻壁示意圖

光面冷卻壁的材質(zhì)一般為灰鑄鐵，用在風(fēng)口帶以下，鑲磚冷卻壁主要用在風(fēng)口帶以上。由于光面冷卻壁的工況較好，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上較為簡(jiǎn)單，材質(zhì)為普通的HT200，要求不高，一般鑄造都能滿足要求。而鑲磚冷卻壁由于使用工況較為復(fù)雜，一般設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，材質(zhì)要求較高的QT400-20，鑄造難度較大。在鑄造QT400-20時(shí)存在的主要問題有：一是冷卻水管的管頭中心距尺寸精度控制不準(zhǔn)，導(dǎo)致安裝困難；二是在球墨鑄鐵的球化及孕育處理工藝不夠穩(wěn)定，導(dǎo)致球化不良，鑄件的機(jī)械性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。因此常常導(dǎo)致冷卻壁在安裝時(shí)需要在爐殼上加大割孔和冷卻壁在工作過程中出現(xiàn)裂紋漏水導(dǎo)致休風(fēng)而影響生產(chǎn)的順利進(jìn)行。隨著高爐技術(shù)的發(fā)展，爐殼開孔采用數(shù)控技術(shù)，開孔精度越來越高，一代爐齡也越來越長(zhǎng)，這就要求鑄造的冷卻壁水冷管管頭尺寸精度和鑄造本體性能必須大大提高，否則就難以適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的要求。

1　冷卻壁的造型工藝

1.1　模樣制作

為了保證模樣的使用壽命和鑄造的冷卻壁的表面質(zhì)量，采用一級(jí)強(qiáng)度的木材制作整體模樣。由于冷卻壁內(nèi)鑄入了鋼制的冷卻水管，對(duì)球鐵的凝固收縮量造成一定程度的影響，經(jīng)過多次試驗(yàn)結(jié)果，其凝固收縮量控制在0.5%的范圍內(nèi)即可。由于采用樹脂砂造型，為確保脫模方便，在垂直于分模面的兩側(cè)貼上一層硬質(zhì)、光滑的樹脂板。

1.2　冷卻壁冷卻水管的制造工藝

1.2.1冷卻水管的彎制

由于冷卻水管鑲鑄在冷卻壁內(nèi)，冷卻水管在高溫鐵水的作用下會(huì)發(fā)生膨脹與收縮的過程，所以彎制前必需確定其合理的收縮量，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果一般預(yù)留收縮量為0.5%.冷卻水管必須是冷彎，以防止熱彎時(shí)溫度控制不當(dāng)出現(xiàn)過燒而破壞其性能。彎制好的水管必須進(jìn)行試壓和通球檢驗(yàn)。檢驗(yàn)合格后的管子要進(jìn)行拋丸除銹處理。

1.2.2冷卻水管的安裝套管的裝配

為了保證冷卻壁在使用過程中，冷卻水管在冷卻壁內(nèi)能自由的收縮，以防止冷卻壁和冷卻水管的收縮不同步而拉裂冷卻壁或者冷卻水管。因此在冷卻水管外加裝安裝套管（如圖2），安裝套管與爐殼焊接在一起，起到固定冷卻壁的作用。

圖2　安裝套管裝配示意圖

1.2.3冷卻水管防滲碳處理

將彎制好的冷卻水管表面進(jìn)行拋丸除銹后，涂刷2～3遍浙江省某公司生產(chǎn)的專利產(chǎn)品“KC202”防滲碳涂料，涂層厚度控制在0.2～0.4 mm范圍內(nèi)。

1.2.4冷卻水管的尺寸控制

由于高爐熔煉技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高爐一代爐齡的要求也越來越長(zhǎng)，因此冷卻壁的安裝精度要求也越來越高，爐殼安裝孔全部采用數(shù)控切割，對(duì)冷卻壁的冷卻水管管頭尺寸偏差控制要求在控制φ3 mm以內(nèi)，而冷卻水管在冷卻壁內(nèi)受到高溫鐵液的作用時(shí)熱脹冷縮又難以預(yù)測(cè)其尺寸收縮量，僅靠設(shè)計(jì)鑄造收縮量來控制管頭尺寸的難度較大，經(jīng)過多年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，設(shè)計(jì)出一套工裝（如圖3）來控制其尺寸。該工裝通過預(yù)留一定的管頭收縮空間來控制各管頭收縮難以統(tǒng)一的情況。配箱時(shí)通過調(diào)節(jié)螺母的作用來調(diào)節(jié)管頭縱向中心距，同時(shí)通過固定架來控制管頭的橫向中心距。最終保證管頭中心距的精度偏差控制在φ3 mm范圍內(nèi)。

圖3　冷卻水管尺寸控制工裝示意圖

1.3　冷卻壁的砂型制造

1.3.1型砂選擇

為了確保冷卻壁的表面光滑，保證壁厚尺寸偏差及各端面棱角線分明，采用呋喃樹脂砂造型工藝，砂型的分型負(fù)數(shù)控制在 1～2 mm[2].由于安裝孔砂芯細(xì)而長(zhǎng)，容易粘砂，造成清砂困難。設(shè)計(jì)用鋼板焊制了整體芯殼。最后整體芯殼鑲鑄在冷卻壁中，清砂時(shí)敲掉鋼殼內(nèi)的砂子，保證了螺栓孔的鑄造質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率。

1.3.2冷卻壁鑲磚處理

為了延長(zhǎng)冷卻壁的使用壽命和適應(yīng)高爐冶煉強(qiáng)度的需要，對(duì)高爐不同層段的冷卻壁采用鑲鑄不同材質(zhì)的磚來半覆蓋冷卻壁。為了保證磚與磚之間沒有鐵液進(jìn)入和減輕鐵液冷卻收縮時(shí)對(duì)磚的收縮壓力，在所有可能接觸鐵液的磚面皆用一層（3～5 mm厚）耐火石棉氈覆蓋住。

1.3.3澆冒口系統(tǒng)的設(shè)置

為了防止?jié)沧⑦^程中鐵液直接對(duì)冷卻水管的沖刷而導(dǎo)致穿管，采用了小截面、多內(nèi)澆道、半封閉、階梯式澆注系統(tǒng)。直澆道設(shè)置在冷卻壁一側(cè)面，嚴(yán)禁內(nèi)澆道直接沖刷冷卻水管。在冷卻壁上各鑄造凸臺(tái)處設(shè)置直徑20 mm的出氣冒口[3]，直澆道對(duì)面及冷卻壁兩側(cè)設(shè)置若干壓邊集渣冒口，冷卻壁鑄造工藝如圖4所示。

圖4　冷卻壁鑄造工藝示意圖

2　鐵水熔煉及球化處理工藝

2.1　化學(xué)成份的選擇

QT400-20牌號(hào)的冷卻壁屬高韌性球墨鑄鐵，且斷面尺寸厚大，球化處理難度較大，只有合適的化學(xué)成份才能使鑄態(tài)鐵素體含量達(dá)到較高的水平，保證較高的延伸率。通過對(duì)各化學(xué)元素的作用逐一進(jìn)行分析，最后確定將球墨鑄鐵冷卻壁的化學(xué)成份控制在如下表1所示范圍。

表1　冷卻壁的化學(xué)成份控制表

2.2　原材料選擇及配比

原材料選擇柳鋼生鐵、河南林州生鐵、廢鋼、同牌號(hào)回爐鐵，爐料配比柳鋼生鐵（40%）+林州生鐵（30%）+廢鋼（15%）+回爐鐵（15%）[4]。

2.3　鐵水熔煉工藝

Q T400-20牌號(hào)屬高韌性球墨鑄鐵，其生產(chǎn)難度較大。由于該冷卻壁斷面尺寸厚大，使得其鑄態(tài)下基體組織中鐵素體量難以達(dá)到較高水平，因此其熔煉工藝是關(guān)鍵。為了保證鐵水熔煉質(zhì)量，采用沖天爐熔化鐵水，中頻爐升溫精煉的雙聯(lián)熔煉工藝。

2.4　鐵水處理工藝

要想達(dá)到QT400-20的性能要求，必須保證鐵水球化良好，保證鐵素體含量在95%以上。因此，選擇江西龍南DY-2釔基重稀土球化劑，一次孕育劑選用75硅鐵，二次孕育劑選用稀土高效孕育劑。球化孕育處理工藝如下：將75SiFe破碎成10～20 mm塊度并進(jìn)行烘干。在鐵水包底一側(cè)放入1.4%球化劑，攤平后再覆蓋0.5%粒度為10～20 mm 75SiFe，然后覆蓋一層鐵屑，上面再覆蓋一層河南某耐火材料廠生產(chǎn)的球鐵專用覆蓋劑。出鐵溫度控制在1 430～1 450℃.一次出鐵液量控制在鐵水總量的2/3，待球化劑反應(yīng)平穩(wěn)后再出剩余的1/3的鐵水。通過提高出鐵溫度，實(shí)施一次出鐵球化孕育處理技術(shù)，使球化反應(yīng)時(shí)鐵液沸騰充分，孕育劑迅速熔化，孕育均勻程度明顯提高，促使石墨球數(shù)量增加，石墨球變的更細(xì)小、更圓整，石墨球大小達(dá)到5級(jí)，球化率級(jí)別達(dá)到3級(jí)，伸長(zhǎng)率達(dá)到20%以上。由于球墨鑄鐵鐵液含渣量大，且具有孕育衰退現(xiàn)象，因此必須在渣扒凈后快速澆注。澆注溫度控制在1 300～1 350℃；為了防止鐵液對(duì)冷卻水管產(chǎn)生滲碳等，澆注過程中采用通入氬氣保護(hù)性澆注技術(shù)。

3　實(shí)際生產(chǎn)效果

3.1　附鑄試樣性能檢測(cè)結(jié)果

通過采取以上措施，抽取部分冷卻壁附鑄試樣檢測(cè)化學(xué)成分和機(jī)械性能以及金相組織（見表2）。

表2　試樣檢測(cè)結(jié)果表

從表2中數(shù)據(jù)可以看出各項(xiàng)性能指標(biāo)都達(dá)到要求。

3.2　冷卻壁表面質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果

冷卻壁表面光滑，尺寸精度高，冷卻水管頭的尺寸控制精度誤差在±3 mm內(nèi)。將冷卻壁進(jìn)行解剖，冷卻水管能輕易地與冷卻壁分離，冷卻水管內(nèi)壁光滑。冷卻壁試壓無滲漏現(xiàn)象，水管通球無卡阻。

經(jīng)在煉鐵高爐安裝，完全滿足爐殼用數(shù)控開孔的安裝要求，安裝施工順利。通過一代爐齡的使用，過程沒有出現(xiàn)任何因冷卻壁質(zhì)量問題造成的休風(fēng)等意外情況發(fā)生。

4　結(jié)束語

雖然球鐵鑲磚冷卻壁的鑄造技術(shù)難度較大，但只要技術(shù)人員能夠深入實(shí)際，了解其安裝使用工況，敢于創(chuàng)新工藝方法，還是能夠掌握高延伸球墨鑄鐵冷卻壁的鑄造技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]范曉明.高爐冷卻壁的制備技術(shù)及其研究[J].鋼鐵研究，2007，35（4）：51-54.

[2]王君卿.鑄造手冊(cè)第5卷鑄造工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[3]魏 兵.鑄件均衡凝固技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[4]陳 奇.鑄造技術(shù)問題對(duì)策[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.