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高爐用水冷鋼磚的鑄造工藝研究

2021-05-27 10:53:46鄧守梁萬黎明
金屬加工(熱加工) 2021年5期
關(guān)鍵詞:鑄鋼件無縫鋼管冒口

鄧守梁,萬黎明

本溪鋼鐵(集團(tuán))機(jī)械制造有限責(zé)任公司 遼寧本溪 117000

1 序言

水冷鋼磚是高爐重要的部件之一,其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響高爐爐壁的耐用性,對高爐一代爐齡的長短至關(guān)重要。水冷鋼磚結(jié)構(gòu)復(fù)雜,技術(shù)要求高,尺寸及表面質(zhì)量要求嚴(yán)格。由于使用時零件內(nèi)部要通循環(huán)水冷卻,因此要求鑄件必須有足夠的耐壓性(水壓0.5MPa保壓1h無“冒汗”現(xiàn)象)。針對該鑄件結(jié)構(gòu)的特殊性,結(jié)合我廠的實際情況,制定合理的鑄造工藝,在生產(chǎn)中嚴(yán)格控制工藝參數(shù),生產(chǎn)出符合技術(shù)要求的鑄鋼件。

2 水冷鋼磚材質(zhì)及結(jié)構(gòu)分析

1)水冷鋼磚材質(zhì)為ZG270-500[1],化學(xué)成分見表1。

表1 水冷鋼磚化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

2)水冷鋼磚鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜(見圖1),且要求進(jìn)行0.5MPa的水壓試驗,保壓1h無“冒汗”現(xiàn)象。水冷鋼磚輪廓尺寸為1022.7mm×600mm×868mm,內(nèi)部是封閉空腔,外部鑲嵌有兩根總高度為400mm的φ40mm×6mmA3無縫鋼管,鋼管外襯護(hù)管。無縫鋼管及護(hù)管在高溫鋼液的作用下極易變形,鑄件尺寸精度難以控制。在鑄件內(nèi)部且貫穿整個鑄件有兩個高860mm的固定用螺栓孔(鑄孔),為鋼磚的安裝定位孔,因此孔的位置精度及尺寸精度要求嚴(yán)格,否則會影響爐壁的固定和組裝。鑄件壁厚最大處150mm、最薄處30mm。對鑄鋼件來說,壁厚極不均勻,形成縮孔、縮松、裂紋等鑄造缺陷的傾向大。鑄件表面70%為不加工表面,且需在無冷卻水管的弧形表面鑄入兩個鍛爪吊環(huán),以便于高爐安裝時吊裝。

圖1 水冷鋼磚結(jié)構(gòu)

3 鑄造工藝

3.1 鑄造工藝方案設(shè)計

根據(jù)該鑄件的結(jié)構(gòu),采用三箱造型工藝方案,如圖2所示。鑄件的厚平面朝上,以便于在厚平面處設(shè)置明冒口。將鑲嵌的無縫鋼管及護(hù)管朝下,T形結(jié)構(gòu)的護(hù)管及加長的上下芯頭將無縫鋼管固定在砂型中。為保證兩個細(xì)長螺栓孔的位置和尺寸公差,要求用鋼管和方形管焊接制成具有激冷作用的冷鐵管,在木模樣上做出冷鐵管芯頭座,先將隨形冷鐵管固定在木模上中再造型,用100mm高的芯頭保證冷鐵管位置公差。為保證1#串皮砂芯產(chǎn)生的氣體被順利排除(水分及其他高溫復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體),以及便于串皮砂芯的固定和澆注后鑄件內(nèi)部廢砂清理,在水冷鋼磚的兩側(cè)加工面中部各設(shè)置兩個φ120mm的工藝孔,落砂清理后用絲堵封閉焊接。吊裝用鍛爪事先安裝在木模樣上,造型后靠型砂強度固定在砂型中[2]。

圖2 鑄造工藝

3.2 工藝參數(shù)的選擇

由于此鑄鋼件材質(zhì)為ZG270-500的復(fù)雜結(jié)構(gòu)厚大件,取線收縮率為2%,加工余量取10mm,為滿足圓弧整體組裝需要,在弦長尺寸方向上取-3mm的工藝修正參數(shù)。

3.3 澆注系統(tǒng)及冒口的設(shè)置

為使鋼液在較短的時間內(nèi)充滿型腔,設(shè)置內(nèi)澆道兩道, 采用耐火陶瓷管??紤]鑄件壁厚不均,采用順序凝固的原則,兩道內(nèi)澆道在中箱設(shè)置成階梯狀。根據(jù)鋼液上升速度>15mm/s的要求計算充型時間,同時選用開放式澆注系統(tǒng),各截面積比為 ∑F直:∑F橫:∑F內(nèi)=1:1.2:1.4。

按照鑄鋼件冒口模數(shù)的計算原則,M冒>M件,M件=V/S散熱計算后,選用φ250mm圓形冒口2個,冒口高450mm,斜度1:10,均布在上表面壁厚處,這樣冒口能對鑄件的體收縮進(jìn)行補縮,澆注后使位于下箱的凸臺最先凝固,然后逐漸向上凝固,從而實現(xiàn)自下而上的順序凝固,最終將縮孔集中在冒口中,從而獲得組織致密的鑄件。

3.4 鑄入無縫鋼管的處理

在造型前,對無縫鋼管及護(hù)管采用噴丸進(jìn)行除銹處理,為防止無縫鋼管及護(hù)管在高溫鋼液的作用下產(chǎn)生變形,用耐火度較高的干鎂砂將鋼管充滿并搗實。

4 型砂的選擇及鑄型、砂芯的干燥

4.1 型砂的選擇

為保證鑄件表面質(zhì)量,針對水冷鋼磚的壁厚較大、體積小、重量大(1.7t)、散熱表面積小且蓄熱大的特點,為防止鑄件脹箱,保證尺寸精度,型砂及2#、3#砂芯選擇強度高的酯固化水玻璃硅砂。為保證1#串皮芯清砂方便,1#砂芯選用低黏結(jié)劑配比的水玻璃砂。具體的型芯砂配比見表2[3]。

表2 型芯砂配比 (%)

4.2 鑄型、砂芯的干燥

為防止?jié)沧⑦^程中型芯砂中的氣體對鑄件質(zhì)量的影響,將鑄型和砂芯入烘干窯進(jìn)行干燥處理,干燥溫度曲線如3所示。干燥后鑄型要及時合型澆注,防止鑄型放置時間過長而吸潮。

圖3 型芯干燥溫度曲線

5 熔煉、澆注工藝要點

采用電弧爐熔煉,入爐料必須是低磷、少銹、干燥的廢鋼料,再配一定量的鑄造生鐵。配料時必須保證熔煉過程脫碳量在0.2%~0.4%。在熔化期,當(dāng)爐料熔化60%后,加入適量的小塊礦石、螢石及石灰進(jìn)行造渣[4]。鋼液熔清后溫度在1580℃時加入礦石氧化。在氧化期,保證脫碳量在0.2%~0.4%,以便有效地去除鋼液中的氣體和夾雜物;wP必須控制在0.025%以下,氧化末期終碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))一般在0.25%以下開始凈沸騰,10min后加入錳鐵進(jìn)行預(yù)脫氧。為保證脫氧效果,還原期作為造渣材料的電石,加入量在1~1.5kg/t鋼液,才能保證在白渣下脫氧。30min后調(diào)整鋼液成分及溫度,出爐溫度控制在(1590±10)℃,澆注溫度控制在1550~1560℃。澆注前必須鎮(zhèn)靜3~10min,保證低溫、快澆。澆注后冒口加蓋覆蓋劑并搗30min左右,以提高冒口的補縮效率(也可以采用保溫冒口或加冒口發(fā)熱劑)。

6 鑄件的終處理

1)水冷鋼磚鑄件澆注后,要及時松箱,以減少收縮阻力。

2)根據(jù)水冷鋼磚鑄件壁厚、重量大、體積小的特點,為防止開箱過早引起鑄件產(chǎn)生裂紋,根據(jù)計算選擇型內(nèi)保溫時間>20h[1]。

3)鑄件的熱處理:為消除鑄件內(nèi)的鑄造應(yīng)力,改善鑄件切削加工性能,提高其綜合力學(xué)性能,必須進(jìn)行鑄件的熱處理。我們采用完全退火方法,退火曲線如圖4所示。完全退火可以有效地改善鑄件內(nèi)部組織的不均勻性,消除過熱組織及魏氏體組織,細(xì)化晶粒。

圖4 退火處理曲線

7 生產(chǎn)結(jié)果

1)按上述鑄造工藝方案試生產(chǎn)了一套水冷鋼磚,用檢查樣板檢測外形尺寸及螺栓孔位置等,均符合圖樣和相關(guān)技術(shù)協(xié)議要求。

2)用水壓0.5MPa進(jìn)行泄漏試驗,保壓1h后均無“冒汗”現(xiàn)象。

8 結(jié)束語

1)通過生產(chǎn)實踐,我們掌握了采用水玻璃硅砂進(jìn)行此類復(fù)雜鑄鋼件的鑄造技術(shù),所鑄造的水冷鋼磚已在高爐上使用,能保證高爐的正常生產(chǎn),減少了由于該產(chǎn)品質(zhì)量問題而造成的休工時間,受到了用戶的好評。

2)通過對鑄件進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析,利用現(xiàn)有的生產(chǎn)條件,制定科學(xué)合理的工藝方案,在生產(chǎn)中選擇合理工藝參數(shù),控制熔煉過程各環(huán)節(jié)操作質(zhì)量,可以生產(chǎn)出高標(biāo)準(zhǔn)要求的水冷鋼磚鑄件。

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