大力推廣無熱障、高導(dǎo)熱鑄鋼冷卻壁

1、技術(shù)交流 大力推廣無熱障、高導(dǎo)熱鑄鋼冷卻壁降低高爐建設(shè)成本，大幅延長高爐壽命山東天銘冶金設(shè)備有限公司 周傳祿 姜洪軍摘要：高爐爐腹、爐腰、爐身下部鑄鐵冷卻壁的使用壽命難以滿足高爐一代爐役的要求，銅冷卻壁的發(fā)明使得高爐壽命達到15年以上成為可能，但是其高昂的價格成為其推廣應(yīng)用的瓶頸，無間隙、高導(dǎo)熱鑄鋼冷卻壁的研制成功，使得冷卻壁的低投資和高壽命不可兼得的想法變?yōu)楝F(xiàn)實。關(guān)鍵詞：熱障 冶金結(jié)合Abstract: the iron cooling stave life are hard to meet the requirements of Generation of blast furnace li

2、fe-span, invention of copper cooling stave made of blast furnace life be 15 years, but popularization is difficult with high price. The steel cooling stave with no clearance, high thermal conductivity be invented， which made it become reality that cooling stave with low investment and high life. Key

3、words: thermal barrier metallurgical combination高效長壽高爐是煉鐵企業(yè)追求的共同目標(biāo)。國外發(fā)達國家的高爐壽命一般已達到15年左右，國內(nèi)大多數(shù)高爐的壽命在10年以下。在采用先進的爐底、爐缸結(jié)構(gòu)，以及高導(dǎo)熱率和優(yōu)質(zhì)的耐火材料后，就爐底、爐缸壽命而言，我國高爐已基本解決了15年以上壽命的問題。1 高爐冷卻壁較短的使用壽命，成為制約我國高爐長壽的現(xiàn)實關(guān)鍵因素。作為高效冷卻設(shè)備的銅冷卻壁的成功應(yīng)用，使我國高爐壽命趕超發(fā)達國家成為可能，但銅冷卻壁高昂的投入，制約了它的推廣應(yīng)用（特別是在中小高爐上）；煉鐵高爐所普遍采用的鐵素體球墨鑄鐵冷卻壁，使用壽命一般還難以

4、滿足15年左右的要求；作為抗熱震能力強、使用壽命長，投資相對低廉的無熱障、高導(dǎo)熱鑄鋼冷卻壁，以其卓越的性價比，必然會成為國內(nèi)外高爐競相選擇的優(yōu)秀冷卻設(shè)備。何謂無熱障、高導(dǎo)熱鑄鋼冷卻壁？無熱障、高導(dǎo)熱鑄鋼冷卻壁是冷卻水管與鑄鋼母體真正實現(xiàn)冶金結(jié)合的鑄鋼冷卻壁。它的高導(dǎo)熱性能的體現(xiàn)是通過冷卻水管與鑄鋼母體實現(xiàn)真正意義的冶金結(jié)合來達到的。一、冷卻壁長壽理念的更新爐腹、爐腰、爐身下部冷卻壁的壽命，是決定高爐爐體壽命的關(guān)鍵。高爐的下部處于高溫和渣鐵熔融區(qū)，這些部位的冷卻壁不但要經(jīng)受高速煤氣流和液態(tài)渣鐵的沖刷和侵蝕，還有高溫焦炭的磨蝕，工況十分惡劣。前期解決問題的方法，是希望通過延長耐火材料的壽命，以延緩

5、冷卻壁的破損時間，但事實說明，無論是碳化硅磚還是剛玉磚以及氮化硅結(jié)合碳化硅磚，磚襯壽命都很短，對冷卻壁的保護效果都不理想。于是，人們的技術(shù)理念逐漸轉(zhuǎn)化到在爐身下部建立一個無過熱冷卻體系上來。也就是提高冷卻壁的冷卻能力，使其具備良好的掛渣能力，利用渣皮來保護冷卻壁，在正常工作狀態(tài)下，冷卻壁的實際工作溫度不超過其材質(zhì)所允許的溫度；在渣皮脫落時，可在較短的時間內(nèi)迅速生成渣皮。近幾年來的實踐使大家充分認識到，渣皮是冷卻壁最好的保護材料，能夠建立這種無過熱體系的冷卻壁是追求高爐長壽高效的有效途徑。二、 不同材質(zhì)冷卻壁的特點1、 純銅冷卻壁足以實現(xiàn)建立無過熱冷卻體系的功能要求。優(yōu)點是具有優(yōu)異的冷卻能力及抗

6、熱震性能、使用壽命長、長遠效益好；但另一方面，它存在強度低、易變形，累計服役4年，嚴重的彎曲變形可達到50mm/m，個別還存在更為嚴重的扭曲變形【2】，并且一次性投入高，這對希望少投入、快產(chǎn)出，盡快收回投資、產(chǎn)生效益的投資者來講，是一個難以決斷的選擇。2、 鐵素體基球墨鑄鐵冷卻壁球鐵冷卻壁與灰口鑄鐵冷卻壁（HT）、耐熱鑄鐵冷卻壁（RTCr）相比，因其具有高的強度、高的韌性、綜合性能優(yōu)良而在煉鐵高爐上獲得廣泛應(yīng)用。但球鐵冷卻壁也存在明顯的缺陷，決定了它難以在爐腹、爐腰、爐身下部建立起無過熱冷卻體系:第一、 鐵素體球墨鑄鐵的導(dǎo)熱系數(shù)較低，這在較低的環(huán)境溫度下較為明顯。如100時，鐵素體球墨鑄鐵=3

7、8.69W/m·K，400時=38.14W/m·K【3】，低碳鑄鋼（C）=0.23%在100時=50.5W/m·K，400時=42.7W/m·K【4】，而TU2軋制銅板在常溫下對應(yīng)的熱導(dǎo)率則高達370 W/m·K，200時=340W/m·K。以上數(shù)據(jù)反應(yīng)出鐵素體球墨鑄鐵的導(dǎo)熱性能，在較低的環(huán)境工作溫度下，與低碳鑄鋼相比還有一定的差距，與軋制無氧銅板相比，則相差更遠。第二、 冷卻水管與鑄鐵母體之間的熱障問題。對鑄鐵冷卻壁來說，當(dāng)管內(nèi)沒有水垢時，鑄鐵冷卻壁內(nèi)氣隙熱阻約占整個熱阻的86%【5，這個熱障對鑄鐵冷卻壁的影響是很大的，它主要來自于

8、兩個方面：一是為了防止在澆鑄過程中，高溫液態(tài)生鐵對鋼管表層滲碳，而在鋼管外表面涂刷0.075-0.15mm厚的防滲碳涂料。這種涂料的體質(zhì)材料成分大多數(shù)是絕熱材料，導(dǎo)熱系數(shù)約為12 W/m·K，如鋯英粉（ZrO2）、石英粉(SiO2)、氧化鉻、碳化硅等，這些絕熱材料在冷卻壁澆鑄完成后會保留在水管的外表面上，形成水管的熱障涂層。二是冷卻水管與鑄鐵冷卻壁本體之間存在0.1-0.3mm的氣隙，這個氣隙層是傳統(tǒng)的鑄造工藝無法避免的，它不單是因為低碳鋼與鑄鐵兩種材質(zhì)的膨脹系數(shù)不同，更因為鋼管在遇到液態(tài)金屬時，會因為迅速受熱而產(chǎn)生線膨脹，在冷卻到常溫后會產(chǎn)生同量的線收縮，因鋼管自身的膨脹與收縮所造

9、成的與鑄鐵母體之間的間隙，是鋼管自身膨脹量的兩倍；鑄鐵母體從液態(tài)到冷卻到常溫固態(tài)會產(chǎn)生兩個收縮，一是液態(tài)收縮，球墨鑄鐵在約束狀態(tài)下的液態(tài)收縮率為0.8%，二是從液態(tài)到常溫固態(tài)產(chǎn)生的固態(tài)收縮。以上因為鋼管與鑄鐵母體客觀存在的膨脹與收縮，造成了冷卻水管與鑄鐵冷卻壁本體之間存在0.1-0.3mm甚至更大的氣隙，這個氣隙不采取特殊的工藝措施是不可能消除的。因為涂層熱障和氣隙熱障的存在，大大降低了鑄鐵冷卻壁的導(dǎo)熱能力，也會造成冷卻壁產(chǎn)生局部過熱，局部過熱使冷卻壁產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力，在熱交變應(yīng)力的頻繁作用下使冷卻壁表面產(chǎn)生裂紋，裂紋不斷延伸，最終將導(dǎo)致冷卻壁產(chǎn)生平行于水管的明顯縱向裂縫，裂縫擴展造成冷卻壁壁

10、體碎裂脫落、使冷卻水管裸露，或?qū)摴芾言斐射摴苈┧?，最終導(dǎo)致冷卻壁過早失效。第三、 鐵素體球墨鑄鐵的安全工作溫度為450。在450以下時，球墨鑄鐵中的珠光體穩(wěn)定存在，超過此溫度時，珠光體粒狀化；溫度繼續(xù)升高，則因石墨化引起體積膨脹【5】。這也是球鐵冷卻壁在服役后期會有長大現(xiàn)象，因石墨化膨脹、石墨氧化而產(chǎn)生應(yīng)力進而產(chǎn)生裂紋的重要原因。因為上述第二條原因，球墨鑄鐵冷卻壁的冷卻能力較差，使冷卻壁在渣皮脫落后、重建渣皮前，將在較長的時間內(nèi)承受很高的溫度，在冷卻壁冷卻不良的情況下，這個過程有的要長達四五個小時的時間（而銅冷卻壁僅需15分鐘）。在失去渣皮保護的這段時間里，冷卻壁熱面溫度通常在400以上，

11、短時溫度甚至高達1100以上。有的冷卻壁，即使在磚襯浸蝕殆盡的情況下，但正常工作時（即大部分時間）冷卻壁的表面溫度一般為600-700，短時間內(nèi)同一測溫點的溫度會高達1200，如下表：第7層熱電偶溫度測定值（1 6號測點）， 偶號 正常的溫度平均值 短時的溫度值 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 5 680 740 1120 1198 6 197 182 243 205 247 230 286 205 240 196 247 293注：表中為2001年2月10日2月15日的數(shù)值；14號熱電偶沒有數(shù)據(jù)?！?】 上表峰值溫度可解釋為此部位失去磚襯，而且形成的渣皮已經(jīng)脫落。出現(xiàn)這種情況

12、的周期長短不一，短時一天可出現(xiàn)12次【7】。 在上述工況環(huán)境下，冷卻壁的工作溫度經(jīng)常超過（有的是大部分時間超過）球墨鑄鐵穩(wěn)定的工作溫度450，因此該部選擇以球墨鑄鐵為材質(zhì)的冷卻壁，其使用壽命是很難滿足一代爐役要求的。第四、 球墨鑄鐵的抗熱震能力較差。將鐵素體球墨鑄鐵在650和20之間反復(fù)加熱、冷卻時，在平板試樣兩孔之間產(chǎn)生熱疲勞裂紋的次數(shù)為200-500次【8】，處于爐腹、爐腰、爐身下部的冷卻壁，始終處于渣皮生成脫落再生成再脫落的循環(huán)過程中，要求冷卻壁的材質(zhì)必須有良好的抗熱震能力，顯然該部位選擇以球墨鑄鐵為材質(zhì)的冷卻壁，其壽命是很難滿足要求的。第五、 球鐵冷卻壁芯部組織延伸率低。球鐵冷卻壁的表

13、層與芯部的延伸率差別非常大，這是因為厚大球墨鑄鐵件在澆鑄過程中的球化衰退造成的，到目前為止還未見已成功解決厚大球墨鑄鐵件的球化衰退的報道。在設(shè)計球鐵冷卻壁時，延伸率指標(biāo)單鑄試塊為18%，附鑄試塊為12%，而球鐵冷卻壁芯部取樣的延伸率僅要求6%，作為制造廠家來說，其芯部組織的延伸率能夠穩(wěn)定的達到6%以上也是很不容易的。 另外，經(jīng)常處于與高溫渣鐵接觸部位的鑄鐵冷卻壁，在高含碳、硫、磷渣鐵的浸蝕下，冷卻壁表面會產(chǎn)生嚴重的滲碳、滲硫、磷現(xiàn)象，導(dǎo)致脆性增加。對武鋼4號高爐7、8、9段破損的球鐵冷卻壁解剖進行的金相檢驗和化學(xué)分析表明，這種滲碳、氧化所引起的金相組織變化、脆性增加是嚴重的、也是必然的，這是冷

14、卻壁產(chǎn)生裂紋的源頭。冷卻壁熱面的這種表層滲碳深度不很大，曾研究過最深的約15mm，只要鑄體內(nèi)部材質(zhì)優(yōu)良，這種裂紋不致快速擴大，就不會對整塊冷卻壁的使用壽命產(chǎn)生重要影響?！?】但因為球鐵冷卻壁不可避免的球化衰退問題，冷卻壁內(nèi)層的延伸率多數(shù)在4%8%，酒鋼6號高爐對運行3年6個月的4段17號冷卻壁的芯部測試，其芯部組織延伸率僅2%3%，【10】金相組織中大量珠光體和萊氏體組織導(dǎo)致冷卻壁韌性降低。當(dāng)冷卻壁壁體溫度超過450時，在石墨化膨脹，石墨球析出、氧化，交變熱應(yīng)力及應(yīng)力的尖劈多重作用下，裂紋就會延伸、擴展，最終穿透冷卻壁，將冷卻壁分割成很多碎塊而脫落，使冷卻壁水管裸露、磨穿而報廢。1.3 鑄鋼冷

15、卻壁 以低碳鑄鋼或低合金鑄鋼為材質(zhì)，生產(chǎn)高爐冷卻壁是工藝制造技術(shù)的創(chuàng)新?？偨Y(jié)常見鑄鐵冷卻壁的失效形式，一般是冷卻壁裂紋、基體脫落造成水管裸露、冷卻水管漏水等，其原因如上文所述，主要是因為球墨鑄鐵的工作溫度低、抗熱震能力差、芯部組織韌性差造成的。但低碳鑄鋼就不同了，以ZG200-400為例，雖然它的導(dǎo)熱能力與球墨鑄鐵差不多，但他具有球鐵所不具備的許多優(yōu)點：第一是它的工作溫度高，在冷卻水管對鑄鋼本體的冷卻和補強作用下，冷卻壁本體的高溫蠕變強度不是主要問題，即使工作溫度高于736的相變工作溫度，從理論上來講，其熱面表層工作溫度只要低于1227的滲碳體的熔點溫度，他就是安全可靠的。而這個溫度對鑄鐵冷卻

16、壁來講，在導(dǎo)熱不良、渣皮脫落的情況下，是其熱面表層可能遇到的峰值溫度；第二是他的抗熱震能力強、沖擊韌性好、化學(xué)成分均勻。對低碳鋼而言，在不受力狀態(tài)下其物理性能指標(biāo)沒有熱震次數(shù)這一概念，在冷卻壁的使用環(huán)境下，不會出現(xiàn)鑄鋼本體開裂的情況，也不會有表層組織和芯部組織性能差異的問題；第三是尺寸穩(wěn)定，因為它的含碳量很低，不存在石墨析出和長大的問題。鑒于低碳鑄鋼的上述優(yōu)點，他在使用過程中，不會出現(xiàn)冷卻壁裂紋、冷卻壁基體組織成塊脫落、水管裸露的情況。 以低碳鑄鋼或低合金鑄鋼為材質(zhì)制造高爐冷卻壁，有其獨特的優(yōu)點：它與純銅冷卻壁相比：1）它同樣具有優(yōu)異的抗熱沖擊能力，使用過程中不會開裂，基體組織不會脫落；2）抗

17、變形能力強，它的強度大大高于純銅，截面尺寸一般要比銅冷卻壁大一倍，其抗變形能力是銅冷卻壁無法比擬的；3）性價比更高，因鑄鋼冷卻壁的價格便宜，單位價格約為銅冷卻壁的六分之一，一次性投入少；4）有更高的使用安全性，鋼的熔點比銅的熔點高400。實踐證明，當(dāng)冷卻水系統(tǒng)因故障停水一定時間時，銅冷卻壁就可能耐受不住高溫而報廢，而同樣情況下鋼冷卻壁就不會出現(xiàn)問題；5）雖然導(dǎo)熱能力不及銅冷卻壁，但鑄鋼冷卻壁在制作優(yōu)良的情況下，冷卻能力完全能夠滿足高爐建立無過熱體系的要求。業(yè)內(nèi)有認識認為，銅冷卻壁因?qū)崮芰μ?，存在冷卻能力過剩的問題，但鑄鋼冷卻壁不存在；6）冷卻壁熱面因長期接觸高含碳量的渣鐵，或者長期處于高碳

18、勢、高濃度C還原氣氛中，其表層滲碳肯定是不可避免的。這種滲碳作用會在冷卻壁熱面淺表層（深度15mm）組織中生成大量堅硬、耐磨的Fe3C滲碳體，使冷卻壁表層組織硬度提高，這對鑄鋼冷卻壁有效抵御高速含塵煤氣流和高溫?zé)峤固康臎_刷磨蝕是十分有利的。它與球墨鑄鐵冷卻壁性比：1）雖然鑄鋼與球墨鑄鐵的導(dǎo)熱能力差不多，但鑄鋼冷卻壁的冷卻能力好。鑄鋼冷卻壁采取特殊措施后，可以實現(xiàn)水管與冷卻壁本體冶金結(jié)合，而球鐵冷卻壁實現(xiàn)這種結(jié)合就困難的多。也就是說，傳統(tǒng)的球鐵冷卻壁存在很大的氣隙熱阻，鑄鋼冷卻壁可以消除這個熱阻；2）鑄鋼冷卻壁韌性好、抗熱震能力強，使用中不會因為交變熱應(yīng)力的作用而開裂失效；3）使用溫度高，球墨鑄

19、鐵的安全使用溫度為450，而鑄鋼可以耐受更高的溫度，如880-910只相當(dāng)于鑄鋼的退火溫度，這個溫度不但對冷卻壁本體無害，而且可以消除鑄造產(chǎn)生的粗大魏氏體組織，使鑄鋼本體晶粒細化，機械性能提高，因此既使鑄鋼冷卻壁水管與本體存在氣隙熱阻，在鑄鋼冷卻壁冷卻不良的情況下，它也完全可以抵擋渣皮脫落后峰值溫度的沖擊，而對鑄鋼冷卻壁不會構(gòu)成太大的損壞；實際使用已經(jīng)證明，在鑄鋼冷卻壁水管不漏水的情況下，無論熱電偶測得壁體溫度高或低于鑄鐵冷卻壁，其使用壽命要比球鐵冷卻壁高的多；4）尺寸穩(wěn)定，因鑄鋼本體含碳量很低，不會產(chǎn)生石墨析出和膨脹，也不會因石墨化膨脹產(chǎn)生裂紋；5）強度高，在同樣內(nèi)（熱）應(yīng)力的作用下，鑄鋼冷

20、卻壁比球鐵冷卻壁有更長的使用壽命；6）不用擔(dān)心澆鑄過程中鋼水對鋼管表面的滲碳問題；7）冷卻壁熱面表層會因在使用過程中的滲碳而提高硬度，增加耐磨性，這對提高冷卻壁邊角部位的抗磨損能力是很有利的；8）因為冷卻能力好，所以渣皮再生能力強，對冷卻壁會形成更有效地保護。三、 鑄鋼冷卻壁的現(xiàn)狀及存在的技術(shù)問題 一）鑄鋼冷卻壁的現(xiàn)狀因為鑄鋼冷卻壁優(yōu)良的綜合性能和高的性價比，世界各國都致力于鋼冷卻壁的研究。我國從上世紀九十年代中期，國家在九五重點攻關(guān)項目中，把鑄鋼冷卻壁的研究制造作為高爐長壽攻關(guān)的子課題，國內(nèi)很多大學(xué)、研究機構(gòu)、企業(yè)單位等做了大量的工作，取得了一些成就，但在鑄鋼冷卻壁制造工藝上，其核心難點還是

21、難以突破：就是在保證鑄入鋼母體中的冷卻水管不熔穿的情況下，實現(xiàn)水管與母體冶金結(jié)合。只有實現(xiàn)水管與母體冶金結(jié)合、消除冷卻壁氣隙熱阻，才是大幅度提高鑄鋼冷卻壁冷卻能力、充分發(fā)揮鑄鋼冷卻壁優(yōu)異綜合性能的唯一途徑，也是多年以來，鑄鋼冷卻壁制造工藝上難以突破的技術(shù)瓶頸。 因為這個難以解決的技術(shù)問題，現(xiàn)在市面上的鑄鋼冷卻壁普遍存在著冷卻能力差、冷卻水管易開裂漏水，使用壽命短的問題。具體原因做如下分析：1、 現(xiàn)鑄鋼冷卻壁冷卻能力差的根本原因：就是因為鑄入冷卻壁的鋼管外表面，與冷卻壁母體之間存在著很大的氣隙熱阻。鑄鋼冷卻壁的氣隙熱阻與鑄鐵冷卻壁相比，前者要比后者大得多，也就是鋼管與鑄鋼母體之間的間隙要比球鐵冷

22、卻壁存在的間隙大得多。這是因為1）鋼水的液態(tài)收縮率是1.2%，而球墨鑄鐵則為0.8%，僅液態(tài)收縮造成的間隙就比球鐵高50%；2）鋼水的澆注溫度要比鐵水高200，常用鑄鋼的固相線溫度約1450，生鐵的固相線溫度是1153，兩者相差297。低碳鑄鋼（C）=0.25%在20600的線收縮系數(shù)14.41×10-6K-1,鐵素體球墨鑄鐵在20600的線收縮系數(shù)13.5×10-6K-1, 在這么大的溫差下僅固態(tài)線收縮造成的間隙就比球鐵高約121%；可見，因為鋼的液態(tài)收縮和固態(tài)線收縮累計形成的間隙，就是球體的2.71倍。如果球鐵冷卻壁水管與壁體的間隙是0.3mm的話，那么鑄鋼冷卻壁水管與

23、壁體間隙至少是0.81mm，也就是這個氣隙熱阻，至少是球鐵冷卻壁的2.71倍。測試表明，2mm的氣隙就會使母體與水管之間的溫差達到240，引起29W/的熱流【11】。2、冷卻水管開裂漏水，是目前鑄鋼冷卻壁失效的主要原因。經(jīng)解剖檢驗，目前鑄鋼冷卻壁水管與母體之間普遍存在0.5-1mm的間隙，有的甚至更大。按現(xiàn)有鑄鋼冷卻壁鑄鋼母體熱面峰值溫度740，正常工作溫度200考慮，鑄鋼冷卻壁長度1800mm，計算出鑄鋼母體在這一溫度區(qū)間變化時，熱面部位的膨脹量高達21.09mm；而鑄入冷卻壁內(nèi)部的水管因為始終有冷卻水在流動，當(dāng)冷卻壁熱面經(jīng)受大的溫度變化時，在氣隙熱障的隔熱作用和冷卻水的冷卻作用下，冷卻水管

24、的溫度變化不會太大，也就是處于冷卻壁體內(nèi)的冷卻水管的線性尺寸不會有大的變化。當(dāng)冷卻壁壁體產(chǎn)生大約21mm左右的線收縮或線膨脹時，鑄鋼母體必然會籍這個強大的內(nèi)應(yīng)力“挾持”著冷卻水管做1920mm的膨脹或收縮。這個膨脹或收縮量，作用在沒有接縫的、有良好韌性的鋼管的長度方向上問題不大，但因為鋼管與冷卻壁母體之間存在間隙，冷卻壁母體形變應(yīng)力的著力點必然處在U形水管的兩個R部位和U形管的立管上，使U形管的兩個R部位不斷承受交變應(yīng)力的反復(fù)作用，最終必然導(dǎo)致水管在兩個彎頭部位開裂漏水。如果鑄入壁體內(nèi)部水管的兩個彎頭是焊接的，水管漏水的時間會大大提前。實踐中有鑄鋼冷卻壁使用兩年就漏水報廢的記錄；更尤甚者，鑄鋼

25、冷卻壁在使用數(shù)月后，因為漏水而被迫報廢拆除。這就是為什么鑄鋼冷卻壁在目前沒有大規(guī)模推廣的原因。要想避免冷卻壁水管漏水、提高冷卻壁的導(dǎo)熱能力，使水管與鑄鋼母體之間形成可靠的冶金結(jié)合，是重要的、也是唯一的路子。 二）鑄鋼冷卻壁制造中的技術(shù)難題 在鑄鋼冷卻壁的鑄造過程中，既保證鋼管不被熔穿，又能實現(xiàn)鋼管與鑄鋼母體實現(xiàn)冶金結(jié)合，是此前國內(nèi)外一直沒有突破的技術(shù)難題。 一般鑄鋼的（C）=0.15-0.30%的固相線為1450，液相線溫度1525，為防止?jié)茶T過程中掛包和形成冷隔，鋼水的澆注溫度一般都在1530以上。如果對鋼管保護不當(dāng)，鋼水的巨大體系熱量很容易將鋼管熔穿。為了保護管子不被熔穿，一般采用在鋼管上

26、焊冷鐵和對鋼管強制冷卻兩種辦法，期望在保證鋼管完好的同時，又能實現(xiàn)鋼管與母體冶金結(jié)合。多年的生產(chǎn)實踐證明，這種良好的設(shè)想是不可能實現(xiàn)的，現(xiàn)就兩種方案均不能實現(xiàn)冶金結(jié)合的原因分析如下1、在鋼管上焊內(nèi)冷鐵的辦法利用熔合內(nèi)冷卻鐵熱平衡原理，依據(jù)公式G冷=fv0冷(M0-Mr)/ M0，計算出內(nèi)冷鐵的重量，在鋼管外壁焊接內(nèi)冷鐵或螺旋內(nèi)冷鐵，目的是1）通過內(nèi)冷鐵吸收鋼水總體系的熱量，熔化冷鐵保護水管；2）當(dāng)內(nèi)冷鐵吸收了足夠的熱量并熔化后，鋼水剩余的熱量又不多不少、正好將冷卻壁水管外壁熔化一層，從而實現(xiàn)冷卻壁與鋼管的冶金結(jié)合。這種方案在理論上有可行性，但實踐上必須既能做到鋼管的內(nèi)表面溫度在固相線溫度145

27、0以下，又能保證鋼管外表層溫度在1485以上。此時，可把鋼管也看成是內(nèi)冷鐵，有實驗得出，只有當(dāng)內(nèi)冷鐵溫度上升至1485以上，他才與鑄件發(fā)生熔合?！?2】顯然這個目的是無法達到的：一是在鋼管12mm壁厚方向上(設(shè)若選用冷卻水管為64×12mm)，無論對鋼管采用什么樣的冷卻措施，鋼管內(nèi)外表面溫度梯度是不可能超過35的，只能比這個溫度差要小得多。這是由碳鋼是熱的良導(dǎo)體的性質(zhì)決定的。二是鋼水總體系的溫度難以準確控制，也就是鋼管難以準確的被鋼水加熱到1485以上并超過不多。低于1485鋼管不會與鑄件熔合，但稍高于1525就可能將鋼管全部熔化掉。顯然，準確計算澆注過程中的熱平衡，使鋼管準確的被鋼

28、水加熱到1485以上并超過不多是十分重要的。但整個澆注體系極為復(fù)雜，可變因素、不可控因素太多，從上式可以看到，熱平衡的計算只考慮了澆鑄過程中注入金屬液的熱量，以及冷鐵吸收的熱量，型砂吸收的熱量沒有考慮。但型砂吸收熱量的多少往往是關(guān)乎可熔性冷鐵熔與不熔的關(guān)鍵。型砂吸收多少熱量無法計算，造型時用的砂箱不可能一致，型砂的種類、粒度也不一樣，這決定了型腔的體系溫度場變化范圍很大，對這個溫度場進行精確的計算與控制是不太可能的。如果是大批量的產(chǎn)品，有固定的形狀、尺寸，使用固定的沙箱、型砂等，可以通過理論計算，再經(jīng)過多次實踐修正，可以找出最佳澆鑄工藝參數(shù)并予以準確控制。但冷卻壁不是大批量產(chǎn)品，一座高爐上使用

29、同一張圖紙的冷卻壁一般也就幾十塊，無論從成本還是從時間上考慮，都不可能像大批量產(chǎn)品一樣，待摸索出最佳澆注工藝參數(shù)后，再開始冷卻壁的生產(chǎn)。如上文分析，即使內(nèi)冷鐵計算的很準確，鋼水也能準確的把鋼管加熱到1485以上并超過不多，但鋼管壁厚一般只有8-12mm左右，鑒于碳鋼的良好導(dǎo)熱能力，鋼管內(nèi)外表面難以保持數(shù)十度的溫度差。理論和實踐證明，利用焊接冷鐵的方法澆注的鑄鋼冷卻壁，大面積的實現(xiàn)水管與冷卻壁本體之間的冶金結(jié)合是不太可能的。實際生產(chǎn)中，為了做到鋼管不被熔穿，保證鑄鋼冷卻壁的成品率，一般冷卻壁制造廠只好選擇多加冷鐵的辦法，來保證水管完整。但大量的未熔冷鐵存在于鑄鋼冷卻壁的基體與水管之間，將冷卻壁的

30、肌體割裂開來，產(chǎn)生大量的魏氏體組織，為冷卻壁將來產(chǎn)生裂紋留下了隱患。采用這種工藝制造的冷卻壁，曾有使用半年就漏水的實例。2、 在鋼管內(nèi)部通入大量強冷卻介質(zhì)的方法利用這種工藝方法制造的冷卻壁，冷卻壁的基體強度要好一些，但是因為冷卻介質(zhì)的超強冷卻作用，鋼管不可能被鋼水加熱到1485以上，不僅談不上鋼管與鑄件實現(xiàn)熔合，更會使冷卻壁本體與鋼管之間形成更大的間隙，形成更大的氣隙熱障。從剖開的冷卻壁端面看，水管能夠非常輕易地用手從冷卻壁中取出。這是因為澆注過程中水管在強冷卻介質(zhì)的強制冷卻下溫度更低，而鋼水的溫度很高，接觸低溫鋼管的鋼水瞬間凝固、結(jié)殼，其他部位的鋼水凝固時間要晚的多，這些鋼水在凝固時的約束狀

31、態(tài)下，會按照1.2%比例收縮，再加上冷卻壁從高溫到常溫的固態(tài)收縮，于是在鋼管與鑄鋼母體之間產(chǎn)生了不小于0.5mm甚至更大的間隙，根本談不上冶金結(jié)合。這個氣隙層成為比鑄鐵冷卻壁大得多的熱阻層，使得鑄鋼冷卻壁的導(dǎo)熱能力大大降低，成為鑄鋼冷卻壁難以大規(guī)模推廣的重大障礙。濟鋼一煉鐵5#350m³高爐在2001年2月份的實測溫度顯示，鑄鋼冷卻壁的壁體溫度大大高于相同部位的球鐵冷卻壁，說明用這種工藝方法生產(chǎn)的鑄鋼冷卻壁形成的氣隙熱阻，要比球鐵冷卻壁大得多。這使人們深刻地認識到，水管與冷卻壁之間能否形成冶金結(jié)合，是影響鑄鋼冷卻壁使用壽命的關(guān)鍵因素。目前世界各國都致力于解決鑄鋼冷卻壁本體與鋼管之間的

32、冶金結(jié)合問題。四、高導(dǎo)熱鑄鋼冷卻壁的特點高導(dǎo)熱、無熱障鑄鋼冷卻壁的成功開發(fā)，實現(xiàn)了鑄鋼冷卻壁質(zhì)的飛躍。它做到了不在水管周圍添加任何螺旋冷鐵，保證冷卻水管完整的前提下，水管與鑄鋼母體之間形成了可靠的冶金結(jié)合。因為做到了冶金結(jié)合，所以消除了水管與母體之間的氣隙，大幅度提高了鑄鋼冷卻壁導(dǎo)熱能力，大幅延長了鑄鋼冷卻壁使用壽命。1、 高導(dǎo)熱鑄鋼冷卻壁熱面溫度的計算1.1 熱流密度峰值時，鑄鋼冷卻壁的熱面溫度1.1.1 冷卻壁熱面鑲磚厚度200mm時 【13】 取冷卻壁熱面峰值熱流密度：q=58.2 KW.m-2; 冷卻介質(zhì)溫度：tj=25； 冷卻壁水管內(nèi)徑：d=40mm; 鑲磚厚度：b=200mm; 冷

33、卻壁厚度之半：a=100mm; 水管中心線間距：L=200mm; 水的傳熱系數(shù)：=2.326 W.(. )-1 鑄鋼熱導(dǎo)率（200時）：=48.6 W.(m. )-1 ; 耐火磚熱導(dǎo)率：s=15 W.(m. )-1根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以計算出在冷卻壁熱面鑲磚厚度達200mm，熱流密度達峰值時，冷卻壁受熱面的平均溫度為583。1.1.2 冷卻壁熱面鑲磚磨損至0mm后（耐火磚襯消失）在爐體內(nèi)部的惡劣環(huán)境下，鑲嵌在冷卻壁上的耐火材料是難以持久的。在滿覆蓋耐火磚磨蝕至露出冷卻壁燕尾時（一般只需6個月），取鑲磚厚度b=0，其它參數(shù)與1.1.1相同，計算出當(dāng)鑲嵌在冷卻壁熱面的磚襯消失后，當(dāng)熱流密度達峰值時，冷卻壁受熱面的平均溫度為215。1.2 正常工作狀態(tài)下，冷卻壁的熱面溫度 當(dāng)鑲嵌在冷卻壁熱面的磚襯消失后，冷卻壁在熱流密度34.9 KW.m-2 的正常工作狀態(tài)時，計算出鑄鋼冷卻壁的熱面溫度是163。在選用球墨鑄鐵冷卻壁時，冷卻壁熱面的磚襯消失后（不包括燕尾槽內(nèi)的耐火磚），當(dāng)熱流密度達峰值時，計算出球鐵冷卻壁