炉壁氧枪用水冷铜铸件的生产实践

战庆文1、申凤英2

作者单位1：山东钢铁莱钢集团设备检修中心，邮编：271104；

作者单位2：山东省东平县银山镇人民政府，  邮编：271513。

 

摘要：本项目通过进行水冷铜铸件结构工艺性分析及导热性研究，确定了铸件的本体材料，优化了铸入冷却水管等的结构设计；经过对现有炉况电源系统进行恒功率技术改造，优化了铜水冶炼工艺曲线，提高了铜水的精炼质量；在优化铸造工艺参数的基础上，进行了冷却水管浇注过程中的保护性技术研究，从而成功开发和生产了导热性能高、经济效益好的电弧炉炉壁氧枪用水冷铜铸件。

关键词：炉壁氧枪  水冷  挂渣槽  保护性浇注  导热性

 

1.生产概况

莱钢集团原机制公司铸钢车间2004年度新上两座30tEBT电弧炉，炉壁氧枪处原水冷块为带有串流式隔腔结构的铜板组焊件，使用寿命在550炉左右；随后一直沿用整体埋铸冷却水管结构的球铁（QT400-20）水冷块代用品，其使用寿命极低（仅30-100炉），炉前水冷块更换频繁，既增加了炉前工人检修的热劳动强度，又极大地制约了电炉钢产量达产达效。

带有串流式隔腔结构的铜板组焊件，备件供应制造厂独家垄断，而且，采购费用高、使用寿命一般；球铁代用品水冷制作费用低，但是，水冷块本体导热性差、使用寿命太低；为此，应用0.5t中频电炉进行了导热性能高的纯铜水冷铸件的研究与生产。

详见图1：带有串流式隔腔结构的铜板组焊件简图；

详见图2：整体埋铸冷却水管结构的球铁水冷块简图。

2.水冷铸件材料选择

铜是现代工业中广泛应用的重要材料之一，工业纯铜（紫铜）具有优良的导电和导热性能，仅次于银居第二位。但是，铜的导热性对杂质含量要求很严，极其微量的杂质如磷、铁、锰、锡等会导致纯铜的导热性急剧地下降，特别是磷的危害性更大。因此，必需采用具有高导热性的工业纯铜作为铸件的本体材料。

3.水冷铸件块结构设计

3.1 虽然工业纯铜具有优良的导热性能，但是，由于炉壁氧枪用铜水冷块壁厚较厚，势必影响铸件的整体导热效果。因此，为了最大限度的发挥纯铜的高导热性能，在借鉴原两种水冷块结构的基础上，设计了“全密布”、“双排进出口”整体埋铸冷却水管结构的紫铜水冷块。

3.2 工业纯铜的熔点（1084.5℃）较低，强度更低，为防止水冷块表面熔融剥落，在形成炉体“炉壁”的工作面上设置了“挂渣槽”。

详见图3：整体埋铸双层冷却水管结构的新型紫铜水冷块简图。

4.水冷铸件铸造工艺设计

纯铜铸件的质量不仅取决于其熔炼过程的控制，而且也与铸造工艺有关，从某种意义上来说，铸造工艺正确与否，对铸件质量起着决定性的影响。

4.1铸造收缩率确认

纯铜具有优良的物理特性，但其铸造性能非常差，具有很大的体收缩和线收缩等，故纯铜水冷块铸件木模铸造收缩率选2.4%。

4.2 浇注工艺研究

4.2.1 浇注系统设置要领

为了获得致密铸件和便于去除冒口，设置比碳钢大20-30%的压边保温冒口；为防止铸件产生裂纹，采用退让性好的呋喃树脂砂自硬铸型生产；为防止铸件表面粘砂、降低铸件的导热性，铸型表面涂刷锆英粉醇基涂料；另外，为避免铜水冲刷铸管，内浇道的开设不能直对铸管，且要采取先封闭式后开放式的浇注系统。

4.2.2 浇注温度选择

氢在纯铜液体中的溶解度很大，不仅随铜液温度的升高而急剧增高，而且随铜液温度的下降而呈直线急剧降低，氢呈气泡状态析出造成铜铸件产生气孔缺陷，因此，纯铜的浇注温度应尽量低；但由于纯铜结晶温度范围较窄（其液相线温度为1084.5℃、固相线温度为1066.5℃），且铜水冷块内部埋铸了6%的无缝钢管，因而，纯铜的浇注温度也不能太低；经研究分析，确定铸铜水冷块的浇注温度为1150—1180℃。

4.2.3  冷却水管保护性浇注处理

由于铸铜水冷块设计了“全密布”、“双排进出口”整体埋铸冷却水管，致使水管弯道多、且拐弯处壁厚减薄较严重，浇注过程中容易造成管子熔穿现象，因此，在铸铜水冷块的浇注过程中，必须向冷却水管内冲入呈中性的氮气，以使冷却水管表面铜水急冷。

5.铜液的熔炼与精炼处理

由于纯铜的铸造性能差，机械性能低，通常采用铜合金制造成型零件；用纯铜来铸造成型零件虽然不多，但熔炼和铸造过程的控制却比铜合金要困难得多。

5.1 熔炼设备选择

纯铜熔炼过程中的突出问题是铜液易氧化、易吸气，纯铜的熔炼必需确保炉料能够快速熔化和升温、熔炼时间短、铜液吸气小、铜液纯净，由此，我们决定纯铜的熔炼在具有恒功率技术、并应用中性成型炉胆的0.5t中性中频电炉内进行。

5.2 纯铜熔炼工艺

目前熔炼纯铜普遍采用木炭覆盖法，为了保证熔炼过程中铜液不氧化或轻微氧化，木炭必须随纯铜一起加在炉底部，以使纯铜一熔化就被严密覆盖住；熔炼过程中需不断补加木炭，严禁熔炼过程铜液表面暴露，以确保熔炼的全过程木炭始终严密覆盖铜液表面。

5.3 精练处理

当熔炼温度达到1220—1260℃时，加入1%的14#磷铜合金进行铜液脱氧，2—4分钟后立即进行3—5次深度搅拌，并同时将电源功率降至额定值的1/3—1/2，待炉前含气量检验合格后出炉。

6.结论

6.1实施效果

开发制造的“全密布”“双排进出口”整体埋铸水管纯铜水冷块，高温导热能力强，使用寿命高，在两座30tEBT电弧炉上正式使用后，平均使用寿命超过2000炉次。热试情况证明：开发制造的炉壁氧枪用铸铜水冷块，产品质量好、结构新颖、安装使用方便，能够大幅度地降低炉前工人的热劳动强度。截止到2012年公司两座30tEBT电弧炉，全部使用自行开发的铸铜水冷块，满足了电弧炉的使用质量要求，取得了明显的经济效益。

6.2 创新点

6.2.1设计了“全密布”“双排进出口”整体埋铸冷却水管的新型水冷块，并在形成炉体“炉壁”的铸件工作面上设置了“挂渣槽”。

6.2.2 应用了具有恒功率技术的中频电炉熔炼，并使用“成型中性炉胆”，实现了铜水高温下快速熔炼。

6.2.3 铜水熔炼全过程采用木炭覆盖，浇注过程采用吹氮气保护性技术。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

参考文献：

[1] 《铸造有色合金及其熔炼》联合编写组 编  《铸造有色合金及其熔炼》 1985年  国防工业出版社；

[2] 李魁盛主编  《铸造工艺设计基础》 1980年  机械工业出版社；

[3] 冶金部冶金机电标准化技术委员会 编 《冶金设备制造通用技术条件标准汇编》 1995年 中国标准出版社。